CN101489234A - 基于碰撞概率约束的机会频谱接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于碰撞概率约束的机会频谱接入方法，属于无线移动通信技术领域，该方法包括：设定碰撞概率约束值ζ，将频谱空闲时长分布函数f(t)的参数及忙碌时长的均值v设为任意值；循环以下过程：持续感知直到频谱空闲；若频谱空闲，则利用ζ、f(t)及v，计算最佳接入时间点x^opt及最佳接入时长T^a，若空闲时长小于x^opt则感知频谱，否则持续接入频谱，直到接入时长大于T^a或发生碰撞；若接入时长大于T^a，则持续感知直到频谱忙碌，若频谱忙碌，则计算并存储忙碌时长与空闲时长，并估计f(t)的参数及v，进入下一次循环；若发生碰撞，则计算并存储忙碌时长与空闲时长，并估计f(t)的参数及v，进入下一次循环。本发明能够最大化地利用空闲频谱资源，同时满足主用户能够容忍的碰撞概率约束。

Description

基于碰撞概率约束的机会频谱接入方法

技术领域

本发明属于无线移动通信技术领域，特别涉及为二级用户以最大化空闲频谱利用率为目的的机会频谱接入方法。

背景技术

最近几十年，无线移动通信技术飞速发展，无线移动通信服务越来越受到人们的青睐。无线频谱低利用率的现状与日益增长的无线通信需求引出了空闲频谱的二次利用概念，从而导致了机会频谱接入这个提高频谱利用率核心技术的发展。机会频谱接入的主要思想是通过开放授权频谱给二级用户(非授权用户)以利用频谱的即时可用性，允许二级用户使用未被主用户(授权用户)使用或部分使用的无线频谱资源，从而提高目的频谱的利用率。也就是说，机会频谱接入允许二级用户识别可用的频谱资源，并以有限碰撞或有限干扰主用户的方式进行接入和传输。

机会频谱接入系统需要二级用户在避免与主用户过多干扰或过多碰撞的情况下有效的利用未被主用户使用的空闲频谱。但主用户接入系统使用频谱资源情况是时变的，因此二级用户需要感知(Sense，检测目的频谱并获知频谱是否空闲状态)主用户使用频谱的情况并识别空闲频谱，需要智能的自适应调整接入目的频谱的参数。在传统方法中，二级用户感知目的频谱资源，并根据目的频谱是否空闲自适应配置其接入目的频谱的参数。这种自适应是基于目的频谱资源当前被主用户占用的情况，一旦检测到主用户重新出现，则二级用户暂停传输，重新对目的频谱进行感知并等待下一次恢复传输的机会。传统方法由于没有任何关于未来空闲频谱的时长分布信息，不能有效安排二级用户未来的频谱接入与传输，并导致二级用户不可控制的与主用户发生碰撞，从而可能因碰撞而对主用户造成不可容忍的损害。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于碰撞概率约束的机会频谱接入方法，这种方法主要是二级用户根据目的频谱的空闲时长分布决定接入目的频谱的最佳时间点和最佳接入时长，以最大化空闲频谱利用率的同时满足主用户要求的碰撞概率约束。

本发明提出的基于碰撞概率约束的机会频谱接入方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)初始化：根据主用户要求设定碰撞概率约束值

；将目的频谱空闲时长分布函数f(t)(t≥0)的参数及目的频谱忙碌时长的均值v(v>0)设为任一取值；将频谱忙计数置为0，频谱闲计数置为0；

2)二级用户感知目的频谱，如果目的频谱忙碌，则频谱忙计数加1，继续执行步骤2)；否则，频谱闲计数加1，执行步骤3)；

3)利用碰撞概率约束值、目的频谱的空闲时长分布函数f(t)及目的频谱忙碌时长的均值v，计算得到最佳接入时间点x^opt及最佳接入时长T^a，判断是否接入目的频谱：如果频谱闲计数大于等于x^opt且小于等于x^opt+T^a则执行步骤4)；否则，执行步骤2)；

4)二级用户接入到目的频谱，如果与主用户发生碰撞，则存储频谱忙计数与频谱闲计数，执行步骤7)；否则，频谱闲计数加1，执行步骤5)；

5)利用碰撞概率约束值、目的频谱的空闲时长分布函数f(t)及目的频谱忙碌时长的均值v，计算得到x^opt及T^a，判断是否接入目的频谱：如果频谱闲计数大于x^opt+T^a，则执行步骤6)，否则执行步骤4)；

6)二级用户感知目的频谱，如果目的频谱忙，则存储频谱忙计数与频谱闲计数，执行步骤7)，否则频谱闲计数加1，执行步骤6)；

7)根据存储的频谱闲计数与频谱忙计数，采用参数估计方法估计目的频谱空闲时长分布函数f(t)的参数及目的频谱忙碌时长的均值v；频谱忙计数和频谱闲计数重新置为0；执行步骤2)。

本发明的特点及效果：本发明提出的基于碰撞概率约束的机会频谱接入方法能够在满足碰撞概率约束前提下最大化地利用空闲频谱资源，这将为二级用户(非授权用户)接入目的授权频谱提供支持，进一步为认知无线电网络发展提供核心技术基础，对推动高效利用无线频谱资源提供技术保障。本方法可应用到各类认知无线电(Cognitive Radio)系统中，如IEEE 802.22规范的无线区域网络(WRAN，Wireless Region Area Network)系统，推动基于机会频谱接入技术的网络系统实用化。

附图说明

图1为本发明的基于碰撞概率约束的机会频谱接入方法流程框图。

图2为本发明基于碰撞概率约束的机会频谱接入方法实施例1流程图。

图3为本发明基于碰撞概率约束的机会频谱接入方法实施例2流程图。

具体实施方式

本发明提出的基于碰撞概率约束的机会频谱接入方法，结合附图及实施例详细说明如下：

本发明提出的基于碰撞概率约束的机会频谱接入方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

1)初始化：根据主用户要求设定碰撞概率约束值

；将目的频谱空闲时长分布函数f(t)(t≥0)的参数及目的频谱忙碌时长的均值v(v>0)设为任一取值；将频谱忙计数置为0，频谱闲计数置为0；

2)二级用户感知目的频谱，如果目的频谱忙碌，则频谱忙计数加1，继续执行步骤2)；否则，频谱闲计数加1，执行步骤3)；

3)利用碰撞概率约束值

、目的频谱的空闲时长分布函数f(t)及目的频谱忙碌时长的均值v，计算得到最佳接入时间点x^opt及最佳接入时长T^a，判断是否接入目的频谱：如果频谱闲计数大于等于x^opt且小于等于x^opt+T^a则执行步骤4)；否则，执行步骤2)；

4)二级用户接入到目的频谱，如果与主用户发生碰撞，则存储频谱忙计数与频谱闲计数，执行步骤7)；否则，频谱闲计数加1，执行步骤5)；

5)利用碰撞概率约束值

、目的频谱的空闲时长分布函数f(t)及目的频谱忙碌时长的均值v，计算得到x^opt及T^a，判断是否接入目的频谱：如果频谱闲计数大于x^opt+T^a，则执行步骤6)，否则执行步骤4)；

6)二级用户感知目的频谱，如果目的频谱忙，则存储频谱忙计数与频谱闲计数，执行步骤7)，否则频谱闲计数加1，执行步骤6)；

7)根据存储的频谱闲计数与频谱忙计数，采用参数估计方法估计目的频谱空闲时长分布函数f(t)的参数及目的频谱忙碌时长的均值v；频谱忙计数和频谱闲计数重新置为0；执行步骤2)。

上述步骤2)与步骤6)的感知目的频谱，可采用包括但不限于能量检测器、匹配滤波检测器、循环平衡检测器或协作检测等在内各种已知频谱感知方法。

上述步骤3)与步骤5)中计算得到最佳接入时间点x^opt及最佳接入时长T^a的方法如下：设置主用户要求满足的碰撞概率约束不等式

，其中P^C表示碰撞概率(指二级用户传输过程中主用户再次出现造成碰撞的概率，本发明中的碰撞概率定义为碰撞次数与主用户成功传输时长的比例)，若二级用户在每个空闲频谱的第x个时隙开始接入目的频谱，接入时长为T，则二级用户接入目的频谱碰撞概率为

$P^C=P_{\max }^C{\∫}_x^{x+T}f\left(t\right)\mathrm{dt},$

其中

是二级用户接入目的频谱的最大碰撞概率(二级用户一旦检测到频谱空闲就立即接入目的频谱，并一直传输，直到主用户再次出现发生碰撞为止，这种接入目的频谱方式达到的碰撞概率为最大碰撞概率)，达到的最大碰撞概率与目的频谱忙碌时长的均值v之间的关系为 $P_{\max }^C=1/v;$

若二级用户在每个空闲频谱的第x个时隙开始接入目的频谱，预定接入时长为T，则空闲频谱利用率为

$\mathrm{\η}=\frac{{\∫}_x^{x+T}(t-x)f\left(t\right)\mathrm{dt}+T{\∫}_{x+T}^{\∞}f\left(t\right)\mathrm{dt}}{{\∫}_0^{\∞}\mathrm{tf}\left(t\right)\mathrm{dt}},$

其中 ${\∫}_x^{x+T}(t-x)f\left(t\right)\mathrm{dt}+T{\∫}_{x+T}^{\∞}f\left(t\right)\mathrm{dt}$ 为二级用户系统在x到x+T期间接入目的频谱的接入时长期望，其中第一部分为主用户在x到x+T期间再次出现的接入时长期望，第二部分为主用户在x+T后再次出现的接入时长期望；

为整个空闲频谱期间都接入的接入时长期望；

根据碰撞概率约束不等式

计算得到x和T的关系式，将x和T的关系式代入空闲频谱利用率表达式，然后通过求解最大空闲频谱利用率，得到最佳接入时间点x^opt和最佳接入时长T^a。

上述步骤7)中的估计目的频谱空闲时长分布函数f(t)的参数可使用包括但不限于最大似然估计算法等各种已知参数估计方法。

实施例1：目的频谱空闲时长服从负指数分布的情况下，基于碰撞概率约束的机会频谱接入方法

在本实施例中，目的频谱忙碌时长的均值为v，但目的频谱空闲时长服从负指数分布，其分布函数为f(t)＝ue^-ut(t≥0)。在目的频谱空闲时长服从负指数分布的情况下，基于碰撞概率约束的机会频谱接入方法流程如图2所示，包括以下步骤：

1)初始化：根据主用户要求设定碰撞概率约束值

，本实施例设为

；将目的频谱空闲时长分布函数f(t)的参数u及目的频谱忙碌时长的均值v(v>0)设为任一取值；将频谱忙计数置为0，频谱闲计数置为0。

2)二级用户感知目的频谱，如果目的频谱忙碌，则频谱忙计数加1，继续执行步骤2)；否则，频谱闲计数加1，执行步骤3)；

3)二级用户接入到目的频谱；如果与主用户发生碰撞，则存储频谱忙计数与频谱闲计数，执行步骤6)；否则，频谱闲计数加1，执行步骤4)；

4)利用、u及v，计算得到最佳接入时长T^a，判断是否接入目的频谱：如果频谱闲计数大于T^a，则执行步骤5)，否则执行步骤3)；

5)二级用户感知目的频谱，如果目的频谱忙，则存储频谱忙计数与频谱闲计数，执行步骤6)，否则频谱闲计数加1，执行步骤5)；

6)根据存储的频谱闲计数与频谱忙计数，采用最大似然估计算法估计参数u及v；频谱忙计数和频谱闲计数重新置为0；执行步骤2)。

上述步骤4)中计算得到最佳接入时间点x^opt和最佳接入时长T^a的方法如下：通过求解在满足碰撞概率约束(即

)的条件下最大化空闲频谱利用率η，可以得到：当

时，x^opt＝0且T^a无限制；当

时，x^opt取小于-1/uln(vζ)的任意值且

在本实施例中最佳接入时间点取为x^opt＝0且最佳接入时长取为

。

实施例2：目的频谱空闲时长服从通用帕累托(Pareto)分布的情况下，基于碰撞概率约束的机会频谱接入方法

在本实施例中，目的频谱忙碌时长的均值为v，但目的频谱空闲时长服从通用帕累托分布，其分布函数为

$f\left(t\right)=\frac{1}{\mathrm{\σ}}{(1+k\frac{1}{\mathrm{\σ}})}^{-1-1/k},$

其中k≠0为形状参数，σ为尺度参数。在目的频谱空闲时长服从通用帕累托分布的情况下，基于碰撞概率约束的机会频谱接入方法流程如图3所示，包括以下步骤：

1)初始化：根据主用户要求设定碰撞概率约束值，本实施例设

；将目的频谱空闲时长分布函数f(t)的参数k，σ及目的频谱忙碌时长的均值v设为任一取值；将频谱忙计数置为0，频谱闲计数置为0。

2)二级用户感知目的频谱，如果目的频谱忙碌，则频谱忙计数加1，继续执行步骤2)；否则，频谱闲计数加1，执行步骤3)；

3)利用、k、σ及v，计算得到最佳接入时间点x^opt，判断是否接入目的频谱：如果频谱闲计数大于等于x^opt则执行步骤4)；否则，执行步骤2)；

4)二级用户接入到目的频谱；判断是否与主用户碰撞，如果发生碰撞，则存储频谱忙计数与频谱闲计数，执行步骤5)；否则，频谱闲计数加1，执行步骤4)；

5)根据存储的频谱闲计数与频谱忙计数，采用最大似然估计算法估计k、σ及v；频谱忙计数和频谱闲计数重新置为0；执行步骤2)。

上述步骤3)中计算得到最佳接入时间点x^opt和最佳接入时长T^a的方法如下：通过求解在满足碰撞概率约束(即

)的条件下最大化空闲频谱利用率η，得到：当

时x^opt＝0且T^a无限制；当时，

且T^a无限制。

Claims (3)

1、一种基于碰撞概率约束的机会频谱接入方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)初始化：根据主用户要求设定碰撞概率约束值；将目的频谱空闲时长分布函数f(t)(t之0)的参数及目的频谱忙碌时长的均值v(v>0)设为任一取值；将频谱忙计数置为0，频谱闲计数置为0；

2)二级用户感知目的频谱，如果目的频谱忙碌，则频谱忙计数加1，继续执行步骤2)；否则，频谱闲计数加1，执行步骤3)；

3)利用碰撞概率约束值

、目的频谱的空闲时长分布函数f(t)及目的频谱忙碌时长的均值v，计算得到最佳接入时间点x^opt及最佳接入时长T^a，判断是否接入目的频谱：如果频谱闲计数大于等于x^opt且小于等于x^opt+T^a则执行步骤4)；否则，执行步骤2)；

4)二级用户接入到目的频谱，如果与主用户发生碰撞，则存储频谱忙计数与频谱闲计数，执行步骤7)；否则，频谱闲计数加1，执行步骤5)；

5)利用碰撞概率约束值

、目的频谱的空闲时长分布函数f(t)及目的频谱忙碌时长的均值v，计算得到x^opt及T^a，判断是否接入目的频谱：如果频谱闲计数大于x^opt+T^a，则执行步骤6)，否则执行步骤4)；

6)二级用户感知目的频谱，如果目的频谱忙，则存储频谱忙计数与频谱闲计数，执行步骤7)，否则频谱闲计数加1，执行步骤6)；

7)根据存储的频谱闲计数与频谱忙计数，采用参数估计方法估计目的频谱空闲时长分布函数f(t)的参数及目的频谱忙碌时长的均值v；频谱忙计数和频谱闲计数重新置为0；执行步骤2)。

2、如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤2)与步骤6)二级用户感知目的频谱，采用能量检测器、匹配滤波检测器、循环平衡检测器之任一种频谱感知方法。

3、如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤3)与步骤5)中计算得到最佳接入时间点x^opt及最佳接入时长T^a的方法如下：

设置主用户要求满足的碰撞概率约束不等式，其中P^C为碰撞概率；若二级用户在每个空闲频谱的第x个时隙开始接入目的频谱，接入时长为T，则二级用户接入目的频谱碰撞概率为：

$P^C=P_{\max }^C{\∫}_x^{x+T}f\left(t\right)\mathrm{dt},$

其中是二级用户接入目的频谱的最大碰撞概率，最大碰撞概率与目的频谱忙碌时长的均值v之间的关系为： $P_{\max }^C=1/v;$

若二级用户在每个空闲频谱的第x个时隙开始接入目的频谱，接入时长为T，则空闲频谱利用率为

$\mathrm{\η}=\frac{{\∫}_x^{x+T}(t-x)f\left(t\right)\mathrm{dt}+T{\∫}_{x+T}^{\∞}f\left(t\right)\mathrm{dt}}{{\∫}_0^{\∞}\mathrm{tf}\left(t\right)\mathrm{dt}},$

其中 ${\∫}_x^{x+T}(t-x)f\left(t\right)\mathrm{dt}+T{\∫}_{x+T}^{\∞}f\left(t\right)\mathrm{dt}$ 为二级用户在x到x+T期间接入目的频谱的接入时长期望，其中第一部分为主用户在x到x+T期间再次出现的接入时长期望，第二部分为主用户在x+T后再次出现的接入时长期望；

为整个空闲频谱期间都接入的接入时长期望；

根据碰撞概率约束不等式

计算得到x和T的关系式，将x和T的关系式代入空闲频谱利用率表达式，然后通过求解最大空闲频谱利用率，得到最佳接入时间点x^opt和最佳接入时长T^a。

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