CN101646176A - 基于机会频谱接入技术的mac层的距离树协议框架 - Google Patents

Abstract

基于频谱接入技术的MAC层的距离树协议框架涉及一种在无线通信网络中基于机会频谱接入技术(OSA)的MAC层的协议框架。主要包括两部分：一是构建用于标识主用户信道可用度的距离树模型，在主次用户基站建立信道可用度列表；二是从公平性角度出发构建效用函数，设计频谱接入策略，该框架的基本思想是在主用户和次用户中分别建立以距离和最大可允许干扰功率为依据的信道可用度列表，以此作为信道感知和接入的参考依据，作为实现次用户间公平频谱资源共享的依据。该协议框架的基本应用环境是多主用户和多次用户同时存在的自组织网络环境。

Description

基于机会频谱接入技术的MAC层的距离树协议框架

技术领域

本发明通常涉及一种在无线通信网络中基于机会频谱接入技术(OSA)的MAC层的协议框架。该框架的基本思想是在主用户和次用户中分别建立以距离和最大可允许干扰功率为依据的信道可用度列表，以此作为信道感知和接入的参考依据，作为实现次用户间公平频谱资源共享的依据。该协议框架的基本应用环境是多主用户和多次用户同时存在的自组织网络环境。

背景技术

机会频谱接入技术(OSA)是指主次用户之间无需合作，次用户见机行事使用主用户的频谱资源。主用户无需知道次用户的存在，不会给主用户带来额外的开销。次用户在接入前，首先侦听本地频谱，搜索空闲信道；如果存在空闲信道，次用户便接入；如果暂时没有，次用户便等待主用户释放信道；在次用户通信过程中，一旦主用户需要占用次用户正在使用的信道，次用户必须在规定时间内快速释放该信道供主用户使用。因此，OSA系统中，主用户的优先级高于次用户，只有在满足主用户正常通信的前提下，提供空闲频谱供次用户共享。OSA的主次用户之间也可以采取合作方式，次用户机会地使用主用户信道，并且主用户知道次用户的存在，通过主次用户之间的共同协作实现更加精确和高效的频谱共享。

无论是非协作式还是协作式的OSA，次用户都需要进行频谱检测，以确定当前的空闲信道，因此要求参与共享的次用户能自动感知所处的频谱环境，通过智能学习来实时调整传输参数。这种感知的过程需要以次用户的功率消耗为代价的。在能量受限的网络环境中，例如，ad hoc网络，次用户不可能或者不愿意对主用户的整个频谱资源或者所有的信道资源进行侦听或感知，因此，次用户需要进行有选择的侦听或感知。并且参与共享的次用户对主用户信道资源的使用存在竞争，这种竞争同样因为功率受限以及自组织方式而趋于非合作方式。从最大化频谱利用率角度，主用户的信道资源应该进行有效地共享；从次用户角度，主用户的信道资源应该进行公平地共享。同时，在自组织网络环境中，次用户除了存在可能对主用户造成干扰的问题外，次用户之间由于非合作方式还会导致因为同时共享同一个主用户信道而发生碰撞的问题。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于频谱接入技术的MAC层频谱接入的协议框架，该框架，至少基本上解决上述问题和/或缺点，并至少提供下面的优点。因此，本发明提供一种无线网络中公平、有效、无干扰、无冲突的接入方案。

技术方案：本发明基于以上考虑，解决在自组织的多用户无线网络中，在功率受限，次用户间非合作竞争方式下的公平、有效的频谱共享策略，通过MAC层有效的频谱接入策略实现主次用户间无干扰的有效的频谱共享，实现次用户间无冲突的公平的竞争。

基于频谱接入技术的MAC层的距离树协议框架主要包括两部分：一是构建用于标识主用户信道可用度的距离树模型，在主次用户基站建立信道可用度列表；二是从公平性角度出发构建效用函数，设计频谱接入策略，具体方法为：

1).次用户根据距离树模型建立信道度列表

对任意次用户y，当其有数据传输需求时，首先对周围可能存在的主用户的粗略检测，并获得相应主用户返回的AD值，形成AD值列表，

2).信道接入策略

根据AD值列表，选择前L个信道进行精细检测，其中L≤4，并通过优化效用函数得到在所选信道中的最佳接入信道，从公平性的角度出发，定义公平性效用函数U_y

$U_y=\underset{n=1}{\overset{N_y}{\mathrm{\Σ}}}\log \left(a_{y,n}{b}_{y,n}{B}_{y,n}\log (1+{\mathrm{\γ}}_{y,n})\right)$

其中，

次用户y通过以下对吞吐量的优化，得到最佳的接入信道n_y ^*，

$n_y^{*}=\underset{n\∈\{1,...,N_y\}}{\arg \max }{U}_y$

约束条件为

$\underset{n=1}{\overset{N_y}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{y,n}\≤1$

之后，次用户y向所选信道发出接入请求，所选信道的主用户基站首先检查该信道是否已经被其它次用户申请，如果没有，则向该次用户发出允许接入消息；如果还有其它次用户请求，该主用户基站检查该次用户AD值是否比其它申请的次用户大，如果大于其它次用户，则向该次用户发出允许接入消息；如果AD值小于其它次用户，则其优先级低于其它次用户，主用户基站发出不允许接入消息，该次用户排除该主用户信道，重新进行效用函数优化并得到新的次佳接入信道；至此，完成了次用户选择并接入主用户信道的过程；当数据被正确接收，次用户发送端会收到次用户接收端的正确接收报告信息，本次频谱接入协议结束；

距离树模型确保次用户不对主用户产生干扰，并在次用户间建立了资源共享的公平性，并且粗略检测节省了能量开销，适应能量受限的自组织网络中对能量的要求；从非合作的次用户之间的公平性角度定义的效用函数进一步确保了次用户资源共享的公平；主次用户间的AD值避免了次用户之间通信冲突，确保了次用户间的无碰撞传输。

形成AD值列表的俄方法具体为：

次用户y首先对其周围的主用户进行粗略检测，并向检测到的主用户基站发送位置信息消息，并将其与各个主用户基站的距离信息发送给相应的主用户基站；此时，被检测到的各个主用户基站对接收到信息请求的次用户进行距离分析；分散在每个主用户周围的次用户与该主用户有着不同的距离关系，对其中一个主用户基站而言，其将距离主用户基站距离相同的次用户放在一个集合内，集合内的次用户在对该主用户信道n的使用上具有同等的优先级；在主用户基站周围有中的七个次用户的场景中，七个分散的次用户被分别放在了五个集合中，即，cl_n，1＝{1，2}，cl_n，2＝{3}，cl_n，3＝{4，5}，cl_n，4＝{6}，cl_n，5＝{7}；每个子集用一个信道可用度(AD)进行标记；AD的计算如下式

${\mathrm{AD}}_{n,q}=\frac{{\left|l_{n,q}\right|}^2}{d_{{\mathrm{cl}}_{n,q}}}$

l_n，q≥d_p(x，n)+d_s(y，n)

由此，在每个主用户处建立了以AD值标志的次用户子集，同时，当主用户接到其中一个次用户y的距离消息时，主用户根据距离消息找到该次用户所在的距离子集，并将相应的AD值信息发给次用户，由此，通过次用户y对其检测到的主用户的信息交换过程中，在次用户y处就形成了一个关于其周围各个信道可用度的列表，即向量

向量元素φ_y，n，q为

${\mathrm{\φ}}_{y,n}=\frac{{\left|l_{n,q_y}\right|}^2}{d_{{\mathrm{cl}}_{{n,q}_y}}}$ n∈V_y，V_y＝{1，…N_y}。

$l_{{n,q}_y}\≥d_p(x,n)+d_s(y,n)$

d_p(x_j，n_j)：使用信道n_j的主用户x_j的保护区域半径，

d_s(y_i，n_j)：使用信道n_j的次用户y_j的保护区域半径，

cl_n，q：距离树模型中使用信道n的具有相同距离的第q个次用户子集，

l_n，q：使用信道n的第q个子集中的次用户与主用户间的距离，

：使用信道n的第q个子集中的次用户y与主用户间的距离，

：使用信道n的第q个子集中的次用户数目，

：次用户y使用信道n的第q个子集中的次用户数目，

P_infp：主用户的最大可允许干扰功率，并且假设所有主用户的最大可允许干扰功率相同，

P_infs：次用户的最大可允许干扰功率，并且假设所有次用户的最大可允许干扰功率相同，

P_y：次用户的发送功率，

：次用户y处的信道可用度向量，

φ_y，n，q：次用户y对信道n的可用度向量，次用户y在信道n的第q个子集中，

V_y：次用户y周围可感知到的信道集合，

N_y：次用户y周围可感知到的信道数，

N₀：加性噪声信道的平均功率，

U_y：次用户y的公平性效用函数，

γ_y，n：次用户y在信道n上的信道信号噪声比，

B_y，n：次用户y在信道n上的信道带宽，

a_y，n：次用户y在信道n上的接入状态系数，

b_y，n：次用户y接入信道n的约束系数，

：次用户y有一个干扰次用户时的信道信号噪声比，

α：自由空间传播的路径衰减系数，

n_y ^*：通过优化得到的次用户y的最佳的接入信道，

RTS/CTS：请求发送/清除发送。

有益效果：实验结果证明，该协议框架实现了次用户与主用户间无干扰、高效率的频谱共享，并且在次用户间实现了竞争的公平性和零概率冲突。并且本发明提出的方案并没有额外增加主次用户的开销，主次用户只需要知道对方的位置信息和最大可容许干扰功率即可，实现成本和复杂度低。

附图说明

通过下面结合附图并进行的详细描述，本发明的上述和其它目的、特点和优点将变得更加清楚，其中；

图1示出了多主用户多次用户同时存在的自组织网络环境的案例。

图2示出了以主用户为核心建立距离树模型的案例。

图3示出了图1中两个次用户处关于其各自周围信道可用度列表的案例。

图4示出了MAC层基于距离树模型的信道接入协议框架的流程图。

具体实施方式

图1示出了多主用户多次用户同时存在的自组织网络环境的案例。参照图1，广播电视频谱分为N个信道，每个主用户x_j，j＝1，2，3，4占用一个信道n_j，j＝1，2，3，4。任一个次用户y_i，i＝1，2是一个无线接入点或者ad hoc网络中的一个传输链路。一个次用户周围同时存在若干个主用户和次用户同。对于主用户x_j，存在一个由其最大可允许的干扰功率决定的以主用户x_j为圆心以d_p(x_j，n_j)为半径的保护区域。对于主用户y_i，存在一个由其最大可允许的干扰功率决定的以主用户y_i为圆心以d_s(y_i，n_j)为半径的保护区域。若次用户y_i进入该区域则对主用户产生干扰，另一方面，如果次用户y_i′在次用户y_i的保护区域内与次用户y_i使用同一个信道n_j，则会发生冲突，结果是两个次用户都不能正常使用该信道进行通信。同时，当信道n_j对两个次用户都可用时，必须保证两者中的一个公平地接入该信道，该选择至少保证接入用户有最大的频谱利用率。

1.距离树模型的建立：

图2示出了以主用户为核心建立距离树模型的案例

参照图2，首先根据主次用户的保护距离和信道复用的距离特性，建立距离树模型。以任一个主用户x为例，其周围次用户{1，…，7}与该主用户的关系如图2。分散在主用户周围的次用户与主用户有着不同的距离关系。将离主用户距离相同的次用户放在一个集合内，集合内的次用户在对该主用户信道n的使用上具有同等的优先级。由此，图中的七个次用户被分别放在了五个集合中，即，cl_n，1＝{1，2}，cl_n，2＝{3}，cl_n，3＝{4，5}，cl_n，4＝{6}，cl_n，5＝{7}。每个子集用一个信道可用度(AD)进行标记。AD的计算如下式

${\mathrm{AD}}_{n,q}=\frac{{\left|l_{n,q}\right|}^2}{d_{{\mathrm{cl}}_{n,q}}}$

l_n，q≥d_p(x，n)+d_s(y，n)

由此，在每个主用户处建立了以AD值标志的次用户子集。同时，次用户在感知到主用户的同时，获得主用户对该次用户的标记信息，因此，在次用户处就形成了一个关于其周围各个信道可用度的列表，即向量

向量元素φ_y，n，q为

n∈V_y，V_y＝{1，…N_y}

$l_{{n,q}_y}\≥d_p(x,n)+d_s(y,n)$

图3示出了图1中两个次用户处关于其各自周围信道可用度列表的案例。

参照图3，即使图1中主次用户的空间距离不变，其周围信道的可用度和其可用信道数也是随着主用户和次用户的最大可容忍干扰功率的变化而变化的。假设P_infs＝-60dBw，当P_infp分别为-70dBw，-55dBw，-45dBw时，其周围信道的可用度和其可用信道数如图3中所示。

距离树模型定义了对每个次用户而言，其可用信道数目，信道的可用度，为次用户选择要接入的信道提供了依据。当次用户在所有可用信道上的吞吐量相同时，次用户可以依赖信道可用度的列表选择接入信道，即选择AD值最大的信道以

的概率接入。但是，如果次用户在各个可用信道上的信道条件和吞吐量不同时，需要进行吞吐量的优化来进行接入信道的选择。

2.MAC层的信道接入策略：

对任一个次用户y而言，从公平性的角度出发，定义公平性效用函数U_y

$U_y=\underset{n=1}{\overset{N_y}{\mathrm{\Σ}}}\log \left(a_{y,n}{b}_{y,n}{B}_{y,n}\log (1+{\mathrm{\γ}}_{y,n})\right)$

其中，

次用户y通过以下对吞吐量的优化，得到最佳的接入信道n_y ^*，

${n_y}^{*}=\underset{n\∈\{1,...,N_y\}}{\arg \max }{U}_y$

约束条件为

$\underset{n=1}{\overset{N_y}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{y,n}\≤1$

实验证明，在P_infs＝-60dBw，P_inf≥-60dBw时，该方案既保证了次用户的瞬时最大吞吐量，又保证了次用户的冲突概率为0。在P_inf＜-60dBw时，如图3所示，出现了两个次用户都只能选择信道n₁的情况，如果没有主用户的干预，势必会发生碰撞，此时一种方法是，每个用户都以

即1/2的概率接入，通过主用户的RTS/CTS消除碰撞。另一种方法是，通过主用户的AD列表进行干预。

3.MAC层的信道接入流程

图4示出了MAC层基于距离树模型的信道接入协议框架的流程图参照图4，对任意次用户y，在410中实现对周围可能存在的主用户的粗略检测，并获得相应主用户返回的AD值，形成AD值列表。根据AD值列表，选择前L(L≤4)个信道进行精细检测，并在412中通过优化效用函数得到在所选信道中的最佳接入信道。之后，次用户y在414中向所选信道发出接入请求，所选信道的主用户基站在416中首先检查该信道是否已经被其它次用户申请，如果没有，则在418中向该次用户发出允许接入消息。如果还有其它次用户请求，该主用户基站在420检查该次用户AD值是否比其它申请的次用户大，如果大于其它次用户，则向该次用户发出允许接入消息。如果AD值小于其它次用户，则其优先级低于其它次用户，主用户基站发出不允许接入消息，该次用户在422中排除该主用户信道，进入412重新进行效用函数优化并得到新的次佳接入信道。

下面将参照附图在这里描述本发明的优先实施例。在下面的说明书中由于已知功能和结构在不必要的细节使本发明模糊，因此不再描述它们。

A.次用户根据距离树模型建立信道度列表

参照图4，对任意次用户y，在410中实现对周围可能存在的主用户的粗略检测，并获得相应主用户返回的AD值，形成AD值列表。具体实施步骤为：

次用户y首先对其周围的主用户进行粗略检测，并向检测到的主用户基站发送位置信息消息。参照图2，以任一个主用户x为例，分散在主用户周围的次用户与主用户有着不同的距离关系。将离主用户距离相同的次用户放在一个集合内，集合内的次用户在对该主用户信道n的使用上具有同等的优先级。由此，图中的七个次用户被分别放在了五个集合中，即，cl_n，1＝{1，2}，cl_n，2＝{3}，cl_n，3＝{4，5}，cl_n，4＝{6}，cl_n，5＝{7}。每个子集用一个信道可用度(AD)进行标记。AD的计算如下式

${\mathrm{AD}}_{n,q}=\frac{{\left|l_{n,q}\right|}^2}{d_{{\mathrm{cl}}_{n,q}}}$

l_n，q≥d_p(x，n)+d_s(y，n)

由此，在每个主用户处建立了以AD值标志的次用户子集。同时，当主用户接到其中一个次用户y的距离消息时，主用户根据距离消息找到该次用户所在的距离子集，并将相应的AD值信息发给次用户。由此，通过次用户y对其检测到的主用户的信息交换过程中，在次用户y处就形成了一个关于其周围各个信道可用度的列表，即向量

向量元素φ_y，n，q为

${\mathrm{\φ}}_{y,n}=\frac{{\left|l_{{n,q}_y}\right|}^2}{d_{{\mathrm{cl}}_{{n,q}_y}}}$ n∈V_y，V_y＝{1，...N_y}

$l_{{n,q}_y}\≥d_p(x,n)+d_s(y,n)$

B.信道接入策略

根据AD值列表，选择前L(L≤4)个信道进行精细检测，并在412中通过优化效用函数得到在所选信道中的最佳接入信道。从公平性的角度出发，定义公平性效用函数U_y

$U_y=\underset{n=1}{\overset{N_y}{\mathrm{\Σ}}}\log \left(a_{y,n}{b}_{y,n}{B}_{y,n}\log (1+{\mathrm{\γ}}_{y,n})\right)$

其中，

次用户y通过以下对吞吐量的优化，得到最佳的接入信道n_y ^*，

${n_y}^{*}=\underset{n\∈\{1,...,N_y\}}{\arg \max }{U}_y$

约束条件为

$\underset{n=1}{\overset{N_y}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{y,n}\≤1$

之后，次用户y在414中向所选信道发出接入请求，所选信道的主用户基站在416中首先检查该信道是否已经被其它次用户申请，如果没有，则在418中向该次用户发出允许接入消息。如果还有其它次用户请求，该主用户基站在420检查该次用户AD值是否比其它申请的次用户大，如果大于其它次用户，则向该次用户发出允许接入消息。如果AD值小于其它次用户，则其优先级低于其它次用户，主用户基站发出不允许接入消息，该次用户在422中排除该主用户信道，进入412重新进行效用函数优化并得到新的次佳接入信道。

410中的距离树模型确保次用户不对主用户产生干扰，并在次用户间建立了资源共享的公平性，并且粗略检测节省了能量开销，适应能量受限的自组织网络中对能量的要求。412中的从非合作的次用户之间的公平性角度定义的效用函数进一步确保了次用户资源共享的公平。420中主次用户间的AD值避免了次用户之间通信冲突，确保了次用户间的无碰撞传输。

Claims (2)

1.一种基于频谱接入技术的MAC层的距离树协议框架，其特征在于该协议树框架主要包括两部分：一是构建用于标识主用户信道可用度的距离树模型，在主次用户基站建立信道可用度列表；二是从公平性角度出发构建效用函数，设计频谱接入策略，具体方法为：

1).次用户根据距离树模型建立信道度列表

对任意次用户y，当其有数据传输需求时，首先对周围可能存在的主用户的粗略检测，并获得相应主用户返回的AD值，形成AD值列表，

2).信道接入策略

根据AD值列表，选择前L个信道进行精细检测，其中L≤4，并通过优化效用函数得到在所选信道中的最佳接入信道，从公平性的角度出发，定义公平性效用函数U_y

$U_y=\underset{n=1}{\overset{N_y}{\mathrm{\Σ}}}\log \left(a_{y,n}{b}_{y,n}{B}_{y,n}\log (1+{\mathrm{\γ}}_{y,n})\right)$

其中，

次用户y通过以下对吞吐量的优化，得到最佳的接入信道n_y ^*，

${n_y}^{*}=\underset{n\∈\{1,...,N_y\}}{\arg \max }{U}_y$

约束条件为

$\underset{n=1}{\overset{N_y}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{y,n}\≤1$

之后，次用户y向所选信道发出接入请求，所选信道的主用户基站首先检查该信道是否已经被其它次用户申请，如果没有，则向该次用户发出允许接入消息；如果还有其它次用户请求，该主用户基站检查该次用户AD值是否比其它申请的次用户大，如果大于其它次用户，则向该次用户发出允许接入消息；如果AD值小于其它次用户，则其优先级低于其它次用户，主用户基站发出不允许接入消息，该次用户排除该主用户信道，重新进行效用函数优化并得到新的次佳接入信道；至此，完成了次用户选择并接入主用户信道的过程；当数据被正确接收，次用户发送端会收到次用户接收端的正确接收报告信息，本次频谱接入协议结束；

距离树模型确保次用户不对主用户产生干扰，并在次用户间建立了资源共享的公平性，并且粗略检测节省了能量开销，适应能量受限的自组织网络中对能量的要求；从非合作的次用户之间的公平性角度定义的效用函数进一步确保了次用户资源共享的公平；主次用户间的AD值避免了次用户之间通信冲突，确保了次用户间的无碰撞传输。

2.根据权利要求1所述的基于频谱接入技术的MAC层的距离树协议框架，其特征在于形成AD值列表的俄方法具体为：

次用户y首先对其周围的主用户进行粗略检测，并向检测到的主用户基站发送位置信息消息，并将其与各个主用户基站的距离信息发送给相应的主用户基站；此时，被检测到的各个主用户基站对接收到信息请求的次用户进行距离分析；分散在每个主用户周围的次用户与该主用户有着不同的距离关系，对其中一个主用户基站而言，其将距离主用户基站距离相同的次用户放在一个集合内，集合内的次用户在对该主用户信道n的使用上具有同等的优先级；在主用户基站周围有中的七个次用户的场景中，七个分散的次用户被分别放在了五个集合中，即，cl_n，1＝{1，2}，cl_n，2＝{3}，cl_n，3＝{4，5}，cl_n，4＝{6}，cl_n，5＝{7}；每个子集用一个信道可用度(AD)进行标记；AD的计算如下式

${\mathrm{AD}}_{n,q}=\frac{{\left|l_{n,q}\right|}^2}{d_{{\mathrm{cl}}_{n,q}}}$

l_n，q≥d_p(x，n)+d_s(y，n)

由此，在每个主用户处建立了以AD值标志的次用户子集，同时，当主用户接到其中一个次用户y的距离消息时，主用户根据距离消息找到该次用户所在的距离子集，并将相应的AD值信息发给次用户，由此，通过次用户y对其检测到的主用户的信息交换过程中，在次用户y处就形成了一个关于其周围各个信道可用度的列表，即向量

向量元素φ_y，n，q为

${\mathrm{\φ}}_{y,n}=\frac{{\left|l_{{n,q}_y}\right|}^2}{d_{{\mathrm{cl}}_{{n,q}_y}}},$ n∈V_y，V_y＝{1，…N_y}

$l_{{n,q}_y}\≥d_p(x,n)+d_s(y,n).$

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