CN112867014B - 一种基于频谱地图数据分发的信道状态检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于频谱地图数据分发的信道状态检测方法，包括：获取感知节点上传的感知信息，构建频谱地图数据；获取各个频段对应的频谱数据，对频谱数据进行量化以及改变分辨率操作，得到各个频段下的频谱地图网格点；获取认知用户端发送的频谱数据请求，根据认知用户端的位置信息，将在频谱地图数据中认知用户端预设半径内的频谱地图网格点发送至认知用户端；接收认知用户端根据频谱地图网格点采用协作频谱感知进行频谱判决得到的判决结果；根据判决结果、进行通信的认知用户对之间的距离以及认知用户端的通讯半径，生成可用信道矩阵；分别采用固定量化比特数和固定分辨率，对所述可用信道矩阵进行搜索，得到最优信道。

Description

一种基于频谱地图数据分发的信道状态检测方法

技术领域

本发明属于无线通信网络领域，具体涉及认知无线网络中一种基于频谱地图数据分发的信道状态检测方法。

背景技术

在认知无线网络中，认知用户接收到的频谱相关数据量对其认知能力的实现至关重要。尤其是在真实频谱环境中，认知能力的大小与感知节点的数量息息相关，在实际使用中，如果只部署少量的感知节点，由于隐藏节点、遮蔽物等因素的存在，可能会出现认知用户感知精确度不高等特点；而密集部署感知节点，成本高昂，提高了系统运行开销。

频谱地图作为一个包含了时、空、频等多维信息的可视化频谱数据矩阵，频谱地图通过各种空间插值技术，对环境内有限的感知节点(或者其他具有感知能力的设备)的感知结果进行空间缺值估计。无论认知用户是否具有感知能力，通过向认知用户分发一定范围内的频谱地图相关数据，有利于提高系统的信道状态检测能力。

在一般场景下获得频谱数据，进行频谱感知时使用单点频谱感知容易受到隐藏节点、遮蔽物等因素的影响，感知结果不够准确。而且在频谱地图的使用过程中，频谱地图的分发数据量，即，频谱地图网格点量化比特数以及频谱地图网格点步长(分辨率)都会影响认知用户对频谱环境的理解程度。频谱地图网格点量化比特的降低以及频谱地图分辨率的降低，将会使认知用户接收到的通信半径内的频谱感知数据量降低，降低了传输开销，但是认知数据量过低将会影响认知用户对环境的理解能力，可能会造成信道判决有误而盲目进行通信影响授权用户正常的通信质量或者是误以为主用户正在通信而浪费频谱资源；反之，当传输的频谱地图相关数据量过大时，对环境的描述能力传输开销过大，降低业务数据流量，进而影响系统性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术存在的技术问题如何最小化频谱地图分发过程中的开销，即，最小化频谱地图网格点量化比特数以及频谱地图分辨率的同时，最大化用户业务吞吐量。通过最小化分发频谱地图开销，在降低认知用户实现认知能力的成本的同时，尽可能最大化系统性能，提高系统的认知能力。

本发明的技术方案是：一种基于频谱地图数据分发的信道状态检测方法，所述方法包括：

获取感知节点上传的感知信息，根据所述感知信息构建频谱地图数据；

获取各个频段下所述频谱地图数据对应的频谱数据，对所述频谱数据进行量化以及改变分辨率操作，得到各个频段下的频谱地图网格点；

获取认知用户端发送的频谱数据请求，根据认知用户端的位置信息，将在频谱地图数据中所述认知用户端预设半径内的频谱地图网格点发送至认知用户端；

接收认知用户端根据所述频谱地图网格点采用协作频谱感知进行频谱判决得到的判决结果；

根据所述判决结果、进行通信的认知用户对之间的距离以及认知用户端的通讯半径，生成可用信道矩阵；

分别采用固定量化比特数和固定分辨率，对所述可用信道矩阵进行搜索，得到最优信道。

进一步的，接收认知用户端根据所述频谱地图网格点采用协作频谱感知进行频谱判决得到的判决结果，包括：

所述判决结果为可用或者不可用。

进一步的，根据所述判决结果、采用协作频谱感知的认知用户端的距离以及认知用户端的通讯半径，生成可用信道矩阵，包括：

所述可用信道矩阵的元素包括1和0；

当两个认知用户对同一信道的判决结果为可用并且二者在对方的通信半径范围内时，所述信道在可用信道矩阵中对应的元素为1，否则为0。

进一步的，根据所述判决结果、进行通信的认知用户对之间的距离以及认知用户端的通讯半径，生成可用信道矩阵，包括：

所述可用信道矩阵的横坐标和纵坐标均代表认知用户索引。

进一步的，分别采用固定分辨率和固定量化比特数，对所述可用信道矩阵进行搜索，得到最优信道，包括：

固定频谱地图的分辨率，对可用信道矩阵采用穷搜索算法进行搜索，得到最佳用户业务吞吐量下的信道分配结果下的量化比特数。

固定频谱地图网格点量化比特数，对可用信道矩阵采用穷搜索算法进行搜索，得到最佳用户业务吞吐量下的信道分配结果下的频谱地图的分辨率；

进一步的，获取感知节点上传的感知信息，包括：

所述感知节点采用能量检测法顺序地感知每个时隙下的每个信道，获得感知信息。

进一步的，获取各个频段下所述频谱地图数据对应的频谱数据，包括

通过空间插值算法获得各个频段下所述频谱地图数据对应的频谱数据。

本发明还提供了一种基于频谱地图数据分发的信道状态检测装置，包括：

数据获取模块，用于获取感知节点上传的感知信息，根据所述感知信息构建频谱地图数据；

数据处理模块，用于获取各个频段下所述频谱地图数据对应的频谱数据，对所述频谱数据进行量化以及改变分辨率操作，得到各个频段下的频谱地图网格点；

数据分发模块，用于获取认知用户端发送的频谱数据请求，根据认知用户端的位置信息，将在频谱地图数据中所述认知用户端预设半径内的频谱地图网格点发送至认知用户端；

数据接收模块，用于接收认知用户端根据所述频谱地图网格点采用协作频谱感知进行频谱判决得到的判决结果；

可用信道矩阵生成模块，用于根据所述判决结果、进行通信的认知用户对之间的距离以及认知用户端的通讯半径，生成可用信道矩阵；

输出模块，用于分别采用固定量化比特数和固定分辨率，对所述可用信道矩阵进行搜索，得到最优信道。

本发明具有以下有益效果：

本发明提出一种基于频谱地图分发的信道状态检测方法，所设计的算法根据图论的思想，通过降低频谱地图分发过程中的频谱地图网格点量化比特以及频谱地图分辨率，最小化分发过程中的分发开销的同时，最大化用户业务吞吐量，解决了在利用频谱地图做信道状态检测时的分发数据量取值问题。本发明使用协作频谱感知，在传统的单点频谱感知内引入空进分集效应，利用认知用户在一定范围内的感知数据，降低阴影衰落等因素的影响，从而提高了信道状态检测能力。本发明中使用了频谱地图中认知用户通信半径内的感知数据进行相关频谱判决，降低了隐藏节点、遮蔽物等因素的影响，可有效提高信道状态的感知精度。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1本发明提供的一种基于频谱地图数据分发的信道状态检测方法的流程图；

图2频谱地图网格点量化比特数为2bit时频谱地图的变化；

图3频谱地图网格点量化比特数为4bit时频谱地图的变化；

图4频谱地图网格点量化比特数为6bit时频谱地图的变化；

图5频谱地图网格点量化比特数为8bit时频谱地图的变化；

图6频谱地图网格点步长为5m时频谱地图的变化；

图7频谱地图网格点步长为25m时频谱地图的变化；

图8频谱地图网格点步长为50m时频谱地图的变化；

图9频谱地图网格点步长为100m时频谱地图的变化；

图10频谱地图网格点量化比特数的不同对用户业务吞吐量的影响；

图11频谱地图网格点步长的不同对用户业务吞吐量的影响。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1所示，本发明提供了一种基于频谱地图数据分发的信道状态检测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤101、获取感知节点上传的感知信息，依据环境特点，选择合适的空间插值方法，根据所述感知信息构建频谱地图数据；

步骤102、获取各个频段下所述频谱地图数据对应的频谱数据，对所述频谱数据进行量化以及改变分辨率操作，得到各个频段下的频谱地图网格点；

步骤103、获取认知用户端发送的频谱数据请求，根据认知用户端的位置信息，将在频谱地图数据中所述认知用户端预设半径内的频谱地图网格点发送至认知用户端；

步骤104、接收认知用户端根据所述频谱地图网格点采用协作频谱感知进行频谱判决得到的判决结果；

步骤105、根据所述判决结果、进行通信的认知用户对之间的距离以及认知用户端的通讯半径，生成可用信道矩阵；

步骤106、分别采用固定量化比特数和固定分辨率，对所述可用信道矩阵进行搜索，得到最优信道。

本发明提出一种基于频谱地图分发的信道状态检测方法，通过感知节点向云服务器上传感知信息，云服务器采用空间插值方法，基于上传的频谱数据，构建频谱地图。认知用户向云服务器请求相应频段下的频谱数据。云服务器将认知用户通信半径内的频谱地图网格点发送至认知用户，认知用户通过相应数据进行协作频谱感知以判决信道并将信道判决结果发送至云服务器，云服务器基于图论思想，通过判决结果以及用户之间的距离关系(是否在通信半径内)，生成可用信道矩阵，对可用信道矩阵进行穷搜索算法，对不同频谱地图量化比特以及分辨率下生成的结果进行比较，以得到最佳信道分配结果。解决过程中将优化问题分为两个子问题，即，分别在固定频谱地图网格步长的前提下，得到分发过程中最佳的频谱地图网格点量化比特，再通过固定频谱地图网格点量化比特获得最佳频谱地图网格步长。

在一个实施例中，接收认知用户端根据所述频谱地图网格点采用协作频谱感知进行频谱判决得到的判决结果，包括：

所述判决结果为可用或者不可用。

在一个实施例中，根据所述判决结果、进行通信之间的认知用户对之间的距离以及认知用户端的通讯半径，生成可用信道矩阵，包括：

所述可用信道矩阵的元素包括1和0；

当两个认知用户对同一信道的判决结果为可用并且二者在对方的通信半径范围内时，所述信道在可用信道矩阵中对应的元素为1，否则为0。

其中，两个在彼此的通信半径内的不同用户为相关用户，1表示两个相关用户可以通过这个信道进行通信，0表示两个相关用户不能通过这个信道进行通信。

所述可用信道矩阵的横坐标和纵坐标均代表认知用户索引。

在一个实施例中，分别采用固定量化比特数和固定分辨率，对所述可用信道矩阵进行搜索，得到最优信道，包括：

固定频谱地图的分辨率，对可用信道矩阵采用穷搜索算法进行搜索，得到最佳用户业务吞吐量下的信道分配结果下的量化比特数；

固定频谱地图网格点量化比特数，对可用信道矩阵采用穷搜索算法进行搜索，得到最佳用户业务吞吐量下的信道分配结果下的频谱地图的分辨率。

进一步的，获取感知节点上传的感知信息，包括：

所述感知节点采用能量检测法顺序地感知每个时隙下的每个信道，获得感知信息。

进一步的，获取各个频段下所述频谱地图数据对应的频谱数据，包括

通过空间插值算法获得各个频段下所述频谱地图数据对应的频谱数据。

本发明还提供了一种基于频谱地图数据分发的信道状态检测装置，包括：

数据获取模块，用于获取感知节点上传的感知信息，根据所述感知信息构建频谱地图数据；

数据处理模块，用于获取各个频段下所述频谱地图数据对应的频谱数据，对所述频谱数据进行量化以及改变分辨率操作，得到各个频段下的频谱地图网格点；

数据分发模块，用于获取认知用户端发送的频谱数据请求，根据认知用户端的位置信息，将在频谱地图数据中所述认知用户端预设半径内的频谱地图网格点发送至认知用户端；

数据接收模块，用于接收认知用户端根据所述频谱地图网格点采用协作频谱感知进行频谱判决得到的判决结果；

可用信道矩阵生成模块，用于根据所述判决结果、进行通信的认知用户对之间的距离以及认知用户端的通讯半径，生成可用信道矩阵；

输出模块，用于分别采用固定量化比特数和固定分辨率，对所述可用信道矩阵进行搜索，得到最优信道。

以下结合具体实施例对本发明进行详细的解释和说明。

图2-5显示不同量化比特对频谱地图数据的影响。其中，图2为频谱地图网格点量化比特数为2bit时频谱地图的变化；图3为频谱地图网格点量化比特数为4bit时频谱地图的变化；图4为频谱地图网格点量化比特数为6bit时频谱地图的变化；图5为频谱地图网格点量化比特数为8bit时频谱地图的变化。从图2-5可以看出，当量化比特数越低，频谱地图网格点数据之间差异越大，对频谱环境的描述越粗略，但是此时会降低传输的开销。图6-9表示不同频谱地图分辨率对频谱地图数据量的影响。其中，图6为频谱地图网格点步长为5m时频谱地图的变化；图7为频谱地图网格点步长为25m时频谱地图的变化；图8为频谱地图网格点步长为50m时频谱地图的变化；图9为频谱地图网格点步长为100m时频谱地图的变化。从图6-9可以看出，当频谱地图分辨率越低，即，频谱地图网格步长越大，当认知用户通讯半径一定时，通讯半径内的网格信息点数越少，虽然降低了传输开销，但同时会降低认知用户对环境的理解能力。

图10是不同频谱地图网格点量化比特数下用户业务吞吐量的比较。图中曲线“AND”表示协作频谱感知中的硬判决“AND”方法，硬判决“AND”表示当参与协作的所有用户(数据)表示主用户存在时，总判决结果认为主用户存在，不可通信。本实施例中以此协作频谱感知方法为例。本实施例中，感知节点的数目为20个。固定认知用户通信半径为100m，频谱地图分辨率为20m，根据运行结果可以得出，当频谱地图网格点量化比特为3或4bit时，用户业务吞吐量达到最优，量化比特的提高几乎不会带来系统性能的增加。

图11是不同频谱地图网格点步长对用户业务吞吐量的影响。本实施例中，固定认知用户通信半径为100m，频谱地图网格点量化比特为4bit，硬判决“AND”曲线所得的用户业务吞吐量保持先上升后几乎保持不变的趋势。图中曲线说明随着频谱地图分辨率的降低，用户业务吞吐量不会一直处于上升的状态。这主要是由于在认知网络中，频谱地图分辨率越低，虽然传输的认知用户通信半径内的频谱地图网格点数量变少，传输开销降低，但是这也降低了认知用户频谱感知能力。由实施例可以看出，当频谱地图网格点步长为20、25m时，可以实现在最小化分发开销的同时，最大化用户业务吞吐量。

以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (8)

1.一种基于频谱地图数据分发的信道状态检测方法，其特征在于，所述方法包括：

获取感知节点上传的感知信息，根据所述感知信息构建频谱地图数据；

获取各个频段下所述频谱地图数据对应的频谱数据，对所述频谱数据进行量化以及改变分辨率操作，得到各个频段下的频谱地图网格点；

获取认知用户端发送的频谱数据请求，根据认知用户端的位置信息，将在频谱地图数据中所述认知用户端预设半径内的频谱地图网格点发送至认知用户端；

接收认知用户端根据所述频谱地图网格点采用协作频谱感知进行频谱判决得到的判决结果；

根据所述判决结果、进行通信的认知用户对之间的距离以及认知用户端的通讯半径，生成可用信道矩阵；

分别采用固定量化比特数和固定分辨率，对所述可用信道矩阵进行搜索，得到最优信道。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接收认知用户端根据所述频谱地图网格点采用协作频谱感知进行频谱判决得到的判决结果，包括：

所述判决结果为可用或者不可用。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述判决结果、进行通信的认知用户对之间的距离以及认知用户端的通讯半径，生成可用信道矩阵，包括：

所述可用信道矩阵的元素包括1和0；

当两个认知用户对同一信道的判决结果为可用并且二者在对方的通信半径范围内时，所述信道在可用信道矩阵中对应的元素为1，否则为0。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述判决结果、进行通信的认知用户对之间的距离以及认知用户端的通讯半径，生成可用信道矩阵，包括：

所述可用信道矩阵的横坐标和纵坐标均代表认知用户索引。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分别采用固定量化比特数和固定分辨率，对所述可用信道矩阵进行搜索，得到最优信道，包括：

固定频谱地图的分辨率，对可用信道矩阵采用穷搜索算法进行搜索，得到最佳用户业务吞吐量下的信道分配结果下的量化比特数；

固定频谱地图网格点量化比特数，对可用信道矩阵采用穷搜索算法进行搜索，得到最佳用户业务吞吐量下的信道分配结果下的频谱地图的分辨率。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取感知节点上传的感知信息，包括：

所述感知节点采用能量检测法顺序地感知每个时隙下的每个信道，获得感知信息。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取各个频段下所述频谱地图数据对应的频谱数据，包括

通过空间插值算法获得各个频段下所述频谱地图数据对应的频谱数据。

8.一种基于频谱地图数据分发的信道状态检测装置，其特征在于，包括：

数据获取模块，用于获取感知节点上传的感知信息，根据所述感知信息构建频谱地图数据；

数据处理模块，用于获取各个频段下所述频谱地图数据对应的频谱数据，对所述频谱数据进行量化以及改变分辨率以及空间插值操作，得到各个频段下的频谱地图网格点；

数据分发模块，用于获取认知用户端发送的频谱数据请求，根据认知用户端的位置信息，将在频谱地图数据中所述认知用户端预设半径内的频谱地图网格点发送至认知用户端；

数据接收模块，用于接收认知用户端根据所述频谱地图网格点采用协作频谱感知进行频谱判决得到的判决结果；

可用信道矩阵生成模块，用于根据所述判决结果、进行通信的认知用户对之间的距离以及认知用户端的通讯半径，生成可用信道矩阵；

输出模块，用于分别采用固定量化比特数和固定分辨率，对所述可用信道矩阵进行搜索，得到最优信道。

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