CN103200623B - 一种认知无线电中动态调节预留信道的决策方法及实现装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种认知无线电系统动态调节预留信道的决策方法及其实现装置，包括：在认知无线电预留信道机制下，通过统计当前预留信道及非预留内的信道总数与用户数，根据决策装置动态调整预留信道的大小，以达到在满足系统最大允许的切换率、掉话率及阻塞率的前提下，相比固定预留信道数目方案接纳更多的认知用户，从而有效提高系统容量。

Description

一种认知无线电中动态调节预留信道的决策方法及实现装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及认知无线电预留信道方案中的动态调节预留数目的决策方法以及实现上述方法的装置。

背景技术

认知无线电作为有效利用频谱资源的技术方案已被广泛研究，信道预留技术是一种有效提高认知无线电系统容量的方式，通过预留一些信道专门供主用户接入，从而可以减小由于认知用户的接入所带来的频繁切换及掉话等影响。目前，基于马尔可夫链的概率分析对固定预留信道方案的研究已经非常深入，但对动态信道预留技术的研究仍比较缺乏。

传统研究预留信道的方式是基于马尔可夫链的分析，在所有的Ｎ条信道中固定预留出Ｒ条专门用于主用户的接入，通过主用户与认知用户的到达率和服务率列出状态转移方程，从而叠代解方程组得到系统内所有状态的概率，最终通过统计符合条件的状态概率得出系统的切换率、掉话率及阻塞率。基于马尔可夫链的分析会有多种扩展，多数通过引入某种改进的措施来降低切换率等指标，但都脱离不了这种分析静态状态转移的思路。

发明内容

本发明提出了一种根据信道内的实时状态动态调节预留信道数目的决策方法及实现装置，以保证在满足系统允许的最大切换率、掉话率及阻塞率的前提下，尽可能多的接纳认知用户，从而有效提高系统容量。

本发明的具体实现过程如下：

步骤1、实时统计预留信道内的用户数与非预留信道内的用户数，用i和j分别来表示；

步骤2、将i和j与预留信道总数Ｒ和非预留信道总数Ｎ-Ｒ进行比较分析，通过决策装置按以下原则对预留信道数目Ｒ进行动态调节，每个时隙内只进行不超过一次的调节，每次对Ｒ的调整范围是增减一条信道。

1）i＝R,j＝N-R时，所有信道都被主用户与认知用户占据。此时不对Ｒ进行调整。

2）i＜R,j＝N-R时，所有非预留信道都被占满而预留信道未占满，此时不论预留信道还有多少空余信道，从预留的信道中分配出一条作为为非预留信道给认知用户使用。此时减小预留信道数Ｒ至Ｒ-1。

3）i＜R,j＜N-R时，在预留信道与非预留信道中，至少各有一条空余的信道。此时不对Ｒ进行调整。

4）i＝R,j＜N-R时，所有的预留信道都被主用户占用，而非预留信道未全部占满，此时预留信道数Ｒ的调整要根据具体的j值来进行：

（a）i＝R,j＝N-R-1时，系统中只有一条非预留信道空余，为了引入更多的认知用户业务，将最后的一条信道留给认知用户使用。此时不对Ｒ进行调整。

（b）i＝R,j＜N-R-1时，系统中至少有两条非预留信道空余，为了避免新到来的主用户接入非预留信道造成频繁的认知用户切换，从非预留的信道中分配出一条作为预留信道给主用户使用。此时增大预留信道数Ｒ至Ｒ+1。

在上述状态中有两种状态需要注意，即当i＝R-1,j＝N-R和i＝R,j＝N-R-1时，这二者的共同点在于它们都只有一条空余信道。此时我们令前者的R发生调整而后者不调整，使得空余的这一条信道给认知用户使用而不给主用户，从而为提高认知用户的系统容量带来帮助。另外，如果对二者的状态不采取这种偏袒的方式的话，那么动态预留信道调节方式就会不断在这两种状态间反复变换，而这并不是我们希望的。

将所有对Ｒ的调整归类后，可得到如图1所示的动态调节方案示意图。

下面通过仿真对算法性能进行评估。

对预留信道算法进行建模，假设系统内共有Ｎ条信道，其中Ｒ条信道为预留信道专供主用户接入，认知用户可在剩余的Ｎ-Ｒ条信道内接入服务。主用户和认知用户服从均值为λ_P和λ_S的泊松分布，主用户和认知用户的服务率服从均值为1/μ_P和1/μ_S的负指数分布。主用户有优先接入信道的权利，认知用户只能伺机利用空余的频谱来接入传输。当预留信道Ｒ中主用户未占满时，新到来的主用户优先接入Ｒ中，否则它将随机接入到非预留的某条信道，会有可能对其他的认知用户产生切换或掉话的影响。在动态仿真中实时统计新发起的认知用户业务数、切换数、掉话数及新认知用户阻塞数，作为最后评判方案有效性的标准。在动态预留信道方案中，同时要实时统计预留信道内的用户数与非预留信道内的用户数，作为预留信道数目调节的判定参量。

仿真分为两个部分，区别于之前研究所用的马尔可夫静态概率分析方法，第一部分先对固定预留方案进行动态仿真，得到在固定预留信道数方案下的最优预留数目Ｒ，并记录此时系统允许的最大认知用户容量λ_S，作为与动态预留信道算法相比的基准值；第二部分仿真运用动态预留信道算法的系统性能，以Ｎ/2作为Ｒ的初始值，通过控制决策装置在仿真过程中实时对Ｒ进行调节，得出该算法下系统能接受的最大认知用户容量λ′_S。

在仿真过程中，实时记录认知用户发起的新业务数N_TotalNum、切换数N_HandoffNum、掉话数N_DropNum及新业务阻塞数N_BlockNum，定义认知用户的切换率P_handoff、掉话率P_drop及阻塞率P_block如下所示：

$P_{\mathrm{drop}}=\frac{N_{\mathrm{DropNum}}}{N_{\mathrm{TotalNum}}},$ $P_{\mathrm{block}}=\frac{N_{\mathrm{BlockNum}}}{N_{\mathrm{TotalNum}}},$ $P_{\mathrm{handoff}}=\frac{N_{\mathrm{HandoffNum}}}{N_{\mathrm{TotalNum}}}---\left(1\right)$

定义系统能够允许的最大切换率、掉话率及阻塞率，则固定预留方案中可接受的最大认知用户容量λ_S可按公式(2)得到。

$C=\max \left\{\underset{R=\mathrm{0,1},...,N}{\max }\right\{{\mathrm{\&lambda;}}_s^{\left(R\right)}|P_{\mathrm{handoff}}<p_h,P_{\mathrm{block}}<p_b,P_{\mathrm{drop}}<p_d\}\}---\left(2\right)$

具体仿真参数如表1所示。

表1  仿真参数

信道数	9
		λP	0.4
λS	0.1至1.0
		μP	0.1
μs	0.1
		ph	0.2
pd	0.05
		pb	0.1
仿真时长	3000

根据仿真参数，对固定预留信道方案进行仿真得到Ｒ从0到9所有数据，找到Ｒ所对应每个值时系统能允许的最大λ_S，通过比较后可知当R＝4时可获得最大值λ_S＝0.3，仿真图如图2所示。

将之前结果作为基准值，仿真动态预留信道方案，得到图3所示结果，从中找到最大允许接纳的认知用户容量为λ_S＝0.38，相比固定预留方案有26%的提高。

因此，本发明通过动态预留信道决策方法及实现装置，使得系统内的预留信道与非预留信道数能够根据具体的用户占用情况进行有效调节，在满足系统最大允许的切换概率等前提下接入更多的认知用户，从而能够有效提高系统容量。

附图说明

图1为动态调节预留信道数的决策方法。

图2为固定预留信道最优解的仿真结果。

图3为引入决策方法后动态预留信道的仿真结果。

Claims (2)

1.一种认知无线电系统中动态调节预留信道的决策方法，其特征在于，包括：

CR系统更新并统计当前时隙信道中主用户与认知用户的信息，包括预留信道内的主用户数i、非预留信道内的用户数j、当前预留信道总数R及非预留信道总数N-R；

通过动态预留信道决策算法，根据判决准则对预留信道与非预留信道内用户数及总数的关系进行判决，得到对预留的信道数目的调整方案；每个时隙内只进行不超过一次的调节，调整结果分为三种：增大一条预留信道、减小一条预留信道及不调整，具体调整结果按下述方案得到：

1)i＝R,j＝N-R时，所有信道都被主用户与认知用户占据，此时不对R进行调整；

2)i＜R,j＝N-R时，所有非预留信道都被占满而预留信道未占满，分配一条预留信道给认知用户使用，此时减小R至R-1；

3)i＜R,j＜N-R时，在预留信道与非预留信道中，至少各有一条空余的信道，此时不对R进行调整；

4)i＝R,j＜N-R时，所有的预留信道全部占满而非预留信道未全部占满，此时R的调整要根据具体的j值来进行：

(a)i＝R,j＝N-R-1时，系统中只有一条非预留信道空余将其留给认知用户使用，此时不对R进行调整；

(b)i＝R,j＜N-R-1时，系统中至少有两条非预留信道空余，从非预留的信道中分配出一条作为预留信道给主用户使用，此时增大R至R+1；

按照上述方案，动态调整预留信道数目。

2.一种动态调节认知无线电预留信道的决策装置，包括：

系统信息获取模块，用于更新系统当前时隙信道中主用户与认知用户的信息，统计当前信道中预留信道及非预留信道内的用户数与信道总数；

预留信道决策模块，按照权利要求1所述的方法，对预留信道及非预留信道内的用户数与信道总数的关系进行判决，得到对预留信道总数的调整结果；

预留信道调整模块，执行决策模块的调整方案，对预留信道数目进行调整。