CN102484794B - 用于分布式网络的频谱共享方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于无线分布式网络的频谱共享方法及实现该方法的终端设备。本发明的一个实施例提供了一种用于无线分布式网络的一个第一通信组的频谱共享方法。该第一通信组与其他至少一个通信组组成一个共享频谱的共享社区。各通信组包括至少两个通信终端，一个发送终端和一个接收终端。该方法包括以下步骤：确定第一通信组的初始通信方案(S1)；根据各通信组的通信方案的评估结果，采用一个收敛性策略更新第一通信组的通信方案，直到满足一个预定条件(S2)。本发明提供的方法和设备可以实现无线分布式网络的频谱共享，提高系统的频谱利用率。

Description

用于分布式网络的频谱共享方法及设备

技术领域

本发明涉及无线通信技术，尤其涉及无线分布式网络中的频谱共享方法及设备。

背景技术

对于分布式频谱共享，一种典型的现有技术方案见于IEEE802.16h WiMAX。该方案的系统架构如图1所示。具有交叠信号覆盖区域的相邻基站构成频谱共享社区，其中频谱被分布式地共享。每一个基站具有一个分布式数据库，存储了实际使用的和将要使用的频谱资源的共享信息。这些分布式数据库可以依靠共存代理通过IP连接来访问。

在进入频谱共享社区之前，一个初始基站(IBS)将在共存信道的初始共存信令间隙(ISCI)中广播其信息。其相邻基站，也就是工作基站(OBS)，将通过共存代理使用共存协议消息将各自的当前频谱使用信息发送给初始基站。基于所获取的频谱使用信息，初始基站可以得知使用哪一个频谱片段(时/频资源块)。当初始基站能找到空闲的频谱片段时，则可以利用该频谱空洞。而当没有可用的空闲频谱片段，初始基站将发起一个与工作基站之间的频谱协商过程，以分享工作基站的工作信道。

802.16h中的这一分布式频谱共享方案依赖于IP网络。多数系统间的通信消息，例如共存协议消息，由IP网络通过共存代理的协议接口传达。该方案可以减轻空中接口的信令开销，然而，该方案在没有IP连接的分布式网络中无法应用。此外，必须设置共存代理用于协议转换，这将增加频谱共享系统的复杂性和成本。在该方案中，频谱被通过一种寻找并填充的模式而利用：初始基站将首先找到空闲的频谱片段。如果有空闲的频谱资源，则填充。如果没有，可能使用一些频谱处理机制来提供初始基站的接入允许。这一类频谱共享方案采用的是简单直接的填充方法。然而，从原理上来说该频谱共享机制并非最优的，因为频谱共享社区中没有采用频谱分配优化机制，因此很难获得高频谱利用率。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，本发明提供了用于无线分布式网络的频谱共享方法及实现该方法的终端设备。

根据本发明的一个实施例，提供了一种用于无线分布式网络的一个第一通信组的频谱共享方法，该第一通信组与其他至少一个通信组组成一个共享频谱的共享社区，各通信组包括至少两个通信终端，所述方法包括以下步骤：A.确定第一通信组的初始通信方案；B.根据各通信组的通信方案的评估结果，采用一个收敛性策略来迭代地更新第一通信组的通信方案，直到满足一个预定条件。

根据本发明的另一个实施例，所述频谱共享方法在步骤A和步骤B之间还包括以下步骤：根据第一通信组的初始通信方案发送训练信号；根据接收到的所述共享社区中各通信组的训练信号来评估第一通信组的训练结果，所述训练结果包括第一通信组的目标性能和方案偏好。

根据本发明的另一个实施例，所述频谱共享方法中的步骤B包括以下子步骤：B1.至少部分地根据该共享社区的各通信组的方案偏好，采用所述收敛性策略来更新第一通信组的通信方案，所述更新的通信方案包括信道选择和发送功率分配；B2.根据第一通信组的更新的通信方案发送训练信号；B3.根据接收到的所述共享社区中各通信组的训练信号来评估第一通信组的训练结果，所述训练结果包括第一通信组的目标性能和方案偏好；B4.如果该共享社区内的各通信组的目标性能满足一个预定条件，则将更新的通信方案确定为第一通信组的通信方案；如果不满足所述预定条件，则重新执行步骤B1、B2、B3。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种用于实现上述频谱共享方法的终端设备，该终端设备是组成所述第一通信组的一部分，并根据所确定的第一通信组的通信方案来进行通信。

使用本发明提供的方法及设备，可以实现无线分布式网络的频谱共享，提高系统的频谱利用率。

附图说明

参考下面的图和说明，将更好地理解该系统。图中的元件不一定按比例绘制，而是重点用于说明典型模型的原理。在图中，贯穿不同的示图，类似的参考标号表示对应的特征。

图1为一种现有技术中的分布式频谱共享系统的架构示意图；

图2示出了根据本发明的一个实施例的无线分布式网络的示意图；

图3示出了根据本发明的一个实施例的用于无线分布式网络的的频谱共享方法的流程图；

图4示出了根据本发明的一个实施例的用于无线分布式网络的的频谱共享方法的流程图。

具体实施方式

图2示出了根据本发明的一个实施例的无线分布式网络的示意图。如图2所示，无线分布式网络中包括一个第一通信组10、一个第二通信组20和一个第三通信组30。第一通信组10包括两个相互通信的终端设备11和12，第二通信组20包括两个相互通信的终端设备21和22，第三通信组包括两个相互通信的终端设备31和32。这三个通信组要使用相同的频谱资源，从而组成了一个频谱共享社区。

频谱共享社区的一种可能的形成过程如下：在一定的时间、一定的区域内，无线分布式网络内仅剩余一个频段的资源可供分配；第一通信组10首先确定使用该频段的资源进行通信；随后，第二通信组20也确定使用该频段的资源进行通信，于是第二通信组20与第一通信组10进行协商，组成一个频谱共享社区，共享该频段的资源；再随后，第三通信组30也确定使用该频段的资源进行通信，于是其与第一通信组10、第二通信组20进行协商，加入该频谱共享社区，共享该频段的资源。

需要理解的是，上述例子中对共享社区和通信组的描述均是示例性而非限制性的。一个频谱共享社区中包括至少两个通信组。一个通信组中的终端设备的数量不限于两个，也可以为三个甚至更多，例如一个作为数据源的终端设备和多个从该数据源下载数据的终端设备可以组成一个通信组。

为简明起见，下面均以一个通信组包括两个终端设备为例进行描述。

本发明适用于无线分布式网络，例如ad hoc网络。分布式网络中不存在集中控制设备，因而在一个频谱共享社区中，各通信组迭代地采用收敛性策略对各自的通信方案进行更新，从而优化该频谱共享社区的整体通信性能，尤其是频谱利用率。一个通信组的通信方案可能包括该通信组进行通信所选择的信道以及信号发送功率，其中，信道的选择可以是以下各项中的任一项或任多项的组合：空间、时间、频率、编码。一种比较典型的信道选择是在共享频段中进行发送时隙的选择。

通常，一个频谱共享社区内的各通信组是在某些频谱共享触发事件的触发下开始这样的迭代过程以确定各自的通信方案的。可能的触发事件包括：共享频段的频谱数量和/或质量的变化，有新的通信组加入频谱共享社区，或有通信组退出了频谱共享社区。

图3示出了根据本发明的一个实施例的用于无线分布式网络的的频谱共享方法的流程图。以下结合图2、图3加以说明。

当频谱共享触发事件发生后，迭代过程开始。如图3所示，该方法包括两个步骤。在步骤S1中，第一通信组10将确定其初始通信方案。相应地，第二通信组20和第三通信组30也将确定各自的初始通信方案。在步骤S2中，第一通信组10将根据各通信组的通信方案的评估结果，采用一个收敛性策略来迭代地更新其通信方案，直到满足一个预定条件。相应地，第二通信组20和第三通信组30也将迭代地更新各自的通信方案，直到满足预定条件。

图4示出了根据本发明的又一个实施例的用于无线分布式网络的频谱共享方法的流程图。该流程图比图3所示流程图更为详细。以下将结合图2至图4进行说明。

在步骤S1之前还可以包括一个信息交换步骤，各通信组向其他的通信组发送该通信组的有关信息。一个通信组的有关信息可能包括诸如该通信组的频谱质量/信道质量或者功能函数等。在一个通信组中，具体由哪一个终端设备来发送该通信组的有关信息，可以根据通信方式进行相应的约定。例如，第一通信组10包括终端设备11和12，由终端设备11首先向终端设备12发送信号，则终端设备12可以根据接收到的信号测得第一通信组10的信道质量信息并将其发送给第二通信组20和第三通信组30。这样，每个通信组都对频谱共享社区的各通信组的情况有一个基本了解。

然后，在步骤S1中，第一通信组10根据各通信组的有关信息，例如各通信组的信道质量信息，来确定其初始通信方案，该初始通信方案包括所选择的信道和/或所确定的信号发送功率。第二通信组20和第三通信组30也进行类似的操作，以确定各自的初始通信方案。该频谱共享方法的收敛速度和优化性能主要靠随后的迭代过程来保证，因此在确定初始通信方案时可以仅进行简单的信道选择，而将信号发送功率定为单位功率。

在步骤S1之后是步骤S11，各通信组根据各自的通信方案发送训练信号，亦即在各自所选择的信道以单位功率发送训练信号。这一步骤是由各通信组同步地执行的，也就是各通信组在相同的信号帧发送训练信号。各通信组的信号帧的同步可以采用同一个外部时钟来同步，例如GPS同步；或者向同一个通信组同步，例如第二通信组20和第三通信组30向第一通信组10同步。优选地，本实施例中采用GPS同步。

在步骤S11之后是步骤S12，第一通信组10将根据接收到的各通信组的训练信号来评估第一通信组10的训练结果，其可以包括第一通信组10的目标性能和方案偏好。目标性能的一个典型的内容是数据传输速率。方案偏好可以包括与共道干扰有关的信息，例如第一通信组10在所共享的频段中的各个信道的共道干扰灵敏度，共道干扰灵敏度可以表示为每单位共道干扰的增加所造成的数据传输速率的下降。一般来说，一个信道的共道干扰灵敏度越低，则选择该信道的倾向性越高。第二通信组20和第三通信组30将执行与第一通信组10类似的评估过程。

然后，开始进入迭代过程，也就是如图所示的步骤S2。该步骤又可以进一步分为以下几个子步骤。

在子步骤S21中，第一通信组10将至少部分地根据各通信组的方案偏好，采用一个收敛性策略来更新其通信方案。这时，上一次的评估结果就成为了方案更新的先验知识。换言之，所述收敛性策略可以表示为一个函数；该函数的输入至少包括上一次的评估结果中各通信组的方案偏好；该函数的输出包括所选择的信道和/或所确定的信号发送功率等内容，也就是该函数的输出包括一个通信方案。第二通信组20和第三通信组30也进行类似的操作，以更新各自的通信方案。

需要理解的是，因为各通信组在上一次发送训练信号的评估结果中的方案偏好是方案更新的先验知识，因此在执行子步骤S21之前还需要一个信息交换步骤，各通信组相互之间交换上一次发送训练信号后的评估结果中的方案偏好。

然后，在子步骤S22中，各通信组根据各自的更新的通信方案发送训练信号，亦即在各自所选择的信道以所确定的信号发送功率来发送训练信号。这一步骤是由各通信组同步地执行的，也就是各通信组在相同的信号帧发送训练信号。

然后，在子步骤S23中，第一通信组10将根据接收到的各通信组的训练信号来评估第一通信组10的训练结果，其可以包括第一通信组10的目标性能和方案偏好。第二通信组20和第三通信组30将执行与第一通信组10类似的评估过程。

子步骤S241是一个判断步骤。第一通信组10将判断各通信组的目标性能是否满足一个预定条件。第二通信组20和第三通信组30也将分别执行这样的判断。如果不满足预定条件，则将重复上述子步骤S21、S22、S23，进行下一次迭代过程。如果满足预定条件，则进入子步骤S242，各通信组将更新的通信方案确定为各自的通信方案，并结束迭代过程。之后，各通信组将根据各自的通信方案进行通信。

因为本发明的目的之一是优化频谱共享社区的整体性能，所以一个具体的预定条件可以是各通信组的目标性能的增量均小于一个预定值。当满足这一预定条件时，意味着各通信组的通信性能已经没有太多的提升空间。在其他一些实施例中，也可以为不同的通信组设定不同的预定值，即预定条件变为各通信组的目标性能增量小于各自的预定值。当采用这样的对目标性能的增量进行判断的预定条件时，在子步骤S23和子步骤S241之间还需要一个信息交换步骤，各通信组之间彼此交换有关于各自的目标性能增量的信息。下一次迭代过程中的子步骤S21之前的交换方案偏好的信息交换步骤可以与这里的信息交换步骤合并到一起，在子步骤S241之前来执行。当然，如果这两个信息交换步骤分别在判断步骤S241之前和之后执行，则在满足预定条件退出迭代过程时，可以少执行一次交换方案偏好的信息交换步骤，从而降低系统信令开销。

需要注意的是，因为上述步骤S11以及每次迭代过程中的子步骤S22，也就是发送训练信号的步骤均是由各通信组同步地执行的，因此，优选地，其余各步骤/子步骤也是由各通信组同步地执行的。这样，各通信组之间可以有规律地执行信息交换的步骤，从而可以降低系统的信令开销。

本领域技术人员应能理解，上述实施例中的收敛性策略是示例性而非限制性的。概括而言，在一个频谱共享社区中，输出包括与一个通信组的通信方案有关的内容、输入包括该共享社区的各个通信组的通信方案的后验知识、且具有收敛性的函数均可以作为本发明中所使用的收敛性策略，因为这样的函数才可用于迭代并能保证运算结果的收敛。

许多具有快速收敛速度和优良优化性能的频谱共享算法均可以作为本发明中所使用的收敛性策略。根据一些仿真实验的结果，在确定各通信组的通信方案之前的迭代次数在3到10次均是合理的。然而，收敛时间过长或优化性能较差的算法却不适合于本发明。因为低收敛速度将需要太多次迭代，从而造成过长的处理时间和过大的信令开销，并且使得算法对频谱的变化不敏感。因此，优选地，所述判断子步骤S241还可以包括：如果迭代次数超过一个预定自然数，例如10，则退出迭代过程。

在许多优化理论的帮助下，可以设计出具有合适的收敛速度和优化性能的分布式频谱共享算法，例如博弈论、凸优化理论、组合优化理论。在这些算法中，各通信组可能具有各自的目标函数或个体函数。各通信组分布地而非独立地制定各自的通信方案，以最大化各自的目标性能。通过迭代的通信方案更新过程，系统的整体通信性能得到了优化，频谱利用率得到了提高。这些算法的收敛和优化的性能可以由合适的目标函数设计和理论模型来确保。

在上述实施例的一个变化例中，可以省略步骤S 1之前的信息交换步骤，各通信组可以仅根据自身的有关信息，尤其是关于信道质量的信息，来确定其初始通信方案。通过随后的迭代的方案更新过程来优化系统的整体通信性能，尤其是频谱利用率。

总而言之，上述频谱共享方法均由一个频谱共享社区中的各通信组一起来实现。对于每一个通信组而言，实现该频谱共享方法包括一个第一次初始通信方案制定过程以及至少一次迭代的通信方案更新过程。上述方法应用迭代的过程来引导各通信组的通信方案以收敛到最优的组合。在上述方法中，各通信组基于最大化频谱利用率的原则来更新其通信方案。这些通信方案通过发送训练信号来评估。评估的结果通过消息交换被告知所有通信组，这样的反馈作为先验知识用于下一次迭代。在上述方法中，分布的通信组在空间接口交换消息，而无需依赖骨干网络。

上述方法典型地可以通过软件程序来实现。这样的软件程序内置于诸如终端设备11、12、等终端设备中，则在内置有这样的软件程序的终端设备所组成的无线分布式网络中即可实现上述频谱共享方法。

本领域技术人员应能理解，上述实施例均是示例性而非限制性的。在不同实施例中出现的不同技术特征可以进行组合，以取得有益效果。本领域技术人员在研究附图、说明书及权利要求书的基础上，应能理解并实现所揭示的实施例的其他变化的实施例。在权利要求书中，术语“包括”并不排除其他装置或步骤；不定冠词“一个”不排除多个；术语“第一”、“第二”用于标示名称而非用于表示任何特定的顺序。权利要求中的任何附图标记均不应被理解为对保护范围的限制。权利要求中出现的多个部分的功能可以由一个单独的硬件或软件模块来实现。某些技术特征出现在不同的从属权利要求中并不意味着不能将这些技术特征进行组合以取得有益效果。

Claims (10)

1.一种用于无线分布式网络的一个第一通信组的频谱共享方法，该第一通信组与其他至少一个通信组组成一个共享频谱的共享社区，各通信组包括至少两个通信终端，所述方法包括以下步骤：

A.确定第一通信组的初始通信方案；

B.根据各通信组的通信方案的评估结果，采用一个收敛性策略来迭代地更新第一通信组的通信方案，直到满足一个预定条件，

其中，所述步骤A和步骤B之间还包括步骤：

-根据第一通信组的初始通信方案发送训练信号；

-根据接收到的所述共享社区中各通信组的训练信号来评估第一通信组的训练结果，所述训练结果包括第一通信组的目标性能和方案偏好。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B包括：

B1.至少部分地根据该共享社区的各通信组的方案偏好，采用所述收敛性策略来更新第一通信组的通信方案，所述更新的通信方案包括信道选择和发送功率分配；

B2.根据第一通信组的更新的通信方案发送训练信号；

B3.根据接收到的所述共享社区中各通信组的训练信号来评估第一通信组的训练结果，所述训练结果包括第一通信组的目标性能和方案偏好；

B4.如果该共享社区内的各通信组的目标性能满足一个预定条件，则将更新的通信方案确定为第一通信组的通信方案；如果不满足所述预定条件，则重新执行步骤B1、B2、B3。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤A之前还包括：

-向该共享社区的其他通信组发送第一通信组的有关信息，并接收来自所述其他通信组的有关信息；

所述步骤A中根据该共享社区的各通信组的有关信息来确定第一通信组的初始通信方案。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤B1、B2、B3是由第一通信组与所述共享社区中的其他通信组同步地执行。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述共享社区中的各通信组采用GPS同步。

6.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，所述预定条件为：所述共享社区的各通信组的目标性能增量均小于一个预定值。

7.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤B4还包括：

如果迭代次数超过一个预定自然数，则终止该迭代过程。

8.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，所述收敛性策略是根据以下理论之一制定的：博弈论、凸优化理论、组合优化理论。

9.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，所述无线分布式网络是ad hoc网络。

10.一种终端设备，用于实现权利要求1至9中任一项所述的方法中的第一通信组，其特征在于，根据所确定的第一通信组的通信方案来进行通信。

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