CN1882158A - 认知无线电中一种混合网络结构的实现方法 - Google Patents

Abstract

认知无线电中一种混合网络结构的实现方法，属于无线通信技术领域，特别涉及认知无线电(Cognitive Radio)系统的频谱使用方式，以及对认知无线电混合网络结构的物理传输媒介的实现。包括根据干扰温度模型计算该时刻接收机允许的最大接收功率、计算发射端的实际发射功率、计算两类有效频谱的集合、实现混合结构下的点到多点(PMP)和网状(Mesh)拓扑等步骤。本发明提出的分级频谱共享方法实现了同时支持点到多点(PMP)拓扑以及网状(Mesh)拓扑的混合结构，并拓展了可用频谱集合，增加了系统的容量，扩大了小区覆盖范围，能提供更健壮和更灵活的通信。

Description

认知无线电中一种混合网络结构的实现方法

技术领域

认知无线电中一种混合网络结构的实现方法，属于无线通信技术领域，特别涉及认知无线电(Cognitive Radio)系统的频谱使用方式，以及对认知无线电混合网络结构的物理传输媒介的实现。

背景技术

认知无线电系统是一个智能无线通信系统，它能够感知、学习周围环境，调整自己通信的参数(如调制方式，通信频段等)来适应周围的环境变化。目前认知无线电主要用来解决无线通信中频谱资源的紧缺问题。利用认知无线电的智能感知能力，未授权(unlicensed)用户可以在授权(licensed)用户未使用licensed频谱资源时，在不对授权用户造成干扰的情况下，使用原来分配给授权用户的频谱资源。以下提及的认知无线电(CR)用户，如未特别声明，均指未授权用户。

为了衡量和管理未授权的认知无线电系统对授权系统的干扰，美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)提出了干扰温度模型(interference temperaturemodel)，如图1所示。只要共享授权的频谱时，CR系统引入的干扰不超过干扰温度限(interference temperature limit)，那么CR系统对该频谱的使用是允许的。FCC给出了干扰温度的定义：

$T_I=\frac{P_I}{\mathrm{kB}}---\left(1\right)$

式中，T_I是接收机射频感知的干扰温度，单位是开尔文度(Kelvin degree)，P_I是干扰功率，B是带宽，k是波兹曼(Boltzmnn)常数，等于1.38×10^-23焦耳/开尔文度。当带宽趋于无穷小时可以得到干扰温度对频率的函数。实际上干扰温度乘上波兹曼常数就是干扰功率谱密度，在某个频带m上的干扰功率可以由下式得到：

$P_{I,m}=\underset{\mathrm{Bm}}{\∫}k{T}_I\left(f\right)\mathrm{df}---\left(2\right)$

同理，干扰功率限制可以通过干扰温度限T_L来计算，在某个频带m上的干扰功率限P_L，m可以由下式得到：

$P_{L,m}=\underset{\mathrm{Bm}}{\∫}k{T}_L\left(f\right)\mathrm{df}---\left(3\right)$

关于干扰温度的其他说明详见Federal Communications Commission，“Establishment ofinterference temperature metric to quantify and manage interference and to expand availableunlicensed operation in certain fixed mobile and satellite frequency bands，”ET Docket 03-289，Notice of Inquiry and Proposed Rulemaking，2003。

现在人们正在推动认知无线电(CR)技术在大区覆盖的集中控制式网络中的应用，比如IEEE 802.22正在制定的WRAN(Wireless Regional Area Network)标准。在大区域覆盖的集中控制式的认知无线电网络中，采用点到多点的星状拓扑结构，非授权的CR服务接入点(Cognitive Radio Service Access Point，CR-SAP)的通信都必须通过CR基站(CR-BS)控制和转发。这种结构存在以下一些缺点：第一，由于覆盖范围大，覆盖小区边缘的CR-SAP和CR-BS距离较远，所要发射的功率水平也要求比较高，这使得其更容易超过干扰温度限制，于是可用于CR-SAP和CR-BS直接通信的频带数量较少。第二，由于覆盖区域的广阔，在CR-BS的覆盖区域内可能出现某些与授权系统相交叠的区域，当授权系统通信时，这些区域将变成CR系统的通信盲区，并且由于CR系统无法预知授权系统的出现的时间和地点，通信盲区的出现将呈现随机性和多变性，从而使得CR小区的覆盖范围变得多变和不规则，小区内的通信的连续性可能遭到破坏。现在点到多点的结构下的认知无线电系统采用共享多个授权频段的方式来解决这个问题，当一个频段被授权用户使用时，切换到其他未被授权用户使用的频段；并且可以进一步采用定向天线来提高频谱的空间利用率和维持小区通信的连续性。但是这并不能完全解决通信盲区的问题。假设CR系统可以共享两个授权频段(F1和F2)，使用这两个频段的两个授权系统的覆盖如图2所示，则在不改变发射功率的前提下，即使采用定向天线，也只能覆盖区域D1，对于区域D2则变为通信盲区(图2中阴影扇区部分)。第三，点到多点的大区域覆盖网络由于长距离传输导致传输速率受限，不能满足高速率业务传输的要求，而实际上并不是所有业务都一定要CR-BS接入转发，如覆盖区内的本地业务就没这个必要。

无线网状网(Wireless MeshNetwork，WMN)是移动Ad Hoc网络的一种特殊形态，它的早期研究均源于移动Ad Hoc网络的研究与开发。在WMN中，终端用户/设备(Client)兼备主机和路由器两种角色。一方面，节点作为主机运行相关的应用程序；另一方面，节点作为路由器需要运行相关的路由协议，参与路由发现、路由维护等常见的路由操作。WMN有2种典型的实现模式：终端用户mesh模式(client meshing)和基础设施mesh模式(infrastructuremeshing)。第一种模式是典型的Ad Hoc网络，第二种模式可以与多种现有的网络结合，比如现在的Wi-Fi无线局域网，WiMax和无线城域网。

发明内容

本发明的目的是提供一种认知无线电中同时支持点到多点(PMP)拓扑以及网状(Mesh)拓扑的混合结构的实现方法——基于分级频谱共享(hierarchical spectrum sharing，HSS)实现方法。分级频谱共享是把非授权用户该时段可用的有效频谱集合分成两类，第一类(TYPEI)是用于CR-SAP和CR-BS的直接通信，第二类(TYPE II)是用于CR-SAP间的直接通信。采用本发明方法实现的免执照的认知无线电系统，可以结合认知无线电技术和网状网的优势，实现非授权用户在授权频谱上的单跳以及多跳通信，在改善小区覆盖的同时大大增加通信系统的容量并提供更灵活的通信方式。

本发明技术方案为：

认知无线电中一种混合网络结构的实现方法，由以下几个步骤组成：

步骤1：根据干扰温度模型获得该时刻接收机允许的最大接收功率。

考虑一个免执照认知无线电系统的小区，由N个CR-SAP(下标范围从1到N)和一个CR-BS(以下标0表示)组成，射频RF端可以支持的频谱划分为M个频带，下标范围从1到M。由干扰温度模型我们可以得到接收端功率限制集合

P_L＝{pl_s，k，m，0≤s，k≤N，1≤m≤M}_{(N+1)×(N+1)×M}       (4)

其中

${\mathrm{pl}}_{s,k,m}=\underset{\mathrm{Bm}}{\∫}(k\·T_{L,k}\left(f\right)-k\·T_{I,k}\left(f\right)-N_k\left(f\right))\mathrm{df},$

pl_s，k，m＝0，if  k＝s

T_L，k(f)、T_I，k(f)、和N_k(f)分别是接收端k干扰温度限和感知到的干扰温度以及背景噪声谱密度。pl_s，k，m表示发射端s在频带m传输信号给接收端k时，接收端k的接收功率限制。

步骤2：计算发射端的实际发射功率集合。

定义传输函数集合为

    H＝{h_s，k，m，0≤s，k≤N，1≤m≤M}_{(N+1)×(N+1)(N+1)×M}           (5)

其中，h_s，k，m＝0，if  k＝s

h_s，k，m，表示发射端s到接收端k在频谱m上的信道状况，|h_s，k，m|²则表示功率的衰减因子。则在发射端s允许发射的功率限制为 α_k为可调整系数，用于留取一定的功率冗余度，取值范围为(0，1]，这是为了更可靠的保证非授权用户对授权用户的干扰在授权用户可以承受的范围内。α_k的取值与对干扰温度的估计的精确性有关。

假设发射端s在频带m的最大发射功率为p_Max，s，m，则发射端s在频带m的实际发射功率为

$p_{s,m}=\mathrm{Min}\{p_{\mathrm{Max},s,m},{\mathrm{\α}}_0\·\frac{{\mathrm{pl}}_{s,0,m}}{{\left|h_{s,0,m}\right|}^2},\·\·\·,{\mathrm{\α}}_k\·\frac{{\mathrm{pl}}_{s,k,m}}{{\left|h_{s,k,m}\right|}^2},\·\·\·,{\mathrm{\α}}_N\·\frac{{\mathrm{pl}}_{s,N,m}}{{\left|h_{s,N,m}\right|}^2}\}---\left(6\right)$

步骤3：计算两类有效频谱的集合定义环境噪声集合为

   N_R＝{n_s，k，m，0≤s，k≤N，1≤m≤M}_{(N+1)×(N+1)×M}    (7)

其中

                    n_s，k，m＝0，if  k＝s

n_s，k，m，表示发射端s在频段m发送信号给接收端k时，收端k的环境噪声大小定义可靠传输要求的最小信噪比集合为

SNR_MIN＝{r_s，k，m，0≤s，k≤N，1≤m≤M}_{(N+1)×(N+1)×M}    (8)

其中

                    r_s，k，m＝0，if k＝s

r_s，k，m表示发射端s在频段m发送信号给接收端k时，接收端k能可靠接收信号的信噪比。定义有效频谱集合为

      V＝{v_s，k，m，0≤s，k≤N，1≤m≤M}_{(N+1)×(N+1)×M}    (9)

其中

                    v_s，k，m＝0，if k＝s

于是，根据干扰温度模型和可靠传输的要求，可以通过比较能达到的信噪比和可靠接收信号的最小信噪比r_s，k，m，来判断频带m是否可以用来传输发射端s到接收端k之间的数据。

$v_{s,k,m}=0,\mathrm{if}\frac{p_{s,m}{\left|h_{s,k,m}\right|}^2}{n_{s,k,m}}<r_{s,k,m}---\left(10\right)$

$\mathrm{else}{v}_{s,k,m}=\frac{p_{s,m}{\left|h_{s,k,m}\right|}^2}{n_{s,k,m}}$

v_s，k，m＝0表示发射端s不允许在频带m传输信号给接收端k，v_s，k，m≠0表示频带m可以用于发端s和收端k的通信，即频带m对发射端s和接收端k的通信来说是有效的，并且v_s，k，m还表征了s和k之间的信道质量。由此，可以得到两类频带的可用信息，以矩阵形式表示为：

V₀＝{v_0，k，m，1≤k≤N，1≤m≤M}_N×M，V₀′＝{v_k，0，m，1≤k≤N，1≤m≤M}_N×M    (11)

V_s＝{v_s，k，m，1≤k≤N，1≤m≤M}_N×M，s＝1…N

通过频谱有效性分析，可以得出两类可用的频带。在有效频谱集合中，矩阵V₀，V₀′表征了用于CR-BS和CR-SAP之间通信的TYPE I频带的可用信息(其中V₀表示用于下行频谱信息，V₀′表示用于上行的频谱信息)，矩阵V₁，…V_s…V_N表征了用于CR-SAP之间直接通信的TYPE II频带的可用信息。

步骤4实现混合结构下的PMP和Mesh拓扑

设认知无线电系统中，网络划分为一个或者多个小区(cell)，每个小区由一个CR-BS和多个CR-SAP组成。CR-BS作为小区的中心控制器和小区外通信的转发与接入点。CR-SAP可以用TYPE I频带与CR-BS直接通信，用TYPE II频带与同一个小区内的“邻居”直接通信。定义如果v_s，k，m≠0(1≤s，k≤N)，则CR-SAPk是CR-SAPs可以以频带m相连的邻居(Neighbor)。

1.PMP拓扑的实现

通过步骤3得到矩阵V₀，V₀′表征的TYPE I频带的可用信息，CR-SAP直接通过TYPE I频带与CR-BS进行连接，CR-BS通过TYPE I频带与CR-SAP进行点到多点的通信，如附图3-d所示。

2.Mesh拓扑的实现

通过步骤3得到矩阵V₁，…V_s…V_N表征的TYPE II频带的可用信息，CR-SAP与其邻居之间通过TYPE II频带实现点到点直接连接。根据是否多跳以及是否接入CR-BS分为3种情况：

①CR-SAP与其邻居间点到点的单跳通信，如图3-a所示

②CR-SAP间的多跳方式，不经过CR-BS。这是前面背景中介绍的WMN实现的第一种模式——终端用户mesh模式，是一种典型的Ad-hoc方式，小区内的所有CR-SAP都具有路由功能，可以作为中继，如图3-b所示。

③CR-SAP通过多跳连接到CR-BS，再通过CR-BS转发或接入，如图3-c所示。这是前面背景中介绍的WMN实现的第二种模式——基础设施mesh模式。在这种模式下，小区内的所有CR-SAP均可能作为路由器，CR-SAP间用TYPE II频带互连。源节点(sourcenode，SN)持续地搜索路由直至路由的最后一个CR-SAP可以和CR-BS用TYPE I频带直接通信。

通过以上步骤，就可以实现认知无线电系统中同时支持PMP和Mesh拓扑的混合网络结构，如图4所示。

本发明的核心创新是将无线网状网的结构引入认知无线电系统中，从而构成一种混合的同时支持PMP和Mesh拓扑的网络结构，并提供一种基于分级频谱共享的实现方法。具体思想是：非授权用户通过认知无线电技术智能地感知周围的环境，根据干扰温度模型和可靠传输的要求，计算出不对授权用户产生不可忍受的干扰的可用频谱资源，并对有效频谱集合进行分类，第一类(TYPE I)是用于CR-SAP和CR-BS的直接通信，第二类(TYPE II)是用于CR-SAP间的直接通信。通过引入可以在较低功率水平下共享频谱资源的TYPE II频带，为网状结构的CR-SAP间的直接通信以及多跳通信提供了物理手段。

本发明的有益效果是：

1、采用本发明方法实现的混合结构的认知无线电系统与PMP结构的集中式控制的大区域覆盖系统相比，引入了可以在较低功率水平下共享频谱资源的TYPE II频带，增加了可用频谱的数量，拓展了可用频谱集合，增加了系统的容量。在大区域覆盖的集中控制式的认知无线电网络中，用户终端的通信都必须通过CR-BS控制和转发，而且由于覆盖范围大，CR-SAP和CR-BS距离较远，所要发射的功率水平也要求比较高，而大功率更容易超过干扰温度限制，于是可用于CR-SAP和CR-BS的直接通信的频带数量较少。但是不能用于CR-SAP和CR-BS的直接通信的频谱不一定不能用于低功率的频率复用。当相邻CR-SAP间的位置比较近，两者间可以以低功率进行通信而不对授权用户造成不可忍受的干扰时，低功率复用是可行的。

2、采用本发明方法实现的混合结构的认知无线电系统还可以扩大小区的覆盖范围。利用认知无线电技术的非授权用户，对授权频谱的使用严格受到授权用户使用授权频谱的情况的限制。采用类似蜂窝小区的网络结构，必须在使用某授权频谱的时段内保证在小区内没有授权用户使用该频谱。由于授权用户使用频谱的随机性和时变性，免执照的认知无线电系统的小区覆盖范围也可能呈现随机化和时变化。采用第二类频谱的低功率频谱共享的方法以及网状网多跳的方式，可以扩大小区覆盖范围以及尽可能的避免授权用户重新占用频谱对覆盖范围造成的剧烈变化。如图5所示，在授权系统LS正在工作时，采用PMP结构认知无线电小区覆盖范围只能达到C3，小区的CR-BS将不能和用户SAP1直接通信，而采用本发明实现的混合结构的认知无线电系统，小区的CR-BS通过多跳的方式和SAP1通信，使通信路径绕开了授权系统LS，既避免了对授权系统LS的干扰，又扩大了覆盖范围。图5还表示了另外一层含义，就是原来免执照认知无线电小区的覆盖范围是C4，但是在某个时段授权系统LS重新占用频谱时，PMP结构下的小区为了避免对LS的干扰必须把覆盖范围收缩到C3。即使采用定向天线，在LS一侧的扇形覆盖区域，比如用户SAP1，仍然会变为通信盲区。而且由于授权用户使用频谱的随机性和时变性，盲区的出现可能不规则，这会导致小区覆盖范围的不稳定。采用本发明实现的多跳的方式则可避免这种通信盲区的出现。

2、在本发明实现的混合结构的认知无线电系统中，同时支持PMP和Mesh结构，从而提供更为灵活的通信方式，一个CR-SAP可以用多种方式进行通信连接，当一条连接无效时(比如在该连接的路径上有授权系统重新开始工作)，还有其他连接方式可以维持原有通信，从而使得网络通信更具有健壮性。而且，还可以根据业务的要求和特性选择不同的通信方式，从而在保证服务质量的前提下提高系统的频谱利用率。

附图说明

图1是认知无线电的干扰温度模型示意图。

最底层点状阴影部分是背景噪声谱密度，中间一层斜线阴影部分是现有的对授权用户的干扰功率谱密度，最上面的阶梯状的直线是干扰温度限导出来的干扰功率限制。1-13表示频带。T_I是接收机射频感知的干扰温度，T_L是干扰温度限，N是背景噪声谱密度。

图2是PMP结构下一种通信盲区的示意图。

图中认知无线电系统可以共享授权系统的F1和F2频段，C1和C2分别是使用F1和F2频段的授权系统的覆盖范围，C0是认知无线电系统的覆盖范围，D2的阴影扇区区域是当两个授权系统均正在工作状态时，认知无线电系统的通信盲区，D1为此时采用定向天线可以通信的区域。

图3是本发明的认知无线电混合网络结构的PMP和Mesh拓扑基于分级频谱共享实现的示意图。

图中子图a-c分别表示了点到点的Mesh拓扑的3种情况，子图d是PMP结构的实现的示意图。SAP1-SAP7是认知无线电服务接入点，CR-BS1和CR-BS2是认知无线电系统的基站，B6和B7是第一类频谱资源，B1-B5是第二类频谱资源。

图4是本发明的认知无线电混合网络结构的一个小区的示意图，表征了PMP和Mesh拓扑以及其连接的实现方式。

图中20是认知无线网状网的基站(CR-BS)，21-31是认知无线电服务接入点(CR-SAP)，B11-B13是用于CR-SAP和CR-BS通信的第一类频谱资源(TYPE I)，B14-B18是用于CR-SAP间直接和多跳通信的第二类频谱资源(TYPE II)。

图5是本发明的混合结构的认知无线电系统的一个小区的覆盖示意图。

CR-BS是认知无线电的小区基站，SAP1-SAP4是认知无线电服务接入点，LS是授权系统，C3是PMP结构下认知无线电小区的覆盖范围，C4是本发明的混合结构下认知无线电系统小区的覆盖范围。

具体实施方式

本发明的认知无线电中同时支持PMP以及Mesh拓扑的混合结构采用分级频谱共享实现。考虑一个免执照认知无线电系统的小区，由N个CR-SAP(下标范围从1到N)和一个CR-BS(以下标0表示)组成，射频RF端可以支持的频谱划分为M个频带，下标范围从1到M。本发明提供的分级频谱共享的实现方法分为以下几个步骤：

步骤1：根据干扰温度模型获得该时刻接收机允许的最大接收功率。

     P_L＝{pl_s，k，m，0≤s，k≤N，1≤m≤M}_{(N+1)×(N+1)×M}

其中

${\mathrm{pl}}_{s,k,m}=\underset{\mathrm{Bm}}{\&Integral;}(k\&CenterDot;T_{L,k}\left(f\right)-k\&CenterDot;T_{I,k}\left(f\right)-N_k\left(f\right))\mathrm{df},$

T_L、k(f)、T_I，k(f)和N_k(f)分别是接收端k干扰温度限和感知到的干扰温度以及背景噪声谱密度。pl_s，k，m表示终端s在频带m传输信号给终端k时，k的接收功率限制。

步骤2：计算发射端的实际发射功率。

$p_{s,m}=\mathrm{Min}\{p_{\mathrm{Max},s,m},{\mathrm{\&alpha;}}_0\&CenterDot;\frac{{\mathrm{pl}}_{s,0,m}}{{\left|h_{s,0,m}\right|}^2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,{\mathrm{\&alpha;}}_k\&CenterDot;\frac{{\mathrm{pl}}_{s,k,m}}{{\left|h_{s,k,m}\right|}^2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,{\mathrm{\&alpha;}}_N\&CenterDot;\frac{{\mathrm{pl}}_{s,N,m}}{{\left|h_{s,N,m}\right|}^2}\}$

p_Max，s，m为发射端s在频带m的最大发射功率，

为由干扰温度模型导出的在发射端s允许发射的功率限制，h_s，k，m表示发射端s到接收端k在频谱m上的信道状况，|h_s，k，m|²表示功率的衰减因子，α_k为可调整系数，用于留取一定的功率冗余度，取值范围为(0，1]。

步骤3：计算两类有效频谱的集合

V₀＝{v_0，k，m，1≤k≤N，1≤m≤M}_N×M，V₀′＝{v_k，0，m，1≤k≤N，1≤m≤M}_N×M

V_s＝{v_s，k，m，1≤k≤N，1≤m≤M}_N×M，s＝1…N

矩阵V₀，V₀′表征了用于CR-BS和CR-SAP之间通信的TYPE I频带的可用信息(其中V₀表示用于下行频谱信息，V₀′表示用于上行的频谱信息)，矩阵V₁，…V_s…V_N表征了用于CR-SAP之间直接通信的TYPE II频带的可用信息。v_s，k，m≠0表示频带m可以用于发端s和收端k的通信。

$\mathrm{if}\frac{p_{s,m}{\left|h_{s,k,m}\right|}^2}{n_{s,k,m}}<r_{s,k,m}\mathrm{or\; s}=k,v_{s,k,m}=0$

$\mathrm{else}{v}_{s,k,m}=\frac{p_{s,m}{\left|h_{s,k,m}\right|}^2}{n_{s,k,m}}$

n_s，k，m和r_s，k，m分别表示发射端s在频段m发送信号给接收端k时，收端k的环境噪声大小和可靠接收信号的信噪比。

步骤4根据两类频谱集合实现混合结构下的PMP和Mesh拓扑

在本发明的混合网络结构的认知无线电系统中，网络划分为一个或者多个小区(cell)，每个小区由一个CR-BS和多个CR-SAP组成。CR-BS作为小区的中心控制器和小区外通信的转发与接入点。CR-SAP可以用TYPE I频带与CR-BS直接通信，用TYPE II频带与同一个小区内的“邻居”直接通信。

1.PMP拓扑的实现

通过步骤3得到矩阵V₀，V₀′表征的TYPE I频带的可用信息，CR-SAP直接通过TYPE I频带与CR-BS进行连接，如附图3-(d)所示。

2.Mesh拓扑的实现

通过步骤3得到矩阵V₁，…V_s…V_N表征的TYPE II频带的可用信息，CR-SAP与其邻居之间通过TYPE II频带实现点到点直接连接。根据是否多跳以及是否接入CR-BS分为3种情况：

①CR-SAP与其邻居间点到点的单跳通信，如图3-(a)所示

②CR-SAP间的多跳方式，不经过CR-BS。小区内的所有CR-SAP都具有路由功能，可以作为中继，如图3-(b)所示。

③CR-SAP通过多跳连接到CR-BS，再通过CR-BS转发或接入，如图3-(c)所示。在这种情况下，小区内的所有CR-SAP均可能作为路由器，CR-SAP间用TYPEII频带互连。源节点(source node，SN)持续地搜索路由直至路由的最后一个CR-SAP可以和CR-BS用TYPE I频带直接通信。

通过以上步骤，就可以实现认知无线电系统中同时支持PMP和Mesh拓扑的混合网络结构。

Claims (1)

1、认知无线电中一种混合网络结构的实现方法，假设一个认知无线电系统的小区中，有N个认知无线电服务接入点和一个认知无线电基站组成，射频RF端可以支持的频谱划分为M个频带，其特征是，由以下几个步骤组成：

步骤1：根据干扰温度模型获得该时刻接收机允许的最大接收功率

P_L＝{pl_s，k，m，0≤s，k≤N，1≤m≤M}_{(N+1)×(N+1)×M}

其中

${\mathrm{pl}}_{s,k,m}=\underset{\mathrm{Bm}}{\&Integral;}(k\&CenterDot;T_{L,k}\left(f\right)-k\&CenterDot;T_{l,k}\left(f\right)-N_k\left(f\right))\mathrm{df},{\mathrm{pl}}_{s,k,m}=0,\mathrm{if\; k}=s$

T_L，k(f)、T_L，k(f)和N_k(f)分别是接收端k干扰温度限和感知到的干扰温度以及背景噪声谱密度，pl_s，k，m表示终端s在频带m传输信号给终端k时，k的接收功率限制；

步骤2：计算发射端的实际发射功率

$p_{s,m}=\mathrm{Min}\{p_{\mathrm{Max},s,m},{\mathrm{\&alpha;}}_0\&CenterDot;\frac{{\mathrm{pl}}_{s,0,m}}{{\left|h_{s,0,m}\right|}^2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,{\mathrm{\&alpha;}}_k\&CenterDot;\frac{{\mathrm{pl}}_{s,k,m}}{{\left|h_{s,k,m}\right|}^2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,{\mathrm{\&alpha;}}_N\&CenterDot;\frac{{\mathrm{pl}}_{s,N,m}}{{\left|h_{s,N,m}\right|}^2}\}$

p_Max，s，m为发射端s在频带m的最大发射功率， ${\mathrm{\&alpha;}}_k\&CenterDot;\frac{{\mathrm{pl}}_{s,k,m}}{{\left|h_{s,k,m}\right|}^2}$ 为由干扰温度模型导出的在发射端s允许发射的功率限制，h_s，k，m表示发射端s到接收端k在频谱m上的信道状况，|h_s，k，m|²表示功率的衰减因子，α_k为可调整系数，用于留取一定的功率冗余度，取值范围为(0，1]；

步骤3：计算两类有效频谱的集合

           V₀＝{v_0，k，m，1≤k≤N，1≤m≤M}_N×M，V₀′＝{v_k，0，m，1≤k≤N，1≤m≤M}_N×M

           V_s＝{v_s，k，m，1≤k≤N，1≤m≤M}_N×M，s＝1…N

矩阵V₀，V₀′表征了用于基站和服务接入点之间通信的TYPEI频带的可用信息，其中V₀表示用于下行频谱信息，V₀′表示用于上行的频谱信息；矩阵V₁，…V_s…V_N表征了用于服务接入点之间直接通信的TYPEII频带的可用信息；v_s，k，m≠0表示频带m可以用于发端s和收端k的通信；

$\mathrm{if}\frac{p_{s,m}{\left|h_{s,k,m}\right|}^2}{n_{s,k,m}}<r_{s,k,m}\mathrm{or\; s}=k,v_{s,k,m}=0$

$\mathrm{else}{v}_{s,k,m}=\frac{p_{s,m}{\left|h_{s,k,m}\right|}^2}{n_{s,k,m}}$

n_s，k，m和r_s，k，m分别表示发射端s在频段m发送信号给接收端k时，收端k的环境噪声大小和可靠接收信号的信噪比；

步骤4实现混合结构下的PMP和Mesh拓扑

设认知无线电系统中，网络划分为一个或者多个小区，每个小区由一个基站和多个服务接入点组成；基站作为小区的中心控制器和小区外通信的转发与接入点；服务接入点可以用TYPEI频带与基站直接通信，用TYPEII频带与同一个小区内的“邻居”直接通信；定义如果v_s，k，m≠0(1≤s，k≤N)，则服务接入点k是服务接入点s可以以频带m相连的邻居；

1).PMP拓扑的实现

通过步骤3得到矩阵V₀，V₀′表征的TYPEI频带的可用信息，服务接入点直接通过TYPEI频带与基站进行连接，基站通过TYPEI频带与服务接入点进行点到多点的通信；

2).Mesh拓扑的实现

通过步骤3得到矩阵V₁，…V_s…V_N表征的TYPEII频带的可用信息，服务接入点与其邻居之间通过TYPEII频带实现点到点直接连接，根据是否多跳以及是否接入基站分为3种情况：

①服务接入点与其邻居间点到点的单跳通信；

②服务接入点间的多跳方式，不经过基站；这是前面背景中介绍的WMN实现的第一种模式——终端用户mesh模式，是一种典型的Ad-hoc方式，小区内的所有服务接入点都具有路由功能，可以作为中继；

③服务接入点通过多跳连接到基站，再通过基站转发或接入，这是前面背景中介绍的WMN实现的第二种模式——基础设施mesh模式；在这种模式下，小区内的所有服务接入点均可能作为路由器，服务接入点间用TYPEII频带互连；源节点持续地搜索路由直至路由的最后一个服务接入点可以和基站用TYPEI频带直接通信；

通过以上步骤，就可以实现认知无线电系统中同时支持PMP和Mesh拓扑的混合网络结构。

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