CN105592563B - 一种多用户机会频谱接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种多用户机会频谱接入方法。将频谱分为若干信道组，每个次级用户在每个时隙内随机选取一个信道组进行感知接入，各个次级用户通过对感知结果的学习，按一定概率采取d步前移调整法不断地调整信道分组方式以避免用户间碰撞，直至达到无碰撞的理想分组方式。本发明在无需信息交互的情况下前移调整信道分组，避免了多个次用户伺机接入频谱引发的碰撞，并提高了系统的利用率和吞吐量。

Description

一种多用户机会频谱接入方法

技术领域

本发明属于无线通信领域中的认知无线电技术，具体涉及一种多用户机会频谱接入方法。

背景技术

随着无线通信业务需求量的迅猛增长，频谱资源的匮乏成为当前无线通信系统面临的一个重大难题。传统无线通信系统大都采用一种简单的固定分配方式，即由频谱管理部门将可用频谱资源划分成若干非重叠、固定频段，分配给各种不同的服务与技术(参考文献：Martin Cave,Chris Doyle,William Webb,Modern Spectrum Management,CambridgeUniversity Press,2007ISBN 0-521-87669-8)。这种静态频谱分配策略简单、操作性强，并能完全避免各个授权用户间的干扰，在无线通信发展的初期取得了很好的效果。但是在这种固定的频谱分配方法中，授权用户对频段具有独占性，当该频段空闲时也不能被非授权用户使用，从而导致频谱利用率很低。因此，固定的频谱分配方式已成为制约无线通信发展的瓶颈。无线通信急需一种全新的技术来提升频谱利用率。

认知无线电是一种新型智能的无线通信系统，它能够对无线频谱环境进行感知并获取有用信息，在不影响授权用户正常使用的前提下，通过实时地重配置自身的传输参数，动态地重复使用可用频谱资源，实现对无线环境的高度自适应和频谱利用的高效性(参考文献：S.Haykin,Cognitive radio:brain-empowered wireless communications,IEEEJournal on Selected Areas in Communication,vol.23,no.2,pp.201-220,Feb.2005)。认知无线电技术的目标是实现动态频谱接入，而分级接入模型则是认知无线电思想的核心。所谓分级是指系统用户分为主用户和次用户，次用户(secondary user)只能在不干扰主用户(primary user)正常通信的前提下利用主用户所拥有的授权频带进行通信，从而实现和主用户的频谱共享。机会频谱接入技术(OSA：Opportunity Spectrum Access)为分级接入技术的频谱填充(spectrum overlay)模型，即次用户通过感知检测频谱空穴，一旦发现授权频谱空闲(频谱机会)就立即接入(参考文献：J.Mitola,Cognitive radio forflexible mobile multimedia communications,IEEE International Workshop onMobile Multimedia Communications(MoMnC’99)，San Diego，CA,November 1999)。OSA技术的关键在于能够智能地做出决策，实现多种无线电系统在互不干扰的情况下进行频谱共享，从而有效地解决了目前无线频谱资源日益紧缺的问题。OSA技术的一大优势在于可在现有频谱内进行操作，与其他现有的接入技术兼容，成为近期的研究热点。

目前，对于单一用户级的认知无线网络研究体系已趋近成熟，而多用户的情况更适用于实际的认知无线网络，其主要分为集中式和分布式两种架构。在集中式网络中，公共控制信道可以作为多用户间信息交互的枢纽，并利用集中控制器将频谱接入问题转化为频谱分配问题。而在分布式认知无线网络中，若设立公共信道进行用户信息交互，则会导致较多的时间、带宽、能量等资源开销。各个用户需要在与其他用户无信息交互的情况下，通过自身感知频谱伺机接入空闲的频段，这使得具体的接入算法变得更为复杂，需要深入研究并考虑用户特性、频谱动态性、先验信息等各个因素。从当前的相关研究成果来看，分布式网络中频谱接入技术主要是基于随机选取和博弈论模型。基于随机选取的技术优点在于其较好的可操作性，但缺点是没有动态感知很容易造成碰撞，致使系统性能较差；基于博弈论模型的技术优点在于考虑到了多用户之间的相互作用，并提供了丰富有效的研究模型，缺点在于需要事先知道关于所在频谱环境的统计信息。

发明内容

本发明提出一种多用户机会频谱接入方法，旨在充分考虑分布式无线网络中缺乏次用户间信息交互的特性，在无需信息交互的情况下前移调整信道分组，避免了多个次用户伺机接入频谱引发的碰撞，并提高了系统的利用率和吞吐量。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种多用户机会频谱接入方法，包括以下步骤：

步骤一：假设认知无线网络中存在M个次用户，将总频谱分为N个信道，且≥M；将N个信道依此划分成个信道组，每个信道组均由相邻的个信道组成，其中是向下取整符号；令Kj为信道分组后第j个信道组，则第j个信道组表示如式(1)所示，

所述信道组K_j包括从第j个信道到第个信道。

步骤二：在初始时隙内，每个次用户均从所述个信道组中随机选择一个信道组，用于信道感知；

步骤三：判断次用户选择的信道组是否与其他用户在选择的信道组发生了碰撞，如果发生了碰撞，则对该次用户目前选择的信道组进行前移调整，选择其他的信道组在下一个时隙进行感知，如果没有发生碰撞，该次用户在下一个时隙继续感知现在信道组中的信道；当当前时隙信道组调整完成之后，进入下一时隙，重复步骤三，直至信道组不再需要调整；所述信道组发生了碰撞的情况是指：

(1)在同一个时隙内，多个次用户选择同一组信道组进行感知；或者

(2)在一个时隙内，一个次用户准备接入的主用户空闲的信道已被其他次用户接入。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于，本发明采取信道标记的措施，在考虑分布式认知无线网络没有融合中心的情况下，无需事先对频谱环境信息进行检测统计，便完成了对被占用信道的识别，和用户所属分组的调整，降低了系统开销，提高了频带利用率和系统信息的吞吐量；本发明采取了用户自适应调整信道组的方案，最终的信道组可以最大限度的减少用户间碰撞的发生，同时提高频带的利用率；本发明充分利用次用户每个时隙的感知结果，不断调整各次用户信道组，直至无交集的信道组形式，避免了用户间的碰撞，从而提高了系统信息的吞吐量。

附图说明

图1是使用本发明的一个分布式认知无线网络模型图。

图2是使用本发明中一个信道组示意图。

图3是使用本发明的一个机会感知传输时隙结构图。

图4是使用本发明中一个信道组前移调整示意图。

图5是本发明实验中使用本发明方法和传统随机选取分组方法进行对比时系统的吞吐量性能比较图。

图6是本发明实验中使用本发明方法时在前移步长d变化的情况下系统的吞吐量性能比较图。

图7是本发明实验中使用本发明方法时在信道数N变化的情况下系统的吞吐量性能比较图。

图8是本发明实验中使用本发明方法时在调整概率P变化的情况下系统的吞吐量性能比较图。

具体实施方式

为克服这些频谱接入技术利用率低、吞吐量不高且需先验信息的缺点，同时获得较好的系统性能，本发明在分布式无线网络的研究背景下，使次用户能够根据环境的变化和自身接入的结果，不断调整所选的频谱分组，直至达到理想无碰撞的目的。

图1所示是使用本发明时采用的一种分布式认知无线网络模型。所有次级用户处于同构频谱环境中，共享相同的频谱资源。在任意时隙中，次用户通过感知得到频谱内信道的可用状态，忙碌或者空闲。本发明中，认知无线电网络中多个次用户在无信息交互的基础上，通过其感知结果不断调整原有分组直至无碰撞情况发生，充分地利用了整个频段。本发明的具体实施步骤如下：

步骤一：完成频谱划分。

假设总频谱被分为N个信道，为了保证M个次用户都有足够的信道去感知，N应当不小于M。接着将所有信道分为若干个组，即分为若干个信道组，考虑到次用户间的公平性，每个信道组内的信道数量应保持一致。由于相邻频谱符合射频特点，并且不能忽略硬件的限制并方便实现(这是因为现有的频谱分析仪在扫描检测相邻连续信道时效率高且容易操作，而扫描不相邻信道时效率会较之大幅度下降)，如图2所示，本发明将信道分组为若干由一定数量的相邻信道组成的信道组。为了达到之后无交集的理想分组目的，并且欲尽可能多地探测频谱，将N个信道依此划分为个信道组(是向下取整符号)，每个信道组都由相邻的个信道组成。所述信道组就像一个长度为的滑动窗口，步长为d(单位：信道)，从第一个信道开始滑动，直到第个信道停止。令K_j 为信道分组后第j个信道组，具体信道组细节如下所示：

信道组是划分后的第一个信道组，也就是该信道组内的信道包括了从第一个信道到第个信道。

信道组是划分后的第二个信道组，也就是该信道组内的信道包括了从第二个信道到第个信道。

……

信道组是划分后的第j个信道组，也就是该组信道内的信道包括了从第j个信道到第个信道。

……

信道组是划分后的最后一个信道组，也就是该组内的信道包括了从第个信道到最后一个信道N。

需要注意的是，在分组的初始阶段，各组之间可能会存在重叠，如信道组K₁中的信道便与信道组K₂中的信道重叠。

步骤二：次用户选择分组后的信道组。

在初始时隙内，每个次用户均从所述个信道组中随机选择一个信道组。由于是分布式认知无线网络，所有次用户在此时刻均不知道其他次用户所选择的是哪一个信道组。

步骤三：判断次用户选择的信道组是否与其他用户在选择的信道组发生了碰撞，若发生了碰撞，则对目前选择的信道组进行前移调整，选择其他的信道组在下一个时隙进行感知，如果没有碰撞发生，该次用户在下一个时隙继续感知现在信道组中的信道。

1)所述发生碰撞的情况为：

在任意时隙中，通过标记已被次用户成功接入的信道，判断各次用户是否与其他用户进行碰撞。在次用户探测感知信道的过程中，以下两种情况视作“发生了碰撞”：

(1)在同一个时隙内，多个次用户选择同一组信道组进行感知；

(2)在一个时隙内，一个次用户准备接入的主用户空闲的信道已被其他次用户接入。

2)所述对目前选择的信道组进行前移调整，选择其他的信道组进行感知的方法为：

如果有碰撞发生，该次用户将采用信道组前移调整策略，将目前选择的信道组前移d步(d的单位为信道)，然后在前移d步的信道组中感知信道。信道组前移调整能够把现在的信道组调整成为无碰撞发生的无交集信道组。前移信道组调整的核心是在碰撞发生时另行选择信道组进行感知，另行选择信道组时，就像将与信道组长度相同的窗口向前滑动d步的信道，将滑动d步后窗口所在信道组作为下一时隙进行感知的信道组。

3)如果有碰撞发生，该次用户将遵从调整概率P来决定是否进行信道组前移调整。例如：若取P＝40％,该次用户有40％的概率选择调整当前的信道组，在前移d个单位的信道组中感知信道，同时该次级用户也有60％的概率选择不调整当前的信道组，而继续在当前信道组中感知信道；其他发生碰撞的次用户也同时采用前述相同的前移调整策略调整信道组。

前述信道组前移调整策略能够把现在的信道组调整成为无碰撞发生的信道组，即每个次用户选择的信道组之间没有信道交集，或者没有包含相同的信道。前移信道组调整策略的核心是在碰撞发生时另行选择信道组进行感知，另行选择信道组时，就像将与信道组长度相同的窗口向前滑动d个单位的信道，将滑动d个单位信道后窗口所在信道组作为下一时隙进行感知的信道组。发现碰撞的次用户会按一定概率P采取d步前移信道分组调整算法，避免下一次碰撞。

在本发明中，所有次用户以P的概率进行d步信道组前移调整，以1-P的概率保持现有信道组不进行调整，如图4所示：假设次用户i在t时隙选择的信道组a_i(t)为即信道组包含着从频谱上第L个信道到第个信道之间的所有信道。如果次用户i在t时隙检测到该信道组已经被其他次用户标记过(即碰撞发生)并且决定调整信道组,K_L所在窗口将会向前滑动d个信道单位。如图4中的(a)所示，如果即第L个信道前有足够的信道可供窗口前移d个单位，窗口便直接向前移动d步，用户i在t+1时隙进行感知的信道组将变为如图4中的(b)所示，如果1≤L≤d，为了避免下一次碰撞，于是将K_L所在窗口直接移至最后一个信道组，即前述信道组前移调整过程可以用公式(1)更加清晰地描述，

式(1)中，a_i(t+1)表示用户i在t时隙发生碰撞后，在t+1时隙进行感知的信道组。

当当前时隙信道组调整完成之后，进入下一时隙，重复步骤三，直至信道组不再需要调整，即各信道组之间无交集的信道。

对本发明方法性能的评价：

可以用收益(即使用本发明方法时的系统吞吐量)作为评价本发明方法的指标。在每次信道组调整完成之后，均计算瞬时收益，当信道组不再需要调整时，计算系统总吞吐量作为本发明方法性能的评价指标。

次用户机会感知传输时隙结构如图3所示，每个时隙被分为三个部分：信道感知、数据传输和确认。通过对信道的逐一顺序感知，次用户将在感知到的第一个空闲信道上进行数据传输，感知过程中信道探知的开销作为计算瞬时收益的因子。如果一个次用户在一个时隙内成功接入某一空闲信道并传输数据，一个确认信息包(ACK:Acknowledgement)将会被发送，表示数据传输成功，这时次用户在此时隙的瞬时收益可由式(4)计算得到。若次用户在一个时隙内一直感知，却没有找到一个可用信道，那么次用户在此时隙内的瞬时收益为0。

定义一个时隙的时长为T_slot，次用户感知一个信道所需的时间为T_s，数据成功传输确认的时长为T_a，数据传输时间为T_t，每个时隙传输时间的表达式如式(2)所示：

T_t＝T_slot-L_t·T_s-T_a (2)

式(2)中，L_t是在t时隙内一个次用户探测的全部信道数量，并且有着时变性。如果在此时隙内没有感知到可用信道，那么否则，

本发明只考虑将时间的消耗作为感知信道的开销。如果在一个时隙内次用户感知的信道数目越多，那么此时隙内可用于来传输数据的时间T_t就会减少。

在时隙t内，假设所有次用户选择的信道组集合用A(t)表示，A(t)表达式如式(3)所示：

A(t)＝{a₁(t),…,a_j(t)…,a_M(t)} (3)

式(3)中，a_j(t)表示次用户j在t时隙选取的信道组。

用SU_i(i∈[1,M])表示次用户i，表示次用户SU_i在时隙t内成功接入的信道，同时表示在次用户SU_i选择的信道分组a_i(t)中为第L_t个信道，B、R分别为每个信道的带宽和传输速率。表示信道信道所处的状态(用S_n(t)＝0表示信道n在时隙t内被主用户占用，用S_n(t)＝1表示在时隙t内信道n空闲)，表示SU_i在时隙t内获得的瞬时收益，的表达式如式(4)所示：

如果SU_i与其它次用户在t时隙选择同一个信道分组，将不存在。此时，SU_i在时隙t内获得的收益为零。如果SU_i想接入的主用户空闲信道已被其他次用户接入，那么它将继续逐一感知信道分组a_i(t)内的剩余信道直到找到了可用信道或是在一个时隙结束之后根据步骤三调整各个用户的信道组。

V(t)表示所有的用户从开始到时隙t的累加收益之和，即系统的总吞吐量，如公式(5)所示，其中时隙T代表最终信道组不再调整时的时隙：

本发明可以通过以下实验进一步说明。

下述实验在同一个系统模型下，分析比较了本发明所提出的方法以及背景技术中介绍的随机选取分组方法。随机选取分组，意为各个次用户在每一个时隙都随机选取已划分好的信道组进行接入策略。

假设一共有M(M>1)个次用户竞争可用的频谱机会。频谱由N个信道组成(N≥M)，所有信道都有着相同的带宽B和传输速率R，令B＝R＝1。次用户感知一个信道所需的时间以及成功传输数据后的确认时长都为一个时隙总时间的十分之一，令T_slot＝10，T_s＝T_a＝1。在图5,6,7中，调整概率P＝0.5。

图5是使用本发明方法和现有技术即随机选取分组方法进行多用户机会频谱接入实验后，系统的吞吐量性能比较图。为了便于比对本发明和随机选取分组方法对系统吞吐量的性能的影响，在分布式认知无线网络中设置有3个次用户和9个信道。从图5中可看到，随着时间的推移，采用本发明方法使用户间的碰撞被有效地减少至零，其吞吐量渐渐上升并最终趋于较高的稳定值，而采用随机选取方法的系统吞吐量一直保持在较低水平且没有发生明显变化，因此本发明方法优于随机选取方法，使系统得到了更高的收益。

图6是使用本发明方法时，系统的吞吐量性能比较图。为了便于比对信道组d步前移调整策略中调整步长d对系统吞吐量的性能的影响，设置分布式认知无线网络中有3个次用户和10个信道。通过划分频谱，一共分为个信道分组。如果步长等于信道分组的数量，相当于向前移动了8个信道，如同一个循环，即没有调整，与原有分组无异，所以步长当步长d＝1,2(单位：信道)时，吞吐量曲线几乎重叠且性能最好。当d不断增大，调整策略的作用逐渐减小，系统的吞吐量性能逐渐变差。因而设定的步长d相对较小时，本发明提出的d步前移调整策略对于减少碰撞的产生是有效的，系统的吞吐量相应能够得到较大提高。

图7是使用本发明方法的一个在信道数N变化的情况下系统的吞吐量性能比较图。为了便于比对信道分组d步前移调整策略中信道数N对系统吞吐量的性能的影响，设置分布式认知无线网络中有3个次用户，信道数分别为9、13和27。如图7所示，系统的吞吐量性能与信道数成正比。随着N增大，每个信道分组里的信道数越大，说明每个次用户在一个时隙内能感知更多的信道，这样各用户接入空闲信道的几率增高，系统的增益变大。同时，系统吞吐量性能曲线收敛的时间随着信道数的增大减少，N越大，收敛越快。在初始时隙各用户随机从个信道分组中选取分组时，组数越大，选择的范围越大，发生碰撞的可能性越小。因此，信道数的大小是决定收敛速度的一个重要因素。

图8是使用本发明的一个在调整概率P变化的情况下系统的吞吐量性能比较图。为了便于比对信道分组d步前移调整策略中调整概率P对系统吞吐量性能的影响，设置分布式认知无线网络中有3个次用户和9个信道。由图可见，当调整概率等于0.5时，系统吞吐量性能最好。因为涉及到碰撞的用户将以0.5的概率来选择保持原有分组不变或是采取d步前移调整策略，这样保证了用户的公平性。当P太大或太小时，大部分用户都同时进行d步前移调整或依旧保持原有分组，这样调整策略失去意义。因此收敛之前的系统的吞吐量性能与|P-0.5|的数值成反比，收敛时间与|P-0.5|的数值成正比。因此，调整概率P的大小也是决定收敛速度的一个重要因素。

综上，本发明方法的系统吞吐量性能远优于随机选取方法。在性能曲线收敛之前步长越小，或信道数越大，或调整概率偏离0.5的幅度越小，系统性能越好，能越快达到收敛。

Claims (6)

1.一种多用户机会频谱接入方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：假设认知无线网络中存在M个次用户，将总频谱分为N个信道，且≥M；将N个信道依此划分成个信道组，每个信道组均由相邻的个信道组成，其中是向下取整符号；

步骤二：在初始时隙内，每个次用户均从所述个信道组中随机选择一个信道组，用于信道感知；

步骤三：判断次用户选择的信道组是否与其他用户在选择的信道组发生了碰撞，如果发生了碰撞，则对该次用户目前选择的信道组进行前移调整，选择其他的信道组在下一个时隙进行感知，如果没有发生碰撞，该次用户在下一个时隙继续感知现在信道组中的信道；当当前时隙信道组调整完成之后，进入下一时隙，重复步骤三，直至信道组不再需要调整；所述信道组发生了碰撞的情况是指：

(1)在同一个时隙内，多个次用户选择同一组信道组进行感知；或者

(2)在一个时隙内，一个次用户准备接入的主用户空闲的信道已被其他次用户接入；

其中，所述对目前选择的信道组进行前移调整的方法为：如果信道组发生碰撞，将目前的信道组前移d步，将前移d步后的信道组作为下一时隙进行感知的信道组。

2.如权利要求1所述多用户机会频谱接入方法，其特征在于，步骤一中，令K_j为信道分组后第j个信道组，则第j个信道组表示如式(1)所示，

所述信道组K_j包括从第j个信道到第个信道。

3.如权利要求1所述多用户机会频谱接入方法，其特征在于，步骤三中，所有次用户以P的概率进行d步信道组前移调整，以1P的概率保持现有信道组不变。

4.如权利要求3所述多用户机会频谱接入方法，其特征在于，步骤三中，假设次用户i在t时隙选择的信道组a_i(t)为如果次用户i在t时隙发生信道组碰撞并决定调整信道组时，且则次用户i在t+1时隙进行感知的信道组为如果1≤L≤d，则次用户i在t+1时隙进行感知的信道组为

5.如权利要求4所述多用户机会频谱接入方法，其特征在于，采用系统总吞吐量作为所述多用户机会频谱接入方法的性能评价指标，在每次信道组调整完成之后，均计算瞬时收益，当信道组不再需要调整时，根据每次的瞬时收益计算系统总吞吐量。

6.如权利要求5所述多用户机会频谱接入方法，其特征在于，

所述次用户i在t时隙内获得的瞬时收益的计算方式如式(2)所示：

式(2)中，表示信道信道所处的状态，S_n(t)＝0表示信道n在时隙t内被主用户占用，S_n(t)＝1表示在时隙t内信道n空闲；表示次用户i在时隙t内成功接入的信道，同时表示在次用户i选择的信道分组a_i(t)中为第L_t个信道；B、R分别为每个信道的带宽和传输速率；T_slot为一个时隙的时长，T_s为次用户感知一个信道所需的时间，T_a为数据成功传输确认的时长，L_t是在t时隙内一个次用户探测的全部信道数量；

所述系统总吞吐量V(t)的计算方式如公式(3)所示，

其中，时隙T代表最终信道组不再调整时的时隙。