CN109104751A - 一种基于usrp实验平台与频谱感知结果进行频谱切换的算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于USRP实验平台与频谱感知结果进行频谱切换的算法，其属于异构无线网络频谱共享领域。所述算法可以用于异构无线网络的频谱切换。算法的基本思想包括感知和切换，感知部分是重复检测次用户所使用的频段，将感知结果与预先设置的阈值比较，大于阈值可判定主用户已接入，立即向该频段中心频率两侧检测是否有空闲频段可供次用户切换；切换部分运用二分答案的思想，在较快时间内找到一定范围内最宽的可供次用户接入的空闲频段，如果宽度不足以用户使用，扩大频谱感知范围再次寻找足够宽度的空闲频段。本发明公开的方法使特定用户能在短时间内寻找到符合要求的空闲频段接入，提高认知无线电用户对频谱的利用率，减少频谱资源的浪费。

Description

一种基于USRP实验平台与频谱感知结果进行频谱切换的算法

技术领域：

本发明公开了一种基于USRP实验平台与频谱感知结果进行频谱切换的算法，其属于异构无线网络频谱共享领域。

背景技术：

随着无线通信的不断发展，业务的多样性和接入场景的多元化，无线网络模式越来越复杂，已形成多种异构无线网络并存的格局，并且每一种异构网络都有其特有的网络特性，如以语音业务为主的2G、3G网络，最新部署的带宽更高、延迟更低的LTE网络，或者提供局域网内高速视频服务的WLAN网络以及传统的广播电视信息网络。然而由于固有的独立设计，异构网络之间很难实现相互连接，使得网络运营商很难从全局视角实现不同异构网络的优势互补以及对无线网络的优化。而随着用户数量以及业务需求的不断增加，进而形成越来越庞大、越来越复杂的异构无线网络。同时随着移动用户流量需求的指数型增长，移动通信可用频谱资源逐渐显得不足，当前的无线通信系统正面临频谱资源危机，而频谱资源危机的一个重要原因是无线资源的低利用率。基于认知无线电技术，在不影响该频段现有授权系统的情况下，动态地接入授权用户未使用的频谱空洞进行通信，可以有效地提高对无线频段的资源利用率；同时，在不同用户之间进行切换，满足不同优先级用户的使用，具有较高的研究价值和意义。

与传统的单一网络不同，异构无线网络是由层次、结构和功能各不相同的多种网络构成，其授权用户活动性和链路质量较单一网络而言更加复杂；另外，由于各个网络的重叠覆盖，可以在多种网络上为用户分配频谱。因此，频谱共享策略的好坏，直接影响各个网络的负载状态、资源利用率和用户体验。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种基于USRP实验平台与频谱感知结果进行频谱切换的算法，用于解决频谱资源的合理利用问题。采用本发明公开的方法，可以有效降低数据采集量，并且快速进行频谱切换以达到合理利用频谱资源的目的。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于USRP实验平台与频谱感知结果进行频谱切换的算法，具体步骤如下：

步骤1：每隔一段时间检测次用户所在频段能量数据，即进行频谱感知，频段中心频率为center_freq，根据USRP频谱感知结果，判断是否有主用户接入该频段，如果无其他用户接入该频段，则重复步骤1；

步骤2：检测到主用户接入后，根据用户所使用的频谱宽度width，确定每次需要新收集频谱数据的频段宽度step，step大小应大于width；

步骤3：初始化即将收集的center_freq左右两侧频段的频谱端点，分别为l_freq和r_freq，l_freq＝center_freq-step/2，r_freq＝center_freq+step/2；

步骤4：收集次用户所在频段中心频率center_freq左右两侧附近的频谱能量数据，其具体步骤如下

步骤4.1收集右侧r_freq到r_freq+step范围的频谱能量数据，若在r_freq到r_freq+step的范围内找到可接入的空闲频段，进入步骤1，若在r_freq到r_freq+step的范围内未找到可接入的空闲频段，进入步骤4.2；

步骤4.2收集左侧l_freq-step到l_freq范围的频谱能量数据，若在l_freq-step到l_freq的范围内找到可接入的空闲频段，进入步骤1，若在l_freq-step到l_freq的范围内未找到可接入的空闲频段，进入步骤5；

步骤5：当前并未搜索到足够宽度的可接入的空闲频段，扩大两侧需要收集数据的频谱范围，宽度仍为step，但逐渐远离中心频率，r_freq＝r_freq+step，l_freq＝l_freq-step，进入步骤4。

进一步地，所述步骤1中包括如下步骤：

步骤1.1.根据次用户所在频段特点确定该频段的阈值threshold，并设定判断段内空闲的百分比x％；

步骤1.2.对次用户所在频段的宽度范围进行频谱感知，并统计所在频段内数据值大于阈值threshold的点总数；

步骤1.3.若大于阈值threshold的点总数超过次用户所在频段的宽度范围内数据量的x％，则判定该频段有主用户接入。

进一步地，所述步骤4.1中包括如下步骤：

步骤4.1.1收集右侧r_freq到r_freq+step范围的频谱能量数据，将频段宽度二分，即寻找step/2宽度的空闲频谱；

步骤4.1.2若不存在宽度为step/2的空闲频谱，则继续将宽度二分，即寻找step/4宽度的空闲频谱，重复上述将宽度二分的步骤；

步骤4.1.3最终得到在此条件下r_freq到r_freq+step频段内宽度最长的空闲频段宽度m和该频段的最左端频率位置r_max，如果所得到的宽度m大于等于width，则成功找到可接入的空闲频段，可将需要切换的次用户接入以r_max+m/2为中心频率的频段中，进入步骤1，若在r_freq到r_freq+step的范围内未找到可接入的空闲频段，进入步骤4.2。

进一步地，所述步骤4.2中包括如下步骤：

步骤4.2.1收集左侧l_freq-step到l_freq范围的频谱能量数据，将频段宽度二分，即寻找step/2宽度的空闲频谱；

步骤4.2.2若不存在宽度为step/2的空闲频谱，则继续将宽度二分，即寻找step/4宽度的空闲频谱，重复上述将宽度二分的步骤；

步骤4.2.3最终得到在此条件下l_freq-step到l_freq频段内宽度最长的空闲频段宽度m和该频段的最左端频率位置l_max，如果所得到的宽度m大于等于width，则成功找到可接入的空闲频段，可将需要切换的次用户接入以l_max+m/2为中心频率的频段中，进入步骤1，若在l_freq-step到l_freq的范围内未找到可接入的空闲频段，进入步骤5。

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤4中，具体的二分寻找频段方法如下：

假定该频段的位置为[l，r]，取宽度p＝(l+r+1)/2，判断[l，l+p]的频段是否空闲，将该段的位置逐步右移，直到[r-p，r]为止，如果有频段空闲，将频段的位置和宽度记录下来，l＝p，如果在宽度p＝(l+r+1)/2的情况下无空闲频段可供次用户接入，取r＝p-1，继续在[l，r]的频段里搜索，重复上述操作，并且在一次完整的搜索过程中，即不断将频段二分直至不可再分，只记录最大宽度的空闲频段位置和宽度，该方法目的在于找到最宽的可供次用户切换接入的空闲频谱，容易得知如果此频段内能找到宽度为x的空闲频段，那么则必定存在宽度比x小的空闲频段，所以可以对空闲频段的宽度x进行二分。

本发明具有如下有益效果：本发明基于USRP实验平台与频谱感知结果进行频谱切换的算法使特定用户能在短时间内迅速寻找到符合要求的空闲频段接入，提高认知无线电用户对频谱的利用率，减少了频谱资源的浪费。

附图说明：

图1为2435MHz-2455MHz的频谱空闲情况。

图2为2450MHz-2460MHz的频谱空闲情况。

图3为2430MHz-2440MHz的频谱空闲情况。

图4为2456MHz-2476MHz的频谱感知结果。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明的方法始终基于USRP实验平台与频谱感知的结果判断频段的空闲情况，不限于频谱感知的技术方法，参数可根据实际环境进行调整，方法的关键在于频谱切换的策略。此处以2435MHz-2455MHz频段数据为例，次用户所在中心频率为2445MHz，百分比参数m％设为75％。

步骤1：每隔一段时间，收集2435MHz-2455MHz频段数据，频段中心频率为2445MHz，根据USRP频谱感知结果判断是否有主用户接入使用造成频谱拥挤如图1所示，空闲情况已直接用布尔值表示，1为空闲状态，0为拥挤状态；

步骤2：检测到2445MHz左右有用户接入使用造成频谱拥挤后，由于频谱的使用情况是动态变化的，所以采用USRP设备重新进行频谱感知，用户所使用的频谱宽度width约为4MHz，确定每次需要新收集频谱数据的频段宽度step为10MHz；

步骤3：初始化即将收集的左右两侧频段的频谱端点，分别为l_freq和r_freq，l_freq＝center_freq-step/2＝2440MHz，r_freq＝center_freq+step/2＝2450MHz；

步骤4：收集次用户所在频段中心频率左右两侧附近的频谱能量数据，其具体包括

步骤4.1.收集右侧2450MHz到2460MHz范围的频谱能量数据，该范围的频谱空闲状态如图2所示，将频段宽度二分，即寻找5MHz宽度的空闲频谱，从2450MHz-2455MHz范围开始逐渐右移，直到2455MHz-2460MHz，不存在空闲的5MHz宽度的频段，所以继续将宽度二分在2450MHz-2454MHz频段搜寻，即寻找2MHz宽度的空闲频谱，重复上述步骤，最终在该范围确定无可接入频段；

步骤4.2.收集左侧2430MHz到2440MHz范围的频谱能量数据，该范围的频谱空闲状态如图3所示，将频段宽度二分，即寻找5MHz宽度的空闲频谱，从2430MHz-2435MHz范围开始逐渐右移，直到2435MHz-2440MHz，在2434MHz-2439MHz中有超过75％的数据显示空闲，于是先记录下频段开始位置2434MHz和宽度5MHz，右移到2435MHz-2440MHz，也有超过75％的数据显示频段空闲，所以记录下频段开始位置2435MHz和宽度5MHz，继续将宽度二分在2436MHz-2450MHz频段搜寻，即寻找2MHz宽度的空闲频谱，但是2MHz的宽度小于之前记录的最大宽度5MHz，所以不可使用，重复上述操作最终得到在此条件下2430MHz-2440MHz频段内宽度最长的频段宽度5MHz和可接入的频段中心频率2438MHz，然后进入步骤1，如果2430MHz-2440MHz频段内无空闲频谱进入步骤5；

步骤5：假设当前并未搜索到足够宽度的空闲频段，扩大两侧需要收集数据的频谱范围，宽度仍为step，但逐渐远离中心频率，r_freq＝r_freq+step＝2460MHz，l_freq＝l_freq-step＝2420MHz，再进入步骤4重复。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种基于USRP实验平台与频谱感知结果进行频谱切换的算法，其特征在于具体步骤如下

步骤1：每隔一段时间检测次用户所在频段能量数据，即进行频谱感知，频段中心频率为center_freq，根据USRP频谱感知结果，判断是否有主用户接入该频段，如果无其他用户接入该频段，则重复步骤1；

步骤2：检测到主用户接入后，根据用户所使用的频谱宽度width，确定每次需要新收集频谱数据的频段宽度step，step大小应大于width；

步骤3：初始化即将收集的center_freq左右两侧频段的频谱端点，分别为l_freq和r_freq，l_freq＝center_freq-step/2，r_freq＝center_freq+step/2；

步骤4：收集次用户所在频段中心频率center_freq左右两侧附近的频谱能量数据，其具体步骤如下

步骤4.1收集右侧r_freq到r_freq+step范围的频谱能量数据，若在r_freq到r_freq+step的范围内找到可接入的空闲频段，进入步骤1，若在r_freq到r_freq+step的范围内未找到可接入的空闲频段，进入步骤4.2；

步骤4.2收集左侧l_freq-step到l_freq范围的频谱能量数据，若在l_freq-step到l_freq的范围内找到可接入的空闲频段，进入步骤1，若在l_freq-step到l_freq的范围内未找到可接入的空闲频段，进入步骤5；

步骤5：当前并未搜索到足够宽度的可接入的空闲频段，扩大两侧需要收集数据的频谱范围，宽度仍为step，但逐渐远离中心频率，r_freq＝r_freq+step，1_freq＝l_freq-step，进入步骤4。

2.如权利要求1所述的一种基于USRP实验平台与频谱感知结果进行频谱切换的算法，其特征在于所述步骤1中包括如下步骤：

步骤1.1根据次用户所在频段特点确定该频段的阈值threshold，并设定判断段内空闲的百分比x％；

步骤1.2对次用户所在频段的宽度范围进行频谱感知，并统计所在频段内数据值大于阈值threshold的点总数；

步骤1.3若大于阈值threshold的点总数超过次用户所在频段的宽度范围内数据量的x％，则判定该频段有主用户接入。

3.如权利要求2所述的一种基于USRP实验平台与频谱感知结果进行频谱切换的算法，其特征在于所述步骤4.1中包括如下步骤：

步骤4.1.1收集右侧r_freq到r_freq+step范围的频谱能量数据，将频段宽度二分，即寻找step/2宽度的空闲频谱；

步骤4.1.2若不存在宽度为step/2的空闲频谱，则继续将宽度二分，即寻找step/4宽度的空闲频谱，重复上述将宽度二分的步骤；

步骤4.1.3最终得到在此条件下r_freq到r_freq+step频段内宽度最长的空闲频段宽度m和该频段的最左端频率位置r_max，如果所得到的宽度m大于等于width，则成功找到可接入的空闲频段，可将需要切换的次用户接入以r_max+m/2为中心频率的频段中，进入步骤1，若在r_freq到r_freq+step的范围内未找到可接入的空闲频段，进入步骤4.2。

4.如权利要求3所述的一种基于USRP实验平台与频谱感知结果进行频谱切换的算法，其特征在于所述步骤4.2中包括如下步骤：

步骤4.2.1收集左侧l_freq-step到l_freq范围的频谱能量数据，将频段宽度二分，即寻找step/2宽度的空闲频谱；

步骤4.2.2若不存在宽度为step/2的空闲频谱，则继续将宽度二分，即寻找step/4宽度的空闲频谱，重复上述将宽度二分的步骤；

步骤4.2.3最终得到在此条件下l_freq-step到l_freq频段内宽度最长的空闲频段宽度m和该频段的最左端频率位置l_max，如果所得到的宽度m大于等于width，则成功找到可接入的空闲频段，可将需要切换的次用户接入以l_max+m/2为中心频率的频段中，进入步骤1，若在l_freq-step到l_freq的范围内未找到可接入的空闲频段，进入步骤5。

5.如权利要求4所述的一种基于USRP实验平台与频谱感知结果进行频谱切换的算法，其特征在于所述步骤4中，具体的二分寻找频段方法如下：

假定该频段的位置为[l，r]，取宽度p＝(l+r+1)/2，判断[l，l+p]的频段是否空闲，将该段的位置逐步右移，直到[r-p，r]为止，如果有频段空闲，将频段的位置和宽度记录下来，l＝p，如果在宽度p＝(l+r+1)/2的情况下无空闲频段可供次用户接入，取r＝p-1，继续在[l，r]的频段里搜索，重复上述操作，并且在一次完整的搜索过程中，即不断将频段二分直至不可再分，只记录最大宽度的空闲频段位置和宽度，该方法目的在于找到最宽的可供次用户切换接入的空闲频谱，容易得知如果此频段内能找到宽度为x的空闲频段，那么则必定存在宽度比x小的空闲频段，所以可以对空闲频段的宽度x进行二分。