CN102752758A - 一种基于信道状态表示的动态频谱共享方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信道状态表示的动态频谱共享方法，根据业务特性和调度算法分别对主、次系统的信道状态进行建模；根据主、次系统各自的模型，对动态频谱共享系统建立统一模型；根据所述统一模型，获得次用户的通信性能，再根据所述次用户的通信性能确定次用户的接入策略；本发明同时还公开了一种基于信道状态表示的动态频谱共享系统，通过本发明的方案，能够为动态频谱共享系统的性能分析和仿真提供更切合实际的条件假设，使动态频谱共享系统的性能分析和仿真更加准确，有利于动态频谱共享系统提前将次用户切换到发生切换概率较小的信道，减少冲突和切换时延。

Description

一种基于信道状态表示的动态频谱共享方法和系统

技术领域

本发明涉及无线通信系统中动态频谱共享技术，尤其涉及一种基于信道状态表示的动态频谱共享方法和系统。

背景技术

随着无线通信业务的迅猛发展，无线频谱资源变得越来越紧张。然而从现有的测量数据来看，基于固定频谱分配的现有频谱分配制度有着很低的资源利用率。为了提高现有频谱的利用率，动态频谱共享的概念应运而生。

将拥有频谱使用权的通信系统称为主系统，未获得频谱使用权，只能以“机会频谱接入”的方式利用空闲频谱进行通信的通信系统称为次系统。目前已有的动态频谱共享系统模型假设主系统的用户，以下简称主用户，对每个信道的使用是完全随机的；次系统的用户，以下简称次用户，在频谱感知的基础上，对当前空闲信道的使用也是随机的，即每个信道占用的概率也是相同的。这样不切合实际的假设条件，会使动态频谱共享系统的性能分析和仿真偏差变大，不利于用户的接入控制。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于信道状态表示的动态频谱共享方法和系统，使动态频谱共享系统的性能分析和仿真更加准确，减少信道冲突和切换时延。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供的一种基于信道状态表示的动态频谱共享方法，该方法包括：

根据业务特性和调度算法分别对主、次系统的信道状态进行建模；根据主、次系统各自的模型，对动态频谱共享系统建立统一模型；根据所述统一模型，获得次用户的通信性能，再根据所述次用户的通信性能确定次用户的接入策略。

上述方案中，所述根据业务特性和调度算法对主系统的信道状态进行建模，为：根据主系统的业务特性形成业务矩阵Q′₁，并根据主系统的调度算法形成调度矩阵Q′₂，将Q′₁点乘Q′₂得到主系统的状态转移矩阵Q′。

上述方案中，所述根据业务特性和调度算法对次系统的信道状态进行建模，为：根据次系统的业务特性形成业务矩阵Q″₁，并根据次系统的调度算法形成调度矩阵Q″₂，将Q″₁点乘Q″₂得到次系统的状态转移矩阵Q″。

上述方案中，得到根据主、次系统各自的模型，对动态频谱共享系统建立统一模型，为：将次系统的状态转移矩阵Q″嵌入到主系统的状态转移矩阵Q′中，得到动态频谱共享系统的状态转移矩阵Q。

上述方案中，所述Q′₁中的元素值

为：

其中，N为信道个数，S_i，S_j∈S，i∈(1，2...2^N)，j∈(1，2...2^N)，S为主系统的状态空间，k_i为S_i中X的个数，假设主用户按泊松过程到达，到达率为λ₁，主用户服务时间服从负指数分布，服务强度为μ₁。

上述方案中，所述Q′₂中的元素值

为：

其中，S_i，S_j∈S，i∈(1，2...2^N)，j∈(1，2...2^N)，S为主系统的状态空间，k_i为S_i中X的个数，

的值取决于主系统的调度算法，满足

上述方案中，所述Q″₁中的元素

为：

其中，i∈(1，2...2^N)，j∈(1，2...2^N)；Si→S_j表示主系统从状态S_i转移到状态S_j；

为在主用户不发生变化时，只有次用户使用S_i状态中空闲信道的状态转移概率矩阵；表示起始状态为S_i状态中的X取0和2的所有可能状态S′_i，终止状态为S_j状态中的X取0和2的所有可能状态S′_j的状态矩阵。

上述方案中，所述Q″₂分为对应

的Q″₂和对应的Q″₂，其中，对应

的Q″₂的元素值

为：

对应

的Q″₂的元素值为：

其中，M表示S′_i状态中空闲信道的个数；的值取决于调度策略，且满足

上述方案中，所述根据所述统一模型，获得次用户的通信性能，再根据所述次用户的通信性能确定次用户的接入策略，为：根据动态频谱共享系统的状态转移矩阵Q计算稳态概率向量，根据所述稳态概率向量获得次用户的通信性能，再根据所述次用户的通信性能确定次用户的接入策略。

本发明提供的一种基于信道状态表示的动态频谱共享系统，该系统包括：主系统建模模块、次系统建模模块、统一模型建立模块、性能分析模块和次系统接入模块；其中，

所述主系统建模模块，用于根据主系统的业务特性和调度算法对主系统的信道状态进行建模；

所述次系统建模模块，用于根据次系统的业务特性和调度算法对次系统的信道状态进行建模；

所述统一模型建立模块，用于根据主、次系统各自的模型，对动态频谱共享系统建立统一模型；

所述性能分析模块，用于根据统一模型获得次用户的通信性能；

所述次系统接入模块，用于根据所述次用户的通信性能确定次用户的接入策略。

本发明提供了一种基于信道状态表示的动态频谱共享方法和系统，根据业务特性和调度算法分别对主、次系统的信道状态进行建模；根据主、次系统各自的模型，对动态频谱共享系统建立统一模型；根据所述统一模型，获得次用户的通信性能，再根据所述次用户的通信性能确定次用户的接入策略。如此，能够为动态频谱共享系统的性能分析和仿真提供更切合实际的条件假设，使动态频谱共享系统的性能分析和仿真更加准确，有利于动态频谱共享系统提前将次用户切换到发生切换概率较小的信道，减少冲突和切换时延，并可以根据系统的性能要求，预测在一段时间内，动态频谱共享系统能够接纳的用户数，为接入控制提供依据。

附图说明

图1为本发明实现一种基于信道状态表示的动态频谱共享方法的流程示意图；

图2为本发明实现一种基于信道状态表示的动态频谱共享系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明的基本思想是：根据业务特性和调度算法分别对主、次系统的信道状态进行建模；根据主、次系统各自的模型，对动态频谱共享系统建立统一模型；根据所述统一模型，获得次用户的通信性能，再根据所述次用户的通信性能确定次用户的接入策略。

下面通过附图及具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明实现一种基于信道状态表示的动态频谱共享方法，如图1所示，该方法包括以下几个步骤：

步骤101：根据主系统的业务特性和调度算法对主系统的信道状态进行建模；

本步骤中，假设各信道的调度概率相同，根据主系统的业务特性形成业务矩阵Q′₁，并根据主系统的调度算法形成调度矩阵Q′₂，将Q′₁点乘Q′₂得到主系统的状态转移矩阵Q′；所述主系统的业务特性一般是主用户的到达或离去；

具体的，假设系统中存在N个信道，令X_i(t)(i＝1，2，...N)表示主系统中第i个信道的占用情况，若X_i(t)＝X，则表示信道i未被主用户占用；若X_i(t)＝1，则表示信道i被主用户占用。过程(X₁(t)，X₂(t)，...，X_N(t))为一个N维马尔可夫过程，其状态空间S＝{(n₁，n₂，...，n_N)|n₁，n₂，...n_N∈{X，1}}。显然，主系统状态转移矩阵Q′共存在2^N种状态。假设X状态记为0，则2^N种状态可看成2^N个二进制数，在状态空间S中这2^N个二进制数以从小到大的顺序排列。以N＝3为例，S＝(S₁，S₂，...，S₈)。其中S₁＝(X，X，X)，S₂＝(X，X，1)，S₃＝(X，1，X)，S₄＝(X，1，1)，S₅＝(1，X，X)，S₆＝(1，X，1)，S₇＝(1，1，X)，S₈＝(1，1，1)。

当信道数为N时，Q′₁为：

其中，Q′₁的元素值表示主系统从状态S_i转变为S_j的转移速率，这里S_i，S_j∈S。

假设S_i中X的个数为k_i，为主用户可用信道数目，则主用户数目为N-k_i。定义信道状态比较公式为：

对S_i和S_j进行

对比，当N个信道的对比结果中只有X时，则表示状态S_i和S_j是同一状态；当对比结果中只有一个信道为1时，则说明该信道发生变化；当对比结果中有多于一个信道为1时，则说明多个信道发生变化，为不可能情况。根据

的对比结果，得到

表达式为：

其中，假设主用户按泊松过程到达，到达率为λ₁，主用户服务时间服从负指数分布，服务强度为μ₁。

下面以N＝3为例，Q′₁为：

当信道数为N时，Q′₂为：

其中，根据

的对比结果，得到Q′₂的元素值

的表达式为：

其中，k_i为S_i中X的个数，

的值取决于主系统的调度算法，满足

下面以N＝3为例，Q′₂为：

根据上述获得的Q′₁和Q′₂，得到主系统的状态转移矩阵Q′：Q′＝Q′₁·×Q′₂。

步骤102：根据次系统的业务特性和调度算法对次系统的信道状态进行建模；

本步骤中，假设各信道的调度概率相同，根据次系统的业务特性形成业务矩阵Q″₁，并根据次系统的调度算法形成调度矩阵Q″₂，将Q″₁点乘Q″₂得到次系统的状态转移矩阵Q″；所述次系统的业务特性一般是次用户的到达或离去。

具体的，Q″₁是假设各信道的调度概率相同，只考虑次用户的到达或离去而形成的业务矩阵，Q″₂是只考虑次系统调度算法而形成的调度矩阵，其矩阵的大小是根据当前可用信道的数量变化的。主系统的状态转移矩阵Q′的每个元素对应着一个次系统的状态转移矩阵Q″。这是由于在主系统中，主系统状态S_i中信道只有X和1两种状态，而在次系统中，X可以进一步取0和2两种状态，因此主系统状态S_i对应了多个次系统状态，即：若主系统状态S_i包含X的数目为k_i，则该状态中包含

种次系统状态。令S′_i表示对应于主系统状态S_i的次系统状态，假设X＝2状态记为1，则

种序列可看成

个二进制数，将该

个二进制数以从小到大的顺序排列得到S′_i。这里，以信道数N＝3为例，取第二个主系统状态S₂＝XX1，则该状态中2²种次系统状态为：(001，021，201，221)；

以Q″₁中的元素

表示主系统状态从S_i转变为S_j的业务矩阵，

矩阵大小为

对S_i和S_j进行对比，此时存在三种情况：当N个信道的对比结果中只有X时，则表示状态S_i和S_j是同一状态；当对比结果中只有一个信道为1时，则说明该信道发生变化；当对比结果中有多于一个信道为1时，则说明多个信道发生变化，为不可能情况。根据

的对比结果，得到

表达式为：

其中，i∈(1，2...2^N)，j∈(1，2...2^N)；S_i→S_j表示主系统从状态S_i转移到状态S_j；

为在主用户不发生变化时，只有次用户使用S_i状态中空闲信道的状态转移概率矩阵，其具体求解过程与主系统状态转移矩阵Q′₁类似，包括：定义信道状态比较公式：

按照定义的信道状态比较公式进行

对比，当N个信道的对比结果中只有0，则表示状态S′_i和S′_j是同一状态；当对比结果中只有一个信道为2，则说明该信道发生变化；当对比结果中有大于一个信道为2，则说明为多个信道发生变化，为不可能情况。根据

的对比结果，得到

的元素值

为：

其中，M表示S′_j空闲信道数，假设次用户按泊松过程到达，到达率为λ₂，次用户服务时间服从负指数分布，服务强度为μ₂。

信道数为N时，

为：

上述中，

的大小为

其表示起始状态为S_i状态中的X取0和2的所有可能状态S′_i，终止状态为S_j状态中的X取0和2的所有可能状态S′_j的状态矩阵。

中的元素值定义为：

其中M表示S′_i状态中空闲信道的个数。

信道数为N时，为：

下面以信道数N＝3为例，主系统由状态XX1转移到状态X11时，计算得到Q″₁为：

对于Q″₂的计算，分为对应

的Q″₂和对应

的Q″₂，其中，对应

的Q″₂表示在主用户没有到达或离去时，次系统的调度矩阵；对应

的Q″₂表示在主用户刚好到达次用户正在使用的信道时，次用户切换到其余空闲信道的调度矩阵，此时，Q″₂受限于次系统的调度策略。

在计算对应

的Q″₂时，定义信道状态比较公式：

按照所述信道状态比较公式进行对比，当N个信道的对比结果中只有0时，则表示状态S′_i和S′_j是同一状态；当对比结果中只有一个信道为2时，则说明该信道发生变化；当对比结果中有大于一个信道为2时，则说明多个信道发生变化，为不可能情况。根据

的对比结果，得到Q″₂的元素值

为：

其中，M表示S′_i状态中空闲信道的个数；

的值取决于调度策略，且满足

在信道数为N时，对应

的Q″₂为：

在计算对应

的Q″₂时，根据

的对比结果，得到Q″₂的元素值

为：

其中M表示S′_i状态中空闲信道的个数；

的值取决于调度策略，且满足

在信道数为N时，对应

的Q″₂为：

根据上述获得的Q″₁和Q″₂，得到次系统的状态转移矩阵Q″：Q″＝Q″₁·×Q″₂。

步骤103：根据主、次系统各自的模型，对动态频谱共享系统建立统一模型；

具体的，将次系统的状态转移矩阵Q″嵌入到主系统的状态转移矩阵Q′中，得到动态频谱共享系统的状态转移矩阵Q。

这里，用表示S_i→S_j状态转移时的Q的合成子矩阵，q′表示主系统状态转移矩阵Q′中的元素，则

为：

$Q_{S_I{S}_J}=\left\{\begin{array}{c}{q}^{\′}I+Q^{\′\′},i=j\\ q^{\′}{Q}^{\′\′},i\≠j\end{array}\right.$

其中，I表示单位矩阵。

步骤104：根据所述统一模型，获得次用户的通信性能，再根据所述次用户的通信性能确定次用户的接入策略；

具体的，根据动态频谱共享系统的状态转移矩阵Q计算稳态概率向量，根据所述稳态概率向量获得次用户的通信性能，再根据所述次用户的通信性能和次系统的服务等级(GOS：grade-of-service)要求确定次用户的接入策略，所述次用户的通信性能包括：次用户的阻塞概率、用户中断概率和切换概率等；比如：

在获得状态转移矩阵Q后，由于状态转移矩阵Q满足马尔可夫性，因此可以通过状态转移矩阵求解稳态概率向量。对于稳态概率向量，其元素值表示动态频谱共享系统达到稳态时各状态的平均概率。根据稳态概率向量，可以对系统的各种性能进行概率值的分析，如：根据稳态概率向量获得阻塞概率，该阻塞概率即为到达的用户不存在可用信道时的稳态概率。

所述次系统的GOS要求是为了对次用户提供GOS保证，次系统根据次用户阻塞概率P_drop、中断概率P_block和切换概率P_handoff等性能，而定义的次系统的GOS。如：次系统GOS的一种定义为：

其中，P_drop为当前的次用户阻塞概率，

为预定义的次用户阻塞概率，P_block为当前的次用户中断概率，

为预定义的次用户中断概率。对于特定的主系统参数λ₁和μ₁以及次系统参数μ₂，次用户的阻塞概率、中断概率和切换概率等性能可表征为次系统参数λ₂的函数。如：通过稳态概率向量，得到次系统随次用户呼叫到达率λ₂的中断概率曲线，中断概率是单位时间内中断的次用户数与接入系统的次用户数之比，通过中断概率性能曲线，可以很明显的看到次用户呼叫到达率λ₂对次用户通信中断的影响。

次系统可通过调整次用户呼叫到达率λ₂，从而使次系统满足特定的GOS要求。若次系统GOS的一种定义为：

则次系统通过得到的中断概率性能曲线对次用户呼叫到达率λ₂进行控制。如果当前时刻则次系统减少次用户呼叫到达率λ₂，使次系统满足

如果当前时刻

则次系统增加次用户呼叫到达率λ₂，使增加次用户呼叫到达率λ₂后的次系统满足

本步骤中，由于动态频谱共享系统的状态转移矩阵Q满足马尔可夫性，即遍历的齐次连续参数马尔科夫过程存在极限稳态分布，且所有状态的稳态概率之和为1，所以稳态概率向量∏可以由下式求解；

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ΠQ}=\stackrel{\→}{0}\\ \mathrm{\Π}\stackrel{\→}{e}=1\end{array}\right.$

其中，

和是全0和全1的列向量。

为了实现上述方法，本发明还提供一种基于信道状态表示的动态频谱共享系统，如图2所示，该系统包括：主系统建模模块21、次系统建模模块22、统一模型建立模块23、性能分析模块24和次系统接入模块25；其中，

所述主系统建模模块21，用于根据主系统的业务特性和调度算法对主系统的信道状态进行建模；

所述次系统建模模块22，用于根据次系统的业务特性和调度算法对次系统的信道状态进行建模；

所述统一模型建立模块23，用于根据主、次系统各自的模型，对动态频谱共享系统建立统一模型；

所述性能分析模块24，用于根据统一模型获得次用户的通信性能；

所述次系统接入模块25，用于根据所述次用户的通信性能确定次用户的接入策略。

所述主系统建模模块21，具体用于根据主系统的业务特性形成业务矩阵Q′₁，并根据主系统的调度算法形成调度矩阵Q′₂，将Q′₁点乘Q′₂得到主系统的状态转移矩阵Q′；

所述次系统建模模块22，具体用于根据次系统的业务特性形成业务矩阵Q″₁，并根据次系统的调度算法形成调度矩阵Q″₂，将Q″₁点乘Q″₂得到次系统的状态转移矩阵Q″；

所述统一模型建立模块23，具体用于将次系统的状态转移矩阵Q″嵌入到主系统的状态转移矩阵Q′中，得到动态频谱共享系统的状态转移矩阵Q；

所述性能分析模块24，具体用于根据动态频谱共享系统的状态转移矩阵Q计算稳态概率向量，根据所述稳态概率向量获得次用户的通信性能；

所述次系统接入模块25，具体用于根据所述次用户的通信性能和次系统的GOS要求，控制次用户的接入。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于信道状态表示的动态频谱共享方法，其特征在于，该方法包括：

根据业务特性和调度算法分别对主、次系统的信道状态进行建模；根据主、次系统各自的模型，对动态频谱共享系统建立统一模型；根据所述统一模型，获得次用户的通信性能，再根据所述次用户的通信性能确定次用户的接入策略。

2.根据权利要求1所述的动态频谱共享方法，其特征在于，所述根据业务特性和调度算法对主系统的信道状态进行建模，为：根据主系统的业务特性形成业务矩阵Q′₁，并根据主系统的调度算法形成调度矩阵Q′₂，将Q′₁点乘Q′₂得到主系统的状态转移矩阵Q′。

3.根据权利要求1所述的动态频谱共享方法，其特征在于，所述根据业务特性和调度算法对次系统的信道状态进行建模，为：根据次系统的业务特性形成业务矩阵Q″₁，并根据次系统的调度算法形成调度矩阵Q″₂，将Q″₁点乘Q″₂得到次系统的状态转移矩阵Q″。

4.根据权利要求1所述的动态频谱共享方法，其特征在于，得到根据主、次系统各自的模型，对动态频谱共享系统建立统一模型，为：将次系统的状态转移矩阵Q″嵌入到主系统的状态转移矩阵Q′中，得到动态频谱共享系统的状态转移矩阵Q。

5.根据权利要求2所述的动态频谱共享方法，其特征在于，所述Q′₁中的元素值为：

其中，N为信道个数，S_i，S_j∈S，i∈(1，2...2^N)，j∈(1，2...2^N)，S为主系统的状态空间，k_i为S_i中X的个数，假设主用户按泊松过程到达，到达率为λ₁，主用户服务时间服从负指数分布，服务强度为μ₁。

6.根据权利要求2所述的动态频谱共享方法，其特征在于，所述Q′₂中的元素值

为：

其中，S_i，S_j∈S，i∈(1，2...2^N)，j∈(1，2...2^N)，S为主系统的状态空间，k_i为S_i中X的个数，

的值取决于主系统的调度算法，满足

7.根据权利要求3所述的动态频谱共享方法，其特征在于，所述Q″₁中的元素

为：

其中，i∈(1，2...2^N)，j∈(1，2...2^N)；S_i→S_j表示主系统从状态S_i转移到状态S_j；

为在主用户不发生变化时，只有次用户使用S_i状态中空闲信道的状态转移概率矩阵；表示起始状态为S_i状态中的X取0和2的所有可能状态S′_i，终止状态为S_j状态中的X取0和2的所有可能状态S′_j的状态矩阵。

8.根据权利要求7所述的动态频谱共享方法，其特征在于，所述Q″₂分为对应

的Q″₂和对应

的Q″₂，其中，

对应

的Q″₂的元素值

为：

对应的Q″₂的元素值为：

其中，M表示S′_i状态中空闲信道的个数；

的值取决于调度策略，且满足

9.根据权利要求4所述的动态频谱共享方法，其特征在于，所述根据所述统一模型，获得次用户的通信性能，再根据所述次用户的通信性能确定次用户的接入策略，为：根据动态频谱共享系统的状态转移矩阵Q计算稳态概率向量，根据所述稳态概率向量获得次用户的通信性能，再根据所述次用户的通信性能确定次用户的接入策略。

10.一种基于信道状态表示的动态频谱共享系统，其特征在于，该系统包括：主系统建模模块、次系统建模模块、统一模型建立模块、性能分析模块和次系统接入模块；其中，

所述主系统建模模块，用于根据主系统的业务特性和调度算法对主系统的信道状态进行建模；

所述次系统建模模块，用于根据次系统的业务特性和调度算法对次系统的信道状态进行建模；

所述统一模型建立模块，用于根据主、次系统各自的模型，对动态频谱共享系统建立统一模型；

所述性能分析模块，用于根据统一模型获得次用户的通信性能；

所述次系统接入模块，用于根据所述次用户的通信性能确定次用户的接入策略。

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