CN101742570A - 认知无线电中基于无速率码的分布式分组接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种认知无线电中基于无速率码的分布式分组接入方法。本发明采用无速率分组编码进行从用户间的数据传输，在此基础上提出了适用于分布式多载波认知无线电系统的分组接入方法，包括以下步骤：1、待发送的数据分类缓存；2、采用随机的方式选择子载波，接入概率为效用函数值的经验加权；3、传输分组长度通过预测主用户的到达时间来选取；4、编码分组调度采用速率域注水的方法；5、构成完整的传输分组，完成分组接入。该方法采用了无速率分组编码可以有效对抗认知无线电系统中难以避免的分组丢失；从用户独立决策，可有效应用于分布式多载波认知无线电系统；充分考虑了用户间的竞争和约束关系，有效降低了冲突，提高了传输效率。

Description

认知无线电中基于无速率码的分布式分组接入方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种认知无线电中基于无速率码的分布式分组接入方法。

背景技术

认知无线电系统允许从用户在不影响主用户通信的前提下，灵活地寻找频谱机会进行通信，这种方式能够有效解决目前无线通信领域面临的频谱稀缺问题，得到了学术与工程应用领域的广泛关注。

传输中分组丢失难以避免是认知无线电系统的一个突出问题，一方面，主用户返回信道造成从用户传输中断，另一方面，若从用户的多接入采用竞争的方式，则从用户间的分组碰撞也不可避免。采用无速率码可以有效对抗传输中的分组丢失：无速率码可由原始信息分组生成任意数量的编码分组，发送机源源不断地向接收机发送编码分组，传输中可能受到干扰发生丢失，但接收机只要收到足够数量的编码分组就可成功译码。因此，可以在传输环境复杂的认知无线电系统中使用无速率码进行通信，以有效对抗分组丢失。

以无速率码为基础，探索适用于分布式认知无线电系统的有效分组接入方法，包括多用户间的竞争接入以及用户自身的分组调度，这是本发明的主要动机。

多用户接入方法主要是指用户选择接入信道和接入时间的方法。目前对于分布式多载波认知无线电系统中的多接入方法的研究大都基于静态或准静态信道的假设前提，在这样的前提下采用博弈论或图论的方法进行分析，从用户间通过协商达到最终策略的统一。这类方法无法在主用户活动性较强的情形下实施，因为很有可能在从用户达成协议之前信道就已经发生变化，这样从用户间的协商就失去了意义。基于对上述问题的考虑，一种更为实用的方案应当是关注从用户如何根据自身观测到的信息作出实时的应对。事实上，单个从用户的传输历史参数能够隐式反映其它用户的行为，从用户可以根据自身观测统计得到的各参数，间接获取主用户以及其它从用户的接入策略信息，从而对当前应采取的接入策略独立作出判断。

分组调度方法中考虑了无速率码基于度数分布的特点。一个编码分组具有的度数d表示参与编码的信息分组的个数，输出的编码分组是由任意的d个信息分组经过编码而得。当度数的概率分布服从Robust Soliton等特定分布时，译码器就能以较少的编码恢复信息分组，反之需要接收更多的编码分组，极限情形是当度数为1的编码分组不存在时译码将失败。传输中的分组丢失会破坏度数分布，导致接收端的译码效率降低，因此可在发送端对各度数编码分组数量做适当的调整，以克服上述问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种认知无线电中基于无速率码的分布式分组接入方法。

认知无线电中基于无速率码的分布式分组接入方法包括以下步骤：

(1)待发送的数据经过无速率编码后，按照编码分组的度数分类存放在缓冲队列中；

(2)在感知获得的空闲子载波集合中随机选择子载波准备分组接入，分组接入概率根据分组接入子载波获得的效用来确定；

(3)对应已被选中的子载波，通过预测主用户的到达时间来选择传输分组的长度；

(4)采用速率域注水的方法进行编码分组调度，分组接入前具有相同度数的同一类编码分组若传输成功比例低，则编码分组将被予以优先接入；

(5)按照编码分组调度结果取出相应编码分组加上控制信息后构成完整的传输分组，加载在选取的子载波上，经过调制，送入信道，完成分组接入。

所述的步骤(2)为：从用户基于对自身传输过程的历史统计，获取能够反映主用户及其它从用户接入策略的参数，然后根据这些参数计算接入各子载波的效用函数值u_m ⁿ(t)，进而计算接入概率p_m ⁿ(t)，具体步骤为：

(a)在时刻t，从用户m从感知获得的空闲子载波集合中随机选择一个子载波n计算接入该子载波可获得的效用函数值，如下式：

$u_m^n\left(t\right)={\mathrm{\α}}_1{C}_m^n\left(t\right)P_m^n(t-1)/d_m\left(t\right)-{\mathrm{\α}}_2{P}_{m,\mathrm{collision}}^n(t-1)/N_m^n(t-1)-{\mathrm{\α}}_3(P_{m,\mathrm{out}}^n(t-1)-P_{\mathrm{Th},\mathrm{out}}^n),$

式中t＝1，...；m＝1，...，M；n＝1，...，N；(α₁，α₂，α₃)为自定义权重，且有0＜α_i＜1，i＝1，2，3；C_m ⁿ(t)为时刻t子载波n的容量；P_m ⁿ(t-1)为截至时刻(t-1)从用户m在子载波n上的捕获概率，其含义为分组传输成功时间占总传输时间的比例；d_m(t)为时刻t从用户m的速率需求；P_{m，collision} ⁿ(t-1)为截至时刻(t-1)各从用户在子载波n上的冲突概率；N_m ⁿ(t-1)为截至时刻(t-1)竞争接入子载波n的从用户数目；P_m，out ⁿ(t-1)为截至时刻(t-1)子载波n上的主用户中断概率；P_Th，out ⁿ为允许的主用户最大中断概率；

(b)根据已得到的效用函数值u_n ^m(t)，计算子载波接入概率，如下式：

$P_m^n\left(t\right)=\min ((1-\mathrm{\ρ})G\left(t\right)u_m^n\left(t\right)/u_{\max },1),$

式中u_m ⁿ(t)为时刻t从用户m在子载波n上的效用函数值；u_max为效用函数最大值，是一个经验常数；ρ为经验权重的折扣率，且有0＜ρ＜1；G(t)为时刻t的经验加权值，根据公式G(t)＝ρG(t-1)+1更新，表示随着决策次数的增加，从用户逐步提高接入概率；

(c)从用户m按照概率p_m ⁿ(t)选择子载波n，若子载波n被选中，从用户更新即时传输速率 $R_m=R_m+C_m^n\left(t\right);$

重复步骤(a)，步骤(b)，步骤(c)，直到即时传输速率超过需求，即R_m≥d_m(t)，或者没有子载波可供选择为止。

所述的步骤(3)为：对应已被选中的子载波，通过预测主用户的到达时间来选取传输分组的长度，其中，传输分组是从用户数据传输的基本单位，由同步序列、编码分组的位置标识和编码分组三个部分构成，其中同步序列和编码分组的位置标识共同构成传输分组的控制信息部分，编码分组则承载着从用户待发送的数据信息；具体方法为：

假设各子载波上的主用户活动情况相互独立，主用户到达服从泊松分布；基于对主用户的保护，从用户分组接入造成主用户传输中断的概率不能超过允许的主用户最大中断概率，如下式：

$P(T_{\mathrm{arrival},m}^n\left(t\right)<L_m^n\left(t\right)/Y_m^n\left(t\right)=0)=1-e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_m^n{L}_m^n\left(t\right)}\&le;P_{\mathrm{Th},\mathrm{out}}^n,$

式中，t＝1，...；m＝1，...，M；n＝1，...，N；L_m ⁿ(t)为时刻t从用户m在子载波n上的传输分组长度；T_arrival，m ⁿ(t)为时刻t从用户m预测的主用户到达时间； $Y_m^n\left(t\right)=0$ 表示时刻t子载波n空闲；λ_m ⁿ为主用户到达率；P_Th，out ⁿ为允许的主用户最大中断概率；

根据上式，可以得到传输分组长度L_m ^n*(t)为：

$L_m^{n*}\left(t\right)=-\log (1-P_{\mathrm{Th},\mathrm{out}}^n)/{\mathrm{\&lambda;}}_m^n.$

所述的步骤(4)为：采用速率域注水的方法进行编码分组调度，分组接入前具有相同度数的同一类编码分组若传输成功比例低，则编码分组将被予以优先接入；其中，编码分组是无速率编码器输出的基本单位，是一个长度为L_packet的二进制数字组，由任意的d个信息分组经过编码得到，参与编码的信息分组的个数d就是所述的编码分组的度数；此方法以使得各度数编码分组的分布在接收端能够逼近该无速率码的理想分布为目标，如下式：

Num_d＝1(t)/μ₁＝...＝Num_d＝k(t)/μ_k＝...＝Num_d＝K(t)/μ_K，

式中t＝1，...；下标d＝k表示编码分组度数为k，k＝1，...，K；Num_d＝k(t)为截至时刻t度数为k的编码分组传输成功的总数；μ_k为理想分布中度数为k的编码分组所占的比例；具体步骤为：

(d)从用户m根据ACK消息反馈的各度数编码分组的接收情况，更新截至当前时刻t各度数编码分组传输成功的总数，如下式：

${\mathrm{Num}}_{d=k}\left(t\right)={\mathrm{Num}}_{d=k}(t-1)+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{N}_{d=k,m}^n(t-1),$

式中t＝1，...；m＝1，...，M；n＝1，...，N；Num_d＝k(t)为截至时刻t度数为k的编码分组传输成功的总数；Num_d＝k(t-1)为截至时刻(t-1)度数为k的编码分组传输成功的总数；N_d＝k，m ⁿ(t-1)为截至时刻(t-1)ACK消息反馈的子载波n上度数为k的编码分组传输成功的总数；

(e)从已被选中的子载波中选择一个子载波n，对应于该子载波的传输分组长度为L_m ^n*扣除传输分组同步序列占用的部分L_sync后，得到可用于分配的长度

$L_m^n=L_m^{n*}-L_{\mathrm{header}};$

(f)从各度数中选出截至时刻t传输成功比例最低的度数k_min：

$k_{\min }=\underset{k}{\arg \min }{\mathrm{Num}}_{d=k}\left(t\right)/{\mathrm{\&mu;}}_k,$

选出截至时刻t传输成功比例次低的度数k_submin：

$k_{\mathrm{sub}\min }=\underset{k\&NotEqual;k_1,...,k_i}{\arg \min }{\mathrm{Num}}_{d=k}\left(t\right)/{\mathrm{\&mu;}}_k,$

采用速率域注水的方法，对度数k_min予以优先接入，分配可传输

个编码分组的接入机会，使其即时成功传输比例达到度数k_submin此前的传输成功比例，如下式：

$({\mathrm{Num}}_{{d=k}_{\min }}\left(t\right)+{\mathrm{Num}}_{{\mathrm{allocated},d=k}_{\min }}\left(t\right))/{\mathrm{\&mu;}}_{k_{\min }}={\mathrm{Num}}_{{d=k}_{\mathrm{sub}\min }}\left(t\right)/{\mathrm{\&mu;}}_{k_{\mathrm{sub}\min }},$

式中

表示分配给度数k_min的编码分组数目；

若编码分组长度为L_packet，编码分组对应的位置标识长度为L_RCW，则可得分配给编码分组和位置标识的总长度为 $L_{{d=k}_{\min }}={\mathrm{Num}}_{{\mathrm{allocated},d=k}_{\min }}\left(t\right)\&times;(L_{\mathrm{packet}}+L_{\mathrm{RCW}});$

若 $L_{{d=k}_{\min }}<L_m^n,$ 表示子载波n上有满足需求的接入机会，那么分配

的接入机会给度数k_min，记录此结果，更新度数k_min即时成功传输数目 ${\mathrm{Num}}_{{d=k}_{\min }}\left(t\right)={\mathrm{Num}}_{{d=k}_{\min }}\left(t\right)+{\mathrm{Num}}_{{\mathrm{allocated},d=k}_{\min }}\left(t\right),$ 进入步骤(g)；

否则当 $L_{{d=k}_{\min }}>L_m^n,$ 即子载波n上可用于分配的长度L_m ⁿ无法满足度数k_min的需求，则分配

的接入机会给度数k_min，记录此结果，更新度数k_min即时成功传输数目 ${\mathrm{Num}}_{{d=k}_{\min }}\left(t\right)={\mathrm{Num}}_{{d=k}_{\min }}\left(t\right)+{\mathrm{Num}}_{{\mathrm{allocated},d=k}_{\min }}\left(t\right),$ 进入步骤(e)，对下一个子载波进行分组调度；

(g)更新 $L_m^n=L_m^n-L_{{d=k}_{\min }},$ 其中表示为度数k_min分配的编码分组和位置标识的总长度；当 $L_m^n>0,$ 则进入步骤(f)；否则对子载波n的分组调度完毕；

重复步骤(e)，步骤(f)，步骤(g)，直到对所有子载波操作完毕。

所述的步骤(5)为：

(h)从已被选中的子载波中选择一个子载波n，n＝1，...，N，按照分组调度结果，从编码分组队列头部取出相应数目的编码分组；

(i)将这些编码分组对应Tanner Graph的序号送入线性分组码编码器进行编码，产生长度为L_RCW，Tatal的位置标识，将位置标识放在分组同步序列之后，与分组同步序列一起构成传输分组的控制信息部分；

(j)将编码分组放在控制信息后，构成完整的传输分组，加载在子载波n上；

(k)重复步骤(h)，步骤(i)，步骤(j)，直到对所有已被选中的子载波加载完毕。经过多载波调制，最后将传输分组发送到信道上，至此完成分组接入。

本发明采用的无速率分组编码可以有效对抗认知无线电系统中难以避免的链路删除和分组丢失，且适于在无公共控制信道，无中心控制节点的分布式多载波认知无线电系统中应用，协议简单，易于实施。仿真表明，本发明所提供的分组接入方法能够在分布式系统中可靠工作，有效降低用户间冲突，提高系统的传输效率。

附图说明

图1是本发明分组接入方法的实施系统框图；

图2是采用本发明分组接入方法的接入示意图；

图3是采用本发明分组接入方法的用户需求满意度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的描述。

参照图1，本发明提供的一种认知无线电中基于无速率码的分布式分组接入方法应用于从用户对中的发送机，当发送机有数据需要传输给接收机时，待发送的数据经过无速率编码后，按照编码分组的度数分类存放在缓冲队列中，接着随机选择子载波准备接入，再选择传输分组的长度，而后进行编码分组调度，将编码分组加上控制信息构建成传输分组后加载在选定的子载波上，最后经过多载波调制，发送到信道上，完成分组接入。

采用本发明提供的分组接入方法，有一个如图2所示的接入示意图。各从用户以异步方式接入，从用户间的传输分组不必同步，如图2中的从用户1和从用户2；单个从用户在同一时刻可选择多个相邻或不相邻子载波进行传输，且传输分组的长度不固定，如图2中的从用户3；发送数据分组采用无速率编码，ACK消息不采用无速率编码；传输分组由同步序列、编码分组的位置标识和编码分组构成，其中同步序列用于实现传输分组的同步，编码分组的位置标识为译码器提供编码分组对应Tanner Graph的序号，同步序列和编码分组的位置标识共同构成传输分组的控制信息部分，而编码分组承载着从用户待发送的数据信息；各传输分组的同步序列具有相同长度，位置标识长度与该传输分组中的编码分组数目有关，编码分组数目不同则所需的位置标识长度也不同。

本发明在MATLAB上进行了仿真实验，选择一个采用正交频分复用传输方式(OFDM)的认知无线电系统作为仿真对象。具体配置为：子载波数目N＝8；总带宽B＝20×10⁶Hz；单位子载波带宽B_sub＝20×10⁶/8Hz；符号时长T_symbol＝0.4×10^-6s；假定采用BPSK映射，那么各子载波容量为相同的C＝1bit/T_symbol，即每个符号时间内传输1bit信息；假设各从用户感知到的主用户活动性一致，且各子载波上的主用户活动情况相互独立，主用户到达服从泊松分布，各子载波上的主用户到达率如下：

$[{\mathrm{\&lambda;}}_m^1,{\mathrm{\&lambda;}}_m^2,...,{\mathrm{\&lambda;}}_m^8]=[1/\mathrm{8000,1}/\mathrm{7000,1}/\mathrm{6000,1}/\mathrm{5000,1}/\mathrm{4000,1}/\mathrm{3000,1}/\mathrm{2000,1}/1000]/T_{\mathrm{symbol}},$

主用户的传输分组长度取固定值L_p＝200(T_symbol)，根据主用户的到达率以及主用户的传输分组长度，可求得认知无线电系统的整体信道容量为C_total＝7.5bit/T_smbol；

取从用户对数目M＝3，各从用户对由一个发送机和一个接收机构成，二者之间存在直接通信链路。发送机与接收机均仅有一根天线，工作于时分双工模式。

认知无线电中基于无速率码的分布式分组接入方法包括以下步骤：

(1)待发送的数据经过无速率编码后，按照编码分组的度数分类存放在缓冲队列中；

(2)在感知获得的空闲子载波集合中随机选择子载波准备分组接入，分组接入概率根据分组接入子载波获得的效用来确定；

(3)对应已被选中的子载波，通过预测主用户的到达时间来选择传输分组的长度；

(4)采用速率域注水的方法进行编码分组调度，分组接入前具有相同度数的同一类编码分组若传输成功比例低，则编码分组将被予以优先接入；

(5)按照编码分组调度结果取出相应编码分组加上控制信息后构成完整的传输分组，加载在选取的子载波上，经过调制，送入信道，完成分组接入。

以该实施例中的从用户对1发送机的第1次接入为例说明该实例的具体实施步骤：

所述的步骤(1)为：待发送的数据经过无速率编码；该实例中无速率码采用的是Raptor Code，其中度分布函数μ(d)采用Robust Soliton分布；

取待发送的信息分组数目为K＝950，则编码分组对应的度数d＝k(k＝1，...，K)，且各度数对应的理想概率分布为μ₁∶μ₂∶...∶μ_K＝0.0079∶0.4753∶...∶0；编码分组按照度数1～K分类，存放在K个缓冲队列中。

所述的步骤(2)为：从用户基于对自身传输过程的历史统计，获取能够反映主用户及其它从用户接入策略的参数，然后根据这些参数计算接入各子载波的效用函数值u_m ⁿ(t)，进而计算接入概率p_m ⁿ(t)，具体步骤为：

(a)在时刻t，从用户m从感知获得的空闲子载波集合中随机选择一个子载波n计算接入该子载波可获得的效用函数值，如下式：

$u_m^n\left(t\right)={\mathrm{\&alpha;}}_1{C}_m^n\left(t\right)P_m^n(t-1)/d_m\left(t\right)-{\mathrm{\&alpha;}}_2{P}_{m,\mathrm{collision}}^n(t-1)/N_m^n(t-1)-{\mathrm{\&alpha;}}_3(P_{m,\mathrm{out}}^n(t-1)-P_{\mathrm{Th},\mathrm{out}}^n),$

式中t＝1，...；m＝1，...，M；n＝1，...，N；(α₁，α₂，α₃)为自定义权重，且有0＜α_i＜1，i＝1，2，3；C_m ⁿ(t)为时刻t子载波n的容量；P_m ⁿ(t-1)为截至时刻(t-1)从用户m在子载波n上的捕获概率，其含义为分组传输成功时间占总传输时间的比例；d_m(t)为时刻t从用户m的速率需求；P_{m，collision} ⁿ(t-1)为截至时刻(t-1)各从用户在子载波n上的冲突概率；N_m ⁿ(t-1)为截至时刻(t-1)竞争接入子载波n的从用户数目；P_m，out ⁿ(t-1)为截至时刻(t-1)子载波n上的主用户中断概率；P_Th，out ⁿ为允许的主用户最大中断概率；

该实施例中，在时刻t＝1，从用户1感知获得的空闲子载波集合为{1，4，5}，从中随机选择一个子载波1；自定义权重(α₁，α₂，α₃)＝(1，0.5，0.5)；各子载波的容量相同，均为C＝1bit/T_symbol；截至上一时刻竞争接入子载波1的从用户数目 $N_1^n\left(0\right)=1;$ 允许的主用户最大中断概率 $P_{\mathrm{Th},\mathrm{out}}^n=0.1;$ 除上述参数外，公式中其余几个参数通过统计得到，如下：

时刻t从用户的速率需求d₁(t)根据下式计算：

$d_m\left(t\right)=\mathrm{\&Delta;}{d}_m\&CenterDot;T_m-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{R}_{s,m}^n(t-1)$

式中Δd_m为从用户m的分组到达率，该实施例中假设分组匀速到达，取Δd₁＝2bit/T_symbol；T_m为从用户m的定时器计数值，这里T₁＝1T_symbol；R_s，m ⁿ(t-1)为截至上一时刻从用户的即时传输速率，这里取初值0；根据上述各参数可以计算得到时刻1从用户的速率需求d₁(1)＝2bit/T_symbol；

时刻t从用户在子载波n上的捕获概率P_m ⁿ(t-1)按照此前分组传输成功时间占总传输时间的比例计算，如下式：

$P_m^n(t-1)=\underset{i=1}{\overset{t-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{T}_{r,m}^n\left(i\right)/T_m(t-1),$

式中T_r，m ⁿ(i)为ACK消息反馈的历次分组接入中子载波n上分组传输成功的时间；T_m(t-1)为上一时刻的时间；

初始捕获概率按照式 $P_m^n\left(0\right)=1/(1+l_p{\mathrm{\&lambda;}}_m^n)$ 计算，有 $\{P_1^1\left(0\right),P_1^4\left(0\right),P_1^5\left(0\right)\}=\{0.8,\mathrm{0.7143,0.6667}\};$

时刻t各从用户在子载波n上的冲突概率P_{m，collision} ⁿ(t-1)按照从用户在该子载波上的碰撞次数与总接入次数的比值计算，如下式：

$P_{m,\mathrm{collision}}^n(t-1)=N_{\mathrm{collision},m}^n(t-1)/N_{t,m}^n(t-1),$

式中N_{collision，m} ⁿ(t-1)为截至上一时刻从用户在子载波n上的冲突次数；N_t，m ⁿ(t-1)为截至上一时刻从用户对子载波n的接入总次数；这里取 $P_{1,\mathrm{collision}}^n\left(0\right)=0;$

时刻t从用户在子载波n上造成的主用户中断概率P_m，out ⁿ(t-1)按照从用户统计得到的主从用户碰撞次数与主用户到达次数的比值计算，如下式：

$P_{m,\mathrm{out}}^n(t-1)={\mathrm{Num}}_{\mathrm{out},m}^n(t-1)/{\mathrm{Num}}_{\mathrm{arrival},m}^n(t-1),$

式中N_umout，m ⁿ(t-1)为截至上一时刻从用户在子载波n上造成的主用户中断次数；Num_arrival，m ⁿ(t-1)为截至上一时刻从用户统计得到的子载波n上主用户到达总次数；这里取 $P_{1,\mathrm{out}}^n\left(0\right)=0;$ 代入上述各参数，可得从用户接入子载波1可获得的效用函数值为u¹ ₁(0)＝0.4；

代入上述各参数，可得从用户接入子载波1可获得的效用函数值为u¹ ₁(0)＝0.4；

(b)根据已得到的效用函数值uⁿ _m(t)，计算子载波接入概率，如下式：

$p_m^n\left(t\right)=\min ((1-\mathrm{\&rho;})G\left(t\right)u_m^n\left(t\right)/u_{\max },1),$

式中u_m ⁿ(t)为时刻t从用户m在子载波n上的效用函数值；u_max为效用函数最大值，是一个经验常数；ρ为经验权重的折扣率，且有0＜ρ＜1；G(t)为时刻t的经验加权值，根据公式G(t)＝ρG(t-1)+1更新，表示随着决策次数的增加，从用户逐步提高接入概率；

取效用函数最大值u_max＝1；初始经验加权值G(0)＝1，经验权重的折扣率ρ＝0.2，根据公式G(t)＝ρG(t-1)+1更新，得到当前经验加权值G(1)＝1.2；

代入上述各参数得到接入概率 $p_1^1\left(1\right)=0.384;$

(c)从用户m按照概率p_m ⁿ(t)选择子载波n，若子载波n被选中，从用户更新即时传输速率 $R_m=R_m+C_m^n\left(t\right);$

该实施例中从用户1以接入概率 $p_1^1\left(1\right)=0.384$ 选择子载波1，产生一个(0，1)内均匀分布的随机数0.2266，低于接入概率，因而选定该子载波n＝1；更新即时传输速率R₁＝0+1＝1，不能满足从用户1当前的速率需求d₁(1)＝2bit/T_symbol，因此进入步骤(a)，继续选择子载波；

重复步骤(a)，步骤(b)，步骤(c)，直到即时传输速率超过需求，即R_m≥d_m(t)，或者没有子载波可供选择为止。最终选择接入的子载波集合为Φ₁＝{1，5}。

所述的步骤(3)为：对应已被选中的子载波，通过预测主用户的到达时间来选取传输分组的长度，其中，传输分组是从用户数据传输的基本单位，由同步序列、编码分组的位置标识和编码分组三个部分构成，其中同步序列和编码分组的位置标识共同构成传输分组的控制信息部分，编码分组则承载着从用户待发送的数据信息；具体方法为：

假设各子载波上的主用户活动情况相互独立，主用户到达服从泊松分布；基于对主用户的保护，从用户分组接入造成主用户传输中断的概率不能超过允许的主用户最大中断概率，如下式：

$P(T_{\mathrm{arrival},m}^n\left(t\right)<L_m^n\left(t\right)/Y_m^n\left(t\right)=0)=1-e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_m^n{L}_m^n\left(t\right)}\&le;P_{\mathrm{Th},\mathrm{out}}^n,$

式中，t＝1，...；m＝1，...，M；n＝1，...，N；L_m ⁿ(t)为时刻t从用户m在子载波n上的传输分组长度；T_arrival，m ⁿ(t)为时刻t从用户m预测的主用户到达时间； $Y_m^n\left(t\right)=0$ 表示时刻t子载波n空闲；λ_m ⁿ为主用户到达率；P_Th，out ⁿ为允许的主用户最大中断概率；

根据上式，可以得到传输分组长度L_m ^n*(t)为：

$L_m^{n*}\left(t\right)=-\log (1-P_{\mathrm{Th},\mathrm{out}}^n)/{\mathrm{\&lambda;}}_m^n.$

取允许的主用户最大中断概率为 $P_{\mathrm{Th},\mathrm{out}}^1=0.1,$ 依据已知的主用户的到达率 $[{\mathrm{\&lambda;}}_m^1,{\mathrm{\&lambda;}}_m^2,...,{\mathrm{\&lambda;}}_m^8]=[1/\mathrm{8000,1}/\mathrm{7000,1}/\mathrm{6000,1}/\mathrm{5000,1}/\mathrm{4000,1}/\mathrm{3000,1}/\mathrm{2000,1}/1000]/T_{\mathrm{symbol}},$ 对应已被选中的子载波集合Φ₁＝{1，5}，求得传输分组的长度为 $\{L_1^{1*}=842,L_1^{5*}=421\}\left(T_{\mathrm{symbol}}\right).$

所述的步骤(4)为：采用速率域注水的方法进行编码分组调度，分组接入前具有相同度数的同一类编码分组若传输成功比例低，则编码分组将被予以优先接入；其中，编码分组是无速率编码器输出的基本单位，是一个长度为L_packet的二进制数字组，由任意的d个信息分组经过编码得到，参与编码的信息分组的个数d就是所述的编码分组的度数；此方法以使得各度数编码分组的分布在接收端能够逼近该无速率码的理想分布为目标，如下式：

Num_d＝1(t)/μ₁＝...＝Num_d＝k(t)/μ_k＝...＝Num_d＝K(t)/μ_K，

式中t＝1，...；下标d＝k表示编码分组度数为k，k＝1，...，K；Num_d＝k(t)为截至时刻t度数为k的编码分组传输成功的总数；μ_k为理想分布中度数为k的编码分组所占的比例；具体步骤为：

(d)从用户m根据ACK消息反馈的各度数编码分组的接收情况，更新截至当前时刻t各度数编码分组传输成功的总数，如下式：

${\mathrm{Num}}_{d=k}\left(t\right)={\mathrm{Num}}_{d=k}(t-1)+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{N}_{d=k,m}^n(t-1),$

式中t＝1，...；m＝1，...，M；n＝1，...，N；Num_d＝k(t)为截至时刻t度数为k的编码分组传输成功的总数；Num_d＝k(t-1)为截至时刻(t-1)度数为k的编码分组传输成功的总数；N_d＝k，m ⁿ(t-1)为截至时刻(t-1)ACK消息反馈的子载波n上度数为k的编码分组传输成功的总数；

截至上一时刻各度数编码分组传输成功的总数分别为：Num_d＝1(t)＝4，Num_d＝2(t)＝214，Num_d＝3(t)＝83，Num_d＝4(t)＝38，...，Num_d＝K(t)＝0；

(e)从已被选中的子载波中选择一个子载波n，对应于该子载波的传输分组长度为L_m ^n*扣除传输分组同步序列占用的部分L_sync后，得到可用于分配的长度

$L_m^n=L_m^{n*}-L_{\mathrm{header}};$

已被选中的子载波集合为Φ₁＝{1，5}，选择子载波n＝1，对应于该子载波的传输分组的长度为 $L_m^{n*}=842,$ 扣除传输分组同步序列占用的部分L_sync＝16(T_symbol)后，得到可用于分配的长度 $L_m^n=L_m^{n*}-L_{\mathrm{header}}=826\left(T_{\mathrm{symbol}}\right);$

(f)从各度数中选出截至时刻t传输成功比例最低的度数k_min：

$k_{\min }=\underset{k}{\arg \min }{\mathrm{Num}}_{d=k}\left(t\right)/{\mathrm{\&mu;}}_k,$

时刻1以前传输成功比例最低的度数k_min＝2；

选出截至时刻t传输成功比例次低的度数k_submin：

$k_{\mathrm{sub}\min }=\underset{k\&NotEqual;k_1,...,k_i}{\arg \min }{\mathrm{Num}}_{d=k}\left(t\right)/{\mathrm{\&mu;}}_k,$

时刻1以前传输成功比例次低的度数k_submin＝4；

采用速率域注水的方法，对度数k_min予以优先接入，分配可传输

个编码分组的接入机会，使其即时成功传输比例达到度数k_submin此前的传输成功比例，如下式：

$({\mathrm{Num}}_{{d=k}_{\min }}\left(t\right)+{\mathrm{Num}}_{{\mathrm{allocated},d=k}_{\min }}\left(t\right))/{\mathrm{\&mu;}}_{k_{\min }}={\mathrm{Num}}_{{d=k}_{\mathrm{sub}\min }}\left(t\right)/{\mathrm{\&mu;}}_{k_{\mathrm{sub}\min }},$

式中

表示分配给度数k_min的编码分组数目；计算得到对度数k_min＝2分配可传输 ${\mathrm{Num}}_{{\mathrm{allocated},d=k}_{\min }}\left(t\right)=10$ 个编码分组的接入机会；

若编码分组长度为L_packet，编码分组对应的位置标识长度为L_RCW，则可得分配给编码分组和位置标识的总长度为 $L_{{d=k}_{\min }}={\mathrm{Num}}_{{\mathrm{allocated},d=k}_{\min }}\left(t\right)\&times;(L_{\mathrm{packet}}+L_{\mathrm{RCW}});$ 位置标识长度用8bit来表示，并采用1/2线性分组编码，则经过编码的位置标识的长度为L_RCW＝16(T_symbol)，同时取编码分组的长度L_packet＝32(T_symbol)，则此次调度分配给编码分组和位置标识的总长度为

$L_{{d=k}_{\min }}={\mathrm{Num}}_{{\mathrm{allocated},d=k}_{\min }}\left(t\right)\&times;(L_{\mathrm{packet}}+L_{\mathrm{RCW}})=480\left(T_{\mathrm{symbol}}\right);$

若 $L_{{d=k}_{\min }}<L_m^n,$ 表示子载波n上有满足需求的接入机会，那么分配

的接入机会给度数k_min，记录此结果，更新度数k_min即时成功传输数目 ${\mathrm{Num}}_{{d=k}_{\min }}\left(t\right)={\mathrm{Num}}_{{d=k}_{\min }}\left(t\right)+{\mathrm{Num}}_{{\mathrm{allocated},d=k}_{\min }}\left(t\right),$ 进入步骤(g)；该实施例中 $L_{{d=k}_{\min }}<L_m^n,$ 表明子载波1上有满足需求的接入机会，因此分配 ${\mathrm{Num}}_{{\mathrm{allocated},d=k}_{\min }}\left(t\right)=10$ 的接入机会给度数k_min＝2，记录此结果，更新度数k_min＝2即时成功传输数目 ${\mathrm{Num}}_{{d=k}_{\min }}\left(t\right)={\mathrm{Num}}_{{d=k}_{\min }}\left(t\right)+{\mathrm{Num}}_{{\mathrm{allocated},d=k}_{\min }}\left(t\right)=224,$ 进入步骤(g)；

否则当 $L_{{d=k}_{\min }}>L_m^n,$ 即子载波n上可用于分配的长度L_m ⁿ无法满足度数k_min的需求，则分配

的接入机会给度数k_min，记录此结果，更新度数k_min即时成功传输数目 ${\mathrm{Num}}_{{d=k}_{\min }}\left(t\right)={\mathrm{Num}}_{{d=k}_{\min }}\left(t\right)+{\mathrm{Num}}_{{\mathrm{allocated},d=k}_{\min }}\left(t\right),$ 进入步骤(e)，对下一个子载波进行分组调度；

(g)更新 $L_m^n=L_m^n-L_{{d=k}_{\min }},$ 其中

表示为度数k_min分配的编码分组和位置标识的总长度；当 $L_m^n>0,$ 则进入步骤(f)；否则对子载波n的分组调度完毕；该实施例更新 $L_m^n=L_m^n-L_{{d=k}_{\min }}=346\left(T_{\mathrm{symbol}}\right);$ 由于 $L_m^n>0,$ 可继续分配，进入步骤(f)；

重复步骤(e)，步骤(f)，步骤(g)，直到对所有子载波Φ₁＝{1，5}操作完毕。

最终子载波1的分组调度结果为Num_{allocated，d＝2}(t)＝15，Num_{allocated，d＝4}(t)＝2，其余度数未获得接入机会；子载波5的分组调度结果为N_{umallocated，d＝2}(t)＝8，其余度数未获得接入机会。

所述的步骤(5)为：

(h)从已被选中的子载波中选择一个子载波n，n＝1，...，N，按照分组调度结果，从编码分组队列头部取出相应数目的编码分组；该实施例从已被选中的子载波Φ₁＝{1，5}中选择子载波1，取出15个度数为2的编码分组，2个度数为4的编码分组；

(i)将这些编码分组对应Tanner Graph的序号送入1/2线性分组码编码器进行编码，产生长度为L_RCW，Total＝272(T_symbol)的位置标识，将位置标识放在分组同步序列之后，与分组同步序列一起构成传输分组的控制信息部分；

(j)将编码分组放在控制信息后，构成完整的传输分组，加载在子载波n＝1上；

(k)重复步骤(h)，步骤(i)，步骤(j)，直到对所有已被选中的子载波Φ₁＝{1，5}加载完毕。经过多载波调制，最后将传输分组发送到信道上，至此完成分组接入。

计算机仿真得到如图3所示的用户满意度性能曲线，用户满意度指的是用户实际达到的传输速率与用户需求之间的比值，即C(t)P(t)/d(t)，图中曲线反映的是从用户的一个平均水平。可以看到，与贪婪算法相比，本发明所提出的分组接入方法能够显著提高网络整体的传输速率。同时，本发明的分组接入方法具有协议简单，易于实施的特点，可工作在分布式系统中，并能适应静态与快变信道，具有较强的实用性。

Claims (5)

1.一种认知无线电中基于无速率码的分布式分组接入方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)待发送的数据经过无速率编码后，按照编码分组的度数分类存放在缓冲队列中；

(2)在感知获得的空闲子载波集合中随机选择子载波准备分组接入，分组接入概率根据分组接入子载波获得的效用来确定；

(3)对应已被选中的子载波，通过预测主用户的到达时间来选择传输分组的长度；

(4)采用速率域注水的方法进行编码分组调度，分组接入前具有相同度数的同一类编码分组若传输成功比例低，则编码分组将被予以优先接入；

(5)按照编码分组调度结果取出相应编码分组加上控制信息后构成完整的传输分组，加载在选取的子载波上，经过调制，送入信道，完成分组接入。

2.根据权利要求1中所述的一种认知无线电中基于无速率码的分布式分组接入方法，其特征在于所述的步骤(2)为：从用户基于对自身传输过程的历史统计，获取能够反映主用户及其它从用户接入策略的参数，然后根据这些参数计算接入各子载波的效用函数值u_m ⁿ(t)，进而计算接入概率p_m ⁿ(t)，具体步骤为：

(a)在时刻t，从用户m从感知获得的空闲子载波集合中随机选择一个子载波n计算接入该子载波可获得的效用函数值，如下式：

$u_m^n\left(t\right)={\mathrm{\&alpha;}}_1{C}_m^n\left(t\right)P_m^n(t-1)/d_m\left(t\right)-{\mathrm{\&alpha;}}_2{P}_{m,\mathrm{collision}}^n(t-1)/N_m^n(t-1)-{\mathrm{\&alpha;}}_3(P_{m,\mathrm{out}}^n(t-1)-P_{\mathrm{Th},\mathrm{out}}^n),$

式中t＝1，...；m＝1，...，M；n＝1，...，N；(α₁，α₂，α₃)为自定义权重，且有0＜α_i＜1，i＝1，2，3；C_m ⁿ(t)为时刻t子载波n的容量；P_m ⁿ(t-1)为截至时刻(t-1)从用户m在子载波n上的捕获概率，其含义为分组传输成功时间占总传输时间的比例；d_m(t)为时刻t从用户m的速率需求；P_{m，collision} ⁿ(t-1)为截至时刻(t-1)各从用户在子载波n上的冲突概率；N_m ⁿ(t-1)为截至时刻(t-1)竞争接入子载波n的从用户数目；P_m，out ⁿ(t-1)为截至时刻(t-1)子载波n上的主用户中断概率；P_Th，out ⁿ为允许的主用户最大中断概率；

(b)根据已得到的效用函数值uⁿ _m(t)，计算子载波接入概率，如下式：

$p_m^n\left(t\right)=\min ((1-\mathrm{\&rho;})G\left(t\right)u_m^n\left(t\right)/u_{\max },1),$

式中u_m ⁿ(t)为时刻t从用户m在子载波n上的效用函数值；u_max为效用函数最大值，是一个经验常数；ρ为经验权重的折扣率，且有0＜ρ＜1；G(t)为时刻t的经验加权值，根据公式G(t)＝ρG(t-1)+1更新，表示随着决策次数的增加，从用户逐步提高接入概率；

(c)从用户m按照概率p_m ⁿ(t)选择子载波n，若子载波n被选中，从用户更新即时传输速率 $R_m=R_m+C_m^n\left(t\right);$

重复步骤(a)，步骤(b)，步骤(c)，直到即时传输速率超过需求，即R_m≥d_m(t)，或者没有子载波可供选择为止。

3.根据权利要求1中所述的一种认知无线电中基于无速率码的分布式分组接入方法，其特征在于所述的步骤(3)为：对应已被选中的子载波，通过预测主用户的到达时间来选取传输分组的长度，其中，传输分组是从用户数据传输的基本单位，由同步序列、编码分组的位置标识和编码分组三个部分构成，其中同步序列和编码分组的位置标识共同构成传输分组的控制信息部分，编码分组则承载着从用户待发送的数据信息；具体方法为：

假设各子载波上的主用户活动情况相互独立，主用户到达服从泊松分布；基于对主用户的保护，从用户分组接入造成主用户传输中断的概率不能超过允许的主用户最大中断概率，如下式：

$P(T_{\mathrm{arrival},m}^n\left(t\right)<L_m^n\left(t\right)/Y_m^n\left(t\right)=0)=1-e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_m^n{L}_m^n\left(t\right)}\&le;P_{\mathrm{Th},\mathrm{out}}^n,$

式中，t＝1，...；m＝1，...，M；n＝1，...，N；L_m ⁿ(t)为时从用户m在子载波n上的传输分组长度；T_arrival，m ⁿ(t)为时刻t从用户m预测的主用户到达时间； $Y_m^n\left(t\right)=0$ 表示时刻t子载波n空闲；λ_m ⁿ为主用户到达率；P_Th，out ⁿ为允许的主用户最大中断概率；

根据上式，可以得到传输分组长度

为：

$L_m^{n*}\left(t\right)=-\log (1-P_{\mathrm{Th},\mathrm{out}}^n)/{\mathrm{\&lambda;}}_m^n.$

4.根据权利要求1中所述的一种认知无线电中基于无速率码的分布式分组接入方法，其特征在于所述的步骤(4)为：采用速率域注水的方法进行编码分组调度，分组接入前具有相同度数的同一类编码分组若传输成功比例低，则编码分组将被予以优先接入；其中，编码分组是无速率编码器输出的基本单位，是一个长度为L_packet的二进制数字组，由任意的d个信息分组经过编码得到，参与编码的信息分组的个数d就是所述的编码分组的度数；此方法以使得各度数编码分组的分布在接收端能够逼近该无速率码的理想分布为目标，如下式：

Num_d＝1(t)/μ₁＝...＝Num_d＝k(t)/μ_k＝...＝Num_d＝K(t)/μ_K，

式中t＝1，...；下标d＝k表示编码分组度数为k，k＝1，...，K；Num_d＝k(t)为截至时刻t度数为k的编码分组传输成功的总数；μ_k为理想分布中度数为k的编码分组所占的比例；具体步骤为：

(d)从用户m根据ACK消息反馈的各度数编码分组的接收情况，更新截至当前时刻t各度数编码分组传输成功的总数，如下式：

${\mathrm{Num}}_{d=k}\left(t\right)={\mathrm{Num}}_{d=k}(t-1)+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{N}_{d=k,m}^n(t-1),$

式中t＝1，...；m＝1，...，M；n＝1，...，N；Num_d＝k(t)为截至时刻t度数为k的编码分组传输成功的总数；Num_d＝k(t-1)为截至时刻(t-1)度数为k的编码分组传输成功的总数；N_d＝k，m ⁿ(t-1)为截至时刻(t-1)ACK消息反馈的子载波n上度数为k的编码分组传输成功的总数；

(e)从已被选中的子载波中选择一个子载波n，对应于该子载波输分组长度为

，扣除传输分组同步序列占用的部分L_sync后，得到可用于分配的长度 $L_m^n=L_m^{n*}-L_{\mathrm{header}};$

(f)从各度数中选出截至时刻t传输成功比例最低的度数k_min；

$k_{\min }=\underset{k}{\arg \min }{\mathrm{Num}}_{d=k}\left(t\right)/{\mathrm{\&mu;}}_k,$

选出截至时刻t传输成功比例次低的度数k_submin：

$k_{\mathrm{sub}\min }=\underset{k\&NotEqual;k_1,...,k_i}{\arg \min }{\mathrm{Num}}_{d=k}\left(t\right)/{\mathrm{\&mu;}}_k,$

采用速率域注水的方法，对度数k_min予以优先接入，分配可传输

个编码分组的接入机会，使其即时成功传输比例达到度数k_submin此前的传输成功比例，如下式：

$({\mathrm{Num}}_{d=k_{\min }}\left(t\right)+{\mathrm{Num}}_{\mathrm{allocated},d=k_{\min }}\left(t\right))/{\mathrm{\&mu;}}_{k_{\min }}={\mathrm{Num}}_{d=k_{\mathrm{sub}\min }}\left(t\right)/{\mathrm{\&mu;}}_{k_{\mathrm{sub}\min }},$

式中

(t)表示分配给度数k_min的编码分组数目；

若编码分组长度为L_packet，编码分组对应的位置标识长度为L_RCW，则可得分配给编码分组和位置标识的总长度为 $L_{d=k_{\min }}{=\mathrm{Num}}_{\mathrm{allocated},d=k_{\min }}\left(t\right)\&times;(L_{\mathrm{packet}}+L_{\mathrm{RCW}});$

若 $L_{d=k_{\min }}<L_m^n,$ 表示子载波n上有满足需求的接入机会，那么分配

的接入机会给度数k_min，记录此结果，更新度数k_min即时成功传输数目 ${\mathrm{Num}}_{d=k_{\min }}\left(t\right)={\mathrm{Num}}_{d=k_{\min }}\left(t\right)+{\mathrm{Num}}_{\mathrm{allocated},d=k_{\min }}\left(t\right),$ 进入步骤(g)；

否则当 $L_{d=k_{\min }}>L_m^n,$ 即子载波n上可用于分配的长度L_m ⁿ无法满足度数k_min的需求，则分配

的接入机会给度数k_min，记录此结果，更新度数k_min即时成功传输数目 ${\mathrm{Num}}_{d=k_{\min }}\left(t\right)={\mathrm{Num}}_{d=k_{\min }}\left(t\right)+{\mathrm{Num}}_{\mathrm{allocated},d=k_{\min }}\left(t\right),$ 进入步骤(e)，对下一个子载波进行分组调度；

(g)更新 $L_n^n=L_m^n-L_{d=k_{\min }},$ 其中

表示为度数k_min分配的编码分组和位置标识的总长度；当 $L_m^n>0$ ，则进入步骤(f)；否则对子载波n的分组调度完毕；

重复步骤(e)，步骤(f)，步骤(g)，直到对所有子载波操作完毕。

5.根据权利要求1中所述的一种认知无线电中基于无速率码的分布式分组接入方法，其特征在于所述的步骤(5)为：

(h)从已被选中的子载波中选择一个子载波n，n＝1，...，N，按照分组调度结果，从编码分组队列头部取出相应数目的编码分组；

(i)将这些编码分组对应Tanner Graph的序号送入线性分组码编码器进行编码，产生长度为L_RCW，Total的位置标识，将位置标识放在分组同步序列之后，与分组同步序列一起构成传输分组的控制信息部分；

(j)将编码分组放在控制信息后，构成完整的传输分组，加载在子载波n上；

(k)重复步骤(h)，步骤(i)，步骤(j)，直到对所有已被选中的子载波加载完毕。经过多载波调制，最后将传输分组发送到信道上，至此完成分组接入。

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