CN102209364A - 认知无线电通信系统中的多用户接纳控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于在认知无线电通信系统的上行链路中进行多用户接纳控制的方法，包括：认知基站接收来自所述一个或多个认知用户的接入请求消息；获取可用频段的频段信息以及使用该授权频段的授权用户的用户信息，所述用户信息至少包括该授权用户的导频信息；将所获取的频段信息以及授权用户的用户信息发送给所述一个或多个认知用户；基于从所述一个或多个认知用户上报的干扰信道增益以及在该授权频段上的信道衰落特性，对所述一个或多个认知用户进行接纳控制。此外，还对接纳控制后的认知用户进行功率控制，从而使得认知用户能够高效地使用授权频段进行通信，而不影响授权用户的正常通信。

Description

认知无线电通信系统中的多用户接纳控制方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，更为具体地，涉及一种用于在认知无线电通信系统的上行链路中进行多用户接纳控制的方法及系统。

背景技术

随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据香农信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。

另外，根据现有的无线通信系统的频谱管理方式，部分频谱资源被固定地分配给一部分用户(即，授权用户)，然而这部分用户可能长期不使用，从而导致该部分频谱资源的利用率不高。在这种情况下，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源在时间和空间上存在不同程度的闲置。

为了解决上述问题，人们提出了认知无线电(CR)技术。认知无线电也被称为智能无线电。从广义上来说，认知无线电是指无线终端具备足够的智能或者认知能力，通过对周围无线环境的历史和当前状况进行检测、分析、学习、推理和规划，利用相应结果调整自己的传输参数，从而使用最适合的无线资源(包括频率、调制方式、发射功率等)完成无线传输。在这种情况下，具有认知功能的无线通信设备(即，认知用户)可以基于某些授权频谱利用率不高的状况，在保证授权用户的QoS不受影响的情况下工作在已授权的频段内，从而最大程度提高频谱的利用率，解决频谱资源匮乏问题。这里，授权用户的QoS是指授权用户的数据速率和中断概率，由此可以通过授权用户的目标数据速率和中断概率导出授权用户的干扰温度(即，可以容忍的最大干扰I_m)。所谓授权用户的QoS不受影响是指允许接入的认知用户对该授权用户的总干扰不超过该授权用户的干扰温度。

当前，认知无线电技术已经得到了各界的关注，很多著名学者和机构都投入到认知无线电相关技术的研究中，启动了很多针对认知无线电的重要研究项目。例如德国高校提出的频谱池系统、美国加州大学Berkeley分校研究组开发的COVUS系统、美国Georgia理工学院宽带和无线网络实验室提出的OCRA项目，美国军方DARPA的XG项目、欧盟的E2R项目等。在这些项目的推动下，在基本理论、频谱感知、数据传输、网络架构和协议等领域取得了一些成果。IEEE为此专门组织了两个重要的国际年会交流这方面的成果。目前，最引人关注的是IEEE802.22工作组的工作，该工作组正在制订利用空闲电视频段进行宽带无线接入的技术标准，这是第一个引入认知无线电概念的IEEE技术标准化活动。此外，认知无线电也被逐步引入到现有无线通信系统中，特别是在应用MIMO技术的无线通信系统中引入认知无线电，从而在有限的频谱资源上获得更高的信息速率。在下文中，将引入认知无线电技术且采用MIMO技术的无线通信系统称为认知无线电通信系统。

在采用了MIMO结构的认知无线电通信系统中，认知基站配备有多根天线，以及认知用户配备有一根或多根天线，从而可以允许多个认知用户同时接入到认知基站，由此所接入的认知用户和认知基站将形成虚拟MIMO。按照这种方式，可以大幅度的提高信道容量。为了叙述简单，考虑认知基站配备多根天线，而认知用户只有一根天线的场景(即使认知用户有多根天线，为了省电和设备简化也希望用信道特性较好的天线发送数据)。在这种场景下，多个认知用户之间的干扰由基站来消除，而认知用户不需要做额外的工作。为了最大化系统吞吐量，假设认知基站配备M根天线，在这种情况下，最多可以有M个认知用户同时接入到该认知基站。

然而，在将认知无线电技术引入到现有无线通信系统时在许多方面存在许多问题，特别是针对认知无线电通信系统中的多用户接纳控制。在传统的无线通信系统的接纳控制方法中，通常都是将无线通信资源(例如，频率资源)固定地分配给一部分用户(即，授权用户)使用，基站在这段固定的频率资源上进行接纳控制。在这种接纳控制方法中，不需要考虑对授权用户的干扰以及该授权用户的干扰限制。

很显然，由于在认知无线电通信系统中，被允许接纳的认知用户使用的是分配给授权用户的频率，所以如果认知用户被接纳，则该认知用户会对授权用户造成干扰。在这种情况下，如果对认知用户进行接纳控制的接纳控制方法不考虑对授权用户的干扰以及该授权用户的干扰限制，则会对授权用户的通信造成干扰，从而影响授权用户的正常通信，并且还会造成授权用户的通信中断概率增加。

因此，需要一种适合于在认知无线电通信系统的上行链路中进行多用户接纳控制的方法。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种适合于在认知无线电通信系统的上行链路中进行多用户接纳控制的方法，该方法利用一个或多个认知用户的信道衰落特性以及该一个或多个认知用户在授权用户的授权频段下对该授权用户的干扰信道增益，对所述一个或多个认知用户进行接纳控制，从而使得认知用户能够高效地使用授权频段进行通信，而不影响授权用户的正常通信。此外，由于根据本发明的接纳控制方法不需要迭代计算过程，从而使得接纳控制相对简单和快速，从而满足认知无线电的高度灵活性和实时性的要求。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于在认知无线电通信系统的上行链路中进行多用户接纳控制的方法，所述认知无线电通信系统包括认知基站、一个或多个认知用户以及授权用户，所述方法由所述认知基站执行，并且包括：接收来自所述一个或多个认知用户的接入请求消息；在接收到所述接入请求消息后，获取用于表示可使用的授权频段的频段信息以及使用该授权频段的授权用户的用户信息，所述用户信息至少包括该授权用户的导频信息；将所获取的频段信息以及授权用户的用户信息发送给所述一个或多个认知用户；基于从所述一个或多个认知用户上报的对该授权用户的干扰信道增益以及所述一个或多个认知用户在该授权频段上的信道衰落特性，对所述一个或多个认知用户进行接纳控制，所述干扰信道增益是所述一个或多个认知用户根据从所述认知基站接收的频段信息以及授权用户的导频信息获得的，所述信道衰落特性是基于所述一个或多个认知用户的导频信息获得的。

此外，在一个或多个实施例中，在基于所述一个或多个认知用户对授权用户的干扰信道增益以及信道衰落特性，对所述一个或多个认知用户进行接纳控制时，所述方法还可以包括：计算以该一个或多个认知用户的信道衰落特性的特征值λ_k为自变量的递增函数g(λ_k)与以所述一个或多个认知用户对授权用户的干扰信道增益h_k，p为自变量的递增函数f(h_k，p)的比值R_k＝g(λ_k)/f(h_k，p)，其中h_k，p表示第k个认知用户对授权用户的干扰信道增益，以及λ_k表示第k个认知用户在该授权频段下的与认知基站间的信道衰落特性；以及按照比值R_k的降序排列，从所述一个或多个认知用户中选择所述认知基站允许接入的用户数目个认知用户，作为被允许接入的认知用户。优选地，g(λ_k)＝λ_k ²以及f(h_k，p)＝h_k，p ²。

此外，在一个或多个实施例中，在对所述一个或多个认知用户进行接纳控制时，还基于认知用户的调度次数。优选地，在基于所述一个或多个认知用户对授权用户的干扰信道增益以及信道衰落特性，对所述一个或多个认知用户进行接纳控制时，所述方法包括：计算以该一个或多个认知用户的信道衰落特性的特征值λ_k为自变量的递增函数g(λ_k)与以所述一个或多个认知用户对授权用户的干扰信道增益h_k，p为自变量的递增函数f(h_k，p)和以该认知用户的调度次数n_k为自变量的线性函数s(n_k)的比值R_k＝g(λ_k)/(f(h_k，p)·s(n_k))，其中h_k，p表示第k个认知用户对授权用户的干扰信道增益，以及λ_k表示第k个认知用户在该授权频段下的与认知基站间的信道衰落特性；以及按照比值R_k的降序排列，从所述一个或多个认知用户中选择所述认知基站允许接入的用户数目个认知用户，作为被允许接入的认知用户。

此外，在一个或多个实施例中，在对所述一个或多个认知用户进行接纳控制后，所述方法还包括：基于所述被允许接入的认知用户对授权用户的干扰信道增益、所述被允许接入的认知用户的信道衰落特性的特征值和授权用户的干扰温度，确定所述被允许接入的各个认知用户的发射功率，其中，所述被允许接入的各个认知用户的发射功率被确定为使得所述被允许接入的所有认知用户的和速率最大。

此外，所述授权用户的干扰温度I_m可以基于授权用户的接收信号功率、噪声功率以及授权用户的数据速率和中断概率确定。

此外，在一个或多个实施例中，所述被允许接入的各个认知用户的发射功率是利用下述等式(1)和等式(2)确定的：

$p_i^{*}=\max \{0,\frac{1}{\mathrm{\ψ}*h_{i,p}^2}-\frac{N_0}{{\mathrm{\λ}}_i^2}\}$ 等式(1)，

$\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{i,p}^2\max \{0,\frac{1}{\mathrm{\ψ}*h_{i,p}^2}-\frac{N_0}{{\mathrm{\λ}}_i^2}\}=I_m$ 等式(2)

其中，ψ是非负的拉格郎日乘子，h_i，p为认知用户i对授权用户的干扰信道增益，N₀为噪声功率，λ_i为认知用户i在授权频段上的信道衰落特性的特征值，I_m为授权用户的干扰温度。

根据本发明的另一方面，提供了一种认知基站，包括：接收单元，用于接收来自所述一个或多个认知用户的接入请求消息，以及接收所述一个或多个认知用户上报的各个认知用户对该授权用户的干扰信道增益；获取单元，用于在接收到所述接入请求消息后，获取用于表示可使用的授权频段的频段信息以及使用该授权频段的授权用户的用户信息，所述用户信息至少包括该授权用户的导频信息；发送单元，用于将所获取的频段信息以及授权用户的用户信息发送给所述一个或多个认知用户；接纳控制单元，用于基于从所述一个或多个认知用户上报的对该授权用户的干扰信道增益以及所述一个或多个认知用户在该授权频段上的信道衰落特性，对所述一个或多个认知用户进行接纳控制，所述干扰信道增益是所述一个或多个认知用户根据从所述认知基站接收的频段信息以及授权用户的导频信息获得的，所述信道衰落特性是基于所述一个或多个认知用户的导频信息获得的。

此外，在一个或多个实施例中，所述接纳控制单元还可以包括：计算单元，用于计算以该一个或多个认知用户的信道衰落特性的特征值λ_k为自变量的递增函数g(λ_k)与以所述一个或多个认知用户对授权用户的干扰信道增益h_k，p为自变量的递增函数f(h_k，p)的比值R_k＝g(λ_k)/f(h_k，p)，其中h_k，p表示第k个认知用户对授权用户的干扰信道增益，以及λ_k表示第k个认知用户在该授权频段下的与认知基站间的信道衰落特性；以及选择单元，用于按照比值R_k的降序排列，从所述一个或多个认知用户中选择所述认知基站允许接入的用户数目个认知用户，作为被允许接入的认知用户。

此外，优选地，在对所述一个或多个认知用户进行接纳控制时，所述接纳控制单元还基于认知用户的调度次数n_k，并且所述计算单元计算以该一个或多个认知用户的信道衰落特性的特征值λ_k为自变量的递增函数g(λ_k)与以所述一个或多个认知用户对授权用户的干扰信道增益h_k，p为自变量的递增函数f(h_k，p)和以该认知用户的调度次数n_k为自变量的线性函数s(n_k)的比值R_k＝g(λ_k)/(f(h_k，p)·s(n_k))。

此外，在一个或多个实施例中，所述认知基站还可以包括：发射功率确定单元，用于基于所述被允许接入的认知用户对授权用户的干扰信道增益、所述被允许接入的认知用户的信道衰落特性的特征值和授权用户的干扰温度，确定所述被允许接入的各个认知用户的发射功率，其中，所述被允许接入的各个认知用户的发射功率被确定为使得所述被允许接入的所有认知用户的和速率最大。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

根据下述参照附图进行的详细描述，本发明的上述和其他目的、特征和优点将变得更加显而易见。在附图中：

图1示出了集中式应用场景下的认知无线电通信系统的示意图；

图2示出了认知无线电通信系统上行链路通信的示意图；

图3示出了认知用户通信对授权用户的干扰示意图；

图4示出了根据本发明的认知基站的功能方框图；

图5示出了认知用户的初始化的流程图；

图6示出了根据本发明的由认知基站执行的对认知用户的接纳控制的方法的流程图；

图7A和7B示出了由根据本发明的认知基站进行的接纳控制的性能的效果图；

图8示出了认知用户总数和认知用户和速率之间的关系图；和

图9示出了在考虑公平性原则下由根据本发明的认知基站进行的接纳控制的性能的效果图。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

下面描述本公开的各个方面。应该明白的是，本文的教导可以以多种多样形式具体体现，并且在本文中公开的任何具体结构、功能或两者仅仅是代表性的。基于本文的教导，本领域技术人员应该明白的是，本文所公开的一个方面可以独立于任何其它方面实现，并且这些方面中的两个或多个方面可以按照各种方式组合。例如，可以使用本文所阐述的任何数目的方面，实现装置或实践方法。另外，可以使用其它结构、功能、或除了本文所阐述的一个或多个方面之外或不是本文所阐述的一个或多个方面的结构和功能，实现这种装置或实践这种方法。此外，本文所描述的任何方面可以包括权利要求的至少一个元素。

下面将参照附图描述根据本发明的实施例。

图1示出了集中式应用场景下的认知无线电通信系统1的示意图。在认知无线电通信系统中采用了MIMO结构，其中认知基站配备有多根天线，以及认知用户配备有一根或多根天线，从而可以允许多个认知用户同时接入到认知基站，由此所接入的认知用户和认知基站将形成虚拟MIMO。为了叙述简单，考虑认知基站配备多根天线，而认知用户只有一根天线的场景(即使认知用户有多根天线，为了省电和设备简化也希望用信道特性较好的天线发送数据)。在这种场景下，多个认知用户之间的干扰由基站来消除，而认知用户不需要做额外的工作。

如图1所示，认知无线电通信系统1包括一个或多个认知用户CR(图1中示出了三个认知用户CR1、CR2和CR3)、一个或多个授权用户PU(图1中示出了两个授权用户PU1和PU2)、主基站(PBS)以及认知基站(CBS)。所述认知用户CR是具有认知功能的移动设备，比如具有认知功能的手机、笔记本电脑、PDA等。所述授权用户例如是通常的移动设备，比如蓝牙设备，普通的802.11设备，无绳电话等。

在图1中示出的集中式系统的应用场景中，认知用户CR1、CR2和CR3使用授权用户PU1的授权频段进行通信。认知基站CBS检测周围授权用户的活动状况，主要针对授权用户数据速率和中断概率来进行测量。认知用户CR测量对授权用户的干扰信道增益和自身与认知基站通信的链路条件并将这些信息上报给认知基站。认知基站结合上述所有的信息对认知用户进行接纳控制和功率控制。在这种应用场景中，认知用户和普通授权用户共同存在，从而提高频谱的利用效率。

图2示出了认知无线电通信系统上行链路通信的示意图。如图2所示，认知基站CBS在集中式应用场景中与多个认知用户CR1、CR2和CR3在认知无线电通信系统的上行链路上通信，其中认知基站在认知用户CR1、CR2和CR3的功率覆盖范围内，授权用户PU1在认知用户CR1和CR3的功率覆盖范围内，以及授权用户PU2在认知用户CR1、CR2和CR3的功率覆盖范围之外。所述认知用户可以是具有认知能力的移动设备，比如具有认知能力的移动终端，笔记本电脑，PDA等。在本文中，术语“上行链路”是指从移动设备到基站的通信链路。

很显然，在认知用户CR1和CR3利用授权用户PU1的授权频段进行通信时，由于授权用户PU1在认知用户CR1和CR3的功率覆盖范围内，所以认知用户CR1和CR3的通信会对授权用户PU1产生干扰。而授权用户PU2在认知用户CR1、CR2和CR3的功率覆盖范围之外，所以认知用户CR1、CR2和CR3利用授权用户PU2的授权频段进行通信时，不会对授权用户PU2的通信带来干扰，或者所产生的干扰不会影响授权用户PU2的通信。图3示出了认知用户CR1的通信对授权用户PU1的干扰示意图。

图4示出了根据本发明的认知基站400的功能方框图。如图4所示，所述认知基站400包括接收单元410、获取单元420、发送单元430、接纳控制单元440。

所述接收单元410用于接收从所述一个或多个认知用户发送的接入请求消息，所述接入请求消息用于请求接入所述认知基站。此外，所述接收单元410还用于接收所述一个或多个认知用户上报的各个认知用户对该授权用户的干扰信道增益以及各个认知用户在该授权频段上的信道衰落特性的特征值。

所述获取单元420用于在接收到所述接入请求消息后，获取用于表示可使用的授权频段的频段信息以及使用该授权频段的授权用户的用户信息，所述用户信息至少包括该授权用户的导频信息。这里，所述“导频信息”指的是用于测量信道条件的信息。

所述发送单元430用于将所获取的频段信息以及授权用户的用户信息发送给发送接入请求消息的所述一个或多个认知用户。在接收到所述频段信息以及授权用户的用户信息后，所述一个或多个认知用户基于所述频段信息以及授权用户的导频信息，导出各个认知用户对该授权用户的干扰信道增益。

所述接纳控制单元440用于基于从所述一个或多个认知用户上报的对该授权用户的干扰信道增益以及所获得的所述一个或多个认知用户在该授权频段上的信道衰落特性，对所述一个或多个认知用户进行接纳控制，所述干扰信道增益是所述一个或多个认知用户根据从所述认知基站接收的频段信息以及授权用户的导频信息获得的，所述信道衰落特性是基于所述一个或多个认知用户的导频信息获得的。这里，所述信道衰落特性的特征值可以是在认知用户处导出后从认知用户接收的，也可以是在认知基站端导出的。优选地，所述接纳控制单元440还可以包括计算单元442以及选择单元444。所述计算单元442用于计算以该一个或多个认知用户的信道衰落特性的特征值λ_k为自变量的递增函数g(λ_k)与以所述一个或多个认知用户对授权用户的干扰信道增益h_k，p为自变量的递增函数f(h_k，p)的比值R_k＝g(λ_k)/f(h_k，p)，其中h_k，p表示第k个认知用户对授权用户的干扰信道增益，以及λ_k表示第k个认知用户在该授权频段下的与认知基站间的信道衰落特性。所述选择单元444用于按照比值R_k的降序排列，从所述一个或多个认知用户中选择所述认知基站允许接入的用户数目个认知用户，作为被允许接入的认知用户。

此外，在对所述一个或多个认知用户进行接纳控制时，所述计算单元442还可以基于认知用户的调度次数n_k，计算所述比值R_k。具体地，所述计算单元442计算以该一个或多个认知用户的信道衰落特性的特征值λ_k为自变量的递增函数g(λ_k)与以所述一个或多个认知用户对授权用户的干扰信道增益h_k，p为自变量的递增函数f(h_k，p)和以该认知用户的调度次数n_k为自变量的线性函数s(n_k)的比值R_k＝g(λ_k)/(f(h_k，p)·s(n_k))。

优选地，所述认知基站400还可以包括发射功率确定单元450，用于基于所述被允许接入的认知用户对授权用户的干扰信道增益、所述被允许接入的认知用户的信道衰落特性的特征值和授权用户的干扰温度，确定所述被允许接入的各个认知用户的发射功率，其中，所述被允许接入的各个认知用户的发射功率被确定为使得所述被允许接入的所有认知用户的和速率最大。

优选地，在一个或多个实施例中，所述被允许接入的各个认知用户的发射功率可以利用下述等式(1)和等式(2)来确定：

$p_i^{*}=\max \{0,\frac{1}{\mathrm{\ψ}*h_{i,p}^2}-\frac{N_0}{{\mathrm{\λ}}_i^2}\}$ 等式(1)，

$\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{i,p}^2\max \{0,\frac{1}{\mathrm{\ψ}*h_{i,p}^2}-\frac{N_0}{{\mathrm{\λ}}_i^2}\}=I_m$ 等式(2)

其中，ψ是非负的拉格郎日乘子，h_i，p为认知用户i对授权用户的干扰信道增益，N₀为噪声功率，λ_i为认知用户i在授权频段上的信道衰落特性的特征值，I_m为授权用户的干扰温度。

如上参照图1到图4描述了根据本发明的认知无线电通信系统1以及根据本发明的认知基站400。下面将参照图5和图6描述根据本发明的用于在认知无线电通信系统的上行链路中进行多用户接纳控制的方法的流程图。

图5示出了认知用户的初始化的流程图。如图5所示，在认知用户开机后，首先，在步骤S510，认知用户进行初始化，即，打开认知用户并启动认知用户上的各种应用。然后，在步骤S520中，认知用户利用其上的应用来检测在它的通信范围内是否存在认知基站。当没有检测到认知基站时，返回到S520，继续进行认知基站的检测。

当检测到认知基站后，在步骤S530，认知用户向认知基站通知用户信息，所述用户信息例如是比如手机，笔记本电脑，PDA等的类型信息等。认知基站将所接收到的用户信息记录在数据库中。然后，在步骤S540中，认知用户进入待机状态。

在认知用户如上进行初始化，并且认知基站获取认知用户的用户信息后，认知基站执行在认知无线电通信系统的上行链路中的多用户接纳控制。

图6示出了根据本发明的由认知基站400执行的对认知用户的接纳控制的方法的流程图。

如图6所示，首先，在步骤S610，通过认知基站400中的接收单元410，接收从所述一个或多个认知用户发送的接入请求消息。

在接收到所述接入请求消息后，在步骤S620，认知基站400中的获取单元420获取用于表示可使用的授权频段的频段信息以及使用该授权频段的授权用户的用户信息，所述用户信息至少包括该授权用户的导频信息。例如，在接收到从所述一个或多个认知用户发送的所有接入请求消息后，认知基站400对周围的频谱使用情况进行检测，找到可以利用的授权频段。此外，认知基站还将获取使用该授权频段的授权用户的用户信息，所述用户信息例如通常是在认知基站中存储的频谱管理部门分配授权频谱的信息以及该授权频段上授权用户的公共控制信息。

然后，在步骤S630，认知基站400中的发送单元430将所获取的频段信息以及授权用户的用户信息发送给发送所述接入请求消息的所述一个或多个认知用户。在接收到所述频段信息以及授权用户的用户信息后，所述一个或多个认知用户基于所述频段信息以及授权用户的导频信息，导出各个认知用户对该授权用户的干扰信道增益，并且将所导出的干扰信道增益上报给认知基站。

在接收到所上报的干扰信道增益以及信道衰落特性后，在步骤S640，认知基站400的接纳控制单元440基于从所述一个或多个认知用户上报的对该授权用户的干扰信道增益以及所获取的所述一个或多个认知用户在该授权频段上的信道衰落特性，对所述一个或多个认知用户进行接纳控制。这里，所述信道衰落特性的特征值可以是在认知用户处导出后从认知用户接收的，也可以是在认知基站端导出的。例如，可以通过认知用户或认知基站利用SVD分解来计算出认知用户的信道衰落特性的特征值。

例如，在一个示例中，在对所述一个或多个认知用户进行接纳控制时，首先，所述接纳控制单元440中的计算单元442计算以该一个或多个认知用户的信道衰落特性的特征值λ_k为自变量的递增函数g(λ_k)与以所述一个或多个认知用户对授权用户的干扰信道增益h_k，p为自变量的递增函数f(h_k，p)的比值R_k＝g(λ_k)/f(h_k，p)，其中h_k，p表示第k个认知用户对授权用户的干扰信道增益，以及λ_k表示第k个认知用户在该授权频段下的与认知基站间的信道衰落特性。在这种情况下，在进行接纳控制时，所遵循的接纳控制准则是

$i^{*}={\arg }_k\max \left(\frac{g\left({\mathrm{\λ}}_k\right)}{f\left(h_{k,p}\right)}\right)$ 等式(3)。

然后，选择单元444按照比值R_k的降序排列，从所述一个或多个认知用户中选择所述认知基站允许接入的用户数目个认知用户，作为被允许接入的认知用户。这里，在一个示例中，所述函数g(λ_k)和f(h_k，p)可以被设置为g(λ_k)＝λ_k ²以及f(h_k，p)＝h_k，p ²。此时，接纳控制准则是其中，表示认知用户k提升系统吞吐量的潜力。很显然，所述函数g(λ_k)和f(h_k，p)还可以被设置为其它任何合适的形式。

此外，在一个优选实施例中，在对所述一个或多个认知用户进行接纳控制时，还可以遵循公平性原则，考虑认知用户的调度次数。也就是说，在进行接纳控制时，不仅要考虑所述一个或多个认知用户上报的对该授权用户的干扰信道增益和所述一个或多个认知用户在该授权频段上的信道衰落特性的特征值，而且还要考虑认知用户的调度次数，以防止信道特性比较好的认知用户占用了大部分频谱时间，而其它信道特性比较差的认知用户不能正常通信。

在这种情况下，基于从所述一个或多个认知用户上报的对该授权用户的干扰信道增益、所述一个或多个认知用户在该授权频段上的信道衰落特性的特征值以及认知用户的调度次数，对所述一个或多个认知用户进行接纳控制。

例如，用s(n_k)代表认知用户k被调度次数的线性函数。开始时所有的s(n_i)都被设置为1，每次认知用户i被调度时都加1。这样在接纳控制算法中不仅要考虑认知用户提高系统吞吐量的潜力，同时要考虑公平性问题。

例如，特别地，在一个示例中，首先，所述接纳控制单元440中的计算单元442计算以该一个或多个认知用户的信道衰落特性的特征值λ_k为自变量的递增函数g(λ_k)与以所述一个或多个认知用户对授权用户的干扰信道增益h_k，p为自变量的递增函数f(h_k，p)和以该认知用户的调度次数n_k为自变量的线性函数s(n_k)的比值R_k＝g(λ_k)/(f(h_k，p)·s(n_k))，其中h_k，p表示第k个认知用户对授权用户的干扰信道增益，以及λ_k表示第k个认知用户在该授权频段下的与认知基站间的信道衰落特性。在这种情况下，接纳控制准则修改为：

$i^{*}={\arg }_k\max \left(\frac{g\left({\mathrm{\λ}}_k\right)/f\left(h_{k,p}\right)}{s\left(n_k\right)}\right)$ 等式(4)。

然后，选择单元444按照比值R_k的降序排列，从所述一个或多个认知用户中选择所述认知基站允许接入的用户数目个认知用户，作为被允许接入的认知用户。

从等式(4)可以看出，如果两个认知用户有同样的潜力提高系统吞吐量，这时已经接入到基站次数较少的认知用户将被选择接入。这就是说认知基站是基于认知用户已经被选择的次数而不是仅仅依靠它们提高系统性能的潜力进行接纳控制的。因此，本发明的接纳控制算法可以在提高系统吞吐量和达到公平性之间达到较好的权衡。

如上完成了用于在认知无线电通信系统的上行链路中的多用户接纳控制的过程。

此外，优选地，在对所述一个或多个认知用户进行接纳控制后，所述方法还包括，在步骤S650中，基于所述被允许接入的认知用户对授权用户的干扰信道增益、所述被允许接入的认知用户的信道衰落特性的特征值和授权用户的干扰温度，确定所述被允许接入的各个认知用户的发射功率，其中，所述被允许接入的各个认知用户的发射功率被确定为使得所述被允许接入的所有认知用户的和速率最大。这里，所述授权用户的干扰温度是指在保证所述授权用户的QoS的情况下，所述授权用户所能容忍的最大干扰I_m。所述授权用户QoS是指授权用户的数据速率和中断概率，因此，所述授权用户的干扰温度I_m是基于授权用户的数据速率和中断概率来导出的。

例如，授权用户的QoS用数据速率和中断概率表示为：

$\text{Pr{\γ\≤}{2}^{R_0}-1\}\≤P_{\mathrm{out}}$ 等式(5)

其中，R₀是授权用户的目标数据速率，P_out是授权用户的中断概率要求，γ是授权用户的信干噪比，其中γ＝P_p/(N₀+I_m)。

根据上式，可以导出授权用户的干扰温度，其中，P_P为授权用户接收信号功率，N₀为噪声功率，I_m为干扰温度值。P_P主要是由认知基站通过对授权基站和授权用户的信号进行检测来估计出。

因此，从上面可以看出，干扰温度I_m可以基于授权用户的接收信号功率、噪声功率以及授权用户的数据速率和中断概率确定。只要认知用户对授权用户的干扰没有超过干扰温度，授权用户的中断概率就不会超过给定阈值P_out，也就不会影响授权用户的QoS。

例如，在完成接纳控制后进行各认知用户的功率控制时，希望的是最大化认知用户和速率同时保持对授权用户的干扰不超过门限(I_m)。这可以利用下述的等式来表示：

$\max \underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+\frac{p_i{\mathrm{\λ}}_i^2}{N_0})$

$\mathrm{subject\; to}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i{h}_{i,p}^2\≤I_m$ 等式(6)

p_i≥0

$\∀i=1,...,M$

在引入非负的拉格郎日乘子ψ和μ_i，利用KKT条件可以得到最优功率控制为：

$p_i^{*}=\max \{0,\frac{1}{\mathrm{\ψ}*h_{i,p}^2}-\frac{N_0}{{\mathrm{\λ}}_i^2}\}$ 等式(7)

其中，

为注水线，h_i，p为认知用户i对授权用户的干扰信道增益，N₀为噪声功率，λ_i为认知用户i在授权频段上的信道衰落特性的特征值，这时有

$\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{i,p}^2\max \{0,\frac{1}{\mathrm{\ψ}*h_{i,p}^2}-\frac{N_0}{{\mathrm{\λ}}_i^2}\}=I_m$ 等式(8)。

利用以上的方案，达到最优的功率控制算法，在保证到达授权用户的干扰低于特定门限下最大化认知用户的和速率。

下面描述根据本发明的多用户接纳控制方法的性能的仿真结果。

图7A和7B分别示出了由根据本发明的认知基站400进行的接纳控制的性能的效果图。如图7A和7B所示，横轴表示授权用户的信噪比，纵轴表示认知用户的和速率。在仿真中，假设授权用户的数据速率为3bit/s/Hz，中断概率为0.01。

从图7A中可以看出，在授权用户信噪较高的时候，随着同时接入的认知用户数目增加即认知基站天线数目的增加，认知用户和速率以及频谱效率有较大的提高。但是在授权用户的信噪比较低的时情况相反，这时配备多根天线的认知基站端的吞吐量不如配备较少的认知基站的吞吐量，这是受功率控制和接收端译码器噪声放大的负面影响的结果。

从图7B可以看出，当允许接入的认知用户数相同的情况下，配备不同天线数的认知基站的性能曲线是平行的，即这时只有接收分集增益。所以本发明在授权用户信噪较低的时候，即使基站有较多的天线也应该让较少的认知用户接入以获得较好的性能。

图8示出了认知用户总数和认知用户和速率之间的关系图。

从图8可以看出，当认知基站配备4根天线时，允许4个认知用户同时接入，这时随着请求接入的认知用户数的增加，认知用户和速率明显上升。这是多用户的分集增益带来的系统性能提升。

图9示出了在考虑公平性原则下由根据本发明的认知基站进行的接纳控制的性能的效果图。如图9所示，在遵循公平性原则的情况下，当以认知用户已被调度次数为前提的情况下，进行接纳控制后每个认知用户被调度的次数相差不大。从图9中可以看出，认知用户间的调度次数有轻微的浮动，被调度次数最多的认知用户和最少的认知用户之间相差不到十分之一，从而满足公平性原则。

从上面可以看出，由于根据本发明中的接纳控制方法，在进行接纳控制时考虑了一个或多个认知用户的信道衰落特性以及该一个或多个认知用户在授权用户的授权频段下对该授权用户的干扰信道增益，从而使得认知用户能够高效地使用授权频段进行通信，而不影响授权用户的正常通信。此外，由于根据本发明的接纳控制方法不需要迭代计算过程，从而使得接纳控制相对简单和快速，从而满足认知无线电的高度灵活性和实时性的要求。

另外，在本发明的优选实施例中，在进行接纳控制时还采用了公平性原则，从而可以防止信道特性比较好的用户占用了大部分频谱时间，而其他用户尤其是信道特性比较差的用户不能保证正常通信。

尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的本发明的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的发明实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明的元素可以以个体形式描述或要求，但是也可以设想多个，除非明确限制为单数。

虽然如上参照图描述了根据本发明的各个实施例进行了描述，但是本领域技术人员应当理解，对上述本发明所提出的各个实施例，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (11)

1.一种用于在认知无线电通信系统的上行链路中进行多用户接纳控制的方法，所述认知无线电通信系统包括认知基站、一个或多个认知用户以及授权用户，所述方法由所述认知基站执行，并且包括：

接收来自所述一个或多个认知用户的接入请求消息；

在接收到所述接入请求消息后，获取用于表示可使用的授权频段的频段信息以及使用该授权频段的授权用户的用户信息，所述用户信息至少包括该授权用户的导频信息；

将所获取的频段信息以及授权用户的用户信息发送给所述一个或多个认知用户；

基于从所述一个或多个认知用户上报的对该授权用户的干扰信道增益以及所述一个或多个认知用户在该授权频段上的信道衰落特性，对所述一个或多个认知用户进行接纳控制，所述干扰信道增益是所述一个或多个认知用户根据从所述认知基站接收的频段信息以及授权用户的导频信息获得的，所述信道衰落特性是基于所述一个或多个认知用户的导频信息获得的。

2.如权利要求1所述的方法，其中，基于所述一个或多个认知用户对授权用户的干扰信道增益以及信道衰落特性，对所述一个或多个认知用户进行接纳控制的步骤包括：

计算以该一个或多个认知用户的信道衰落特性的特征值λ_k为自变量的递增函数g(λ_k)与以所述一个或多个认知用户对授权用户的干扰信道增益h_k，p为自变量的递增函数f(h_k，p)的比值R_k＝g(λ_k)/f(h_k，p)，其中h_k，p表示第k个认知用户对授权用户的干扰信道增益，以及λ_k表示第k个认知用户在该授权频段下的与认知基站间的信道衰落特性；以及

按照比值R_k的降序排列，从所述一个或多个认知用户中选择所述认知基站允许接入的用户数目个认知用户，作为被允许接入的认知用户。

3.如权利要求1所述的方法，其中，在对所述一个或多个认知用户进行接纳控制时，还基于认知用户的调度次数。

4.如权利要求3所述的方法，基于所述一个或多个认知用户对授权用户的干扰信道增益以及信道衰落特性的特征值，对所述一个或多个认知用户进行接纳控制的步骤包括：

计算以该一个或多个认知用户的信道衰落特性的特征值λ_k为自变量的递增函数g(λ_k)与以所述一个或多个认知用户对授权用户的干扰信道增益h_k，p为自变量的递增函数f(h_k，p)和以该认知用户的调度次数n_k为自变量的线性函数s(n_k)的比值R_k＝g(λ_k)/(f(h_k，p)·s(n_k))，其中h_k，p表示第k个认知用户对授权用户的干扰信道增益，以及λ_k表示第k个认知用户在该授权频段下的与认知基站间的信道衰落特性；以及

按照比值R_k的降序排列，从所述一个或多个认知用户中选择所述认知基站允许接入的用户数目个认知用户，作为被允许接入的认知用户。

5.如权利要求1到4中任何一个所述的方法，其中，在对所述一个或多个认知用户进行接纳控制后，所述方法还包括：

基于所述被允许接入的认知用户对授权用户的干扰信道增益、所述被允许接入的认知用户的信道衰落特性的特征值和授权用户的干扰温度，确定所述被允许接入的各个认知用户的发射功率，

其中，所述被允许接入的各个认知用户的发射功率被确定为使得所述被允许接入的所有认知用户的和速率最大。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述被允许接入的各个认知用户的发射功率是利用下述等式(1)和等式(2)确定的：

$p_i^{*}=\max \{0,\frac{1}{\mathrm{\ψ}*h_{i,p}^2}-\frac{N_0}{{\mathrm{\λ}}_i^2}\}$ 等式(1)，

$\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{i,p}^2\max \{0,\frac{1}{\mathrm{\ψ}*h_{i,p}^2}-\frac{N_0}{{\mathrm{\λ}}_i^2}\}=I_m$ 等式(2)

其中，ψ是非负的拉格郎日乘子，h_i，p为认知用户i对授权用户的干扰信道增益，N₀为噪声功率，λ_i为认知用户i在授权频段上的信道衰落特性的特征值，I_m为授权用户的干扰温度。

7.一种认知基站，包括：

接收单元，用于接收来自所述一个或多个认知用户的接入请求消息，以及接收所述一个或多个认知用户上报的各个认知用户对该授权用户的干扰信道增益；

获取单元，用于在接收到所述接入请求消息后，获取用于表示可使用的授权频段的频段信息以及使用该授权频段的授权用户的用户信息，所述用户信息至少包括该授权用户的导频信息；

发送单元，用于将所获取的频段信息以及授权用户的用户信息发送给所述一个或多个认知用户；

接纳控制单元，用于基于从所述一个或多个认知用户上报的对该授权用户的干扰信道增益以及所述一个或多个认知用户在该授权频段上的信道衰落特性，对所述一个或多个认知用户进行接纳控制，所述干扰信道增益是所述一个或多个认知用户根据从所述认知基站接收的频段信息以及授权用户的导频信息获得的，所述信道衰落特性是基于所述一个或多个认知用户的导频信息获得的。

8.如权利要求7所述的认知基站，其中，所述接纳控制单元包括：

计算单元，用于计算以该一个或多个认知用户的信道衰落特性的特征值λ_k为自变量的递增函数g(λ_k)与以所述一个或多个认知用户对授权用户的干扰信道增益h_k，p为自变量的递增函数f(h_k，p)的比值R_k＝g(λ_k)/f(h_k，p)，其中h_k，p表示第k个认知用户对授权用户的干扰信道增益，以及λ_k表示第k个认知用户在该授权频段下的与认知基站间的信道衰落特性；以及

选择单元，用于按照比值R_k的降序排列，从所述一个或多个认知用户中选择所述认知基站允许接入的用户数目个认知用户，作为被允许接入的认知用户。

9.如权利要求8所述的认知基站，其中，在对所述一个或多个认知用户进行接纳控制时，所述接纳控制单元还基于认知用户的调度次数n_k，并且

所述计算单元计算以该一个或多个认知用户的信道衰落特性的特征值λ_k为自变量的递增函数g(λ_k)与以所述一个或多个认知用户对授权用户的干扰信道增益h_k，p为自变量的递增函数f(h_k，p)和以该认知用户的调度次数n_k为自变量的线性函数s(n_k)的比值R_k＝g(λ_k)/(f(h_k，p)·s(n_k))。

10.如权利要求8到9中任何一个所述的认知基站，还包括：

发射功率确定单元，用于基于所述被允许接入的认知用户对授权用户的干扰信道增益、所述被允许接入的认知用户的信道衰落特性的特征值和授权用户的干扰温度，确定所述被允许接入的各个认知用户的发射功率，

其中，所述被允许接入的各个认知用户的发射功率被确定为使得所述被允许接入的所有认知用户的和速率最大。

11.如权利要求10所述的认知基站，其中，所述被允许接入的各个认知用户的发射功率是利用下述等式(1)和等式(2)确定的：

$p_i^{*}=\max \{0,\frac{1}{\mathrm{\ψ}*h_{i,p}^2}-\frac{N_0}{{\mathrm{\λ}}_i^2}\}$ 等式(1)，

$\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{i,p}^2\max \{0,\frac{1}{\mathrm{\ψ}*h_{i,p}^2}-\frac{N_0}{{\mathrm{\λ}}_i^2}\}=I_m$ 等式(2)

其中，ψ是非负的拉格郎日乘子，h_i，p为认知用户i对授权用户的干扰信道增益，N₀为噪声功率，λ_i为认知用户i在授权频段上的信道衰落特性的特征值，I_m为授权用户的干扰温度。

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