CN101808333A - 共享信道的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种共享信道的方法，包括以下步骤：A.为认知用户分配空闲的注册信道；B.检测授权用户是否出现，若是，则将所述注册信道分配给授权用户，并测量保证授权用户正常使用该注册信道的干扰温度阈值，根据所述干扰温度阈值获得认知用户的最大可用功率，若否，则继续检测；C.计算认知用户使用该最大可用功率是否能进行数据传输，若是，则调整认知用户的发射功率，若否，则将认知用户切换到空闲信道。此外，还涉及一种共享信道的系统。上述共享信道的方法及系统，判断认知用户使用最大可用功率是否能进行数据传输进行控制认知用户的动作，大大降低了频谱切换率，提高了频谱利用率及网络性能，同时也提高了有效数据传输率。

Description

共享信道的方法及系统

【技术领域】

本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种共享信道的方法及系统。

【背景技术】

随着无线通信业务的增长，可利用的频带日趋紧张，频谱资源匮乏日益严重。为此，采用频谱管理的方式，许可特定的频率给用户，即获得许可的用户使用分配给该用户的许可频段，而获取许可的用户并非全部都是全天候占用许可频段，一些许可频段部分时间内并没有用户使用，若不加以利用，则无法实现频谱共享，造成频谱资源浪费。传统的频谱共享方式是，当许可频段空闲时，认知用户可以使用该空闲的许可频段，当授权用户出现时，认知用户立刻切换到另一空闲频道或等待授权用户完成传输。如果授权用户频繁出现，则要频繁进行频谱切换动作，增加了网络开销，降低了整个网络的性能及频谱的有效利用率。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种降低切换次数提高频谱利用率及网络性能的共享信道的方法。

此外，还有必要提供一种降低切换次数提高频谱利用率及网络性能的共享信道的系统。

一种共享信道的方法，包括以下步骤：

A.为认知用户分配空闲的注册信道；

B.检测授权用户是否出现，若是，则将所述注册信道分配给授权用户，并测量保证授权用户正常使用该注册信道的干扰温度阈值，根据所述干扰温度阈值获得认知用户的最大可用功率，若否，则继续检测；

C.计算认知用户使用该最大可用功率是否能进行数据传输，若是，则调整认知用户的发射功率，若否，则将认知用户切换到空闲信道。

优选地，步骤B中所述计算认知用户的最大可用功率具体包括以下步骤：

B1.计算信道的干扰温度及认知用户引入干扰温度；

B2.根据信道的干扰温度及认知用户引入干扰温度建立干扰温度模型；

B3.根据干扰温度模型计算认知用户的最大可用功率。

优选地，步骤B2中所述干扰温度模型为所述信道的干扰温度与所述认知用户引入干扰温度之和不大于信道的干扰温度阈值。优选地，所述信道的干扰温度的计算公式为 $T_I(f_c,B_c)=\frac{1}{{B_c}^{2}k}{\∫}_{f_c-B_c/2}^{f_c+B_c/2}s\left(f\right)\mathrm{df},$ 其中，k是泊尔茨曼常数1.38×10^-23，f_c是信道中心频率，B_c是信道带宽，s(f)为射频环境下功率谱密度。

优选地，所述认知用户引入干扰温度的计算公式为 $T_s(f_c,B_c)=\frac{L_c{P}_t(f_c,B_c)}{k{B}_c},$ 其中，L_c表示认知用户发送端与授权用户接收端之间衰减系数；P_t(f_c，B_c)为认知用户在注册信道上的发送功率；k是泊尔茨曼常数1.38×10^-23；f_c是信道中心频率；B_c是信道带宽。

优选地，步骤C具体包括以下步骤：

C1.根据最大可用功率计算最大可传输距离；

C2.计算实际距离；

C3.比较实际距离与最大可传输距离，判断所述实际距离是否小于等于所述最大可传输距离，若是，则调整认知用户的发射功率，若否，则将认知用户切换到空闲信道。

优选地，所述空闲信道为空闲的注册信道或备用的非注册信道。

优选地，所述步骤C1中最大可传输距离计算公式为 $r^{*}=\exp \left(\frac{P^{*}-{\mathrm{\γ}}_{\min }(Q_n+I_p)}{10n}\right),$ 其中，P^*为所述认知用户的无干扰的最大发射功率，r^*为所述认知用户无干扰传输的最大距离，f(r^*)为所述最大距离上路径损耗；I_p为同一注册信道其他用户对所述认知用户的干扰；Q_n为热噪声功率；δ_min为满足所述认知用户接收端解码要求的最小信号功率同干扰与热噪声功率之和的比。

优选地，步骤C2中计算所述实际距离r采用路径损耗计算得出，计算公式如下：

$r=\exp \left(\frac{P_{\mathrm{tr}}-P_{\mathrm{re}}}{10n}\right)$

其中，P_tr为发送端功率；P_re为接收端功率，n是2～4之间的常数，用于代表不同的传播环境。

一种共享信道的系统，所述系统包括检测模块、处理模块和操作模块，所述检测模块用于检测授权用户出现并产生检测信号且发送检测信号；所述处理模块与所述检测模块相连，接收检测信号后分配注册信道给授权用户，测量保证授权用户正常使用该注册信道的干扰温度阈值，并根据所述干扰温度阈值获得认知用户的最大可用功率，且判断认知用户使用所述最大可用功率是否能进行数据传输，并发送判断结果；所述操作模块接收所述判断结果，根据判断结果调整认知用户的发射功率或控制认知用户切换到空闲信道。

优选地，所述处理模块还用于计算信道的干扰温度及认知用户引入干扰温度，建立干扰温度模型，并根据干扰温度模型计算认知用户的最大可用功率。

优选地，所述干扰温度模型为所述信道的干扰温度与所述认知用户引入干扰温度之和不大于信道的干扰温度阈值。

优选地，所述信道的干扰温度的计算公式为 $T_I(f_c,B_c)=\frac{1}{{B_c}^{2}k}{\∫}_{f_c-B_c/2}^{f_c+B_c/2}s\left(f\right)\mathrm{df},$ 其中，k是泊尔茨曼常数1.38×10^-23，f_c是信道中心频率，B_c是信道带宽，s(f)为射频环境下功率谱密度。

优选地，所述认知用户引入干扰温度的计算公式为 $T_s(f_c,B_c)=\frac{L_c{P}_t(f_c,B_c)}{k{B}_c},$ 其中，L_c表示认知用户发送端与授权用户接收端之间衰减系数；P_t(f_c，B_c)为认知用户在注册信道上的发送功率；k是泊尔茨曼常数1.38×10^-23；f_c是信道中心频率；B_c是信道带宽。

优选地，所述处理模块还用于根据最大可用功率计算最大可传输距离，计算实际距离，并比较所述实际距离与最大可传输距离，判断所述实际距离是否小于等于所述最大可传输距离，若是，则调整认知用户的发射功率，若否，则将认知用户切换到空闲信道。

优选地，所述空闲信道为空闲的注册信道或备用的非注册信道。

优选地，所述处理模块获取最大可传输距离采用如下计算公式： $r^{*}\exp \left(\frac{P^{*}-{\mathrm{\γ}}_{\min }(Q_n+I_p)}{10n}\right),$ 其中，P^*为所述认知用户的无干扰的最大发射功率，r^*为所述认知用户无干扰传输的最大距离，f(r^*)为所述最大距离上路径损耗；I_p为同一注册信道其他用户对所述认知用户的干扰；Q_n为热噪声功率；γ_min为满足所述认知用户接收端解码要求的最小信号功率同干扰与热噪声功率之和的比。

优选地，所述处理模块计算实际距离r采用路径损耗计算得出，计算公式如下：

$r=\exp \left(\frac{P_{\mathrm{tr}}-P_{\mathrm{re}}}{10n}\right)$

其中，P_tr为发送端功率；P_re为接收端功率，n是2～4之间的常数，用于代表不同的传播环境。

上述共享信道的方法及系统，测量注册信道的干扰温度阈值获取认知用户的最大可用功率，判断认知用户使用最大可用功率是否能进行数据传输，根据判断结果调整认知用户的发射功率或切换到空闲信道，大大降低了频谱切换率，提高了频谱利用率及网络性能，同时也提高了有效数据传输率。

另外，采用获取实际距离与最大可传输距离并比较两者大小，判断是否进行频谱切换，简单、方便。

【附图说明】

图1为一实施例中共享信道的方法的流程图；

图2为一实施例中干扰温度阈值示意图；

图3为一实施例中计算认知用户最大可用功率的具体流程图；

图4为一实施例中计算认知用户使用最大可用功率是否能进行数据传输的具体流程图；

图5为一实施例中共享信道的系统的结构示意图；

图6A为一实施例中授权用户未工作时的信道状况示意图；

图6B为一实施例中授权用户工作时的信道状况示意图。

【具体实施方式】

在无线网络通信中，授权用户(Priority User，简称PU)未出现时，认知用户(Secondary User，简称SU)随机占用着空闲的注册信道，当授权用户出现时，认知用户根据需要判断是否切换到其他空闲信道。其中，授权用户为已经注册了的用户，具有频谱的优先使用权。认知用户为未授权的用户，通常在空闲的信道上通信。

如图1所示，一种共享信道的方法，包括以下步骤：

步骤S10，为认知用户分配空闲的注册信道。将认知用户分配到空闲的注册信道上进行通信。

步骤S20，检测授权用户是否出现，若是，则执行步骤S30，若否，则继续检测。

步骤S30，将所述注册信道分配给授权用户，并测量保证授权用户正常使用该注册信道的干扰温度阈值，根据所述干扰温度阈值获得认知用户的最大可用功率。

一实施例中，采用功率控制计算最大可用功率，该功率控制即干扰控制。如图2所示，每个注册信道均有其对应的干扰温度阈值TH_c，认知用户所产生的干扰温度与其他噪声温度之和不超过两者所占用注册信道的TH_c，则该认知用户与授权用户可共享该注册信道，即该段频谱。其中，干扰温度阈值TH_c可以通过接收信号端的天线准确的测量得出。图2中，1为噪声部分，2为干扰温度，3为干扰温度阈值，其中，干扰温度是为应用认知无线电技术以提高频谱利用率而提出的一种量化与管理干扰源的概念。在认知无线电频率共享系统中，当授权用户与认知用户共享同一段频谱工作时，必须首先确保授权用户的正常工作。需要预先估计授权用户可以接受的干扰温度阈值TH_c，预测引入认知用户后在授权用户接收机处带来的干扰，依此来判断是否允许非授权用户的加入。

如图3所示，计算认知用户的最大可用功率具体流程如下：

步骤S300，计算信道的干扰温度及认知用户引入干扰温度。

为了便于计算，对干扰温度进行量化为如下公式：

$T_I(f_c,B_c)=\frac{1}{B_{c}k}{P}_I(f_c,B_c);$

$P_I(f_c,B_c)=\frac{1}{B_c}{\∫}_{f_c-B_c/2}^{f_c+B_c/2}s\left(f\right)\mathrm{df};$

由上两式可得， $T_I(f_c,B_c)=\frac{1}{{B_c}^{2}k}{\∫}_{f_c-B_c/2}^{f_c+B_c/2}s\left(f\right)\mathrm{df}.$

其中，k是泊尔茨曼常数1.38×10^-23，f_c是信道中心频率，B_c是信道带宽，T_I(f_c，B_c)是授权用户发射端对接收机带来的干扰温度，P_I(f_c，B_c)为该用户对信道干扰功率，s(f)为射频环境下功率谱密度。

当认知用户与授权用户共享注册信道时，干扰温度包括信道的干扰温度和认知用户引入干扰温度。信道的干扰为授权用户发射端对接收机带来的干扰温度，即为T_I(f_c，B_c)。认知用户引入干扰为引入认知用户后在授权用户接收机处带来的引入干扰，即为 $T_s(f_c,B_c)=\frac{L_c{P}_t(f_c,B_c)}{k{B}_c}.$ 其中，L_c表示认知用户发送端与授权用户接收端之间衰减系数；P_t(f_c，B_c)为认知用户在注册信道上的发送功率；k是泊尔茨曼常数1.38×10^-23；f_c是信道中心频率；B_c是信道带宽。

步骤S301，根据信道的干扰温度及认知用户引入干扰温度建立干扰温度模型。若认知用户与授权用户共享注册信道，则总干扰温度应不大于干扰温度阈值TH_c，建立干扰温度模型，如下：

T_I(f_c，B_c)+T_s(f_c，B_c)≤TH_c。

步骤S302，根据干扰温度模型计算认知用户的最大可用功率。当授权用户出现时，在不对授权用户正常通信产生影响的前提下，调低认知用户的发射功率，且保证数据正常传输，则认知用户在注册信道上的发射功率可由干扰温度与干扰温度阈值之间的条件关系式计算得出，即如下：

由 $\frac{1}{{B_c}^{2}k}{\∫}_{f_c-B_c/2}^{f_c+B_c/2}s\left(f\right)\mathrm{df}+\frac{L_c{P}_t(f_c,B_c)}{{\mathrm{kB}}_c}\≤{\mathrm{TH}}_c,$

得出 $P_t(f_c,B_c)\≤\frac{{\mathrm{kB}}_c}{L_c}{\mathrm{TH}}_c-\frac{1}{B_c{L}_c}{\∫}_{f_c-B_c/2}^{f_c+B_c/2}s\left(f\right)\mathrm{df}.$

当授权用户(PU)处于非活动状态，即不使用注册信道时，认知用户按照实际可用最大功率P_max发射，进行数据传输；而当授权用户处于活动状态，即使用注册信道时，认知用户应及时降低发射功率，以保证在不影响授权用户的正常工作情况下，进行数据传输。则认知用户允许发出的最大发射功率P^*如下：

步骤S40，计算认知用户使用该最大可用功率是否能进行数据传输，若是，则执行步骤S50，若否，执行步骤S60。

因无线传输过程中，传播的环境对传输信号的衰减有影响，发送端与接收端之间信号的衰减程度采用路径损耗来量化计算，则计算公式如下：

f(x)＝10nlog(x)[dB]

其中，x为发送端与接收端之间的距离值，n是2-4之间的常数，用于代表不同的传播环境。

如图4所示，则步骤S40具体包括以下步骤：

步骤S400，根据最大可用功率计算最大可传输距离。

一实施例中，当认知用户与授权用户共用注册信道时，认知用户降低发射功率至P^*，在对授权用户不产生干扰的同时，还应该保证认知用户的接收端能正常接收信息，且满足解码要求，即 $\frac{P^{*}-f\left(r^{*}\right)}{Q_n+I_p}\≥{\mathrm{\γ}}_{\min },$ 热噪声功率Q_n采用下式计算得出：Q_n＝-174+NF+10log(B_c)[dBm]，其中，dBm为毫瓦的分贝数，NF为噪声系数，根据不同环境可由仪器测出实际值；B_c为该注册信道带宽。

当授权用户出现时，认知用户能传输的最大距离r^*计算得出为，

$r^{*}=\exp \left(\frac{P^{*}-{\mathrm{\γ}}_{\min }(Q_n+I_p)}{10n}\right),$

其中，P^*为认知用户的最大发射功率，r^*为认知用户的最大可传输距离，f(r^*)为该距离上路径损耗；I_p为同一注册信道其他用户对该认知用户的干扰；Q_n为热噪声功率；γ_min为满足接收端解码要求的最小信号功率同干扰与热噪声功率之和的比。

步骤S401，计算实际距离。

一实施例中，认知用户的发送端与接收端之间进行无线传输，对无线传输距离的估算，可以使用路径的损耗来测算。则认知用户的发送端与接收端之间的实际距离长度r采用路径损耗计算：

路径损耗f(r)＝P_tr-P_re；由此可计算得出

$r=\exp \left(\frac{P_{\mathrm{tr}}-P_{\mathrm{re}}}{10n}\right),$

其中，P_tr为发送端功率；P_re为接收端功率。

步骤S402，比较实际距离与最大可传输距离，判断所述实际距离是否小于等于所述最大可传输距离，若是，则调整认知用户的发射功率，若否，则将认知用户切换到空闲信道。当认知用户传输数据的实际距离小于等于认知用户的最大可传输距离时，表明认知用户与授权用户能够共享该注册信道；当认知用户传输数据的实际距离大于认知用户的最大可传输距离时，表示认知用户若继续与授权用户共用注册信道，调整认知用户的发射功率后，认知用户无法正常进行通信，则需要将认知用户切换到其他空闲信道上。其他空闲信道为空闲的注册信道或备选的非注册信道。频谱切换是指为了保证认知用户通信的持续性和业务服务质量，可以在让出占用的注册信道给授权用户的同时平滑转移到其他空闲信道继续通信；另外，认知用户也可以转移到其他更合适的空闲信道。

步骤S50，当认知用户使用该最大功率能进行数据传输时，调整认知用户的发射功率。

步骤S60，当认知用户使用该最大功率不能进行数据传输时，将认知用户切换到空闲信道。该空闲信道为空闲的注册信道或备选的非注册信道。

上述共享信道的方法还包括执行控制操作后进行数据传输。认知用户进行调整发射功率或频谱切换等控制操作后，进行数据传输。

如图5所示，一种共享信道的系统，包括检测模块10、处理模块20和操作模块30。

检测模块10用于检测授权用户是否出现，检测到授权用户出现后产生检测信号并将该检测信号发送给处理模块20。

处理模块20与检测模块10相连，用于接收检测信号，接收检测信号后分配注册信道给授权用户，测量保证授权用户正常使用该注册信道的干扰温度阈值，并根据所述干扰温度阈值获得认知用户的最大可用功率，且判断认知用户使用所述最大可用功率是否能进行数据传输，并发送判断结果。

操作模块30与处理模块20相连，用于接收判断结果，并根据该结果调整认知用户的发射功率或控制认知用户切换到空闲信道等控制操作。认知用户调整功率或频谱切换后进行数据传输。

一实施例中，处理模块20还用于计算信道的干扰温度及认知用户引入干扰温度，建立干扰温度模型，并根据干扰温度模型计算认知用户的最大可用功率。其具体过程是：

(1)计算信道的干扰温度及认知用户引入干扰温度。为了便于计算，对干扰温度进行量化为如下公式：

$T_I(f_c,B_c)=\frac{1}{B_{c}k}{P}_I(f_c,B_c);$

$P_I(f_c,B_c)=\frac{1}{B_c}{\∫}_{f_c-B_c/2}^{f_c+B_c/2}s\left(f\right)\mathrm{df};$

由上两式可得， $T_I(f_c,B_c)=\frac{1}{{B_c}^{2}k}{\∫}_{f_c-B_c/2}^{f_c+B_c/2}s\left(f\right)\mathrm{df}.$

其中，k是泊尔茨曼常数1.38×10^-23，f_c是信道中心频率，B_c是信道带宽，T_I(f_c，B_c)是授权用户发射端对接收机带来的干扰温度，P_I(f_c，B_c)为该用户对信道干扰功率，s(f)为射频环境下功率谱密度。

当认知用户与授权用户共享注册信道时，干扰温度包括信道本身干扰温度和认知用户引入干扰温度。信道本身干扰为授权用户发射端对接收机带来的干扰温度，即为T_I(f_c，B_c)。认知用户引入干扰为引入认知用户后在授权用户接收机处带来的引入干扰，即为 $T_s(f_c,B_c)=\frac{L_c{P}_t(f_c,B_c)}{{\mathrm{kB}}_c}.$ 其中，L_c表示认知用户发送端与授权用户接收端之间衰减系数；P_t(f_c，B_c)为认知用户在注册信道上的发射功率；k是泊尔茨曼常数1.38×10^-23；f_c是信道中心频率；B_c是信道带宽。

(2)建立干扰温度模型。若认知用户与授权用户共享注册信道，则干扰温度应不大于干扰温度阈值TH_c，建立干扰温度模型，如下：

T_I(f_c，B_c)+T_s(f_c，B_c)≤TH_c。

(3)根据干扰温度模型计算认知用户的最大可用功率。当授权用户出现时，在不对授权用户正常通信产生影响的前提下，调低认知用户的发射功率，且保证数据正常传输，则认知用户在注册信道上的发射功率可由干扰温度与干扰温度阈值之间的条件关系式计算得出，即如下：

由 $\frac{1}{{B_c}^{2}k}{\∫}_{f_c-B_c/2}^{f_c+B_c/2}s\left(f\right)\mathrm{df}+\frac{L_c{P}_t}{k{B}_c}\≤{\mathrm{TH}}_c,$

得出 $P_t(f_c,B_c)\≤\frac{{\mathrm{kB}}_c}{L_c}{\mathrm{TH}}_c-\frac{1}{B_c{L}_c}{\∫}_{f_c-B_c/2}^{f_c+B_c/2}s\left(f\right)\mathrm{df}.$

当授权用户(PU)处于非活动状态，即不使用注册信道时，认知用户按照实际最大可用功率P_max发射，进行数据传输；而当授权用户处于活动状态，即使用注册信道时，认知用户应及时降低发射功率，以保证在不影响授权用户的正常工作情况下，进行数据传输。则认知用户允许发出的最大可用功率P^*如下：

一实施例中，处理模块20还用于根据最大可用功率计算最大可传输距离，计算实际距离，并比较所述实际距离与最大可传输距离，判断所述实际距离是否小于等于所述最大可传输距离，若是，则调整认知用户的发射功率，若否，则将认知用户切换到空闲信道。其中，空闲信道为空闲的注册信道或备用的非注册信道。计算认知用户的最大可传输距离和实际距离的具体过程如下：

(1)计算认知用户的最大可传输距离。因无线传输过程中，传播的环境对传输信号的衰减有影响，发送端与接收端之间信号的衰减程度采用路径损耗来量化计算，则计算公式如下：

f(x)＝10nlog(x)[dB]

其中，x为发送端与接收端之间的距离值，n是2-4之间的常数，用于代表不同的传播环境。

一实施例中，当认知用户与授权用户共用注册信道时，认知用户降低发射功率至P^*，在对授权用户不产生干扰的同时，还应该保证认知用户的接收端能正常接收信息，且满足解码要求，即 $\frac{P^{*}-f\left(r^{*}\right)}{Q_n+I_p}\≥{\mathrm{\γ}}_{\min },$ 热噪声功率Q_n采用下式计算得出：Q_n＝-174+NF+10log(B_c)[dBm]，其中，dBm为毫瓦的分贝数，NF为噪声系数，根据不同环境可由仪器测出实际值；B_c为该注册信道带宽。

当授权用户出现时，认知用户的最大可传输距离r^*计算得出为，

$r^{*}=\exp \left(\frac{P^{*}-{\mathrm{\γ}}_{\min }(Q_n+I_p)}{10n}\right).$

其中，P^*为认知用户的最大发射功率，r^*为认知用户可传输最大距离，f(r^*)为该距离上路径损耗；I_p为同一注册信道其他用户对该认知用户的干扰；Q_n为热噪声功率；γ_min为满足接收端解码要求的最小信号功率同干扰与热噪声功率之和的比。

(2)计算认知用户数据传输的实际距离。认知用户的发送端与接收端之间进行无线传输，对无线传输距离的估算，可以使用路径的损耗来测算。则认知用户的发送端与接收端之间的实际距离长度r采用路径损耗计算：

路径损耗f(r)＝P_tr-P_re；由此可计算得出

$r=\exp \left(\frac{P_{\mathrm{tr}}-P_{\mathrm{re}}}{10n}\right),$

其中，P_tr为发送端功率；P_re为接收端功率。

为了更好的说明上述共享信道的系统工作的过程，如图6A和图6B所示，举例如下：

该网络包含三个授权用户(PU1，PU2，PU3)和三个认知用户(SU1，SU2，SU3)，四个可用注册信道(CH1，CH2，CH3，CH4)，以及一个非注册信道UC1，即所有认知用户(SU)可用的备用信道。

由图6A可看出，当前状态下，三个授权用户(PU1，PU2，PU3)均处于空闲，因此三个认知用户(SU1，SU2，SU3)随机使用所有可用注册信道(CH1，CH2，CH3，CH4)，认知用户SU1使用CH1，SU2使用CH2，SU3使用CH3。

如图6B所示，当授权用户(PU1，PU2，PU3)处于工作状态，需要使用相对应注册信道，授权用户PU1使用CH1，PU2使用CH2，PU3使用CH3。此时，认知用户SU1，SU2，SU3分别按上述频谱切换的控制方法及系统中的判断方式，选择切换信道或继续使用该信道。对于认知用户SU1，由于其传输距离较近，当其降低发射功率后，仍能使用注册信道CH1传输。对于认知用户SU2，由于其传输距离较远，当其降低发射功率至可用最大功率，接收端无法正常接收数据，因此需要切换至非注册信道UC1。认知用户SU3和SU2一样的情况，也不能再使用原注册信道CH3，而非注册信道UC1又被SU2占用，故使用空闲注册信道CH4。

上述共享信道的方法及系统，测量注册信道的干扰温度阈值获取认知用户的最大可用功率，判断认知用户使用最大可用功率是否能进行数据传输，根据判断结果调整认知用户的发射功率或切换到空闲信道，大大降低了频谱切换率，提高了频谱利用率及网络性能，同时也提高了有效数据传输率。

另外，采用获取实际距离与最大可传输距离并比较两者大小，判断是否进行频谱切换，简单、方便。

其中，频谱切换率为认知用户由于授权用户的工作，而切换到其他可用信道的概率。若授权用户出现的几率服从泊松分布λ，其出现概率为p_a，传统的频谱共享方式，当授权用户出现时，认知用户立刻切换到另一空闲频道。因此p_sh＝p_a，而上述频谱切换控制方法及系统，会判断认知用户使用最大可用功率是否能进行数据传输来决定是否进行频谱切换动作，因此p_sh＝p_a·P{r^*＜r}，P{r^*＜r}为认知用户对授权用户产生干扰的概率，且P{r^*＜r}≤1。因此，相比传统频谱共享方式，本发明的频谱切换率明显小于传统方式，从而降低频谱切换次数，对频谱利用率有较大提高。

再者，若认知用户传输数据量为L，传输速率为r_SU。则其传输时间为T_s＝L/r_SU，但由于授权用户的不定期出现，在传输过程m个时隙中有n次频谱切换(n≤m)，频谱切换率为p_sh，T_l是信道感知和频谱切换带来的时延，则有效传输数据率R_e计算如下式，

$R_e=\frac{L}{E\left[T\right]}$

$E\left[T\right]=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}([{\mathrm{kT}}_l+T_S]\·\left(\begin{array}{c}m\\ k\end{array}\right){p_{\mathrm{sh}}}^k{(1-p_{\mathrm{sh}})}^{m-k})$

由此可知，频谱切换次数n越少，则代表平均传输时间E[T]越短，即有效数据率R_e越高，即使考虑其中最差情况，即n＝m，则可得

$E\left[T\right]=\underset{k=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}([{\mathrm{kT}}_l+T_S]\·\left(\begin{array}{c}m\\ k\end{array}\right){p_{\mathrm{sh}}}^k{(1-p_{\mathrm{sh}})}^{m-k})$

$=\underset{k=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{kT}}_l\·\left(\begin{array}{c}m\\ k\end{array}\right){p_{\mathrm{sh}}}^k{(1-p_{\mathrm{sh}})}^{m-k}+T_S\·\left(\begin{array}{c}m\\ k\end{array}\right){p_{\mathrm{sh}}}^k{(1-p_{\mathrm{sh}})}^{m-k})$

$=T_l\underset{k=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}[k\·\·\left(\begin{array}{c}m\\ k\end{array}\right){p_{\mathrm{sh}}}^k{(1-p_{\mathrm{sh}})}^{m-k}]+T_S\·\underset{k=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}[\left(\begin{array}{c}m\\ k\end{array}\right){p_{\mathrm{sh}}}^k{(1-p_{\mathrm{sh}})}^{m-k}]$

$={\mathrm{mp}}_{\mathrm{sh}}{T}_l+T_S$

其中仅有p_sh为变量，本发明中的频率切换率p_sh小于传统方式中p_sh。

因此，上述共享信道的方法及系统，控制频谱切换，其频谱切换率和有效数据率，皆优于传统频谱切换方式。随着授权用户出现的次数增加，认知用户频谱切换率可减少至高达33％，由于切换次数减少，认知用户重新寻找新的可用信道带来的延迟时间也相对降低，从而减少传输时间，提高有效数据率，有效数据率相对传统方式提高可达到至少30％。

上述频谱切换控制方法及系统可以应用于认知无线电网络、无线网状(Mesh)网、Ad Hoc网络等。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (18)

1.一种共享信道的方法，包括以下步骤：

A.为认知用户分配空闲的注册信道；

B.检测授权用户是否出现，若是，则将所述注册信道分配给授权用户，并测量保证授权用户正常使用该注册信道的干扰温度阈值，根据所述干扰温度阈值获得认知用户的最大可用功率，若否，则继续检测；

C.计算认知用户使用该最大可用功率是否能进行数据传输，若是，则调整认知用户的发射功率，若否，则将认知用户切换到空闲信道。

2.根据权利要求1所述的共享信道的方法，其特征在于，步骤B中所述计算认知用户的最大可用功率具体包括以下步骤：

B1.计算信道的干扰温度及认知用户引入干扰温度；

B2.根据信道的干扰温度及认知用户引入干扰温度建立干扰温度模型；

B3.根据干扰温度模型计算认知用户的最大可用功率。

3.根据权利要求2所述的共享信道的方法，其特征在于，步骤B2中所述干扰温度模型为所述信道的干扰温度与所述认知用户引入干扰温度之和不大于信道的干扰温度阈值。

4.根据权利要求2所述的共享信道的方法，其特征在于，所述信道的干扰温度的计算公式为 $T_I(f_c,B_c)=\frac{1}{{B_c}^{2}k}{\∫}_{f_c-B_c/2}^{f_c+B_c/2}s\left(f\right)\mathrm{df},$ 其中，k是泊尔茨曼常数1.38×10^-23，f_c是信道中心频率，B_c是信道带宽，s(f)为射频环境下功率谱密度。

5.根据权利要求2所述的共享信道的方法，其特征在于，所述认知用户引入干扰温度的计算公式为 $T_s(f_c,B_c)=\frac{L_c{P}_t(f_c,B_c)}{k{B}_c},$ 其中，I_c表示认知用户发送端与授权用户接收端之间衰减系数；P_t(f_c，B_c)为认知用户在注册信道上的发送功率；k是泊尔茨曼常数1.38×10^-23；f_c是信道中心频率；B_c是信道带宽。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的共享信道的方法，其特征在于，步骤C具体包括以下步骤：

C1.根据最大可用功率计算最大可传输距离；

C2.计算实际距离；

C3.比较实际距离与最大可传输距离，判断所述实际距离是否小于等于所述最大可传输距离，若是，则调整认知用户的发射功率，若否，则将认知用户切换到空闲信道。

7.根据权利要求6所述的共享信道的方法，其特征在于，所述空闲信道为空闲的注册信道或备用的非注册信道。

8.根据权利要求6所述的共享信道的方法，其特征在于，所述步骤C1中最大可传输距离计算公式为 $r^{*}=\exp \left(\frac{P^{*}-{\mathrm{\γ}}_{\min }(Q_n+I_p)}{10n}\right),$ 其中，P^*为所述认知用户的无干扰的最大发射功率，r^*为所述认知用户无干扰传输的最大距离，f(r^*)为所述最大距离上路径损耗；I_p为同一注册信道其他用户对所述认知用户的干扰；Q_n为热噪声功率；γ_min为满足所述认知用户接收端解码要求的最小信号功率同干扰与热噪声功率之和的比。

9.根据权利要求6所述的共享信道的方法，其特征在于，步骤C2中计算所述实际距离r采用路径损耗计算得出，计算公式如下：

$r=\exp \left(\frac{P_{\mathrm{tr}}-P_{\mathrm{re}}}{10n}\right)$

其中，P_tr为发送端功率；P_re为接收端功率，n是2～4之间的常数，用于代表不同的传播环境。

10.一种共享信道的系统，其特征在于，所述系统包括检测模块、处理模块和操作模块，所述检测模块用于检测授权用户出现并产生检测信号且发送检测信号；所述处理模块与所述检测模块相连，接收检测信号后分配注册信道给授权用户，测量保证授权用户正常使用该注册信道的干扰温度阈值，并根据所述干扰温度阈值获得认知用户的最大可用功率，且判断认知用户使用所述最大可用功率是否能进行数据传输，并发送判断结果；所述操作模块接收所述判断结果，根据判断结果调整认知用户的发射功率或控制认知用户切换到空闲信道。

11.根据权利要求10所述的共享信道的系统，其特征在于，所述处理模块还用于计算信道的干扰温度及认知用户引入干扰温度，建立干扰温度模型，并根据干扰温度模型计算认知用户的最大可用功率。

12.根据权利要求11所述的共享信道的系统，其特征在于，所述干扰温度模型为所述信道的干扰温度与所述认知用户引入干扰温度之和不大于信道的干扰温度阈值。

13.根据权利要求11所述的共享信道的系统，其特征在于，所述信道的干扰温度的计算公式为 $T_I(f_c,B_c)=\frac{1}{{B_c}^{2}k}{\∫}_{f_c-B_c/2}^{f_c+B_c/2}s\left(f\right)\mathrm{df},$ 其中，k是泊尔茨曼常数1.38×10^-23，f_c是信道中心频率，B_c是信道带宽，s(f)为射频环境下功率谱密度。

14.根据权利要求11所述的共享信道的系统，其特征在于，所述认知用户引入干扰温度的计算公式为 $T_s(f_c,B_c)=\frac{L_c{P}_t(f_c,B_c)}{k{B}_c},$ 其中，L_c表示认知用户发送端与授权用户接收端之间衰减系数；P_t(f_c，B_c)为认知用户在注册信道上的发送功率；k是泊尔茨曼常数1.38×10^-23；f_c是信道中心频率；B_c是信道带宽。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的共享信道的系统，其特征在于，所述处理模块还用于根据最大可用功率计算最大可传输距离，计算实际距离，并比较所述实际距离与最大可传输距离，判断所述实际距离是否小于等于所述最大可传输距离，若是，则调整认知用户的发射功率，若否，则将认知用户切换到空闲信道。

16.根据权利要求15所述的共享信道的系统，其特征在于，所述空闲信道为空闲的注册信道或备用的非注册信道。

17.根据权利要求15所述的共享信道的系统，其特征在于，所述处理模块获取最大可传输距离采用如下计算公式： $r^{*}=\exp \left(\frac{P^{*}-{\mathrm{\γ}}_{\min }(Q_n+I_p)}{10n}\right),$ 其中，P^*为所述认知用户的无干扰的最大发射功率，r^*为所述认知用户无干扰传输的最大距离，f(r^*)为所述最大距离上路径损耗；I_p为同一注册信道其他用户对所述认知用户的干扰；Q_n为热噪声功率；γ_min为满足所述认知用户接收端解码要求的最小信号功率同干扰与热噪声功率之和的比。

18.根据权利要求15所述的共享信道的系统，其特征在于，所述处理模块计算实际距离r采用路径损耗计算得出，计算公式如下：

$r=\exp \left(\frac{P_{\mathrm{tr}}-P_{\mathrm{re}}}{10n}\right)$

其中，P_tr为发送端功率；P_re为接收端功率，n是2～4之间的常数，用于代表不同的传播环境。

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