CN108418624B - 一种在未授权频段中进行认知卫星通信的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种在未授权频段中进行认知卫星通信的方法及装置。该方法应用于认知终端，所述方法包括：利用频谱感知方式，从未授权频段中选取多个第一候选信道，其中，第一候选信道的能量小于第一预设能量；监听多个第一候选信道的占用状态，从多个第一候选信道中选取至少一个第二候选信道，其中，第二候选信道为主用户当前未占用的信道；将携带有目标时长的信道占用帧，在各个第二候选信道中发送，以使得各个第二候选信道对应的主用户接收到所述信道占用帧后，在目标时长内不占用对应的第二候选信道；利用至少一个第二候选信道，与认知卫星进行通信。可见，通过本发明实施例提供的技术方案，认知终端与认知卫星通信的吞吐量提升度较高。

Description

一种在未授权频段中进行认知卫星通信的方法及装置
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，特别是涉及一种在未授权频段中进行认知卫星通信的方法及一种在未授权频段中进行认知卫星通信的装置。
背景技术
卫星通信是指地球上的无线电通信站利用卫星作为中继而进行的通信，卫星通信具有通信范围广的特点，其能够很好地填补地面通信无法或较难为偏远地区提供服务的缺陷。其中，以认知无线电技术为基础的认知卫星称为认知卫星系统，并且，以是否能够优先占用通信频段作为区分标准，认知卫星系统中的用户分为主用户和次级用户，其中，主用户为能够优先占用某一通信频段的用户，而次级用户为机会主义地占用某一通信频段的用户。在认知卫星系统中，次级用户包括认知卫星和认知终端，并且，认知终端在某一共享通信频段中和认知卫星进行通信，该通信过程被称为认知卫星通信。
随着互联网技术的发展，市场对卫星通信的吞吐量要求较高。目前倾向于通过认知无线电技术来提高卫星通信的吞吐量，具体的，通过底衬和交织这两种认知形式来提高卫星通信的吞吐量。其中，通过底衬认知形式来提高卫星通信的吞吐量的认知通信方法包括：次级用户在共享通信频段中通信时对主用户的干扰小于干扰阈值时，次级用户可以在该频段中通信，即可以进行认知卫星通信。而通过交织认知形式来提高卫星通信的吞吐量的认知通信方法是指：在主用户没有使用共享通信频段进行通信时，次级用户可以使用该频段进行通信；当主用户再次使用该频段进行通信时，次级用户就不能再使用该频段进行通信，即不能进行认知卫星通信。
但是，利用上述两种方式进行认知卫星通信时，均存在吞吐量提升度不高的问题，主要体现在：
通过底衬形式来提高认知卫星通信的吞吐量时，要求认知卫星通信对主用户的干扰小于干扰阈值，认知终端向认知卫星发送信号时的发送功率较小，因此，认知卫星通信的吞吐量提升度较低；通过交织形式来提高认知卫星通信的吞吐量时，在主用户再次使用共享通信频段进行通信时，次级用户将不能进行认知卫星通信。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种在未授权频段中进行认知卫星通信的方法及装置，以使得认知终端与认知卫星进行通信时，吞吐量提升度较高。具体技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种在未授权频段中进行认知卫星通信的方法，应用于认知终端，所述方法包括：
利用频谱感知方式，从未授权频段中选取多个第一候选信道，其中，第一候选信道的能量小于第一预设能量；
监听所述多个第一候选信道的占用状态，从所述多个第一候选信道中选取至少一个第二候选信道，其中，所述第二候选信道为主用户当前未占用的信道；
将携带有目标时长的信道占用帧，在各个第二候选信道中发送，以使得各个第二候选信道对应的主用户接收到所述信道占用帧后，在目标时长内不占用对应的第二候选信道；
利用所述至少一个第二候选信道，与认知卫星进行通信。
可选的，所述利用所述至少一个第二候选信道，与认知卫星进行通信的步骤，包括：
利用频谱感知方式，从所述至少一个第二候选信道中选取目标候选信道，其中，所选取的目标候选信道的能量小于第二预设能量，所述第二预设能量的大小小于所述第一预设能量的大小；
利用所选取的目标候选信道，与认知卫星进行通信。
可选的，所述利用所选取的目标候选信道，与认知卫星进行通信的步骤，包括：
确定所述认知终端向认知卫星发送信号时的目标发送功率；
向所述认知卫星发送第一通信信息，以使得所述认知卫星基于所述第一通信信息，确定第二通信信息，并将所述第二通信信息反馈给各个认知终端；其中，所述第一通信信息包括：所述目标候选信道的标识信息、目标发送功率和所述认知终端所需求的目标吞吐量，所述第二通信信息包括所述认知终端与所述认知卫星通信时的通信时刻以及通信时长；
接收所述认知卫星反馈的所述第二通信信息；
利用所述目标候选信道，按照所述第一通信信息和所述第二通信信息与认知卫星进行通信。
可选的，所述确定所述认知终端向认知卫星发送信号时的目标发送功率的步骤，包括：
利用预定功率计算公式，计算所述认知终端向认知卫星发送信号时的功率最大值；
将小于等于所述功率最大值的一功率值作为目标发送功率；
其中，所述预定功率计算公式为：
Figure BDA0001619807020000031
其中，Iallow为主用户允许的最大干扰功率值，PPU为主用户的发送功率，Psense为所述认知终端感知到的、主用户占用所述目标候选信道时的信道功率值。
可选的，所述信道占用帧携带的所述目标时长不小于第一时长，所述第一时长为利用频谱感知方式，从所述至少一个第二候选信道中选取目标候选信道所消耗的时长。
第二方面，本发明实施例还提供了一种在未授权频段中进行认知卫星通信的装置，应用于认知终端，所述装置包括：
第一候选信道选取模块，用于利用频谱感知方式，从未授权频段中选取多个第一候选信道，其中，第一候选信道的能量小于第一预设能量；
第二候选信道选取模块，用于监听所述多个第一候选信道的占用状态，从所述多个第一候选信道中选取至少一个第二候选信道，所述第二候选信道为主用户当前未占用的信道；
信道占用帧发送模块，用于将携带有目标时长的信道占用帧，在各个第二候选信道中发送，以使得各个第二候选信道对应的主用户接收到所述信道占用帧后，在目标时长内不占用对应的第二候选信道；
通信模块，用于利用所述至少一个第二候选信道，与认知卫星进行通信。
可选的，所述通信模块，包括：
目标候选信道选取单元，用于利用频谱感知方式，从所述至少一个第二候选信道中选取目标候选信道，其中，所选取的目标候选信道的能量小于第二预设能量；
通信单元，用于利用所选取的目标候选信道，与认知卫星进行通信。
可选的，所述通信单元，包括：
目标发送功率确定子单元，用于确定所述认知终端向认知卫星发送信号时的目标发送功率；
第一通信信息发送子单元，用于向所述认知卫星发送第一通信信息，以使得所述认知卫星基于所述第一通信信息，确定第二通信信息，并将所述第二通信信息反馈给所述认知终端；其中，所述第一通信信息包括：所述目标候选信道的标识信息、目标发送功率和所述认知终端所需求的目标吞吐量，所述第二通信信息包括所述认知终端与所述认知卫星通信时的通信时刻以及通信时长；
第二通信信息接收子单元，用于接收所述认知卫星反馈的所述第二通信信息；
通信子单元，用于利用所述目标候选信道，按照所述第一通信信息和所述第二通信信息与认知卫星进行通信。
可选的，所述目标发送功率确定子单元，具体用于：
利用预定功率计算公式，计算所述认知终端向认知卫星发送信号时的功率最大值；
将小于等于所述功率最大值的一功率值作为目标发送功率；
其中，所述预定功率计算公式为：
Figure BDA0001619807020000051
其中，Iallow为主用户允许的最大干扰功率值，PPU为主用户的发送功率，Psense为所述认知终端感知到的、主用户占用所述目标候选信道时的信道功率值。
可选的，所述信道占用帧携带的所述目标时长不小于第一时长，所述第一时长为利用频谱感知方式，从所述至少一个第二候选信道中选取目标候选信道所消耗的时长。
第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；
存储器，用于存放计算机程序；
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现第一方面所述的任一种在未授权频段中进行认知卫星通信的方法。
第四方面，本发明实施路还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述的任一种在未授权频段中进行认知卫星通信的方法。
本发明实施例提供的技术方案，认知终端与认知卫星进行通信时，首先利用频谱感知方式，从未授权频段中选取多个第一候选信道，其中，第一候选信道的能量小于第一预设能量；然后监听多个第一候选信道的占用状态，从多个第一候选信道中选取至少一个第二候选信道，其中，第二候选信道为主用户当前未占用的信道；并将携带有目标时长的信道占用帧，在各个第二候选信道中发送，以使得各个第二候选信道对应的主用户接收到所述信道占用帧后，在目标时长内不占用对应的第二候选信道；最后利用至少一个第二候选信道，与认知卫星进行通信。可见，通过本发明实施例提供的技术方案，认知终端在监听到主用户当前未占用的第二候选信道后，主动向认知终端发送信道占用帧，并且信道占用帧中携带有目标时长，从而在目标时长内认知终端均可以与认知卫星进行通信，认知终端与认知卫星通信的吞吐量提升度较高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的一种在未授权频段中进行认知卫星通信的方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的交织(OZ)区域和底衬(UZ)区域的示意图。
图3为本发明实施例所提供的一种在未授权频段中进行认知卫星通信的流程示意图；
图4为本发明实施例所提供的利用资源分配模型来提高认知卫星通信的吞吐量，与现有技术所提供的利用时间平均算法来提高认知卫星通信的吞吐量的性能对比示意图；
图5为采用本发明实施例所提供的技术方案后认知卫星通信的吞吐量与采用现有技术所提供的技术方案认知卫星通信的吞吐量的对比示意图；
图6为本发明实施例所提供的
Figure BDA0001619807020000061
的偏差对认知卫星通信的吞吐量的影响的示意图；
图7为本发明实施例所提供的
Figure BDA0001619807020000062
的偏差对主用户的吞吐量的影响的示意图；
图8为本发明实施例所提供的一种在未授权频段中进行认知卫星通信的装置的结构示意图；
图9为本发明实施例所提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决现有技术存在的“吞吐量提升度不高”的技术问题，本发明实施例提供了一种在未授权频段中进行认知卫星通信的方法与装置。下面首先对本发明实施例所提供的一种在未授权频段中进行认知卫星通信的方法进行介绍。
需要说明的是，本发明实施例所提供的一种在未授权频段中进行认知卫星通信的方法应用于认知通信系统中的认知终端，该认知终端与认知通信系统中的认知卫星进行通信。其中，本发明实施例所涉及到的认知终端是指：能够对未授权频段进行频谱感知的终端；认知卫星是指能够与认知终端通信的卫星。如图1所示，本发明实施例所提供的一种在未授权频段中进行认知卫星通信的方法，可以包括如下步骤：
S110，利用频谱感知方式，从未授权频段中选取多个第一候选信道，其中，第一候选信道的能量小于第一预设能量。
本领域技术人员可以理解的是，未授权频段中能量较低的信道是主用户未占用的频道，或者是与认知终端距离较远的主用户占用的信道。当未授权频段中能量较低的信道为主用户未占用的频道时，认知终端可以利用该能量较低的信道来与认知卫星进行通信；而当未授权频段中能量较低的信道为与认知终端距离较远的主用户占用的信道时，说明认知终端利用该能量较低的信道与认知卫星进行通信的过程中，对主用户的干扰较小，因此，认知终端也可以利用该能量较低的信道来与认知卫星进行通信。
其中，为了认知到可以利用未授权频段中的哪些信道来与认知卫星进行通信，认知终端首先对未授权频段进行频谱感知，从未授权频段中选出能量较低的信道，也就是说，从未授权频段中选取出能量小于第一预设能量的信道，作为认知终端与认知卫星通信的第一候选信道。可以理解的是，在实际应用中，第一候选信道的数量通常为多个；并且，可以根据实际情况来设置第一预设能量的大小，即本发明实施例对第一预设能量的大小不做具体限定。
S120，监听多个第一候选信道的占用状态，从多个第一候选信道中选取至少一个第二候选信道，其中，第二候选信道为主用户当前未占用的信道。
对于一个第一候选信道而言，只有在主用户未占用该第一候选信道时，认知终端才能够利用该第一候选信道与认知卫星进行通信。因此，认知终端在选取出多个第一候选信道之后，为了进一步确定可以利用多个第一候选信道中的哪些信道来与认知卫星进行通信，认知终端可以监听各个第一候选信道的占用状态，并将主用户当前未占用的信道作为第二候选信道，以便后续步骤中，认知终端能够利用第二候选信道与认知卫星进行通信。
S130，将携带有目标时长的信道占用帧在各个第二候选信道中发送，以使得各个第二候选信道对应的主用户接收到所述信道占用帧后，在目标时长内不占用对应的第二候选信道。
在选取出第二候选信道后，认为终端为了能够利用所选取的第二候选信道与认知卫星进行通信，认知终端可以向第二候选信道对应的主用户发送信道占用帧，并且为了确保认知终端在占用第二候选信道的过程中，主用户不会占用该第二候选信道，信道占用帧携带有占用该第二候选信道的目标时长，主用户接收到信道占用帧后，在该目标时长内不再占用该第二候选信道。
需要强调的是，第二候选信道的数量可以是一个，也可以是多个。在第二候选信道的数量为一个时，认知终端直接向第二候选信道对应的主用户发送信道占用帧；在第二候选信道的数量为多个时，认知终端可以同时向这多个第二候选信道对应的主用户发送信道占用帧，也可以先后向各个第二候选信道对应的主用户发送信道占用帧。并且，认知终端向各个第二候选信道发送的信道占用帧的发送功率可以相同，也可以不同，这都是合理的。另外，本领域技术人员可以理解的是，发送信道占用帧的发送功率是低于固定发送功率，该固定发送功率可以根据实际情况进行设定，本发明实施例对固定发送功率的大小不做具体限定。
需要说明的是，有些主用户与认知终端的距离较近，而有些主用户与认知终端的距离较远。其中，与认知终端距离较近的主用户能够接收到信道占用帧，这些主用户在接收到认知终端发送的信道占用帧后，处于静默状态，即这些主用户在目标时长内不会再占用第二候选信道，为了直观形象地进行描述，可以将这些主用户所在位置组成的区域称为交织(OZ)区域；与认知终端距离较远的主用户不能接收到信道占用帧，因此，这些主用户还可以正常地占用第二候选信道，但是，由于这些主用户与认知终端的距离较远，认知终端利用第二候选信道与认知卫星通信时，对这些主用户的干扰较小，因此，认知终端也可以利用第二候选信道与认知卫星进行通信，同样地，为了直观形象地进行描述，可以将这些主用户所在位置组成的区域称为底衬(UZ)区域。交织(OZ)区域和底衬(UZ)区域如图2所示。
S140，利用至少一个第二候选信道，与认知卫星进行通信。
认知终端在向第二候选信道对应的主用户发送信道占用帧后，可以利用第二候选信道与认知卫星进行通信。
在一种实施方式中，利用至少一个第二候选信道，与认知卫星进行通信的步骤，可以包括如下两个步骤：
利用频谱感知方式，从至少一个第二候选信道中选取目标候选信道，其中，所选取的目标候选信道的能量小于第二预设能量，第二预设能量的大小小于第一预设能量的大小；
利用所选取的目标候选信道，与认知卫星进行通信。
由于第二候选信道的数量可能有多个，为了从多个第二候选信道中选取出能量更低的候选信道，可以对第二候选信道进行频谱感知，从第二候选信道中选取出能量较低的候选信道，即目标候选信道，目标候选信道的能量小于第二预设能量。
需要说明的是，第二候选信道的主用户成功收到信道占用帧后会进入静默状态，使得当前第二候选信道的能量有所降低，因此，第二预设能量的大小小于第一预设能量的大小。
可以理解的是，信道占用帧携带的目标时长不小于第一时长，其中，第一时长为利用频谱感知方式，从至少一个第二候选信道中选取目标候选信道所消耗的时长。
具体的，在一种实施方式中，利用所选取的目标候选信道，与认知卫星进行通信的步骤，可以包括如下步骤：
S1，确定认知终端向认知卫星发送信号时的目标发送功率；
认知终端与认知卫星进行通信的过程中，首先可以确定出认知终端向认知卫星发送信号时的目标发送功率。其中，该目标发送功率小于等于认知终端向认知卫星发送信号时的功率最大值，该功率最大值可以通过以下预定功率计算公式计算得到：
Figure BDA0001619807020000101
其中，Iallow为主用户允许的最大干扰功率值，PPU为主用户的发送功率，
Psense为认知终端感知到的、主用户占用目标候选信道时的信道功率值。
S2，向认知卫星发送第一通信信息，以使得认知卫星基于第一通信信息，确定第二通信信息，并将第二通信信息反馈给各个认知终端；其中，第一通信信息包括：目标候选信道的标识信息、目标发送功率和认知终端所需求的目标吞吐量，第二通信信息包括认知终端与认知卫星通信时的通信时刻以及通信时长；
需要说明的是，要实现认知终端与认知卫星之间的通信，需要确定认知终端与认知卫星通过哪个信道进行通信，认知终端向认知卫星发送信号时的发送功率，以及认知终端需要向认知卫星发送多少业务等信息，因此，在认知终端与认知卫星进行通信时，认知卫星需要向认知卫星发送第一通信信息，其中，该第一通信信息包括：目标候选信道的标识信息、目标发送功率和认知终端所需求的目标吞吐量等信息，其中，目标候选信道的标识信息可以为目标候选信道的编号等。
在认知卫星接收到各个认知终端发送的第一通信信息后，认知卫星根据预设的资源分配模型计算得到第二通信信息，该第二通信信息主要用于使得认知终端能够得知认知卫星与认知终端通信的时刻，以及认知卫星与认知终端通信的时长，即第二通信信息包括认知终端与认知卫星通信时的通信时刻以及通信时长。
其中，上述预设的资源分配模型可以是如下资源分配模型，该资源分配模型可以用四个公式来表示，这四个公式可以分别命名为(1a)、(1b)、(1c)、(1d)，这四个公式可以计为公式(1)。
Figure BDA0001619807020000102
Figure BDA0001619807020000103
Figure BDA0001619807020000104
Figure BDA0001619807020000105
上述公式(1a)表示认知终端资源分配的目标为使得认知卫星通信的总吞吐量最大化，t为认知卫星为各个认知终端分配的通信时长，m为认知终端的编号，
Figure BDA0001619807020000111
表示编号为m的认知终端利用标识信息为j的目标候选信道通信时的吞吐量；
上述公式(1b)表示认知卫星分配的吞吐量需要满足每一个认知终端的业务需求，该公式使用经典的香农公式来表示，其中，s表示认知终端所处状态的序号，例如，该序号可以为1、2、…、S，S为所有状态的总数量，每个序号对应一个时间段，每个终端在其对应的状态(时间段)内被认知卫星服务；W为所有认知终端状态序号的集合，ts表示序号为s的状态的对应目标候选信道的分配时长，即，序号为s的状态对应的认知终端与认知卫星通信所占用的时长在认知终端与认知卫星通信的总时长中所占的比例，B为目标候选信道的带宽，SINRSL(m)表示编号为m的认知终端在认知卫星通信过程中的信干噪比；
上述公式(1c)表示所有认知终端向认知卫星发送信号时的发送功率由两个功率值决定，PCT(m)表示编号为m的终端向认知卫星发送信号时的发送功率，
Figure BDA0001619807020000112
表示在保证不对主用户造成过大干扰的前提下编号为m的认知终端向认知卫星发送信号时的功率最大值，Pmax为认知终端设置自身的最大发送功率；
上述公式(1d)将所有认知终端状态可用的总时间归一化为1，即表示所有认知终端状态可用的时间上限。
需要说明的是，可以利用以下公式(2)来计算得到SINRSL(m)：
Figure BDA0001619807020000113
PCT表示认知终端向认知卫星发送信号时的目标发送功率，LSL表示次级链路的自由空间损失，其中，次级链路为认知终端到认知卫星的通信链路，
Figure BDA0001619807020000114
和
Figure BDA0001619807020000115
分别表示认知终端的发送天线增益以及认知卫星的接收天线增益，hSL表示次级链路的信道功率增益。N0表示噪声功率谱密度，Ij为占用标识信息为j的信道的主用户对认知卫星的干扰功率总和。
需要说明的是，上述资源分配模型的求解可以通过如下过程来对资源分配模型进行求解：
上述公式(1)为凸问题，且当上述公式(1a)的目标达到时，上述公式(1d)将是严格的等式关系，对于公式(1)来说，其拉格朗日函数L为：
Figure BDA0001619807020000121
其中，γm和β是分别由(1b)和(1d)决定的对偶变量，δs为0-1二元变量，其表示s状态时，标号为m的认知终端是否被认知卫星服务，若标号为m的认知终端被认知卫星服务，δs为1，否则，δs为0；并且，使用KKT(Karush-Kuhn-Tucker)静止条件，可获得ts与γm的梯度如下：
Figure BDA0001619807020000122
Figure BDA0001619807020000123
由于无法求得(4)中ts的闭式解，因而ts与γm均需按照式(4)和(5)的梯度进行更新，关于变量β，可通过以下公式(6)来求解：
Figure BDA0001619807020000124
其中αk表示第k次更新的步长，将(6)式与(4)式结合，可以求解出：
Figure BDA0001619807020000125
由上述描述可知，预设的资源分配模型的求解过程可以通过迭代的求解(7)式、(4)式和(5)式来最终实现，其中，迭代停止的条件是迭代次数达到预设迭代次数或者求解结果收敛。
S3，接收认知卫星反馈的第二通信信息；
在认知卫星根据预设的资源分配模型计算得到第二通信信息时，为了使得认知终端能够得知与认知卫星通信的时刻以及与认知卫星通信的时长，认知卫星将第二通信信息发送至认知终端。
S4，利用目标候选信道，按照第一通信信息和第二通信信息与认知卫星进行通信。
在到达与认知卫星通信的时刻时，认知终端利用目标候选信息与认知卫星进行通信。认知终端与认知卫星通信时，发送信号的功率为目标发送功率；认知终端与认知卫星通信的时长为第二通信信息所包括的通信时长。
本发明实施例提供的技术方案，认知终端与认知卫星进行通信时，首先利用频谱感知方式，从未授权频段中选取多个第一候选信道，其中，第一候选信道的能量小于第一预设能量；然后监听多个第一候选信道的占用状态，从多个第一候选信道中选取至少一个第二候选信道，其中，第二候选信道为主用户当前未占用的信道；并将携带有目标时长的信道占用帧，发送至各个第二候选信道对应的主用户，以使得各个主用户接收到所述信道占用帧后，在目标时长内不占用对应的第二候选信道；最后利用至少一个第二候选信道，与认知卫星进行通信。可见，通过本发明实施例提供的技术方案，认知终端在监听到主用户当前未占用的第二候选信道后，主动向认知终端发送信道占用帧，并且信道占用帧中携带有目标时长，从而在目标时长内认知终端均可以与认知卫星进行通信，认知终端与认知卫星通信的吞吐量提升度较高。
下面结合具体应用实例，对本发明实施例所提供的一种在未授权频段中进行认知卫星通信的方法进行介绍。
如图3所示，在该实施例中，未授权频段中包括5个信道，分别为信道1、信道2、信道3、信道4、信道5。
认知终端与认知卫星通信时，分为以下6个步骤：
步骤1：认知终端先对未授权频段中包括的5个信道进行频谱感知；
步骤2：根据步骤1的频谱感知结果，从5个信道中选取出能量小于第一预设能量的3个第一候选信道，分别为：信道1、信道3、信道5。
步骤3：认知终端监听信道1、信道3、信道5，并在信道1对应的主用户未占用信道1时，认知终端向信道1对应的主用户发送信道占用帧，该信道占用帧携带有认知终端占用信道1的目标时长(NAV)；同样的，信道3对应的主用户未占用信道3时，认知终端向信道3对应的主用户发送信道占用帧，该信道占用帧携带有认知终端占用信道3的目标时长(NAV)；在信道5对应的主用户未占用信道5时，认知终端向信道5对应的主用户发送信道占用帧，该信道占用帧携带有认知终端占用信道5的目标时长(NAV)；
步骤3：认知终端对信道1、信道3、信道5进行频谱感知，从信道1、信道3、信道5中选出能量最低的信道3作为第二候选信道，并将该第二候选信道作为认知终端与认知卫星通信的信道。可以理解的是，认知终端向信道1、信道3、信道5发送的信道占用帧中所携带的目标时长均应大于该次频谱感知所需要的时间。
步骤4：认知终端首先确认向认知卫星发送信号时的目标发送功率，并将包括：信道3的标识信息、目标发送功率和认知终端所需求的目标吞吐量发送至认知卫星。
步骤5：认知卫星通过总体把握各个认知终端上报的第一通信信息，通过预设的资源分配模型做出资源分配决策，即通过预设的资源分配模型计算出第二通信信息，并将第二通信信息发送给各个认知终端，其中，第二通信信息包括认知终端与认知卫星通信的时刻以及通信的时长；
步骤6：利用信道3，按照第一通信信息以及收到的认知卫星的第二通信信息，各认知终端与认知卫星进行通信。
需要说明的是，由于单个信道占用帧最大可声明的信道占用时长是32.767ms，为了完成整个认知卫星通信的过程，认知终端可以在上一信道占用帧的占用时长到期后继续发送信道占用帧，以此满足与认知卫星通信潜在的耗时较长的需求。为避免整个过程中与主用户发生传输碰撞，认知终端在通信信道(第二候选信道)上连续发送了多个信道占用帧，认知终端的第二次频谱感知、将第一通信信息发送至认知卫星以及与认知卫星进行通信需要在NAV的声明时间中执行。
可以理解的是，认知终端为完成与认知卫星的通信过程，多个信道占用过程可以是连续的，也可以中间间隔一段时间以允许周边的主用户进行通信，在周边的主用户通信结束之后，认知终端继续与认知卫星进行通信。
为了更加直观地说明本发明实施例提供的在未授权频段中进行认知卫星通信的方法相对于现有技术提供的方案而言，能够解决现有技术存在的“吞吐量提升度不高”的技术问题，本发明实施例还提供了如图4、图5、图6、图7所示的实施例。下面将依次对图4、图5、图6、图7所示的实施例进行详细阐述。
如图4所示，是本发明实施例所提供的利用资源分配模型来提高认知卫星通信的吞吐量，与现有技术所提供的利用时间平均算法来提高认知卫星通信的吞吐量的性能对比图。其中，时间平均算法是指：认知卫星将时间资源平均分配给各个认知终端。
在图4中，信道的带宽B＝20MHz，有20个状态服务认知终端，认知终端的序号为“1、2、3、……、20”，假设共计有4个信道，对于所有的信道，令Ij＝N0B，每个状态服务四个认知终端；认知卫星的轨道高度为1000Km。
从图4可以看出，本发明实施例所提供的资源分配模型所得到的认知卫星通信的吞吐量较高，能够满足各个认知终端的吞吐量需求，而现有技术所提供的时间平均算法无法满足各个认知终端的吞吐量需求，从而导致有些认知终端与认知卫星通信的吞吐量小于认知终端的目标吞吐量。
如图5所示，为采用本发明实施例所提供的技术方案后认知卫星通信的吞吐量与采用现有技术所提供的技术方案认知卫星通信的吞吐量的对比图。
在图5中，Pmax表示认知终端向认知卫星发送信号时的最大发送功率，PCTS为认知终端所发送的信道占用帧的功率，Beam throughput表示认知终端与认知卫星通信的吞吐量。
从图5中可以看出，当PCTS＝0时，表示经典的底衬(underlay)认知通信形式，当PCTS>0时，则表示本发明实施例所提供的混合交织-底衬形式的认知接入方式。通过对比可以得出：本发明实施例所提供的混合交织-底衬形式能够大大提高认知终端与认知卫星通信的吞吐量。
举例而言，当Pmax＝30dBm，PCTS从0变化到30dBm时，认知终端与认知卫星通信的吞吐量从1.95提升到3.478，即吞吐量提升了78.36％；同样的，当Pmax＝40dBm，PCTS从0变化到40dBm时，认知终端与认知卫星通信的吞吐量从1.921提升到3.503，即吞吐量提升了82.35％。
由图5可以看出：当认知终端向认知卫星发送信号时的功率
Figure BDA0001619807020000161
过小时，会限制认知终端与认知卫星通信的吞吐量，而当认知终端向认知卫星发送信号时的功率
Figure BDA0001619807020000162
过大时，则会给主用户造成较大的干扰。在图6所示的实施例中将对
Figure BDA0001619807020000163
的偏差对认知卫星通信的吞吐量的影响进行详细阐述。
图6中，PCTS为认知终端发送信道占用帧的功率值，从图中可以看出，线1所代表的经典的底衬认知形式通信对
Figure BDA0001619807020000164
的估计偏差十分敏感，当
Figure BDA0001619807020000165
误差低估100％时，认知卫星通信的吞吐量与原来相比相差了接近7倍。随着信道占用帧发送功率的提升，认知卫星通信的吞吐量对可用功率
Figure BDA0001619807020000166
的估计偏差越来越不敏感，特别是当PCTS＝20dBm时，认知卫星通信的吞吐量几乎不随可用功率
Figure BDA0001619807020000167
的估计偏差发生变化，这证明了本发明实施例所提供的技术方案能够在减少
Figure BDA0001619807020000168
估计误差带来的影响的前提下，较好地提升认知卫星通信的吞吐量。
并且，本发明实施例提供的技术方案不仅能够较大程度地提升认知卫星通信的吞吐量，而且能够降低对主用户的吞吐量的影响，如图7所示。
从图7中可以看出，线1所代表的经典底衬形式的主用户对认知终端的
Figure BDA0001619807020000169
的误差十分敏感，当该误差达到100％时，主用户的吞吐量将会下降15％以上，这对于共享频谱中的主用户是无法容忍的。
从图7中还可以看出，当信道占用帧的发送功率为3dBm时，主用户的吞吐量下降情况即有明显的改观，随着信道占用帧的发送功率的进一步增大，主用户对
Figure BDA00016198070200001610
的高估误差的容忍能力会进一步提升。
相应于上述方法实施例，本发明实施例还提供了一种在未授权频段中进行认知卫星通信的装置，如图8所示，应用于认知终端，所述装置包括：
第一候选信道选取模块810，用于利用频谱感知方式，从未授权频段中选取多个第一候选信道，其中，第一候选信道的能量小于第一预设能量；
第二候选信道选取模块820，用于监听所述多个第一候选信道的占用状态，从所述多个第一候选信道中选取至少一个第二候选信道，其中，所述第二候选信道为主用户当前未占用的信道；
信道占用帧发送模块830，用于将携带有目标时长的信道占用帧，在各个第二候选信道中发送，以使得各个第二候选信道对应的主用户接收到所述信道占用帧后，在目标时长内不占用对应的第二候选信道；
通信模块840，用于利用所述至少一个第二候选信道，与认知卫星进行通信。
本发明实施例提供的技术方案，认知终端与认知卫星进行通信时，首先利用频谱感知方式，从未授权频段中选取多个第一候选信道，其中，第一候选信道的能量小于第一预设能量；然后监听多个第一候选信道的占用状态，从多个第一候选信道中选取至少一个第二候选信道，其中，第二候选信道为主用户当前未占用的信道；并将携带有目标时长的信道占用帧，在各个第二候选信道中发送，以使得各个第二候选信道对应的主用户接收到信道占用帧后，在目标时长内不占用对应的第二候选信道；最后利用至少一个第二候选信道，与认知卫星进行通信。可见，通过本发明实施例提供的技术方案，认知终端在监听到主用户当前未占用的第二候选信道后，主动向认知终端发送信道占用帧，并且信道占用帧中携带有目标时长，从而在目标时长内认知终端均可以与认知卫星进行通信，认知终端与认知卫星通信的吞吐量提升度较高。
可选的，所述通信模块，包括：
目标候选信道选取单元，用于利用频谱感知方式，从所述至少一个第二候选信道中选取目标候选信道，其中，所选取的目标候选信道的能量小于第二预设能量，所述第二预设能量的大小小于所述第一预设能量的大小；
通信单元，用于利用所选取的目标候选信道，与认知卫星进行通信。
可选的，所述通信单元，包括：
目标发送功率确定子单元，用于确定所述认知终端向认知卫星发送信号时的目标发送功率；
第一通信信息发送子单元，用于向所述认知卫星发送第一通信信息，以使得所述认知卫星基于所述第一通信信息，确定第二通信信息，并将所述第二通信信息反馈给所述认知终端；其中，所述第一通信信息包括：所述目标候选信道的标识信息、目标发送功率和所述认知终端所需求的目标吞吐量，所述第二通信信息包括所述认知终端与所述认知卫星通信时的通信时刻以及通信时长；
第二通信信息接收子单元，用于接收所述认知卫星反馈的所述第二通信信息；
通信子单元，用于利用所述目标候选信道，按照所述第一通信信息和所述第二通信信息与认知卫星进行通信。
可选的，所述目标发送功率确定子单元，具体用于：
利用预定功率计算公式，计算所述认知终端向认知卫星发送信号时的功率最大值；
将小于等于所述功率最大值的一功率值作为目标发送功率；
其中，所述预定功率计算公式为：
Figure BDA0001619807020000181
其中，Iallow为主用户允许的最大干扰功率值，PPU为主用户的发送功率，Psense为所述认知终端感知到的、主用户占用所述目标候选信道时的信道功率值。
可选的，所述信道占用帧携带的所述目标时长不小于第一时长，所述第一时长为利用频谱感知方式，从所述至少一个第二候选信道中选取目标候选信道所消耗的时长。
本发明实施例还提供了一种电子设备，如图9所示，包括处理器901、通信接口902、存储器903和通信总线904，其中，处理器901，通信接口902，存储器903通过通信总线904完成相互间的通信，
存储器903，用于存放计算机程序；
处理器901，用于执行存储器903上所存放的程序时，实现本发明实施例所提供的任一种在未授权频段中进行认知卫星通信的方法。
上述电子设备提到的通信总线可以是外设部件互连标准(Peripheral ComponentInterconnect，PCI)总线或扩展工业标准结构(Extended Industry StandardArchitecture，EISA)总线等。该通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
通信接口用于上述电子设备与其他设备之间的通信。
存储器可以包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。
上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
本发明实施例提供的技术方案，认知终端与认知卫星进行通信时，首先利用频谱感知方式，从未授权频段中选取多个第一候选信道，其中，第一候选信道的能量小于第一预设能量；然后监听多个第一候选信道的占用状态，从多个第一候选信道中选取至少一个第二候选信道，其中，第二候选信道为主用户当前未占用的信道；并将携带有目标时长的信道占用帧，发送至各个第二候选信道对应的主用户，以使得各个主用户接收到所述信道占用帧后，在目标时长内不占用对应的第二候选信道；最后利用至少一个第二候选信道，与认知卫星进行通信。可见，通过本发明实施例提供的技术方案，认知终端在监听到主用户当前未占用的第二候选信道后，主动向认知终端发送信道占用帧，并且信道占用帧中携带有目标时长，从而在目标时长内认知终端均可以与认知卫星进行通信，认知终端与认知卫星通信的吞吐量提升度较高。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明实施例所提供的任一种在未授权频段中进行认知卫星通信的方法。
本发明实施例提供的技术方案，认知终端与认知卫星进行通信时，首先利用频谱感知方式，从未授权频段中选取多个第一候选信道，其中，第一候选信道的能量小于第一预设能量；然后监听多个第一候选信道的占用状态，从多个第一候选信道中选取至少一个第二候选信道，其中，第二候选信道为主用户当前未占用的信道；并将携带有目标时长的信道占用帧，发送至各个第二候选信道对应的主用户，以使得各个主用户接收到所述信道占用帧后，在目标时长内不占用对应的第二候选信道；最后利用至少一个第二候选信道，与认知卫星进行通信。可见，通过本发明实施例提供的技术方案，认知终端在监听到主用户当前未占用的第二候选信道后，主动向认知终端发送信道占用帧，并且信道占用帧中携带有目标时长，从而在目标时长内认知终端均可以与认知卫星进行通信，认知终端与认知卫星通信的吞吐量提升度较高。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种在未授权频段中进行认知卫星通信的方法，其特征在于，应用于认知终端，所述方法包括：
利用频谱感知方式，从未授权频段中选取多个第一候选信道，其中，第一候选信道的能量小于第一预设能量，第一候选信道是主用户未占用的信道或是与所述认知终端距离较远的主用户占用的信道；
监听所述多个第一候选信道的占用状态，从所述多个第一候选信道中选取至少一个第二候选信道，其中，所述第二候选信道为主用户当前未占用的信道；
将携带有目标时长的信道占用帧，在各个第二候选信道中发送，以使得各个第二候选信道对应的主用户接收到所述信道占用帧后，在目标时长内不占用对应的第二候选信道；
利用所述至少一个第二候选信道，与认知卫星进行通信；
所述利用所述至少一个第二候选信道，与认知卫星进行通信的步骤，包括：
利用频谱感知方式，从所述至少一个第二候选信道中选取目标候选信道，其中，所选取的目标候选信道的能量小于第二预设能量，所述第二预设能量的大小小于所述第一预设能量的大小；
利用所选取的目标候选信道，与认知卫星进行通信。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所选取的目标候选信道，与认知卫星进行通信的步骤，包括：
确定所述认知终端向认知卫星发送信号时的目标发送功率；
向所述认知卫星发送第一通信信息，以使得所述认知卫星基于所述第一通信信息，确定第二通信信息，并将所述第二通信信息反馈给各个认知终端；其中，所述第一通信信息包括：所述目标候选信道的标识信息、目标发送功率和所述认知终端所需求的目标吞吐量，所述第二通信信息包括所述认知终端与所述认知卫星通信时的通信时刻以及通信时长；
接收所述认知卫星反馈的所述第二通信信息；
利用所述目标候选信道，按照所述第一通信信息和所述第二通信信息与认知卫星进行通信。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述确定所述认知终端向认知卫星发送信号时的目标发送功率的步骤，包括：
利用预定功率计算公式，计算所述认知终端向认知卫星发送信号时的功率最大值；
将小于等于所述功率最大值的一功率值作为目标发送功率；
其中，所述预定功率计算公式为：
Figure FDA0002744058990000021
其中，Iallow为主用户允许的最大干扰功率值，PPU为主用户的发送功率，Psense为所述认知终端感知到的、主用户占用所述目标候选信道时的信道功率值。
4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述信道占用帧携带的所述目标时长不小于第一时长，所述第一时长为利用频谱感知方式，从所述至少一个第二候选信道中选取目标候选信道所消耗的时长。
5.一种在未授权频段中进行认知卫星通信的装置，其特征在于，应用于认知终端，所述装置包括：
第一候选信道选取模块，用于利用频谱感知方式，从未授权频段中选取多个第一候选信道，其中，第一候选信道的能量小于第一预设能量，第一候选信道是主用户未占用的信道或是与所述认知终端距离较远的主用户占用的信道；
第二候选信道选取模块，用于监听所述多个第一候选信道的占用状态，从所述多个第一候选信道中选取至少一个第二候选信道，其中，所述第二候选信道为主用户当前未占用的信道；
信道占用帧发送模块，用于将携带有目标时长的信道占用帧，在各个第二候选信道中发送，以使得各个第二候选信道对应的主用户接收到所述信道占用帧后，在目标时长内不占用对应的第二候选信道；
通信模块，用于利用所述至少一个第二候选信道，与认知卫星进行通信；
所述通信模块，包括：
目标候选信道选取单元，用于利用频谱感知方式，从所述至少一个第二候选信道中选取目标候选信道，其中，所选取的目标候选信道的能量小于第二预设能量，所述第二预设能量的大小小于所述第一预设能量的大小；
通信单元，用于利用所选取的目标候选信道，与认知卫星进行通信。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述通信单元，包括：
目标发送功率确定子单元，用于确定所述认知终端向认知卫星发送信号时的目标发送功率；
第一通信信息发送子单元，用于向所述认知卫星发送第一通信信息，以使得所述认知卫星基于所述第一通信信息，确定第二通信信息，并将所述第二通信信息反馈给所述认知终端；其中，所述第一通信信息包括：所述目标候选信道的标识信息、目标发送功率和所述认知终端所需求的目标吞吐量，所述第二通信信息包括所述认知终端与所述认知卫星通信时的通信时刻以及通信时长；
第二通信信息接收子单元，用于接收所述认知卫星反馈的所述第二通信信息；
通信子单元，用于利用所述目标候选信道，按照所述第一通信信息和所述第二通信信息与认知卫星进行通信。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述目标发送功率确定子单元，具体用于：
利用预定功率计算公式，计算所述认知终端向认知卫星发送信号时的功率最大值；
将小于等于所述功率最大值的一功率值作为目标发送功率；
其中，所述预定功率计算公式为：
Figure FDA0002744058990000031
其中，Iallow为主用户允许的最大干扰功率值，PPU为主用户的发送功率，Psense为所述认知终端感知到的、主用户占用所述目标候选信道时的信道功率值。
8.根据权利要求5至7任一项所述的装置，其特征在于，所述信道占用帧携带的所述目标时长不小于第一时长，所述第一时长为利用频谱感知方式，从所述至少一个第二候选信道中选取目标候选信道所消耗的时长。
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