CN102711115B - 认知无线网络中机会频谱资源的多用户分布式接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种认知无线网络中机会频谱资源的多用户分布式接入方法，包括步骤：每个频谱检测单元各自选择一个主用户信道并扫描其使用情况，并将生成的信道检测信息广播给在此区域的次级用户；每个次级用户根据自身的效用函数选择合适的信道进行接入；各频谱检测单元统计接入的次级用户数量并广播用户接入数量；对超过该信道上限数量限制的次级用户进行剔除；重复上述过程直至均衡状态，随后在信道内部进行时隙资源分配；次级用户SU_i根据时隙的统计特征确定时隙选择的策略，并使用该时隙进行数据传输。本方法适用于具有多个频谱拥有者的认知无线网络环境中，分布式执行，复杂度低；节省信令开销。各频谱检测单元仅需协调各信道上的次级用户数量。

Description

认知无线网络中机会频谱资源的多用户分布式接入方法

技术领域

本发明涉及一种通信网络技术领域的方法，具体是一种认知无线电网络中机会频谱资源多用户分布式接入方法。

背景技术

随着无线服务的快速发展，频谱资源变得日益拥挤。几乎所有可以使用的频带都已经被授权分配给有关服务使用。然而，通过广泛的测量发现在授权频段中有很大的一部分处于未使用的状态。认知无线网络的一个典型特点是未授权用户对授权频段的接入能力。为了提高频谱资源的使用效率，需要设计一种有效机制来使未授权用户接入授权用户的未被使用中的频段，同时尽量减少对授权用户正常工作产生干扰。

目前，一般将认知无线网络的模型分为exclusive use(独占使用)和hierarchical access(层级接入)两种。独占使用模型中，授权用户将未被使用的频段租赁给次级用户使用。在层级接入模型中，次级用户伺机传输数据当主用户处于空闲状态。在层级接入模型中，根据主用户行为的动态特性又可以将次级用户的频谱使用分为dynamic spectrum allocation(动态频谱分配)和opportunistic spectrum access(机会频谱接入)两种。在动态频谱分配中，主用户的动态特性较低，频谱资源在一个相对较长的时间段内处于未使用状态。然而在机会频谱接入中，主用户的动态特性较高，频谱资源的空闲状态只持续一段较短的时隙。机会频谱接入的最大挑战是频谱感知信息的不完全性和不可靠性，因此难以实现对机会频谱资源的有效利用。经对现有技术文献的检索发现，机会频谱接入技术目前多关注于基于非完全感知信息的最优频谱接入策略与合作式频谱感知机制的设计。Huang等于2008年在The 27th Conference OnComputer Communications(美国电气和电子工程师协会计算机通信会议)上发表的“Opportunistic spectrum access in cognitive radio networks”(认知无线网络中的机会频谱接入)，提出了使用感知、退避和传输机制的三种频谱接入方案，并给出了对于次级用户性能的闭式分析。Anandkumar等于2010年发表在IEEE INFOCOM(电气电子工程师协会计算机通信国际会议)上的“Opportunistic spectrum access with multiple users：learning under competition”(多用户的机会频谱接入：考虑用户竞争的学习算法)，研究了如何使多个次级用户中合作式分配达到总吞吐量最大，并提出了一种学习机制以分布式的方式达到关于后悔的渐进式最优。但是上述文献的方法有较强的应用局限。Ahmad等于2009年发表在Information Theory，IEEETransactions(美国电气和电子工程师协会信息论)上的“Optimality of myopic sensing inmultichannel opportunistic access”(多频道机会接入中短视感知方法的最优性)，证明了在主用户是独立和同等分布下的马尔科夫过程模型中，当状态变化与时间正相关时短视感知策略是最优的。Tekin等于2011年在IEEE INFOCOM(电气电子工程师协会计算机通信国际会议)上发表的“Online learning in opportunistic spectrum access：A restless bandit approach”(机会频谱接入的在线学习机制)，构造了一个考虑主用户频段时变条件下次级用户频谱接入的在线学习算法。但是上述算法的缺陷在于均采用集中式算法，拥有较高的运算复杂度以及额外的通信开销。

经对现有技术文献的检索还发现，在解决无线通信网络的资源分配问题上应用博弈理论有着一般方法无法具备的优良特性：一方面能够使得各移动用户改变自身参数来最大化自身利益如提高传输速率、降低差错概率等；另一方面能够使系统总的利益如总吞吐量、总传输速率等最大化。因此，如何利用博弈原理，来实现在认知网络中机会频谱资源的频谱接入是值得研究的重要方向。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，提出了一种认知无线网络中机会频谱资源多用户分布式接入方法，该方法适用于具有多个主用户信道的无线网络环境中，分布式执行，复杂度低；节省信令开销，无线接入点之间、次级用户之间都不需要信息交互。

一个特定的地理区域有主用户系统工作在多个主用户信道上，并且采用分时隙工作方式。但是，这些信道并不是一直被主用户使用，因此存在空闲的时隙可以被次级用户使用。在此区域内，还存在多个频谱检测单元AP_i，1≤i≤M检测主用户信道的占用情况。由于主用户信道的空闲时间所含时隙数是随机的，因此AP得到的检测信息包含空闲时间时隙数的分布特性与起始时刻。另外，AP还需通过限定接入某一信道的次级用户SU数量来确保对主用户的干扰不超过限定值。

考虑存在N个次级用户SU_i，1≤i≤N，需要利用主用户信道的空闲时隙传输数据。次级用户仅需根据AP_i，1≤i≤M的广播信息决定接入某个信道的某个时隙，得到AP许可后即可接入。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种认知无线网络中机会频谱资源的多用户分布式接入方法，针对N个需要选择接入信道、并申请使用该信道的一个时隙的次级用户SU_i，1≤i≤N，设置M个频谱检测单元AP_i，1≤i≤M，其中M≥2，具体地，包括如下步骤：

步骤一：各频谱检测单元AP_i，1≤i≤M选择主用户的一个信道进行感知，并向所有次级用户SU_i，1≤i≤N广播检测信息；

步骤二：次级用户SU_i解码各频谱检测单元AP_i的广播信息，根据自身的效用函数对信道做出选择后，将选择结果传输给相应的频谱检测单元；

步骤三：各频谱检测单元AP_i统计接入的次级用户数量，然后将接入用户的数量广播给所有次级用户SU_i；

步骤四：为保证对主用户的干扰不超过限定值，各频谱检测单元AP_i将超过上限数量的次级用户从系统中剔除；

步骤五：重复步骤二、三、四至次级用户的选择达到均衡状态；

步骤六：次级用户SU_i根据时隙的统计特征确定时隙选择的策略并开始传输。

优选地，所述步骤一中频谱检测单元对信道的感知内容为信道中每个时隙的占用情况，并根据占用情况生成对该信道的检测信息。

优选地，所述步骤一中频谱检测单元AP_i将检测主用户的信道c_i得到检测结果其中s_j＝1表示时隙j被PU_i占用，s_j＝0表示时隙j未被PU_i占用。并由此检测结果得到空闲时间时隙数的分布特性与起始时刻等检测信息。空闲时间时隙数的分布特性由分布函数类型Θ_i空闲时段的开始时刻t_i和当前接入次级用户数量N_i，N_i初始化为0。所述信道c_i中空闲时隙的分布类型Θ_i根据信道使用情况的统计特性决定。

优选地，所述步骤二中解码各频谱检测单元AP_i的广播信息包括空闲时段的开始时刻t_i、信道c_i中空闲时间中各时隙的空闲概率以及选择信道c_i的次级用户的数量N_i。

优选地，所述次级用户SU_i轮流对接入的信道做出选择的方法是：次级用户SU_i根据信道c_i的时隙空闲概率以及选择信道c_i的次级用户的数量N_i，计算得到选择频谱检测单元AP_i获得的收益U_i，即：

$U_i=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^{N_i}{z}_i^k}{N_i}$ 式一

次级用户SU_i选择能够带来最大收益的频谱检测单元AP_i，即：

U_i(Z_i，N_i+1)≥U_j(Z_j，N_j)，j∈[1，M]，i≠j    式二

所述步骤五中的均衡状态是指各次级用户选择对信道的选择趋于稳定，不会有用户单方面提高自身的期望收益而跳转到其他的信道。继续重复步骤二、三、四，各信道c_i的次级用户的数量N_i和次级用户的收益U_i不会发生变化。步骤二、三、四的重复过程是发生在每一轮次级用户都做出选择一次之后，各频谱检测单元需要重新统计并广播给所有次级用户。

所述步骤四超过上限数量是指选择信道c_i的实际用户数量N_i大于其可以实际容纳的数量其中：

$N_i^{*}=\min (N_i^1,N_i^2)$ 式三

只有当用户数量N_i小于一定数值时，次级用户之间对时隙选择的博弈才存在纳什均衡，其中为满足下式的最小正整数：

$\underset{k=1}{\overset{N_i^1}{\mathrm{\Σ}}}{(1/z_i^k)}^{\frac{1}{N_i^1-1}}\≥(N_i^1-1){(1/z_i^{N_i^1})}^{\frac{1}{N_i^1-1}}$ 式四

为了使次级用户对主用户的干扰水平控制在一定的限度之内，必须对次级用户的接入数量N_i进行控制，以满足其中为满足下式的最小正整数：

$\underset{k=1}{\overset{N_i^2}{\mathrm{\Σ}}}(1-{(N_i^2-1)}^{N_i^2}{\left(\frac{\sqrt[N_i^2-1]{1/z_i^k}}{{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^{N_i^2}\sqrt[N_i^2-1]{1/z_i^l}}\right)}^{N_i^2})\·p(n_i=k)\≤{\mathrm{\η}}_i\·E\left[b_i\right]$ 式五

其中η_i由主用户自定义的参数，表示碰撞概率的上界；E[b_i]表示信道c_i处于使用状态的时隙长度；p(n_i＝k)表示总时隙长度为k的概率。

所述将超过上限数量的次级用户从系统中剔除是当选择该信道的次级用户数量高于其允许上限时，频谱检测单元将随机选出个次级用户并给他们发送拒绝服务请求，同时向剩下的选择该无线接入点的个次级用户发送同意服务请求。

所述步骤六中次级用户SU_i根据时隙的占用状态选择使用的时隙是指，次级用户SU_i根据信道c_i的时隙空闲概率计算自己的最佳时隙选择概率i∈[1，M]，j∈[1，N]，并根据此最佳时隙选择概率选择其中一个时隙作为频谱接入，其中：

$p_j^k=1-{(N_i^{*}-1)}^{N_i^{*}}{\left(\frac{\sqrt[N_i^{*}-1]{1/z_i^k}}{{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^{N_i^{*}}\sqrt[N_i^{*}-1]{1/z_i^l}}\right)}^{N_i^{*}}$ 式六

次级用户SU_j根据此混合概率在每次空闲时间出现后选择一个时隙发射。在较长的时间上看，其选择某时隙的概率是符合混合概率的。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：(i)分布式执行，复杂度较低；(ii)频谱检测单元之间不需要信息交互，次级用户之间也不需要信息交互，节省信令开销。事实上，在本发明中，各频谱检测单元仅需协调各信道上的次级用户数量以避免对主用户的过多干扰，但是次级用户对接入时隙是独立做出决策的，不需要任何协调。

附图说明

图1是本发明一实施例多个频谱检测单元和次级用户的认知网络结构示意图；

图2是本发明一实施例信道中的时隙结构示意图；

图3是本发明一实施例方法的收敛速度示意图。

具体实施方式

本发明所提供的认知无线网络中的机会频谱资源的多用户分布式接入，包含M个频谱检测单元AP_i，1≤i≤M，N个需要选择接入信道的次级用户SU_i，1≤i≤N，并申请使用该信道的一个时隙，其中优选地2≤M≤10、1≤N≤100。

如图1所示，本实施例在给定的地理区域范围内，存在3个属于授权网络主用户PU，2个频谱检测单元AP，且有20个次级用户(图中只标示了4个进行说明，分别是SU₁、SU₂、SU₃、SU₄)。每个频谱检测单元选择扫描一个主用户的一个信道资源并划分为一定数量的时隙。每个次级用户需要选择接入一个信道，并从中选择一个时隙进行数据传输。各频谱检测单元由于所选择扫描的主用户信道不同，提供的空闲时隙概率分布和可用时隙数目均不相同。次级用户将根据这两个参数选择最佳接入信道和占用的时隙。本实施例假设2个频谱检测单元提供的信道空闲时隙概率分布类型不同但概率分布的均值λ相同且均为20。假定谱检测单元、次级用户每次操作的时间都是1ms。

本实施例包括如下具体步骤：

步骤一：各频谱检测单元AP_i，1≤i≤M选择主用户的一个信道进行感知，并向所有次级用户SU_i，1≤i≤N广播空闲时间时隙数的分布特性与起始时刻等检测信息；

步骤二：次级用户SU_i解码各频谱检测单元AP_i的广播信息，得到信道时隙的空闲概率然后根据自身的效用函数对信道做出选择，将选择结果传输给相应的频谱检测单元；

步骤三：各频谱检测单元AP_i统计接入的次级用户数量，然后将接入用户的数量广播给所有次级用户SU_i；

步骤四：为保证对主用户的干扰不超过限定值，各频谱检测单元AP_i将超过上限数量的次级用户从系统中剔除；

步骤五：重复步骤二、三、四至次级用户的选择达到均衡状态；

步骤六：次级用户SU_i根据时隙的统计特征确定自己的最佳时隙选择混合概率i∈[1，M]，j∈[1，N]，并根据此最佳时隙选择混合概率选择其中一个时隙作为频谱接入，并开始传输。

所述步骤五中的均衡状态是指各次级用户选择对信道的选择趋于稳定，不会有用户单方面提高自身的期望收益而跳转到其他的信道。继续重复步骤二、三、四，各信道c_i的次级用户的数量N_i和次级用户的收益U_i不会发生变化。步骤二、三、四的重复过程是发生在每一轮次级用户都做出选择一次之后，各频谱检测单元需要重新统计并广播给所有次级用户。

如图2所示，本实施例的信道中的时隙结构示意图。Δt_i表示该信道中的一个时隙，其中T＝{Δt₁，...，Δt_i，...}表示该频段中无线接入点分配给次级用户时隙段，其中Δt₁表示该时隙的开始。

如图3所示，本实施例的某一信道次级用户接入数量方差随迭代次数变化示意图。若定义为接入信道的次级用户数量，则纵坐标表示接入某一信道的次级用户数量方差，其反映各信道的次级用户负载情况，其中表示当系统达到均衡时的信道的次级用户接入数量。因此图中曲线趋近于0表示系统已经达到均衡。此仿真表明，网络内的各信道能在每个次级用户做出少于两倍用户数量的选择后达到均衡状态。

Claims (4)

1.一种认知无线网络中机会频谱资源的多用户分布式接入方法，其特征在于，针对N个需要选择接入信道、并申请使用该信道的一个时隙的次级用户SU_i，1≤i≤N，设置M个频谱检测单元AP_i，1≤i≤M，其中M≧2，具体地，包括如下步骤：

步骤一：各频谱检测单元AP_i，1≤i≤M选择主用户的一个信道进行感知，并向所有次级用户SU_i，1≤i≤N广播检测信息；

步骤二：次级用户SU_i解码各频谱检测单元AP_i的广播信息，根据自身的效用函数对信道做出选择后，将选择结果传输给相应的频谱检测单元；

步骤三：各频谱检测单元AP_i统计接入的次级用户数量，然后将接入用户的数量广播给所有次级用户SU_i；

步骤四：为保证对主用户的干扰不超过限定值，各频谱检测单元AP_i将超过上限数量的次级用户从系统中剔除；

步骤五：重复步骤二、三、四至次级用户的选择达到均衡状态；

步骤六：次级用户SU_i根据时隙的统计特征确定时隙选择的策略，并开始传输；

所述步骤一中频谱检测单元AP_i，1≤i≤M对信道的感知内容为信道中每个时隙的占用情况，并根据占用情况生成对该信道的检测信息；

所述信道的检测信息包括分布函数类型空闲时段的开始时刻t_i和当前接入次级用户数量N_i，N_i初始化为0；所述信道c_i中空闲时隙的分布类型根据信道使用情况 $S_i^T=[s_1,s_2,...,s_T]$ 的统计特性决定；

所述步骤二中解码各频谱检测单元AP_i的广播信息包括空闲时段的开始时刻t_i、信道c_i中空闲时间中各时隙的空闲概率以及选择信道c_i的次级用户的数量N_i；

所述根据自身的效用函数对信道做出选择的方法为次级用户SU_i根据信道c_i的时隙空闲概率以及选择信道c_i的次级用户的数量N_i，计算得到选择频谱检测单元AP_i获得的收益U_i，即：

$U_i=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^{N_i}{z}_i^k}{N_i}$       式一

次级用户SU_i选择能够带来最大收益的频谱检测单元AP_i，即：

U_i(Z_i，N_i+1)≥U_j(Z_j，N_j)，j∈[1，M]，i≠j     式二；

所述步骤三中谱检测单元需要重新统计并广播给所有次级用户是发生在每一轮所有次级用户都做出选择一次之后；

所述步骤四的上限数量是指选择信道c_i的实际用户数量N_i大于其可以实际容纳的数量其中：

$N_i^{*}=\min (N_i^1,N_i^2)$        式三

只有当用户数量N_i小于一定数值时，次级用户之间对时隙选择的博弈才存在纳什均衡，其中为满足下式的最小正整数：

$\underset{k=1}{\overset{N_i^1}{\mathrm{\Σ}}}{(1/z_i^k)}^{\frac{1}{N_i^1-1}}\≥(N_i^1-1){(1/z_i^{N_i^1})}^{\frac{1}{N_i^1-1}}$        式四

为了使次级用户对主用户的干扰水平控制在一定的限度之内，必须对次级用户的接入数量N_i进行控制，以满足其中为满足下式的最小正整数：

$\underset{k=1}{\overset{N_i^2}{\mathrm{\Σ}}}(1-{(N_i^2-1)}^{N_i^2}{\left(\frac{\sqrt[N_i^2-1]{1/z_i^k}}{{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^{N_i^2}\sqrt[N_i^2-1]{1/z_i^l}}\right)}^{N_i^2})\·p(n_i=k)\≤{\mathrm{\η}}_i\·E\left[b_i\right]$ 式五

其中η_i为由主用户自定义的参数，表示碰撞概率的上界；E[b_i]表示信道c_i处于使用状态的时隙长度；p(n_i＝k)表示总时隙长度为k的概率。

2.根据权利要求1所述的认知无线网络中机会频谱资源的多用户分布式接入方法，其特征是，所述将超过上限数量的次级用户从系统中剔除是当选择该信道的次级用户数量高于其允许上限时，频谱检测单元将随机选出个次级用户并给他们发送拒绝服务请求，同时向剩下的选择该无线接入点的个次级用户发送同意服务请求。

3.根据权利要求1所述的认知无线网络中机会频谱资源的多用户分布式接入方法，其特征是，所述步骤六中的时隙选择的策略是指次级用户SU_i根据信道c_i的时隙空闲概率计算自己的最佳时隙选择概率 ${\mathrm{\ρ}}_j=\{i,P_j=(p_j^1,p_j^2,...,p_j^{N_i})\},i\∈[1,M],j\∈[1,N],$ 并根据此最佳时隙选择概率选择其中一个时隙作为频谱接入，其中：

$p_j^k=1-{(N_i^{*}-1)}^{N_i^{*}}{\left(\frac{\sqrt[N_i^{*}-1]{1/z_i^k}}{{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^{N_i^{*}}\sqrt[N_i^{*}-1]{1/z_i^l}}\right)}^{N_i^{*}}$         式六

次级用户SU_j根据此混合概率在每次空闲时间出现后选择一个时隙发射；在较长的时间上看，其选择某时隙的概率是符合混合概率的。

4.根据权利要求1所述的认知无线网络中机会频谱资源的多用户分布式接入方法，其特征是，所述步骤五中的均衡状态是指各次级用户选择对信道的选择趋于稳定，不会有用户单方面提高自身的期望收益而跳转到其他的信道；继续重复步骤二、三、四，各信道c_i的次级用户的数量N_i和次级用户的收益U_i不会发生变化。