CN106231602B - 一种基于预测机制和阈值判断的主动频谱切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于预测机制和阈值判断的主动频谱切换方法，包括：在CWMSN中，多媒体数据从认知节点向汇聚节点传输过程中，认知节点每隔一段时间对授权用户的信道占用行为进行探测，根据探测结果预测多个仅存在环境噪声、未被授权用户的原始分配业务占用、能够被认知用户非授权使用的子信道，将授权用户的空闲信道数目、空闲状态持续时间以及空闲概率结合为一个联合值，联合值最大的状态即为信道的最佳状态，然后信道根据这些状态进行排队，构建一个备用信道缓冲池；在授权用户对认知用户的干扰程度设置一个阈值，当授权用户出现时，采用阈值判断策略实现认知用户的频谱切换。本发明解决了多媒体数据传输不连续和部分数据丢失等问题。

Description

一种基于预测机制和阈值判断的主动频谱切换方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于预测机制和阈值判断的主动频谱切换方法。
背景技术
无线多媒体传感网络(Wireless Multimedia Sensor Network,WMSN)中各节点通过无线信道传输信息，当节点采用固定频谱分配方案时，某些节点因暂时无数据传输而浪费频谱资源。利用认知无线电技术(Cognitive Radio,CR)可拓展WMSN的通信带宽。CR是一种智能频谱共享技术，允许认知用户感知授权用户未使用的空闲频段并机会式地利用这些频谱空穴，当授权用户信号随机出现时，认知用户必须将信道切换到另一个空闲频段上，显然这种切换是随机的、强制的、频繁的，对多媒体传输所要求的实时、连续、QoS保障等无疑是灾难性的。为保障多媒体服务质量，有必要对CWMSN的频谱切换机制展开研究。
被动的频谱切换的随机性和频繁性会导致多媒体数据传输不流畅和延时等问题。授权用户对认知用户的干扰阈值决定了切换的时刻，如何确定干扰阈值范围并结合模糊决策进行切换时刻判断，是必须要解决的关键问题。对授权用户进行预测，按空闲信道数目、空闲时长、空闲概率大小等特性进行排序形成优先有序存量丰富的备用信道缓冲池，是必须要解决的第二个关键问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种基于预测机制和阈值判断的主动频谱切换方法，该方法能够准确判断频谱切换时刻，并能灵活地实现认知用户的频谱切换。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种基于预测机制和阈值判断的主动频谱切换方法，该方法包括：步骤S1，在CWMSN中，多媒体数据从认知节点向汇聚节点传输过程中，认知节点每隔一段时间对授权用户的信道占用行为进行探测并统计，根据探测结果预测多个仅存在环境噪声、未被授权用户的原始分配业务占用、能够被认知用户非授权使用的子信道，将授权用户的空闲信道数目、空闲状态持续时间以及空闲概率结合为一个联合值，联合值最大的状态即为信道的最佳状态，然后信道根据这些状态进行排队，构建一个备用信道缓冲池；
步骤S2，在授权用户对认知用户的干扰程度设置一个阈值，当授权用户出现时，采用阈值判断策略实现认知用户的频谱切换。
优选地，所述步骤S2中，引入认知用户对授权用户的干扰阈值临界范围，采用模糊控制概念判断切换时刻，判断步骤为：步骤S21，检测侦听过程开始，认知用户根据整个频谱切换过程进行信道状态信息检测，判断是否需要进行频谱切换；步骤S22，需要进行频谱切换的认知用户进行参数初始化，并计算授权用户传输能量；步骤S23，通过模糊逻辑控制器判断认知用户对授权用户的干扰水平；步骤S24，预测认知用户的服务质量，若满足认知用户的服务质量，跳转至步骤S25，若不满足则跳转至步骤S26；步骤S25，判断认知用户干扰水平是否大于授权用户预先设定的门限，在对授权用户造成的干扰低于认知用户预设的干扰门限情况下不进行切换，而是与授权用户共存于信道完成通信，若大于干扰门限，则跳转至步骤S26；步骤S26，执行频谱切换。
优选地，进行频谱切换的同时，认知用户继续探测空闲信道，并通过预测机制来更新备用信道缓池中的队列顺序。
优选地，当检测到授权用户信号第一次占用双备份空闲信道，并接近干扰阈值范围临界时，认知用户根据模糊逻辑决策主动切换到其它优先级高的备份信道，进而保持至少一条信道永续连接，以实现主动式平滑切换。
优选地，当干扰超出门限，一段时间内认知用户继续在原信道中保持通信，同时在备用信道缓冲池中的备用信道上进行通信，直至认知用户在新信道中建立稳定通信后，才断开与原信道的通信。
优选地，所述步骤S1中，所述授权用户特性包括空闲信道数目、空闲时长和空闲概率大小。
优选地，所述备用信道缓冲池中，按授权用户的空闲信道数目、空闲时长、空闲概率大小对所有备用信道从高到低依次进行优先级排队，当有授权用户接入时，首先选择优先级最高的信道进行切换。
本发明公开的基于预测机制和阈值判断的主动频谱切换方法，其相比现有技术而言的有益效果在于，现有技术采用先中断再切换的方式，而本发明能实现信道间平滑切换，有效解决了频谱切换造成的多媒体数据传输不连续和部分数据丢失等问题。
附图说明
图1为本发明用于实现主动频谱切换方法的系统框图。
图2为本发明主动频谱切换方法的流程图。
图3为基于模糊逻辑控制过程的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做更加详细的描述。
本发明公开了一种基于预测机制和阈值判断的主动频谱切换方法，结合图1至图3所示，该方法包括：
步骤S1，在CWMSN中，多媒体数据从认知节点向汇聚节点传输过程中，认知节点每隔一段时间对授权用户的信道占用行为进行探测并统计，根据探测结果预测多个仅存在环境噪声、未被授权用户的原始分配业务占用、能够被认知用户非授权使用的子信道，将授权用户的空闲信道数目、空闲状态持续时间以及空闲概率结合为一个联合值，联合值最大的状态即为信道的最佳状态，然后信道根据这些状态进行排队，构建一个备用信道缓冲池；
步骤S2，在授权用户对认知用户的干扰程度设置一个阈值，当授权用户出现时，采用阈值判断策略实现认知用户的频谱切换。
作为一种优选方式，所述步骤S1中，所述授权用户特性包括空闲信道数目、空闲时长和空闲概率大小。所述备用信道缓冲池中，按授权用户的空闲信道数目、空闲时长、空闲概率大小对所有备用信道从高到低依次进行优先级排队，当有授权用户接入时，首先选择优先级最高的信道进行切换。
进一步解释为，排队过程是将空闲信道数目多、空闲时长较长、空闲概率大的信道排在队列优先级较高的位置。
进一步地，所述步骤S2中，引入认知用户对授权用户的干扰阈值临界范围，采用模糊控制概念判断切换时刻，判断步骤为：
步骤S21，检测侦听过程开始，认知用户根据整个频谱切换过程进行信道状态信息检测，判断是否需要进行频谱切换；
步骤S22，需要进行频谱切换的认知用户进行参数初始化，并计算授权用户传输能量；
步骤S23，通过模糊逻辑控制器判断认知用户对授权用户的干扰水平；
步骤S24，预测认知用户的服务质量，若满足认知用户的服务质量，跳转至步骤S25，若不满足则跳转至步骤S26；
步骤S25，判断认知用户干扰水平是否大于授权用户预先设定的门限，在对授权用户造成的干扰低于认知用户预设的干扰门限情况下不进行切换，而是与授权用户共存于信道完成通信，若大于干扰门限，则跳转至步骤S26；
步骤S26，执行频谱切换。进一步地，进行频谱切换的同时，认知用户继续探测空闲信道，并通过预测机制来更新备用信道缓池中的队列顺序。
本实施例中，当检测到授权用户信号第一次占用双备份空闲信道，并接近干扰阈值范围临界时，认知用户根据模糊逻辑决策主动切换到其它优先级高的备份信道，进而保持至少一条信道永续连接，以实现主动式平滑切换。
进一步地，当干扰超出门限，一段时间内认知用户继续在原信道中保持通信，同时在备用信道缓冲池中的备用信道上进行通信，直至认知用户在新信道中建立稳定通信后，才断开与原信道的通信。
本发明公开的基于预测机制和阈值判断的主动频谱切换方法中，在对授权用户造成干扰低于认知用户预设的干扰门限情况下不进行切换，而是与授权用户共存于信道完成通信，从而能有效减少切换次数。当干扰超出门限，一段时间内认知用户继续在原信道中保持通信，同时开始在备用信道缓冲池中的备用信道上进行通信，只有当认知用户在新信道中建立稳定通信后，才断开与原信道的联系。特别是在频谱切换的同时，认知用户继续探测空闲信道，并通过预测机制来更新备用信道缓冲池来稳定备用信道数量。相比传统的先中断再切换方式，该方法能实现信道间平滑切换，有效解决了频谱切换造成的多媒体数据传输不连续和部分数据丢失等问题。
以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (5)

1.一种基于预测机制和阈值判断的主动频谱切换方法，其特征在于，该方法包括：
步骤S1，在CWMSN中，多媒体数据从认知节点向汇聚节点传输过程中，认知节点每隔一段时间对授权用户的信道占用行为进行探测并统计，根据探测结果预测多个仅存在环境噪声、未被授权用户的原始分配业务占用、能够被认知用户非授权使用的子信道，将授权用户的空闲信道数目、空闲状态持续时间以及空闲概率结合为一个联合值，联合值最大的状态即为信道的最佳状态，然后信道根据这些状态进行排队，构建一个备用信道缓冲池；
步骤S2，在授权用户对认知用户的干扰程度设置一个阈值，当授权用户出现时，采用阈值判断策略实现认知用户的频谱切换；
所述步骤S2中，引入认知用户对授权用户的干扰阈值临界范围，采用模糊控制概念判断切换时刻，判断步骤为：
步骤S21，检测侦听过程开始，认知用户根据整个频谱切换过程进行信道状态信息检测，判断是否需要进行频谱切换；
步骤S22，需要进行频谱切换的认知用户进行参数初始化，并计算授权用户传输能量；
步骤S23，通过模糊逻辑控制器判断认知用户对授权用户的干扰水平；
步骤S24，预测认知用户的服务质量，若满足认知用户的服务质量，跳转至步骤S25，若不满足则跳转至步骤S26；
步骤S25，判断认知用户干扰水平是否大于授权用户预先设定的门限，在对授权用户造成的干扰低于认知用户预设的干扰门限情况下不进行切换，而是与授权用户共存于信道完成通信，若大于干扰门限，则跳转至步骤S26；
步骤S26，执行频谱切换。
2.如权利要求1所述的基于预测机制和阈值判断的主动频谱切换方法，其特征在于，进行频谱切换的同时，认知用户继续探测空闲信道，并通过预测机制来更新备用信道缓池中的队列顺序。
3.如权利要求2所述的基于预测机制和阈值判断的主动频谱切换方法，其特征在于，当检测到授权用户信号第一次占用双备份空闲信道，并接近干扰阈值范围临界时，认知用户根据模糊逻辑决策主动切换到其它优先级高的备份信道，进而保持至少一条信道永续连接，以实现主动式平滑切换。
4.如权利要求1所述的基于预测机制和阈值判断的主动频谱切换方法，其特征在于，当干扰超出门限，一段时间内认知用户继续在原信道中保持通信，同时在备用信道缓冲池中的备用信道上进行通信，直至认知用户在新信道中建立稳定通信后，才断开与原信道的通信。
5.如权利要求1所述的基于预测机制和阈值判断的主动频谱切换方法，其特征在于，所述备用信道缓冲池中，按授权用户的空闲信道数目、空闲时长、空闲概率大小对所有备用信道从高到低依次进行优先级排队，当有授权用户接入时，首先选择优先级最高的信道进行切换。
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