CN102036252A - 基于接收机信标发射的认知无线电自适应干扰保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于接收机信标发射的认知无线电自适应干扰保护方法，主要包括两个部分：第一部分，主用户接收机发射信标信号向认知用户表明其对当前工作频段的占用，其中信标信号的发射强度根据接收机数据解调的干扰余量进行上下调整，调整的目标是使干扰保护强度与认知用户引起的干扰水平处于相对稳定的平衡状态；第二部分，认知用户通过检测目标频段对应的信标信号，确定认知用户发射机附近是否存在目标频段上的主用户接收机，若存在，则被禁止使用所述目标频段发送数据。本发明使主用户具有针对认知用户干扰的主动自适应干扰保护能力，避免了过度保护造成的频谱浪费和保护不力造成的主用户服务质量下降。

Description

基于接收机信标发射的认知无线电自适应干扰保护方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体是一种基于接收机信标发射的认知无线电自适应干扰保护方法。

背景技术

频谱资源匮乏是制约无线通信发展的主要障碍。然而研究表明，无线通信中频谱资源匮乏与已分配频谱利用率不高的现象并存，固有的静态频谱分配政策造成已分配频谱在某些地域和某些时段上存在大量未被使用的频谱空穴。认知无线电以机会接入的方式利用频谱空穴，成为解决当前频谱资源紧缺问题的重要技术之一。部署认知无线电系统的前提是必须保证授权主系统的通信安全——即保证主用户的正常通信不受认知用户的有害干扰。

目前，认知无线电主要有两种实现方案，其一，认知系统通过频谱代理的频谱协商与主系统共享频谱，这需要大量的系统间信息交互，体系结构复杂，实现成本高；其二，认知系统通过频谱感知来伺机接入主系统暂时不用的空闲频谱(即频谱空穴)，这种方式无需改变已有的授权主系统，实现起来相对简单灵活，更接近实用。然而现有基于感知的认知无线电实现方案中，主系统的通信安全基本上完全依赖认知系统的频谱感知。出于对有害干扰的排斥，主系统在评估认知系统对其造成的潜在干扰时，对传播环境(噪声、衰落等)模型和认知用户分布模型的不确定性都采用最坏情况假设的方法。为取得主系统的认可，认知系统不得不采取极为保守的频谱感知和接入策略，导致大量通信机会的丧失。另一方面，当主用户在某个频段上只进行单向的信息接收时，由于以检测主用户信号为基础的频谱感知的局限，对主用户的有效干扰保护很难实现。因此，探求其它更有效的认知无线电干扰保护方法对认知无线电技术的推广应用具有重要意义。

经对现有技术文献检索发现，Hulbert在《IEEE International Symposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications，2005，p.989-993》(IEEE个人、室内和移动无线电通信国际研讨会，2005年，第989-993页)上发表的论文“Spectrum Sharing through Beacons”(基于信标的频谱共享)中，提出了通过接收机发射信标来构建一个软的频谱专属区域，以避免其它发射机干扰从而实现频谱共享的新概念。Mangold等在《First International Conference on Communication System Software and Middleware，2006，p.1-6》(首届通信系统软件和中间件国际会议，2006年，第1-6页)发表的论文“Operator Assisted Cognitive Radio and Dynamic Spectrum Assignment with Dual Beacons-Detailed Evaluation”(基于双信标的运营商辅助认知无线电和动态频谱分配——详细评估)中，提出同时使用“允许”(Grant)和“拒绝”(Denial)两种信标来协调频谱的共享，即只有在认知用户检测到存在“允许”信标而不存在“拒绝”信标时才可以接入相应频谱。以上两篇论文将信标的应用引入到认知无线电框架之中，但主要是从认知系统的角度探讨如何更好地共享频谱，并没有从主系统的角度分析如何利用信标更有效地实施干扰保护。

经检索还发现，高通股份有限公司在其申请的专利《在存在或不存在信标信号情况下使用的通信方法和装置》(申请号：200780002197.0)和《用于借助信标信号来传送优先级信息的通信方法和装置》(申请号：200780003012.8)中公布了一套信标信令系统，可用来协调不同优先级系统之间的频谱共享，其作用类似于基于频谱代理的认知无线电方案中的频谱代理，其所述信标信令的维护、检测和信息解调需要较长的时间耗散，不适合主用户频谱占用情况快变的场景，而且也没有阐述利用信标信令实施有效干扰保护的方法。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于接收机信标发射的认知无线电自适应干扰保护方法，使主用户具有针对认知用户干扰的主动保护能力，并可根据干扰程度的变化自适应调整干扰保护强度，避免过度保护造成的频谱浪费和保护不力造成的主用户服务质量下降两个方面的问题。

技术方案：为达到上述目的，本发明提供以下技术方案，包括如下两个部分：

第一部分：主用户接收机发射强度随受干扰程度自适应调整的信标信号，向认知用户表明主用户接收机对当前工作频段的占用，具体包括：

1)信标信号的发射时机

主用户接收机在通信链路建立的同时立即开始发射信标信号，启动对主用户工作频段的干扰保护；主用户接收机在通信结束的同时，立即停止信标发射，释放所占用的工作频段以允许认知用户接入；

2)信标发射功率的自适应调整

信标发射功率具有上界P_b-max和下界P_b-ini的约束，约束上界代表了主用户干扰保护的最高强度，约束下界代表了主用户干扰保护的最低强度；初始信标发射功率应设为功率约束上界或比约束上界小10％以内的值，以快速抑制可能影响到通信建链的认知用户的干扰，保证主用户通信链路的快速建立；

主用户接收机周期性测量接收机数据解调可承受的额外干扰余量，当干扰余量连续N₁个周期低于第一门限T₁时，判断干扰保护强度不够，以第一步长Δ₁增加信标发射功率后继续发射，所述N₁至少为2，且N₁个周期的时间跨度在几毫秒到几十毫秒之间，具体数值根据主用户业务类型确定；当干扰余量连续N₂个周期高于第二门限T₂且T₂＞T₁时，判断干扰保护过度，以第二步长Δ₂降低信标发射功率后继续发射，所述N₂至少为2且N₂≥N₁，所述Δ₂≤Δ₁；当干扰余量稳定在第一门限T₁和第二门限T₂之间时，保持信标发射功率不变继续发射信标信号；

3)信标信号的形式

所述信标信号是单音导频信号、低功率谱密度的叠加扩频信号或其它各种可能形式的信标信号；

第二部分：认知用户通过检测目标频段对应的信标信号，确定认知用户发射机附近是否存在目标频段上的主用户接收机，若存在，则被禁止使用所述目标频段发送数据，具体包括：

1)信标信号的检测时机

认知用户在接入目标频段之前首先检测所述目标频段对应的信标信号，若未检测到信标信号，则认为所述目标频段空闲，被允许接入，否则被禁止接入；认知用户在使用目标频段发射数据的过程中周期性检测所述目标频段对应的信标信号，一旦检测到信标信号，认知用户停止在所述目标频段上的数据发射；

2)信标信号的检测方法

认知用户基于所掌握的信标信号的形式，采用相干或部分相干的方法进行信标信号检测。

有益效果：本发明所提供的认知无线电干扰保护方法具有如下优点，1)根据主用户数据解调的干扰余量来调整信标信号的发射功率，使干扰保护强度与认知用户引起的干扰水平处于相对稳定的平衡状态，避免了主系统安全仅依赖认知用户频谱感知所造成的频谱资源浪费和主用户服务质量下降；2)具有对无线传播环境、主用户和认知用户分布情况变化等的自适应特征，当外部环境变化导致干扰保护强度过高或过低时，通过干扰余量与双门限的比较来确定信标发射功率的调整方向和调整步长，使干扰保护回到平衡状态；3)实现简单，不需要主系统和认知系统的直接信息交互，保证了系统间的相对独立性和认知系统部署的灵活性，不仅为主系统提供了有效地干扰保护，同时也可降低认知系统实现可靠频谱感知的难度。

附图说明

图1是某一工作频段上的主用户与欲接入该频段的认知用户相互作用的示意图。

图2是主用户接收机端的模块示意图，重点给出了附属的信标发射器的功能模块，主要包括初始化和终止控制、发射功率控制、信标生成和原有数据解调模块中附加的干扰余量估计等。

图3是认知用户发射机端的模块示意图，重点给出了附属的信标检测器的功能模块，主要包括频谱决策、信标选择和信标检测等。

图4是主用户接收机通过信标发射实现自适应干扰保护的流程。

图5是认知用户通过信标检测实现频谱决策的流程。

图6是通过本发明实现认知无线电自适应干扰保护的一个简单实例图，说明了消除有害干扰和消除过度保护两个方向的干扰保护调整过程。

具体实施方式

实施例1

一种基于接收机信标发射的认知无线电自适应干扰保护方法，

第一部分：主用户在通信过程中，接收机端发射强度随受干扰程度自适应调整的信标信号，表明接收机对当前工作频段的占用。具体包括：

1)信标信号的发射时机

主用户接收机在通信链路建立的同时立即开始发射信标，实施对主用户工作频段的干扰保护；主用户接收机在通信结束的同时，立即停止发射信标，释放所占用的工作频段。

2)信标发射过程中的信标信号强度调整

信标发射功率具有上界P_b-max和下界P_b-min的约束，上界代表了主用户干扰保护的最高强度，下界代表了主用户干扰保护的最低强度；

初始信标发射功率P_b-ini应设为功率上界P_b-max或比P_b-max小10％以内的值，以快速抑制可能影响到通信建链的认知用户的干扰，保证主用户通信链路的正确建立。

主用户接收机以时长S为周期测量主用户接收机的数据解调可承受的额外干扰余量，当干扰余量连续N₁个周期低于第一门限T₁时，判断干扰保护强度不够，以第一步长Δ₁增加信标发射功率后继续发射，所述周期S和周期数N₁要求N₁S在一毫秒到几十毫秒之间，具体数值可根据主用户业务类型确定；当干扰余量连续N₂个周期高于第二门限T₂且T₂＞T₁时，判断干扰保护过度，以第二步长Δ₂降低信标发射功率后继续发射，基于主用户对有害干扰的排斥和尽快抑制干扰的要求，所述周期数N₁≤N₂，所述步长Δ₁≥Δ₂；当干扰余量稳定在T₁和T₂之间时，保持信标发射功率不变。

3)信标信号的形式

所述信标信号是单音导频信号、低功率谱密度的叠加扩频信号或其它各种可能形式的信标信号。

第二部分：认知用户通过检测目标频段对应的信标信号，确定认知用户发射机附近是否存在目标频段上的主用户接收机，若存在，则被禁止使用所述目标频段发送数据。具体包括：

1)信标信号的检测时机

认知用户在接入目标频段之前首先检测所述目标频段对应的信标信号，若未检测到信标信号，则认为所述目标频段空闲，被允许接入，否则被禁止接入；认知用户在使用目标频段发射数据的过程中周期性检测所述目标频段对应的信标信号，一旦检测到信标信号，认知用户停止在所述目标频段上的数据发射。

2)信标信号的检测方法

认知用户基于所掌握的信标信号的形式，采用相干或部分相干的方法进行信标信号检测。

实施例2

下面参照附图，对本发明的具体实施方式做出更为详细的描述：

参考图1，本发明涉及到共享频谱的一个主系统102和一个认知系统103。主系统具有对频谱资源的高优先级，可以随时根据需要让主用户接入授权的工作频段，但在某些空间和时间上存在未被主用户使用的频谱空穴。认知系统对频谱的使用以主系统的正常通信不受干扰为前提，即认知用户在接入每个工作频段时必须确定该频段上不存在可被其干扰的主用户接收机。图1中，某工作频段上存在主用户发射机到主用户接收机之间的一条主用户通信链路，接收机在通信过程中发射信标信号表明对该工作频段的占用，在周围形成一个范围与信标发射功率成正比的保护区域101，信标发射功率的大小反映了主用户干扰保护力度的强弱；认知用户在试图接入该工作频段时，首先检测该频段对应的信标信号，以确定认知用户发射机不在该频段的保护区域内。

主用户的信标发射可由如图2中所示的主用户接收机201的附属信标发射器202来实现，其中初始化及终止控制模块203根据接收机射频前端的工作信道参数完成信标发射的初始化(信标选择、初始发射功率设定等)和结束通信时的发射器关闭等工作，干扰余量估计模块204通过比较接收机当前信噪比和数据解调的信噪比门限来估计干扰余量，发射功率控制模块205根据干扰余量来调整信标发射功率。

认知用户的信标检测可由如图3所示的认知用户发射机301的附属信标检测器302来实现，其中频谱决策模块303根据认知用户的通信需求和信标检测模块305的检测结果确定下一时段认知用户数据发送的工作频段以及信标检测的目标频段，信标选择模块304根据目标频段选择要检测的信标，并据此调整射频前端306和信标检测模块305来完成对目标信标的检测。

参考图4，根据本发明的一个实施例，认知无线电自适应干扰保护在主用户接收机端的流程包括下列步骤：

步骤1：建立主用户通信链路401的同时，主用户接收机附属的信标发射器即选择工作频段所对应信标信号411开始其信标发射，初始信标发射功率P_b-ini设为功率上界P_b-max或比P_b-max小10％以内的值，以抑制所有可能影响到通信建链的认知用户的干扰。

步骤2：主用户通信过程402中，信标发射器根据接收机所受干扰情况调整信标发射功率410，调整目标是使接收机干扰余量维持在双门限T₁和T₂(T₁＜T₂)之间，此时主用户的干扰保护强度和来自认知用户的干扰水平处在相互平衡的状态。信标发射功率调整通过步骤2.1～2.4完成。

步骤2.1：主用户接收机周期性测量数据解调可承受的额外干扰余量403，即当前的接收信噪比估计与数据解调的信噪比门限之差。

步骤2.2：信标发射器将干扰余量与第一门限T₁进行比较404，若干扰余量小于第一门限T₁，则计数器Q_u406加1，否则计数器Q_u406清零；将干扰余量与第二门限T₂进行比较，若干扰余量大于第二门限T₂，计数器Q_d407加1，否则计数器Q_d407清零。

步骤2.3：若计数器Q_u406的值等于N₁408，即监测到接收机干扰余量连续N₁个周期低于第一门限T₁，则以第一步长Δ₁增加一次信标发射功率410，同时计数器Q_u406清零；若计数器Q_d407的值等于N₂409，即监测接收机干扰余量连续N₂个周期高于第二门限T₂，则以第二步长Δ₂降低一次信标发射功率410，同时计数器Q_d407清零。

步骤2.4：信标发射功率的调整具有上界P_b-max和下界P_b-min的约束412，上界代表了主用户干扰保护的最高强度，若达到此界后干扰余量仍小于第一门限T₁，则认为当前所受干扰非是由认知用户引起的；下界代表了主用户干扰保护的最低强度，若达到此界后干扰余量仍大于第二门限T₂，则认为主用户接收机附近不存在有意接入其工作频段的认知用户。

步骤3：主用户接收机在通信结束413的同时，立即关闭信标发射，释放所占用的工作频段。

参考图5，根据本发明的一个实施例，认知无线电自适应干扰保护在认知用户发射机端的信标检测包括下列步骤：

步骤1：认知用户发射机根据目标频段501确定其欲检测的信标信号502。

步骤2：基于认知用户发射机存储的本地信标副本，利用波形相关方法进行信标检测503，给出信标存在与否的判决结果504。

步骤3：若信标信号不存在，则以最大发射功率约束P_s≤P_s-max接入目标频段，经历数据发射周期505后转入步骤2；若信标信号存在，则变更目标频段506，转入步骤1。

实施例3

参考图6，考虑一个认知无线电频谱共享的具体实例，该实例包含一个主用户接收机(PR)和两个认知用户发射机，CT-1和CT-2，场景a中PR和CT-1、CT-2共享频谱，场景b中PR仅和CT-2共享频谱而阻止CT-1接入其频谱。参考图6中场景a向场景b的转换(方向一)，作用是消除PR有害干扰，转换过程包括：

1)场景a，PR检测到有害干扰(干扰余量低于门限T₁)；

2)PR增大信标发射功率；

3)CT-1检测到信标存在；

4)CT-1终止该频段上的发射；

5)转换到场景b，PR消除了有害干扰。

参考图6中场景b向场景a的转换(方向二)，作用是消除过度的干扰保护，转换过程包括：

1)场景b，PR检测到过度保护(干扰余量大于T₂)；

2)PR减小信标发射功率；

3)CT-1检测到信标消失；

4)CT-1在该频段上发射数据；

5)转换到场景a，PR消除了过度保护。

Claims (1)

1.一种基于接收机信标发射的认知无线电自适应干扰保护方法，其特征在于，包括如下两个部分：

第一部分：主用户接收机发射强度随受干扰程度自适应调整的信标信号，向认知用户表明主用户接收机对当前工作频段的占用，具体包括：

1)信标信号的发射时机

主用户接收机在通信链路建立的同时立即开始发射信标信号，启动对主用户工作频段的干扰保护；主用户接收机在通信结束的同时，立即停止信标发射，释放所占用的工作频段以允许认知用户接入；

2)信标发射功率的自适应调整

信标发射功率具有上界和下界的约束，约束上界代表了主用户干扰保护的最高强度，约束下界代表了主用户干扰保护的最低强度；初始信标发射功率应设为功率约束上界或比约束上界小10％以内的值，以快速抑制可能影响到通信建链的认知用户的干扰，保证主用户通信链路的快速建立；

主用户接收机周期性测量接收机数据解调可承受的额外干扰余量，当干扰余量连续N₁个周期低于第一门限T₁时，判断干扰保护强度不够，以第一步长Δ₁增加信标发射功率后继续发射，所述N₁至少为2，且N₁个周期的时间跨度在几毫秒到几十毫秒之间，具体数值根据主用户业务类型确定；当干扰余量连续N₂个周期高于第二门限T₂且T₂＞T₁时，判断干扰保护过度，以第二步长Δ₂降低信标发射功率后继续发射，所述N₂至少为2且N₂≥N₁，所述Δ₂≤Δ₁；当干扰余量稳定在第一门限T₁和第二门限T₂之间时，保持信标发射功率不变继续发射信标信号；

3)信标信号的形式

所述信标信号是单音导频信号、低功率谱密度的叠加扩频信号或其它各种可能形式的信标信号；

第二部分：认知用户通过检测目标频段对应的信标信号，确定认知用户发射机附近是否存在目标频段上的主用户接收机，若存在，则被禁止使用所述目标频段发送数据，具体包括：

1)信标信号的检测时机

认知用户在接入目标频段之前必须首先检测所述目标频段对应的信标信号，若未检测到信标信号，则认为所述目标频段空闲，被允许接入，否则被禁止接入；认知用户在使用目标频段发射数据的过程中必须周期性检测所述目标频段对应的信标信号，一旦检测到信标信号，认知用户停止在所述目标频段上的数据发射；

2)信标信号的检测方法

认知用户基于所掌握的信标信号的形式，采用相干或部分相干的方法进行信标信号检测。

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