CN102196443B - 一种基于聚合的认知无线电网络频谱分配方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种基于聚合的认知无线电网络频谱分配方法和装置，该方法包括：获取可用频谱片段信息以及未授权用户在不同频谱片段上的单位容量信息，构造求解矩阵；计算求解矩阵对应的参考索引，根据参考索引确定资源分配向量，并从资源分配向量中选择资源分配元素后，进行资源分配；如果进行资源分配后有剩余的资源分配元素等待资源分配，则从求解矩阵中去除已完成资源分配的资源分配元素后，构造新的求解矩阵，继续进行资源分配直至可用频谱片段信息对应的可用频谱资源分配完毕或者待分配资源的未授权用户均获得其所需的频谱资源。本发明有效利用了授权用户网络中离散的频谱片段。

Description

一种基于聚合的认知无线电网络频谱分配方法和装置

技术领域

本发明涉及认知无线电(Cognitive Radio，CR)领域，尤其涉及一种基于聚合的认知无线电网络频谱分配方法和装置。

背景技术

认知无线电技术是未授权用户(Secondary User，SU)在授权用户(PrimaryUser，PU)的网络覆盖范围内，在一定的政策许可下，通过特定的协商关系，使用授权用户暂时没有占用的频谱资源进行通信的一种技术。在认知无线电网络(Cognitive Radio Network，CRN)中，未授权用户通过对频谱进行扫描，寻找授权用户没有占用的频谱，在特定的分配方式支撑下，使用该频段进行通信。

但是在可用频谱感知过程中发现，授权用户的空闲频谱分布状态一般呈不连续状态。如何使这些不连续的频谱片段满足实际无线网络传输的需求是认知无线电领域中必须要克服的技术问题。通过对国内某运营商的频谱使用情况进行细粒度测量表明，在某一具体时间段内，各个频段的使用情况仍然是具有较大差别，空闲频段的分布仍然是非连续的。

频谱聚合技术可以有效的解决频谱需求与无线接入业务之间存在的问题。频谱聚合技术是通过将多个离散的频谱分片扩展成可以使用的传输载波，应用在资源紧张情况下的带宽需求较大的业务上。频谱聚合技术既可以应用在相同的频段上，也可以应用在不同的频段上。其优势在于，采用频谱聚合技术，不需要重新设计物理信道和调制编码方案，并且减少了对系统物理信道和调制编码方案的影响；降低了通信系统的设计难度。另外，在TV频段的频谱可用性研究上，频谱聚合技术的作用也很明显。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：现有技术存在多用户间频谱分配算法采用基于迭代的纳什议价方法求解方案，但该方案限制条件定义不完善，与实际场景面临的问题之间有差距；且其纳什议价算法的求解过程较复杂，难度级别高，其不能满足当前需要，以有效利用授权用户网络中离散的频谱片段，支撑认知无线电网络中对带宽有一定需求的未授权用户的业务。

发明内容

本发明实施例提供一种基于聚合的认知无线电网络频谱分配方法和装置，有效利用授权用户网络中离散的频谱片段，用以支撑认知无线电网络中对带宽有一定需求的未授权用户的业务。

一方面，本发明实施例提供了一种基于聚合的认知无线电网络频谱分配方法，所述方法包括：获取可用频谱片段信息以及未授权用户在不同频谱片段上的单位容量信息，构造求解矩阵；计算求解矩阵对应的参考索引，根据参考索引确定资源分配向量，并从资源分配向量中选择资源分配元素后，进行资源分配；如果进行资源分配后有剩余的资源分配元素等待资源分配，则从求解矩阵中去除已完成资源分配的资源分配元素后，构造新的求解矩阵，继续进行资源分配直至可用频谱片段信息对应的可用频谱资源分配完毕或者待分配资源的未授权用户均获得其所需的频谱资源。

另一方面，本发明实施例提供了一种基于聚合的认知无线电网络频谱分配装置，所述装置包括：矩阵构造单元，用于获取可用频谱片段信息以及未授权用户在不同频谱片段上的单位容量信息，构造求解矩阵；资源分配单元，用于计算求解矩阵对应的参考索引，根据参考索引确定资源分配向量，并从资源分配向量中选择资源分配元素后，进行资源分配；如果资源分配单元进行资源分配后有剩余的资源分配元素等待资源分配，则从求解矩阵中去除已完成资源分配的资源分配元素后，构造新的求解矩阵，继续进行资源分配直至可用频谱片段信息对应的可用频谱资源分配完毕或者待分配资源的未授权用户均获得其所需的频谱资源。

上述技术方案具有如下有益效果：因为采用有效利用授权用户网络中离散的频谱片段的技术手段，所以达到了在尽量减少频谱分片的基础之上，使认知无线电网络系统总体容量最大化的技术效果，可以弥补原有频谱分配方案复杂度较高的缺陷，以支撑认知无线电网络中对带宽有一定需求的未授权用户的业务。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a为本发明实施例认知无线电网络的小区在授权用户的小区中的场景示意图；

图1b为本发明实施例认知无线电网络的小区与授权用户的小区部分相同的场景示意图；

图1c为本发明实施例授权用户的小区在认知无线电网络的小区中的场景示意图；

图2为本发明实施例研究场景定义示意图；

图3是对现有无线网络的频谱使用情况进行扫描的部分结果示意图；

图4为本发明实施例基于聚合的频谱分配算法的网络模型示意图；

图5为本发明实施例一种基于聚合的认知无线电网络频谱分配方法流程图；

图6为本发明实施例构造的求解矩阵示意图；

图7为本发明实施例分配单元判决流程图；

图8为本发明实施例一种基于聚合的认知无线电网络频谱分配装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

认知无线电网络的小区(CR Cell)覆盖与授权用户的小区(P Cell)覆盖之间的关系如图1a、图1b和图1c中场景所示，其中，图1a为本发明实施例认知无线电网络的小区在授权用户的小区中的场景示意图；图1b为本发明实施例认知无线电网络的小区与授权用户的小区部分相同的场景示意图；图1c为本发明实施例授权用户的小区在认知无线电网络的小区中的场景示意图。其中PBS指授权用户的小区的基站(BS)，SBS指未授权用户的小区的BS。

在一个CR Cell的覆盖范围内，可能受到不同的P Cell的影响，因此未授权用户在一个Cell内不同的区域可以使用的频谱也有所不同；

定义未授权用户在SBS(未授权用户的小区的BS)的Cell中不能使用的信道(channel)上所获得的单位容量(capacity)为0；

定义未授权用户在SBS的Cell中的功率受到如下限制：

$P_i\≤P_i^{\left(m\right)},$

其中，P_i ^(m)为认知无线电链路相邻的授权用户的功率；因此可将研究场景定义如图2所示：在图2所示的CRN的Cell中，不同区域受到周围P Cell的影响，可以使用的频谱也有所区别。未授权用户(SU)根据自己所处的位置，在SBS处获得的可使用空闲频谱也有所不同。

从现有网络的频谱资源使用情况来看，图3是对现有无线网络的频谱使用情况进行扫描的部分结果，图3中白色块部分表示空闲的频谱，黑色块部分表示被占用的频谱。

从图3中可以看出，有些白色块频谱带宽较小，不足以支撑特定的业务需求，因此需要在满足限定条件的基础上，将该部分频谱分片与其他空闲频谱分片综合考虑，采用特定的频谱聚合算法将其分配给用户。

本发明在如下场景下进行实施例介绍：

1：每个用户可以使用的频谱分片数量不能超过某个预先定义的限定值；

2：频谱分片的最小可用宽度不能低于某个预先定义的限定值；

3：如果某一用户在一段频段上没能分配子载波，则子载波个数a为0；否则，a值为分配的子载波个数；

$a_{\mathrm{ij}}\≥0\∀i=1..n,j=1..m$

4：两个认知无线电链路(CR link)不能同时占用同一个子载波；

$x_i^{\left(m\right)}+x_j^{\left(m\right)}\≤1,\∀j\∈I_i^{\left(m\right)}$

5：某一频段上分配给所有用户的子载波个数总和等于该频段所能提供的子载波总数；

$\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{ij}}=s_j,\∀j=\mathrm{1,2},...,n$

6：某一用户在全部频段上获得的容量不小于其需求的容量；(Service的限制)；

$\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{ij}}{c}_{\mathrm{ij}}\≥r_i,\∀i=\mathrm{1,2},...,m$

如图4所示，为本发明实施例基于聚合的频谱分配算法的网络模型示意图：对于m个未授权用户n段可用频谱的认知无线电网络频谱资源分配方案，即寻找一种资源分配方法，在满足每一个未授权用户的最低容量需求的情况下，使系统容量的总和达到最大，即：

$\max C_{\mathrm{total}}=\max \underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i$

由于每一段载频中的子载波对于各用户而言，所能提供的单位容量有所不同，因此可将某段频谱片段分配给特定用户时产生的单位容量c_i做为标量，将c_i组成的矩阵看做cost矩阵，进行求解。

如图5所示，为本发明实施例一种基于聚合的认知无线电网络频谱分配方法流程图，所述方法包括：

501、获取可用频谱片段信息以及未授权用户在不同频谱片段上的单位容量信息，构造求解矩阵；

502、计算求解矩阵对应的参考索引，根据参考索引确定资源分配向量，并从资源分配向量中选择资源分配元素后，进行资源分配；

503、如果进行资源分配后有剩余的资源分配元素等待资源分配，则从求解矩阵中去除已完成资源分配的资源分配元素后，构造新的求解矩阵，继续进行资源分配直至可用频谱片段信息对应的可用频谱资源分配完毕或者待分配资源的未授权用户均获得其所需的频谱资源。

例如，如图6所示，为本发明实施例构造的求解矩阵示意图，其中：

a_ij：user(用户)i在fragment(频谱片段)j上所分配的子载波个数；

c_ij：fragmentj中的单个子载波分配给user i时能够提供的最大容量；

r_i：User i需要的容量；

s_j：fragment j能够提供的子载波个数；

sum：可用子载波的总个数；

x_j，y_i：参考索引的元素值。

在尽量减少频谱分片的情况下，寻找最佳分配方式，使系统总容量达到最大。

可选的，上述步骤502中，计算求解矩阵对应的参考索引，可以包括：计算求解矩阵中每个未授权用户在所有可用频谱片段上所能获得的单位容量中最大的两个值之间的第一差值；计算求解矩阵中每个可用频谱片段能够提供给当前待分配资源的未授权用户提供的单位容量中最大的两个值之间的第二差值；将第一差值和第二差值作为求解矩阵对应的参考索引。

例如，如图6所示，分别选择该矩阵的每一行和每一列中的值最大的两个元素，计算这两个元素的差值，作为参考索引X中的值。以fragment 2对应的列为例，假设该列中最大值元素为c₂₂，其次为c_i2，则对应该列的参考索引中的元素x₂＝c₂₂-c_i2；以User i对应的行为例，假设该行中最大值元素为c_i3，其次为c_i5，则对应该列的参考索引中的元素y_i＝c_i3-c_i5；参考索引X＝{x₁，x₂，...，x_n，y₁，y₂，...，y_m}。

可选的，根据参考索引确定资源分配向量，可以包括：在参考索引中选择值最大的元素对应的行或者列作为当前资源分配向量。

例如，如图6所示，在参考索引X中选择值最大的元素，其对应的行或者列作为本轮资源分配向量。假设在X中值最大的元素为x₂，则资源分配向量为fragment 2对应的列向量{c₁₂，c₂₂，...，c_m2}；假设在X中值最大的元素为y₃，则资源分配向量为User 3对应的行向量{c₃₁，c₃₂，...，c_3n}。

可选的，从资源分配向量中选择资源分配元素，可以包括：如果某段频谱片段包含n个子载波，则所述n个子载波全部分配给未授权用户时，所述频谱片段提供的总容量大于等于所述未授权用户的剩余需求，并且，将所述频谱片段中的n-1个子载波分配给所述未授权用户时，所述频谱片段提供的总容量小于所述未授权用户的剩余需求；则该资源分配元素为从所述资源分配向量中选择的资源分配元素。如果某段频谱片段包含n个子载波，则所述n个子载波全部分配给未授权用户时，所述频谱片段提供的总容量小于所述未授权用户的剩余需求；或者将所述频谱片段中的n-1个子载波分配给所述未授权用户时，所述频谱片段提供的总容量大于或等于所述未授权用户的剩余需求；则选择该资源分配向量中最大值对应的矩阵元素为资源分配元素。

可选的，进行资源分配，可以包括：当前未授权用户允许使用的最大频谱片段个数与已分配给该未授权用户的频谱片段个数之差为1时，检测该未授权用户可以使用的全部其他频谱资源，如果存在满足该未授权用户需求的资源，则选择该资源进行分配；如果不存在满足该未授权用户的剩余需求的资源，则释放该未授权用户已经分配的资源。

例如，如图7所示，为本发明实施例分配单元判决流程图，包括：

701、获取该用户已分配的频谱片段数目Num i；

702、判断Num i与该用户最大支持的频谱片段数目Nmax的差值是否大于1，如果是，则转步骤707；否则，转步骤703；

703、检测可用频谱资源；

704、采用上述从资源分配向量中选择资源分配元素的方法对可用资源是否存在进行判定，如果是，则转步骤705；否则，转步骤706；

705、选择该资源进行分配，然后转步骤707；

706、释放该用户已分配的资源，然后转步骤707；

707、分配单位判决结束。

如果进行资源分配后有剩余的资源分配元素等待资源分配，则从求解矩阵中去除已完成资源分配的资源分配元素后，构造新的求解矩阵，继续进行资源分配直至可用频谱片段信息对应的可用频谱资源全部分配完毕或者所有待分配资源的未授权用户均获得其所需的频谱资源。

本发明实施例上述方法技术方案因为采用有效利用授权用户网络中离散的频谱片段的技术手段，所以在尽量减少频谱分片的基础之上，使认知无线电网络系统总体容量最大化，可以弥补原有频谱分配方案复杂度较高的缺陷，以支撑认知无线电网络中对带宽有一定需求的未授权用户的业务。

对应于上述方法实施例，如图8所示，为本发明实施例一种基于聚合的认知无线电网络频谱分配装置结构示意图，所述装置包括：

矩阵构造单元801，用于获取可用频谱片段信息以及各未授权用户在不同频谱片段上的单位容量信息，构造求解矩阵；

资源分配单元802，用于计算求解矩阵对应的参考索引，根据参考索引确定资源分配向量，并从资源分配向量中选择资源分配元素后，进行资源分配；

如果资源分配单元802进行资源分配后有剩余的资源分配元素等待资源分配，则从求解矩阵中去除已完成资源分配的资源分配元素后，构造新的求解矩阵，继续进行资源分配直至可用频谱片段信息对应的可用频谱资源分配完毕或者待分配资源的未授权用户均获得其所需的频谱资源。

可选的，资源分配单元802计算求解矩阵对应的参考索引，可以包括：计算求解矩阵中每个未授权用户在所有可用频谱片段上所能获得的单位容量中最大的两个值之间的第一差值；计算求解矩阵中每个可用频谱片段能够提供给当前待分配资源的未授权用户提供的单位容量中最大的两个值之间的第二差值；将第一差值和第二差值作为求解矩阵对应的参考索引。

可选的，资源分配单元802根据参考索引确定资源分配向量，可以包括：在参考索引中选择值最大的元素对应的行或者列作为当前资源分配向量。

可选的，资源分配单元802从资源分配向量中选择资源分配元素，可以包括：如果某段频谱片段包含n个子载波，则所述n个子载波全部分配给未授权用户时，所述频谱片段提供的总容量大于等于所述未授权用户的剩余需求，并且，将所述频谱片段中的n-1个子载波分配给所述未授权用户时，所述频谱片段提供的总容量小于所述未授权用户的剩余需求；则该资源分配元素为从所述资源分配向量中选择的资源分配元素。如果某段频谱片段包含n个子载波，则所述n个子载波全部分配给未授权用户时，所述频谱片段提供的总容量小于所述未授权用户的剩余需求；或者将所述频谱片段中的n-1个子载波分配给所述未授权用户时，所述频谱片段提供的总容量大于或等于所述未授权用户的剩余需求；则选择该资源分配向量中最大值对应的矩阵元素为资源分配元素。

可选的，资源分配单元802进一步可以包括：分配判决模块8021，用于分配单位判决：当前未授权用户允许使用的最大频谱片段个数与已分配给该未授权用户的频谱片段个数之差为1时，检测该未授权用户可以使用的全部其他频谱资源，如果存在满足该未授权用户需求的资源，则选择该资源进行分配；如果不存在满足该未授权用户的剩余需求的资源，则释放该未授权用户已经分配的资源。

本发明实施例上述装置技术方案因为采用有效利用授权用户网络中离散的频谱片段的技术手段，所以在尽量减少频谱分片的基础之上，使认知无线电网络系统总体容量最大化，可以弥补原有频谱分配方案复杂度较高的缺陷，以支撑认知无线电网络中对带宽有一定需求的未授权用户的业务。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括上述全部或部分步骤，所述的存储介质，如：ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于聚合的认知无线电网络频谱分配方法，其特征在于，所述方法包括：

获取可用频谱片段信息以及未授权用户在不同频谱片段上的单位容量信息，构造求解矩阵；

计算所述求解矩阵对应的参考索引，根据所述参考索引确定资源分配向量，并从所述资源分配向量中选择资源分配元素后进行资源分配；

如果进行所述资源分配后有剩余的资源分配元素等待资源分配，则从所述求解矩阵中去除已完成资源分配的资源分配元素后，构造新的求解矩阵，继续进行资源分配直至所述可用频谱片段信息对应的可用频谱资源分配完毕或者待分配资源的未授权用户均获得其所需的频谱资源。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述计算所述求解矩阵对应的参考索引，包括：

计算所述求解矩阵中每个未授权用户在所有所述可用频谱片段上所能获得的单位容量中最大的两个值之间的第一差值；

计算所述求解矩阵中每个所述可用频谱片段能够提供给当前待分配资源的未授权用户提供的单位容量中最大的两个值之间的第二差值；

将所述第一差值和所述第二差值作为所述求解矩阵对应的参考索引。

3.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述根据所述参考索引确定资源分配向量，包括：

在所述参考索引中选择值最大的元素对应的行或者列作为当前资源分配向量。

4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述从所述资源分配向量中选择资源分配元素，包括：

如果某段频谱片段包含n个子载波，所述n个子载波全部分配给未授权用户时，所述频谱片段提供的总容量小于所述未授权用户的剩余需求；或者将所述频谱片段中的n-1个子载波分配给所述未授权用户时，所述频谱片段提供的总容量大于或等于于所述未授权用户的剩余需求；则选择该资源分配向量中最大值对应的矩阵元素为资源分配元素。

5.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述进行资源分配，包括：

当前未授权用户允许使用的最大频谱片段个数与已分配给该未授权用户的频谱片段个数之差为1时，检测该未授权用户可用的全部其他频谱资源；

如果存在满足该未授权用户需求的资源，则选择该资源进行分配；如果不存在满足该未授权用户的剩余需求的资源，则释放该未授权用户已经分配的资源。

6.一种基于聚合的认知无线电网络频谱分配装置，其特征在于，所述装置包括：

矩阵构造单元，用于获取可用频谱片段信息以及未授权用户在不同频谱片段上的单位容量信息，构造求解矩阵；

资源分配单元，用于计算所述求解矩阵对应的参考索引，根据所述参考索引确定资源分配向量，并从所述资源分配向量中选择资源分配元素后，进行资源分配；如果所述资源分配单元进行所述资源分配后有剩余的资源分配元素等待资源分配，则从所述求解矩阵中去除已完成资源分配的资源分配元素后，构造新的求解矩阵，继续进行资源分配直至所述可用频谱片段信息对应的可用频谱资源分配完毕或者待分配资源的未授权用户均获得其所需的频谱资源。

7.如权利要求6所述装置，其特征在于，所述资源分配单元计算所述求解矩阵对应的参考索引，包括：计算所述求解矩阵中每个未授权用户在所有所述可用频谱片段上所能获得的单位容量中最大的两个值之间的第一差值；计算所述求解矩阵中每个所述可用频谱片段能够提供给当前待分配资源的未授权用户提供的单位容量中最大的两个值之间的第二差值；将所述第一差值和所述第二差值作为所述求解矩阵对应的参考索引。

8.如权利要求6所述装置，其特征在于，所述资源分配单元根据所述参考索引确定资源分配向量，包括：在所述参考索引中选择值最大的元素对应的行或者列作为当前资源分配向量。

9.如权利要求6所述装置，其特征在于，所述资源分配单元从所述资源分配向量中选择资源分配元素，包括：如果某段频谱片段包含n个子载波，所述n个子载波全部分配给未授权用户时，所述频谱片段提供的总容量小于所述未授权用户的剩余需求；或者将所述频谱片段中的n-1个子载波分配给所述未授权用户时，所述频谱片段提供的总容量大于或等于于所述未授权用户的剩余需求；则选择该资源分配向量中最大值对应的矩阵元素为资源分配元素。

10.如权利要求9所述装置，其特征在于，所述资源分配单元，进一步包括：分配判决模块，用于分配单位判决，包括：当前未授权用户允许使用的最大频谱片段个数与已分配给该未授权用户的频谱片段个数之差为1时，检测该未授权用户可以使用的全部其他频谱资源，如果存在满足该未授权用户需求的资源，则选择该资源进行分配；如果不存在满足该未授权用户的剩余需求的资源，则释放该未授权用户已经分配的资源。

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