CN102857305B - 一种多节点联合的频谱感知方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多节点联合的频谱感知方法，所述方法包括：次级无线通信系统按照高层节点指示的感知周期进行感知；高层节点接收次级无线通信系统的感知测量结果，并评估信道占用情况，获得感知结果和预测结果。本发明还公开了一种多节点联合的频谱感知系统，通过上述方法和系统，使得次级无线通信系统更准确的接入频谱，减小了其业务中断率。并且减少了次级无线通信系统和高层节点之间的信令开销。进一步的，高层节点还根据预测可用时间对感知周期进行优化和调整，使得次级无线通信系统有更长的时间进行数据传输，从而提高次级无线通信系统的业务量。

Description

一种多节点联合的频谱感知方法和系统

技术领域

本发明涉及认知无线电中频谱感知技术，特别是指一种多节点联合的频谱感知方法和系统。

背景技术

认知无线电(Cognitive Radio，CR)的核心思想是具有学习能力，能与周围环境交互信息，以感知和利用周围环境的可用频谱，并限制和降低冲突的发生。因此，频谱感知和接入技术是CR网络中最基础的研究领域，其目标是实现频谱资源的最优发现和准确快速接入。然而，现有认知无线电硬件平台中存在的时延会造成频谱感知结果的滞后，即次用户所使用的感知结果并非当前时刻的信道状态，而是一段时间以前的信道状态。为了解决这个问题，需要引入频谱预测来抵消时延所带来的影响。

现有频谱感知和预测的实现一般是由感知节点完成，感知节点将频谱预测结果传输给高层节点。这样的设计虽然能够在频谱感知的基础上加入信道预测，但还是存在不少弊端：首先，由于各个感知节点不仅要上报频谱感知结果，还需要上报频谱预测结果，这样加大了次用户网络的传输信令开销；其次，各个感知节点的感知结果和预测结果都经过无线信道的传输，由于无线信道的延迟或者故障，接收方接收的感知结果和预测结果准确度将会降低。上述弊端都会导致次用户的接入不准确，提高了其业务中断率，感知周期无法准确优化。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种多节点联合的频谱感知方法和系统，解决了当网络异常时，由于各个感知节点向高层节点不仅发送感知结果还发送预测结果，可能会导致的感知结果和预测结果丢失的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种多节点联合的频谱感知方法，所述方法包括：

次级无线通信系统按照高层节点指示的感知周期进行感知；

高层节点接收次级无线通信系统的感知测量结果，并评估信道占用情况，获得感知结果和预测结果。

其中，所述获得感知结果后，还包括：高层节点根据感知结果和预测结果，为次级无线通信系统选择合适的信道并调整感知周期。

其中，所述次级无线通信系统至少包括：次级基站和次级用户终端。

其中，所述的所述感知周期为：次级无线通信系统停止业务传输，在授权频谱上感知主用户对频谱的使用情况的时间段。

其中，所述感知结果和预测结果包括：当前信道占用情况列表和预测的信道占用情况列表；其中，

所述当前信道占用情况列表中包括：根据次级无线通信系统的感知测量结果，评估出的各信道当前处于各状态的概率；

所述预测的信道占用情况列表中包括：根据次级无线通信系统的感知测量结果，预测各信道处于各状态的概率；

其中，所述各状态包括：被主用户占用，即忙碌；未被主用户占用，即空闲；未知，即待定。

本发明还提供了一种多节点联合的频谱感知系统，所述系统包括：次级无线通信系统和高层节点，其中，

所述次级无线通信系统，用于按照高层节点指示的感知周期进行感知，并将感知测量结果发送给高层节点；

所述高层节点，用于接收次级无线通信系统的感知测量结果，并评估信道占用情况，获得感知结果和预测结果。

其中，所述高层节点，还用于根据感知结果和预测结果为次级无线通信系统选择合适的信道并调整感知周期。

其中，所述次级无线通信系统至少包括：次级基站和次级用户终端。

其中，所述的所述感知周期为：次级无线通信系统停止业务传输，在授权频谱上感知频谱的使用情况的时间段。

其中，所述感知结果和预测结果包括：当前信道占用情况列表和预测的信道占用情况列表；其中，

所述当前信道占用情况列表中包括：根据次级无线通信系统的感知测量结果，评估出的各信道当前处于各状态的概率；

所述预测的信道占用情况列表中包括：根据次级无线通信系统的感知测量结果，预测各信道处于各状态的概率；

其中，所述各状态包括：被主用户占用，即忙碌；未被主用户占用，即空闲；未知，即待定。

本发明所提供的多节点联合的频谱感知方法和系统，次级无线通信系统按照高层节点指示的感知周期进行感知；高层节点接收次级无线通信系统的感知测量结果，并评估信道占用情况，获得感知结果和预测结果。由于感知结果和预测结果是由高层节点根据测量结果得到的，因此预测结果更加可信，使得次级无线通信系统更准确的接入频谱，减小了其业务中断率。并且减少了次级无线通信系统和高层节点之间的信令开销。进一步的，高层节点还根据预测可用时间对感知周期进行优化和调整，使得次级无线通信系统有更长的时间进行数据传输，从而提高次级无线通信系统的业务量。

附图说明

图1为本发明一种多节点联合的频谱感知方法流程示意图；

图2为本发明多节点联合频谱感知以及感知结果使用的方法流程示意图；

图3为本发明一种多节点联合的频谱感知系统结构示意图。

具体实施方式

本发明的基本思想是：次级无线通信系统按照高层节点指示的感知周期进行感知；高层节点接收次级无线通信系统的感知测量结果，并评估信道占用情况，获得感知结果和预测结果。

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。

图1为本发明一种多节点联合的频谱感知方法流程示意图，如图1所示，所述方法包括以下步骤：

步骤101，次级无线通信系统按照高层节点指示的感知周期进行感知；

具体的，所述次级无线通信系统至少包括，次级基站和次级用户终端，即这些基站和用户终端在被测量频带上没有被授权。所述感知周期为：次级无线通信系统停止业务传输，在授权频谱上感知频谱的使用情况的时间段。

步骤102，高层节点接收次级无线通信系统的感知测量结果，并评估信道占用情况，获得感知结果和预测结果。

具体的，所述感知结果和预测结果包括：当前信道占用情况列表和预测的信道占用情况列表。其中，所述当前信道占用情况列表中包括：根据次级无线通信系统的感知测量结果，评估出的各信道当前处于各状态的概率。所述状态包括：各信道当前被主系统占用、或信道状态为空闲、或信道状态为待定。所述预测的信道占用情况列表中包括：根据次级无线通信系统的感知测量结果，预测各信道一段时间后，处于各个状态的概率。所述状态包括：各信道当前被主系统占用、或信道状态为空闲、或信道状态为待定。

进一步的，在步骤102之后，所述方法还包括：

步骤103，高层节点根据感知结果和预测结果，为次级无线通信系统选择合适的信道并调整感知周期。

具体的，高层节点根据感知结果和预测结果中的当前信道占用情况列表，以及预测的信道占用情况列表的组合，为次级无线通信系统选择合适的信道；根据预测的信道占用情况，高层节点调整感知周期。

图2为本发明多节点联合频谱感知以及感知结果使用的方法流程示意图，如图2所示，所述方法包括：

步骤201，高层节点通知次级无线通信系统进行感知；

具体的，感知周期为每100ms，次级无线通信系统静默20ms用于感知测量。

步骤202，当到达了感知周期，各次级无线通信系统停止业务传输，开始对主系统信道占用情况测量；

具体的，可以使用能量检测方法进行感知测量，其计算公式为：

$x_{E_i}=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|x_i\right|}^2---\left(1\right)$

其中，N为样本点数，N＝2TW，其中的T和W分别为时域与频域测量粒度。

步骤203，次级无线通信系统把感知结果，即上报给高层节点，高层节点根据感知结果评估信道占用情况；

具体的，高层节点接收次级无线通信系统的感知结果后，根据感知结果评估信道占用情况，其中所述评估的方式，具体为：

当感知结果中N足够大时，可近似为高斯分布：在信道状态忙碌时，服从均值为μ₁，方差为的高斯分布；在信道状态空闲时，服从均值为μ₀，方差为的高斯分布。μ₁、μ₀、和的计算方法如下所示：

μ₁＝N(P_n+P_s) (2)

μ₀＝NP_n (3)

${\mathrm{\σ}}_1^2=\sqrt{2N(P_n^2+2P_n{P}_s)}---\left(4\right)$

${\mathrm{\σ}}_0^2=\sqrt{2N}{P}_n---\left(5\right)$

其中，P_n代表噪声功率，P_s代表信号功率。

进一步的：

信道状态为忙碌的概率： $m_i\left(H_1\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\σ}}_1}\exp (-\frac{(x_{E_i}-{\mathrm{\μ}}_1)}{{\mathrm{\σ}}_1^2})---\left(6\right)$

信道状态为空闲的概率： $m_i\left(H_0\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\σ}}_0}\exp (-\frac{(x_{E_i}-{\mathrm{\μ}}_0)}{{\mathrm{\σ}}_0^2})---\left(7\right)$

信道状态为待定的概率：m_i(Ω)＝1-m_i(H₁)-m_i(H₀) (8)

假设当前次级无线通信系统仅有两个感知节点，根据感知结果结合前述公式可以获得信道i的状态概率情况如下表，即表1。

表1

步骤204：高层节点根据步骤203中计算得到的结果，获得当前信道占用情况列表；

具体的，根据步骤203中计算得到的各个信道当前空闲，忙碌，待定的概率；比较m_i(H₁)、m_i(H₀)和m_i(Ω)的值，取最大值作为信道i的状态，并附其置信度，然后按照信道状态为空闲、待定和忙碌进行归类排序，每种信道状态按置信度从大到小进行排列，得到信道当前信道占用情况列表，即表2，其中，信道状态为0表示信道空闲；1表示忙碌；2表示待定。

信道编号	信道状态	置信度
			i	0	mi(H0)
j	0	mj(H0)
			·	·	·
k	2	mk(Ω)
			m	2	mm(Ω)
·	·	·

n	1	mn(H1)
			N	1	mN(H1)

表2

步骤205：根据感知结果进行信道预测，获得预测的信道占用情况列表；

具体的，信道预测算法按照合适的算法择优选择，以隐马尔科夫模型算法为例，通过输入观察序列可以输出未来信道的状态及其概率，当预测跨度加大时，同时可以获得预测跨度内信道可用时间，得到预测的信道占用情况列表，即表3，其中，信道状态为0表示信道空闲；1表示忙碌；2表示待定。

表3

步骤206：高层节点根据感知结果和预测结果，即表2和表3，以及次级无线通信系统的QoS，待传业务量为次级无线通信系统选择合适的信道；

具体的，在表2和表3中，如果存在多个信道满足：表2中的信道状态为空闲，且置信率达到系统要求的门限值η₀；同时在列表3中这些信道的预测状态也为空闲，且置信率达到系统要求的门限值η₁，预测持续时间大于信道切换时延τ。此时高层节点选择预测持续时间最大的信道作为合适的信道，供感知节点使用。

步骤207：高层节点根据表3的预测结果调整感知周期。

具体的，将感知周期调整为：所分配信道空闲持续时间的最小值。

进一步的，步骤207之后，返回步骤201继续进行周期性的感知和预测。

图3为本发明一种多节点联合的频谱感知系统结构示意图，如图3所示，所述系统包括：次级无线通信系统31和高层节点32，其中，

所述次级无线通信系统31，用于按照高层节点32指示的感知周期进行感知，并将感知测量结果发送给高层节点32；

具体的，所述次级无线通信系统31至少包括，次级基站和次级用户终端，即这些基站和用户终端在被测量频带上没有被授权。所述感知周期为：次级无线通信系统31停止业务传输，在授权频谱上感知频谱的使用情况的时间段。

所述高层节点32，用于接收次级无线通信系统的感知测量结果，并评估信道占用情况，获得感知结果和预测结果。

具体的，所述感知结果和预测结果包括：当前信道占用情况列表和预测的信道占用情况列表。其中，所述当前信道占用情况列表中包括：根据次级无线通信系统31的感知测量结果，评估出的各信道当前处于各状态的概率。所述状态包括：各信道当前被主系统占用、或信道状态为空闲、或信道状态为待定。所述预测的信道占用情况列表中包括：根据次级无线通信系统的感知测量结果，预测各信道一段时间后，处于各个状态的概率。所述状态包括：各信道当前被主系统占用、或信道状态为空闲、或信道状态为待定。

进一步的，所述高层节点32，还用于根据感知结果和预测结果为次级无线通信系统选择合适的信道并调整感知周期。

具体的，高层节点32根据感知结果中的当前信道占用情况列表，以及预测的信道占用情况列表的组合，为次级无线通信系统31选择合适的信道；根据预测的信道占用情况，高层节点32调整感知周期。

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 (8)

1.一种多节点联合的频谱感知方法，其特征在于，所述方法包括：

次级无线通信系统按照高层节点指示的感知周期进行感知；

高层节点接收次级无线通信系统的感知测量结果，并评估信道占用情况，获得感知结果和预测结果；

高层节点根据感知结果和预测结果，为次级无线通信系统选择合适的信道并调整感知周期，将所述感知周期调整为：所分配信道空闲持续时间的最小值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述次级无线通信系统至少包括：次级基站和次级用户终端。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述感知周期为：次级无线通信系统停止业务传输，在授权频谱上感知主用户对频谱的使用情况的时间段。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述感知结果和预测结果包括：当前信道占用情况列表和预测的信道占用情况列表；其中，

所述当前信道占用情况列表中包括：根据次级无线通信系统的感知测量结果，评估出的各信道当前处于各状态的概率；

所述预测的信道占用情况列表中包括：根据次级无线通信系统的感知测量结果，预测各信道处于各状态的概率；

其中，所述各状态包括：被主用户占用，即忙碌；未被主用户占用，即空闲；未知，即待定。

5.一种多节点联合的频谱感知系统，其特征在于，所述系统包括：次级无线通信系统和高层节点，其中，

所述次级无线通信系统，用于按照高层节点指示的感知周期进行感知，并将感知测量结果发送给高层节点；

所述高层节点，用于接收次级无线通信系统的感知测量结果，并评估信道占用情况，获得感知结果和预测结果；

所述高层节点，还用于根据感知结果和预测结果为次级无线通信系统选择合适的信道并调整感知周期，将所述感知周期调整为：所分配信道空闲持续时间的最小值。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述次级无线通信系统至少包括：次级基站和次级用户终端。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述感知周期为：次级无线通信系统停止业务传输，在授权频谱上感知频谱的使用情况的时间段。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述感知结果和预测结果包括：当前信道占用情况列表和预测的信道占用情况列表；其中，

所述当前信道占用情况列表中包括：根据次级无线通信系统的感知测量结果，评估出的各信道当前处于各状态的概率；

所述预测的信道占用情况列表中包括：根据次级无线通信系统的感知测量结果，预测各信道处于各状态的概率；

其中，所述各状态包括：被主用户占用，即忙碌；未被主用户占用，即空闲；未知，即待定。