CN102932801A - 一种多用户认知无线电网络中的被动协同频谱感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多用户认知无线电网络中的被动协同频谱感知方法。该方法在基于能量的频谱检测的基础上，将通过“先感知后通信”的认知通信方式变为“先通信后感知服务补偿”的方式，优化了认知无线电通信过程中的以下几个问题：(1)去除了次用户通信之前的频谱感知时间，频谱感知工作将在通信结束后进行，缩短了“需要通信”到“能够通信”之间的总时延，大大提高了频谱检测效率；(2)总时延的缩短能够进一步减少在感知时延内出现的主用户的数量，降低对主用户的干扰；(3)只要求进行通信的次用户进行频谱感知，不需要全网次用户都进行感知，降低网络能耗；(4)“谁通信谁感知”符合公平原则，避免了不通信却需要感知用户对认知无线电的抵触。

Description

一种多用户认知无线电网络中的被动协同频谱感知方法

技术领域

本发明是一种多用户认知无线电网络中的被动协同频谱感知方法，属于认知无线电领域。

背景技术

随着无线通信技术的发展，通信性能与资源开销之间的矛盾越来越突出，频谱资源的稀缺性以及静态频谱分配策略的低效性日趋明显，认知无线电作为提高频谱利用率的新技术成为研究的热点。

“认知无线电”最早是由Jeseph Mito1a博士于1999年提出来的，它以软件无线电为扩展平台，是一种新的智能无线通信技术。它能够感知周围的无线环境，通过对环境的理解、主动学习来实时调整传输参数等以适应外部无线环境的变化。一般来说，认知无线电应该具备这些功能：第一，能够对无线传输场景进行分析，有效估计干扰温度和可靠地检测出频谱空穴。第二，信道状态的估计及其容量的预测。第三，功率控制和动态频谱管理。认知无线电中，认知用户作为第二用户只能利用法定授权的第一用户未使用的频段，一旦发现第一用户时，需要在规定的时间退出该频段而切换到其他未使用的空白频段，以避免对第一用户造成干扰。因此，频谱感知技术是认知无线电实现的前提和关键。

频谱感知技术有两种基本方案：一种是主动频谱感知方案，即使SU没有数据需要传输，也会执行周期性检测，从而获得信道使用的统计特征，当SU需要传输数据时，基于统计信息可缩短可用信道的搜索时延。然而周期性检测频谱会消耗大量能量，尤其当用户不需要传输数据时也要经常损耗能量，对用户不公平。一种是被动频谱感知方案，SU只有在有数据需要传输时才依次检测所有授权信道，直至发现一条空闲信道，而没有获得信道使用的统计特征。由于传输需求的突发性，在缺乏信道使用统计信息的情况下，SU无法选择最佳信道进行检测，只能随机选择信道，增加了可用信道的搜索时延，不仅错失频谱机会还可能导致与PU之间的冲突。

发明内容

技术目标：本发明的目的是为了克服上述现有技术中的缺点，提供一种多用户认知无线电网络中的被动协同频谱感知方法。本方法通过将频谱感知工作放到通信完成后进行，为其他认知节点做协同感知服务，在保证协同频谱感知精度的前提下，缩短了认知用户由需要数据传输到可以进行数据传输之间的时延，提高了检测效率，尤其是在授权用户切换信道频率较高时，有效避免认知用户对授权用户造成的干扰，同时只有需要通信的用户才会进行频谱感知工作，大幅度且人性化地降低了认知网络的能耗。

使用条件：在本发明的一种多用户认知无线电网络中的被动协同频谱感知方法中，当处在以下情境中，认知用户和数据融合中心启用该方法：

1)当认知无线电网络是一个大网络，有大量的授权信道可供通信，并且授权用户对信道的利用不充分，有一定数量的信道可供认知用户伺机使用且认知用户对信道进行了充分利用时，认知用户和数据融合中心启用该方法；

2)在一个比较有规模的认知无线电网络中，授权用户和认知用户都有比较频繁的切换速率，则认知用户和数据融合中心启用该方法。

为了达到上述的目的，本发明采用如下技术方案：在本发明的一种多用户认知无线电网络中的被动协同频谱感知方法中，数据融合中心将随时根据完成通信的认知用户的感知结果进行数据融合及信道判决，及时更新全网信道信息，供有通信需求的认知用户使用。

一种多用户认知无线电网络中的被动协同频谱感知方法，包括如下工作过程：

1)FC(数据融合中心)通过初始化或者SU(认知用户)的感知信息及时更新信道状态，拥有准确的、最新的信道占用信息；

2)认知网络中出现一个SU有数据需要传输，此SU向FC发送查询网络中当前信道状态请求；

3)FC接到查询请求后将此时刻FC掌握的信道占用信息下发给SU；

4)SU根据FC下发的信道占用信息，选择某一个未被占用信道进行通信，同时将自身即将使用的信道信息反馈给FC；

5)SU开始进行数据传输，在传输过程中始终保持对整个网络信道的监听；

6)当SU数据传输完毕或者有PU加入网络并要占用SU当前使用信道时，SU立即跳出当前信道；

7)如果SU是数据传输完毕，则进行一次全网的频谱感知工作并将结束通信信息附带感知内容发送至FC，如果SU是因为PU的出现而退出信道，则将被迫退出信道信息附带退出时的监听结果发送至FC。

在上述的多用户认知无线电网络中的被动协同频谱感知方法中，在所述步骤(1)中，因为FC中信息落后而对PU造成影响时FC才调用SU单纯做感知工作以便更新信道信息，对于PU受到多少影响FC才会调用SU由PU的容忍程度决定。

在上述多用户认知无线电网络中的被动协同频谱感知方法中，在所述步骤(3)中的FC向SU下发信道状态的信息为收到SU查询信息时的信道状态信息，即使在收到查询请求和下发信道信息之间又收到其他SU反馈的信道信息，FC也不会对下发信息做任何改动。

在上述的多用户认知无线电网络中的被动协同频谱感知方法中，在所述步骤(4)中，SU向FC反馈使用信道信息应与SU使用信道通信同步或有个微小时延，并且反馈信息使用报告信道，而数据传输使用数据信道。

在上述的多用户认知无线电网络中的被动协同频谱感知方法中，所述步骤(4)中，如果SU根据FC下发的可用信道选择某条信道通信，而因为误检或信息更新不及时等原因导致信道不可用，SU也需立即向FC反馈更新信道信息并重新查询。

在上述的多用户认知无线电网络中的被动协同频谱感知方法中，所述步骤(7)中，通信中断、被迫退出信道的SU需要从步骤(2)重新执行，但相比其他刚开始通信请求的SU有优先权。

有益效果：采用了该多用户认知无线电网络中的被动协同频谱感知方法，在SU需要数据传输时，既保证了协同频谱感知的精确性，又缩短了频谱感知时延，降低SU对PU可能造成的影响，提高频谱检测效率；有数据传输要求的SU才会进行感知工作，不需要全网SU持续进行频谱检测，有效降低了网络平均能耗，并且通信次数多的SU多感知，通信次数少的SU少感知，符合公平原则。

附图说明

图1是本发明的多用户认知无线电网络中的被动协同频谱感知方法的SU查询可用信道示意图，SU1、SU2、SU3通信完成后进行感知为SU0数据传输前的信道查询服务；

图2是本发明的多用户认知无线电网络中的被动协同频谱感知方法的SU工作时序图，FC通过异步方式接收SU的感知结果并进行信道更新；

图3是本发明的多用户认知无线电网络中的被动协同频谱感知方法的导致FC更新信道信息不及时的示意图，此时需要FC调用部分SU进行频谱感知以便更新信道信息；

图4是本发明的多用户认知无线电网络中的被动协同频谱感知方法的流程图。

具体实施方式

为了更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

请参阅图1及图4所示，为本发明所提供的一种多用户认知无线电网络中的被动协同频谱感知方法的一种协同工作和实施方式的流程图。

假设应用实例：一个认知无线电网络，网络初始化已经完成，网络中PU以及SU已经进入正常工作状态，FC拥有最新的信道使用信息。其具体实施方式描述如下：

1)某个或者某几个SU完成通信后进行频谱感知工作，并将频谱感知结果发送至FC；

2)FC收到SU发送的频谱感知结果后立即在后台进行数据融合工作，此工作不受任何外界因素影响，除非FC再次进行初始化；

3)FC利用其后台数据融合结果更新信道使用情况的数据库，供SU查询；

4)在某时刻T，有一个SU(为了作为区别，我们记为SU0，如图1所示)需要利用认知频段进行通信；

5)SU0向FC发送查询可用信道信息请求；

6)FC在T1时刻接收到SU0的查询请求，将此时FC中信道使用情况数据库中可用信道信息打包发送给SU0，无论此时FC后台是否正在进行数据融合，其打包发送的信息为T1时刻数据库中的静态信息；

7)SU0接收到FC下发的信道信息后，选择可用信道CH1.4(如图1所示)进行通信，并将信道占用情况反馈给FC，供FC更新信道信息的数据库；

8)SU0在通信过程中需要监听网络变化直到通信结束，如果通信过程中有PU需要使用CH1.4信道，则SU0需要立即进行信道切换让出CH1.4信道；

9)无论SU0进行了信道切换还是完成通信，只要停止了对CH1.4信道的占用，就需要在停止占用时刻进行全网的频谱感知，将网络中的信道状态信息上报给FC；

10)FC接收到SU0的上报信息后重复步骤(2)；

11)当FC中信道信息由于更新不及时而对PU造成影响，并超过PU容忍限度的时候，FC调用SU进行频谱感知并进行信道更新和网络初始化，然后重复步骤(1)。

采用了该发明的一种多用户认知无线电网络中的被动协同频谱感知方法，认知用户SU在使用认知网络信道前不再需要进行频谱感知工作，而只需要通过向数据融合中心FC查询，来确定使用未被主用户PU占用的信道，SU从需要通信到能够通信之间的时延得到了缩短。此外，该方法改变了数据融合中心的融合机制，异步融合机制去除了同步机制对频谱感知结果的时间等待，保证了信道信息的实时性。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (2)

1.一种多用户认知无线电网络中的被动协同频谱感知方法，所述的认知无线电协同频谱感知网络包括主用户PU即频带授权用户、次用户SU即认知用户和数据融合中心FC，所述协同频谱感知方法包括以下步骤：

1)SU只能在PU不占用频谱的时间段内伺机接入频谱进行通信，当某个SU需要进行数据通信，便向FC查询可用信道信息；

2)在这个SU查询可用信道信息之前的小段时间内，会有其他若干SU完成通信和频谱感知工作并向FC进行了上报，FC根据这些信息进行数据融合和信道判决；

3)SU根据FC中信道判决结果选择合适信道进行数据通信；

4)SU在通信过程中要监听已分配信道的信道状态，当PU要使用该分配的信道时，SU要及时跳出已分配通信信道并向FC反馈，同时返回步骤1)；

5)SU通信结束后进行频谱感知工作并将感知结果提交给FC以供步骤2)使用，其中步骤4)中的被迫跳出可视为SU多阶段通信中的一个阶段通信结束，也要进行频谱感知工作，并将感知结果提交给FC以供步骤2)；

6)SU完成步骤5)后进入待机状态，如果有再次通信需求则只需从步骤1)重复上述步骤，其中上述再次通信需求包括上述被迫跳出通信过程后继续要通信的情况；

上述协同频谱感知方法进一步包括如下步骤：当SU对频谱利用很低时，导致FC中的信道信息更新不及时，FC要在网络初始化或者信息更新不及时导致对PU造成很大干扰的时刻调动一部分SU进行频谱感知来更新FC中的信道信息。

2.根据权利1所述的一种多用户认知无线电网络中的被动协同频谱感知方法，其特征在于，需要通信的SU完全置信协同SU的感知结果，在通信之前不需要经历漫长的频谱感知时间、数据融合时间和信道判决时间，直接向FC询问当前可用信道信息并进行通信，通信完成后进行感知工作为其他SU服务。

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