CN103428706B - 协作频谱感知节点的选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种协作频谱感知节点的选择方法，由认知基站利用认知节点测量的本小区和邻小区的接收信号功率，来估算认知节点与认知基站的距离，进而选择出合适的认知节点作为协作频谱感知节点。本发明由于不再需要认知节点对授权用户进行感知并将所感知的结果反馈给认知基站，而是利用认知基站已获知的各认知节点的接收信号功率进行选择，因此可以节省由于反馈感知结果所产生的信令和时间开销，同时，选择结果的准确性也不会受授权用户变化的影响。

Description

协作频谱感知节点的选择方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术，特别是涉及一种协作频谱感知节点的选择方法。

背景技术

随着通信技术的迅猛发展，频谱资源的紧缺和频谱需求扩大的矛盾日益凸现出来。另一方面，相关的研究指出了目前频谱使用情况非常不平衡的问题，大部分频段在多数时间内没有用户使用或者只是短时间占用。在这个背景下，认知无线电作为一种能够灵活使用空闲频谱资源的有效技术，近年来得到了越来越广泛的关注。

认知无线电是通过频谱感知技术，发现和使用没有充分利用的授权频段，从而大大提高频谱的利用率。认知无线电网络要求认知节点对周围频谱环境进行准确和快速的感知，因此频谱感知技术的可靠性和效率直接关乎系统的性能。为了提高频谱感知的性能，协作频谱感知被提出来通过多个认知节点反馈的对授权用户的感知结果来提高感知的准确性，所述授权用户就是使用授权频谱的用户。通常情况下，协作频谱感知是每个认知节点单独的进行频谱感知，并依靠自己的检测结果得到本地感知结果，然后将本地感知结果上报给基站。基站通过收集来自所有认知节点的本地感知结果，最终判断授权频段是否空闲。但是随着网络中认知节点的增加，每个认知节点向基站发送本地感知结果就会占用大量的频谱资源，增加网络的信令开销。由于认知节点的感知结果与其所处位置附近授权用户使用授权频段的情况有关，因此地理位置相近的认知节点得到的感知结果应该是相似的。将网络中的认知节点按照地理位置进行分组，每组只选择一个认知节点作为协作频谱感知节点进行感知并上报感知结果，这种协作频谱感知方式就可以在保证感知可靠性的前提下，有效地降低系统开销，节省频带资源。这种进行分组的协作频谱感知的网络结构图如图1所示。

为了节省系统开销并且保证感知的可靠性，认知无线电系统的感知结点选择的原则是期望被选的感知结点的个数尽量少并且这些节点的测量结果可以反映整个小区的授权频带使用情况。现有的方案中对感知节点的选择通常情况下都是利用所有认知节点对授权频带的占用情况进行一次或者多次感知，并将感知结果反馈给基站，由基站根据每个认知节点的本地感知结果选择用于进行协作频谱感知的节点。这种方式要求在周期感知之前网络中的所有终端必须进行感知并且向基站上报感知信息，这就使得认知网络在系统初始化阶段需要大量的信令资源和时间开销去交互信息，这对认知无线电这种资源受限的网络会有很大影响。此外，利用本地感知信息来选择协作频谱感知节点的方法，其选择结果的准确性受授权用户的影响较大，具体而言就是会受到授权用户地理位置、发送功率等因素的影响，授权用户发生变化时(比如移动或者开关机都会造成选择结果的变化)，尤其当授权用户短时间不存在时，还会造成选择结果的随机化。因此，为保证选择的可靠性，上述选择协作频谱感知节点的方法还需要周期地执行，以克服授权用户的影响。

由此可见，现有的选择协作频谱感知节点的方法存在系统信令资源和时间开销大的问题，且选择结果的准确性易受授权用户变化的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种协作频谱感知节点的选择方法，该方法能有效节省系统资源的开销，且选择结果的准确性不受授权用户变化的影响。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：

一种协作频谱感知节点的选择方法，该方法包括以下步骤：

a、认知基站根据小区内各认知节点测量的邻小区接收信号功率，对所述认知节点进行分组，其中，同一组中的各认知节点的最强邻小区相同，不同组的认知节点的最强邻小区不同；

b、对于每组认知节点，所述认知基站根据该组认知节点测量的本小区接收信号功率和邻小区接收信号率，计算该组认知节点对应的本小区和最强邻小区接收信号功率的归一化均方误差函数J；

c、对于每组认知节点，当计算得到的所述函数J的值不大于预设的目标期望值J^*时，所述认知基站根据该组认知节点测量的本小区接收信号功率和邻小区接收信号功率，从该组中选择一个认知节点作为协作频谱感知节点；

当计算得到的所述函数J的值大于预设的目标期望值J^*时，所述认知基站将该组认知节点划分为K个子组，其中，所述K个子组分别对应的所述函数J值不大于所述J^*，K>1，对于划分出的每个所述子组，根据该子组中各认知节点测量的本小区接收信号功率和邻小区接收信号功率，从该子组中选择一个认知节点作为协作频谱感知节点。

综上所述，本发明提出的协作频谱感知节点的选择方法，由认知基站利用认知节点测量的本小区和邻小区的接收信号功率，来估算认知节点与认知基站的距离，进而选择出合适的认知节点作为协作频谱感知节点。上述方案中由于不再需要认知节点对授权用户进行感知并将所感知的结果反馈给认知基站，而是利用认知基站已获知的各认知节点的接收信号功率进行选择，因此可以节省由于反馈感知结果所产生的信令和时间开销，同时，选择结果的准确性也不会受授权用户变化的影响。

附图说明

图1为现有系统中进行分组的协作频谱感知的网络结构示意图；

图2为本发明实施例一的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。

本发明的核心思想是：考虑到现有系统中，需要认知节点对本小区和邻小区的信号进行测量，并且上报给认知基站。这样，认知节点测量的本小区和邻小区的接收信号功率是为基站所获知的。在本发明中，将利用这一特点，由基站利用认知节点测量到的本小区和邻小区接收信号功率，来挑选协作频谱感知节点。认知基站通过每个节点上报的本小区接收信号功率可以估计出每个认知节点到基站的距离，而认知节点上报的邻小区接收信号功率又可以被认为是干扰信号的强度。通过本小区和邻小区的接收信号功率可以估计出认知节点在小区内的大概位置，将地理位置相近的节点分为一个集合，每个集合内选择一个认知节点用于感知。

图2为本发明实施例一的流程示意图，如图2所示，该协作频谱感知节点的选择方法包括以下步骤：

步骤201、认知基站根据小区内各认知节点测量的邻小区接收信号功率，对所述认知节点进行分组，其中，同一组中的各认知节点的最强邻小区相同，不同组的认知节点的最强邻小区不同。

本步骤，用于将小区中最强邻小区相同的认知节点分为一组，即每组中的认知节点的最强邻小区是相同的，具体的分组数与最强邻小区的数量有关系，例如通常一个小区有6个邻小区，且均成为小区内一些认知节点的最强邻小区，则小区内的认知节点将会划分为6组，每个邻小区对应一组。

基于本步骤的分组，实现了对小区内的认知节点的初步划分，由于属于同一组的认知节点的最强邻小区相同，因此一组内认知节点相邻的可能性较大，但是也可能存在距离较大的情况，例如可能两个认知节点分别在最强邻小区的两侧。为了进一步确保同一组的认知节点距离较近，以便进一步在一组中选择出合适的节点作为协作频谱感知节点，下面将通过步骤202对步骤201得到的各组认知节点做进一步的细化，以确保每一个用于选择协作频谱感知节点的认知节点组中的所有节点是距离相近的。

步骤202、对于每组认知节点，所述认知基站根据该组认知节点测量的本小区接收信号功率和邻小区接收信号率，计算该组认知节点对应的本小区和最强邻小区接收信号功率的归一化均方误差函数J。

本步骤中，通过计算函数J，来获知一组认知节点中的所有节点的接收信号的测量结果差异。

这里，所述函数J的具体计算方法为本领域人员所掌握的，具体地，即为：

按照和计算该组认知节点的平均邻小区干扰值和平均期望小区接收功率值其中，C_n为一组或一子组认知节点对应的节点集合，|C_n|为C_n中的认知节点个数，z_i为C_n中认知节点i测量的最强邻小区的接收信号功率，m_i为C_n中认知节点i测量的本小区的接收信号功率；按照计算所述J。

需要说明的是，这里计算J时，既考虑到了认知节点测量的本小区的接收信号功率，也考虑到了认知节点测量的邻小区的接收信号功率，可以充分避免环形分组，确保位置相近的节点在一组中。

步骤203、对于每组认知节点，当计算得到的所述函数J的值不大于预设的目标期望值J^*时，所述认知基站根据该组认知节点测量的本小区接收信号功率和邻小区接收信号功率，从该组中选择一个认知节点作为协作频谱感知节点；

当计算得到的所述函数J的值大于所述目标期望值J^*时，所述认知基站将该组认知节点划分为K个子组，其中，所述K个子组分别对应的所述函数J值不大于所述J^*，K>1，对于划分出的每个所述子组，根据该子组中各认知节点测量的本小区接收信号功率和邻小区接收信号功率，从该子组中选择一个认知节点作为协作频谱感知节点。

本步骤中，通过将步骤202中计算得到的所述函数J的值与目标期望值J^*相比较，来判断一组认知节点中的所有节点的接收信号的测量结果差异是否过大，如果计算得到的J的值不大于预设的目标期望值J^*，则说明该组认知节点间的距离较近，如果J大于J^*，则说明差异较大，可以判断出这组认知节点中不是所有节点都是相距较近的，因此，在后续步骤中需要通过进一步的分组，以确保每组认知节点中的所有节点相距较近。

所述J^*可由本领域技术人员根据实际需要设置合适的取值。

较佳地，本步骤中从一组认知节点中选择一个认知节点作为协作频谱感知节点，或从一子组中选择一个认知节点作为协作频谱感知节点，可以采用下组方法实现：

按照得到认知节点i_n；

将所述认知节点i_n确定为协作频谱感知节点。

通过上述方法，可以从一组认知节点中选择出本小区接收信号功率和邻小区接收信号功率最接近该组平均值的认知节点作为协作频谱感知节点。

较佳地，当一组认知节点需要再细分时，所需要划分的子组数K为满足：划分出的所述K个子组分别对应的所述函数J值不大于所述J^*时的最小子组数。

本步骤中将该组认知节点划分为K个以上的子组。具体可采用下述步骤实现：

步骤x1、将子组数K的初值设置为2。

步骤x2、从该组认知节点C_n中任意选择出K个认知节点i_k，利用所述i_k测量的最强邻小区的接收信号功率和本小区的接收信号功率按照和对当前K个子组n_k各自的平均邻小区干扰和平均期望小区接收功率进行赋值，其中，i_k∈C_n,k＝1,......,K。

步骤x3、对于该组认知节点C_n中的各认知节点i，根据当前K个子组n_k各自的所述和所述按照确定该认知节点i所属的子组n_k。

步骤x4、对于每个所述子组n_k，根据当前属于该子组中的各认知节点测量的最强邻小区的接收信号功率z_i和本小区的接收信号功率m_i，按照和对该子组n_k的平均邻小区干扰和平均期望小区接收功率进行更新。

其中，所述为子组n_k对应的节点集合，为中的认知节点个数。

步骤x5、判断是否存在至少一子组n_k满足：所述更新前后的和发生变化；如果是，则执行步骤X3，否则执行步骤X6；

步骤x6、根据当前K个子组的所述和按照计算当前所述K个子组分别对应的所述函数J值；

步骤x7、计算得到的所述函数J值的和是否大于所述J^*，如果是，则按照K＝K+1更新K，执行步骤x2，否则，将当前得到的K个子组作为将该组认知节点C_n进行所述划分的结果。

较佳地，为了进一步降低系统开销，可以对步骤203中得到的所述协作频谱感知节点中距离较近的节点，进行合并，这样，可以减少协作频谱感知节点的数量。基于该目的，具体地，所述步骤203之后可进一步包括：

步骤204、所述认知基站根据认知节点测量的本小区接收信号功率和邻小区接收信号功率，以及预设的接收信号功率均方误差目标值，通过计算接收信号功率均方误差值，确定所述协作频谱感知节点中距离相近的节点，并对所确定的距离相近的节点进行合并，将完成所述合并后得到的所述协作频谱感知节点作为当前的协作频谱感知节点。

具体地，本步骤可采用下述步骤实现：

步骤d1、从所述协作频谱感知节点的集合T中取出一节点t放入集合P中。

其中，集合P的初始化状态为空。

步骤d2、判断所述集合T是否为空，如果是，则执行步骤d4，否则执行步骤d3。

这里，如果所述集合T为空说明，集合T中的所有节点执行了被放入集合P中或被删除的操作，此时P中的节点即为合并后得到的协作频谱感知节点，这些节点之间的距离足够大。

步骤d3、遍历所述集合T，将所述集合T中满足预设的合并条件的节点l，从所述集合T中删除，所述合并条件为：所述节点l的次强邻小区为所述节点t的最强邻小区，且根据得到的σ满足：σ≤σ^*，其中，所述s_l为节点l测量的次强邻小区的接收信号功率，σ^*为预设的归一化均方误差值；返回步骤d1。

本步骤中，当节点l满足所述合并条件时，说明节点l与节点t的距离较近，可以将两者合并，即删除节点l保留节点t。

具体地，本步骤中可采用下述方法确定节点l并将其从所述集合T中删除：

遍历所述集合T中的节点，如果该节点的次强邻小区为所述节点t的最强邻小区，则计算该节点对应的所述σ，如果计算得到的所述σ满足：σ≤σ^*，则将该节点从所述集合T中删除。

这里，如果该节点的次强邻小区为所述节点t的最强邻小区，则说明两相邻节点被分到了不同组或子组中，此种情况下，需要通过计算接收信号功率均方误差值来判断两节点是否相近，如果相近，即σ≤σ^*则进行合并。

步骤d4、将集合P中的节点作为当前的协作频谱感知节点。

综上所述，以上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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种协作频谱感知节点的选择方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a、认知基站根据小区内各认知节点测量的邻小区接收信号功率，对所述认知节点进行分组，其中，同一组中的各认知节点的最强邻小区相同，不同组的认知节点的最强邻小区不同；

b、对于每组认知节点，所述认知基站根据该组认知节点测量的本小区接收信号功率和邻小区接收信号率，计算该组认知节点对应的本小区和最强邻小区接收信号功率的归一化均方误差函数J；

c、对于每组认知节点，当计算得到的所述函数J的值不大于预设的目标期望值J^*时，所述认知基站根据该组认知节点测量的本小区接收信号功率和邻小区接收信号功率，从该组中选择一个认知节点作为协作频谱感知节点；

当计算得到的所述函数J的值大于预设的目标期望值J^*时，所述认知基站将该组认知节点划分为K个子组，其中，所述K个子组分别对应的所述函数J值不大于所述J^*，K>1，对于划分出的每个所述子组，根据该子组中各认知节点测量的本小区接收信号功率和邻小区接收信号功率，从该子组中选择一个认知节点作为协作频谱感知节点；

其中，步骤b中的所述函数J的值的计算包括：

按照和计算该组认知节点的平均邻小区干扰值和平均期望小区接收功率值其中，C_n为一组或一子组认知节点对应的节点集合，|C_n|为C_n中的认知节点个数，z_i为C_n中认知节点i测量的最强邻小区的接收信号功率，m_i为C_n中认知节点i测量的本小区的接收信号功率；

按照计算所述J。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c中所述选择一个认知节点作为协作频谱感知节点包括：

按照得到认知节点i_n；

将所述认知节点i_n确定为协作频谱感知节点。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c中所述将该组认知节点划分为K个以上的子组包括：

x1、将子组数K的初值设置为2；

x2、从该组认知节点C_n中任意选择出K个认知节点i_k，利用所述i_k测量的最强邻小区的接收信号功率和本小区的接收信号功率按照和对当前K个子组n_k各自的平均邻小区干扰和平均期望小区接收功率进行赋值，其中，i_k∈C_n,k＝1,......,K；

x3、对于该组认知节点C_n中的各认知节点i，根据当前K个子组n_k各自的所述和所述按照确定该认知节点i所属的子组n_k；

x4、对于每个所述子组n_k，根据当前属于该子组中的各认知节点测量的最强邻小区的接收信号功率z_i和本小区的接收信号功率m_i，按照和对该子组n_k的平均邻小区干扰和平均期望小区接收功率进行更新，其中，所述为子组n_k对应的节点集合，为中的认知节点个数；

x5、判断是否存在至少一子组n_k满足：所述更新前后的和发生变化；如果是，则执行步骤X3，否则执行步骤X6；

x6、根据当前K个子组的所述和按照计算当前所述K个子组分别对应的所述函数J值；

x7、计算得到的所述函数J值的和是否大于所述J^*，如果是，则按照K＝K+1更新K，执行步骤x2，否则，将当前得到的K个子组作为将该组认知节点C_n进行所述划分的结果。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述K为满足：划分出的所述K个子组分别对应的所述函数J值不大于所述J^*时的最小子组数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤c之后进一步包括：

d、所述认知基站根据认知节点测量的本小区接收信号功率和邻小区接收信号功率，以及预设的接收信号功率均方误差目标值，通过计算接收信号功率均方误差值，确定所述协作频谱感知节点中距离相近的节点，并对所确定的距离相近的节点进行合并，将完成所述合并后得到的所述协作频谱感知节点作为当前的协作频谱感知节点。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤d包括：

d1、从所述协作频谱感知节点的集合T中取出一节点t放入集合P中；

d2、判断所述集合T是否为空，如果是，则执行步骤d4，否则执行步骤d3；

d3、遍历所述集合T，将所述集合T中满足预设的合并条件的节点l，从所述集合T中删除，所述合并条件为：所述节点l的次强邻小区为所述节点t的最强邻小区，并且根据得到的σ满足：σ≤σ^*，其中，所述s_l为节点l测量的次强邻小区的接收信号功率，σ^*为预设的归一化均方误差值；返回步骤d1；所述m_t为节点t测量的本小区的接收信号功率，所述m_l为节点l测量的本小区的接收信号功率，所述z_t为节点t测量的最强邻小区的接收信号功率；

d4、将集合P中的节点作为当前的协作频谱感知节点。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤d3包括：

遍历所述集合T中的节点，如果该节点的次强邻小区为所述节点t的最强邻小区，则计算该节点对应的所述σ，如果计算得到的所述σ满足：σ≤σ^*，则将该节点从所述集合T中删除；

返回步骤d1。