CN109245862A - 一种多用户认知无线电网络中的混合网络编码方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用户认知无线电网络中的混合网络编码方案，是具有多个授权和非授权用户关系的认知无线电网络中的网络编码方案，包括非协作，协作和租用，使得非授权用户可以根据不同情况，对授权频谱进行使用，以提高空闲频谱的利用效率。同时使用非正交多址寻址进行数据的传输，在相同时域、频域完成多个数据包的发送，提高频谱利用率和减少授权与非授权用户之间的干扰，此外，该方案通过冗余编码来增加成功的传输速率和减少分组丢失率。本发明考虑在不同状态的授权信道的非正交网络编码传输，与现有机制相比，我们提出的方案在延迟和吞吐量方面都能取得更好的性能，降低了用户间的冲突，提高了频谱利用率。

Description

一种多用户认知无线电网络中的混合网络编码方案

技术领域

本发明公开了一种具有多个授权和非授权用户关系的认知无线电网络中的混合网络编码方案，包括非协作，协作和租用，使得非授权用户可以根据不同情况，对授权频谱进行使用，以提高空闲频谱的利用效率。同时使用非正交多址寻址进行数据的传输，在相同时域、频域完成多个数据包的发送，提高频谱利用率和减少授权与非授权用户之间的干扰，此外，该方案通过冗余编码来增加成功的传输速率和减少分组丢失率。本发明考虑在不同状态的授权信道的非正交网络编码传输，与现有机制相比，我们提出的方案在延迟和吞吐量方面都能取得更好的性能，降低了用户间的冲突，提高了频谱利用率。

背景技术

在未来几十年，智能城市，智能家居和智能交通等大量智能空间将会出现。这种智能空间将需要部署连接到因特网的大量设备。然而，这些设备的稳定通信服务严重依赖于频谱资源，因此需要足够的频谱资源来发送大量数据。目前，可用的无线电频谱已经被大量分配，并且大多数是许可频段。然而，宝贵的频谱资源尚未得到有效利用，一些许可频段在时域和空间领域更加空闲。此外，未经许可的频谱仅是现有频谱分配方案的一小部分。由于新服务和新用户只能使用较少未经许可的频谱，因此频谱利用率将变得更加饱和。

为了有效地提高频谱利用率低的许可频段以满足新的业务需求，认知无线电(CR)技术应运而生。CR技术是一种无线电，通过与实际环境的交互可以改变传输参数。认知无线电网络(CRN)包括许可用户(主用户)和未许可用户(次用户)，并且主用户(PU)有权使用许可频带。次用户(SU)可以感知，访问和利用PU的许可频带而不影响其通信质量。物联网的设计和实施可以通过整合各种信息和通信技术，积极适应设备的需求。将认知无线电技术集成到物联网中可以完美地解决频谱短缺问题。由于PU具有较高的频谱使用优先级，因此每当PU出现时SU必须退出频带或降低其发射功率，以减少对PU的干扰。因此，频谱的时空不确定性对SU在连续信道中的感知，频繁信道切换和不同SU之间的资源协调有很大影响。更有必要解决CRN中具有多个SU的PU和SU之间的冲突，为IoT提供可靠和稳定的通信。通常，我们可以减少SU的传输时间，或者提高SU的频谱感知精度以减少冲突问题。然而，PU的外观是随机的，这需要更高的频谱感知算法精度，并且SU的吞吐量也将受到显着影响。

网络编码是一种新兴的信息传输技术，它通过增加通过单次传输的信息量来提高整体系统性能。它可以通过减少传输次数来发送更多信息，而不需要重新传输数据包。因此可以节省可用带宽。其显着优势已应用于网络研究的重要方面，如确保数据传输的可靠性和安全性，以及提高网络资源的利用效率。由于PU的活动对SU的访问时间有很大影响，因此将网络编码技术应用于CRN可以通过减少SU的传输时间来有效地提高可用频谱的利用率。一些研究提出了一种基于随机网络编码(RNC)的方法用于认知无线电自组织网络。通过利用最大化 SU的分组接收增益，可以显着减少分组传输。此外，有些研究提出了一种使用多层编码(MLC) 策略来增强衰落信道上的频谱共享的新方法。

在本发明中，我们考虑的是在一种具有多个授权和非授权用户关系的认知无线电网络中的混合网络编码方案，包括非协作，协作和租用，使得非授权用户可以根据不同情况，对授权频谱进行使用，以提高空闲频谱的利用效率。

发明内容

发明目的：考虑不同的信道可用性场景来提高频谱利用率，降低时延，使吞吐量最大化。本发明在针对不同信道可用性场景下，提出了一个冗余网络编码方案，根据每种信道场景，采用不同的网络编码方案，实现次用户网络的时延的最小化和吞吐量最大化同时不干扰主用户的正常数据传输。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种多用户认知无线电网络中的混合网络编码方案，包括以下步骤：

步骤1：确定授权信道是否可以租用，若可以租用，转到步骤4；

步骤2：确定授权用户(PU)是否愿意合作使用授权信道，若不合作，转到步骤4；

步骤3：授权用户与需要发送数据的非授权用户(SU)广播自己要发送的数据，传输给其他非授权用户；

步骤4：每个非授权用户广播自己的状态；

步骤5：非授权用户将自己接受到的数据先进行网络编码，再通过非正交多址寻址(NOMA)传输，若是非合作情况下，则还需要判断当前信道是否空闲，若是空闲则可以进行传输，否则重复步骤5；

步骤6：本次数据成功传输后，转到步骤1，进行下次传输。

2、根据权利要求1所述的一种多用户认知无线电网络中的混合网络编码方案，计算对应情景下的时延的过程如下：

根据数据的传输方式，可以分为4种情况，授权信道是有损信道，数据损失概率为ε，而集合间进行广播，距离较近，信道损失可以忽略，可被认为为无损信道，主用户在一段时间内使用信道时，的概率为λ，即非授权用户与授权用户发生冲突概率。(0＜ε，λ＜1)，为简单起见，仅当所有数据包传输成功，该次传输才被认为为成功。

原始数据包理想状态下的传输时间为，

m为需要传输数据非授权用户的数目，L_o为原始数据的长度，L_s是不同数据之间的空隙长度，R是数据传输速度。

但由于数据传输前需要进行一些操作，耗费一些额外时间，还存在传输失败的可能，因此，理想传输时间与传输成功率之比就是真实传输时间，完成一次数据传输则包括这两部分时间。

情况1：PU在工作，且没有采用网络编码；

该情况时间主要分为两部分，第一部分为需要发送数据的SU之间状态信息广播所需时间，即状态广播数据包传输时间为

第二部分为SU真实传输时间为

总传输时间为

N为集合中SU的数目，L_c为广播消息长度，PU工作，且不合作时，SU成功传输的概率为P_c＝(1-ε)(1-λ)。

情况2：PU正在工作，非合作，且SU采用网络编码；

该情况时间主要分为三部分，第一部分为需要传输数据的SU广播所需时间T_ns，(广播信息，可认为为无损信道)即T_ns＝T_o；第二部分为进行网络编码的SU之间状态信息广播所需时间

第三部分为数据包传输时间为

编码分组数据包理想状态下传输时间为

L_h为进行网络编码后的数据包所增加的头部信息。

总传输时间为

情况3：PU工作，且与SU合作；

该情况由三部分组成，第一部分为PU与需要传输数据的SU广播所需时间T_cs，但PU使用主信道进行广播，而要发送数据的SU数目m不少于1，才有意义，因此其广播时间为SU的广播时间，即T_cs＝T_o；第二部分为进行网络编码的SU之间信息广播所需时间T_cb，即 T_cb＝T_nb；第三部分为数据包传输时间为

SU成功传输的概率为P_i＝1-ε

总传输时间为

情况4：SU租用信道，PU空闲；

该情况由三部分组成，第一部分为需要传输数据的SU广播所需时间为

SU可以使用主信道，SU除了普通广播外，还可以通过主用户信道进行广播；第二部分为进行网络编码的SU之间信息广播所需时间T_sb，即T_sb＝T_nb，第三部分为数据包传输时间为

总传输时间为

根据权利要求1所述的一种多用户认知无线电网络中的混合网络编码方案，计算吞吐量的过程如下：

数据的吞吐量是单位时间内成功传输的数据量，单位时间的吞吐量的计算公式如下：

avg(T)为平均时延，即总传输时间除以所发送的数据包。

本发明相对于现有技术具有以下优点：

1、提出了一种针对不同信道可用性场景的混合网络编码方案，可以适应不同的网络编码的组成结构和信道的接入模型；2、将冗余技术与网络编码相结合，所提出的基于冗余的网络编码算法可以减少PU和SU之间的信道丢失和冲突的影响；3、可以减少数据重传的次数，并且可以提高吞吐量。

附图说明

图1为实验环境图；

图2为网络编码图；

图3为实验流程图；

图4为不同编码方案对不同工作SU数下延迟的影响；

图5为不同编码方案对不同丢失概率下延迟的影响；

图6为不同信道冲突概率下不同编码方案对时延的影响；

图7为不同编码方案对不同工作SU数下延迟的影响；

图8为不同编码方案对不同丢失概率下延迟的影响；

图9为不同信道冲突概率下不同编码方案对时延的影响。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

根据信道的可用性场景，每种场景的冗余网络编码方案会有所区别。在可租用信道场景下，需要发送数据的次用户进行网络编码传输；在非合作信道场景下，次用户采用网络编码，机会式接入信道；在合作信道场景下，主次用户共同采用网络编码，接入信道传输。此外，通过冗余编码，减小主次用户冲突或数据丢失造成的影响，提高传输成功率，从而减小时延，提高吞吐量，实现频谱利用率的提升。

本发明针对不同信道可用性场景，在保护主用户的数据传输的前提下，实现频谱利用率提升。主要实施过程为(如图3)：

步骤1：确定授权信道是否可以租用，若可以租用，转到步骤4；

步骤2：确定授权用户(PU)是否愿意合作使用授权信道，若不合作，转到步骤4；

步骤3：授权用户与需要发送数据的非授权用户(SU)广播自己要发送的数据，传输给其他非授权用户；

步骤4：每个非授权用户广播自己的状态；

步骤5：非授权用户将自己接受到的数据先进行网络编码，再通过非正交多址寻址(NOMA)传输，若是非合作情况下，则还需要判断当前信道是否空闲，若是空闲则可以进行传输，否则重复步骤5；

步骤6：本次数据成功传输后，转到步骤1，进行下次传输。

图4为不同编码方案对不同工作SU数下延迟的影响；图5为不同编码方案对不同丢失概率下延迟的影响；图6为不同信道冲突概率下不同编码方案对时延的影响；图7为不同编码方案对不同工作SU数下延迟的影响；图8为不同编码方案对不同丢失概率下延迟的影响；图9为不同信道冲突概率下不同编码方案对时延的影响。而租用情况下，与合作情况类似。

从图4可以看出，在非合作情况下，随着次用户数目m的增加，NCNC和HNC中的SU 可以通过网络编码叠加传输数据，从而减少传输成功率对时延的影响，因此延迟低于NNC。在合作情况下，冗余对传输成功率的影响使得HNC延迟低于协作CRN中的CNC的延迟。

从图5可以看出，随着丢失概率的增加，NNC，NCNC和HNC的延迟逐渐增加，而NNC 的上升速度明显快于NCNC和HNC，因为NNC需要多次重传，延迟急剧增加。与NCNC相比，HNC采用冗余网络编码，传输成功率受损失概率影响较小，因此延迟较低。类似地，冗余可以显着减少协作情况下HNC的传输延迟。

从图6可以看出，随着信道冲突概率的增加，NNC，NCNC和HNC的延迟逐渐增加。由于冲突概率的上升会增加数据传输的数量，因此延迟会迅速增加。与NCNC相比，冗余网络编码使得HNC的成功传输速率受冲突概率的影响较小，因此延迟较低。在图6(b)中， SU可以与PU协作，冲突概率对延迟没有影响。但是，由于冗余减少了重传次数，因此HNC 的传输延迟较低。

从图7可以看出，NNC的延迟随着非协作情况下次用户数目m的增加而逐渐增加，因此传输数据的增加导致吞吐量的降低。网络编码使得每单位时间能够传输更多数据，因此吞吐量增加，并且HNC的成功率高于NCNC的成功率，因此HNC吞吐量更高。在合作情况下，当m很小时，HNC需要广播更多同步信息，导致吞吐量降低，但是当m很大时，冗余可以增加HNC的吞吐量。

从图8可以看出，随着丢失概率的增加，NNC，NCNC和HNC的延迟增加，从而导致吞吐量的降低。此外，HNC延迟的最大延迟带来了最大吞吐量。与非合作情况类似，HNC 的延迟低于CNC，因此HNC的吞吐量更高。

从图8可以看出，由于冲突概率的增加将导致延迟增加，因此NNC，NCNC和HNC的吞吐量降低。相反，由于碰撞概率对协作情况下的延迟没有影响，因此吞吐量保持不变。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同交换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护。

Claims (3)

1.一种多用户认知无线电网络中的混合网络编码方案，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：确定授权信道是否可以租用，若可以租用，转到步骤4；

步骤2：确定授权用户(PU)是否愿意合作使用授权信道，若不合作，转到步骤4；

步骤3：授权用户与需要发送数据的非授权用户(SU)广播自己要发送的数据，传输给其他非授权用户；

步骤4：每个非授权用户广播自己的状态；

步骤5：非授权用户将自己接受到的数据先进行网络编码，再通过非正交多址寻址(NOMA)传输，若是非合作情况下，则还需要判断当前信道是否空闲，若是空闲则可以进行传输，否则重复步骤5；

步骤6：本次数据成功传输后，转到步骤1，进行下次传输。

2.根据权利要求1所述的一种多用户认知无线电网络中的混合网络编码方案，其特征在于，计算对应情景下的时延的过程如下：

根据数据的传输方式，可以分为4种情况，授权信道是有损信道，数据损失概率为ε，而集合间进行广播，距离较近，信道损失可以忽略，可被认为为无损信道，主用户在一段时间内使用信道时，的概率为λ，即非授权用户与授权用户发生冲突概率。(0＜ε，λ＜1)，为简单起见，仅当所有数据包传输成功，该次传输才被认为为成功。

原始数据包理想状态下的传输时间为，

m为需要传输数据非授权用户的数目，L_o为原始数据的长度，L_s是不同数据之间的空隙长度，R是数据传输速度。

但由于数据传输前需要进行一些操作，耗费一些额外时间，还存在传输失败的可能，因此，理想传输时间与传输成功率之比就是真实传输时间，完成一次数据传输则包括这两部分时间。

情况1：PU在工作，且没有采用网络编码；

该情况时间主要分为两部分，第一部分为需要发送数据的SU之间状态信息广播所需时间，即状态广播数据包传输时间为

第二部分为SU真实传输时间为

总传输时间为

N为集合中SU的数目，L_c为广播消息长度，PU工作，且不合作时，SU成功传输的概率为P_c＝(1-ε)(1-λ)。

情况2：PU正在工作，非合作，且SU采用网络编码；

该情况时间主要分为三部分，第一部分为需要传输数据的SU广播所需时间T_ns，(广播信息，可认为为无损信道)即T_ns＝T_o；第二部分为进行网络编码的SU之间状态信息广播所需时间

第三部分为数据包传输时间为

编码分组数据包理想状态下传输时间为

L_h为进行网络编码后的数据包所增加的头部信息。

总传输时间为

情况3：PU工作，且与SU合作；

该情况由三部分组成，第一部分为PU与需要传输数据的SU广播所需时间T_cs，但PU使用主信道进行广播，而要发送数据的SU数目m不少于1，才有意义，因此其广播时间为SU的广播时间，即T_cs＝T_o；第二部分为进行网络编码的SU之间信息广播所需时间T_cb，即T_cb＝T_nb；第三部分为数据包传输时间为

SU成功传输的概率为P_l＝1-ε

总传输时间为

情况4：SU租用信道，PU空闲；

该情况由三部分组成，第一部分为需要传输数据的SU广播所需时间为

SU可以使用主信道，SU除了普通广播外，还可以通过主用户信道进行广播；第二部分为进行网络编码的SU之间信息广播所需时间T_sb，即T_sb＝T_nb，第三部分为数据包传输时间为

总传输时间为

。

3.根据权利要求1所述的一种多用户认知无线电网络中的混合网络编码方案，其特征在于，计算吞吐量的过程如下：

数据的吞吐量是单位时间内成功传输的数据量，单位时间的吞吐量的计算公式如下：

avg(T)为平均时延，即总传输时间除以所发送的数据包。