CN101977391B - 认知无线网中多终端协作通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种认知无线网中多终端协作通信方法，包括步骤：所有源节点、目的节点和中继节点通过频谱感知分别确定当前可用信道；源节点遍历选择中继节点，根据所感知的可用信道的交集特征分配直接传输信道、复用信道以及中继传输信道；根据各中继节点的信道分配情况，对中继节点的复用信道和中继信道进行信道估计，根据归一化信道容量公式得到等效信噪比和等效信道容量，并将等效信道容量计算结果返回源节点；选择等效信道容量最大的中继节点作为与源节点和目的节点进行通信的最佳中继节点；分配各节点在不同信道的发射功率。本发明可实现多种传输方式并行发送业务数据，为网络提供更好QoS保障，降低功率消耗，延长网络的生存时间。

Description

认知无线网中多终端协作通信方法

技术领域

本发明涉及无线网络通信技术领域，具体涉及一种认知无线网中多终端协作通信方法。

背景技术

频谱资源是一种不可再生资源，如何提频谱的利用率，实现频谱的动态管理成为亟待解决的问题。根据FCC(Federal CommunicationsCommission)统计，在2002年，3GHz以下的频谱利用率仅为5.2％。2005年，SSC(Shared Spectrum Company)对30MHz到2.9GHz的30个频段进行监测，得出频谱的平均占有率仅为6％，瞬时的最高占用率也仅为17％。这表明了有很多的频谱资源没有利用，从而引出一个问题：在复杂多变的认知无线网络中，如何高效利用有限的频谱资源，在提高频谱资源利用率的同时为用户提供优质的服务。

在认知无线电系统中，主用户对其授权频带内的频谱利用率并不高，部分空闲频谱资源没有得到充分地利用，导致频谱利用率偏低。针对频谱这种不可再生资源，如何有效地提高频谱利用率，实现频谱的动态管理，从而提高系统的吞吐量成为亟待解决的问题。而另一方面，通信网络中的节点能量受限，如何兼顾次级用户的QoS需求的前提下，有效降低整个系统的功率消耗，延长网络的生存时间，也成为通信网络面临的挑战。

通过引入认知无线电的相关理论，可以在不影响主用户的前提下提高授权频带的整体资源利用率，实现频谱的动态管理，协作中继的引入也为业务的部署以及应用提供了场景支撑。

在认知无线网络中引入协作中继技术被认为是提高异构网络环境下多网协作通信的一种技术，协作中继一方面可以提高次级用户的吞吐量，另一方面也提高了整体的频谱利用率。在认知无线电系统中，协作中继可以在两种基本应用场景下提高系统的传输速率。第一，次级用户之间的协作，在这个场景下，次级用户作为另一个次级用户的中继节点，提高它们之间的吞吐量。第二，主用户与次级用户之间的协作，在这种场景之下，次级用户协助主用户把数据传输到目的节点，提高了次级用户的被使用的几率。我们可以看到，次级用户之间的中继协作通过填补主用户未利用的频谱来提高利用率，而主用户与次级用户之间的协作是通过提高使用次级用户的几率来提高系统整体利用率。总之，两种方式都通过空间分集提高了频谱的利用率。

并且，协作中继的引入可以更加合理地分配系统能量，根据节点剩余能量的状况制定价格激励机理，以整个网络的能量消耗成本为目标对节点的功率进行优化控制，为不同的信道分配不同的发射功率，最终延长了整个网络的生存期，并且能量利用率也得到了提高。

当次级用户需要占用大量资源完成大流量业务时，比如文件下载、流媒体、P2P传输等，其自身的信道容量有可能无法满足需求，而其相邻信道中其他用户的频谱可能闲置或者利用率很低，此时，次级用户可以在不影响其他用户的前提下，使用他们所占有的信道，一方面在不影响其他用户的前提下可以提高自身的服务质量，另一方面也提高了整个系统的资源利用率。另外，多模终端的广泛应用也为本发明的应用提供了很好的基础。

在申请号为200810104036的中国专利申请“用于多中继协作通信的中继策略的自适应选择方法”中，提出了一种用于多中继协作通信的中继策略的自适应选择方法，根据当前的实时信道状况，为每个中继节点分别选择适宜的转发方式，并且分配相应的发射功率，或者决定选用直传方式，以便能够实现系统的信道容量最大化。

上述专利申请的方法仅考虑了单一传输方式和中继适合的转发方式，没有涉及到认知无线电中丰富的空闲频谱资源的利用问题以及复用传输的方式。

总之，现有技术存在如下缺点：第一、现有技术的应用模式仅靠单一传输方式(直接传输或中继传输)，没有充分利用系统的空闲频谱资源，其频谱资源利用率偏低；第二、现有技术没有引入认知无线电的相关理论知识，忽视了智能终端频谱感知特性；第三，现有技术没有从经济学的角度考虑功率分配，仅从纯技术的角度最大化系统吞吐量或者最小化系统功率消耗，不能很好地体现价格因素对功率分配的制约作用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种应用于认知网络的多终端协作通信方法，以实现多种传输方式并行发送业务数据，为网络提供更好的QoS保障，有效降低系统的功率消耗，并延长网络的生存时间。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种认知无线网中多终端协作通信方法，包括以下步骤：

S1、认知无线网中的所有源节点、目的节点和中继节点通过频谱感知分别确定当前各自可用信道；

S2、源节点选择中继节点，然后根据源节点、目的节点以及所选择的中继节点的可用信道分配直接传输信道、复用信道以及中继传输信道；

S3、在信源和中继节点在所有信道上的发射功率总和受限，且中继节点和源节点发射功率相同的条件下，遍历所有的中继节点，根据各中继节点的信道分配情况，对中继节点的复用信道和中继信道进行信道估计，根据归一化信道容量公式得到经最大比合并后得到的等效信噪比，得到各中继节点的等效信道容量，并将所述等效信道容量计算结果返回源节点；

S4、遍历所有的中继节点之后，选择等效信道容量最大的中继节点作为与源节点和目的节点进行通信的最佳中继节点；

S5、在源节点和中继节点发射总功率受限、可用信道的发射功率受限的条件下，并在设置所有信道的发射功率均不相同的基础上，分配各节点在不同信道的发射功率。

其中，所述步骤S5具体为：根据信道容量公式和信道的传输方式，分别计算直接传输信道容量、复用信道容量和所选择的中继传输信道容量；然后以整个认知无线网的能量消耗成本最小化为目标，分配各节点在不同信道的发射功率，其中，在根据所述整个认知无线网的能量消耗成本建立目标函数时，根据节点剩余能量为源节点和中继节点的单位能量消耗动态地制定价格。

其中，所述步骤S1具体为：认知无线网中的所有源节点、目的节点和中继节点分别扫描感知网络中的频谱，检测出未被主用户占用的空闲频谱，从而确定当前各自可用信道。

其中，所述直接传输信道为源节点与目的节点分别可用信道的交集；所述中继信道为源节点、中继节点以及目的节点三者分别可用信道的交集；复用信道的两段传输信道当中，源节点以及中继节点之间的信道为二者分别可用信道的交集并且不是源节点、中继节点及目的节点三者可用信道的交集，中继节点与目的节点之间的信道为二者分别可用信道的交集并且不是源节点、中继节点及目的节点三者可用信道的交集。

(三)有益效果

本发明结合认知无线电理论和协作中继技术，在不影响主用户的通信质量情况下，使次级用户基于频谱感知技术认知当前可用空闲频谱资源，根据感知结果合理分配给不同的信道，在源节点和目的节点之间借助中继实现多种传输方式(直接传输、复用传输和中继传输)并行发送数据，相对于单一传输方式(直接传输或中继传输)而言，并行传输方式提高了次级用户的总数据传输速率，进而提供了更好的QoS保障；通过引入价格激励机制，综合考虑价格对功率控制的影响，根据节点剩余能量的情况为源节点和中继节点的单位能量消耗制定了价格(即节点的剩余能量越少，其单位能量消耗成本越大)，然后根据业务所需总的数据速率以及当前的信道增益等状况，列约束条件公式以及目标方程，采用拉格朗日算法，计算出多种传输方式并存下的最佳功率分配方案，从而使整个网络能量消耗成本最小化，这种方法能够有效地控制次级用户的功率消耗，并延长整个网络的生存时间。

附图说明

图1是本发明实施例的方法流程图；

图2是本发明实施例的方法的应用网络场景图；

图3是本发明实施例的方法的传输信道时隙分配图

图4是本发明实施例的方法的应用网络模型图；

图5是实施本发明实施例的方法与现有技术所产生的成本消耗对比曲线图；

图6是实施本发明实施例的方法与现有技术所产生的网络生存时间对比曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

下面结合图2、3和4解释本发明的方法实施例。

如图2所示，为本实施例的应用网络场景图。带方框的为正在使用的频段，未带方框的为未使用的频段。例如对于PU(primary user，主用户)2，其使用的频段是BD2，BD是frequency band的简写，是频段的意思。

如图4所示，为本实施例的应用网络模型图。包括：

可重配置的物理层接口：网络的部署需要基于一个可重配置的硬件平台。物理层的部署可以使用USRP(Universal Software RadioPeripheral，软件无线电通用外设)来构建无线环境。USRP充当一个无线电通讯系统的数字基带和中频部分，可以在主机CPU上完成所有波形相关方面的处理，比如调制和解调。并且可以通过扩展子板，使设备工作在ISM(比如2.4GHz)频段。

数据链路层以及网络层：数据链路层最基本的功能是将主机网络层来的数据可靠地传输到相邻节点的目标机网络层。主要工作是将网络层的数据块组装成为帧，以及控制帧在物理信道上的传输、差错处理和发送速率调节等；网络层在数据链路层提供的两个相邻端点之间的数据帧的传送功能上，进一步管理网络中的数据通信，实现两个端系统之间的数据透明传送，具体功能包括寻址和路由选择、连接的建立、保持和终止等。

频谱信息存储单元：负责与物理层接口交互，获取当前无线环境下的实时状态信息，比如主用户频谱使用情况、可使用信道、可用中继等信息。为跨层优化以及决策单元提供基本数据支持。

跨层管理以及决策单元：根据网络层、链路层、物理层以及频谱信息存储单元获得的信息，比如频谱使用情况、可用信道和可用中继、网络层数据包的拥塞状况以及误报率等基本信息，完成信道分配、信道估计、中继选择以及功率分配。

如图1所示，本实施例的方法包括以下步骤：

S1、频谱感知：源节点、目的节点以及所有中继节点扫描当前可用频谱，检测主用户信道的使用情况，根据结果判断未被主用户占用的频谱，从而确定当前可利用的信道。

例如，图2中的PU1经过频谱感知，获知它的可利用信道为BD2、BD3、BD4；PU2经过频谱感知，获知它的可利用信道为BD1、BD3、BD4；PU3经过频谱感知，获知它的可利用信道为BD1、BD2、BD4；经过频谱感知后的结果存储到图4中的频谱信息存储单元。

S2、信道分配：源节点选择一个中继节点。根据源节点、目的节点以及所选择中继节点的可用信道，分配直接传输(以下简称直传)信道、复用传输信道(或称复用信道)以及中继传输信道。其中复用传输是指在第一个时隙内源节点通过信道向中继节点发送数据，在第二个时隙内中继节点通过不同信道向目的节点转发数据。

其中，直传信道需要满足是源节点以及目的节点分别可使用信道的交集；中继信道需满足是源节点、中继节点以及目的节点三者分别可用信道的交集；复用信道的两段传输信道当中，源节点以及中继节点之间的信道需要是两者分别可以使用信道的交集并且不是源节点中继节点目的节点三者可使用信道的交集，中继节点以及目的节点之间的信道需要是两者分别可以使用信道的交集并且不是源节点中继节点目的节点三者可使用信道的交集。如果某一种传输方式的信道交集为空，则不可以使用此种传输方式，并且在功率分配步骤当中的目标方程当中不会体现此种传输方式。

如图2所示，具体分配方式如下：

S＝{BD1，BD3，BD4}，R＝{BD1，BD2，BD4}，D＝{BD2，BD3，BD4}分别代表源节点PU2、中继节点PU3、目的节点PU1的可用信道集合。

直传信道需要满足：S∩D＝{BD3，BD4}。

复用方式：S与R之间信道需满足S∩R-S∩R∩D＝{BD1}，R与D之间的信道需要满足R∩D-S∩R∩D＝{BD2}。

中继方式：信道需要满足S∩R∩D＝{BD4}。

图3直观地给出了直传信道、复用传输信道和中继传输信道三种信道并行传输数据与时隙分配的关系。

S3、信道估计：在信源和中继节点在所有信道上的发射功率总和受限，并且中继节点以及信源节点功率相同的基础之上，根据中继节点的信道分配情况，即复用传输方式以及中继传输方式的信道分配结果，对复用信道以及中继信道进行信道估计，根据归一化信道容量(C)公式：

C＝Wlog₂(1+λ_eq)    (1)

计算在目的节点经过最大比合并后的等效信噪比λ_eq。再将该等效信噪比代入信道容量公式，得到使用此中继节点的等效信道容量，并将此结果返回给信源节点。式(1)中W为带宽。因为信道选择的结果可能有多种情况，所以要遍历所有可行的信道组合，从中选取等效信噪比最大的作为此中继的等效信噪比。在实际应用中，可用信道数目以及可行信道组合的个数不会太大，所以此遍历方法在是以应用中是可行的。

S4、选择中继：遍历完所有中继节点以后，根据所有可选中继节点的等效信噪比，选择等效信道容量最大的节点作为最佳中继节点。

S5、功率分配：利用上述的信道状况参数，为信源节点和中继节点相关的信道得到最佳功率分配策略，即为每个信道选择最佳的发射功率：在信源和中继发射总功率受限、信道的发射功率受限、并设置所有的信道的发射功率都不相同的基础上，根据当前的可用信道状况参数，引入价格激励机制控制信源和中继的发射功率，并计算出多信道系统在采用多种传输方式并存下的最佳功率分配方案，使得整个网络的功率消耗成本最小化，并且最大化网络生存时间。

得到最佳功率分配策略的方法具体为：

步骤1：根据信道容量公式和传输方式，分别计算直传信道容量、复用信道容量和所选择的中继信道容量：根据归一化信道容量C的计算公式：C＝Wlog₂(1+γ)(2)，式中，γ为信噪比，W为带宽。信源与信宿间使用BD3的直接传输的最大信道容量C_direct定义为：

$C_{\mathrm{direct}}=W\log (1+p_3^S{\mathrm{\λ}}_3^{\mathrm{SD}})---\left(3\right)$

信源与信宿间使用频段BD1和BD2的复用信道最大容量C_dual定义为：

$C_{\mathrm{dual}}=\min \{W\log (1+p_1^S{\mathrm{\λ}}_1^{\mathrm{SR}}),W\log (1+p_2^R{\mathrm{\λ}}_2^{\mathrm{RD}})\}---\left(4\right)$

信源与信宿间使用频段BD4的中继最大信道容量C_relay定义为：

$C_{\mathrm{relay}}=\frac{1}{2}\min \{W\log (1+p_4^S{\mathrm{\λ}}_4^{\mathrm{SR}}),W\log (1+p_4^S{\mathrm{\λ}}_4^{\mathrm{SD}})+W\log (1+p_4^R{\mathrm{\λ}}_4^{\mathrm{RD}})\}---\left(5\right)$

其中，

和

分别表示S→D，S→R以及R→D链路的瞬时信道信噪比。

和

分别表示源节点到中继节点、中继节点到目的节点以及源节点到目的节点的信道增益，N₀表示加性高斯白噪声的功率谱密度。

步骤2：在所述的应用网络场景中节点功率受限和信道容量受限的条件下，以网络功率消耗成本最小化为目标函数，分析出所述场景的约束条件：实际数据发送速率小于当前信道的最大信道容量、信源和中继发射总功率受限、以及可用信道的发射功率受限。约束条件的数学建模具体如下：

$0\≤P_i^S\≤P_{\max },$ i∈Γ_SR∪Γ_SD

$0\≤P_i^R\≤P_{\max },$ i∈Γ_RD

$\underset{i\∈{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{SR}}\∪{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{SD}}}{\mathrm{\Σ}}{P}_i^S\≤P_{\max }^S,$

$\underset{i\∈{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RD}}}{\mathrm{\Σ}}{P}_i^R\≤P_{\max }^R,$

R_relay+R_dual+R_direct＝R

$R_{\mathrm{direct}}\≤W\log (1+p_3^S{\mathrm{\λ}}_3^{\mathrm{SD}})$

$R_{\mathrm{dual}}\≤\min \{W\log (1+p_1^S{\mathrm{\λ}}_1^{\mathrm{SR}}),W\log (1+p_2^R{\mathrm{\λ}}_2^{\mathrm{RD}})$

$R_{\mathrm{relay}}\≤\frac{1}{2}\min \{W\log (1+p_4^S{\mathrm{\λ}}_4^{\mathrm{SD}}),W\log (1+p_4^S{\mathrm{\λ}}_4^{\mathrm{SD}})+W\log (1+p_4^R{\mathrm{\λ}}_4^{\mathrm{RD}})\}---\left(6\right)$

引入价格激励机制，根据节点剩余能量的状况为节点单位能量制定价格，以整个网络的能量消耗成本为目标(建立目标函数)对节点的功率进行优化控制，分配源节点以及中继节点在不同信道的发射功率。

价格公式为：

j∈S∪R

其中

为节点初始能量，

为节点剩余能量，m为价格调节因子，m的取值范围是m＞0，在仿真中，优选取1、2两个值。

所述目标函数为：

${\mathrm{\ρ}}_S=(P_1^S{T}_b+P_3^S{T}_b+P_4^S{T}_b/2)+{\mathrm{\ρ}}_R(P_2^R{T}_b+P_4^R{T}_b/2)+\mathrm{\λ}(P_{\max }^S-{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^4{P}_i^S)$

公式(1)～(6)中，ρ_S为源节点的单位能量价格，ρ_R为中继节点的单位能量价格；

(i＝1～4)为源节点在各个信道上的发射功率；

(i＝1～4)是中继节点在各个信道上的发射功率；P_max是源节点以及中继节点在单一信道的最大发射功率；

是源节点在所有信道上总共的最大发射功率；

是中继节点在所有信道上总共的最大发射功率；R_relay是中继信道的传输速率；R_dual是复用信道的传输速率；R_direct是直传信道的传输速率；R是目标节点接收到的总数据速率；

分别是场景图中S→D，S→R以及R→D链路的瞬时信道信噪比。Γ_SD，Γ_SR和Γ_RD分别表示分配给上述各条链路的频段集合。T_b表示一个时隙的时间长度。

然后采用拉格朗日算法，计算出多种传输方式并存条件下的最佳功率分配。

实验证明使用ISM频段(工业，科学和医用频段)的Wi-Fi技术，具有多张无线局域网网卡的终端可以使不同网卡分别工作在不同的信道，并且同时进行数据的接受以及发送。下面对本发明实施例的方法进行仿真。仿真调节如下：各节点的初始能量为150焦耳，信道噪声N₀＝10^-3W/Hz，带宽B＝10³Hz，信道增益

时隙T_b＝10^-3s。

仿真一方面比较了在总速率相同的条件下，单一传输方式和三种传输方式(直接传输、复用传输以及中继传输)并存情况下系统的整体性能；另一方面，针对三种传输方式并存的情况，根据每种传输方式分配速率的不同，速率分配方式又分为如下两种情况：1)为每一种传输方式分配固定比率的传输速率，2)根据目标函数调整不同传输方式的最优传输速率分配。

从图5、6的仿真结果可以看出，在总速率相同的条件下，使用并行传输方式所消耗的网络成本或者网络节点能耗远低于单一传输方式(如直接传输、复用传输)所消耗的网络成本，此时采用并行传输方式的系统的生存周期较单一传输方式更长。同时，在为每一种传输方式使用固定比率的速率分配情况下，网络生存周期会有所提高，而通过引入能量价格激励机制，并根据目标函数调整不同传输方式的最优速率分配，在系统生存周期方面较之前的固定比率的速率分配也会有明显的改善。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (3)

1.一种认知无线网中多终端协作通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、认知无线网中的所有源节点、目的节点和中继节点通过频谱感知分别确定当前各自可用信道；

S2、源节点选择中继节点，然后根据源节点、目的节点以及所选择的中继节点的可用信道分配直接传输信道、复用信道以及中继传输信道；

S3、在源节点和中继节点在所有信道上的发射功率总和受限，且中继节点和源节点发射功率相同的条件下，遍历所有的中继节点，根据各中继节点的信道分配情况，对中继节点的复用信道和中继传输信道进行信道估计，根据归一化信道容量公式得到经最大比合并后得到的等效信噪比，得到各中继节点的等效信道容量，并将所述等效信道容量计算结果返回源节点；

S4、遍历所有的中继节点之后，选择等效信道容量最大的中继节点作为与源节点和目的节点进行通信的最佳中继节点；

S5、在源节点和中继节点发射总功率受限、可用信道的发射功率受限的条件下，并在设置所有信道的发射功率均不相同的基础上，分配各节点在不同信道的发射功率；

所述直接传输信道为源节点与目的节点分别可用信道的交集；所述中继传输信道为源节点、中继节点以及目的节点三者分别可用信道的交集；复用信道的两段传输信道当中，源节点以及中继节点之间的信道为二者分别可用信道的交集并且不是源节点、中继节点及目的节点三者可用信道的交集，中继节点与目的节点之间的信道为二者分别可用信道的交集并且不是源节点、中继节点及目的节点三者可用信道的交集。

2.如权利要求1所述的认知无线网中多终端协作通信方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：根据信道容量公式和信道的传输方式，分别计算直接传输信道容量、复用信道容量和所选择的中继传输信道容量；然后以整个认知无线网的能量消耗成本最小化为目标，分配各节点在不同信道的发射功率，其中，在根据所述整个认知无线网的能量消耗成本建立目标函数时，根据节点剩余能量为源节点和中继节点的单位能量消耗动态地制定价格。

3.如权利要求1所述的认知无线网中多终端协作通信方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：认知无线网中的所有源节点、目的节点和中继节点分别扫描认知无线网中的频谱，检测出未被主用户占用的空闲频谱，从而确定当前各自可用信道。

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