CN103237356B - 基于信道质量的选择性认知接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于信道质量的选择性认知接入方法，包括以下步骤：获取认知无线电系统的最佳门限当认知终端需要发送数据时，认知终端在频域上序贯地感知、探测各个信道，判断探测到的信道Ci的实时状态是否满足以下条件：信道Ci为空闲信道，并且，信道Ci的链路质量优于最佳门限如果满足，则认知终端接入所述信道Ci，并通过所述信道Ci序贯地传输数据，同时，所述认知终端监测信道Ci的实时状态，当监测到所述信道Ci的实时状态低于或等于最佳门限时，所述认知终端立即释放当前的所述信道Ci，然后进行新一轮的信道感知与探测。认知终端联合考虑信道可用性和瞬时链路质量进行信道接入和释放决策，能够大幅提高频谱使用效率。

Description

基于信道质量的选择性认知接入方法

技术领域

本发明属于无线通信技术中的认知无线电领域，具体涉及一种基于信道质量的选择性认知接入方法。

背景技术

频谱是无线信号赖以传输的媒介。长期以来，为了保证各种无线业务和网络能够在自由传播空间中互不干扰地共存，频谱分配方式为简单的静态分配方式，即由频谱管理部门将可用频谱资源划分成若干非重叠的固定频段，然后将划分后的固定频段分配给各种不同的服务与技术，通常将获得频率使用资格的用户称为授权用户或主用户。

在无线通信发展初期，人们对无线业务的需求总量较小，因此，上述静态的频谱资源分配方式，因其具有简单的可操作性强的优点，所以取得了很好的效果。

近二十年来，无线的接入方式越来越受到人们青睐。大量的无线通信需求使得无线通信技术蓬勃发展，无线业务和无线网络激增。在有限的频谱资源下，现有的静态频谱资源分配方式已经无法适应无线网络发展的需求：由于已有的无线业务几乎占据了整个可用频段，大量的新增业务与无线技术难以获得稳定频段进行应用推广。因此，有限的且静态分配的频谱资源已经成为制约无线通信发展的主瓶颈。

近些年来，认知无线网络(CRN：Cognitive Radio Networks)已被广泛认可为缓解频谱短缺问题的最有效技术手段。认知无线网络的一个主要目标就是通过引入机会频谱接入，最大限度地提高宝贵频谱资源的利用效率。通常，认知用户通过频谱感知确定当前信道是否被主用户使用，如果信道空闲，则机会用户机会地接入当前频段进行传输。为了保护主用户通信不被干扰，当主用户返回时，认知用户需要立即释放当前信道。在传统的认知接入概念中，认知用户仅依据信道的忙闲状态决定是否接入信道，并且，为了最大化信道利用率，认知用户一旦发现频谱空闲即接入进行传输，且直到主用户返回才释放信道。虽然这种贪婪的频谱使用方式，大大提高了频谱的使用率，但是，存在频谱使用效率低的问题。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于信道质量的选择性认知接入方法，联合考虑了信道的可用性和瞬时链路质量，其中，信道的可用性指信道占用或信道空闲状态，瞬时链路质量指信道可提供的传输速率。认知终端在感知到信道空闲之后，还将进一步的探测信道以获得瞬时链路质量，并根据瞬时链路质量决定是否接入该信道。认知终端可以通过机会地利用信道时-频分集来提高频谱使用效率，而且，由于可用信道的数目众多，比如，超过半数的用户通常拥有20个以上的可用TV信道，因此，该种分集增益非常可观。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种基于信道质量的选择性认知接入方法，包括以下步骤：

S1，对于包含N个信道的认知无线电系统，其中，信道集合表示为{c₁,c₂,...,c_N}；获取该认知无线电系统的最佳门限

S2，当认知终端需要发送数据时，所述认知终端在频域上序贯地感知、探测各个信道，判断探测到的信道Ci的实时状态是否满足以下条件：信道Ci为空闲信道，并且，信道Ci的链路质量优于最佳门限如果满足，则执行S3；如果不满足，则继续感知并探测下一个信道；

S3，所述认知终端接入所述信道Ci，并通过所述信道Ci序贯地传输数据，同时，所述认知终端监测信道Ci的实时状态，当监测到所述信道Ci的实时状态低于或等于最佳门限时，所述认知终端立即释放当前的所述信道Ci，然后进行新一轮的信道感知与探测。

优选的，S1中，该认知无线电系统的最佳门限通过以下方法获取：

S1-1，获取所述认知无线电系统的初始参数值；所述初始参数值包括：

a)信道空闲持续时间的分布函数F_i(·)、信道占用持续时间的分布函数F_b(·)、信道空闲持续时间期望值α和信道占用持续时间期望值β；

b)所述认知无线电系统中节点的最大多普勒频移f_d；

c)信道平均信噪比γ₀；

d)所述认知无线电系统支持的传输速率等级{0,1,...,K-1}以及各档速率对应的信噪比门限Γ_k；

S1-2，信道状态离散化：

根据所述认知无线电系统支持的传输速率等级，将信道描述为K状态的有限状态马尔科夫模型{s₀,s₁,...,s_K}；其中，信道状态s₀表示支持的速率处于0档，具体为“信道占用”或“信道空闲，但接收信噪比小于门限Γ₁”；信道状态s_k表示支持的速率处于k档，具体为“信道空闲，且接收信噪比Γ_k≤γ＜Γ_k+1”；γ为接收信噪比；

S1-3，信道状态稳态分布向量：

a)通过式1获取信道空闲概率的平稳分布θ_i和信道占用概率的平稳分布θ_b：

b)通过式2获取信道链路质量平稳分布π_k：

其中，γ≥0；

c)通过式3获取信道联合状态平稳分布p_k：

S1-4，信道状态转移矩阵：

a)通过式4获取信道空闲转移概率：

b)通过式5获取信道链路质量状态的转移概率q_s,s'：

$q_{k,k-1}=\frac{\mathrm{\Λ}\left({\mathrm{\Γ}}_k\right)}{{\mathrm{\π}}_k}{\mathrm{\τ}}_{dm},k=1,2,...,K-1$

$q_{k,k+1}=\frac{\mathrm{\Λ}\left({\mathrm{\Γ}}_{k+1}\right)}{{\mathrm{\π}}_k}{\mathrm{\τ}}_{dm},k=0,1,...,K-2$

q_k,k＝1-q_k,k+1-q_k,k-1,k＝1,2,...,K-2

q_0,0＝1-q_0,1

q_K-1,K-1＝1-q_K-1,K-2 式5

其中，τ_dm为认知无线电系统设计的帧长，Λ(·)为水平穿越率函数：

c)通过式6获取信道联合状态的一步转移概率μ_k,l：

S1-5，根据信道分布信息，获取最佳门限

a)对于每一个k∈{0,1,...,K-1}，按式7计算：

其中τ_d，τ_dm和τ_sp分别为数据帧长、帧长和感知探测时间开销；为信道联合状态稳态分布向量；为信道状态对应的传输速率向量，其中，R(k)表示信道状态s_k所支持的传输速率；矩阵Θ_k由信道转移概率组成：

b)选择使Ξ(s_k)值最大的状态作为选择性接入门限，即最佳门限k^*：

s_k∈{s₀,s₁,...,s_K-2}。

优选的，S2中，当认知终端需要发送数据时，所述认知终端在频域上序贯地感知、探测各个信道具体包括以下步骤：

S2-1，当认知终端需要发送数据时，所述认知终端首先在公共控制通道传送一个RTS数据包；接收终端通过回复CTS，使所述认知终端和所述接收终端共享信道感知序列，实现所述认知终端和所述接收终端的同步；

S2-2，所述认知终端和所述接收终端基于所述信道感知序列同时切换到一个新的信道Cx，其中，信道Cx为信道集合中的一个元素；在所述信道Cx上进行频谱感知，耗费感知时间τ_s；如果感知到所述信道Cx为空闲信道，则所述认知终端发送测量数据包进行链路质量探测，探测时间为τ_p，如果当前链路质量优于所述最佳门限则接入所述信道Cx进行数据传输，否则切换信道；如果感知到所述信道Cx为占用信道时，所述认知终端在所述信道Cx等待τ_p之后，切换信道。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的基于信道质量的选择性认知接入方法具有以下的优点：

1、认知终端联合考虑信道可用性和瞬时链路质量进行信道接入和释放决策，能够大幅提高频谱使用效率；

2、本发明提供的接入方法相比于传统的基于信道忙闲的贪婪机会接入方法，吞吐量增益高达60％；

3、本发明接入决策所需的计算简单，利于在线的实时实现：认知终端只需要将观测到的信道状态和预设的门限进行比较，高于门限则接入信道，低于门限则切换信道。

附图说明

图1为本发明提供的方法与现有方法在不同感知开销下的吞吐量比较图；

图2为本发明提供的方法与现有方法在不同空闲概率下的吞吐量比较图；

图3为本发明提供的方法与现有方法在不同空闲持续时间下的吞吐量比较图；

图4为本发明提供的方法与现有方法在不同平均信噪比下的吞吐量比较图；

图5为本发明提供的基于信道质量的选择性认知接入与释放的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明：

实施例一

如图5所示，本发明提供一种基于信道质量的选择性认知接入方法，包括以下步骤：

S1，对于包含N个信道的认知无线电系统，其中，信道集合表示为{c₁,c₂,...,c_N}；获取该认知无线电系统的最佳门限

该认知无线电系统的最佳门限通过以下方法获取：

S1-1，获取所述认知无线电系统的初始参数值；所述初始参数值包括：

a)信道空闲持续时间的分布函数F_i(·)、信道占用持续时间的分布函数F_b(·)、信道空闲持续时间期望值α和信道占用持续时间期望值β；

b)所述认知无线电系统中节点的最大多普勒频移f_d；

c)信道平均信噪比γ₀；

d)所述认知无线电系统支持的传输速率等级{0,1,...,K-1}以及各档速率对应的信噪比门限Γ_k；

其中，a)b)和c)通常在网络部署之前通过系统测量获得；d)由系统硬件决定。

S1-2，信道状态离散化：

根据所述认知无线电系统支持的传输速率等级，将信道描述为K状态的有限状态马尔科夫模型{s₀,s₁,...,s_K}；其中，信道状态s₀表示支持的速率处于0档，具体为“信道占用”或“信道空闲，但接收信噪比小于门限Γ₁”；信道状态s_k表示支持的速率处于k档，具体为“信道空闲，且接收信噪比Γ_k≤γ＜Γ_k+1”；γ为接收信噪比；

S1-3，信道状态稳态分布向量：

a)通过式1获取信道空闲概率的平稳分布θ_i和信道占用概率的平稳分布θ_b：

b)通过式2获取信道链路质量平稳分布π_k：

其中，γ≥0；

c)通过式3获取信道联合状态平稳分布p_k：

S1-4，信道状态转移矩阵：

a)通过式4获取信道空闲转移概率：

其中，式4中的左式和右式加在一起构成一个完整的信道空闲转移概率：左式为：信道由“空闲”转移为“空闲”的概率，即当前时刻空闲，下一时刻仍旧空闲的概率；右式为：信道由“空闲”转移为“占用”的概率，即当前时刻空闲，下一时刻变为占用的概率；两个概率加起来等于1。

b)通过式5获取信道链路质量状态的转移概率q_s,s'：

$q_{k,k-1}=\frac{\mathrm{\Λ}\left({\mathrm{\Γ}}_k\right)}{{\mathrm{\π}}_k}{\mathrm{\τ}}_{dm},k=1,2,...,K-1$

$q_{k,k+1}=\frac{\mathrm{\Λ}\left({\mathrm{\Γ}}_{k+1}\right)}{{\mathrm{\π}}_k}{\mathrm{\τ}}_{dm},k=0,1,...,K-2$

q_k,k＝1-q_k,k+1-q_k,k-1,k＝1,2,...,K-2

q_0,0＝1-q_0,1

q_K-1,K-1＝1-q_K-1,K-2 式5

其中，τ_dm为认知无线电系统设计的帧长，Λ(·)为水平穿越率函数：

c)通过式6获取信道联合状态的一步转移概率μ_k,l：

S1-5，根据信道分布信息，获取最佳门限

a)对于每一个k∈{0,1,...,K-1}，按式7计算：

其中τ_d，τ_dm和τ_sp分别为数据帧长、帧长和感知探测时间开销，具体参见图1。为信道联合状态稳态分布向量；为信道状态对应的传输速率向量，其中，R(k)表示信道状态s_k所支持的传输速率；矩阵Θ_k由信道转移概率组成：

b)选择使Ξ(s_k)值最大的状态作为选择性接入门限，即最佳门限k^*：

s_k∈{s₀,s₁,...,s_K-2}。

S2，当认知终端需要发送数据时，所述认知终端在频域上序贯地感知、探测各个信道，判断探测到的信道Ci的实时状态是否满足以下条件：信道Ci为空闲信道，并且，信道Ci的链路质量优于最佳门限；如果满足，则执行S3；如果不满足，则继续探测下一个信道；

具体的，当认知终端需要发送数据时，所述认知终端在频域上序贯地感知、探测各个信道具体包括以下步骤：

S2-1，当认知终端需要发送数据时，所述认知终端首先在公共控制通道传送一个RTS数据包；接收终端通过回复CTS，使所述认知终端和所述接收终端共享信道感知序列，实现所述认知终端和所述接收终端的同步；

S2-2，所述认知终端和所述接收终端基于所述信道感知序列同时切换到一个新的信道Cx，其中，信道Cx为信道集合中的一个元素；在所述信道Cx上进行频谱感知，耗费感知时间τ_s；如果感知到所述信道Cx为空闲信道，则所述认知终端发送测量数据包进行链路质量探测，探测时间为τ_p；为避免由于信道可用性在认知终端和接收终端的不对等性导致收发双方的失步，其中，不对等性即为信道可用性的空间异构，如果感知到所述信道Cx为占用信道时，所述认知终端在所述信道Cx等待τ_p之后，切换信道。

S3，所述认知终端接入所述信道Ci，并通过所述信道Ci可支持的最优速率序贯地传输数据，同时，所述认知终端监测信道Ci的实时状态，当监测到所述信道Ci的实时状态低于或等于最佳门限时，所述认知终端立即释放当前的所述信道Ci，然后进行新一轮的信道探测。具体的，可以将训练序列嵌入到数据包尾部，接收终端监测信道质量并通过ACK反馈信道信息，一旦发现主用户返回，或者链路质量差于k^*时，即切换信道；否则继续在当前信道传输数据。重复上述过程，直至数据全部发送。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，区别仅在于序贯的信道感知、探测时认知终端与接收终端同步的实现方式。

考虑一个包含N个互不重叠信道的认知无线电系统，假定每对认知终端和接收终端一次只能感知、探测或使用一个信道。信道集合表示为{c₁,c₂,...,c_N}。假设信道都具有相等带宽BHz。信道状态由信道的可用性和链路质量联合描述，其中，序贯的信道感知、探测机制，可以描述为：

1-1)控制信道握手交互：

当一个认知终端需要发送数据时，首先在控制信道传送一个RTS数据包。控制信道可以是一个专用物理信道或通过一系列信息处理形成的逻辑专用信道。如果接收终端停留在控制通道，并已经做好了接收数据的准备，接收终端将回复一个CTS。通过这种握手，双方共享信道感知序列而实现同步。如果是基于随机数发生器产生序列的话，认知终端和接收终端只需共享一个种子序号即可实现同步。然后，认知终端和接收终端切换到信道序列的第一个信道，展开序贯的信道感知、探测、机会接入与释放，具体参见图5。

1-2)序贯信道感知、探测与机会接入。

切换到一个信道，比如说信道c₁，首先感知信道是否空闲。每感知一个信道需要τ_s的感知时间开销。如果信道空闲，认知终端将进一步的通过测量数据包的交互来获得链路的实时质量信息。每一个测量数据包的交互需要τ_p探测时间。基于观测到的信道实时状态，认知终端决定是否接入该信道进行传输，抑或跳过该信道继续探测下一信道。为了避免当认知终端和接收终端频谱异构时(信道在收端空闲但在发端占用，或者反之)收发两端出现的不同步，即便是感知到信道被占用时，认知终端也将等待一个τ_p之后再切换信道。因而，无论信道感知空闲与否，每一个信道观测(感知和探测)耗时为τ_sp＝τ_s+τ_p。

1-3)序列传输、监测与机会释放。

当认知终端观察到一个高质量信道并决定接入该信道后，认知终端将使用当前信道状态所能支持的最佳速率进行传输。通过在DATA数据报文的尾部添加后导测量序列以及DATA-ACK的交互机制，认知终端实时获取当前信道状态信息。当认知终端没有收到ACK(即NACK)或者收到ACK反馈信道质量发生急剧下降时，认知终端和接收终端认为主用户出现，立即切换信道。每个数据包的交互需要τ_dm的时间，其中包含τ_m的监测开销和τ_d的数据传输时间。根据每一次信道监测结果，认知终端需要做出实时的决定：继续传输或者切换信道。

1-4)同步与结束。

在相同的决策规则下，由于认知终端和接收终端共享同样的信道观测序列和信道状态观测结果，因此，认知终端和接收终端将同步地感知、探测、接入和切换到相同信道，从而在整个过程中实现同步。当用户数据发送完毕，整个过程结束。

实施例三

下面介绍本发明提供的基于信道质量的选择性认知接入方法的一个具体实施例，需要强调的是，本实施例中，参数设置不影响一般性。

参照典型的认知无线电使用频段，即电视频段，设置了本实施例的基本参数。具体的参数如下表所示：

频段的中心频率设定为500MHz，每个信道带宽为6MHz。平均接收信噪比γ₀设置为一个典型值10dB。实际的感知时间与具体系统要求和硬件组成相关，比如，在802.22协议中，根据不同的应用或感知技术，感知时间由0.8ms到24.2ms不等。本实施例中，考虑感知时间为10ms。信道探测时间设定为0.5ms，而监测开销为0.01ms。数据包长度为10ms。系统可支持的速率等级为12，因而信道链路质量使用一个12状态的FSMC描述。

a)信道的空闲与占用持续时间假设为典型的指数分布，且空闲时长和占用时长的均值均为2s，则空闲和占用的稳态概率都为0.5；空闲转移概率

${\mathrm{\ρ}}_{i,i}=\frac{1-F_i(t+{\mathrm{\τ}}_{dm})}{1-F_i\left(t\right)}=e^{-\frac{{\mathrm{\τ}}_{dm}}{\mathrm{\α}}}\≈1-\frac{{\mathrm{\τ}}_{dm}}{\mathrm{\α}}=0.99$

${\mathrm{\ρ}}_{i,b}=\frac{F_i(t+{\mathrm{\τ}}_{dm})-F_i\left(t\right)}{1-F_i\left(t\right)}=1-e^{-\frac{{\mathrm{\τ}}_{dm}}{\mathrm{\α}}}\≈\frac{{\mathrm{\τ}}_{dm}}{\mathrm{\α}}=0.01$

b)假设理想的信噪比-速率模型，即R(k)＝Blog₂(1+Γ_k)bps，则信噪比门限Γ₀＝0，Γ₁₂＝∞，[Γ₁,Γ₂,…,Γ₁₁]＝[-3.8,0,2.6,4.8,6.7,8.5,10.1,11.8,13.4 14.9 16.5]dB。

由得到信道链路质量状态的平稳概率分布向量：

c)信道链路质量状态的转移概率q_s,s'由下式获取：

$q_{k,k-1}=\frac{\mathrm{\Λ}\left({\mathrm{\Γ}}_k\right)}{{\mathrm{\π}}_k}{\mathrm{\τ}}_{dm},k=1,2,...,K-1$

$q_{k,k+1}=\frac{\mathrm{\Λ}\left({\mathrm{\Γ}}_{k+1}\right)}{{\mathrm{\π}}_k}{\mathrm{\τ}}_{dm},k=0,1,...,K-2$

q_k,k＝1-q_k,k+1-q_k,k-1,k＝1,2,...,K-2

q_0,0＝1-q_0,1

q_K-1,K-1＝1-q_K-1,K-2

其中，τ_dm是系统设计的帧长，Λ(·)是水平穿越率函数：代入参数，得到转移概率矩阵：

$\left(\begin{array}{cccccccccccc}0.\mathrm{76}& 0.\mathrm{24}& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0.& 0\\ 0.\mathrm{18}& 0.\mathrm{56}& 0.\mathrm{27}& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0.\mathrm{20}& 0.\mathrm{55}& 0.\mathrm{25}& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0.\mathrm{19}& 0.\mathrm{59}& 0.\mathrm{22}& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0.\mathrm{18}& 0.\mathrm{63}& 0.\mathrm{19}& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0.\mathrm{16}& 0.\mathrm{68}& 0.\mathrm{16}& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0.\mathrm{15}& 0.\mathrm{72}& 0.\mathrm{13}& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0.\mathrm{14}& 0.\mathrm{76}& 0.\mathrm{10}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0.\mathrm{13}& 0.\mathrm{79}& 0.\mathrm{08}& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0.\mathrm{12}& 0.\mathrm{82}& 0.\mathrm{06}& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0.\mathrm{12}& 0.\mathrm{84}& 0.\mathrm{04}\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0.\mathrm{11}& 0.\mathrm{89}\end{array}\right)$

d)由获得信道联合状态平稳分布(由于四舍五入，表中数据存在一定精度误差)：

e)由得到信道联合状态的一步转移概率μ_k,l：

$\left(\begin{array}{cccccccccccc}0.\mathrm{76}& 0.\mathrm{24}& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0.& 0\\ 0.\mathrm{19}& 0.\mathrm{56}& 0.\mathrm{26}& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0\mathrm{.01}& 0.\mathrm{20}& 0.\mathrm{55}& 0.\mathrm{24}& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0\mathrm{.01}& 0& 0.\mathrm{19}& 0.\mathrm{58}& 0.\mathrm{22}& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0\mathrm{.01}& 0& 0& 0.\mathrm{18}& 0.\mathrm{62}& 0.\mathrm{19}& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0\mathrm{.01}& 0& 0& 0& 0.\mathrm{16}& 0.\mathrm{67}& 0.\mathrm{16}& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0\mathrm{.01}& 0& 0& 0& 0& 0.\mathrm{15}& 0.\mathrm{71}& 0.\mathrm{13}& 0& 0& 0& 0\\ 0\mathrm{.01}& 0& 0& 0& 0& 0& 0.\mathrm{14}& 0.\mathrm{76}& 0.\mathrm{10}& 0& 0& 0\\ 0\mathrm{.01}& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0.\mathrm{14}& 0.\mathrm{79}& 0.\mathrm{08}& 0& 0\\ 0\mathrm{.01}& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0.\mathrm{12}& 0.\mathrm{81}& 0.\mathrm{06}& 0\\ 0\mathrm{.01}& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0.\mathrm{12}& 0.\mathrm{83}& 0.\mathrm{04}\\ 0\mathrm{.01}& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0.\mathrm{10}& 0.\mathrm{89}\end{array}\right)$

f)对于每一个k∈{0,1,...,K-1}，得到向量：

g)最优门限即为

由此进行序贯的感知、探测、接入与释放过程，直至数据传输完毕。

将本发明提供的基于信道质量的选择性认知接入方法简称为选择性接入，将背景技术介绍的现有的接入方式称为贪婪接入。

如图1所示，比较不同感知时间下，选择性接入获得系统吞吐量与贪婪接入获得系统吞吐量的比较图。图1可以看出，选择性认知接入获得系统吞吐量明显高于贪婪接入方式。本发明的基于最佳门限的接入方式获得了高达60％的吞吐量增益。同时，图1曲线也说明，本发明所提供的方法随着感知时间的缩短，所能取得的相对增益更高。

图2示出了系统吞吐量随着信道空闲概率的变化情况。从图可以看出，随着空闲概率的升高，认知终端发现空闲信道的时间缩短。与贪焚接入相比，本发明提供的基于最佳门限的接入方式显然能够获得更多的吞吐量增益。

图3示出了系统吞吐量随着信道空闲转移概率的变化情况。从图可以看出，本发明提供的基于最佳门限的接入方式在吞吐量上明显优于贪婪策略，且这种优势随着空闲转移概率的提高而增大。

图4示出了系统吞吐量随着平均接收信噪比的变化情况。从图可以看出，本发明提供的基于最佳门限的接入方式在低信噪比环境中能获得更大的吞吐量增益。如图所示，在低信噪比，比如1dB时，吞吐量增益能够达到2倍。

综上所述，本发明提供的基于信道质量的选择性认知接入方法具有以下的优点：

1、认知终端联合考虑信道可用性和瞬时链路质量进行信道接入和释放决策，能够大幅提高频谱使用效率；

2、本发明提供的接入方法相比于传统的基于信道忙闲的贪婪机会接入方法，吞吐量增益高达60％；

3、本发明接入决策所需的计算简单，利于在线的实时实现：认知终端只需要将观测到的信道状态和预设的门限进行比较，高于门限则接入信道，低于门限则切换信道。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于信道质量的选择性认知接入方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，对于包含N个信道的认知无线电系统，其中，信道集合表示为{c₁,c₂,…,c_N}；获取该认知无线电系统的最佳门限

S2，当认知终端需要发送数据时，所述认知终端在频域上序贯地感知、探测各个信道，判断探测到的信道Ci的实时状态是否满足以下条件：信道Ci为空闲信道，并且，信道Ci的链路质量优于最佳门限其中，信道Ci为信道集合中的一个元素；如果满足，则执行S3；如果不满足，则继续感知并探测下一个信道；

S3，所述认知终端接入所述信道Ci，并通过所述信道Ci序贯地传输数据，同时，所述认知终端监测信道Ci的实时状态，当监测到所述信道Ci的实时状态低于或等于最佳门限时，所述认知终端立即释放当前的所述信道Ci，然后进行新一轮的信道感知与探测；

其中，S1中，该认知无线电系统的最佳门限通过以下方法获取：

S1-1，获取所述认知无线电系统的初始参数值；所述初始参数值包括：

a)信道空闲持续时间的分布函数F_i(·)、信道占用持续时间的分布函数F_b(·)、信道空闲持续时间期望值α和信道占用持续时间期望值β；

b)所述认知无线电系统中节点的最大多普勒频移f_d；

c)信道平均信噪比γ₀；

d)所述认知无线电系统支持的传输速率等级{0,1,…,K-1}以及各档速率对应的信噪比门限Γ_k；

S1-2，信道状态离散化：

根据所述认知无线电系统支持的传输速率等级，将信道描述为K状态的有限状态马尔科夫模型{s₀,s₁,…,s_K}；其中，信道状态s₀表示支持的速率处于0档，具体为“信道占用”或“信道空闲，但接收信噪比小于门限Γ₁”；信道状态s_k表示支持的速率处于k档，具体为“信道空闲，且接收信噪比Γ_k≤γ<Γ_k+1”；γ为接收信噪比；

S1-3，信道状态稳态分布向量：

a)通过式1获取信道空闲概率的平稳分布θ_i和信道占用概率的平稳分布θ_b：

b)通过式2获取信道链路质量平稳分布π_k：

其中，

c)通过式3获取信道联合状态平稳分布p_k：

S1-4，信道状态转移矩阵：

a)通过式4获取信道空闲转移概率：

b)通过式5获取信道链路质量状态的转移概率q_s,s'：

$q_{k,k-1}=\frac{\mathrm{\&Lambda;}\left({\mathrm{\&Gamma;}}_k\right)}{{\mathrm{\&pi;}}_k}{\mathrm{\&tau;}}_{dm},k=1,2,...,K-1$

$q_{k,k+1}=\frac{\mathrm{\&Lambda;}\left({\mathrm{\&Gamma;}}_{k+1}\right)}{{\mathrm{\&pi;}}_k}{\mathrm{\&tau;}}_{dm},k=0,1,...,K-2$

q_k,k＝1-q_k,k+1-q_k,k-1, k＝1,2,…,K-2

q_0,0＝1-q_0,1

其中，τ_dm为认知无线电系统设计的帧长，Λ(·)为水平穿越率函数：

c)通过式6获取信道联合状态的一步转移概率μ_k,l：

S1-5，根据信道分布信息，获取最佳门限

a)对于每一个k∈{0,1,…,K-1}，按式7计算：

其中τ_d，τ_dm和τ_sp分别为数据帧长、帧长和感知探测时间开销；为信道联合状态稳态分布向量；为信道状态对应的传输速率向量，其中，R(k)表示信道状态s_k所支持的传输速率；矩阵Θ_k由信道转移概率组成：

b)选择使Ξ(s_k)值最大的状态作为选择性接入门限，即最佳门限k^*：

s_k∈{s₀,s₁,…,s_K-2}。

2.根据权利要求1所述的基于信道质量的选择性认知接入方法，其特征在于，S2中，当认知终端需要发送数据时，所述认知终端在频域上序贯地感知、探测各个信道具体包括以下步骤：

S2-1，当认知终端需要发送数据时，所述认知终端首先在公共控制通道传送一个RTS数据包；接收终端通过回复CTS，使所述认知终端和所述接收终端共享信道感知序列，实现所述认知终端和所述接收终端的同步；

S2-2，所述认知终端和所述接收终端基于所述信道感知序列同时切换到一个新的信道Cx，其中，信道Cx为信道集合中的一个元素；在所述信道Cx上进行频谱感知，耗费感知时间τ_s；如果感知到所述信道Cx为空闲信道，则所述认知终端发送测量数据包进行链路质量探测，探测时间为τ_p，如果当前链路质量优于所述最佳门限则接入所述信道Cx进行数据传输，否则切换信道；如果感知到所述信道Cx为占用信道时，所述认知终端在所述信道Cx等待τ_p之后，切换信道。