CN103582094A - 针对多从用户多信道的节能的动态频谱接入策略方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种针对多从用户多信道的节能的动态频谱接入策略方法，包括步骤：步骤1：初始化信道及主、从用户的信息；步骤2：为从用户初始分配频谱资源；步骤3：从用户接入信道；步骤4：更新信道状态；步骤5：计算下一时隙的每个信道的状态值；步骤6：计算从用户本轮接入结束后，在下一时隙中最大化能效的用户信道匹配集合及用户传输表。本发明中，多个从用户可以动态地接入主用户信道，并平衡吞吐率与能耗，使得从用户能效最大化。本发明即是在已知信道分布参数的条件下，通过权衡从用户“切换/等待”与“传输/待机”两个方面，得到一种针对多从用户多信道的节能的动态频谱接入策略，有效地提高了从用户的能源利用率。

Description

针对多从用户多信道的节能的动态频谱接入策略方法

技术领域

本发明涉及的是无线通信领域的方法，具体是一种针对多从用户多信道的节能的动态频谱接入策略方法。

背景技术

动态频谱接入通常用于具有较低接入权限的从用户检测并接入主用户的“频谱空洞”，该种接入方式对于提高频谱利用率、提供更丰富的无线服务方式具有重要意义。动态频谱接入是针对不同接入等级的用户——主用户与从用户——而产生的：主用户是授权用户，具有优先接入权限，从用户是非授权用户，具有较低的接入权限。传统的针对多从用户多信道的动态频谱接入策略通常致力于使从用户获得最大的网络吞吐率，而不考虑能耗问题。这种策略对于传统的非移动通信设备非常有效，但近年随着移动计算设备的兴起，最大化吞吐率的接入策略会导致用户待机时间的明显下降，因此更加节能的动态频谱接入策略日益被研究者所重视。

经过对现有技术的文献检索发现，中国专利文献（申请号为：201210106394.X，名称为：无线电网络中基于契约的动态频谱分配方法）提供了一种基于契约的动态频谱分配方法，将信道以不同的质量进行交易，有效提高了授权系统的收益，同时可有效减少授权系统与认知无线电系统之间的干扰；中国专利文献（申请号为：201210377971.9，名称为：无线体域网中单频点信道快速自适应的接入方法）给出了一种使从用户在指数分布或超指数分布的信道中能够快速自适应信道参数的动态接入方案。该方案使得单个从用户在被分配一定的频谱资源后，能够在单信道上的快速自适应接入。中国专利文献（申请号为：201310327173，名称为：针对低权限通信系统的节能的频谱分配与机会接入机制）给出了一种单个从用户在多信道中节能接入的解决方案。

然而，现有的解决方案或者未能充分考虑到能效（每单位传输消耗的能量）的问题，或者未能充分考虑到多用户的接入场景。

发表于2008年WCNC的论文“Distributed Energy Efficient Spectrum Accessin Wireless Cognitive Radio Sensor Networks”给出了一种适用于主用户的低功耗接入方式。该方法以最高能效作为优化目标，与本发明的优化目标相吻合。然而，该研究未能区分从用户与主用户的差异，给出了针对只具有同一权限的用户网络的接入策略。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种针对多从用户多信道的节能的动态频谱接入策略方法。

根据本发明提供的针对多从用户多信道的节能的动态频谱接入策略方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：初始化信道及主、从用户的信息；

步骤2：为从用户初始分配频谱资源；

步骤3：从用户接入信道；

步骤4：更新信道状态；

步骤5：计算下一时隙的每个信道的状态值；

步骤6：计算从用户本轮接入结束后，在下一时隙中最大化能效的用户信道匹配集合及用户传输表，其中，所述的用户信道匹配集合，是指所有的从用户及与从用户匹配的信道的集合，所述用户传输表，是指所有的用户的传输功率的集合。

优选地，所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1：从监管机构或其他频谱检测设备，获取从用户的数量M，从用户编号U_i，i=1,2,……M，；获取主用户可供分配的信道数量N，N大于等于M；获取主用户对每个信道ch_i的占用率p_i,B，即每个信道的空闲率为p_i,I=1-p_i,B；获取每个信道的占用时长期望E_i,B、空闲时长期望E_i,I；其中，ch_i、p_i,B、p_i,I、E_i,B、E_i,I中的下标i=1,2,……,N；

步骤1.2：获取从用户切换信道所需要的时长t_h，获取从用户进行数据传输、信道切换的功率P_t、P_h；获取从用户在非通信状态下的电路消耗功率P_r；

步骤1.3：将信道按时间分片，设置每个时间片，即时隙，的长度为t_slot；

步骤1.4：计算出每个信道的状态转移矩阵，针对信道ch_i具体如下，

$p_{i,10}=\frac{t_{\mathrm{slot}}}{E_{i,I}};$ p_i,11＝1-p_i,10

$p_{i,01}=\frac{t_{\mathrm{slot}}}{E_{i,B}};$ p_i,00＝1-p_i,01

其中，p_i,00为信道i从不可用转为不可用的概率，p_i,01为信道i从不可用转为可用的概率，p_i,10为为信道i从可用转为不可用的概率，p_i,11为信道i从可用转为可用的概率；

步骤1.5：设置每个信道的在当前时隙k的状态向量为ω_k={ω_k（1），ω_k（2），……，ω_k（N）}；所述状态向量为每个信道ch_i的状态集合，其中的任一个信道在时隙k的状态为该信道在该时隙的空闲概率。

优选地，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1：用信道的空闲率p_i,i初始化信道的状态向量ω₁，即ω₁（j）=p_i,j,j=1,2,……N；

步骤2.2：将每个信道的在当前时隙k的状态向量ω_k中的状态值最大的M个信道依次初步分配给从用户，分配时长为一个时隙；

步骤2.3：根据以下优化目标遍历所有可能的用户信道匹配集合及下个时隙的用户传输表，所述用户传输表是指，用户在某个时隙是否进行传输；

$\min \frac{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}[P_{t,j}\left(1\right)+P_r]}{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_1\left(\mathrm{ch}\left(j\right)\right)\·C}$

上式中，分母代表在某个用户信道匹配集合及用户在下个时隙中传输表下，M个从用户预期获得的吞吐率；其中j代表用户j，ch(j)代表当前用户j匹配的信道，C代表信道容量；ω₁(ch(j))代表在第一时隙，信道ch(j)的状态值；

上式中，分子代表在某个用户信道匹配集合及用户在下个时隙中传输表下，M个从用户的预期能耗；P_t,j(1)代表用户j在第一个时隙中的预期传输功率，该预期传输功率是一个二值变量，若用户传输，则P_t,j(1)=P_t，否则，P_t,j(1)=0；

在优化目标被满足时，该用户信道匹配集合为最优的用户信道匹配集合，该用户信道匹配集合及相应的下一时隙用户传输表对应了最小的功耗-吞吐率比，即能效最高。

优选地，所述步骤3中的从用户接入信道，是指从用户根据步骤2中得到的最优的用户信道匹配集合及该时隙中的用户传输表进行接入。

优选地，所述步骤4包括以下步骤：

步骤4.1：在当前时隙（时隙k）末端，针对从用户j在该被分配的信道ch(j)，若接入结果为失败，即主用户在当前时隙占用了信道ch(j),则设置ω₁（ch(j)）为0；若接入结果为成功，即主用户在当前时隙未占用信道ch(j),则设置ω₁（ch(j)）为1；

步骤4.2：在当前时隙（时隙k）末端，针对在当前时隙未分配给从用户的信道，该信道的状态在状态向量中对应的值不变。

优选地，所述步骤5中的所述计算下一时隙的每个信道的状态值，包括以下步骤：

步骤5.1：根据信道感知历史及信道状态概率转移矩阵计算各个信道下一时隙的空闲概率，具体如下，

其中，ω_i(k+1)表示信道i在第k+1时隙的状态值，ω_i(k)表示信道i在第k时隙的状态值。

优选地，所述步骤6包括如下步骤：

步骤6.1：根据以下优化目标遍历所有可能的用户信道匹配集合及下一时隙的用户传输表：

$\min \frac{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}[P_{t,j}\left(k\right)+P_r]}{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_1\left(\mathrm{ch}\left(j\right)\right)\·C}$

上式中，ω_k(ch(j))代表在第k时隙，信道ch(j)的状态值；

步骤6.2：转到所述步骤3。

优选地，t_slot的大小为所有信道E_i,I平均值的十分之一。

优选地，在所述步骤2.2中，按状态值从大到小对应用户标号从小到大的方式，将每个信道的在当前时隙k的状态向量ω_k中的状态值最大的M个信道依次初步分配给从用户。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明给出了一种从用户网络与主用户网络共存时，最大化能效的动态频谱接入策略。该策略着重考虑了从用户信道切换频率与从用户吞吐率之间的平衡。该策略针对切换信道开销高于网络中某对节点通信开销的网络进行了优化，在满足从用户一定的吞吐率的前提下，通过最大限度减少从用户网络切换信道的频率，使得从用户在与主用户共存时，最大限度地减少由信道切换引起的能量消耗。与传统的频谱分配策略相比，本发明具有十分明显的节能作用。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是主从用户网络频谱共享系统示意图；

图2是针对多从用户多信道的节能的动态频谱接入策略流程图；

图3是本发明方案与对比方案的能效对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1是主、从用户网络频谱共享系统示意图，设置主用户通信时，主用户信道的空闲、占用时长分布均为指数分布。主、从用户网络相距较近，因此它们不能在同一时隙占用相同的信道，否则就会发生同频干扰。本方案通过以下步骤来实现节能的动态频谱接入策略方法。本发明的具体流程如图2所示，其中，“用户-信道”匹配，是指用户信道匹配集合，即是指所有的从用户及与从用户匹配的信道的集合。

第一步，初始化信道及主、从用户的信息。

所述初始化信道及主、从用户的信息包括以下内容：

1）从监管机构或其他频谱检测设备，获取从用户的数量M，从用户编号U_i(i=1,2,……M，下同)；获取主用户可供分配的信道数量N，此处假定N不小于M，这对一般情况是成立的；获取主用户对每个信道ch_i(i=1,2,……,N，下同)的占用率p_i,B，即每个信道空闲率为p_i,I=1-p_i,B；获取每个信道的占用、空闲时长期望E_i,B、E_i,I。

2）获取从用户切换信道所需要的时长t_h，获取从用户进行数据传输、信道切换的功率P_t、P_h；获取从用户在非通信状态下的电路消耗功率P_r。

3）将信道按时间分片，设置每个时间片，即时隙，的长度为t_slot。t_slot大小为所有信道E_i,I平均值的十分之一。

4）计算出每个信道的状态转移矩阵，针对信道ch_i具体如下，

$p_{i,10}=\frac{t_{\mathrm{slot}}}{E_{i,I}};$ p_i,11＝1-p_i,10

$p_{i,01}=\frac{t_{\mathrm{slot}}}{E_{i,B}};$ p_i,00＝1-p_i,01

5）设置每个信道的在当前时隙k的状态向量为ω_k={ω_k（1），ω_k（2），……，ω_k（N）}。所述状态向量为每个信道的状态集合，其中的某信道在时隙k的状态为该信道在该时隙的空闲概率。

第二步，为从用户初始分配频谱资源。

所述为从用户初始分配频谱资源包括以下步骤：

1)用信道的空闲率p_i,i初始化信道的状态向量ω₁，即ω₁（j）=p_i,j,j=1,2,……N。

2)将ω_k中的状态值最大的M个信道依次初步分配给从用户（按状态值从大到小对应用户标号从小到大），分配时长为一个时隙。

3)根据以下优化目标遍历所有可能的用户信道匹配集合及下个时隙的用户传输表。所述用户传输表是指，用户在某个时隙是否进行传输。

$\min \frac{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}[P_{t,j}\left(1\right)+P_r]}{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_1\left(\mathrm{ch}\left(j\right)\right)\·C}$

上式中，分母代表在某个用户信道匹配集合及用户在下个时隙中传输表下，M个从用户预期获得的吞吐率。其中j代表用户j，ch(j)代表当前用户j匹配的信道，C代表信道容量。所有的从用户及其匹配的信道的集合称为用户信道匹配集合。ω₁(ch(j))代表在第一时隙，信道ch(j)的状态值。

上式中，分子代表在某个用户信道匹配集合及用户在下个时隙中传输表下，M个从用户的预期能耗。P_t,j(1)代表用户j在第一个时隙中的预期传输功率，该值是一个二值变量，若用户传输，则P_t,j(1)=P_t，否则，P_t,j(1)=0。所有的用户的传输功率的集合称为用户传输表。

在优化目标被满足时，该用户信道匹配集合及相应的下一时隙用户传输表对应了最小的功耗-吞吐率比，即能效最高。

第三步，从用户接入信道。

所述等待从用户接入信道是指频谱分配中心等待从用户在当前时隙接入过程的结束。

第四步，更新信道状态。

所述更新信道状态包括以下步骤：

1）在当前时隙（时隙k）末端，针对从用户j在该被分配的信道ch(j)，若接入结果为“失败”，即主用户在当前时隙占用了信道ch(j),则设置ω₁（ch(j)）为0；若接入结果为“成功”，即主用户在当前时隙未占用信道ch(j),则设置ω₁（ch(j)）为1。

2）在当前时隙（时隙k）末端，针对在当前时隙未分配给从用户的信道，其在状态向量中对应的值不变。

第五步，计算下一时隙的每个信道的状态值。

所述计算下一时隙的每个信道的状态值包括以下步骤：

1）根据信道感知历史及信道状态概率转移矩阵计算各个信道下一时隙的空闲概率，针对信道ch_i具体如下，

第六步，计算从用户本轮接入结束后，在下一时隙中最大化能效的用户信道匹配集合及用户传输表。

所述计算从用户本轮接入结束后，在下一时隙中最大化能效的用户信道匹配集合及用户传输表包括以下步骤：

1）根据以下优化目标遍历所有可能的用户信道匹配集合及下一时隙的用户传输表。

$\min \frac{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}[P_{t,j}\left(k\right)+P_r]}{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_1\left(\mathrm{ch}\left(j\right)\right)\·C}$

上式中，P_t,j(k)代表在第k时隙，用户j的预期传输功率；ω_k(ch(j))代表在第k时隙，信道ch(j)的状态值。

2）转到第三步。

接下来对本发明的一个优选的具体实施方式进行描述。

设定主用户信道数为6，从用户数为4，每个信道的空闲时长分布及占用时长分布是参数不同的指数分布。6个信道的占用、空闲时长分布参数分别为λ_B={0.04,0.02,0.09,0.03,0.08，0.04},λ_I={0.02,0.02，0.03,0.04,0.05，0.06}；设定主用户信道长度为50000个时隙。设定每个从用户的进行数据传输、切换信道的功率及固有的电路消耗功率分别为100、500、50uW。

图3比较了本发明提出的节能的动态频谱接入策略与其他两种对比方案性能的比较。所述两种对比方案，其中，对比方案一是最大吞吐率方案，与本发明方案的不同点在于，在每个时隙，从用户总是选择期望吞吐率最大的M个信道进行接入；对比方案二是最小能耗方案，与本发明的不同点在于，从用户总是在当前信道上进行接入。对比三种方案，本发明方案的能效明显高于其余两种方案。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种针对多从用户多信道的节能的动态频谱接入策略方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：初始化信道及主、从用户的信息；

步骤2：为从用户初始分配频谱资源；

步骤3：从用户接入信道；

步骤4：更新信道状态；

步骤5：计算下一时隙的每个信道的状态值；

步骤6：计算从用户本轮接入结束后，在下一时隙中最大化能效的用户信道匹配集合及用户传输表，其中，所述的用户信道匹配集合，是指所有的从用户及与从用户匹配的信道的集合，所述用户传输表，是指所有的用户的传输功率的集合。

2.根据权利要求1所述的针对多从用户多信道的节能的动态频谱接入策略方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1：从频谱检测设备，获取从用户的数量M，从用户编号U_i，i=1,2,……M，；获取主用户可供分配的信道数量N，N大于等于M；获取主用户对每个信道ch_i的占用率p_i,B，即每个信道的空闲率为p_i,I=1-p_i,B；获取每个信道的占用时长期望E_i,B、空闲时长期望E_i,I；其中，ch_i、p_i,B、p_i,I、E_i,B、E_i,I中的下标i=1,2,……,N；

步骤1.2：获取从用户切换信道所需要的时长t_h，获取从用户进行数据传输、信道切换的功率P_t、P_h；获取从用户在非通信状态下的电路消耗功率P_r；

步骤1.3：将信道按时间分片，设置每个时间片，即时隙，的长度为t_slot；

步骤1.4：计算出每个信道的状态转移矩阵，针对信道ch_i具体如下，

$p_{i,10}=\frac{t_{\mathrm{slot}}}{E_{i,I}};$ p_i,11＝1-p_i,10

$p_{i,01}=\frac{t_{\mathrm{slot}}}{E_{i,B}};$ p_i,00＝1-p_i,01

其中，p_i,00为信道i从不可用转为不可用的概率，p_i,01为信道i从不可用转为可用的概率，p_i,10为为信道i从可用转为不可用的概率，p_i,11为信道i从可用转为可用的概率；

步骤1.5：设置每个信道的在当前时隙k的状态向量为ω_k={ω_k（1），ω_k（2），……，ω_k（N）}；所述状态向量为每个信道ch_i的状态集合，其中的任一个信道在时隙k的状态为该信道在该时隙的空闲概率。

3.根据权利要求2所述的针对多从用户多信道的节能的动态频谱接入策略方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1：用信道的空闲率p_i,i初始化信道的状态向量ω₁，即ω₁（j）=p_i,j,j=1,2,……N；

步骤2.2：将每个信道的在当前时隙k的状态向量ω_k中的状态值最大的M个信道依次初步分配给从用户，分配时长为一个时隙；

步骤2.3：根据以下优化目标遍历所有可能的用户信道匹配集合及下个时隙的用户传输表，所述用户传输表是指，用户在某个时隙是否进行传输；

$\min \frac{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}[P_{t,j}\left(1\right)+P_r]}{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_1\left(\mathrm{ch}\left(j\right)\right)\·C}$

上式中，分母代表在某个用户信道匹配集合及用户在下个时隙中传输表下，M个从用户预期获得的吞吐率；其中j代表用户j，ch(j)代表当前用户j匹配的信道，C代表信道容量；ω₁(ch(j))代表在第一时隙，信道ch(j)的状态值；

上式中，分子代表在某个用户信道匹配集合及用户在下个时隙中传输表下，M个从用户的预期能耗；P_t,j(1)代表用户j在第一个时隙中的预期传输功率，该预期传输功率是一个二值变量，若用户传输，则P_t,j(1)=P_t，否则，P_t,j(1)=0；

在优化目标被满足时，该用户信道匹配集合为最优的用户信道匹配集合，该用户信道匹配集合及相应的下一时隙用户传输表对应了最小的功耗-吞吐率比，即能效最高。

4.根据权利要求3所述的针对多从用户多信道的节能的动态频谱接入策略方法，其特征在于，所述步骤3中的从用户接入信道，是指从用户根据步骤2中得到的最优的用户信道匹配集合及该时隙中的用户传输表进行接入。

5.根据权利要求3所述的针对多从用户多信道的节能的动态频谱接入策略方法，其特征在于，所述步骤4包括以下步骤：

步骤4.1：在当前时隙末端，针对从用户j在该被分配的信道ch(j)，若接入结果为失败，即主用户在当前时隙占用了信道ch(j),则设置ω₁（ch(j)）为0；若接入结果为成功，即主用户在当前时隙未占用信道ch(j),则设置ω₁（ch(j)）为1；

步骤4.2：在当前时隙末端，针对在当前时隙未分配给从用户的信道，该信道的状态在状态向量中对应的值不变。

6.根据权利要求2所述的针对多从用户多信道的节能的动态频谱接入策略方法，其特征在于，所述步骤5中的所述计算下一时隙的每个信道的状态值，包括以下步骤：

步骤5.1：根据信道感知历史及信道状态概率转移矩阵计算各个信道下一时隙的空闲概率，具体如下，

其中，ω_i(k+1)表示信道i在第k+1时隙的状态值，ω_i(k)表示信道i在第k时隙的状态值。

7.根据权利要求3所述的针对多从用户多信道的节能的动态频谱接入策略方法，其特征在于，所述步骤6包括如下步骤：

步骤6.1：根据以下优化目标遍历所有可能的用户信道匹配集合及下一时隙的用户传输表：

$\min \frac{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}[P_{t,j}\left(k\right)+P_r]}{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_1\left(\mathrm{ch}\left(j\right)\right)\·C}$

上式中，ω_k(ch(j))代表在第k时隙，信道ch(j)的状态值；

步骤6.2：转到所述步骤3。

8.根据权利要求2所述的针对多从用户多信道的节能的动态频谱接入策略方法，其特征在于，t_slot的大小为所有信道E_i,I平均值的十分之一。

9.根据权利要求3所述的针对多从用户多信道的节能的动态频谱接入策略方法，其特征在于，在所述步骤2.2中，按状态值从大到小对应用户标号从小到大的方式，将每个信道的在当前时隙k的状态向量ω_k中的状态值最大的M个信道依次初步分配给从用户。

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