CN101730254B - 无线电网络吞吐量的频谱感知优化方法 - Google Patents

Abstract

一种无线网络技术领域的无线电网络吞吐量的频谱感知优化方法，包括：根据主用户提供的信道服务信息，次用户分别制定各个无线网络通信信道的效用函数；每个次用户单独维护各自的协议栈结构并进行信道优化处理操作，生成感知决定通知并更新协议栈结构；当更新协议栈结构中的信道编号所对应的信道未被主用户占用则次用户将以CSMA标准竞争方式接入所选择的信道，并开始数据传输和通信。本发明利用了认知无线电网络次用户的自私性，以较低的通信代价分布式地达到一种最优的稳定频谱感知状态，即达到Nash均衡的同时最大化认知无线电网络的吞吐量。本发明适用于具有自私性的认知无线电网络次用户情形。

Description

无线电网络吞吐量的频谱感知优化方法

技术领域

本发明涉及的是一种无线网络技术领域的优化方法，具体是一种基于最大化认知的无线电网络吞吐量的频谱感知优化方法。

背景技术

认知无线电是解决当前频谱资源稀缺问题的关键技术，在《认知无线电：智能无线通信》(Cognitive radio：brain-empowered wireless communications，Haykin S.JSAC 2005.2005.201-220)中指出，频谱资源稀缺问题的产生并不是由于物理频谱本身不能满足当前通信业务的需要，而是由于当前采用的静态频谱分配方式导致频谱利用率的严重不足。认知无线电允许次用户动态的感知频谱利用信息，智能地找到并接入空闲的可用频谱，从而极大地提高了频谱利用率。

频谱感知策略是认知无线电的一个重要保证技术。受硬件资源和时效性所限，次用户往往不可能对所有的授权信道进行频谱感知，因此，如何制定一种频谱感知策略使得次用户能在多个信道中选择最好的信道进行感知具有非常重要的意义。目前，对频谱感知策略的研究主要分为两类：单用户情形和多用户情形。

在单用户情形下，感知策略只考虑单个次用户的最优频谱选择感知方案，而不考虑多个次用户之间的相互影响。参考文献“多信道机会接入下近视感知的最优性”(Optimality of myopic sensing in multi-channel opportunisticaccess，Javidi T，Krishnamachari B，Zhao Q，Liu M.ICC 2008.2008.2107-2112)对按马尔科夫过程变化的随机信道提出了近视准则的最优感知方案。次用户在每个时隙选择最有可能处于空闲状态的信道进行感知，而不考虑当前的感知会对未来信道的空闲概率所产生的影响。上述文献证明在单用户场景下，这种最优化眼前利益的策略可以在某些条件下保证次用户在整个感知过程中获得最大的信道利用率。但是，该策略仅对单用户有效，在多用户场景下，采用该策略将导致所有次用户每个时隙均选择同一信道进行感知，从而产生严重的冲突并最终导致每个时隙只能有一个次用户可以接入信道。

经过对现有技术的检索发现，《HC-MAC：一种硬件受限的认知无线电MAC协议及其频谱管理的有效》(HC-MAC：a hardware-constrained cognitive MAC forefficient spectrum management，Jia J，Zhang Q，Shen X.JSAC 2008.2008.106-117)记载了一种考虑在多信道感知问题中，次用户应当在何时选择终止感知过程，并开始传输数据的方法，该技术对这一问题予以数学建模，给出了最优停止策略模型，并用动态规划的方法给予解决，同时也给出了具体的MAC实现协议。同样，该协议在推广到多用户场景时，会导致所有次用户均选择同一个信道进行频谱感知，并选择在同一个时隙终止感知，从而产生严重的冲突，因此仅适合单次用户场景。

在多用户情形下，频谱感知策略需要考虑不同次用户之间决策的相互影响。目前已有的研究大多停留在不同次用户以合作方式进行频谱感知，即为避免多个次用户感知同一信道而产生冲突，次用户之间互相合作，以求达到网络吞吐量的最大化。

又经对现有技术的检索发现，《一种保证QoS的基于跨层设计的机会接入认知无线电MAC协议》(Cross-layer based opportunistic MAC protocols for QoSprovisionings over cognitive radio wireless networks，Su H，Zhang X.JSAC2008.2008.118-129)提出两种感知策略：随机化非合作感知和无冲突合作感知，并对这两种策略给出了具体的MAC协议并予以建模分析；另外《多用户多信道机会感知的随机接入策略》(Randomized strategies for multi-usermulti-channel opportunity sensing，Liu H，Krishnamachari B.CCNC 2008)进一步提出最大化频谱利用率的合作感知方法，建立了最优二部图匹配模型并以匈牙利算法予以求解。但是该方法需要中心控制器集中式的完成频谱感知分配过程，缺少分布式实现机制，不适合用于大规模的认知无线电网络。

综上所述，现阶段多用户合作频谱感知存在以下技术问题有待改进：

1)在认知无线电网络中，次用户可能来自各种不同的网络组织，因此要求这些次用户愿意接受合作方式以牺牲自我利益的前提假设不能得到保证。在鼓励动态频谱接入的认知无线电网络中，次用户的自私性具有普遍存在性，合作感知未能考虑该自私性。

2)合作频谱感知需要参与的次用户进行大量的信息交互，因此分布式的实现方式可能会给网络带来繁重的信息传输负担，而集中式的实现方式在很多情形下并不能应对较大规模的网络结构。

总之，目前大多数基于多用户情形的频谱感知方法未能考虑次用户潜在的自私性，而合作式实现方案又可能导致协议本身的复杂性。因此，如何设计一种针对自私的次用户，并且能轻量级，快速实现的频谱感知优化方法已经成为一项急需解决的关键技术。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种无线电网络吞吐量的频谱感知优化方法，利用了认知无线电网络次用户的自私性，以较低的通信代价分布式地达到一种最优的稳定频谱感知状态，即达到Nash均衡的同时最大化认知无线电网络的吞吐量。本发明适用于具有自私性的认知无线电网络次用户情形。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步、根据主用户提供的信道服务信息，次用户分别制定各个无线网络通信信道的效用函数。

所述的主用户是指：获正式授权的无线网络用户，该主用户提供的信道服务信息是指：主用户信道带宽和主用户信道频点。

所述的效用函数是指：次用户选择感知信道i所能获得的期望收益成为信道i的效用函数，即在时刻t时有M_i个次用户感知信道i，信道i的效用函数为U(i，M_i)＝D_i/M_i，其中：D_i为信道i的网络吞吐量，M_i表示当前决定感知信道i的次用户数目，该效用函数对M_i单调递减。

所述的次用户是指：未获正式授权使用某固定信道频段的无线网络用户，但该网络用户已获得主用户的许可，允许其参与感知竞争以获取信道使用权；

所述的参与感知竞争是指：次用户通过以不干扰主用户占用信道的方式暂时获取信道使用权，其中：参与感知竞争的次用户总数为N，次用户集为Ω₁＝{1，2，…，N}；

所述的可用信道是指：所有允许次用户以不干扰主用户工作的方式暂时准予接入使用的主用户授权信道。其中：总可用信道数为M，可用信道集为Ω₂＝{1，2，…，M}。

所述的公共通信信道是指：GSM信道，频段2.4GHz。

所述的网络吞吐量是指：认知无线电网络中所有已经被次用户使用的可用信道的吞吐量之和R＝∑_iI(M_i)D_i，其中：I()为指示函数：I(0)＝0；I(x)＝1，x＞0。

所述的稳定感知状态是指：使得认知无线电次用户的信道感知选择达到Nash均衡时的信道感知状态，在该稳定感知状态下，所有次用户均不会单方面更改自己作出的信道感知决定。

第二步、每个次用户单独维护各自的协议栈结构并进行信道优化处理操作，生成感知决定通知并更新协议栈结构，其中：协议栈结构包括：当前感知各个可用信道的次用户数目统计表M₁、M₂、…、M_N，其中：M_i表示当前决定感知信道i的次用户数目；所述的感知决定通知是指次用户所决定感知的信道编号k；

所述的信道优化处理操作具体包括以下步骤：

2.1)标记所有的M_i为0；

2.2)次用户随机选择某一时刻t，并立即切换无线收发机，监听公共通信信道，频点为2.4GHz。

2.3)若在t时刻内次用户在公共通信信道上收到另一次用户所发出的感知决定通知，则次用户将根据此感知决定通知更新自己的协议栈。并重新从2.2)步开始重复优化处理操作过程。

2.4)若在t时刻内次用户未能在公共通信信道上收到感知决定通知，则该次用户对进行优化计算，得到感知决定通知：

2.5)该次用户于公共通信信道上发送感知决定通知，内容为该次用户所决定感知的信道编号k。

2.6)该次用户立即感知信道k。

所述的优化计算是指：计算所有的U(i，M_i+1)＝D_i/(M_i+1)；记拥有最大效用函数的信道集合为S＝{p|p＝argmax _i U(i，M_i+1)}；记T＝{s|s∈S，M_s＝0}；记Q＝{q|q＝argmax _t D_t，t∈T}；若Q为空集，即Q＝Φ，则任选一个k，k∈S；否则任选一个k，k∈Q；M_k自增1，即M_k←M_k+1；

所述的更新协议栈结构是指：设感知决定通知中告知的信道编号为k，次用户相应的将协议栈中的M_k自增1，即M_k←M_k+1。

第三步、当更新协议栈结构中的信道编号所对应的信道未被主用户占用则次用户将以CSMA标准竞争方式接入所选择的信道，并开始数据传输和通信；否则回到第一步。

由于次用户一旦确定所选的感知信道，它将可以直接进行信道感知，而不需要关注其他次用户的选择。因而该方法可以按分布式方式进行实现，交互通信量小，计算速度快。

附图说明

图1为实施例2效果仿真示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例应用于仅有3个次用户的简单的网络场景中，该次用户分别感知3个信道1、2、3，优化方法包括以下步骤：

在无主用户占用的情况下允许动态接入这3个信道。设效用函数U(i，M_i)＝D_i/M_i，D₁＝90KB/s，D₂＝180KB/s，D₃＝80KB/s。次用户A、B、C首先随机选择一个顺序，设为A、B、C。以A为例，A首先将M_i初始化清零。之后A分别计算感知三个信道可以得到的效用，分别为U₁＝D₁＝90KB/s，U₂＝D₂＝180KB/s，U₃＝D₃＝80KB/s。于是按本方法A选择信道2进行感知。随后B分别计算感知三个信道可以得到的效用，U₁＝D₁＝90KB/s，U₂＝D₂/2＝90KB/s，U₃＝D₃＝80KB/s。按本方法S＝{1，2}，T＝{1}，Q＝{1}。因此B将选择信道1进行信道感知。同理易知C选择信道2进行信道感知。此时的网络吞吐量为270KB/s。容易验证，信道感知状态达到稳定(Nash均衡)，并具有最大的网络吞吐量。

由于A、C选择了同一信道进行感知，它们将通过竞争机制(如标准CSMA冲突避免机制)决定谁将能最终获得接入信道2的权利。而B接入信道1将不会和任何次用户产生冲突，于是B可以直接获得接入信道1的权利。

实施例2

在具有5个次用户的仿真场景，在每个仿真场景中，次用户数n分别为10、20、30、40和50。可供次用户使用的信道数目为50个。每个信道的吞吐量随机给定，范围为50KB/s到200KB/s。每个场景下次用户的信道效用函数U(i，M_i)均随机地取为某一对M_i的递减函数。本实施例优化了网络性能，达到了最大网络吞吐量的稳定信道感知状态。

本实施例理论和实验分析表明，上述优化方法能够保证获得稳定感知状态。并且所达到的稳定感知状态具有最大的网络吞吐量。性能的提升主要来源于两个方面，一是计算速度的提升节省了大量的网络空耗等待时间，使得通信能够较快地开始进行，切换速度和带宽利用率的提升非常明显。另一方面，优化方法本身保证了吞吐量的最大化。使用该方法达到的性能提升曲线，如图1所示。

Claims (6)

1.一种无线电网络吞吐量的频谱感知优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、根据主用户提供的信道服务信息，次用户分别制定各个无线网络通信信道的效用函数；

所述的效用函数是指：次用户选择感知信道i所能获得的期望收益成为信道i的效用函数，即在时刻t时有M_i个次用户感知信道i，信道i的效用函数为U(i，M_i)＝D_i/M_i，其中：D_i为信道i的网络吞吐量，M_i表示当前决定感知信道i的次用户数目；

所述的次用户是指：未获正式授权使用某固定信道频段的无线网络用户，但该网络用户已获得主用户的许可，允许其参与感知竞争以获取信道使用权，

所述的参与感知竞争是指：次用户通过以不干扰主用户占用信道的方式暂时获取信道使用权，其中：参与感知竞争的次用户总数为N，次用户集为Ω₁＝{1，2，…，N}；

第二步、每个次用户单独维护各自的协议栈结构并进行信道优化处理操作，生成感知决定通知并更新协议栈结构，其中：协议栈结构包括：当前感知各个可用信道的次用户数目统计表M₁、M₂、…、M_N，其中：M_i表示当前决定感知信道i的次用户数目；所述的感知决定通知是指次用户所决定感知的信道编号k；

所述的信道优化处理操作具体包括以下步骤：

2.1)标记所有的M_i为0；

2.2)次用户随机选择某一时刻t，并立即切换无线收发机，监听公共通信信道，频点为2.4GHz；

2.3)若在t时刻内次用户在公共通信信道上收到另一次用户所发出的感知决定通知，则次用户将根据此感知决定通知更新自己的协议栈，并重新从2.2)步开始重复优化处理操作过程；

2.4)若在t时刻内次用户未能在公共通信信道上收到感知决定通知，则该次用户对进行优化计算，得到感知决定通知：

2.5)该次用户于公共通信信道上发送感知决定通知，内容为该次用户所决定感知的信道编号k； 

2.6)该次用户立即感知信道k，

所述的优化计算是指：计算所有的U(i，M_i+1)＝D_i/(M_i+1)；记拥有最大效用函数的信道集合为S＝{p|p＝argmax _i U(i，M_i+1)}；记T＝{s|s∈S，M_s＝0}；记Q＝{q|q＝argmax _t D_t，t∈T}；若Q为空集，即Q＝Φ，则任选一个k，k∈S；否则任选一个k，k∈Q；M_k自增1，即M_k←M_k+1。

第三步、当更新协议栈结构中的信道编号所对应的信道未被主用户占用则次用户将以CSMA标准竞争方式接入所选择的信道，并开始数据传输和通信；否则回到第一步。

2.根据权利要求1所述的无线电网络吞吐量的频谱感知优化方法，其特征是，所述的主用户是指：获正式授权的无线网络用户，该主用户提供的信道服务信息是指：主用户信道带宽和主用户信道频点。

3.根据权利要求1所述的无线电网络吞吐量的频谱感知优化方法，其特征是，所述的可用信道是指：所有允许次用户以不干扰主用户工作的方式暂时准予接入使用的主用户授权信道，其中：总可用信道数为M，可用信道集为Ω₂＝{1，2，…，M}。

4.根据权利要求1所述的无线电网络吞吐量的频谱感知优化方法，其特征是，所述的网络吞吐量是指：认知无线电网络中所有已经被次用户使用的可用信道的吞吐量之和R＝∑_iI(M_i)D_i，其中：I()为指示函数：I(0)＝0；I(x)＝1，x＞0。

5.根据权利要求1所述的无线电网络吞吐量的频谱感知优化方法，其特征是，所述的稳定感知状态是指：使得认知无线电次用户的信道感知选择达到Nash均衡时的信道感知状态，在该稳定感知状态下，所有次用户均不会单方面更改自己作出的信道感知决定。

6.根据权利要求1所述的无线电网络吞吐量的频谱感知优化方法，其特征是，所述的更新协议栈结构是指：设感知决定通知中告知的信道编号为k，次用户相应的将协议栈中的M_k自增1，即M_k←M_k+1。 

Images