CN101667872B - 一种基于分区感知的无线通信系统频谱感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于分区感知的无线通信系统频谱感知方法，包括感知节点配置方法和感知过程实现方法，所述感知节点配置方法包括感知任务扇区配置、感知节点选择配置、感知节点状态配置和感知进程判定配置；所述感知过程实现方法包括以下步骤：1)启动感知进程；2)感知节点配置状态查询；3)执行感知任务；4)感知执行状态查询；5)感知结果收集。本发明采用在每个扇区选择较少数量的用户感知节点同时感知初级用户网络的频带占用状态，有效地减少感知过程所需的次级用户网络时间开销，同时还保证了高效而可靠的感知性能。

Description

一种基于分区感知的无线通信系统频谱感知方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种基于分区感知的无线通信系统频谱感知方法。

背景技术

不同系统结构无线网络共存的环境中，次级用户网络向初级用户网络借用暂时空闲的频带时，需要采用有效而可靠的频谱感知方法，同时在感知过程中应最小限度地占用所需要的次级用户网络资源。感知无线链路状态所具有的地点依赖性使不同感知链路具有空间分集的特点。作为次级用户网络的蜂窝网络，为实现对初级用户空闲频谱的高效感知，通常采用较多的用户感知节点，但这增加了次级用户网络的时间开销，降低了系统的效率。目前次级用户网络感知初级用户网络空闲的频带时，通常使用的方法可以归结为两种。

第一种方法是：采用所有次级用户网络中存在的用户感知节点，同时感知初级用户网络空闲的频带，通过改变次级用户网络原有的MAC层机制，使其具有当前初级用户网络频带是否占用的标识信息。

第二种方法是：通过改变次级用户网络原有的MAC层机制，选取2个或更多的次级用户网络中的用户节点作为感知节点，采用多用户合作的感知方式，监测初级用户网络空闲的频带。该方法充分利用了不同用户感知节点所具有的空间分集特征，通过不同感知信息的分集合并来获得可靠的感知结果。

第一种方法同时使用了较多的感知节点，所获取的感知结果具有较高的准确度。然而，由于利用了大量的用户感知节点，用户感知节点需要占用较多的次级用户网路时间开销，将所有的感知结果反馈到次级网络基站。第二种方法能够通过较少的用户感知节点获得可靠的感知性能，同时对次级用户网络时间占用较少。该方法在某些网络环境下能够产生较好感知结果，但是，当网络环境变得复杂时，有限的感知节点空间分集，会降低感知可靠性，同时用户的合作机制占用了较大的时间开销，当网络环境状态变化较快时，该方法的感知性能处于不稳定状态。

发明内容

本发明针对现有技术的不足提供一种基于分区感知的无线通信系统频谱感知方法。

一种基于分区感知的无线通信系统频谱感知方法，包括感知节点配置方法和感知过程实现方法，所述感知节点配置方法包括感知任务扇区配置、感知节点选择配置、感知节点状态配置和感知进程判定配置；所述感知过程实现方法包括以下步骤：1)启动感知进程；2)感知节点配置状态查询；3)执行感知任务；4)感知执行状态查询；5)感知结果收集。

作为本发明的一种优选方案，所述感知任务扇区配置是将每个小区分为若干个扇区，基站位于小区的中心。

作为本发明的另一种优选方案，所述感知节点选择配置是在每个扇区分别选择感知节点，根据扇区覆盖面积确定该扇区的感知节点的数量，根据感知节点与基站的距离确定不同感知节点的不同地理位置。

作为本发明的再一种优选方案，所述感知节点状态配置为，每个感知节点处于活动状态时，有两种状态：非时实业务或时实业务。

作为本发明的再一种优选方案，所述感知进程判定配置为，每个感知节点的感知任务进程有两种状态：结束和没结束。

作为本发明的再一种优选方案，所述感知过程实现方法的具体实施步骤为：

1)启动感知进程：首先达到或超过负载过重标识阈值的小区启动感知进程，当小区基站的总负载统计量达到或超过负载过重标识阈值时，该小区将向其他所有的小区基站发起感知进程启动信号，所有小区进入感知节点选择配置阶段；

2)感知节点配置状态查询：首先完成感知节点选择配置的小区启动感知节点配置状态查询任务，当完成感知节点选择配置后，该小区基站向其他所有小区基站查询是否选择配置完感知节点；

3)执行感知任务：当首先完成感知节点选择配置的小区获得所有其他小区也已完成感知节点选择配置的信息时，该小区基站与其他所有小区基站同步进行感知任务，所有小区进入感知任务执行阶段；

4)感知任务执行状态查询：首先完成感知任务的小区启动感知任务执行状态查询任务，当完成感知任务后，该小区基站向其他所有小区基站查询是否也完成感知任务；

5)感知结果收集：当首先完成感知任务的小区获得其他所有小区也已完成感知任务的信息时，接收所有其他小区的感知结果，同时将本小区的感知结果发送到其他所有小区，其他所有小区完成相同的操作。

本发明的有益效果在于：它采用在每个扇区选择较少数量的用户感知节点同时感知初级用户网络的频带占用状态，能够有效减少感知过程所需的次级用户网络时间开销，同时还能保证高效而可靠的感知性能。

本发明的另一有益效果在于：它充分利用了不同用户节点的感知用户信道的空间分集特性，有效地克服了因感知无线信道存在路损衰落而造成感知结果不稳定的缺陷，而且当本发明采用物理信号的相干检测法时，又能够降低噪声不稳定性对感知性能的影响，具有可靠的信干比检测性能。

以下结合附图及实施例进一步说明本发明。

附图说明

图1是本发明的感知流程图。

具体实施方式

一种基于分区感知的无线通信系统频谱感知方法，包括感知节点配置方法和感知过程实现方法，所述感知节点配置方法包括感知任务扇区配置、感知节点选择配置、感知节点状态配置和感知进程判定配置；所述感知过程实现方法包括以下步骤：1)启动感知进程；2)感知节点配置状态查询；3)执行感知任务；4)感知执行状态查询；5)感知结果收集。

所述感知任务扇区配置是将每个小区分为若干个扇区，基站位于小区的中心。所述感知节点选择配置是在每个扇区分别选择感知节点，根据扇区覆盖面积确定该扇区的感知节点的数量，根据感知节点与基站的距离确定不同感知节点的不同地理位置。所述感知节点状态配置为，每个感知节点处于活动状态时，有两种状态：非时实业务或时实业务。所述感知进程判定配置为，每个感知节点的感知任务进程有两种状态：结束和没结束。

所述感知过程实现方法的具体实施步骤为：1)启动感知进程：首先达到或超过负载过重标识阈值的小区启动感知进程，当小区基站的总负载统计量达到或超过负载过重标识阈值时，该小区将向其他所有的小区基站发起感知进程启动信号，所有小区进入感知节点选择配置阶段；2)感知节点配置状态查询：首先完成感知节点选择配置的小区启动感知节点配置状态查询任务，当完成感知节点选择配置后，该小区基站向其他所有小区基站查询是否选择配置完感知节点；3)执行感知任务：当首先完成感知节点选择配置的小区获得所有其他小区也已完成感知节点选择配置的信息时，该小区基站与其他所有小区基站同步进行感知任务，所有小区进入感知任务执行阶段；4)感知任务执行状态查询：首先完成感知任务的小区启动感知任务执行状态查询任务，当完成感知任务后，该小区基站向其他所有小区基站查询是否也完成感知任务；5)感知结果收集：当首先完成感知任务的小区获得其他所有小区也已完成感知任务的信息时，接收所有其他小区的感知结果，同时将本小区的感知结果发送到其他所有小区，其他所有小区完成相同的操作。

本发明采用的次级用户网络为蜂窝网络，与现有方法对次级用户感知节点的配置要求相同，即：每个用户节点具有能够感知初级用户网络全频带的感知模块，感知模块的天线为全向接收天线。

一、感知节点配置

感知任务扇区配置：将每个小区分为若干个扇区，基站位于小区的中心。

感知节点选择配置：在每个扇区分别选择感知节点，根据扇区覆盖面积来确定该扇区的感知节点的数量，根据感知节点与基站距离确定不同感知节点的不同地理位置，以便取得好的感知空间分集增益。

感知节点状态配置：每个感知节点处于活动状态时，处于两种状态：非时实业务/时实业务，尽量选择处于非时实业务状态的节点作为感知任务节点。

小区感知节点配置状态：当每个小区感知节点选择配置都完成后，可以进入感知任务同步执行阶段。

感知进程判定配置：每个感知节点的感知任务进程可能处于两个状态：结束/没结束，利用这两种状态信息，可以判定该感知节点是否完成感知任务。

感知信号强度：因为不同的感知节点的地理位置不同，所以不同的感知节点所感知到的初级网络的信号强度存在着差别，感知信号较强的节点对感知结果的可靠性影响较大，具有较大的参考权值。

二、感知过程实现

第一步，启动感知进程：首先达到或超过负载过重标识阈值的小区启动感知进程，当小区基站的总负载统计量达到或超过负载过重标识阈值时，该小区将向其他所有的小区基站发起感知进程启动信号，所有小区进入感知节点选择配置阶段；

第二步，感知节点配置状态查询：首先完成感知节点选择配置的小区启动感知节点配置状态查询任务，当完成感知节点选择配置后，该小区基站向其他所有小区基站查询是否选择配置完感知节点；

第三步，执行感知任务：当首先完成感知节点选择配置的小区获得所有其他小区也已完成感知节点选择配置的信息时，该小区基站与其他所有小区基站同步进行感知任务，所有小区进入感知任务执行阶段；

第四步，感知任务执行状态查询：首先完成感知任务的小区启动感知任务执行状态查询任务，当完成感知任务后，该小区基站向其他所有小区基站查询是否也完成感知任务；

第五步，感知结果收集：当首先完成感知任务的小区获得其他所有小区也已完成感知任务的信息时，接收所有其他小区的感知结果，同时将本小区的感知结果发送到其他所有小区，其他所有小区完成相同的操作。

感知过程的实现流程如图1所示。

三、实施例

由基站管理其小区内感知进程，所有的小区采用同一感知方法同时启动感知任务。为降低感知过程所产生的对次级蜂窝网络的附加复杂度，在每次启动感知任务前，每个扇区选择用户节点作为感知节点的方法是：1、如果当前存在多个处于两种状态(非活动待机状态；业务活动状态)的用户节点可供选择，则优先选择处于非活动待机状态的用户节点作为感知节点；2、如果当前不存在处于非活动待机状态的用户节点，则优先选择处于活动非时延敏感业务状态的用户节点。

次级用户感知节点选择优先级分4级，即：处于非活动状态的次级用户可能处于优先等级1或2，处于活动状态非实时业务的次级用户优先等级为3，处于活动状态实时业务的次级用户优先等级为4。

应该指出：采用优先等级1、2选择感知节点，对次级蜂窝网络的性能影响没有实质性的差别，因为在两种状态下，用户都处于非活动待机状态，对实际感知任务执行没有影响。

感知节点的优先级分类作为一个参考依据，可根据不同具体网络的接入机制来确定是否采用该优先级方法作为确定感知节点的一个条件，将该优先分级规则作为确定感知节点的一项依据，所获得的感知效率与次级网络的接入方式有关。

在次级蜂窝网络的每个基站系统中，用户i在当前第n时隙内时间窗口上的队列平均等待时间W_i[n]为：

$W_i\left[n\right]=\frac{{\stackrel{\‾}{Q}}_i\left[n\right]}{{\mathrm{\λ}}_i}---\left(1\right)$

其中，Q_i[n]表示用户i在时间nT_s在时间窗口上的平均队列长度。

在MAC层的实施过程中，每个活动用户节点的业务流量(用可靠传输率：r_i[n]表示)过该用户在基站缓存中队列的平均等待时间来预测估算：

$W_i[n+1]$

$=(1-{\mathrm{\ρ}}_w)\frac{{\stackrel{\‾}{Q}}_i\left[n\right]}{{\mathrm{\λ}}_i}+{\mathrm{\ρ}}_w\frac{Q_i\left[n\right]}{{\mathrm{\λ}}_i}+{\mathrm{\ρ}}_w{T}_s-{\mathrm{\ρ}}_w\frac{T_s{r}_i\left[n\right]}{{\mathrm{\λ}}_i}---\left(2\right)$

$=(1-{\mathrm{\ρ}}_w)W_i\left[n\right]+{\mathrm{\ρ}}_w\frac{Q_i\left[n\right]}{{\mathrm{\λ}}_i}+{\mathrm{\ρ}}_w{T}_s-{\mathrm{\ρ}}_w\frac{T_s{r}_i\left[n\right]}{{\mathrm{\λ}}_i}$

其中，λ_i表示用户i的平均到达比特率， ${\mathrm{\λ}}_i=(1/T)(\underset{n\→\∞}{\lim }{A}_i\left[n\right]/n),$ A_i[n]是用户i在时间(0，nT_s]内到达的比特总数，T_s表示时隙宽度。ρ_w＝(T_s/T_w)，T_s为时隙长度；T_w是时间窗口长度。Q_i[n]表示在时间nT_s用户i缓存队列中的比特数，在保持时间窗口长度T_w不变的条件下，通过统计预测每个用户i的平均等待时间能够对应估算出该用户所需的传输速率，因此可以确定小区负载。

用户感知节点的选择方法：根据每个小区覆盖面积，在每个扇区内选择2个或2个以上用户节点作为感知节点(感知节点数量与覆盖面积成正比)。

在特别热点区域场景下，由于用户业务流量较重，为减轻每个感知用户节点的感知负担，每个扇区选择更多的用户节点作为感知节点。

在物理层实现对初级网络的信号监测，可根据初级网络的载频信号特征和时域帧结构采用能量检测和基于波型循环稳定特征的不同检测方法。

次级用户网络感知用户节点判断初级用户网络的频带是否占用，通过如下的假设-检验方法实现：

H₀：Y[n]=W[n]           n=1，2，...，N

H₁： Y[n]=W[n]+X[n]     n=1，2，...，N                 (3)

其中，X[n]表示初级级用户网络被监测频带上在第n个时隙的信号复信号值，W[n]表示表示初级级用户网络被监测频带上在第n个时隙的噪声值。N表示执行一次感知任务所用的时隙数。为实现假设-检验方案(3)，采用对噪声不稳定性具有较好的鲁棒性的相关检测方法检测初级用户网络被监测频带上导频信号：

H₀：Y[n]＝W[n]         n＝1，2，...，N

$\begin{array}{cc}{H}_1:Y\left[n\right]=W\left[n\right]+\sqrt{\mathrm{\θ}}\×X_p\left[n\right]+\sqrt{1-\mathrm{\θ}}\×X\left[n\right]& n=\mathrm{1,2},...,N\end{array}$             (4)

其中，X_p[n]表示导频信号。θ表示一帧中分配到导频信号的能量占总体信号能量的比例值。

当在一个小区内选用M个感知用户节点执行一次感知任务，得到感知信号均值为：

其中，Y_ij[n]表示在第n个时隙被第j个感知用户节点检测到的初级级用户网络被监测频带上的复信号值。因此，根据

与感知信号与检验阈值Y_th比较结果，能够判断出初级用户网络被监测频带是否占用。如果，两者差值大于零，则：H1为真，这时频带被判为占用；反之，频带处于空闲状态。

本发明的有益效果在于：它采用在每个扇区选择较少数量的用户感知节点同时感知初级用户网络的频带占用状态，能够有效减少感知过程所需的次级用户网络时间开销，同时还能保证高效而可靠的感知性能。

本发明的另一有益效果在于：它充分利用了不同用户节点的感知用户信道的空间分集特性，有效地克服了因感知无线信道存在路损衰落而造成感知结果不稳定的缺陷，而且当本发明采用物理信号的相干检测法时，又能够降低噪声不稳定性对感知性能的影响，具有可靠的信干比检测性能。

Claims (3)

1.一种基于分区感知的无线通信系统频谱感知方法，包括感知节点配置方法和感知过程实现方法，其特征在于：所述感知节点配置方法包括感知任务扇区配置、感知节点选择配置、感知节点状态配置和感知进程判定配置；所述感知过程实现方法包括以下步骤：

1)启动感知进程；首先达到或超过负载过重标识阈值的小区启动感知进程，当小区基站的总负载统计量达到或超过负载过重标识阈值时，该小区将向其他所有的小区基站发起感知进程启动信号，所有小区进入感知节点选择配置阶段；

2)感知节点配置状态查询；首先完成感知节点选择配置的小区启动感知节点配置状态查询任务，当完成感知节点选择配置后，该小区基站向其他所有小区基站查询是否选择配置完感知节点；

3)执行感知任务；当首先完成感知节点选择配置的小区获得所有其他小区也已完成感知节点选择配置的信息时，该小区基站与其他所有小区基站同步进行感知任务，所有小区进入感知任务执行阶段；

4)感知执行状态查询；首先完成感知任务的小区启动感知任务执行状态查询任务，当完成感知任务后，该小区基站向其他所有小区基站查询是否也完成感知任务；

5)感知结果收集；当首先完成感知任务的小区获得其他所有小区也已完成感知任务的信息时，接收所有其他小区的感知结果，同时将本小区的感知结果发送到其他所有小区，其他所有小区完成相同的操作；

所述感知任务扇区配置是将每个小区分为若干个扇区，基站位于小区的中心；所述感知节点选择配置是在每个扇区分别选择感知节点，根据扇区覆盖面积确定该扇区的感知节点的数量，根据感知节点与基站的距离确定不同感知节点的不同地理位置。

2.根据权利要求1所述的基于分区感知的无线通信系统频谱感知方法，其特征在于：所述感知节点状态配置为，每个感知节点处于活动状态时，有两种状态：非实时业务或实时业务。

3.根据权利要求1所述的基于分区感知的无线通信系统频谱感知方法，其特征在于：所述感知进程判定配置为，每个感知节点的感知任务进程有两种状态：结束和没结束。