CN102271340A - 一种提高无线网络容量的协作认知接入方法 - Google Patents

Abstract

一种提高无线网络容量的协作认知接入方法，属于无线电通信技术领域。该方法为：在接入设备中设置两个无线通信模块，其中一个模块作为发送和接收数据模块，另一个模块只负责侦听该接入设备覆盖范围内通信频段的忙闲状态和信道状态。接入过程包括3个部分：接入设备首先选择一个频段侦听该频段上工作的授权用户数据发送情况，接收并存储授权用户未发送成功的数据包，然后在授权用户结束数据发送后以一定的概率对未发送成功的授权用户数据包协作转发，最后利用空闲的授权用户频段传输该接入设备数据。该接入方法为授权用户提供了协作功能，增大了授权用户和接入用户的传输速度，提高了网络容量，同时提高了接入设备接入授权频段的成功率。

Description

一种提高无线网络容量的协作认知接入方法

技术领域

本发明涉及一种提高无线网络容量的协作认知接入方法，应用于无线接入设备中，属于无线电通信技术领域。

背景技术

无线接入技术通过无线介质将用户终端与网络节点连接起来以实现用户与网络间的信息传递。随着无线接入技术的迅猛发展，大量的无线接入设备也相应面市。然而现有的接入方法存在一些弊端：(1)接入设备会对原系统产生干扰，降低原系统的性能；(2)普遍存在频谱利用率不高的问题。

认知无线电是近几年兴起的无线通信概念与技术，它能够感知目前通信环境中所有频谱使用机会。通过重组无线网络系统框架，使得认知无线网络具有智能化便辨识与改变频谱使用机会的能力。认知无线电从理论上说允许在实践、频率以及空间上进行多维的频带复用，这将大大降低由于频段与带宽的限制而对无线技术发展的束缚，与以往将特定的频率分配到特定用途上有很大不同。本发明将认知无线电技术应用到无线接入系统中解决了原有接入方法的弊端并提高了网络容量。

发明内容

技术问题：为了克服现有接入技术的不足，本发明通过将认知无线电技术应用于无线接入系统，提供一种提高无线网络容量的协作认知接入方法，旨在解决无线网络中新接入设备对原系统的干扰及频谱利用率低的问题。

技术方案：为了实现上述目的，本发明的一种提高无线网络容量的协作认知接入方法，该方法基于的接入设备中设置两个无线通信模块，其中一个模块作为发送和接收数据模块，另一个模块为感知模块，该感知模块只负责侦听该接入设备覆盖范围内通信频段的忙闲状态和信道状态；

接入用户为授权用户提供了协作功能，其具有两种存储数据队列：一种队列为存储授权用户未发送成功的数据包，记该队列为Q_sp；另一种为存储接入用户自身数据包，记该队列为Q_s；

该方法的实现包括以下步骤并按所述顺序进行：

a.接入用户随机选择一授权用户监测其通信活动，监测的频段记为f_a，被监测的授权用户称为附属用户；

b.接入用户的感知模块负责检测网络中的空闲信道，比较并寻找最优空闲信道；

c.接入用户在频段f_a上接收授权用户发送的数据包，记第i时刻接收到的授权用户数据包为D_i；

d.若接入用户接收到“确认(ACK，ACKnowledgement)”的反馈数据包，则丢弃数据包D_i；授权用户接收端在成功接收数据包时发送ACK，否则发送NACK

e.若接入用户接收到“不确认(NACK，Non-ACKnowledgement)”的反馈数据包，则将D_i存入队列Q_sp；

f.若附属用户发送数据完毕则进入步骤g，否则返回步骤c；

g.接入用户以概率ε在频段f_a发送队列Q_sp中的数据实现对授权用户的协作功能并进入步骤h，以概率1-ε在频段f_a上发送队列Q_s中的数据；

h.若队列Q_sp中数据发送完毕则进入步骤i，否则继续发送队列Q_sp中的数据；

i.若接入用户的感知模块判断f_a为最优空闲信道，则接入用户可在频段f_a上发送队列Q_s中的数据，否则在最优空闲信道上发送队列Q_s中的数据。

授权用户接收端在成功接收数据包时发送ACK，否则发送NACK。

步骤i中最优空闲信道是指网络中具有最大功率传输响应的空闲信道。

有益效果：本发明设计了一种提高无线网络容量的协作认知接入方法。基于上述技术方案，本方法具有以下优点：

1)充分利用了现有网络的特点，对其硬件设备及软件无需任何修改，降低了应用的复杂度；

2)增大了授权用户和接入用户的网络容量；

3)充分利用授权用户的频谱资源，提高了整体网络的频谱利用率；

4)可根据授权用户和接入用户不同的业务类型、链路情况灵活调整协作概率，适用场景广泛。

附图说明

图1无线接入设备内部结构示意图，

图2无线接入设备工作流程，

图3直接传输与采用本方法的授权用户吞吐量，

图4授权用户直接传输与采用本方法的从用户吞吐量。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提出的一种提高无线网络容量的协作认知接入方法的具体实施进行详细说明。

附图1所示为无线接入设备的内部示意图。接入设备中设置两个无线通信模块，其中一个模块作为发送和接收数据模块，另一个模块为感知模块，只负责侦听该接入设备覆盖范围内通信频段的忙闲状态和信道状态。

附图2为无线接入设备工作流程，具体实现包括以下步骤并按顺序进行：

(a)接入用户随机选择一授权用户监测其通信活动，监测的频段记为f_a，被监测的授权用户称为附属用户。

(b)接入用户的感知模块负责检测网络中的空闲信道，比较并寻找最优空闲信道。

(c)接入用户在频段f_a上接收授权用户发送的数据包，记第i时刻接收到的授权用户数据包为D_i。

(d)若接入用户接收到“确认(ACK，ACKnowledgement)”的反馈数据包，则丢弃数据包D_i。

(e)若接入用户接收到“不确认(NACK，Non-ACKnowledgement)”的反馈数据包，则将D_i存入队列Q_sp。

(f)若附属用户发送数据完毕则进入步骤(g)，否则返回步骤(c)。

(g)接入用户以概率ε在频段f_a发送队列Q_sp中的数据(即实现对授权用户的协作功能)并进入步骤(h)，以概率1-ε在频段f_a上发送队列Q_s中的数据。

(h)若队列Q_sp中数据发送完毕则进入步骤(i)，否则继续发送队列Q_sp中的数据。

(i)若接入用户的感知模块判断f_a为最优空闲信道，则接入用户可在频段f_a上发送队列Q_s中的数据，否则在最优空闲信道上发送队列Q_s中的数据。

附图3为采用本发明时授权用户的平均吞吐量与授权用户直接传输数据时平均吞吐量的对比示意图，其中P_s为接入用户发射功率，U_p为授权用户平均吞吐量。授权用户直接传输数据方案为：接入设备只有当授权用户完全发送完数据后才接入网络，从而避免干扰授权用户通信。第i个授权用户采用直接传输方案时的平均吞吐量为：

其中β_p表示授权用户传输门限阈值，即只有在授权用户接收端接收功率大于此门限阈值时，授权用户才能成功发送数据。

是第i个授权用户传输数据所占用信道f_i的功率传输响应。

而采用本发明中的协作认知接入方法后，授权用户的平均吞吐量为

${\mathrm{\μ}}_{p_i}=(1-P_e){\mathrm{\μ}}_{p_i}^{\left(\mathrm{rel}\right)}+P_e{\mathrm{\μ}}_{p_i}^{\left(d\right)}(1-P_{\mathrm{int}})+P_e{\mathrm{\μ}}_{p_i}^{\left(\mathrm{int}\right)}{P}_{\mathrm{int}}---\left(1\right)$

其中：P_e是接入用户错误检测概率，即把授权用户占用的频段错误判断为空闲频段；

和

分别表示第i个授权用户在接入用户协作下和直接传输时的平均吞吐量；P_int表示授权用户和接入用户的冲突概率。

由式(1)可以看出，采用本发明的协作认知接入方法后，授权用户的平均吞吐量包括三部分：第一部分是在接入用户成功检测授权用户通信活动后采用协作认知接入方法时授权用户的平均吞吐量；第二部分是接入用户错误检测授权用户通信活动但没有对其产生干扰时，授权用户采用直接数据传输方案时的平均吞吐量；第三部分是接入用户错误检测授权用户通信活动并对其产生干扰时，授权用户仍能成功传输数据的平均吞吐量。由理论分析公式及仿真可见，本发明较大地改善了授权用户的平均吞吐量。

图4为在一个接入用户设备场景下，采用本发明时接入用户的平均吞吐量与授权用户直接传输数据方案下接入用户平均吞吐量的对比示意图，其中P_s为接入用户发射功率，U_s为接入用户平均吞吐量。采用协作认知接入方法时，接入用户的平均吞吐量为

${\mathrm{\μ}}_s\left(P_s\right)=(1-\mathrm{\ϵ})\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(\begin{array}{c}N\\ k\end{array}\right){(1-{\mathrm{\ρ}}_p)}^k{\mathrm{\ρ}}_p^{N-k}[1-(1-\exp {(-{\mathrm{\β}}_s/{\mathrm{\γ}}_s{P}_s))}^k)]---\left(2\right)$

为了保证系统稳定，其中最佳协作概率ε为

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_p[1-\exp (-{\mathrm{\β}}_p/{\mathrm{\γ}}_p)]\exp (-{\mathrm{\β}}_p/{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ps}})}{(1-{\mathrm{\ρ}}_p)\exp (-{\mathrm{\β}}_s/{\mathrm{\γ}}_{s,p_d}{P}_s)}---\left(3\right)$

接入用户发射功率(假设最大发射功率归一化为1)限制条件为

$1\≥P_s\≥{\mathrm{\β}}_s/\left({\mathrm{\γ}}_{s,p_d}\ln \frac{{\mathrm{\μ}}_p-{\mathrm{\λ}}_p}{{\mathrm{\λ}}_p[1-\exp (-{\mathrm{\β}}_p/{\mathrm{\γ}}_p)]\exp (-{\mathrm{\β}}_p/{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ps}})}\right)---\left(4\right)$

式(2)～(4)中：ρ_p为授权用户到达率λ_p离去率μ_p之比；γ_s，pd为接入用户与授权用户接收端之间的信道功率响应；γ_ps为授权用户发送端与接入用户发送端之间的信道功率响应；γ_s为接入用户发送端与接收端之间的信道功率响应；β_s表示接入用户传输门限阈值；N是授权用户的数目，即网络中可用的信道资源数目。

曲线1至5分别表示网络中有1至5个授权用户节点存在。由图可见，本发明所述接入方法能较大提高接入用户的平均吞吐量。因此，根据附图3和附图4所示，本发明的接入方法能够提高无线网络总体容量。

Claims (3)

1.一种提高无线网络容量的协作认知接入方法，其特征在于该方法基于的接入设备中设置两个无线通信模块，其中一个模块作为发送和接收数据模块，另一个模块为感知模块，该感知模块只负责侦听该接入设备覆盖范围内通信频段的忙闲状态和信道状态 ;

接入用户为授权用户提供了协作功能，其具有两种存储数据队列：一种队列为存储授权用户未发送成功的数据包，记该队列为Q _sp；另一种为存储接入用户自身数据包，记该队列为Q _s;

该方法的实现包括以下步骤并按所述顺序进行：

a.  接入用户随机选择一授权用户监测其通信活动，监测的频段记为f _a，被监测的授权用户称为附属用户；

b.  接入用户的感知模块负责检测网络中的空闲信道，比较并寻找最优空闲信道；

c.  接入用户在频段f _a上接收授权用户发送的数据包，记第i时刻接收到的授权用户数据包为D _i ；

d.  若接入用户接收到“确认(ACK, ACKnowledgement)”的反馈数据包，则丢弃数据包D _i ；授权用户接收端在成功接收数据包时发送ACK，否则发送NACK

e.  若接入用户接收到“不确认( NACK, Non-ACKnowledgement)”的反馈数据包，则将D _i存入队列Q _sp ；

f.  若附属用户发送数据完毕则进入步骤g，否则返回步骤c ；

g.  接入用户以概率ε在频段f _a发送队列Q _sp中的数据实现对授权用户的协作功能并进入步骤h，以概率1-ε在频段f _a上发送队列Q _s中的数据；

h.  若队列Q _sp中数据发送完毕则进入步骤i，否则继续发送队列Q _sp中的数据;

i.  若接入用户的感知模块判断f _a为最优空闲信道，则接入用户可在频段f _a上发送队列Q _s中的数据，否则在最优空闲信道上发送队列Q _s中的数据。

2.根据权利要求1所述的一种提高无线网络容量的协作认知接入方法，其特征在于授权用户接收端在成功接收数据包时发送ACK，否则发送NACK。

3.根据权利要求1所述的一种提高网络容量的协作认知接入方法，其特征在于步骤i中最优空闲信道是指网络中具有最大功率传输响应的空闲信道。

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