CN101257714B - 认知无线电系统的跨层自适应并行信道分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种认知无线电系统的跨层自适应并行信道分配方法，该方法包括基站在上行时隙接收各未授权用户SU的信道申请，基站分析信道请求信息，基站在各SU不相互干扰，且不干扰授权用户PU的前提下，自适应的分配可用信道资源。本发明通过采用时分双工TDD的上、下行时隙划分的方法，基站分析可用信道资源的信号噪声比信息，采用传输集合划分，并行分配信道，自适应调整首选信道，最大化传输效率，给各SU确定最合适的传输方式，提供最合适的信道资源，同时采用SU实时监测PU是否出现，将对PU的干扰降到最低，提高无线认知网络的容量和信道的利用率。

Description

认知无线电系统的跨层自适应并行信道分配方法

技术领域

本发明涉及认知无线电系统的跨层自适应技术，特别地，涉及一种认知无线电系统的跨层自适应并行信道分配方法。

背景技术

当前的无线网络采用的是固定频谱分配策略，即无线频谱资源的规划和使用由政府部门指定的，对它的使用需要得到政府的许可。随着无线业务急剧增长，对有限的频谱的需求也随之剧增，这挑战了传统频谱政策的有效性。无线频谱资源的稀缺以及频谱资源利用率低下的问题使得一种全新的、优化使用频谱资源的无线通信模式变得十分必要。研究学者考虑允许没有使用许可的用户在对法定用户不产生任何干扰的情况下使用以分配的许可频段，这种无线通信模式被称为认知无线电，它是一种智能无线通信系统，能感知周围环境并从中获取信息，通过实时改变传输参数来适应环境的变化。认知无线电的最终目标是通过认知和重新配置获得最好的可用资源，最大的挑战就是如何与法定用户共享频谱而不对其产生干扰。

在认知无线电环境下，系统中存在无线频谱资源的授权用户(PU)和需要租赁频谱资源使用的未授权用户(SU)。PU拥有无线频谱资源的最高使用权力，SU只有在不对PU造成干扰的情况下，才能使用原来分配给PU的频谱资源。SU通过使用频谱感知技术实时感知周围的环境，检测可用频谱资源。SU之间使用可用频谱资源采取竞争的形式，可以通过基站采取一定的算法分配，也可以采用分布式策略分配。SU在使用频谱资源时，必须同时侦听周围环境，如果侦听到PU出现，SU必须立刻停止使用该频谱资源，使得对PU的干扰降到最低，同时SU需要重新选择可用频谱资源，系统也需要重新分配可用资源。在这种情况下，现有的静态频谱分配方式已经不能适应系统的需求，而一些动态频谱分配方式也仅仅考虑空间上的复用，没有考虑到认知无线电环境下，可用频谱资源的空间、时间变化性，以及在不同频谱上工作的SU的正交性，这样使得当前频谱资源的利用率很低。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种认知无线电系统的跨层自适应并行信道分配方法，以提高无线认知网络的容量和频谱的利用率。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种认知无线电系统的跨层自适应并行信道分配方法，包括以下步骤：

(1)基站通过频谱感知，确立控制信道CC；

(2)SU在上行时隙向基站提出信道申请；

(3)基站在上行时隙接收各SU的信道申请，并分析处理；

(4)基站执行自适应分配算法，为各SU分配资源；

(5)基站指示无传输需求的SU频谱感知，监测PU的出现。

本发明的有益效果是：本发明通过采用TDD的上、下行时隙划分，SU向基站提供实时的可用资源信息，基站采用传输集合划分，并行分配信道，自适应调整SU首选信道的方法，实现跨层的自适应动态信道分配，分配方式灵活，提高了无线认知网络的容量和频谱的利用率，实时监测PU的出现，将对PU的干扰降到最低。

附图说明

图1为本发明的应用环境示意图，

图2为本发明的时帧结构图，

图3是本发明SU工作的流程图，

图4是本发明的基站跨层自适应并行分配算法的一种实施例的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

1.基站通过频谱感知，确立控制信道CC。

基站在初始化网络时进行频谱感知，根据各可用信道SNR，确定一个SNR最好且最稳定的空闲信道作为CC，选择一个次好的空闲信道作为BCC。基站在每一个时帧的第一个时隙广播同步信息以及该时帧的信道分配结果。

2.SU在上行时隙向基站提出信道申请。

SU在提出信道申请前进行频谱感知，维护一个可用信道列表和各可用信道的SNR，按照SNR从高到低的顺序排列可用信道，将列表前面特定数目个可用信道及其SNR添加到信道申请信息中。SU侦听基站的广播信息，在上行时隙申请信道采用竞争的方式，选择某个上行时隙发送信道申请，如果该时隙只有一个SU申请，那么信道申请发送成功；否则信道申请失败，SU在下一个时隙继续申请。

3.基站在上行时隙接收各SU的信道申请，并分析处理。

基站接收各SU的信道申请信息，从各SU的可用信道集合中选择SNR最好的信道推荐给该SU，根据各SU信道SNR确定传输方式，使得该传输方式对应的传输效率在满足信道SNR条件下最好。

4.基站执行自适应分配算法，为各SU分配资源。

基站根据各SU首选信道的不同，将SU划分到不同的传输集合。在每一个传输集合中维护一个传输效率最大组合(G_MAX)，初始化G_MAX为空集合。计算传输集合中各SU的累计传输效率，即与该SU不相互干扰的SU的传输效率之和，包括该SU本身。将累计传输效率最大的SU加入G_MAX中，更新传输集合，删除该SU以及与该SU相互干扰的节点，继续执行，直到传输集合为空。对下一个传输集合进行同样的分配操作，直到所有传输集合都为空。将所有未加入G_MAX的SU，更换其首选信道，将仅次于原首选信道的信道作为首选信道，依次判断更换首选信道的SU是否与对应G_MAX中的所有SU相互干扰，如果不干扰，将其加入该G_MAX中。基站分配一个下行时隙给各G_MAX的SU，各SU被分配其G_MAX所对应的信道。基站对每一个下行时隙进行同样的分配过程，直到分配完所有下行时隙。

5.基站指示无传输需求的SU频谱感知，监测PU的出现。

基站指定下行时隙无传输要求的SU进行频谱感知，更新可用信道列表，监测PU是否出现。基站或者SU监测到PU出现，与该PU干扰的SU必须立即停止使用该信道，并在控制信道上发送PU出现信息，避免其他SU对PU产生干扰。退出该信道的SU在下一时帧重新申请信道资源。当PU出现在控制信道上时，基站立即将控制信道CC切换到备用控制信道上，并在备用控制信道上发送PU出现信息和控制信道更换信息，避免其他SU对PU产生干扰。

以下结合SU申请信道资源到基站分配信道的具体实例来对本发明做详细描述。

如图1所示，这是无线认知网络的通信环境，基站作为中心控制节点，负责广播同步信息，接收SU信道申请，以及跨层自适应并行分配信道算法，将算法结果广播发送给SU。SU是信道资源的未授权用户，需要进行频谱感知，从而入网或申请使用信道，被基站分配信道才能使用信道通信，未被分配信道的SU进行频谱感知，监测PU出现以及更新可用信道信息。PU是信道资源的授权用户，拥有频谱的最高使用权限，PU可能在一段时间使用频谱资源，而在其他时间不使用，这时才允许SU竞争使用该信道资源。

如图2所示，这是本系统的时帧结构。每个时帧的长度一样，时帧与时帧之间有一定的保护间隔。基站在每一个时帧的第一个时隙广播同步时隙和当前时帧的信道分配结果。同步信息便于SU加入网络以及识别时帧的起始位置；信道分配结果指示系统中SU的工作。SU在上行时隙竞争使用信道，在下行时隙，被分配到信道的SU使用信道资源通信，未被分到信道的SU进行频谱感知。

如图3所示，这是SU工作的流程图。SU开始工作，首先频谱感知，更新可用信道信息，侦听基站广播发送的同步信息。如果未侦听到，就继续频谱感知，侦听信道；如果侦听到，就竞争上行时隙，SU随机选择一个上行时隙，向基站发送入网请求，如果在该时隙只有一个SU发送，则该SU发送信息成功，基站能正确接收该SU入网，同意该SU入网；否则发送申请失败，需要重新申请入网。

SU成功入网，在上行时隙，发送信道申请前进行频谱感知，记录每一个可用信道及其对应的SNR，SU维护一个可用信道列表，其中可用信道按照SNR从高到低的顺序排列。SU从可用信道列表中取前特定数目个信道及其SNR添加到信道申请信息中。在每一个时帧，SU都进行频谱感知，实时更新可用信道信息，从而使得基站能够自适应的调整各SU的传输模式。

在上行时隙，SU侦听到同步信息，随机选择一个上行时隙向基站发送信道申请。如果有两个或以上SU选择同一个上行时隙发送信道申请，则这两个信息发生碰撞，基站无法正确接收任何一个信息，申请失败。如果只有一个SU发送信道申请，则基站能够正确接收，并记录该信道申请信息。

在下行时隙，被分配信道资源的SU之间可以使用该信道相互通信，知道使用完毕退出该信道，或者是该信道的PU出现，这时与之干扰SU必须立刻停止该信道，并在控制信道上广播PU出现信息，通知基站和其它SU，尽量减少对PU的干扰。未被分配信道资源的SU执行频谱感知，检测PU出现以及更新可用信道资源。

如图4所示，在上行时隙，基站收到各SU的信道申请，从信道申请信息中等到该SU的可用信道资源及其SNR，基站选择SNR最好的信道作为该SU的首选信道，并根据SNR选择传输模式，由于每种传输模式对应一个传输效率，所以选择传输模式要保证该传输模式对应的传输效率是在满足该SNR条件下最好的。

基站根据SU申请的信道不同，将SU划分到不同的传输集合，即推荐信道为同一信道的SU在同一传输集合。这样得到与可用信道数目个数相同的传输集合，基站在这些传输集合中并行分配信道。

基站在分配开始前为每一个传输集合维护一个传输效率最大组合G_MAX，初始化为空。

对一个传输集合的每一个SU，计算其累计传输效率。计算方法如下：找出与该SU不干扰的所有SU，计算所有这些SU的传输效率之和，包括该SU自身，作为该SU的累计传输效率。在传输集合中所有SU的累计传输效率计算完成后，选出累计传输效率最大的SU，将其加入G_MAX。在选择下一个SU加入G_MAX前，将该SU以及与该SU相互干扰的SU从传输集合中删除，更新传输集合，继续分配过程，直到该传输集合为空，无法再下G_MAX中添加SU。采取同样的分配方法对其他的传输集合进行信道分配，这样当所有传输集合分配完成，最后得到与可用信道数目个数相同的G_MAX。

基站对未加入G_MAX中的SU，改变其首选信道，将次好于原首选信道的信道作为新的首选信道，如果该SU与新首选信道对应的G_MAX中的所有SU都不干扰，则将该SU加入到该G_MAX中；否则，无法为该SU分配信道资源。

基站分配一个下行时隙给各G_MAX的SU，各SU被分配其G_MAX所对应的信道。基站完成一个下行时隙的分配，并将已经分配信道的SU从申请信道资源的集合中删除，对剩余的SU进行下一个下行时隙的分配。分配的过程如上所述。

基站完成所有下行时隙的分配，记录分配结果，并添加到广播信息中，在下一个时帧的第一个时隙将分配结果广播告知SU。被分配信道的SU在对应时隙使用该信道资源，在时隙结束后停止使用该信道。未分配信道的SU可以继续新一轮的申请，或者改变申请策略后再申请。

基站指定下行时隙无传输要求的SU进行频谱感知，更新可用信道列表，监测PU是否出现。基站或者在进行频谱感知的SU在某时隙监测到PU出现，基站或SU立即在控制信道上发送PU出现信息，通知其他与PU干扰的SU立即停止使用该信道，避免对PU产生干扰。如果是正在使用该PU信道资源的SU监测到PU出现，则必须立即停止使用该信道，并在控制信道上发送PU出现信息。

本发明通过采用TDD的上、下行时隙的方法，SU进行频谱感知，实时监测PU出现和可用频谱资源，并向基站提供该信息，基站采用传输集合划分，并行分配信道，最大化传输效率，自适应调整SU首选信道的方法，给SU确定最合适的传输方式，提供最合适的信道资源，并且将对PU干扰降到最低。我们要求将这种跨层自适应并行信道分配方法作为发明保护。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种认知无线电系统的跨层自适应并行信道分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)基站通过频谱感知，确立控制信道CC：基站在初始化网络时进行频谱感知，根据各可用信道SNR，确定一个SNR最好且最稳定的空闲信道作为CC，选择一个次好的空闲信道作为BCC；基站在每一个时帧的第一个时隙广播同步信息以及该时帧的信道分配结果；

(2)SU在上行时隙向基站提出信道申请：SU在提出信道申请前进行频谱感知，维护一个可用信道列表和各可用信道的SNR，按照SNR从高到低的顺序排列可用信道，将列表前面特定数目个可用信道及其SNR添加到信道申请信息中；SU侦听基站的广播信息，在上行时隙申请信道采用竞争的方式，选择某个上行时隙发送信道申请，如果该时隙只有一个SU申请，那么信道申请发送成功；否则信道申请失败，SU在下一个时隙继续申请；

(3)基站在上行时隙接收各SU的信道申请，并分析处理：基站接收各SU的信道申请信息，从各SU的可用信道集合中选择SNR最好的信道推荐给该SU，根据各SU信道SNR确定传输方式，使得该传输方式对应的传输效率在满足信道SNR条件下最好；

(4)基站执行自适应分配算法，为各SU分配资源：基站根据各SU首选信道的不同，将SU划分到不同的传输集合；在每一个传输集合中维护一个传输效率最大组合G_MAX，初始化G_MAX为空集合；计算传输集合中各SU的累计传输效率，即与该SU不相互干扰的SU的传输效率之和，包括该SU本身；将累计传输效率最大的SU加入G_MAX中，更新传输集合，删除该SU以及与该SU相互干扰的节点，继续执行，直到传输集合为空；对下一个传输集合进行同样的分配操作，直到所有传输集合都为空；将所有未加入G_MAX的SU，更换其首选信道，将仅次于原首选信道的信道作为首选信道，依次判断更换首选信道的SU是否与对应G_MAX中的所有SU相互干扰，如果不干扰，将其加入该G_MAX中；基站分配一个下行时隙给各G_MAX的SU，各SU被分配其G_MAX所对应的信道；基站对每一个下行时隙进行同样的分配过程，直到分配完所有下行时隙；

(5)基站指示无传输需求的SU频谱感知，监测PU的出现：基站指定下行时隙无传输要求的SU进行频谱感知，更新可用信道列表，监测PU是否出现；基站或者SU监测到PU出现，与该PU干扰的SU必须立即停止使用该信道，并在控制信道上发送PU出现信息，避免其他SU对PU产生干扰；退出该信道的SU在下一时帧重新申请信道资源；当PU出现在控制信道上时，基站立即将控制信道CC切换到备用控制信道上，并在备用控制信道上发送PU出现信息和控制信道更换信息，避免其他SU对PU产生干扰。

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