CN104540141A - 多用户混合式频谱共享方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多用户混合式频谱共享方法和系统，其认知用户发起频谱感知，感知授权频段是否空闲；若感知到授权频段空闲，则认知用户拟采用机会式频谱共享模式下的最优中断概率时的发射功率接入该授权频段；若感知到主用户占用了授权频段即授权频段非空闲，则认知用户拟采用共存式频谱共享模式下的最优中断概率时的发射功率接入该授权频段。本发明能够保证主用户的通信质量的前提下，最优化认知用户的中断概率，最终提高系统频谱利用率和系统容量。

Description

多用户混合式频谱共享方法和系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种多用户混合式频谱共享方法和系统。

背景技术

频谱共享是认知无线电重要技术之一，是认知用户在不干扰主用户的情况下与主用户共享授权频段。目前有共存式频谱共享(Underlay)和机会式频谱共享(Overlay)。Underlay模式即是认知用户感知到主用户存在的情况下与主用户共享频段。Overlay模式即是认知用户感知到频段空闲的情况下利用接入频段。然而，在当前认知无线电的频谱共享的研究中，基本只单独对underlay方式和overlay方式进行研究。在underlay模式下，由于认知用户只能以很小的发射功率进行传输，因而只能近距离通信；而在overlay模式下，由于认知用户只能在频谱空洞时使用频谱，因而无法充分利用频段。由此可见，单独使用underlay模式和overlay模式难以保证授权频段可以被实时利用，频谱利用率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多用户混合式频谱共享方法和系统，其能够保证主用户的通信质量的前提下，最优化认知用户的中断概率，最终提高系统频谱利用率和系统容量。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种多用户混合式频谱共享方法，包括如下步骤：

步骤1、认知用户发起频谱感知，感知授权频段是否空闲；

步骤2、若步骤1感知到授权频段空闲，则认知用户拟采用机会式频谱共享模式下的最优中断概率时的发射功率接入该授权频段；

步骤3、计算待接入的认知用户的接收信噪比；若认知用户接收信噪比大于等于预设的信噪比门限值时，则控制认知用户继续接入该授权频段；否则，控制认知用户接入其他频段；

步骤4、当新的认知用户接入该授权频段时，则假定新的认知用户已接入该授权频段，同时计算该授权频段内包括新的认知用户在内的各认知用户的接收信噪比；若各认知用户的接收信噪比均大于等于预设的信噪比门限值时，则正式允许新的认知用户接入该授权频段；否则，控制新的认知用户接入其他频段；

步骤5、若步骤1感知到主用户占用了授权频段即授权频段非空闲，则认知用户拟采用共存式频谱共享模式下的最优中断概率时的发射功率接入该授权频段；

步骤6，计算该认知用户的干扰；若认知用户的干扰大于主用户的干扰门限时，则控制认知用户接入其他频段；若认知用户的干扰小于主用户的干扰门限时，则计算待接入的认知用户的接收信噪比；若认知用户接收信噪比大于等于预设的信噪比门限值时，则控制认知用户继续接入该授权频段；否则，控制认知用户接入其他频段；

步骤7、当新的认知用户接入该授权频段时，则假定新的认知用户已接入该授权频段，同时计算该授权频段内包括新的认知用户在内的所有认知用户的总干扰；若认知用户的总干扰大于主用户的干扰门限时，则控制新的认知用户接入其他频段；若认知用户的总干扰小于主用户的干扰门限时，则计算该授权频段内包括新的认知用户在内的各认知用户的接收信噪比，若各认知用户的接收信噪比均大于等于预设的信噪比门限值时，则正式允许新的认知用户接入该授权频段；否则，控制新的认知用户接入其他频段。

作为改进，所述步骤4之后，还进一步包括对主用户授权频段监听过程，即当监听到主用户返回至该授权频段时，则所有认知用户拟采用共存式频谱共享模式下的最优中断概率时的发射功率接入该授权频段；此时，

计算该授权频段内所有认知用户的总干扰；若所有认知用户的总干扰大于主用户的干扰门限时，则控制部分认知用户退出该授权频段，直至让留下的所有认知用户的总干扰小于主用户的干扰门限；

若认知用户的总干扰小于主用户的干扰门限时，则计算该授权频段内的各认知用户的接收信噪比，若各认知用户的接收信噪比均大于等于预设的信噪比门限值时，则允许所有的认知用户接入该授权频段；否则，控制部分认知用户退出该授权频段，直至留下的各认知用户的接收信噪比均大于等于预设的信噪比门限值。

上述认知用户退出授权频段的方式是：

当所有认知用户的总干扰大于主用户的干扰门限时，则按照认知用户接入授权频段的先后顺序控制部分认知用户退出该授权频段，即让后接入的认知用户先退出授权频段。

当各认知用户的接收信噪比均小于预设的信噪比门限值时，则按照认知用户接入授权频段的先后顺序控制部分认知用户退出该授权频段，即让后接入的认知用户先退出授权频段。

作为改进，所述步骤7之后，还进一步包括对主用户授权频段监听过程，即当监听到主用户离开该授权频段时，则所有认知用户拟采用机会式频谱共享模式下的最优中断概率时的发射功率接入该授权频段；此时，

计算该授权频段内的各认知用户的接收信噪比，若各认知用户的接收信噪比均大于等于预设的信噪比门限值时，则允许所有的认知用户接入该授权频段；否则，控制部分认知用户退出该授权频段，直至留下的各认知用户的接收信噪比均大于等于预设的信噪比门限值。

上述认知用户退出授权频段的方式是：

当各认知用户的接收信噪比均小于预设的信噪比门限值时，则按照认知用户接入授权频段的先后顺序控制部分认知用户退出该授权频段，即让后接入的认知用户先退出授权频段。

步骤2中机会式频谱共享模式下的最优中断概率时的发射功率和步骤5中共存式频谱共享模式下的最优中断概率时的发射功率均预先已确定。

基于上述方法的多用户混合式频谱共享系统，由中心节点、主用户和至少一个认知用户组成；中心节点与主用户无线连接，中心节点和各个认知用户无线连接。

认知用户主要由认知中心单元、以及与认知中心单元相连的认知感知接收机、认知收发信机和通信单元组成。通信单元与中心节点相连。

认知感知接收机包括感知天线、感知射频前端模块、感知AD转换模块、感知数字带通滤波模块和感知基带处理模块；感知天线经感知射频前端模块与感知AD转换模块的输入端相连，感知AD转换模块的输出端经感知数字带通滤波模块与感知基带处理模块相连；感知基带处理模块和感知射频前端模块与认知中心单元连接。

认知收发信机包括收发天线、双工器、射频接收前端模块、接收AD转换模块、接收数字带通滤波模块、射频发射前端模块、发射AD转换模块、发射数字带通滤波模块和收发基带处理模块；收发天线经双工器分别连接射频接收前端模块的输入端和射频发射前端模块的输出端；射频接收前端模块的输出端经接收AD转换模块与接收数字带通滤波模块的输入端相连，接收数字带通滤波模块的输出端连接收发基带处理模块；收发基带处理模块连接发射数字带通滤波模块的输入端，发射数字带通滤波模块的输出端经发射AD转换模块与射频发射前端模块的输入端相连；收发基带处理模块、射频发射前端模块和射频接收前端模块与认知中心单元连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、采用混合式频谱共享方式，当认知用户感知到频段空闲时，采用Overlay方式接入频段。若感知到主用户存在，则采用Underlay方式接入频段。这样不仅可以保证授权频段可以被实时利用，增大了频谱利用率，且能够实现多单个或多个主用户与多个认知用户共享多个频谱。

2、引入多用户混合频谱共享机制，能使多个认知用户与主用户在相同频段内通信，在主用户离开或返回能自适应的切换频谱共享方式。

3、考虑了主用户与认知用户的通信质量，在保证主用户通信质量的前提下，也尽量保证认知用户的通信。在认知用户的中断概率最优的情况下，让认知用户接入频段进行通信。

附图说明

图1是多用户混合式频谱共享方法的流程图。

图2是多用户混合式频谱共享系统的模型图。

图3是图2中认知用户的原理框图。

图4是图3中认知感知接收机的原理框图。

图5是图3中认知发信机的原理框图。

图6是用户马尔可夫链状态转移图。

图7是系统主用户到达率与单个认知用户容量在Hybrid和Overlay时的关系图。

图8是系统主用户到达率与认知用户总容量在Hybrid和Overlay时的关系图。

具体实施方式

一种多用户混合式频谱共享方法，如图1所述，包括如下步骤：

步骤1、认知用户发起频谱感知，感知授权频段是否空闲。

步骤2、若步骤1感知到授权频段空闲，则认知用户拟采用机会式频谱共享模式下的最优中断概率时的发射功率接入该授权频段。

步骤3、计算待接入的认知用户的接收信噪比。若认知用户接收信噪比大于等于预设的信噪比门限值时，则控制认知用户继续接入该授权频段。否则，控制认知用户接入其他频段。

步骤4、当新的认知用户接入该授权频段时，则假定新的认知用户已接入该授权频段，同时计算该授权频段内包括新的认知用户在内的各认知用户的接收信噪比。若各认知用户的接收信噪比均大于等于预设的信噪比门限值时，则正式允许新的认知用户接入该授权频段。否则，控制新的认知用户接入其他频段。

步骤5，主用户授权频段监听过程，即当监听到主用户返回至该授权频段时，则所有认知用户拟采用共存式频谱共享模式下的最优中断概率时的发射功率接入该授权频段。此时，

计算该授权频段内所有认知用户的总干扰。若所有认知用户的总干扰大于主用户的干扰门限时，则按照认知用户接入授权频段的先后顺序控制部分认知用户退出该授权频段，即让后接入的认知用户先退出授权频段，直至让留下的所有认知用户的总干扰小于主用户的干扰门限。

若认知用户的总干扰小于主用户的干扰门限时，则计算该授权频段内的各认知用户的接收信噪比，若各认知用户的接收信噪比均大于等于预设的信噪比门限值时，则允许所有的认知用户接入该授权频段。否则，则按照认知用户接入授权频段的先后顺序控制部分认知用户退出该授权频段，即让后接入的认知用户先退出授权频段，直至留下的各认知用户的接收信噪比均大于等于预设的信噪比门限值。

步骤6、若步骤1感知到主用户占用了授权频段即授权频段非空闲，则认知用户拟采用共存式频谱共享模式下的最优中断概率时的发射功率接入该授权频段。

步骤7，计算该认知用户的干扰。若认知用户的干扰大于主用户的干扰门限时，则控制认知用户接入其他频段。若认知用户的干扰小于主用户的干扰门限时，则计算待接入的认知用户的接收信噪比。若认知用户接收信噪比大于等于预设的信噪比门限值时，则控制认知用户继续接入该授权频段。否则，控制认知用户接入其他频段。

步骤8、当新的认知用户接入该授权频段时，则假定新的认知用户已接入该授权频段，同时计算该授权频段内包括新的认知用户在内的所有认知用户的总干扰。若认知用户的总干扰大于主用户的干扰门限时，则控制新的认知用户接入其他频段。若认知用户的总干扰小于主用户的干扰门限时，则计算该授权频段内包括新的认知用户在内的各认知用户的接收信噪比，若各认知用户的接收信噪比均大于等于预设的信噪比门限值时，则正式允许新的认知用户接入该授权频段。否则，控制新的认知用户接入其他频段。

步骤9，主用户授权频段监听过程，即当监听到主用户离开该授权频段时，则所有认知用户拟采用机会式频谱共享模式下的最优中断概率时的发射功率接入该授权频段。此时，

计算该授权频段内的各认知用户的接收信噪比，若各认知用户的接收信噪比均大于等于预设的信噪比门限值时，则允许所有的认知用户接入该授权频段。否则，则按照认知用户接入授权频段的先后顺序控制部分认知用户退出该授权频段，即让后接入的认知用户先退出授权频段，直至留下的各认知用户的接收信噪比均大于等于预设的信噪比门限值。

基于上述方法的多用户混合式频谱共享系统，如图2所示，由中心节点、主用户和至少一个认知用户组成。中心节点与主用户无线连接，中心节点和各个认知用户无线连接。集中式频谱共享认知无线电网络中存在一个主用户和多个认知用户，主用户与多个认知用户共享频段，使用相同的带宽进行通信。主用户位置固定，认知用户在主用户发射机覆盖范围内随机分布。该系统采用一个中心节点(CBS)来控制认知用户的接入、等待和切换。当多个认知用户需要接入认知网络时，认知用户感知授权频段。若存在空闲频谱，则认知用户采用Overlay的频谱共享方式。中心节点(CBS)控制各认知用户按先后顺序接入频段，当该空闲频段内各个认知用户的信噪比达到一定的门限，中心节点(CBS)控制认知用户接入其他频段。若频段内存在主用户，则各个认知用户采用Underlay的方式接入频段，在各个认知用户的发射功率之和不超过主用户的干扰温度限制T_PB的前提下，也尽量保证认知用户的通信质量。

认知用户，如图3所示，主要由认知中心单元、以及与认知中心单元相连的认知感知接收机、认知收发信机和通信单元组成。通信单元与中心节点相连。在本发明中，所述通信单元为无需授权的通信单元，如wifi通信单元等。

认知感知接收机包括感知天线、感知射频前端模块、感知AD转换模块、感知数字带通滤波模块和感知基带处理模块。感知天线经感知射频前端模块与感知AD转换模块的输入端相连，感知AD转换模块的输出端经感知数字带通滤波模块与感知基带处理模块相连。感知基带处理模块和感知射频前端模块与认知中心单元连接。参见图4。

认知收发信机包括收发天线、双工器、射频接收前端模块、接收AD转换模块、接收数字带通滤波模块、射频发射前端模块、发射AD转换模块、发射数字带通滤波模块和收发基带处理模块。收发天线经双工器分别连接射频接收前端模块的输入端和射频发射前端模块的输出端。射频接收前端模块的输出端经接收AD转换模块与接收数字带通滤波模块的输入端相连，接收数字带通滤波模块的输出端连接收发基带处理模块。收发基带处理模块连接发射数字带通滤波模块的输入端，发射数字带通滤波模块的输出端经发射AD转换模块与射频发射前端模块的输入端相连。收发基带处理模块、射频发射前端模块和射频接收前端模块与认知中心单元连接。参见图5。

假设各认知用户之间的链路增益h_ij服从指数分布，分布参数λ_ij＝1，主用户到各个认知用户的链路增益为h。授权频带总带宽为B。下面采用如图6所示的连续时间马尔可夫链来分析系统模型。

假设存在一个主用户和N个认知用户共享同一频段，使用相同频段通信。其马尔可夫链状态为：0,S₁,S₂,...S_N,P,(S₁,P),(S₂,P),(S_N,P)，其中S_N代表在主用户不在时，有N个认知用户在频段内通信，(S_N,P)代表主用户在时，有N个认知用户与主用户同时通信。假设各用户的到达过程为泊松过程，λ_P为主用户的到达率,代表单位时间内主用户到达的次数，主用户离开率为μ_P。各个认知用户的到达率为λ_S,离开率为μ_S。则由用户马尔可夫链状态转移图可得：

${\mathrm{\π}}_0+{\mathrm{\π}}_P+{\mathrm{\π}}_{S_1}+...+{\mathrm{\π}}_{S_N}+{\mathrm{\π}}_{S_{1,P}}+{\mathrm{\π}}_{S_{2,P}}+...+{\mathrm{\π}}_{S_{N,P}}=1---\left(1\right)$

${\mathrm{\π}}_0({\mathrm{\λ}}_S+{\mathrm{\λ}}_P)={\mathrm{\π}}_{S_1}{\mathrm{\μ}}_S+{\mathrm{\π}}_P{\mathrm{\μ}}_P---\left(2\right)$

${\mathrm{\π}}_P({\mathrm{\λ}}_S+{\mathrm{\μ}}_P)={\mathrm{\π}}_{S_1,P}{\mathrm{\μ}}_S+{\mathrm{\π}}_0{\mathrm{\λ}}_P---\left(3\right)$

${\mathrm{\π}}_{S_i}({\mathrm{\μ}}_S+{\mathrm{\λ}}_S+{\mathrm{\λ}}_P)={\mathrm{\π}}_{S_{i-1}}{\mathrm{\λ}}_S+{\mathrm{\π}}_{S_{i+1}}{\mathrm{\μ}}_S+{\mathrm{\π}}_{S_{i,P}}{\mathrm{\μ}}_P,i=1,...N-1---\left(4\right)$

${\mathrm{\π}}_{S_N}({\mathrm{\λ}}_P+{\mathrm{\μ}}_S)={\mathrm{\π}}_{S_{N-1}}{\mathrm{\λ}}_S+{\mathrm{\π}}_{S_{N,P}}{\mathrm{\μ}}_P---\left(5\right)$

${\mathrm{\π}}_{S_{i,P}}({\mathrm{\μ}}_S+{\mathrm{\λ}}_S+{\mathrm{\μ}}_P)={\mathrm{\π}}_{S_{i-1,P}}{\mathrm{\λ}}_S+{\mathrm{\π}}_{S_{i+1,P}}{\mathrm{\μ}}_S+{\mathrm{\π}}_{S_i}{\mathrm{\λ}}_P,i=1,...N-1---\left(6\right)$

${\mathrm{\π}}_{S_{N,P}}({\mathrm{\μ}}_S+{\mathrm{\μ}}_P)={\mathrm{\π}}_{S_{N-1,P}}{\mathrm{\λ}}_S+{\mathrm{\π}}_{S_N}{\mathrm{\λ}}_P---\left(7\right)$

其中π₀,π_P,是用户各状态的稳态概率。

令 $\stackrel{\→}{\mathrm{\π}}={({\mathrm{\π}}_0,{\mathrm{\π}}_P,{\mathrm{\π}}_{S_1},...{\mathrm{\π}}_{S_N},{\mathrm{\π}}_{S_{1,P}},...{\mathrm{\π}}_{S_{N,P}})}^T,$ 则上式可以表示为

$A*\stackrel{\→}{\mathrm{\π}}=B---\left(8\right)$

其中

$A=\left(\begin{array}{cccccccc}1& 1& 1& ...& 1& 1& ...& 1\\ {\mathrm{\λ}}_s+{\mathrm{\λ}}_p& 0& 0& ...& 0& 0& ...& 0\\ 0& {\mathrm{\λ}}_s+{\mathrm{\μ}}_p& 0& ...& 0& 0& ...& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\μ}}_S+{\mathrm{\λ}}_S+{\mathrm{\λ}}_P& ...& 0& 0& ...& 0\\ 0& 0& 0& ...& 0& 0& ...& 0\\ 0& 0& 0& ...& {\mathrm{\λ}}_p+{\mathrm{\μ}}_s& 0& ...& 0\\ 0& 0& 0& ...& 0& {\mathrm{\μ}}_S+{\mathrm{\λ}}_S+{\mathrm{\μ}}_P& ...& 0\\ 0& 0& 0& ...& 0& 0& ...& 0\\ 0& 0& 0& ...& 0& 0& ...& {\mathrm{\μ}}_s+{\mathrm{\μ}}_p\end{array}\right)---\left(9\right)$

$B=\left(\begin{array}{c}1\\ {\mathrm{\μ}}_{S_1}{\mathrm{\μ}}_S+{\mathrm{\π}}_P{\mathrm{\μ}}_P\\ {\mathrm{\π}}_{s1,p}{\mathrm{\μ}}_s+{\mathrm{\π}}_0{\mathrm{\λ}}_p\\ {\mathrm{\π}}_0{\mathrm{\λ}}_S+{\mathrm{\π}}_{S_2}{\mathrm{\μ}}_S+{\mathrm{\π}}_{S_{1,P}}{\mathrm{\μ}}_P\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\π}}_{S_{N-1}}{\mathrm{\λ}}_S+{\mathrm{\π}}_{S_{N,P}}{\mathrm{\μ}}_P\\ {\mathrm{\π}}_{S_{0,P}}{\mathrm{\λ}}_S+{\mathrm{\π}}_{S_{2,P}}+{\mathrm{\π}}_{S_1}{\mathrm{\λ}}_P\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\π}}_{S_{N-1,P}}{\mathrm{\λ}}_S+{\mathrm{\π}}_{S_N}\end{array}\right)---\left(10\right)$

则 $\stackrel{\→}{\mathrm{\π}}=A^{-1}B---\left(11\right)$

当频段空闲，此时认知用户处于Overlay模式，各认知用户的容量为：

$C_i^{\mathrm{overlay}}=W{\log }_2(1+\frac{P_i{h}_{\mathrm{ii}}}{{\mathrm{\σ}}^2+\underset{k\≠i}{\mathrm{\Σ}}{P}_k{h}_{\mathrm{ki}}})---\left(12\right)$

当主用户在频段内，此时认知用户处于Underlay模式，各认知用户的容量为：

$C_i^{\mathrm{underlay}}=W{\log }_2(1+\frac{P_i^u{h}_{\mathrm{ii}}}{{\mathrm{\σ}}^2+\underset{k\≠i}{\mathrm{\Σ}}{P}_k^u{h}_{\mathrm{ki}}+P_p{h}_{\mathrm{pi}}})---\left(13\right)$

假如有N个认知用户可以接入频段，认知用户A是第一个接入频段的用户，则其容量为：

$C=C_i^{\mathrm{overlay}}*({\mathrm{\π}}_{S_1}+{\mathrm{\π}}_{S_2}+...{\mathrm{\π}}_{S_N})+C_i^{\mathrm{underlay}}*({\mathrm{\π}}_{S_{1,P}}+{\mathrm{\π}}_{S_{2,P}}+...{\mathrm{\π}}_{S_{N,P}})---\left(14\right)$

而系统总容量为：

$C=C_i^{\mathrm{overlay}}*({\mathrm{\π}}_{S_1}+{2\mathrm{\π}}_{S_2}+...{\mathrm{N\π}}_{S_N})+C_i^{\mathrm{underlay}}*({\mathrm{\π}}_{S_{1,P}}+{2\mathrm{\π}}_{S_{2,P}}+...{\mathrm{N\π}}_{S_{N,P}})---\left(15\right)$

在Underlay模式时，首先要保证主用户的通信质量，就是说多个认知用户对其的干扰不能超过干扰门限T_PB，即其中h_ip是从认知用户到主用户的路径增益。此外，在保证主用户的通信质量的基础上，也要尽可能满足认知用户的通信需求。对认知用户，只有满足其接收信噪比大于等于某个门限β时，认知用户才能顺利传输，即

$\frac{P_i^u{h}_{\mathrm{ii}}}{{\mathrm{\σ}}^2+\underset{k\≠i}{\mathrm{\Σ}}{P}_k^u{h}_{\mathrm{ki}}+P_{p}h}\≥\mathrm{\β}---\left(16\right)$

在Overlay模式下，频段空闲，认知用户可以采用更大功率进行通信，但同时也要满足其信噪比门限，即其中，为了便于讨论，假设认知用户到主用户的路径增益恒定，所有认知用户的发射功率以及相互之间的路径增益相同，这也不失一般性。

在Overlay模式下，认知用户的中断概率为：

$P_{\mathrm{out}}^{\mathrm{overlay}}=P(\frac{P_i{h}_{\mathrm{ii}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2+\underset{k\&NotEqual;i}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_k{h}_{\mathrm{ki}}}<\mathrm{\&beta;}),$ 即在 $\left\{\begin{array}{c}0<P_i<P_{\mathrm{MAX}}\\ 1<P_k<P_{\mathrm{MAX}}\end{array}\right.,$ 条件下，最优化

假设随机变量z_i服从指数分布，满足E[z_i|]＝1/λ_i，则有

$p(z_i<\underset{i\&NotEqual;j}{\mathrm{\&Sigma;}}{z}_j)=1-\underset{i\&NotEqual;j}{\mathrm{\&Pi;}}1/(1+{\mathrm{\&lambda;}}_i/{\mathrm{\&lambda;}}_j)---\left(17\right)$

$P(z_i<\underset{i\&NotEqual;j}{\mathrm{\&Sigma;}}{z}_j+c)=1-e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_{i}c}\underset{i\&NotEqual;j}{\mathrm{\&Pi;}}1/(1+{\mathrm{\&lambda;}}_i/{\mathrm{\&lambda;}}_j)---\left(18\right)$

则有

$P_{\mathrm{out}}^{\mathrm{overlay}}=P(\frac{P_i{h}_{\mathrm{ii}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2+\underset{k\&NotEqual;i}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_k{h}_{\mathrm{ki}}}<\mathrm{\&beta;})\&RightArrow;P_{\mathrm{out}}^{\mathrm{overlay}}=P(P_i{h}_{\mathrm{ii}}<{\mathrm{\&beta;\&sigma;}}^2+\mathrm{\&beta;}\underset{k\&NotEqual;i}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_k{h}_{\mathrm{ki}})---\left(19\right)$

所以 $P_{\mathrm{out}}^{\mathrm{overlay}}=1-e^{-({\mathrm{\&sigma;}}^2\mathrm{\&beta;}/P_i)}\&CenterDot;\underset{k\&NotEqual;i}{\mathrm{\&Pi;}}{P}_i/({\mathrm{\&beta;P}}_k+P_i)---\left(20\right)$

当σ₂β/P_i<<1时，有则上式优化问题可表示为：

在 $\left\{\begin{array}{c}0<P_i<P_{\max }\\ 1<P_k<P_{\max }\end{array}\right.,$ 找出最优功率P_i，求

$\max P_i/(P_i+{\mathrm{\&sigma;}}^2\mathrm{\&beta;})\&CenterDot;\underset{k\&NotEqual;i}{\mathrm{\&Pi;}}{P}_i/(\mathrm{\&beta;}{P}_k+P_i)---\left(21\right)$

在Underlay模式下，认知用户的中断概率为：

$P_{\mathrm{out}}^{\mathrm{underlay}}=P(\frac{P_i^u{h}_{\mathrm{ii}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2+\underset{k\&NotEqual;i}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_k^u{h}_{\mathrm{ki}}+P_{p}h}<\mathrm{\&beta;}),$ 即在 $\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_{\mathrm{ip}}{P}_i^u\&le;T_{\mathrm{PB}}\\ 0<P_i^u,P_k^u<P_{\max }^u\end{array}\right.$ 条件下，最优化中断概率P_out。

同理 $P_{\mathrm{out}}^{\mathrm{underlay}}=P(\frac{P_i^u{h}_{\mathrm{ii}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2+\underset{k\&NotEqual;i}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_k^u{h}_{\mathrm{ki}}+P_{p}h}<\mathrm{\&beta;})\&RightArrow;$

$P_{\mathrm{out}}^{\mathrm{underlay}}=P(P_i^u{h}_{\mathrm{ii}}<\mathrm{\&beta;}{\mathrm{\&sigma;}}^2+P_{p}h+\mathrm{\&beta;}\underset{k\&NotEqual;i}{\mathrm{\&Sigma;}}{P}_k^u{h}_{\mathrm{ki}}),$ 即该优化问题可表示为

在 $\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_{\mathrm{ip}}{P}_i^u\&le;T_{\mathrm{PB}}\\ 0\&le;P_i^u,P_k^u<P_{\max }^u\end{array}\right.$ 条件下，找到最优的功率值

$\max P_i^u/({\mathrm{\&sigma;}}^2\mathrm{\&beta;}+P_{p}h+P_i^u)\&CenterDot;\underset{k\&NotEqual;i}{\mathrm{\&Pi;}}{P}_i^u/(\mathrm{\&beta;}{P}_k^u+P_i^u)---\left(22\right)$

令认知用户的发射功率相同，则式(21)(22)等价于

maxP_i/(P_i+σ²β)       (23)

$\max P_i^u/({\mathrm{\&sigma;}}^2\mathrm{\&beta;}+P_{p}h+P_i^u)---\left(24\right)$

(23)(24)两式是关于P_i，的单调递增函数，即当时，中断概率最低。

在仿真中，没有特殊情况，设定用户数量N＝3，授权带宽B＝200kHz,噪声功率谱密度n₀＝10^-10W/Hz，认知用户路径增益h_ij服从参数λ＝1的指数分布，主用户与认知用户之间的平均路径增益h＝3.5，主用户发射功率为50mW，认知用户最大发射功率为50mW，认知用户到达率λ_S，离开率μ_S，主用户离开率μ_P均为100。讨论在最优认知用户中断概率的情况下，认知用户容量与主用户到达率的关系。图7给出了主用户到达率与认知用户A的容量的关系。图中表示随着主用户到达率的提高，认知用户A的容量在Overlay状态和hybrid状态时均逐渐降低。其中Hybrid时用户A的容量大于Overlay时的容量。图8给出了主用户到达率与认知用户总容量的关系。图中表示随着主用户到达率的提高，认知用户的系统容量在Overlay状态和Hybrid状态时均逐渐降低。其中hybrid时的系统容量大于overlay时的容量。

由于主用户到达率的提高导致系统处于underlay时的概率大于处于overlay时的概率，从而导致无论单个认知用户还是所有认知用户的容量均之间降低。另外该结论表明，在最优认知用户中断概率的情况下，认知用户在hybrid时的系统容量均大于overlay时的系统容量。

Claims (8)

1.多用户混合式频谱共享方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤1、认知用户发起频谱感知，感知授权频段是否空闲；

步骤2、若步骤1感知到授权频段空闲，则认知用户拟采用机会式频谱共享模式下的最优中断概率时的发射功率接入该授权频段；

步骤3、计算待接入的认知用户的接收信噪比；若认知用户接收信噪比大于等于预设的信噪比门限值时，则控制认知用户继续接入该授权频段；否则，控制认知用户接入其他频段；

步骤4、当新的认知用户接入该授权频段时，则假定新的认知用户已接入该授权频段，同时计算该授权频段内包括新的认知用户在内的各认知用户的接收信噪比；若各认知用户的接收信噪比均大于等于预设的信噪比门限值时，则正式允许新的认知用户接入该授权频段；否则，控制新的认知用户接入其他频段；

步骤5、若步骤1感知到主用户占用了授权频段即授权频段非空闲，则认知用户拟采用共存式频谱共享模式下的最优中断概率时的发射功率接入该授权频段；

步骤6，计算该认知用户的干扰；若认知用户的干扰大于主用户的干扰门限时，则控制认知用户接入其他频段；若认知用户的干扰小于主用户的干扰门限时，则计算待接入的认知用户的接收信噪比；若认知用户接收信噪比大于等于预设的信噪比门限值时，则控制认知用户继续接入该授权频段；否则，控制认知用户接入其他频段；

步骤7、当新的认知用户接入该授权频段时，则假定新的认知用户已接入该授权频段，同时计算该授权频段内包括新的认知用户在内的所有认知用户的总干扰；若认知用户的总干扰大于主用户的干扰门限时，则控制新的认知用户接入其他频段；若认知用户的总干扰小于主用户的干扰门限时，则计算该授权频段内包括新的认知用户在内的各认知用户的接收信噪比，若各认知用户的接收信噪比均大于等于预设的信噪比门限值时，则正式允许新的认知用户接入该授权频段；否则，控制新的认知用户接入其他频段。

2.根据权利要求1所述的多用户混合式频谱共享方法，其特征是，所述步骤4之后，还进一步包括对主用户授权频段监听过程，即当监听到主用户返回至该授权频段时，则所有认知用户拟采用共存式频谱共享模式下的最优中断概率时的发射功率接入该授权频段；此时，

计算该授权频段内所有认知用户的总干扰；若所有认知用户的总干扰大于主用户的干扰门限时，则控制部分认知用户退出该授权频段，直至让留下的所有认知用户的总干扰小于主用户的干扰门限；

若认知用户的总干扰小于主用户的干扰门限时，则计算该授权频段内的各认知用户的接收信噪比，若各认知用户的接收信噪比均大于等于预设的信噪比门限值时，则允许所有的认知用户接入该授权频段；否则，控制部分认知用户退出该授权频段，直至留下的各认知用户的接收信噪比均大于等于预设的信噪比门限值。

3.根据权利要求2所述的多用户混合式频谱共享方法，其特征是，当所有认知用户的总干扰大于主用户的干扰门限时，则按照认知用户接入授权频段的先后顺序控制部分认知用户退出该授权频段，即让后接入的认知用户先退出授权频段。

4.根据权利要求2所述的多用户混合式频谱共享方法，其特征是，当各认知用户的接收信噪比均小于预设的信噪比门限值时，则按照认知用户接入授权频段的先后顺序控制部分认知用户退出该授权频段，即让后接入的认知用户先退出授权频段。

5.根据权利要求1所述的多用户混合式频谱共享方法，其特征是，所述步骤7之后，还进一步包括对主用户授权频段监听过程，即当监听到主用户离开该授权频段时，则所有认知用户拟采用机会式频谱共享模式下的最优中断概率时的发射功率接入该授权频段；此时，

计算该授权频段内的各认知用户的接收信噪比，若各认知用户的接收信噪比均大于等于预设的信噪比门限值时，则允许所有的认知用户接入该授权频段；否则，控制部分认知用户退出该授权频段，直至留下的各认知用户的接收信噪比均大于等于预设的信噪比门限值。

6.根据权利要求5所述的多用户混合式频谱共享方法，其特征是，当各认知用户的接收信噪比均小于预设的信噪比门限值时，则按照认知用户接入授权频段的先后顺序控制部分认知用户退出该授权频段，即让后接入的认知用户先退出授权频段。

7.根据权利要求1所述的多用户混合式频谱共享方法，其特征是，步骤2中机会式频谱共享模式下的最优中断概率时的发射功率和步骤5中共存式频谱共享模式下的最优中断概率时的发射功率均预先已确定。

8.基于上述方法的多用户混合式频谱共享系统，其特征是，由中心节点、主用户和至少一个认知用户组成；中心节点与主用户无线连接，中心节点和各个认知用户无线连接；

认知用户主要由认知中心单元、以及与认知中心单元相连的认知感知接收机、认知收发信机和通信单元组成；通信单元与中心节点相连；

认知感知接收机包括感知天线、感知射频前端模块、感知AD转换模块、感知数字带通滤波模块和感知基带处理模块；感知天线经感知射频前端模块与感知AD转换模块的输入端相连，感知AD转换模块的输出端经感知数字带通滤波模块与感知基带处理模块相连；感知基带处理模块和感知射频前端模块与认知中心单元连接；

认知收发信机包括收发天线、双工器、射频接收前端模块、接收AD转换模块、接收数字带通滤波模块、射频发射前端模块、发射AD转换模块、发射数字带通滤波模块和收发基带处理模块；收发天线经双工器分别连接射频接收前端模块的输入端和射频发射前端模块的输出端；射频接收前端模块的输出端经接收AD转换模块与接收数字带通滤波模块的输入端相连，接收数字带通滤波模块的输出端连接收发基带处理模块；收发基带处理模块连接发射数字带通滤波模块的输入端，发射数字带通滤波模块的输出端经发射AD转换模块与射频发射前端模块的输入端相连；收发基带处理模块、射频发射前端模块和射频接收前端模块与认知中心单元连接。