CN101964982A

CN101964982A - 一种认知无线电的频谱共享方法及系统

Info

Publication number: CN101964982A
Application number: CN2010105162466A
Authority: CN
Inventors: 张钦宇; 王野; 吴绍华; 肇启明; 王胜
Original assignee: Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Current assignee: Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Priority date: 2010-10-22
Filing date: 2010-10-22
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2030-10-22
Also published as: CN101964982B

Abstract

本发明适用于认知无线电领域，提供了一种认知无线电的频谱共享的方法及系统，所述方法包括以下步骤：分别为授权用户、认知用户建立独立的队列；将持有的频谱分成同构的N个独立频点；将所有的独立频点分配给授权用户或者认知用户使用，对于每个信道在任一时刻只分配给一个授权用户或认知用户独享；当授权用户或认知用户完成本次服务时，回收信道，以进行下次信道分配，其中，N的值可以根据需要进行预设及修改。在本发明的实施例中，由于采用了中心式的控制方案，摆脱了其他方案对网络拓扑结构、认知用户节点密度等问题的依赖。同时，解决现有的频谱共享方法中认知用户的服务质量较差的问题。

Description

一种认知无线电的频谱共享方法及系统

技术领域

本发明属于认知无线电领域，尤其涉及一种认知无线电的频谱共享的方法及系统。

背景技术

随着无线通信业务的快速发展，无线电频谱成为重要且稀缺的资源。一方面，各种无线业务在数量和质量上对频谱资源提出了更多的要求；另一方面，由于现有的静态频谱分配方案，导致频谱资源没有得到有效的利用。认知无线及网络技术是提高频谱资源使用效率的有效途径。近年来，众多学者及组织对认知无线电中的频谱（信道）调度问题进行了深入的研究，其主要研究成果如下：

基于租赁的频谱共享：认知无线电创始人J. Mitola 提出的频谱使用思想，即在一定的时间内拥有某段频谱使用权的用户可以将频谱以租赁的形式分配给认知无线电用户，而认知用户需要付出一定的代价。基于此思想，研究者对频谱出租策略提出了各种各样的设想，如基于合作或者非合作博弈方式的频谱出租策略，基于拍卖的频谱出租策略以及基于服务质量需求的租赁策略等等。

这种共享方案主要以运营商和用户的效用函数为目标，对频谱分配进行优化。由于引入了博弈论等经济学领域工具，往往对实际的无线通信模型的假设过于简单，对运营商和用户的效用函数建模过于简化。同时，由于数学工具的限制，这种方案往往对无线通信系统中传统参数（如用户的阻塞率、掉话率、接入等待延迟、系统的用户容量等）无法给出明确的结论。因此，其得到的结果更多时候，只具有理论价值，很难在实际中应用。

基于机会式接入的频谱共享：这种频谱共享方案通常是在假设认知无线电用户具备一定的频谱感知能力，能够实时的侦测到目标频段内授权用户的行为。如果检测到目标频段内没有授权用户通信，则占用此信道。认知用户在通信过程中，如果检测到授权用户在其占用的频段内发起通信，则通过一定的技术（如频谱切换、频谱捷变等）躲避对授权用户的干扰。这种方案的问题较多。首先，由于采用机会式接入策略，认知用户的行为很难受到授权系统的制约，对整个网络的安全提出了极大的挑战。同时，由于认知用户的频谱感知能力以及频谱移动（频谱切换）能力不同，不可避免的要对授权用户产生干扰，而干扰等级又难以定量给出。因此，这种方案实现难度较大，同时也是授权系统最难以接受的。

基于干扰温度检测的频谱共享：前用面两种频谱共享方式中，对于信道的使用都是独占式的，即在同一个频段内，只能有授权用户或者认知用户存在，两者不能同时存在。基于干扰温度检测的频谱共享方案是非独占式的。其主要思想认为，授权用户在通信过程中，能够忍受一定的干扰，而对于干扰的评价由干扰温度给出。这时，在频段上，信道容量存在一定的余量，认知用户可以在该频段上利用这些信道容量余量，以低于授权用户干扰温度的功率进行通信。典型的应用为underlay频谱共享策略，认知用户往往采用具有极低功率谱密度的超宽带技术实现。

这种方案的主要难点在于对接收机干扰温度的测量。传统的频谱感知技术，如匹配滤波器检测、能量检测以及循环平稳特征检测都是针对发射机检测的，无法给出认知用户对授权系统中的接收机的干扰强度。而基于接收机的干扰温度检测中，主要由两种方案：1）基于合作检测的方案。这种方案利用网络中多个认知用户共同对目标频谱进行检测，并将检测结果上报给数据中心，进行数据融合，判决该目标频谱中是否有授权用户活动。合作检测的主要问题在于对于频谱的使用通常要依赖于多个认知用户的共同工作，需要高密度的认知用户部署。其应用范围受到了极大的制约。2）基于传感器网络的检测。这种方案主要通过部署大量的传感器节点，对系统中的授权用户进行监测。其主要缺点是需要对网络基础设施进行大量改动，其实现复杂度非常高。

基于网络拓扑结构的频谱共享：这种共享方案主要是针对分布式网络结构提出，其核心思想是更大程度的利用网络中空闲的空域资源。认知用户通过合作检测方式确定在较小的通信范围内，目标频段上是否有授权用户存在，或者自身通信是否会影响到授权用户的通信，从而寻找到空域上的频谱空穴。这种思想更多的来自于无线传感器网络或者mesh网等理论，图论是其主要的研究手段。

这种方案与基于干扰温度检测的频谱共享方案较为相似，都是通过合作检测等方式，确定系统中是否有频谱空穴。其缺点也基本相同，即对于认知网络节点密度的高度依赖以及对网络基础设施的大量改动。同时，这种方式很难与现有的基于中心式的网络结构进行融合，很难找到与之对应的授权系统实体。

总之，上述各种频谱共享方案中，认知用户的服务质量可以随意牺牲。当认知用户的服务质量得不到相应的保证，而仅仅追求频谱的高效利用时，就失去了认知无线电技术本身的意义。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种认知无线电的频谱共享方法，旨在解决现有的频谱共享方法中认知用户的服务质量较差的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种认知无线电的频谱共享的方法，所述方法包括以下步骤：

分别为授权用户、认知用户建立独立的队列；

将持有的频谱分成同构的N个独立频点；

将所有的独立频点分配给授权用户或者认知用户使用，对于每个信道在任一时刻只分配给一个授权用户或认知用户独享；

当授权用户或认知用户完成本次服务时，回收信道，以进行下次信道分配，

其中，N的值可以根据需要进行预设及修改。

进一步地，在所述将持有的频谱分成同构的N个独立频点的步骤之后还包括步骤：

从N个独立频点中划分出供授权用户优先使用的m个优先信道；

在授权用户小于m且队列中无等待授权用户时，将剩余的优先信道分配给认知用户使用。

本发明实施例的另一目的在于提供一种认知无线电的频谱共享的系统，所述系统包括：

队列建立模块，用于分别为授权用户、认知用户建立独立的队列；

频谱划分模块，用于将持有的频谱分成同构的N个独立频点；

频点分配模块，用于将所有的独立频点分配给授权用户或者认知用户使用，对于每个信道在任一时刻只分配给一个授权用户或认知用户独享；

信道回收模块，用于当授权用户或认知用户完成本次服务时，回收信道，以进行下次信道分配，

其中，N的值可以根据需要进行预设及修改。

进一步地，所述系统还包括：

优先信道划分模块，用于从N个独立频点中划分出供授权用户优先使用的m个优先信道；

优先信道分配模块，用于在授权用户小于m且队列中无等待授权用户时，将剩余的优先信道分配给认知用户使用

在本发明的实施例中，使认知无线电用户摆脱了频谱感知的束缚，降低了系统实现的复杂度，同时也有效降低了对授权用户的干扰风险。同时，由于采用了中心式的控制方案，摆脱了其他方案对网络拓扑结构、认知用户节点密度等问题的依赖。同时，解决现有的频谱共享方法中认知用户的服务质量较差的问题。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的频谱共享方法的实施流程图；

图2是本发明第二实施例提供的频谱共享方法的实施流程图；

图3是本发明实施例提供的信道预留策略的频谱划分示意图；

图4是本发明实施例提供的频谱分配逻辑示意图；

图5是本发明实施例提供的频谱分配系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明第一实施例提供的频谱共享方法的实施流程，详述如下：

在步骤S101中，分别为授权用户、认知用户建立独立的队列。

在步骤S102中，将持有的频谱分成同构的N个独立频点。其中，N的值可以根据需要进行预设及修改。

在步骤S103中，将所有的独立频点分配给授权用户或者认知用户使用，对于每个信道在任一时刻只分配给一个授权用户或认知用户独享。

为了克服频谱感知带来的系统复杂度，在本实施例中，并不强调认知用户具有频谱感知能力，所有的认知用户获得的频谱资源以及频谱信息均来自于分配结果。

在步骤S104中，当授权用户或认知用户完成本次服务时，回收信道，以进行下次信道分配。

在本实施例中，为了保护认知用户的服务质量，授权用户对认知用户不具有绝对的优先权。当授权用户接入信道时，将允许认知用户完成本次服务，然后退出信道，以回收信道。

图2示出了本发明第二实施例提供的频谱共享方法的实施流程，详述如下：

在步骤S201中，分别为授权用户、认知用户建立独立的队列。

在步骤S202中，将持有的频谱分成同构的N个独立频点。其中，N的值可以根据需要进行预设及修改。

在步骤S203中，从N个独立频点中划分出供授权用户优先使用的m个优先信道。信道划分可参阅图3。

在步骤S204中，将所有的独立频点分配给授权用户或者认知用户使用，在授权用户小于m且队列中无等待授权用户时，将剩余的优先信道分配给认知用户使用，对于每个信道在任一时刻只分配给一个授权用户或认知用户独享。

在步骤S205中，当授权用户或认知用户完成本次服务时，回收信道，以进行下次信道分配。

在本发明第一实施例中尽管能够有效的保证认知用户的服务质量，却提高了授权用户的接入等待时间。为了能让授权系统对授权用户的等待时间有更为灵活的控制，在本发明第二实施例中引入信道预留策略。即为授权用户预留出m个信道，保证授权用户的服务质量。其中，m是一个可以调节的变量，可以根据授权用户的服务质量、信道状况、系统负载等多方面因素进行调整。当系统中的授权用户小于m且队列中无等待用户时，将其中的N-m个信道分配给认知用户使用。

作为本发明的实施例，认知用户采用时分复用方式，即在任意时刻，获得信道的认知用户能够同时在N-m个信道上进行业务传输，以保证认知用户可以尽快完成一次业务，较好的观察业务结束时授权系统的状态。一旦将N-m个信道分配给认知无线电系统时，将保证在一次认知用户的业务传输时间内，不中断其通信，直到当前受服务的认知用户完成本次业务之后，认知用户将观察授权用户的信道使用情况，如果授权用户队列中，无等待用户，则认知无线电系统继续持有信道，直到某次业务结束时，认知无线电系统发现授权用户队列中有等待用户时，才将信道退还给授权系统。

图4示出了本发明实施例提供的频谱分配逻辑，授权用户和认知用户共享一个频谱分配系统（Spectrum Allocation System，SAS），且各自保持独立的队列。SAS将授权系统持有的频谱分成同构的N个独立频点，即CH 1、CH 2……CH N。各个频点的使用为独占式，即每个信道在任意时刻t只能分配给一个授权用户或者认知用户独享。如图所示，为方便理解，授权用户分别为SU j、SU j+1、SU j+2、SU j+……。认知用户分别为PU i、SU i +1、SU i +2、SU i +……。

为了克服频谱感知带来的系统复杂度，并不强调认知用户具有频谱感知能力，所有认知用户获得的频谱资源以及频谱信息均来自于SAS的分配结果，而认知用户未经SAS授权，不能接入任何信道。与其他认知无线电系统中的频谱共享方法不同，为了保护认知用户的服务质量，授权用户对认知用户不具有绝对的优先权。当授权用户接入信道时，系统将允许认知用户完成本次服务，然后退出信道。

图5示出了本发明实施例提供的频谱分配系统的结构，该频谱分配系统包括队列建立模块51、频谱划分模块52、频点分配模块53、信道回收模块54。

队列建立模块51分别为授权用户、认知用户建立独立的队列，频谱划分模块52将持有的频谱分成同构的N个独立频点，频点分配模块53将所有的独立频点分配给授权用户或者认知用户使用，对于每个信道在任一时刻只分配给一个授权用户或认知用户独享，信道回收模块54当授权用户或认知用户完成本次服务时，回收信道，以进行下次信道分配，其中，N的值可以根据需要进行预设及修改。

作为本发明的实施例，所述系统还包括优先信道划分模块55、优先信道分配模块56。优先信道划分模块55从N个独立频点中划分出供授权用户优先使用的m个优先信道，优先信道分配模块56在授权用户小于m且队列中无等待授权用户时，将剩余的优先信道分配给认知用户使用。

综上所述，本发明所提出的认知无线电频谱共享方法克服了已有认知无线电频谱共享方法存在的技术缺陷：

由于引入了集中控制的SAS系统功能单元，使认知无线电用户摆脱了频谱感知的束缚，降低了系统实现的复杂度，同时也有效降低了对授权用户的干扰风险。同时，由于采用了中心式的控制方案，摆脱了其他方案对网络拓扑结构、认知用户节点密度等问题的依赖；

通过增加了认知用户的独立队列与SAS频谱分配系统两个逻辑单元，完全可以在网络上层协议中进行修改，而不需要大规模的改变现有网络的基础设施结构，减少了现有系统像认知无线电系统的过渡成本；

除此之外，还引入了信道预留机制。该机制能够增加授权系统对整个网络行为的控制能力，根据网络情况的变化（如授权用户的业务发起量，业务服务时间，信道状况等）进行动态调整，提高了整个系统的灵活性。

同时，该方法与现有的频谱资源分配方法可以进行适当融合，从而提高整个网络性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种认知无线电的频谱共享的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

分别为授权用户、认知用户建立独立的队列；

将持有的频谱分成同构的N个独立频点；

其中，所述N有预设值且可修改。

2.根据权利要求1所述的认知无线电的频谱共享的方法，其特征在于，在所述将持有的频谱分成同构的N个独立频点的步骤之后还包括步骤：

在授权用户小于m且队列中无等待授权用户时，将剩余的优先信道分配给认知用户使用，所述m有预设值且可修改，且m小于或等于N。

3.一种认知无线电的频谱共享的系统，其特征在于，所述系统包括：

频谱划分模块，用于将持有的频谱分成同构的N个独立频点；

其中，所述N有预设值且可修改。

4.根据权利要求3所述的认知无线电的频谱共享的系统，其特征在于，所述系统还包括：

优先信道分配模块，用于在授权用户小于m且队列中无等待授权用户时，将剩余的优先信道分配给认知用户使用，所述m有预设值且可修改，且m小于或等于N。