CN103338453A - 一种用于分层无线网络的动态频谱接入方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于分层无线网络的动态频谱接入方法及系统，该方法包括：小基站群中的各个小基站在加入分层无线网络后，将自身的位置信息，感知的频谱信息和判决的宏用户占用情况发送给FCS；FCS获取宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率；FCS根据上述参数，获取小基站的最优感知周期；小基站群中的各个小基站同步地以最优感知周期为周期感知当前信道状态，并发送给FCS；FCS根据当前信道状态以及小基站群中的各个小基站自身的位置信息，获取功率控制及频谱接入策略并发送到小基站群，以便小基站群中的小用户根据功率控制及频谱接入策略进行数据传输。本发明消除了宏蜂窝与小蜂窝组成的分层无线网络的干扰，为小蜂窝用户提供了QoS保证。

Description

一种用于分层无线网络的动态频谱接入方法及系统

技术领域

本发明涉及认知无线电技术领域，尤其涉及一种用于分层无线网络的动态频谱接入方法及系统。

背景技术

当今蜂窝网络的数据传输量呈指数级增长，而传统由宏基站组成的单层网络对数据吞吐量的提高已经到达瓶颈。近年研究表明，使用发射功率不同的多种类型基站组成的分层无线网络可以提高网络覆盖和显著提升网络传输能力。

分层网络中的接入点包括发射功率较大的宏蜂窝(Macrocell)基站和发射功率较小的小蜂窝SC（Small Cell）基站。小蜂窝的种类可分为femtocell（飞蜂窝）,picocell（小蜂窝）,microcell（微蜂窝）等，是低功率的无线接入节点，可以工作在授权、非授权频段。尽管SC能提高网络覆盖，并且极大增强数据传输能力，如果缺乏有效的频谱复用方法，干扰将削弱分层无线网络对数据传输性能的提升和降低用户通信的服务质量QoS（Quality ofService）。

由宏蜂窝和小蜂窝基站组成的两层网络产生的干扰可分为两类：跨层干扰和同层干扰。跨层干扰产生于宏基站与小基站同时使用相同的频段；同层干扰则是由于小基站间使用相同的频段产生。在采用正交频分多址接入OFDMA（Orthogonal Frequency DivisionMultiple Access）的3GPP（The3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）LTE-A（Long Term Evolution-Advanced，LTE技术的后续演进）和WiMax（WorldwideInteroperability for Microwave Access，全球微波互联接入）网络中，通常认为宏用户和小用户同时使用相同的频谱资源块RB（Resource Block）时，干扰产生。

如何实现干扰消除是分层无线网络最大的技术难题，因为小蜂窝基站布设是任意的，这种随机位置的不确定性使分层网络中的跨层、同层干扰管理变得很困难，此外，小基站是一般是通过IP宽带网与核心网相连的，导致在移动核心网侧的宏基站与在IP宽带网侧的小基站信息交互时延较大，无法很好的保证交互信息传输的实时性，这更增加了分层网络中干扰管理的难度。

基于认知无线电的动态频谱接入DSA（Dynamic Spectrum Access）技术是解决分层网络干扰消除的一个可行方案。DSA的分层模型中将无线网络中的网络分为授权用户PU（Primary User）与次级用户SU（Secondary User）两种。PU对频谱资源具有优先使用权，SU周期感知信道使用状况，在空闲信道传输数据。此网络结构与分层无线网络宏基站与小基站组成的分层网络相对应。

但是，目前本技术领域对于如何采用上述动态频谱接入技术消除分层无线网络的干扰、保证QoS，尚没有可实现的技术方案。

发明内容

本发明实施例提供一种用于分层无线网络的动态频谱接入方法及系统，以消除宏蜂窝与小蜂窝组成的分层无线网络的干扰，及为小蜂窝用户提供QoS保证。

一方面，本发明实施例提供了一种用于分层无线网络的动态频谱接入方法，所述用于分层无线网络的动态频谱接入方法，包括：

小基站群中的各个小基站在加入分层无线网络后，感知频谱信息，判决宏用户占用情况，并将自身的位置信息，感知的频谱信息和判决的宏用户占用情况发送给融合中心服务器；

所述融合中心服务器根据所述频谱信息和所述宏用户占用情况，获取所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率；

所述融合中心服务器根据所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率，获取小基站的最优感知周期，并发送给所述小基站群中的各个小基站；

所述小基站群中的各个小基站同步地以所述最优感知周期为周期感知当前信道状态，并发送给所述融合中心服务器；

所述融合中心服务器根据所述当前信道状态以及所述小基站群中的各个小基站自身的位置信息，获取功率控制及频谱接入策略并发送到小基站群，以便所述小基站群中的小用户根据所述功率控制及频谱接入策略进行数据传输。

可选的，在本发明一实施例中，所述小基站群中的各个小基站在加入分层无线网络后，感知频谱信息，判决宏用户占用情况，并将自身的位置信息，感知的频谱信息和判决的宏用户占用情况发送给融合中心服务器，包括：小基站群中的各个小基站在加入分层无线网络后，所述小基站群中的各个小基站根据自身内置GPS模块，获取自身的位置信息；在预定时间内连续感知所有频谱资源块RB的状态，以获取频谱信息；并根据小蜂窝与宏蜂窝数据标签的不同，判决宏用户是否被占用，以获取宏用户占用情况；然后将自身的位置信息，感知的频谱信息和判决的宏用户占用情况发送给融合中心服务器。

可选的，在本发明一实施例中，所述融合中心服务器根据所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率，获取小基站的最优感知周期，并发送给所述小基站群中的各个小基站，包括：所述融合中心服务器根据所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率，构造有效容量模型和跨层碰撞模型，通过功效系数法获取小基站的最优感知周期，并发送给所述小基站群中的各个小基站。

可选的，在本发明一实施例中，所述小基站群中的各个小基站同步地以所述最优感知周期为周期感知当前信道状态，并发送给所述融合中心服务器，包括：所述小基站群中的各个小基站同步地以所述最优感知周期为周期感知当前信道状态，在感知帧内将所述当前信道状态发送给所述融合中心服务器。

可选的，在本发明一实施例中，所述融合中心服务器根据所述当前信道状态以及所述小基站群中的各个小基站自身的位置信息，获取功率控制及频谱接入策略并发送到小基站群，以便所述小基站群中的小用户根据所述功率控制及频谱接入策略进行数据传输，包括：所述融合中心服务器根据所述当前信道状态以及所述小基站群中的各个小基站自身的位置信息，使用粒子群算法获取功率控制及频谱接入策略并发送到小基站群，以便所述小基站群中的小用户根据所述功率控制及频谱接入策略进行数据传输。

另一方面，本发明实施例提供了一种用于分层无线网络的动态频谱接入系统，所述用于分层无线网络的动态频谱接入系统包括：小蜂窝，宏蜂窝以及融合中心服务器；其中，每个宏蜂窝包含一个宏基站和位于该宏基站内的一个或多个宏用户，每个小蜂窝包含一个小基站和位于该小基站内的一个或多个小用户；多个小基站组成小基站群；小基站群中的各个小基站在加入分层无线网络后，感知频谱信息，判决宏用户占用情况，并将自身的位置信息，感知的频谱信息和判决的宏用户占用情况发送给融合中心服务器；所述融合中心服务器根据所述频谱信息和所述宏用户占用情况，获取所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率；所述融合中心服务器根据所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率，获取小基站的最优感知周期，并发送给所述小基站群中的各个小基站；所述小基站群中的各个小基站同步地以所述最优感知周期为周期感知当前信道状态，并发送给所述融合中心服务器；所述融合中心服务器根据所述当前信道状态以及所述小基站群中的各个小基站自身的位置信息，获取功率控制及频谱接入策略并发送到小基站群，以便所述小基站群中的小用户根据所述功率控制及频谱接入策略进行数据传输。

可选的，在本发明一实施例中，所述小基站群中的各个小基站在加入分层无线网络后，感知频谱信息，判决宏用户占用情况，并将自身的位置信息，感知的频谱信息和判决的宏用户占用情况发送给融合中心服务器，包括：小基站群中的各个小基站在加入分层无线网络后，所述小基站群中的各个小基站根据自身内置GPS模块，获取自身的位置信息；在预定时间内连续感知所有频谱资源块RB的状态，以获取频谱信息；并根据小蜂窝与宏蜂窝数据标签的不同，判决宏用户是否被占用，以获取宏用户占用情况；然后将自身的位置信息，感知的频谱信息和判决的宏用户占用情况发送给融合中心服务器。

可选的，在本发明一实施例中，所述融合中心服务器根据所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率，获取小基站的最优感知周期，并发送给所述小基站群中的各个小基站，包括：所述融合中心服务器根据所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率，构造有效容量模型和跨层碰撞模型，通过功效系数法获取小基站的最优感知周期，并发送给所述小基站群中的各个小基站。

可选的，在本发明一实施例中，所述小基站群中的各个小基站同步地以所述最优感知周期为周期感知当前信道状态，并发送给所述融合中心服务器，包括：所述小基站群中的各个小基站同步地以所述最优感知周期为周期感知当前信道状态，在感知帧内将所述当前信道状态发送给所述融合中心服务器。

可选的，在本发明一实施例中，所述融合中心服务器根据所述当前信道状态以及所述小基站群中的各个小基站自身的位置信息，获取功率控制及频谱接入策略并发送到小基站群，以便所述小基站群中的小用户根据所述功率控制及频谱接入策略进行数据传输，包括：所述融合中心服务器根据所述当前信道状态以及所述小基站群中的各个小基站自身的位置信息，使用粒子群算法获取功率控制及频谱接入策略并发送到小基站群，以便所述小基站群中的小用户根据所述功率控制及频谱接入策略进行数据传输。

上述技术方案具有如下有益效果：因为采用所述用于分层无线网络的动态频谱接入方法，包括：小基站群中的各个小基站在加入分层无线网络后，感知频谱信息，判决宏用户占用情况，并将自身的位置信息，感知的频谱信息和判决的宏用户占用情况发送给融合中心服务器；所述融合中心服务器根据所述频谱信息和所述宏用户占用情况，获取所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率；所述融合中心服务器根据所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率，获取小基站的最优感知周期，并发送给所述小基站群中的各个小基站；所述小基站群中的各个小基站同步地以所述最优感知周期为周期感知当前信道状态，并发送给所述融合中心服务器；所述融合中心服务器根据所述当前信道状态以及所述小基站群中的各个小基站自身的位置信息，获取功率控制及频谱接入策略并发送到小基站群，以便所述小基站群中的小用户根据所述功率控制及频谱接入策略进行数据传输的技术手段，所以达到了如下的技术效果：利用认知无线电中的动态频谱接入技术在有效减低分层无线网络的干扰的基础上，提高了小蜂窝网络用户数据业务的QoS。另外，本发明实施例可利用粒子群算法实现复杂非凸的动态频谱接入最优化问题，提高频谱分配的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种用于分层无线网络的动态频谱接入方法流程图；

图2为本发明应用实例LTE-A单小区两层网络的场景示意图；

图3为本发明应用实例认知小蜂窝的帧结构示意图；

图4为本发明应用实例单个RB被宏用户占用与否的状态转移示意图；

图5为本发明应用实例中认知动态频谱接入和传统固定接入、随机接入在不同宏用户繁忙程度、不同小蜂窝密度下的系统总有效容量与平均有效容量的对比示意图；

图6为本发明应用实例中认知动态频谱接入和传统固定接入、随机接入在不同小蜂窝密度、不同宏用户繁忙程度下的业务超时延边界概率与平均碰撞次数的对比示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实现分层无线网络的DSA需要重点考虑两个问题：1）确定合适的感知周期；2）制定有效的频谱接入策略。

确定合适的感知周期。由于宏用户无论接入信道，或是其业务持续时间都是随机的，所以小蜂窝基站需要周期地感知频谱，选择空闲频谱供小蜂窝用户接入。如果感知周期太长，当宏用户重新接入信道，小用户未能及时采取相应措施，会造成较大跨层干扰；感知周期太短，小基站耗费过多时间用于感知频谱，将减低频谱效率和小用户的QoS。选择合适的感知周期，减少跨层干扰，同时保证小蜂窝网络的QoS，是DSA必须解决的问题。

制定有效的频谱接入策略。由于小基站是随机铺设的，所以某些小基站的服务范围可能重叠。如果重叠小蜂窝都占用相同的RB进行通信，会造成严重的同层干扰；当小基站的密度比较大时，如果大量服务区域不重叠的小基站使用同一RB时，也会造成同层干扰。所以对分层无线网络，有效的频谱接入策略包含两方面内容：（1）解决重叠小蜂窝的频谱分配；（2）调整不重叠小蜂窝的接入发送功率。

综上所述，采用动态频谱接入技术消除分层无线网络的干扰、保证QoS需要解决确定合适感知周期，以及制定有效频谱接入策略两大问题。

如图1所示，为本发明实施例一种用于分层无线网络的动态频谱接入方法流程图，所述用于分层无线网络的动态频谱接入方法，包括：

101、小基站群中的各个小基站在加入分层无线网络后，感知频谱信息，判决宏用户占用情况，并将自身的位置信息，感知的频谱信息和判决的宏用户占用情况发送给融合中心服务器；

102、所述融合中心服务器根据所述频谱信息和所述宏用户占用情况，获取所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率；

103、所述融合中心服务器根据所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率，获取小基站的最优感知周期，并发送给所述小基站群中的各个小基站；

104、所述小基站群中的各个小基站同步地以所述最优感知周期为周期感知当前信道状态，并发送给所述融合中心服务器；

105、所述融合中心服务器根据所述当前信道状态以及所述小基站群中的各个小基站自身的位置信息，获取功率控制及频谱接入策略并发送到小基站群，以便所述小基站群中的小用户根据所述功率控制及频谱接入策略进行数据传输。

可选的，所述小基站群中的各个小基站在加入分层无线网络后，感知频谱信息，判决宏用户占用情况，并将自身的位置信息，感知的频谱信息和判决的宏用户占用情况发送给融合中心服务器，包括：小基站群中的各个小基站在加入分层无线网络后，所述小基站群中的各个小基站根据自身内置GPS模块，获取自身的位置信息；在预定时间内连续感知所有频谱资源块RB的状态，以获取频谱信息；并根据小蜂窝与宏蜂窝数据标签的不同，判决宏用户是否被占用，以获取宏用户占用情况；然后将自身的位置信息，感知的频谱信息和判决的宏用户占用情况发送给融合中心服务器。

可选的，所述融合中心服务器根据所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率，获取小基站的最优感知周期，并发送给所述小基站群中的各个小基站，包括：所述融合中心服务器根据所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率，构造有效容量模型和跨层碰撞模型，通过功效系数法获取小基站的最优感知周期，并发送给所述小基站群中的各个小基站。

可选的，所述小基站群中的各个小基站同步地以所述最优感知周期为周期感知当前信道状态，并发送给所述融合中心服务器，包括：所述小基站群中的各个小基站同步地以所述最优感知周期为周期感知当前信道状态，在感知帧内将所述当前信道状态发送给所述融合中心服务器。

可选的，所述融合中心服务器根据所述当前信道状态以及所述小基站群中的各个小基站自身的位置信息，获取功率控制及频谱接入策略并发送到小基站群，以便所述小基站群中的小用户根据所述功率控制及频谱接入策略进行数据传输，包括：所述融合中心服务器根据所述当前信道状态以及所述小基站群中的各个小基站自身的位置信息，使用粒子群算法获取功率控制及频谱接入策略并发送到小基站群，以便所述小基站群中的小用户根据所述功率控制及频谱接入策略进行数据传输。

对应于上述方法实施例，本发明实施例提供一种用于分层无线网络的动态频谱接入系统，所述用于分层无线网络的动态频谱接入系统包括：小蜂窝，宏蜂窝以及融合中心服务器；其中，每个宏蜂窝包含一个宏基站和位于该宏基站内的一个或多个宏用户，以及多个小蜂窝，每个小蜂窝包含一个小基站和位于该小基站内的一个或多个小用户；多个小基站组成小基站群；小基站群中的各个小基站在加入分层无线网络后，感知频谱信息，判决宏用户占用情况，并将自身的位置信息，感知的频谱信息和判决的宏用户占用情况发送给融合中心服务器；所述融合中心服务器根据所述频谱信息和所述宏用户占用情况，获取所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率；所述融合中心服务器根据所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率，获取小基站的最优感知周期，并发送给所述小基站群中的各个小基站；所述小基站群中的各个小基站同步地以所述最优感知周期为周期感知当前信道状态，并发送给所述融合中心服务器；所述融合中心服务器根据所述当前信道状态以及所述小基站群中的各个小基站自身的位置信息，获取功率控制及频谱接入策略并发送到小基站群，以便所述小基站群中的小用户根据所述功率控制及频谱接入策略进行数据传输。

可选的，所述小基站群中的各个小基站在加入分层无线网络后，感知频谱信息，判决宏用户占用情况，并将自身的位置信息，感知的频谱信息和判决的宏用户占用情况发送给融合中心服务器，包括：小基站群中的各个小基站在加入分层无线网络后，所述小基站群中的各个小基站根据自身内置GPS模块，获取自身的位置信息；在预定时间内连续感知所有频谱资源块RB的状态，以获取频谱信息；并根据小蜂窝与宏蜂窝数据标签的不同，判决宏用户是否被占用，以获取宏用户占用情况；然后将自身的位置信息，感知的频谱信息和判决的宏用户占用情况发送给融合中心服务器。

可选的，所述融合中心服务器根据所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率，获取小基站的最优感知周期，并发送给所述小基站群中的各个小基站，包括：所述融合中心服务器根据所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率，构造有效容量模型和跨层碰撞模型，通过功效系数法获取小基站的最优感知周期，并发送给所述小基站群中的各个小基站。

可选的，所述小基站群中的各个小基站同步地以所述最优感知周期为周期感知当前信道状态，并发送给所述融合中心服务器，包括：所述小基站群中的各个小基站同步地以所述最优感知周期为周期感知当前信道状态，在感知帧内将所述当前信道状态发送给所述融合中心服务器。

可选的，所述融合中心服务器根据所述当前信道状态以及所述小基站群中的各个小基站自身的位置信息，获取功率控制及频谱接入策略并发送到小基站群，以便所述小基站群中的小用户根据所述功率控制及频谱接入策略进行数据传输，包括：所述融合中心服务器根据所述当前信道状态以及所述小基站群中的各个小基站自身的位置信息，使用粒子群算法获取功率控制及频谱接入策略并发送到小基站群，以便所述小基站群中的小用户根据所述功率控制及频谱接入策略进行数据传输。

本发明实施例上述技术方案具有如下有益效果：因为采用所述用于分层无线网络的动态频谱接入方法，包括：小基站群中的各个小基站在加入分层无线网络后，感知频谱信息，判决宏用户占用情况，并将自身的位置信息，感知的频谱信息和判决的宏用户占用情况发送给融合中心服务器；所述融合中心服务器根据所述频谱信息和所述宏用户占用情况，获取所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率；所述融合中心服务器根据所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率，获取小基站的最优感知周期，并发送给所述小基站群中的各个小基站；所述小基站群中的各个小基站同步地以所述最优感知周期为周期感知当前信道状态，并发送给所述融合中心服务器；所述融合中心服务器根据所述当前信道状态以及所述小基站群中的各个小基站自身的位置信息，获取功率控制及频谱接入策略并发送到小基站群，以便所述小基站群中的小用户根据所述功率控制及频谱接入策略进行数据传输的技术手段，所以达到了如下的技术效果：利用认知无线电中的动态频谱接入技术在有效减低分层无线网络的干扰的基础上，提高了小蜂窝网络用户数据业务的QoS。另外，本发明实施例可利用粒子群算法实现复杂非凸的动态频谱接入问题，提高频谱分配的性能。

以下举应用实例对本发明实施例上述技术方案进行详细说明：

本发明应用实例的目的是提供一种用于分层无线网络的动态频谱接入方法，本发明应用实例将其命名为认知动态频谱接入CDSA（Cognitive Dynamic Spectrum Access）。用于消除宏蜂窝与小蜂窝组成的分层无线网络的干扰，及为小蜂窝用户提供QoS保证，并实现以下目标：

A、引入LTE-A的分层网络模型、信道模型作为CDSA的实现场景。描述小基站的网络分布特征，无线传播环境的衰落特性，宏用户对信道的占用模式，数据业务的QoS要求；

B、获取最优感知周期。运用有效带宽（Effective Bandwidth）和有效容量（EffectiveCapacity）的理论，假设宏用户对信道的占用/空闲（ON/OFF）状态为马尔科夫过程，建模求得在保证小用户业务QoS要求的前提下，有效容量关于感知周期的方程；建模求得宏用户干扰关于感知周期的方程。结合有效容量和跨层干扰两个优化指标，利用功效系数法求得最优感知周期；

C、制定最优频谱接入策略。运用最优化理论建立小蜂窝网络的频谱分配模型，最优化小蜂窝网络的平均有效容量。由于本发明应用实例的最优化问题是一个非凸（Non-convex）问题，引入粒子群算法PSO（Particle Swam Optimization）求解最优频谱接入策略问题。

为了达到上述目的，本发明应用实例提供一种用于分层无线网络的动态频谱接入方法，特征在于：引入单宏蜂窝与多个随机铺设小蜂窝组成的单小区两层网络场景模型，通过融合中心服务器FCS（Fusion Centre Server）实现小蜂窝的动态频谱接入；小基站具有感知频谱信息功能，FCS根据小基站群大量历史频谱感知信息，建立信道模型，以最小化跨层干扰、最大化用户QoS为目标计算出最优感知周期；其后，小基站群以最优感知周期感知频谱信道，并汇报FCS，FCS为每个小基站动态制定信道接入方案以及规定在每个信道上的传输功率，实现最小化同层干扰、最大化网络平均QoS的目标。

本发明应用实例一种用于分层无线网络动态频谱接入方法的优点是：利用认知无线电中的动态频谱接入技术在有效减低分层无线网络的干扰的基础上，提高小蜂窝网络用户数据业务的QoS，利用粒子群算法实现复杂非凸的动态频谱接入问题，提高频谱分配的性能。此外，由于本发明应用实例场景是采用LTE-A单小区两层网络简化无线网络，有利于本发明应用实例方法的推广和普及。

如图2所示，为本发明应用实例LTE-A单小区两层网络的场景示意图。图2中的LTE-A单宏小区内有Nsc个随机布设的小蜂窝小区和一个用于制定动态频谱接入策略的融合中心服务器FCS，每个小蜂窝包含一个小基站和多个小用户，宏蜂窝结果亦如此。小蜂窝和宏蜂窝都使用OFDMA，并以LTE-A中的时-频资源块RB（Resource Block）作为传输最小单位。另外小蜂窝群和宏蜂窝使用异频段配置，即使用不同的RB进行通信，减少跨层干扰。

如图3所示，为本发明应用实例认知小蜂窝的帧结构示意图。为了避免跨层干扰，小蜂窝的帧结构可分为感知帧和数据帧。在感知帧时间内，小基站感知频谱，并将感知数据传到图2所示的融合中心服务器FCS；在数据帧时间内，小蜂窝用户在可用RB上传输数据。其中，单位帧的时长与一个RB的时长相同，可用频段包含M个RB，每个RB上承载n_RB个比特。n_RB＝f_subc·T_symb·N_mod·R_c。其中fsubs为每个RB包含的连续子载波数；Tsymb为每个RB包含的OFDM符号；N_mod为调制系数；R_c为编码速率。具体取值见仿真参数表。

如图4所示，为本发明应用实例单个RB被宏用户占用与否的状态转移示意图。为简化问题，本发明应用实例假设每个RB独立同分布。其状态分为ON(被占用)、OFF（空闲）两种。状态的转移符合马尔科夫过程。由于RB是LTE-A系统中最小的单元，因此宏用户的业务服务时长服从参数为μ离散时间的负指数分布。使P₀，P₁作为OFF/ON的状态概率。P₀₀，P₀₁，P₁₀，P₁₁为转移概率，如P₀₁，表示在一个RB帧时间内，信道从OFF转移到ON的概率。

以下参照上述图1对本发明应用实例方法进行具体操作步骤描述如下：

步骤1，小基站群中的各个小基站在加入分层无线网络后，感知频谱信息，判决宏用户占用情况，并将自身的位置信息，感知的频谱信息和判决的宏用户占用情况发送给融合中心服务器FCS。

小基站在宏基站内装置后，可根据内置GPS模块将位置信息发送FCS。然后，用一段很长的时间连续感知所有RB的状态，并根据小蜂窝与宏蜂窝数据标签的不同，检测RB是否被宏用户占用。为减轻FCS的处理负担，每个小基站对信道被宏用户占用状态进行本地判决，并将每个子帧时间的判决结果发送给FCS。

步骤2，所述融合中心服务器FCS根据所述频谱信息和所述宏用户占用情况，获取所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率。

为了避免单个小基站可能遭到“终端隐蔽”或大阴影衰落造成的判决不准确问题，FCS可利用集中协同感知技术将各个小基站的感知结果汇总，做出最准确判断。同时提取宏用户的频谱占用率（上述P₁），以及宏用户平均业务时长(1/μ)。

（2.1）宏用户的频谱占用率P₁：统计第i个子帧时隙中，M个RB中被宏用户占用的个数Mi，令

N为统计的次数。则P₁=Mmacro/M。

（2.2）宏用户平均业务时长(1/μ)：当RB i的状态从0→1，开始统计状态1的持续时间T_ij，第i个RB第j次统计。有 $1/\mathrm{\μ}=\left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^M{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{N_i}{T}_{\mathrm{ij}}\right)/{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^M{N}_i.$

（2.3）获取图4中的状态概率以及转移概率：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_0=1-P_1\\ P_{10}=e^{-\mathrm{\μ}},P_{11}=1-e^{-\mathrm{\μ}}\\ P_{01}=P_1\·P_{10}/(1-P_1),P_{00}=1-P_{01}\end{array}\right.---\left(1\right)$

步骤3，融合中心服务器FCS根据所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率，获取小基站的最优感知周期，并发送给所述小基站群中的各个小基站。

FCS可以根据步骤2提炼出来的参数，构造有效容量模型和跨层碰撞模型，通过功效系数法求解最优感知周期T_s。

（3.1）用于QoS保证的有效容量与最优感知周期的关系建模。

时延（Delay）是衡量QoS的核心指标，特别对实时业务，时延必须在一定范围内。根据有效带宽原理，数据包时延超过时延边界d_max（delay bound）的概率为：

Pr{Delay>d_max}≈e^-θδdmax≤ε   (2)

参数θ为QoS指数，表示系统在统计意义上QoS保证的水平，θ越大，表示系统对QoS保证的要求越强烈；反之则表示对QoS要求不高。参数ε表示业务超时延边界概率的门限值。参数δ由业务的到达率以及服务速率有关，如果存在QoS指数θ*满足E_B(θ*)=E_C(θ*)，则δ=E_B(θ*)=E_C(θ*)。

其中E_B(θ*)是有效带宽，表示在业务速率一定条件下，满足QoS指数θ*的最大信道带宽；E_C(θ*)是有效容量，表示在θ*下，信道能支持的最大业务速率。在给定的参数集{θ,d_max,ε}下，为了保证QoS，有效容量的大小必须满足时延概率边界约束：

$e^{{-\mathrm{\θE}}_C\left(\mathrm{\θ}\right)d\max }\≈e^{{-\mathrm{\θ}}^{*}{E}_C\left({\mathrm{\θ}}^{*}\right)d\max }\≤\mathrm{\ϵ}---\left(3\right)$

→θ·E_C(θ)≥In(ε)/d_max   (4)

对一般频谱信道，有效容量的大小套用公式:

$E_C\left(\mathrm{\θ}\right)=-\frac{1}{\mathrm{\θ}}\log \left(E_R\right[e^{-\mathrm{\θR}}\left]\right)=-\frac{1}{\mathrm{\θ}}\log \left(E_{\mathrm{SINR}}\right[e^{{-\mathrm{\θT}}_f{B\log }_2(1+\mathrm{SINR})}\left]\right)---\left(5\right)$

其中T_f为一个帧的持续时间，B为信道带宽，R＝T_fBlog₂(1+SINR)为信道香农信道容量，SINR为信干燥比（Signal Interference Noise Ratio）。对于LTE-A系统，由于每个RB上承载的比特数为常数n_RBbit，所以T个RB的有效容量工程公式为：

$E_C\left(\mathrm{\θ}\right)=-\frac{1}{\mathrm{\θ}}\log \left(E_T\right[e^{{-\mathrm{\θ}\·T\·n}_{\mathrm{RB}}}\left]\right)---\left(6\right)$

式（6）的计算需要求解

关于T的数学期望，在本模型中，当宏用户出现在RB上，则小用户的通信中断。所以T是取决于宏用户的出现与否的随机变量。此时T_s个RB的平均有效容量为：

$E_C(\mathrm{\θ},T_s)=-\frac{1}{T_s\·\mathrm{\θ}}\log ({\mathrm{\Σ}}_{S_1=0}^1{\mathrm{\Σ}}_{S_2=0}^1\·\·\·{\mathrm{\Σ}}_{S_{T_S}=0}^1{P}_{S_1}\·P_{S_1{S}_2}\·P_{S_2{S}_3}\·\·\·P_{S_{T_S-1}{S}_{T_S}}{e}^{{-T\·\mathrm{\θ}\·n}_{\mathrm{RB}}})---\left(7\right)$

其中S_i为第i个子帧时隙RB上的状态，

为从状态S_i到S_i+1的转移概率，

为状态S₁的初始概率，T为T_s内状态0出现的个数。本发明应用实例中的小用户只有感知到S₁=0时，才开始传输数据。 $P_{S_1}=P\{S_1=0\}=1,$ 且 $T=T_s-1-{\mathrm{\Σ}}_{t=1}^{T_S}{S}_t.$

（3.2）跨层碰撞率与最优感知周期的关系建模。

假设在小用户传输数据时间T_s内，宏用户有n个子帧时隙重新占用了RB，则宏用户与正在传输的小用户的碰撞率为：I(T_s)=E[n]/T_s。

由于宏用户的出现与离开是随机过程，所以n为随机数，本发明应用实例使用n的数学期望E[n]来衡量碰撞率。使P₁(t)，P₀(t)作为在第t个子帧时隙的ON/OFF状态概率，对第一个子帧用来感知信道状态的小基站，其与宏用户的平均碰撞次数为： $E\left[n\right]={\mathrm{\Σ}}_{t=2}^{\mathrm{Ts}}1\·P_1\left(t\right).$ 根据马尔科夫过程的特点，可知 $P\left(t\right)=\{P_0\left(t\right),P_1\left(t\right)\}={P_{\mathrm{tr}}}^{t-1}\·P\left(1\right).$ P_tr是转移概率矩阵，可以通过式（1）求得。通过推导，本发明应用实例求得其碰撞率工程公式如下：

$I\left(T_s\right)=P_{01}(\frac{1}{P_{00}-P_{11}}-\frac{1-{(P_{11}-P_{01})}^{T_s}}{{(P_{00}-P_{11})}^2{T}_s})+P_1\left(1\right)\·\frac{(P_{11}-P_{01})-{(P_{11}-P_{01})}^{T_s}}{P_{00}-P_{11}}---\left(8\right)$

经过证明，I(T_s)随着T_s的增大而增大，因为感知周期越长，小用户在数据传输过程中与宏用户发生碰撞的概率就越大，为了保证跨层干扰在干扰概率门限β内，本发明应用实例CDSA策略需要通过调整感知周期使：

I(T_s)≤β             (9)

（3.3）求解最优感知周期T_s。

最优的感知周期应能使跨层干扰最小化以及业务QoS最大化，而有效容量与干扰率是两个量纲不同的优化目标，为解决这个问题，本发明应用实例采用功效系数法解决。

功效系数法又叫功效函数法，它是根据多目标规划原理，对每一项评价指标确定一个满意值和不允许值，以满意值为上限，以不允许值为下限．计算各指标实现满意值的程度，并以此确定各指标的分数，再经过加权平均进行综合，从而评价被研究对象的综合状况。

通过功效系数法，求解最优感知周期T_s转化成以下问题：

$\max D(T_s,\mathrm{\θ})={\mathrm{\ω}}_1\left(\frac{E(\mathrm{\θ},T_s)-E_{\mathrm{ec}\min }}{E_{\mathrm{ec}\max }-E_{\mathrm{ec}\min }}\right)+{\mathrm{\ω}}_2\left(\frac{I_{\inf \max }-I\left(T_s\right)}{I_{\inf \max }-I_{\inf \min }}\right)$

s.t.I(T_s)≤β    (根据式(9))（10）

T_s∈{2,3,...,T_max}

上式中ω₁，ω₂为QoS要求和跨层干扰权重，使T_max和θ_sc作为最大感知周期和小蜂窝网络的QoS指数。同时，T_f表示一个RB的持续时间，d_max为业务最大时延边界，ε为超时概率门限，T为大于2的整数，上面最优化问题的求解过程如下所示：

Step.1：初始化ω₁，ω₂，T_max，θ_sc，d_max，ε，β，T=2，

Step.2：E_ec＝{E_C(2,θ_sc),E_C(3,θ_sc),...,E_C(T_infmax,θ_sc)},

Ι＝{I(2),I(3),...,I(T_max)};

Step.3：{E_ecmin,T_ecmin}＝min(E_ec),{E_ecmax,T_ecmax}＝max(E_ec),{I_infmin,T_infmin}＝min(I),{I_infmax,T_infmax}＝max(I);

Step.4：求解θ^*＝slove(E_B(θ^*)＝E_C(T,θ^*)/T_f)

Step.5：如果满足 $\mathrm{\θ}\·E_C(\mathrm{\θ},T)/T_f\≥{\mathrm{\θ}}^{*}\·E_C\left({\mathrm{\θ}}^{*}\right)\≥-\frac{\mathrm{In}\left(\mathrm{\ϵ}\right)}{d_{\max }}$ 以及I(T)≤β，则：

D＝D∪{D(T,θ_sc)};

Step.6：T=T+1，如果T＞T_max，执行Step.7，否则执行Step.4；

Step.7：{D_max,T_s}＝max(D)

通过以上步骤，可求得最优感知周期T_s。

步骤4，所述小基站群中的各个小基站同步地以所述最优感知周期为周期感知当前信道状态，并发送给所述融合中心服务器。

FCS将最优感知周期T_s通知小基站，小基站群通过GPS模块在同一时刻以T_s为周期感知频谱，在图3感知帧内将感知结果发送FCS。

步骤5，融合中心服务器FCS根据所述当前信道状态以及所述小基站群中的各个小基站自身的位置信息，获取功率控制及频谱接入策略并发送到小基站群，以便所述小基站群中的小用户根据所述功率控制及频谱接入策略进行数据传输。

FCS根据当前RB状态，将空闲RB分配给所有的小基站，并对其进行功率控制，然后将频谱接入策略发送到小基站群。假定硬件处理足够快，步骤4、步骤5均在一个感知帧时间内实现。

（5.1）资源块RB分配以及功率控制函数建模

由于每个LTE-A的RB承载固定n_RB比特个数，所以信道的容量必须满足约束：T_fBlog₂(1+SINR_i)≥n_RB。

定义RB的分配矩阵为其中N_sc为小基站的个数，M为RB的总数。r_ni=1，反之，r_ni=0表示RB i不分配给小蜂窝n。令P_ni表示小蜂窝n在RB i上的功率。h_nni为小蜂窝n在RB i上的边缘用户信道增益，而h_jni则表示小蜂窝j到小蜂窝n在RB i上的传输增益。对小蜂窝n，它需要保证边缘用户在RB i上满足约束：

${\mathrm{SINR}}_{\mathrm{ni}}=\frac{P_{\mathrm{ni}}\×h_{\mathrm{nni}}}{{\mathrm{\Σ}}_{j=1,j\≠n}^{N_{\mathrm{SC}}}{P}_{\mathrm{ji}}{h}_{\mathrm{jni}}+{\mathrm{\σ}}^2}\≥2^{\frac{n_{\mathrm{RB}}}{T_f\·B}}-1---\left(11\right)$

明显地，当r_ni=0时，RB i不分配给小蜂窝n，也即P_ni=0，反之亦然。为简化问题，本发明应用实例将r_ni转化为关于P_ni的函数，如：

$r_{\mathrm{ni}}=u\left(P_{\mathrm{ni}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& (P_{\mathrm{ni}}>0)\\ 0& (P_{\mathrm{ni}}=0)\end{array}\right..---\left(12\right)$

小蜂窝网络在RB i上的平均有效容量为 $E_{\mathrm{CRBi}}\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{sc}}\right)={\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{N_{\mathrm{sc}}}u\left(P_{\mathrm{ni}}\right)\·E_C({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{sc}},T_s)/N_{\mathrm{sc}}.$ 则最优的频谱接入策略则是最大化系统的平均有效容量：

因为RB是相互独立的，所以最大化每个相当最大化E_Csys。所以只要对其中一个RB i的分配和功控问题进行建模，就可以直接用到其他RB上。通过约束条件式（11）和转换函数式（12），RB i频谱接入的优化问题可表示为：

${\mathrm{IR}}_i^{*}=\arg \underset{{\mathrm{IR}}_i}{\max }\frac{1}{N_{\mathrm{sc}}}{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{N_{\mathrm{sc}}}u\left(P_{\mathrm{ni}}\right)\·E_C({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{sc}},T_{\mathrm{sopt}})$

$s.t.P_{\mathrm{ni}}\·(P_{\mathrm{ni}}{h}_{\mathrm{nni}}-\underset{j\≠n}{\overset{N_{\mathrm{SC}}}{\underset{j=1}{\mathrm{\Σ}}}}{P}_{\mathrm{ji}}{h}_{\mathrm{jni}}(2^{\frac{n_{\mathrm{RB}}}{T_{f}B}}-1)-(2^{\frac{n_{\mathrm{RB}}}{T_{f}B}}-1){\mathrm{\σ}}^2)\≥0(n\∈\{\mathrm{1,2},\·\·\·,N_{\mathrm{sc}}\left\}\right).---\left(13\right)$

P_ni≥0    (n∈{1,2,...,N_sc})

然后，对所有的

以及系统平均有效容量E_Csys均可以通过重复求解上述最优化问题M次即可。

（5.2）粒子群算法

在（5.1）中最优频谱资源RB分配与功率控制问题是非线性规划问题，其非凸函数特性使得拉格朗日乘数法没法求解，所以本发明应用实例采用粒子群算法PSO（Particle SwamOptimization）求解。

PSO模拟鸟群的捕食行为。设想这样一个场景：一群鸟在随机搜索食物。在这个区域里只有一块食物。所有的鸟都不知道食物在那里。但是他们知道当前的位置离食物还有多远。那么找到食物的最优策略是什么呢。最简单有效的就是搜寻目前离食物最近的鸟的周围区域。

PSO从这种模型中得到启示并用于解决优化问题。PSO中，每个优化问题的解都是搜索空间中的一只鸟。我们称之为“粒子”。所有的例子都有一个由被优化的函数决定的适应值(fitness value)，每个粒子还有一个速度决定他们飞翔的方向和距离。然后粒子们就追随当前的最优粒子搜索全局最优解，PSO的数学描述如下：

假设有K个粒子，让

表示粒子i(i∈{1,2,...,K})在第t次搜索所处的位置，

则为粒子i在第t次搜索的速度。P_ibest^t表示粒子i在t次搜索内，寻找到的局部最佳适应度p_ibest^t的位置；Gbest^t和gbest^t则表示K个粒子在t次搜索中找到的全局最优位置和适应度。找到最优值时,粒子根据如下的公式来更新自己的速度和新的位置：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_i^{t+1}=\mathrm{\ω}\·V_i^t+c_1\·R_1\·(P_i{\mathrm{best}}^t-X_i^t)+c_2\·R_2\·({\mathrm{Gbest}}^t-X_i^t).\\ X_i^{t+1}=X_i^t+V_i^{t+1}\end{array}---\left(14\right)\right.$

c₁,c₂为学习因子，正实数；R₁,R₂为[0,1]范围的均匀随机数，ω为速度惯性权重，控制收敛速度。ω越大，搜索范围越大，但难收敛到最优解；ω越小，容易达到收敛，但可能未必全局最优。

（5.3）使用粒子群算法求解最优频谱资源RB分配与功率控制

本发明应用实例将（5.2）的PSO算法用于求解最优频谱资源RB分配与功率控制。

首先，将粒子的位置

为N_sc小蜂窝在RB i上的功率。由于原问题是一个带约束条件的优化问题，接着，本发明应用实例构造一个带罚函数项的适应值函数方程。其中，罚函数项表示当X^t不满足约束条件时，将降低适应值的参数项。先设F_fn表示小蜂窝n的适应值，是关于功率P^t的函数

$F_{\mathrm{fn}}\left(P^t\right)=u\left(P_{\mathrm{ni}}\right)\&CenterDot;E_C({\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{sc}},T_{\mathrm{sopt}})+\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&rho;}}_n\&CenterDot;G_n(P_{\mathrm{ni}}\&GreaterEqual;0)\\ {\mathrm{\&gamma;}}_n\&CenterDot;P_{\mathrm{ni}}(P_{\mathrm{ni}}<0)\end{array}.\right.---\left(15\right)$

$G_n=P_{\mathrm{ni}}{h}_{\mathrm{nni}}-{\mathrm{\&Sigma;}}_{j=1j\&NotEqual;n}^{N_{\mathrm{SC}}}{P}_{\mathrm{ji}}{h}_{\mathrm{jni}}(2^{\frac{n_{\mathrm{RB}}}{T_{f}B}}-1)-(2^{\frac{n_{\mathrm{RB}}}{T_{f}B}}-1){\mathrm{\&sigma;}}^2$ 为罚函数项，表示当功率控制不满足要求时，对适应度的降低，ρ_n为γ_n正实数。根据式（15），定义功率P^t的适应值函数：

$F_f\left(P\left(t\right)\right)=\underset{n=1}{\overset{N_{\mathrm{sc}}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{F}_{\mathrm{fn}}\left(P^t\right).---\left(16\right)$

最后，我们通过以下四步求解RB i上的最优资源分配和功率控制：

Step.1：初始化粒子的个数K，最大搜索时间T，和K个粒子的功率初始值 $P_k^1=\{P_{1i},P_{2i},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,P_{N_{\mathrm{sc}}i}\}$ 和 $V_k^1=\{v_1,v_2,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,v_{N_{\mathrm{sc}}}\}(k\&Element;\{\mathrm{1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,K\left\}\right),$ 以及参数{ω,c₁,c₂,ρ_n,γ_n,t＝1}

Step.2：通过式（16）计算每个粒子的适应度，令

在{p_kbest^t}_1×K与{P_kbest^t}_1×K中寻找gbest^t以及Gbest^t。

Step.3：根据式（14）更新

和

如果

则 $p_k{\mathrm{best}}^{t+1}=F_f\left(P_k^{t+1}\right),P_k{\mathrm{best}}^{t+1}=P_k^{t+1},$ 否则值不变。更新完{p_kbest^t+1}_1×K、{P_kbest^t+1}_1×K后，更新gbest^t+1,Gbest^t+1。

Step4：t=t+1，，如果t≤T，执行Step.3，否则输出最优功率分配 $P_{\mathrm{opt}}={\mathrm{Gbest}}^t=\{P_{\mathrm{ni}}{\}}_{{1\&times;N}_{\mathrm{sc}}},$ 最优资源分配 ${\mathrm{IR}}_i^{*}=\{u\left(P_{\mathrm{ni}}\right){\}}_{{1\&times;N}_{\mathrm{sc}}}.$

重复以上步骤M次，可得最优频谱资源RB分配与功率控制。

本发明应用实例的方法已经进行了多次仿真实验，如图5所示，为本发明应用实例中认知动态频谱接入和传统固定接入、随机接入在不同宏用户繁忙程度、不同小蜂窝密度下的系统总有效容量与平均有效容量的对比示意图。如图6所示，为本发明应用实例中认知动态频谱接入和传统固定接入、随机接入在不同小蜂窝密度、不同宏用户繁忙程度下的业务超时延边界概率与平均碰撞次数的对比示意图。下面参照图5、图6介绍本发明应用实例方法进行的仿真实施试验结果。关于仿真的参数设置如下表1所示：

表1仿真参数表

参数	数值
		宏蜂窝的覆盖直径	200m
小蜂窝的覆盖直径	10m
		中心载波fc	2GHz
系统带宽	20MHz（100个RB）
		Tf(RB帧的时长)	0.5ms
fsubc(子载波/RB)	12
		Tsymb(OFDM符号/RB)	7
Nmod调制系数	2(QPSK调制)
		Rc编码速率	1/3(Turbo编码)
路损模型：室外环境	15.3+37.6lg(d)+21lg(fc/2)+Lwp1
		路损模型：室内环境（视距内）	18.7lg(d)+46.8+2021lg(fc/5)
路损模型：室内环境（视距外）	20lg(d)+46.4+2021lg(fc/5)+Lwp2
		室外墙损Lwp1，室内墙损Lwp2	10db，5db
小蜂窝的分布	均匀分布
		小蜂窝用户业务指数θSC	0.01
跨层碰撞门限β	0.2
		时延边界dmax	20ms(语音业务)
超时延概率门限ε	0.01
		高斯噪声密度	-174dBm/Hz
宏用户平均业务时长	100帧

参见图5，为本发明应用实例使用MATLAB仿真软件搭建模拟实际的无线分层网络系统进行仿真后得到的结果曲线图。图5中为本发明应用实例采用认知动态频谱接入技术CDSA与传统固定接入、随机接入在系统总有效容量与平均有效容量的性能对比。图5中的横坐标（小蜂窝数/宏蜂窝）表示每个宏蜂窝内的小蜂窝数目。由图5可知，随着小基站数目的增加，网络的总有效容量在增加，但平均有效容量却在降低，因为小蜂窝间的干扰也在增多。CDSA由于通过频谱感知，避免了跨层干扰，同时，运用最优频谱接入方案，大大减低同层干扰，使得总有效容量以及平均有效容量均比传统固定接入、随机接入两种方案要优胜。

参见图6，为本发明应用实例认知动态频谱接入CDSA与传统固定接入、随机接入在业务超时延边界概率与平均碰撞次数的对比，如图6所示，随着宏用户对信道的占用率增加，可用于小蜂窝通信的RB数越少，带宽越低，造成业务时延增大，CDSA有效利用频谱空洞进行传输，保证业务QoS，使得时延概率随宏用户占用率增加的趋势得到抑制，并且减少跨层干扰，达到非常好的效果。

综上所述，本发明应用实例所述方案用于分层无线网络认知动态频谱接入方法要比传统固定接入、随机接入两种方法在消除干扰和保证用户QoS上有相当大的提升，使分层无线网络的优越性得到很高的体现。

本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块（illustrativelogical block），单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性（interchangeability），上述的各种说明性部件（illustrativecomponents），单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

本发明实施例中所描述的各种说明性的逻辑块，或单元都可以通过通用处理器，数字信号处理器，专用集成电路（ASIC），现场可编程门阵列或其它可编程逻辑装置，离散门或晶体管逻辑，离散硬件部件，或上述任何组合的设计来实现或操作所描述的功能。通用处理器可以为微处理器，可选地，该通用处理器也可以为任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以通过计算装置的组合来实现，例如数字信号处理器和微处理器，多个微处理器，一个或多个微处理器联合一个数字信号处理器核，或任何其它类似的配置来实现。

本发明实施例中所描述的方法或算法的步骤可以直接嵌入硬件、处理器执行的软件模块、或者这两者的结合。软件模块可以存储于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域中其它任意形式的存储媒介中。示例性地，存储媒介可以与处理器连接，以使得处理器可以从存储媒介中读取信息，并可以向存储媒介存写信息。可选地，存储媒介还可以集成到处理器中。处理器和存储媒介可以设置于ASIC中，ASIC可以设置于用户终端中。可选地，处理器和存储媒介也可以设置于用户终端中的不同的部件中。

在一个或多个示例性的设计中，本发明实施例所描述的上述功能可以在硬件、软件、固件或这三者的任意组合来实现。如果在软件中实现，这些功能可以存储与电脑可读的媒介上，或以一个或多个指令或代码形式传输于电脑可读的媒介上。电脑可读媒介包括电脑存储媒介和便于使得让电脑程序从一个地方转移到其它地方的通信媒介。存储媒介可以是任何通用或特殊电脑可以接入访问的可用媒体。例如，这样的电脑可读媒体可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁性存储装置，或其它任何可以用于承载或存储以指令或数据结构和其它可被通用或特殊电脑、或通用或特殊处理器读取形式的程序代码的媒介。此外，任何连接都可以被适当地定义为电脑可读媒介，例如，如果软件是从一个网站站点、服务器或其它远程资源通过一个同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线（DSL）或以例如红外、无线和微波等无线方式传输的也被包含在所定义的电脑可读媒介中。所述的碟片（disk）和磁盘（disc）包括压缩磁盘、镭射盘、光盘、DVD、软盘和蓝光光盘，磁盘通常以磁性复制数据，而碟片通常以激光进行光学复制数据。上述的组合也可以包含在电脑可读媒介中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于分层无线网络的动态频谱接入方法，其特征在于，所述用于分层无线网络的动态频谱接入方法，包括：

小基站群中的各个小基站在加入分层无线网络后，感知频谱信息，判决宏用户占用情况，并将自身的位置信息，感知的频谱信息和判决的宏用户占用情况发送给融合中心服务器；

所述融合中心服务器根据所述频谱信息和所述宏用户占用情况，获取所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率；

所述融合中心服务器根据所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率，获取小基站的最优感知周期，并发送给所述小基站群中的各个小基站；

所述小基站群中的各个小基站同步地以所述最优感知周期为周期感知当前信道状态，并发送给所述融合中心服务器；

所述融合中心服务器根据所述当前信道状态以及所述小基站群中的各个小基站自身的位置信息，获取功率控制及频谱接入策略并发送到小基站群，以便所述小基站群中的小用户根据所述功率控制及频谱接入策略进行数据传输。

2.如权利要求1所述用于分层无线网络的动态频谱接入方法，其特征在于，所述小基站群中的各个小基站在加入分层无线网络后，感知频谱信息，判决宏用户占用情况，并将自身的位置信息，感知的频谱信息和判决的宏用户占用情况发送给融合中心服务器，包括：

小基站群中的各个小基站在加入分层无线网络后，所述小基站群中的各个小基站根据自身内置GPS模块，获取自身的位置信息；在预定时间内连续感知所有频谱资源块RB的状态，以获取频谱信息；并根据小蜂窝与宏蜂窝数据标签的不同，判决宏用户是否被占用，以获取宏用户占用情况；然后将自身的位置信息，感知的频谱信息和判决的宏用户占用情况发送给融合中心服务器。

3.如权利要求1所述用于分层无线网络的动态频谱接入方法，其特征在于，所述融合中心服务器根据所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率，获取小基站的最优感知周期，并发送给所述小基站群中的各个小基站，包括：

所述融合中心服务器根据所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率，构造有效容量模型和跨层碰撞模型，通过功效系数法获取小基站的最优感知周期，并发送给所述小基站群中的各个小基站。

4.如权利要求1所述用于分层无线网络的动态频谱接入方法，其特征在于，所述小基站群中的各个小基站同步地以所述最优感知周期为周期感知当前信道状态，并发送给所述融合中心服务器，包括：

所述小基站群中的各个小基站同步地以所述最优感知周期为周期感知当前信道状态，在感知帧内将所述当前信道状态发送给所述融合中心服务器。

5.如权利要求1所述用于分层无线网络的动态频谱接入方法，其特征在于，所述融合中心服务器根据所述当前信道状态以及所述小基站群中的各个小基站自身的位置信息，获取功率控制及频谱接入策略并发送到小基站群，以便所述小基站群中的小用户根据所述功率控制及频谱接入策略进行数据传输，包括：

所述融合中心服务器根据所述当前信道状态以及所述小基站群中的各个小基站自身的位置信息，使用粒子群算法获取功率控制及频谱接入策略并发送到小基站群，以便所述小基站群中的小用户根据所述功率控制及频谱接入策略进行数据传输。

6.一种用于分层无线网络的动态频谱接入系统，其特征在于，所述用于分层无线网络的动态频谱接入系统包括：小蜂窝，宏蜂窝以及融合中心服务器；其中，每个宏蜂窝包含一个宏基站和位于该宏基站内的一个或多个宏用户，每个小蜂窝包含一个小基站和位于该小基站内的一个或多个小用户；多个小基站组成小基站群；小基站群中的各个小基站在加入分层无线网络后，感知频谱信息，判决宏用户占用情况，并将自身的位置信息，感知的频谱信息和判决的宏用户占用情况发送给融合中心服务器；所述融合中心服务器根据所述频谱信息和所述宏用户占用情况，获取所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率；所述融合中心服务器根据所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率，获取小基站的最优感知周期，并发送给所述小基站群中的各个小基站；所述小基站群中的各个小基站同步地以所述最优感知周期为周期感知当前信道状态，并发送给所述融合中心服务器；所述融合中心服务器根据所述当前信道状态以及所述小基站群中的各个小基站自身的位置信息，获取功率控制及频谱接入策略并发送到小基站群，以便所述小基站群中的小用户根据所述功率控制及频谱接入策略进行数据传输。

7.如权利要求6所述用于分层无线网络的动态频谱接入系统，其特征在于，所述小基站群中的各个小基站在加入分层无线网络后，感知频谱信息，判决宏用户占用情况，并将自身的位置信息，感知的频谱信息和判决的宏用户占用情况发送给融合中心服务器，包括：

小基站群中的各个小基站在加入分层无线网络后，所述小基站群中的各个小基站根据自身内置GPS模块，获取自身的位置信息；在预定时间内连续感知所有频谱资源块RB的状态，以获取频谱信息；并根据小蜂窝与宏蜂窝数据标签的不同，判决宏用户是否被占用，以获取宏用户占用情况；然后将自身的位置信息，感知的频谱信息和判决的宏用户占用情况发送给融合中心服务器。

8.如权利要求6所述用于分层无线网络的动态频谱接入系统，其特征在于，所述融合中心服务器根据所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率，获取小基站的最优感知周期，并发送给所述小基站群中的各个小基站，包括：

所述融合中心服务器根据所述宏用户的频谱占用率，宏用户平均业务时长，以及信道转移概率，构造有效容量模型和跨层碰撞模型，通过功效系数法获取小基站的最优感知周期，并发送给所述小基站群中的各个小基站。

9.如权利要求6所述用于分层无线网络的动态频谱接入系统，其特征在于，所述小基站群中的各个小基站同步地以所述最优感知周期为周期感知当前信道状态，并发送给所述融合中心服务器，包括：

所述小基站群中的各个小基站同步地以所述最优感知周期为周期感知当前信道状态，在感知帧内将所述当前信道状态发送给所述融合中心服务器。

10.如权利要求6所述用于分层无线网络的动态频谱接入系统，其特征在于，所述融合中心服务器根据所述当前信道状态以及所述小基站群中的各个小基站自身的位置信息，获取功率控制及频谱接入策略并发送到小基站群，以便所述小基站群中的小用户根据所述功率控制及频谱接入策略进行数据传输，包括：

所述融合中心服务器根据所述当前信道状态以及所述小基站群中的各个小基站自身的位置信息，使用粒子群算法获取功率控制及频谱接入策略并发送到小基站群，以便所述小基站群中的小用户根据所述功率控制及频谱接入策略进行数据传输。

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