CN102547733A - 频谱空洞处理方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种频谱空洞处理方法和装置。该方法包括：为从用户预留预定数量的频谱空洞；当从用户进行频谱切换时从预留的频谱空洞为从用户选择用于切换的信道；新从用户不使用预留的频谱空洞接入从系统。本发明的方法和装置通过预留频谱空洞的方法为从用户的频谱切换提供保障，将多个主系统共存的环境和不同用户需求频谱资源量的差异考虑到预留方法的设计当中，通过不同的频谱空洞预留方式可调节整个频段内正在通信的主用户和从用户的数量，降低从用户因主用户到达收回频谱空洞导致的从用户频谱切换失败概率，提高从用户频谱切换成功率，进而保证从用户业务质量。

Description

频谱空洞处理方法和装置

技术领域

本发明涉及认知无线电技术领域，尤其涉及一种频谱空洞处理方法和装置。

背景技术

认知无线电技术通过使用暂时没被主用户使用的授权频段(本文中称为频谱空洞)完成从用户的通信。当主用户重新使用其授权频段的时候，从用户应退出该频谱空洞以保障主用户的通信质量。由于从用户对主用户的退让，使得从用户经常产生频谱切换。即从用户退出当前使用的频谱空洞使用其他的频谱空洞继续其业务传输。当从用户缺乏频谱空洞或可选择的频谱空洞不足以承载从用户当前进行的业务时，从用户将掉话。

为了降低频谱切换的掉话率，现有研究大致可以分为两类。

第一类研究认为主用户和从用户使用的频谱带宽相同，并假设主用户和从用户均随机地选取可用频率。特别地，这类方案认为主系统会根据从系统的需要改变主用户对频谱的使用方式。并且当新的从用户没有频谱空洞用于接入从系统时，可以使用从用户预留的频谱空洞。这种设计具有很大弊端。首先，根据认知无线电的定义，主系统不应当为从系统的通信而改变自身对授权频段的使用。其次，当新的从用户可以使用已被预留的频谱空洞时，客观上已经不构成对频谱空洞的“预留”，而仅仅是改变了从用户接入时选择频谱空洞的顺序。因此，第一类的研究方案不能准确对频谱空洞的占用建模，并且并未解决从用户用于频谱切换的资源紧缺的问题。

第二类研究划分为多条信道并令主用户和从用户需要不同数量的信道承载其业务。整个系统预留一定数量的频谱空洞，作为从用户频谱切换时使用。相对于第一类研究，这类研究将频谱资源进一步细化，通过不同信道数量区分业务量的大小。但这类研究并未解决以下几个问题。首先，认知无线电的频谱检测范围将不限于仅一个主系统。根据认知无线电的定义，只要是在某一段时间某一个区域内主用户未使用的一段频率均可称为频谱空洞。而根据频谱划分结果，授权系统的频段是紧密排列的。因此，认知无线电设备可以检测到不同的主用户信号，也就可以使用不同主系统的频率。而这些主系统的频段内出现频谱空洞的规律是有差别的。其次，主用户和从用户占用频率资源的规律影响了从用户掉话率。主用户占用资源的规律直接决定了频谱空洞出现的规律，而从用户占用频谱空洞的规律间接决定了其产生频谱切换的规律。再次，频谱空洞是随时间变化的，导致从用户可以使用的频谱空洞总数变化。频谱空洞预留方案需要考虑到预留的频谱空洞数量随时间的变化。最后，实现预留的频谱空洞的维护和更新功能的实体没有确定。从用户设备的功能将决定其工作方式，例如集中式从系统中，从用户分为从基站和从终端，他们的功能不同，应有不同的工作方式。

因此，现有的研究，没有考虑多个主系统共存情况、并未考虑主用户活动差异的影响(包括对频率的占用和使用时间的差别)，和实现频谱空洞预留的功能实体。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是提供一种频谱空洞处理方法，能够降低从用户的掉话率。

本发明提供一种频谱空洞处理方法，包括：

为从用户预留预定数量的频谱空洞；

当从用户进行频谱切换时从预留的频谱空洞为从用户选择用于切换的信道。

根据本发明的频谱空洞处理方法的一个实施例，还包括：新从用户不使用所述预留的频谱空洞接入从系统。

根据本发明的频谱空洞处理方法的一个实施例，为从用户预留预定数量的频谱空洞包括：由从系统为全部从用户预留预定数量的频谱空洞；

当从用户进行频谱切换时从预留的频谱空洞为从用户选择用于切换的信道包括：当从用户进行频谱切换时，从系统从预留的频谱空洞为从用户分配用于切换的信道。

根据本发明的频谱空洞处理方法的一个实施例，还包括：根据用户掉话率公式确定预留的频谱空洞的预定数量。

根据本发明的频谱空洞处理方法的一个实施例，为从用户预留预定数量的频谱空洞包括：由从用户为自身预留预定数量的频谱空洞；

当从用户进行频谱切换时从预留的频谱空洞选择用于切换的信道包括：当从用户进行频谱切换时，从用户从预留的频谱空洞选择用于切换的信道。

根据本发明的频谱空洞处理方法的一个实施例，还包括：当预留的频谱空洞被主用户占用时，从用户从可用的频谱空洞选择频谱空洞补充被占用的预留频谱空洞。

本发明的频谱空洞处理方法，为从用户事先预留信道用于从用户频谱切换时优先使用，从而降低从用户的掉话率。

本发明要解决的另一个技术问题是提供一种频谱空洞处理方法，能够降低从用户的掉话率。

本发明提供一种频谱空洞处理装置，包括：

频谱空洞预留单元，用于为从用户预留预定数量的频谱空洞；

频谱空洞分配单元，用于当从用户进行频谱切换时从预留的频谱空洞为从用户选择用于切换的信道。

根据本发明的频谱空洞处理装置的一个实施例，频谱空洞分配单元拒绝新从用户使用预留的频谱空洞接入从系统。

根据本发明的频谱空洞处理装置的一个实施例，还包括频谱空洞更新单元，用于当所述预留的频谱空洞被主用户占用时，从可用的频谱空洞选择频谱空洞补充被占用的预留频谱空洞。

根据本发明的频谱空洞处理装置的一个实施例，还包括空洞数量确定单元，用于根据用户掉话率公式确定预留的频谱空洞的预定数量。

本发明的频谱空洞处理装置，通过频谱空洞预留单元为从用户事先预留信道用于从用户频谱切换时优先使用，通过频谱空洞分配单元为从用户分配用于切换的频谱空洞，从而降低从用户的掉话率。

附图说明

图1示出本发明的频谱空洞处理方法的一个实施例的流程图；

图2示出马儿科夫过程状态转移图(局部)；

图3示出本发明的频谱空洞处理方法的另一个实施例的流程图；

图4示出本发明的频谱空洞处理方法的又一个实施例的流程图；

图5示出本发明的频谱空洞处理方法的再一个实施例的流程图；

图6示出本发明的频谱空洞处理装置的一个实施例的结构图；

图7示出本发明的频谱空洞处理装置的另一个实施例的结构图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。在附图中，相同的标号表示相同或者相似的组件或者元素。

图1示出本发明的频谱空洞处理方法的一个实施例的流程图。

如图1所示，在步骤102，为从用户预留预定数量的频谱空洞。可以针对不同频谱空洞预留功能实体给出频谱空洞预留方法，例如，可以由从系统进行全局预留频谱空洞，或者由从用户进行自身预留频谱空洞。

在步骤104，当从用户进行频谱切换时从预留的频谱空洞选择用于切换的信道。当新的从用户接入系统时，不使用预留的频谱空洞接入系统。

上述实施例中，为从用户事先预留信道用于从用户频谱切换时优先使用，从而降低从用户的掉话率。

假设共计M个主系统，每个主系统以标号a＝1，2，...，M标识。主系统M_a共计有N_a条信道且该主系统的主用户通信需要占用U_a条信道。那么所有主系统有共计

条信道。任意一个从用户可以占用Ω条信道中的X条空闲信道通信。由于将频谱划分为信道，为方便描述，将每条信道也称为一个频谱空洞。

主用户只能占用自身主系统的U_a条其他主用户未使用的信道通信。从用户则从Ω条信道中选择未被主用户或其他从用户占用的X条空闲信道通信。因此对从用户来讲其选择信道的范围比主用户更大，只要尽量避免所选的信道被主用户占用而造成掉话即可。例如，从用户以从尽可能多的主系统的频段中选取X条空闲信道作为频谱空洞选择的原则。但仅仅这样选择还不能达到降低掉话率的目的。因为各主系统的主用户活动规律不同，因此信道被占用的规律也有差别。只要X条信道中有任意一条被主用户占用，从用户就不得不进行频谱切换。

以(i，j)代表当前有个i从用户和j个主用户正在通信。以代表状态从(i，j)变化到(i-α，j+1)。状态(i，j)及相邻状态代表了所有频谱资源的利用情况变化规律。i和j可以取所有从用户和主用户可能取到的数值。

正在通信的从用户数量减少，有如下几种可能。第一，有从用户业务自然结束释放频谱空洞。第二，由于新主用户的到来，占用了该从用户的频谱空洞导致其掉话。

正在通信的从用户数量增加，是由于有新的从用户发起业务并成功接入。

正在通信的主用户数量减少，是因为主用户的业务正常结束释放了频率资源。在认知无线电中，由于从用户不得干扰主用户通信的规则限制，所以主用户的通信结束在此可以认为与从用户行为无关。

正在通信的主用户数量增加，有两种情况。第一，正在通信的从用户数量并未改变。这说明有主用户发起新的业务，占用了部分频谱空洞，但未导致从用户掉话。这可能是该主用户恰巧没有占用到任何从用户正在使用的频谱空洞，也可能是即使从用户有部分频谱空洞被占用了，但具备足够的预留频谱空洞补偿主用户占用的频谱空洞造成的损失。第二，正在通信的从用户数量减少若干个。与前种情况类似，这种情况说明从用户预留的频谱空洞也不能补偿主用户占用信道带来的损失。由于从用户使用频谱空洞不是在频率上连续或集中于一个主系统的，因此新到达的主用户占用的频谱空洞可能被多个从用户使用。最终表现为多个从用户掉话。

全部的状态构成了一个马尔科夫过程。其状态转移图如下。为便于理解，以状态(i，j)及其相邻状态画出相邻状态转移规律。图2示出马儿科夫过程状态转移图(局部)。

根据状态转移关系，可得到其稳态方程组的通用表达方式如下。

$P(i,j)\{{\mathrm{\γ}}_{(i+1,j)}^{(i,j)}+i{\mathrm{\μ}}_s+\underset{\mathrm{\α}=0}{\overset{\min (L_{j+1},i)}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_{(i-\mathrm{\α},j+1)}^{(i,j)}+j{\mathrm{\μ}}_p+{\mathrm{\γ}}_{(i,j+1)}^{(i,j)}\}$

$=P(i,j+1)(j+1){\mathrm{\μ}}_p+\underset{\mathrm{\α}=0}{\overset{\min (L_{j+1},i)}{\mathrm{\Σ}}}P(i+\mathrm{\α},j-1){\mathrm{\γ}}_{(i,j)}^{(i+\mathrm{\α},j-1)}+$

$P(i+1,j)(i+1){\mathrm{\μ}}_s+P(i-1,j){\mathrm{\γ}}_{(i,j)}^{(i-1,j)}$

(1)

其中，P(i，j)表示稳态时状态处于(i，j)的概率。μ_p和μ_s分别表示主用户和从用户的到达率。

从用户掉话发生于主用户的到来导致从用户没有足够的频谱空洞为正在进行的业务服务。掉话率的表达形式，因采用的从用户预留方式不同而改变。下面给出三个实施例，分别给出(1)中各γ值的计算，及掉话率的表达式，并求解最优的预留频谱空洞数目。

下面的实施例中，针对不同频谱空洞预留功能实体给出频谱空洞预留方法。将全部主系统的信道作为整体，可以通过下述方法得到计算主用户和从用户分别使用不同信道数的公式。通过调整公式中参数，使整个系统掉话率降低，从而得到从用户掉话率最低的预留信道数量。

图3示出本发明的频谱空洞处理方法的另一个实施例的流程图。在该实施例中，不通过单独的从用户完成频谱空洞的预留，而是由从系统统一预留R个频谱空洞，分给任何需要进行频谱切换的从用户。

如图3所示，在步骤302，由从系统为所有从用户统一预留R个频谱空洞。

在步骤304，当从用户接入系统时不使用预留的频谱空洞。

在步骤306，当从用户进行频谱切换时向从系统申请需要的频谱空洞数量。

在步骤308，从系统根据从用户的申请从预留的频谱空洞中为从用户分配用于切换的频谱空洞。

上述实施例中，由从系统进行频谱空洞的预留以及分配，能够从全局进行频谱资源的管理和优化，降低从用户的掉话率。

根据本发明的一个实施例，从系统预留频谱空洞后，在一定时期内不更新预留的频谱空洞，从而使预留的频谱空洞保持相对稳定。例如，从系统周期性地更新预留地频谱空洞。该实施例能够节省从系统的处理开销。

根据本发明的另一个实施例，当从用户或主用户中出现信道占用或释放时，从系统负责更新预留频谱空洞的数量，使其尽可能接近预定数量(例如，最大值R)。该实施例能够尽量保证从用户有足够的预留频谱空洞用于频谱切换。

频谱空洞资源的表示方法

对于任意一个时刻，所有资源的使用情况可由两个变量标记：正在通信的主用户数量、正在通信的从用户数量。由这两个变量即可以得到占用频谱空洞数量、空闲频谱空洞数量等信息。因此，本方法以状态(i，j)标记各个资源占用情况，其表示方式如下。

在状态(i，j)，从系统预留的频谱空洞数量为

$R_{i,j}^a=\left\{\begin{array}{c}R,\mathrm{\&theta;}(i,j)\&GreaterEqual;R\\ \mathrm{\&theta;}(i,j),\mathrm{\&theta;}(i,j)<R\end{array}\right.$

(2)

其中，

L_e表示主用户e使用的信道数，θ(i，j)表示空闲的信道数。则新到达的从用户可以使用的频谱空洞数量为

从系统自动地更新

后将其标记为

频谱空洞资源变更过程

新到达的主用户j+1将占用L_j+1条信道。这些信道可能来自：从用户正在使用的iX个频谱空洞中的l个；

当中的h个；和

中的L_j+1-l-h个频谱空洞。因此当

时，从系统可以补充的预留频谱空洞数量为而同时从用户将从中补充最多l个频谱空洞。即

其中，m(i，j)＝min(θ(i，j+1)+l，R)-l。m(i，j)≥0表示所有受到影响的从用户均补充足够的频谱空洞。

令在状态(i，j)下新到达的主用户导致从用户掉话的概率为P(m(i，j)＜0)×λ_p。有k^a≤L_j+1个从用户需使用预留的频谱空洞，每个从用户需要补充的频谱空洞数为

每个从用户从尽可能多的主系统中选取自己需要的频谱空洞，i个从用户中，其中从用户q有B_q∈[0，X]个频谱空洞被新到达主用户占用的概率为

$P\left(V_{i,j}^{\left(B_q\right)}\left(l\right)\right)=C_l^{B_q}{C}_{\mathrm{iX}-l}^{X-B_q}/C_{\mathrm{iX}}^X$

(3)

其中表示从用户q的B_q个频谱空洞中被主用户占用的个数。

状态(i，j)-＞(i-1，j+1)表明新到一个主用户j+1导致一个从用户掉话，该从用户被占用的频谱空洞数为B_q＝l。因此

${\mathrm{\&gamma;}}_{(i-1,j+1)}^{(i,j)}=P\left(V_{i,j}^{\left(B_q\right)}\left(B_q\right)\right)\&CenterDot;P(m(i,j)<0)\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}_p$

(4)

状态(i，j)-＞(i-2，j+1)表示两个从用户掉话，他们被占用的频谱空洞数为B_q1+B_q2＝l，那么

${\mathrm{\&gamma;}}_{(i-2,j+1)}^{(i,j)}=P(V_{i,j}^{\left(B_{q1}\right)},V_{i,j}^{\left(B_{q2}\right)})\&CenterDot;P(m(i,j)<0)\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}_p=P\left(V_{i,j}^{\left(B_{q1}\right)}\right)\&CenterDot;P\left(V_{i,j}^{\left(B_{q2}\right)}\right|V_{i,j}^{\left(B_{q1}\right)})\&CenterDot;P(m(i,j)<0)\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}_p$

(5)

其中， $P\left(V_{i,j}^{\left(B_{q2}\right)}\right|V_{i,j}^{\left(B_{q1}\right)})=\frac{C_{1-B_{q1}}^{B_{q2}}{C}_{(i-1)X-(1-B_{q1})}^{X-B_{q2}}}{C_{(i-1)X}^X}.$

类似可得，

${\mathrm{\&gamma;}}_{(i-\mathrm{\&alpha;},j+1)}^{(i,j)}=P(V_{i-1,j+1}^{\left(B_{q1}\right)},V_{i-1,j+1}^{\left(B_{q2}\right)},...,V_{i-1,j+1}^{\left(B_{\mathrm{q\&alpha;}}\right)})P(m(i,j)<0)\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}_p$

$=P(m(i,j)<0)\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}_p\&CenterDot;\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\&alpha;}}{\mathrm{\&Pi;}}}P\left(H_{i,j}^{\left(B_{\mathrm{qn}}\right)}\left({\mathrm{\&psi;}}_n\right)\right)$

(6)

其中， $\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\&alpha;}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{B}_{\mathrm{qn}}=l,\mathrm{\&alpha;}=\min (L_{j+1},i),$

$P\left(H_{i,j}^{\left(B_{\mathrm{qn}}\right)}\left({\mathrm{\&Psi;}}_n\right)\right)=C_{{\mathrm{\&psi;}}_n}^{B_{\mathrm{qn}}}{C}_{(i-n+1)X-{\mathrm{\&psi;}}_n}^{X-B_{\mathrm{qn}}}/C_{(i-n+1)X}^X,{\mathrm{\&psi;}}_1=l,{\mathrm{\&psi;}}_n=l-\underset{\mathrm{\&epsiv;}=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{B}_{\mathrm{q\&epsiv;}},n\&GreaterEqual;2.$

主用户的到达并未导致从用户掉话的概率为

${\mathrm{\&gamma;}}_{(i,j+1)}^{(i,j)}=1-P(m(i,j)<0)\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}_p$

(7)

从用户到达时有足够的频谱空洞供接入的概率为

${\mathrm{\&gamma;}}_{(i+1,j)}^{(i,j)}=P(\mathrm{\&theta;}(i,j)\&GreaterEqual;R+X)\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}_s$

(8)

其余转移概率分别为，

${\mathrm{\&gamma;}}_{(i,j-1)}^{(i,j)}=j{\mathrm{\&mu;}}_p,{\mathrm{\&gamma;}}_{(i-1,j)}^{(i,j)}=i{\mathrm{\&mu;}}_s,{\mathrm{\&gamma;}}_{(i,j)}^{(i+1,j)}=(i+1){\mathrm{\&mu;}}_s,{\mathrm{\&gamma;}}_{(i,j)}^{(i,j+1)}=(j+1){\mathrm{\&mu;}}_p,$

${\mathrm{\&gamma;}}_{(i,j)}^{(i,j-1)}=1-P(m(i,j-1)<0)\&times;{\mathrm{\&lambda;}}_p,{\mathrm{\&gamma;}}_{(i,j)}^{(i-1,j)}=P(\mathrm{\&theta;}(i-1,j)\&GreaterEqual;R+X)\&times;{\mathrm{\&lambda;}}_s.$

基于以上推导，可以得到从用户掉话率为

$P_{\mathrm{Drop}}=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{\&Omega;}/X}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{\mathrm{\&Gamma;}}{\mathrm{\&Sigma;}}}P(m(i,j)<0)\&CenterDot;P(i,j)$

(9)

预留空洞数量优化的求解

由于式(9)是由R为自变量表示的一个隐性表达式，可以将其作为R的函数。因此求在R为自变量下的最小值点及对应的R值，即可得到最优预留频谱空洞数量和对应的从系统掉话率。根据用户掉话率公式确定预留频谱空洞的数量，可以优化整个系统资源，降低从用户掉话率。

图4示出本发明的频谱空洞处理方法的又一个实施例的流程图。在该实施例中，由每个从用户预留自身可用的频谱空洞，从系统不负责频谱空洞预留。

如图4所示，在步骤402，从用户接入从系统时为自身预留R个频谱空洞。

在步骤404，当其他从用户接入系统时不使用该从用户预留的频谱空洞。

在步骤406，当该从用户进行频谱切换时从该从用户预留的频谱空洞中选择用于切换的频谱空洞。

在步骤408，该从用户在通信过程中不更新预留的频谱空洞。

上述实施例中，由各个独立的从用户在接入从系统时预留自身频谱切换需要的频谱空洞，从系统不负责对各从用户预留的频谱空洞的管理与维护。从用户仅在其接入从系统时选择一次预留的频谱空洞，在其整个通信过程中不再更新这些频谱空洞的信息，从而节省从用户的处理开销。

令从用户的业务最少需要X个频谱空洞，从用户接入时需要占用Z＝X+Y个频谱空洞。一旦从用户接入，将不对预留的频谱空洞进行更新。同一个频谱空洞不能同时被多个从用户选作预留频谱空洞。在从用户通信过程中，主用户可能占用从用户预留的和正在使用的频谱空洞。当主用户的到来使得从用户使用的频谱空洞数量不足X个时，从用户将掉话。

下面给出此实施例的从用户掉话率及预留空洞数量确定方法。

频谱空洞资源的表示方法

在状态(i，j)，从用户ζ∈[1，i]使用

个频谱空洞。可供新到达的从用户接入使用的频谱空洞数量为

${\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{noupdate}}(i,j)=\mathrm{\&Omega;}-\mathrm{\&Phi;}(i,j)-\underset{e=1}{\overset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{L}_e,\mathrm{\&Phi;}(i,j)=\underset{\mathrm{\&zeta;}=1}{\overset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_{i,j}^a\left(\mathrm{\&zeta;}\right)$

(10)

当主用户j+1到达时，他将占用L_j+1个频谱空洞。这些被占用的频谱空洞可能来自Φ(i，j)中的h≤L_j+1个和θ_noupdate(i，j)中的L_j+1-h个。

以

表示i个从用户中的一个从用户ζ有κ_ζ个频谱空洞被主用户j+1占用的概率为

$P\left({\mathrm{\&nu;}}_{i,j}^{\left({\mathrm{\&kappa;}}_{\mathrm{\&zeta;}}\right)}\left(h\right)\right)=C_h^{{\mathrm{\&kappa;}}_{\mathrm{\&zeta;}}}{C}_{\mathrm{\&Phi;}(i,j)-h}^{S_{i,j}^a\left(\mathrm{\&zeta;}\right)-{\mathrm{\&kappa;}}_{\mathrm{\&zeta;}}}/C_{\mathrm{\&Phi;}(i,j)}^{S_{i,j}^a\left(\mathrm{\&zeta;}\right)}$

(11)

那么在状态(i，j)产生从用户掉话的概率为

$P_{\mathrm{Drop}}^{\mathrm{noupdate}}(i,j)=\underset{\mathrm{\&zeta;}=1}{\overset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{{\mathrm{\&kappa;}}_{\mathrm{\&zeta;}}=S_{i,j}^a\left(\mathrm{\&zeta;}\right)-X}{\overset{S_{i,j}^a\left(\mathrm{\&zeta;}\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}}A,$

$A=P\left({\mathrm{\&nu;}}_{i,j}^{\left({\mathrm{\&kappa;}}_{\mathrm{\&zeta;}}\right)}\left(h\right)\right)\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}_p\&CenterDot;P(0<{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{noupdate}}<L_{j+1})$

(12)

其中， $\underset{\mathrm{\&zeta;}=1}{\overset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&kappa;}}_{\mathrm{\&zeta;}}=h.$

该实施例的状态转移概率表达式表示如下。

${\mathrm{\&mu;}}_{(i,j+1)}^{(i,j)}=1-P_{\mathrm{Drop}}^{\mathrm{noupdate}}(i,j)$

(13)

${\mathrm{\&mu;}}_{(i-1,j+1)}^{(i,j)}=\underset{\mathrm{\&zeta;}=1}{\overset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{{\mathrm{\&kappa;}}_{\mathrm{\&zeta;}}=S_{i,j}^a\left(\mathrm{\&zeta;}\right)-X}{\overset{S_{i,j}^a\left(\mathrm{\&zeta;}\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{C_{S_{i,j}^a\left(\mathrm{\&zeta;}\right)}^{{\mathrm{\&kappa;}}_{\mathrm{\&zeta;}}}{C}_{\mathrm{\&Phi;}(i,j)-S_{i,j}^a\left(\mathrm{\&zeta;}\right)-(i-1)X}^{h-{\mathrm{\&kappa;}}_{\mathrm{\&zeta;}}}}{C_{\mathrm{\&Phi;}(i,j)}^h}\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}_p$

(14)

${\mathrm{\&mu;}}_{(i-\mathrm{\&beta;},j+1)}^{(i,j)}=\underset{\mathrm{\&zeta;}=1}{\overset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{s=1}{\overset{\mathrm{\&beta;}}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&gamma;},$

$\mathrm{\&gamma;}=\underset{{\mathrm{\&chi;}}_{\mathrm{\&zeta;s}}=S_{i,j}^a\left(\mathrm{\&zeta;s}\right)-X}{\overset{S_{i,j}^a\left(\mathrm{\&zeta;a}\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{C_{\mathrm{\&Phi;}(i,j)-I_{i,j}\left(\mathrm{\&beta;}\right)-(i-\mathrm{\&beta;})X}^{h-{\mathrm{\&Delta;}}_{i,j}\left(\mathrm{\&beta;}\right)}}{C_{\mathrm{\&Phi;}(i,j)}^h}\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}_p\&CenterDot;\underset{s=1}{\overset{\mathrm{\&beta;}}{\mathrm{\&Pi;}}}{C}_{S_{i,j}^a\left(\mathrm{\&zeta;s}\right)}^{{\mathrm{\&kappa;}}_{\mathrm{\&zeta;s}}}$

(15)

其中，

β∈[1，min(L_j+1，i)]。

${\mathrm{\&mu;}}_{(i+1,j)}^{(i,j)}=P({\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{noupdate}}(i,j)\&GreaterEqual;Z)\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}_s$

(16)

${\mathrm{\&mu;}}_{(i,j-1)}^{(i,j)}=j{\mathrm{\&mu;}}_p$

(17)

${\mathrm{\&mu;}}_{(i-1,j)}^{(i,j)}=i{\mathrm{\&mu;}}_s$

(18)

${\mathrm{\&mu;}}_{(i,j)}^{(i+1,j)}=(i+1){\mathrm{\&mu;}}_s$

(19)

${\mathrm{\&mu;}}_{(i,j)}^{(i,j-1)}=1-P_{\mathrm{Drop}}^{\mathrm{noupdate}}(i,j-1)$

(20)

${\mathrm{\&mu;}}_{(i,j)}^{(i-1,j)}=P({\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{noupdate}}(i-1,j)\&GreaterEqual;Z)\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}_s$

(21)

${\mathrm{\&mu;}}_{(i,j)}^{(i,j+1)}=(j+1){\mathrm{\&mu;}}_p$

(22)

其马尔科夫过程稳态方程组仅需将(1)中α和γ分别替换为β和μ即可。

该实施例的从用户掉话率可表示为

$P_{\mathrm{Drop}}^{\mathrm{noupdate}}=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{\&Omega;}/X}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{\mathrm{\&Gamma;}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\mathrm{Drop}}^{\mathrm{noupdate}}(i,j)\&CenterDot;P(i,j)$

(23)

预留空洞数量优化的求解

由于式(23)是由R为自变量表示的一个隐性表达式，可以将其作为R的函数。因此求在R为自变量下的最大值点及对应的R值，即可得到最优预留频谱空洞数量和对应的从系统掉话率。

图5示出本发明的频谱空洞处理方法的再一个实施例的流程图。在该实施例中从用户将更新预留的频谱空洞，使自身预留的频谱空洞数量接近或等于R。

如图5所示，在步骤502，从用户接入从系统时为自身预留R个频谱空洞。

在步骤504，当其他从用户接入系统时不使用该从用户预留的频谱空洞。

在步骤506，当该从用户进行频谱切换时从该从用户预留的频谱空洞中选择用于切换的频谱空洞。

在步骤508，该从用户在通信过程中更新预留的频谱空洞使自身预留的频谱空洞数量接近或等于R。

下面给出此实施例的从用户掉话率及预留空洞数量计算方法。在该实施例仍采用图3实施例中基本假设，并保留参数ζ和的定义。

频谱空洞资源的表示方法

状态(i，j)下所有从用户占用的频谱空洞数量为：

${\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{update}}^a(i,j)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{iZ},{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{update}}(i,j)\&GreaterEqual;0\\ \underset{\mathrm{\&zeta;}=1}{\overset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_{i,j}^a\left(\mathrm{\&zeta;}\right),{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{update}}(i,j)<0\end{array}\right.$

(24)

其中，该状态全部可用的频谱空洞数量与新用户可以使用的频谱空洞数量相同，以θ_update(i，j)表示。具体表达式为

(25)

若θ_update(i，j+1)≥0，主用户j+1的到来不会导致任何从用户掉话。该主用户将从

中占用个频谱空洞和θ_update(i，j)中占用

个。

从用户通过更新预留的频谱空洞，从θ_update(i，j)-L_j+1+d个频谱空洞中最多补充h^c个。因此

其中

是从用户ζ更新的预留频谱空洞数。因为θ_update(i，j+1)＜0，所以θ_update(i，j)-L_j+1+d＜d。即

以上过程等效于从

个频谱空洞中选取h^b＝L_j+1-θ_update(i，j)个。

以表示主用户j+1到来占用了从用户ζ的χ_ζ个频谱空洞，表示为

$P\left({\mathrm{\&iota;}}_{i,j}^{\left({\mathrm{\&chi;}}_{\mathrm{\&zeta;}}\right)}\left(h^b\right)\right)=\frac{C_{h^b}^{{\mathrm{\&chi;}}_{\mathrm{\&zeta;}}}{C}_{{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{update}}^a(i,j)-h^b}^{S_{i,j}^a\left(\mathrm{\&zeta;}\right)-{\mathrm{\&chi;}}_{\mathrm{\&zeta;}}}}{C_{{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{update}}^a(i,j)}^{S_{i,j}^a\left(\mathrm{\&zeta;}\right)}},$ 其中 $\underset{\mathrm{\&zeta;}=1}{\overset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&chi;}}_{\mathrm{\&zeta;}}=h^b.$

因此，从用户掉话的概率为

$P_{\mathrm{Drop}}^{\mathrm{update}}(i,j)=\underset{\mathrm{\&zeta;}=1}{\overset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{{\mathrm{\&chi;}}_{\mathrm{\&zeta;}}=S_{i,j}^b\left(\mathrm{\&zeta;}\right)-X}{\overset{S_{i,j}^b\left(\mathrm{\&zeta;}\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}}P\left({\mathrm{\&iota;}}_{i,j}^{\left({\mathrm{\&chi;}}_{\mathrm{\&zeta;}}\right)}\left(h^b\right)\right)\&CenterDot;T,$

T＝·P(0≤θ_update(i，j)＜L_j+1)·λ_p

(26)

该实施例的马尔科夫稳态转移概率列写如下。

${\mathrm{\&sigma;}}_{(i,j+1)}^{(i,j)}=1-P_{\mathrm{Drop}}^{\mathrm{update}}(i,j)$

(27)

(28)

其中，θ∈[1，min(L_j+1，i)]。

${\mathrm{\&sigma;}}_{(i+1,j)}^{(i,j)}=P({\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{update}}(i,j)\&GreaterEqual;Z)\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}_s$

(29)

${\mathrm{\&sigma;}}_{(i,j-1)}^{(i,j)}=j{\mathrm{\&mu;}}_s$

(30)

${\mathrm{\&sigma;}}_{(i-1,j)}^{(i,j)}=i{\mathrm{\&mu;}}_s$

(31)

${\mathrm{\&sigma;}}_{(i,j)}^{(i+1,j)}=(i+1){\mathrm{\&mu;}}_s$

(32)

${\mathrm{\&sigma;}}_{(i,j)}^{(i,j-1)}=1-P_{\mathrm{Drop}}^{\mathrm{update}}(i,j-1)$

(33)

${\mathrm{\&sigma;}}_{(i,j)}^{(i-1,j)}=P({\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{update}}(i-1,j)\&GreaterEqual;Z)\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}_s$

(34)

${\mathrm{\&sigma;}}_{(i,j)}^{(i,j+1)}=(j+1){\mathrm{\&mu;}}_p$

(35)

其马尔科夫过程稳态方程组仅需将(1)中α和γ分别替换为θ和σ即可。

该实施例的从用户掉话率可表示为：

$P_{\mathrm{Drop}}^{\mathrm{update}}=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{\&Omega;}/X}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{\mathrm{\&Gamma;}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\mathrm{Drop}}^{\mathrm{update}}(i,j)\&CenterDot;P(i,j)$

(36)

预留空洞数量优化的求解

由于式(36)是由R为自变量表示的一个隐性表达式，可以将其作为R的函数。因此求在R为自变量下的最小值点及对应的R值，即可得到最优预留频谱空洞数量和对应的从系统掉话率。

上述实施例中，由各个独立的从用户在接入从系统时预留自身频谱切换需要的频谱空洞，从系统不负责对各从用户预留的频谱空洞的管理与维护。从用户在其整个通信过程中将实时更新这些频谱空洞的信息。一旦从用户发现自身预留的频谱空洞被主用户占用，该从用户会从目前可用的频谱空洞补充损失掉的预留频谱空洞，以保障其频谱切换有足够的频谱空洞使用，从而更好地保证从用户的切换成功率。

图6示出本发明的频谱空洞处理装置的一个实施例的结构图。如图6所示，该实施例中的频谱空洞处理装置包括频谱空洞预留单元61和频谱空洞分配单元62。其中，频谱空洞预留单元61为从用户预留预定数量的频谱空洞；频谱空洞分配单元62用于当从用户进行频谱切换时从预留的频谱空洞为从用户选择用于切换的信道。

图7示出本发明的频谱空洞处理装置的另一个实施例的结构图。如图7所示，该实施例中的频谱空洞处理装置除了包括频谱空洞预留单元61和频谱空洞分配单元62，还可选地包括空洞数量确定单元73和频谱空洞更新单元74。空洞数量确定单元73根据用户掉话率公式确定预留的频谱空洞的预定数量，从而使得用户掉话率最小。如何根据用户掉话率公式确定预留的频谱空洞的预定数量可以参见前面实施例中的具体描述，为简洁起见在此不再详细叙述。频谱空洞更新单元74用于当预留的频谱空洞被主用户占用时，从可用的频谱空洞选择频谱空洞补充被占用的预留频谱空洞，以保障其频谱切换有足够的频谱空洞使用，从而更好地保证从用户的切换成功率。

现有研究中，缺乏对认知无线电可检测多个主系统频段的考虑，并未对从用户使用频谱空洞的规律进行限制，加之现有研究忽略了频谱空洞数量变化和信道预留功能实体不同对从系统性能产生的影响，导致难以从用户切换掉话率降低。本发明给出两种频谱空洞预留实体的预留方法，并对预留频谱空洞的数量给出优化方法。该发明应用于认知无线电技术的从用户接入控制领域，通过预留频谱空洞的方法为从用户的频谱切换提供保障，将多个主系统共存的环境和不同用户需求频谱资源量的差异考虑到预留方法的设计当中，通过不同的频谱空洞预留方式可调节整个频段内正在通信的主用户和从用户的数量，降低从用户因主用户到达收回频谱空洞导致的从用户频谱切换失败概率，提高从用户频谱切换成功率，进而保证从用户业务质量。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种频谱空洞处理方法，其特征在于，包括：

为从用户预留预定数量的频谱空洞；

当从用户进行频谱切换时从所述预留的频谱空洞为从用户选择用于切换的信道。

2.根据权利要求1所述的频谱空洞处理方法，其特征在于，还包括：

新从用户不使用所述预留的频谱空洞接入从系统。

3.根据权利要求1所述的频谱空洞处理方法，其特征在于，所述为从用户预留预定数量的频谱空洞包括：

由从系统为全部从用户预留预定数量的频谱空洞；

所述当从用户进行频谱切换时从所述预留的频谱空洞为从用户选择用于切换的信道包括：

当从用户进行频谱切换时，从系统从所述预留的频谱空洞为所述从用户分配用于切换的信道。

4.根据权利要求1所述的频谱空洞处理方法，其特征在于，还包括：

根据用户掉话率公式确定所述预留的频谱空洞的所述预定数量。

5.根据权利要求1所述的频谱空洞处理方法，其特征在于，所述为从用户预留预定数量的频谱空洞包括：

由从用户为自身预留预定数量的频谱空洞；

所述当从用户进行频谱切换时从所述预留的频谱空洞选择用于切换的信道包括：

当所述从用户进行频谱切换时，所述从用户从所述预留的频谱空洞选择用于切换的信道。

6.根据权利要求5所述的频谱空洞处理方法，其特征在于，还包括：

当所述预留的频谱空洞被主用户占用时，所述从用户从可用的频谱空洞选择频谱空洞补充被占用的预留频谱空洞。

7.一种频谱空洞处理装置，其特征在于，包括：

频谱空洞预留单元，用于为从用户预留预定数量的频谱空洞；

频谱空洞分配单元，用于当从用户进行频谱切换时从所述预留的频谱空洞为所述从用户选择用于切换的信道。

8.根据权利要求7所述的频谱空洞处理装置，其特征在于，所述频谱空洞分配单元拒绝新从用户使用所述预留的频谱空洞接入从系统。

9.根据权利要求7所述的频谱空洞处理装置，其特征在于，还包括：

频谱空洞更新单元，用于当所述预留的频谱空洞被主用户占用时，从可用的频谱空洞选择频谱空洞补充被占用的预留频谱空洞。

10.根据权利要求7所述的频谱空洞处理装置，其特征在于，还包括：

空洞数量确定单元，用于根据用户掉话率公式确定所述预留的频谱空洞的所述预定数量。

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