CN106385690A - 认知星地协作通信系统中基于扩频时隙aloha的通信方法 - Google Patents

Abstract

认知星地协作通信系统中基于扩频时隙ALOHA的通信方法，本发明涉及信息与通信技术领域，是为提高认知星地协作通信系统中的吞吐量。本发明中：次级用户在每一个感知时隙内利用能量检测对一个授权信道进行检测，所有的次级用户在感知时间内对所有的授权信道检测完成之后，将本地的检测结果传送至认知卫星。认知卫星结合接收到的所有感知信息对所有授权信道的状态做出判断，并广播给所有的卫星地面站。卫星地面站根据收到的信道状态在每一个传送时隙的开始随机选择一个空闲信道，且以特定的概率发送经过扩频的数据包，而认知卫星也根据一定的规则对所接收到的数据包进行解扩。仿真结果显示，仿真值和计算方法计算得出的吞吐量理论值相吻合。

Description

认知星地协作通信系统中基于扩频时隙ALOHA的通信方法

技术领域

本发明涉及信息与通信技术领域，具体涉及应用于认知星地协作通信系统的扩频时隙ALOHA技术。

背景技术

随着无线通信的高速发展，移动设备的高宽带应用日益增多，这使得必须有相关的技术通过提高频谱资源的利用效率来解决有可能出现的频谱匮乏的情况。MITOLAJM等人提出的认知无线电技术通过允许次级用户动态地接入空闲的允许信道，有效的提高了频谱利用效率。次级用户通过对授权信道进行可靠地检测，在对主级用户不产生干扰的情况下，动态地接入空闲信道进行通信，从而提高频谱效率。

认知无线电网络中次级用户和主级用户共存的方法可以通过集中式或者分布式的方法来达到。在集中控制的方法当中，会有一个集中控制的基站来协调次级用户的感知以及次级用户信道接入的分配。中央协调器利用次级用户给的信息对信道的状态做出决定可以通过硬结合和软结合来实现，所谓硬结合是指次级用户通过对信道的能量检测来判断信道的状态并将结果发送至中央协调器，而中央协调器则会根据接收到的所有的次级用户对于信道的判断结果来做出一个最终的决定，软结合是指次级用户对授权信道进行能量检测并且将检测值发送给中央协调器，而中央协调器则会根据次级用户发送的检测值对于信道状态做出最终的决定。在分布式控制的方法当中，次级用户将会连续或者随机地对一些信道进行感知，并在检测到的空闲信道上进行传输数据。由于没有集中控制基站来协调次级用户的感知，所以，在分布式控制的方法当中，可靠考的频谱感知对于整个认知无线电系统来说尤为重要。

ALOHA作为一种使用广播技术的分组交换计算机网络协议，由于其工作模式简单的特点在提出半个世纪以来一直被广泛应用。在ALOHA的基础上，时隙ALOHA规定用户只能在规定时隙的开始发送数据包，减小了数据包的碰撞概率，增加了ALOHA的吞吐量。在时隙ALOHA的基础上，研究人员提出了时隙扩频ALOHA系统。时隙扩频ALOHA系统将扩频和时隙ALOHA结合在一起。扩频码集和扩频因子都在合理的范围内尽量低，不同的扩频码将分配给一个团体或者是正在活跃的用户而不是每个用户都有固定的码。在时隙扩频ALOHA中，碰撞只发生在数据分组重叠并且扩频码是相同的情况下。如果在一个时隙内数据包的数量超过了可用的接收机单元，那么即便这些数据分组的扩频码不同，他们也是要被丢弃的。对于在一个时隙中有多个分组到达的情况，假如他们中有扩频码相同的那么就会发生碰撞，但如果有扩频码不同的还是可以成功接收的。时隙扩频ALOHA系统具有高的吞吐量，低的功率传输并且可以服务较大的人群数量，且该系统具有简单的接收机结构，并且对数据包到达时间的偏差具有较高的免疫性。由于ALOHA系统的优点，ALOHA在认知无线电技术当中也具有很好的前景，以ALOHA为基础的认知无线电网络在分组交换网中具有优越的性能，所以ALOHA在分组交换的认知卫星通信系统中也可以提供较高的吞吐量。

当前大多数的认知无线电分组交换网络都是以时隙ALOHA为基础的，其限制了系统的吞吐率，并且在感知阶段所采用的频谱感知方法繁多，不能保证对授权信道的有效利用。

发明内容

本发明是为了解决现有认知星地协作通信系统的以下问题：

1)、现有的星地协作通信体统所采用的分布或者集中式的感知方法不能提供良好的信道检测结果；

2)、在现有的分组传输通信中，大多数系统采用的是时隙ALOHA，该方法使得系统吞吐量不能得到提高；

从而提供一种认知星地协作通信系统中基于扩频时隙ALOHA的通信方法。

认知星地协作通信系统中基于扩频时隙ALOHA的通信方法，

在感知阶段，卫星地面站对所有的授权信道进行感知，并将感知信息发送给认知卫星，认知卫星在计算出信道状态之后，将结果发送给卫星地面站；

在传输阶段，卫星地面站在每一个传输时隙随机选择一个空闲的授权信道，并按照时隙扩频ALOHA的传输规则进行数据包的传输。

感知阶段由若干个时长相同的感知时隙组成，感知时隙的数目和授权信道的数目相同，设卫星地面站的数目为K，授权信道的数目为N，感知时隙的时长为T_sm，感知阶段的时长为T_s；所述感知阶段具体为：

步骤A1、每个卫星地面站在每个感知时隙内，利用能量检测方法对一个授权信道中的主级用户的传输信号进行采样，并且将采样值存入缓存中；

步骤A2、在感知阶段结束之后，所有的卫星地面站将会把本地的采样值传送至认知卫星；

步骤A3、认知卫星结合所有的感知信息对所有的授权信道的状态进行判断，并且将结果通过广播信道发送给所有的卫星地面站。

认知卫星采用联合感知方法进行检测得到的检测概率P_d和虚警概率P_f之间的关系为：

$P_f=Q\left(\sqrt{2\mathrm{\Φ}\mathrm{\ξ}+1}{Q}^{-1}\right(P_d)+\mathrm{\ξ}\sqrt{\frac{T_{Sm}{f}_s}{2}}\underset{i=1}{\overset{K}{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_i|h_i{|}^2)$

其中：ξ为次级用户信号的信噪比，h_i为服从零均值、单位方差的高斯分布的随机变量；f_s为卫星地面站在感知阶段进行信号检测时的采样频率；

$Q\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{\∫}_x^{+\mathrm{\∞}}{e}^{-\frac{y^2}{2}}dy$

$\mathrm{\Φ}=\underset{i=1}{\overset{K}{\Σ}}{{\mathrm{\ω}}_i}^2|h_i{|}^2$

${\mathrm{\ω}}_i=\frac{|h_i{|}^2}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{K}{\Σ}}|h_i{|}^2}}.$

传输阶段由N_T个时长为T_Tm的传输时隙组成，所有次级用户都有一套相同的相互正交的码字，N_C表示码字集合中码字的数目；用户在每传送一个数据包之前，都会随机挑选N_C个码字中的一个对数据包进行扩频；

所述传输阶段阶段具体为：

步骤B1、在每一个传输时隙开始时，卫星地面站将根据认知卫星所发送的信道状态信息，随机选择一个空闲信道并且以概率P_tra发送数据包；

步骤B2、在信道第r中，r∈K，认知卫星在一个时隙中接收到一个或多个数据包，计算接收到m个数据包的概率为：

$P_{rec}^r\left(m\right)=\left(\begin{array}{c}K\\ m\end{array}\right)P_{access}^m{(1-P_{access})}^{K-m}$

其中K为卫星地面站的数目；

P_access为用户选择任意一条信道并发送数据包的概率，并且：

$P_{access}=P_{tra}\·\frac{1}{M}$

其中：M为每一帧中空闲信道的数量；P_tra为卫星地面站接入授权信道后发送数据包的概率；

步骤B3、如果在一个时隙内接收到多个数据包，认知卫星会随机选择一个并进行解调，经计算认知卫星在信道r中接收到m个数据分组且成功解调的概率为：

$P_{sur}^r\left(m\right|m\≤N_{IL}+1)=P_{rec}^r\left(m\right)\·P_{sur}\left(m\right|m\≤N_{IL}+1)$

其中：为有m个数据包发生重叠的时候，能够成功解调出一个数据的概率，并且：

$P_{sur}\left(m\right|m\≤N_{IL}+1)={(1-\frac{1}{N_C})}^{m-1}$

N_IL为接收机能够承受的干扰数据包的最大数目。

系统的吞吐量定义为每个感知时隙所传输的数据包的数目，在理想情况下，即：P_d＝1，P_f＝0，并且每一帧都有M个信道为空闲信道，系统的吞吐量的表达式为：

$\begin{array}{c}{S}_{sys}^{*}(P_{tra},M)=\frac{T_T}{T_S+T_T+T_R}{S}_{tot}^{*}(P_{tra},M)\\ =\frac{N_T{\mathrm{\η}}_1}{N_S+N_T{\mathrm{\η}}_1+{\mathrm{\η}}_2}{S}_{tot}^{*}(P_{tra},M)\end{array}$

其中：T_S、T_R以及T_T分别为感知时间、报告时间以及传输时间，并且：

T_S＝N_ST_Sm

T_R＝η₂T_Sm

T_T＝N_TT_Tm＝η₁N_TT_Sm

T_Sm为感知时隙，T_Tm为传输时隙，N_S为感知时隙的数目，N_T为传输时隙的数目，η₁为传输时隙与感知时隙的比值，η₂为报告时间与感知时隙的比值，η₁,η₂∈N*。

为在一个传输时隙中，系统平均成功接收到的数据包的数目，且：

$\begin{array}{c}{S}_{tot}^{*}(P_{tra},M)=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{S}_{ave}^r\left(m\right)={\mathrm{MS}}_{ave}^r\left(m\right)\\ =M\underset{j=1}{\overset{NIL+1}{\Σ}}\left(\begin{array}{c}K\\ j\end{array}\right){(P_{tra}\·\frac{1}{M})}^j{(1-P_{tra}\·\frac{1}{M})}^{k-j}{(1-\frac{1}{N_C})}^{j-1}\end{array}.$

系统的吞吐量定义为每个感知时隙所传输的数据包的数目；

在非理想检测条件，即：P_d≠1，P_f≠0，并且每一帧都有M个信道为空闲信道下，系统的吞吐量的表达式为：

$S_{sys}(P_{tra},M)=\frac{\left(\begin{array}{c}N\\ M\end{array}\right)(1-P_f)}{N_{idle}\left(M\right)}{S}_{sys}^{*}(P_{tra},M)$

其中：N_idle(M)为次级用户检测到的空闲信道数目的期望值，并且：

$N_{idle}\left(M\right)=\left(\frac{N}{M}\right)(1-P_f)+\left(\frac{N}{N-M}\right)(1-P_d).$

系统的吞吐量定义为每个感知时隙所传输的数据包的数目；

在非理想条件，即：P_d≠1，P_f≠0，每帧中每个信道变为空闲的概率为q，系统的吞吐量为：

$S_{sys}(P_{tra},q)=E\[S_{sys}\left(M\right)\]=\underset{m=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_{sys}(P_{tra},m)P_{idle}\left(m\right)$

P_idle(M)为每帧中每个信道变为空闲的概率为q时，一帧中有M个信道为空闲信道的概率，并且：

$P_{idle}\left(M\right)=\left(\begin{array}{c}N\\ M\end{array}\right){(1-q)}^{N-M}{q}^M.$

本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用了一种新型联合感知的方法从而确保次级用户可以更有效地利用授权信道并且对主级用户的影响更小。将传统的硬结合的感知方法引入本发明中，发现本发明采用的感知方法可以获得更高的系统吞吐量。

2、本发明在传输阶段采用了时隙扩频ALOHA而不是传统的时隙ALOHA。如果认知卫星可以忍受更多的干扰数据包则可以获得更好大的吞吐量，也就是说系统的复杂性增加可以换取吞吐量的提高。

3、在不同的授权信道占用的情况下，次级用户可以自适应的变化其数据包发送概率从而使得系统的吞吐量最大。

附图说明

图1是本发明中认知卫星通信的原理示意图；

图2是信道状态示意图；

图3是帧结构示意图；

图4是本发明在感知阶段工作原理示意图；

图5是本发明在感知阶段的工作流程示意图；

图6是本发明在传输阶段卫星地面站每一个传输时隙的工作流程图；

图7是本发明在传输阶段中认知卫星的工作流程示意图；

图8是认知星地协作通信系统的扩频时隙ALOHA在无差错检测时的吞吐量仿真示意图；

图9是认知星地协作通信系统的扩频时隙ALOHA在差错检测时的吞吐量仿真示意图；

图10是本发明所设系统与采用传统硬结合感知方法时吞吐量比较仿真示意图；

图11是认知星地协作通信系统的扩频时隙ALOHA在不同信道占用情况下的吞吐量仿真示意图；

具体实施方式

具体实施方式一、图1给出了认知卫星的通信模型，固定服务链路为授权用户，固定卫星业务终端提供上行的认知链路的通信。其中，卫星以及两个地面站可以看作次级系统，而两个固定的基站则可以看作是主级系统，次级用户只能在主级用户空闲时利用主级用户的信道进行传输，当主级用户要进行通信时，次级用户必须退出以保证主级用户的正常通信，由于对信道的检测会有误差，次级系统有可能对主级系统产生干扰。

图2和图3分别给出了信道状态随时间变化的示意图以及帧结构示意图。图2中阴影部分表示该信道正在被占用。假设系统中存在K个次级用户。时间被划分成一个个如图3所示的时间长度为T_F的帧。每一帧包括三个部分：感知时间，报告时间以及传输时间，三者的长度分别为T_S、T_R以及T_T。其中感知时间含有N_S个时间长度为T_Sm的感知时隙，传输时间含有N_T个长度为T_Tm的传输时隙。在感知阶段将会感知所有的授权信道，即N_S＝N。为了方便数学分析，规定T_Tm＝η₁T_Sm，T_R＝η₂T_Sm。

图4和图5分别给出了本发明传输阶段的示意图和工作流程。用户i在每一个感知时隙内利用能量检测对一个信道中的主级用户的传输信号进行采样，并且将采样值存入缓存中。在T_S时间内，用户i对所有的信道进行采样并将结果依次存放入缓存当中。当T_S结束之后，所有的次级用户将会把本地的采样值传送至卫星。卫星检测结果的可靠性将取决于两个指标：P_d和P_f。其中，P_d指的是在检测的授权信道中存在主级用户的条件下，卫星成功检测到主级用户存在的概率，而P_f指的是在检测的授权信道中没有主级用户存在的条件下，卫星的检测结果为主级用户存在的概率。

首先考虑在理想条件下进行传输的情况，即P_d＝1，P_f＝0以及在每一帧中总有固定的M个信道为空闲信道。

图6所示的是在传输阶段卫星地面站的工作流程，在传输阶段，次级用户k选择任意一条信道并发送数据包的概率为：

$P_{access}^k=P_{tra}\·\frac{1}{M}$

由于次级用户之间并不知道对方选择哪一条信道进行发送数据包，所以对于所有的用户来说，接入概率是独立同分布的。

$P_{access}^1=P_{access}^2=...=P_{access}^U=P_{access}---\left(1\right)$

图7给出了在传输阶段中认知卫星的工作流程。在信道r中，认知卫星在一个时隙中接收到m个数据包的概率服从二项分布，表达式如下

$P_{rec}^r\left(m\right)=\left(\begin{array}{c}K\\ m\end{array}\right)P_{access}^m{(1-P_{access})}^{K-m}---\left(2\right)$

对于认知卫星接收的每一个信道来说，它在一个时隙中有可能接收到两个或者更多的数据包，即有多个数据包发生了重叠，需要指出的是，重叠并不等同于碰撞，只有当两个重叠的数据包采用相同的扩频码进行扩频时，我们才认为这两个数据包发生了不可逆的碰撞。决定卫星处理性能的一个至关重要的因素是在性能下降到指定的目标之前可以容忍的干扰的数量，干扰指的是在一个信道中一个时隙内认知卫星接收到的由其他次级用户所产生的数据包的数目。

本申请中规定，当不存在碰撞的时候，在一个信道的一个时隙中所到达的干扰数据包的数量不大于N_IL时，则数据包可以进行无差错的接收。

基于以上的描述，当一个次级用户成功发送一个数据包时，除了它所选择的信道是空闲信道之外，还应该满足以下两点中的任意一点：

1)在一个时隙中，所接入的空闲信道没有其他次级用户的接入；

2)在一个时隙中，所接入的空闲信道存在次级用户的接入，但是其他次级用户传输的数据包的数目小于N_IL，并且该数据包进行扩频时所采用的扩频因子与在该时隙其他次级用户所采用的扩频因子都不同，最后该数据包还应该为认知卫星所选择要解调的数据包。

所以当有m个数据包发生重叠的时候，可以成功解调出一个数据包的概率为：

$P_{sur}\left(m\right|m\≤N_{IL}+1)={(1-\frac{1}{N_C})}^{m-1}---\left(3\right)$

所以在第r个信道中，当接收到m个数据分组并成功解调的概率为：

$P_{suc}^r\left(m\right)=P_{rec}^r\left(m\right)\·P_{sur}\left(m\right)---\left(4\right)$

由于当接收到的干扰数据包多于N_IL时接收机由于干扰过多而无法解调，所以得到信道r在一个传输时隙中成功转发的数据包的数目为：

$S_{ave}^r\left(m\right)=\underset{i=1}{\overset{N_{IL}+1}{\Σ}}{P}_{suc}^r\left(i\right)---\left(5\right)$

所以在对于所提出的多信道系统，在一个传输时隙中，平均成功接收到的数据包的数目为

$\begin{array}{c}{S}_{tot}^{*}(P_{tra},M)=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{S}_{ave}^r\left(m\right)={\mathrm{MS}}_{ave}^r\left(m\right)\\ =M\underset{j=1}{\overset{NIL+1}{\Σ}}\left(\begin{array}{c}K\\ j\end{array}\right){(P_{tra}\·\frac{1}{M})}^j{(1-P_{tra}\·\frac{1}{M})}^{k-j}{(1-\frac{1}{N_C})}^{j-1}\end{array}---\left(6\right)$

在本发明中，吞吐量定义为每个感知时隙传输数据包的数目，综上可以得到在理想条件下系统吞吐量为

$\begin{array}{c}{S}_{sys}^{*}(P_{tra},M)=\frac{T_T}{T_S+T_T+T_R}{S}_{tot}^{*}(P_{tra},M)\\ =\frac{N_T{\mathrm{\η}}_1}{N_S+N_T{\mathrm{\η}}_1+{\mathrm{\η}}_2}{S}_{tot}^{*}(P_{tra},M)\end{array}---\left(7\right)$

在检测情况不理想时，利用当P_d≠1并且P_f≠0的情况，在感知阶段，采用的联合感知方法的检测概率P_d和虚警概率P_f之间的关系为：

$P_f=Q\left(\sqrt{2\mathrm{\Φ}\mathrm{\ξ}+1}{Q}^{-1}\right(P_d)+\mathrm{\ξ}\sqrt{\frac{T_{Sm}{f}_s}{2}}\underset{i=1}{\overset{K}{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_i|h_i{|}^2)---\left(8\right)$

其中：ξ为次级用户信号的信噪比，h_i为服从零均值、单位方差的高斯分布的随机变量。

其中：

$\mathrm{\Φ}=\underset{i=1}{\overset{K}{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_i^2|h_i{|}^2---\left(9\right)$

${\mathrm{\ω}}_i=\frac{|h_i{|}^2}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{K}{\Σ}}|h_i{|}^2}}---\left(10\right)$

对于每一个空闲信道，次级用户以(1-P_f)的概率检测为空闲信道；对于每一个非空闲的信道，次级用户以(1-P_d)的概率检测为空闲信道，所以在给定的M个空闲信道的情况下，SU将检测到的空闲信道的数目为：

$N_{idle}\left(M\right)=\left(\begin{array}{c}N\\ M\end{array}\right)(1-P_f)+\left(\begin{array}{c}N\\ N-M\end{array}\right)(1-P_d)---\left(11\right)$

其中：第一项为正确检测到的空闲信道，所以在该情况下系统的吞吐量为：

$S_{sys}(P_{tra},M)=\frac{\left(\begin{array}{c}N\\ M\end{array}\right)(1-P_f)}{N_{idle}\left(M\right)}{S}_{sys}^{*}(P_{tra},M)---\left(12\right)$

假设在每帧中每个信道变为空闲的概率为q，那么在一帧中有M个信道为空闲信道的概率服从二项分布，即：

$P_{idle}\left(M\right)=\left(\begin{array}{c}N\\ M\end{array}\right){(1-q)}^{N-M}{q}^M---\left(13\right)$

所以可以得到系统在非理想条件的吞吐量为：

$S_{sys}(P_{tra},q)=E\[Ssys\left(M\right)\]=\underset{m=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_{sys}(P_{tra},m)P_{idle}\left(m\right)---\left(14\right)$

图8所示的为认知卫星可以对信道状态进行无差错检测时，吞吐量随着允许接入概率的变化。其中：曲线81是N_IL＝0时，吞吐量随着允许接入概率理论分析曲线；曲线82是N_IL＝0时，吞吐量随着允许接入概率仿真结果；曲线83是N_IL＝1时，吞吐量随着允许接入概率理论分析曲线；曲线84是N_IL＝1时，吞吐量随着允许接入概率仿真结果；曲线85是N_IL＝2时，吞吐量随着允许接入概率理论分析曲线；曲线86是N_IL＝2时，吞吐量随着允许接入概率仿真结果；

图9为在ξ＝-15dB并且规定P_d＝0.9时吞吐量随着允许接入概率P_tra的变化。其中：曲线91是N_IL＝0时，吞吐量随着允许接入概率理论分析曲线；曲线92是N_IL＝0时，吞吐量随着允许接入概率仿真结果；曲线93是N_IL＝1时，吞吐量随着允许接入概率理论分析曲线；曲线94是N_IL＝1时，吞吐量随着允许接入概率仿真结果；曲线95是N_IL＝2时，吞吐量随着允许接入概率理论分析曲线；曲线96是N_IL＝2时，吞吐量随着允许接入概率仿真结果；

从图9中可以看出，当N_IL＝0以及N_IL＝1时，允许接入概率增加使得在一个时隙中接入信道的数据包的数量增加，所以吞吐量增加，而随着接入概率的继续增大，在对于每一个信道在一个时隙当中收到的数据包的数目会增多，那么认知卫星选择进行解调的数据包所使用的扩频码与其他干扰数据包所使用的扩频码相同的几率增大，成功解调的概率将会减小，另外，信道在一个时隙中接收到的干扰数据包的数目也会增多。基于以上两点，吞吐量应当是一种降低的趋势。而当N_IL＝3的时候，吞吐量随着允许接入的概率是递增的，这是因为认知卫星可以承受更大的干扰。

图10所示的是q＝0.4以及信噪比ξ＝-15dB时的结果。其中：曲线101是N_IL＝0时，吞吐量的理论分析曲线；曲线102是N_IL＝0时，吞吐量的仿真结果；曲线103是N_IL＝1时，吞吐量的理论分析曲线；曲线104是N_IL＝1时，吞吐量的仿真结果；曲线105是N_IL＝3时，吞吐量的理论分析曲线；曲线106是N_IL＝3时，吞吐量的仿真结果；曲线107是N_IL＝0时，吞吐量的硬结合感知理论分析曲线；曲线108是N_IL＝0时，吞吐量的硬结合感知仿真结果；曲线109是N_IL＝1时，吞吐量的硬结合感知理论分析曲线；曲线110是N_IL＝1时，吞吐量的硬结合感知仿真结果；曲线111是N_IL＝3时，吞吐量的硬结合感知理论分析真曲线；曲线112是N_IL＝3时，吞吐量的硬结合感知仿真结果；

同时分析了将硬结合感知方法引入到该发明中的吞吐量随P_tra的变化情况，可以从图10中可以看出对于三种不同的N_IL取值，当P_tra较小时，两种方法的吞吐性能是相似的，但是随着P_tra的增加，本发明采用的联合感知的方法可以使系统吞吐量更大。

图11讨论了当N_IL＝1，ξ＝-15dB时，在不同信道占用情况下的结果；

其中：曲线121是时q＝0.1，吞吐量的理论分析曲线；曲线122是q＝0.1时，吞吐量的仿真结果；曲线123是q＝0.2时，吞吐量的理论分析曲线；曲线124是q＝0.2时，吞吐量的仿真结果；曲线125是q＝0.4时，吞吐量的理论分析曲线；曲线126是q＝0.4时，吞吐量的仿真结果；曲线127是q＝0.6时，吞吐量的理论分析曲线；曲线128是q＝0.6时，吞吐量的仿真结果；曲线129是q＝0.1时，吞吐量的硬结合感知理论分析曲线；曲线130是q＝0.1时，吞吐量的硬结合感知仿真结果；曲线131是q＝0.2时，吞吐量的硬结合感知理论分析曲线；曲线132是q＝0.2时，吞吐量的硬结合感知仿真结果；曲线133是q＝0.4时，吞吐量的硬结合感知理论分析真曲线；曲线134是q＝0.4时，吞吐量的硬结合感知仿真结果；曲线135是q＝0.6时，吞吐量的硬结合感知理论分析真曲线；曲线136是q＝0.6时，吞吐量的硬结合感知仿真结果；

从图11可以看出在任何的信道占用情况下，本发明所使用的联合感知的方法都要优于硬结合联合感知方法，当主级用户占用信道的程度较大时(q＝0.2)，P_tra在0.5左右的性能最好，而当主级用户占用信道的程度较小时，P_tra＝1可以获得最大的吞吐量。因此，可以根据卫星向终端发送的信道状态来自适应的调整P_tra。

本发明设计了一种应用于认知星地协作通信系统的扩频时隙ALOHA，在感知阶段采用了一种新型的联合感知方法从而保证对授权信道的有效利用，在传输阶段采用时隙扩频ALOHA以提高星地通信系统的吞吐量，从而改善系统性能。另外，用于采用的感知方法为集中式的控制方法，所以次级用户可以根据得到的信道状态的信息自适应地改变发送数据包的概率从而使得系统吞吐量最大。

综上所述，为了改善星地协作通信系统的吞吐性能，本发明给出了应用于认知星地协作通信系统的扩频时隙ALOHA的具体工作流程以及该系统吞吐量具体计算方法以及表达式。并且将该系统与以传统的时隙ALOHA为基础的通信系统和以硬结合方法作为感知方案的通信系统进行比较，得出该系统吞吐量具有明显提升的结论。

本发明具有以下特点和显著进步：

1、本发明采用了一种新型联合感知的方法从而确保次级用户可以更有效地利用授权信道并且对主级用户的影响更小。我们将传统的硬结合的感知方法引入本发明中，发现本发明采用的感知方法可以获得更高的系统吞吐量。

2、本发明在传输阶段采用了时隙扩频ALOHA而不是传统的时隙ALOHA。如果认知卫星可以忍受更多的干扰数据包则可以获得更好大的吞吐量，也就是说系统的复杂性增加可以换取吞吐量的提高。

3、在不同的授权信道占用的情况下，次级用户可以自适应的变化其数据包发送概率从而使得系统的吞吐量最大。

Claims (7)

1.认知星地协作通信系统中基于扩频时隙ALOHA的通信方法，其特征是：

在感知阶段，卫星地面站对所有的授权信道进行感知，并将感知信息发送给认知卫星，认知卫星在计算出信道状态之后，将结果发送给卫星地面站；

在传输阶段，卫星地面站在每一个传输时隙随机选择一个空闲的授权信道，并按照时隙扩频ALOHA的传输规则进行数据包的传输。

2.根据权利要求1所述的认知星地协作通信系统中基于扩频时隙ALOHA的通信方法，其特征在于感知阶段由若干个时长相同的感知时隙组成，感知时隙的数目和授权信道的数目相同，设卫星地面站的数目为K，授权信道的数目为N，感知时隙的时长为T_sm，感知阶段的时长为T_s；所述感知阶段具体为：

步骤A1、每个卫星地面站在每个感知时隙内，利用能量检测方法对一个授权信道中的主级用户的传输信号进行采样，并且将采样值存入缓存中；

步骤A2、在感知阶段结束之后，所有的卫星地面站将会把本地的采样值传送至认知卫星；

步骤A3、认知卫星结合所有的感知信息对所有的授权信道的状态进行判断，并且将结果通过广播信道发送给所有的卫星地面站。

3.根据权利要求2所述的认知星地协作通信系统中基于扩频时隙ALOHA的通信方法，其特征在于认知卫星采用联合感知方法进行检测得到的检测概率P_d和虚警概率P_f之间的关系为：

$P_f=Q\left(\sqrt{2\mathrm{\Φ}\mathrm{\ξ}+1}{Q}^{-1}\right(P_d)+\mathrm{\ξ}\sqrt{\frac{T_{Sm}{f}_s}{2}}\underset{i=1}{\overset{K}{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_i|h_i{|}^2)$

其中：ξ为卫星地面站信号的信噪比，h_i为服从零均值、单位方差的高斯分布的随机变量；f_s为卫星地面站在感知阶段进行信号检测时的采样频率；

$Q\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{\∫}_x^{+\mathrm{\∞}}{e}^{-\frac{y^2}{2}}dy$

$\mathrm{\Φ}=\underset{i=1}{\overset{K}{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_i^2|h_i{|}^2$

${\mathrm{\ω}}_i=\frac{|h_i{|}^2}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{K}{\Σ}}|h_i{|}^2}}.$

4.根据权利要求3所述的认知星地协作通信系统中基于扩频时隙ALOHA的通信方法，其特征在于传输阶段由N_T个时长为T_Tm的传输时隙组成，所有次级用户都有一套相同的相互正交的码字，N_C表示码字集合中码字的数目；用户在每传送一个数据包之前，都会随机挑选N_C个码字中的一个对数据包进行扩频；

所述传输阶段阶段具体为：

步骤B1、在每一个传输时隙开始时，卫星地面站将根据认知卫星所发送的信道状态信息，随机选择一个空闲信道并且以概率P_tra发送数据包；

步骤B2、在信道第r中，r∈K，认知卫星在一个时隙中接收到一个或多个数据包，计算接收到m个数据包的概率为：

$P_{rec}^r\left(m\right)=\left(\begin{array}{c}K\\ m\end{array}\right)P_{access}^m{(1-P_{access})}^{K-m}$

其中K为卫星地面站的数目；

P_access为用户选择任意一条信道并发送数据包的概率，并且：

$P_{access}=P_{tra}.\frac{1}{M}$

其中：M为每一帧中空闲信道的数量；P_tra为卫星地面站接入授权信道后发送数据包的概率；

步骤B3、如果在一个时隙内接收到多个数据包，认知卫星会随机选择一个并进行解调，经计算认知卫星在信道r中接收到m个数据分组且成功解调的概率为：

$P_{sur}^r\left(m\right|m\≤N_{IL}+1)=P_{rec}^r\left(m\right)\·P_{sur}\left(m\right|m\≤N_{IL}+1)$

其中：为有m个数据包发生重叠的时候，能够成功解调出一个数据的概率，并且：

$P_{sur}\left(m\right|m\≤N_{IL}+1)={(1-\frac{1}{N_C})}^{m-1}$

N_IL为接收机能够承受的干扰数据包的最大数目。

5.根据权利要求4所述的认知星地协作通信系统中基于扩频时隙ALOHA的通信方法，其特征在于系统的吞吐量定义为每个感知时隙所传输的数据包的数目，在理想情况下，即：P_d＝1，P_f＝0，并且每一帧都有M个信道为空闲信道，系统的吞吐量的表达式为：

$\begin{array}{c}{S}_{sys}^{*}(P_{tra},M)=\frac{T_T}{T_S+T_T+T_R}{S}_{tot}^{*}(P_{tra},M)\\ =\frac{N_T{\mathrm{\η}}_1}{N_S+N_T{\mathrm{\η}}_1+{\mathrm{\η}}_2}{S}_{tot}^{*}(P_{tra},M)\end{array}$

其中：T_S、T_R以及T_T分别为感知时间、报告时间以及传输时间，并且：

T_S＝N_ST_Sm

T_R＝η₂T_Sm

T_T＝N_TT_Tm＝η₁N_TT_Sm

T_Sm为感知时隙，T_Tm为传输时隙，N_S为感知时隙的数目，N_T为传输时隙的数目，η₁为传输时隙与感知时隙的比值，η₂为报告时间与感知时隙的比值，η₁,η₂∈N*；

为在一个传输时隙中，系统平均成功接收到的数据包的数目，且：

$\begin{array}{c}{S}_{tot}^{*}(P_{tra},M)=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{S}_{ave}^r\left(m\right)={\mathrm{MS}}_{are}^r\left(m\right)\\ =M\underset{j=1}{\overset{NIL+1}{\Σ}}\left(\begin{array}{c}K\\ j\end{array}\right){(P_{tra}\·\frac{1}{M})}^j{(1-P_{tra}\·\frac{1}{M})}^{k-j}{(1-\frac{1}{N_C})}^{j-1}\end{array}.$

6.根据权利要求4所述的认知星地协作通信系统中基于扩频时隙ALOHA的通信方法，其特征在于系统的吞吐量定义为每个感知时隙所传输的数据包的数目；

在非理想检测条件，即：P_d≠1，P_f≠0，并且每一帧都有M个信道为空闲信道下，系统的吞吐量的表达式为：

$S_{sys}(P_{tra},M)=\frac{\left(\begin{array}{c}N\\ M\end{array}\right)(1-P_f)}{N_{idle}\left(M\right)}{S}_{sys}^{*}(P_{tra},M)$

其中：N_idle(M)为次级用户检测到的空闲信道数目的期望值，并且：

$N_{idle}\left(M\right)=\left(\frac{N}{M}\right)(1-P_f)+\left(\frac{N}{N-M}\right)(1-P_d).$

7.根据权利要求4所述的认知星地协作通信系统中基于扩频时隙ALOHA的通信方法，其特征在于系统的吞吐量定义为每个感知时隙所传输的数据包的数目；

在非理想条件，即：P_d≠1，P_f≠0，每帧中每个信道变为空闲的概率为q，系统的吞吐量为：

$S_{sys}(P_{tra},q)=E\[S_{sys}\left(M\right)\]=\underset{m=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_{sys}(P_{tra},m)P_{idle}\left(m\right)$

P_idle(M)为每帧中每个信道变为空闲的概率为q时，一帧中有M个信道为空闲信道的概率，并且：

$P_{idle}\left(M\right)=\left(\begin{array}{c}N\\ M\end{array}\right){(1-q)}^{N-M}{q}^M.$