一種多用戶機(jī)會(huì)頻譜接入方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域中的認(rèn)知無線電技術(shù)，具體涉及一種多用戶機(jī)會(huì)頻譜接 入方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線通信業(yè)務(wù)需求量的迅猛增長(zhǎng)，頻譜資源的匱乏成為當(dāng)前無線通信系統(tǒng)面 臨的一個(gè)重大難題。傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)大都采用一種簡(jiǎn)單的固定分配方式，即由頻譜管理 部門將可用頻譜資源劃分成若干非重疊、固定頻段，分配給各種不同的服務(wù)與技術(shù)（參考 文獻(xiàn)：Martin Cave, Chris Doyle, William Webb, Modern Spectrum Management, Cambridge University Press, 2007ISBN 0-521-87669-8)。這種靜態(tài)頻譜分配策略簡(jiǎn)單、操作性強(qiáng)，并 能完全避免各個(gè)授權(quán)用戶間的干擾，在無線通信發(fā)展的初期取得了很好的效果。但是在這 種固定的頻譜分配方法中，授權(quán)用戶對(duì)頻段具有獨(dú)占性，當(dāng)該頻段空閑時(shí)也不能被非授權(quán) 用戶使用，從而導(dǎo)致頻譜利用率很低。因此，固定的頻譜分配方式已成為制約無線通信發(fā)展 的瓶頸。無線通信急需一種全新的技術(shù)來提升頻譜利用率。
[0003] 認(rèn)知無線電是一種新型智能的無線通信系統(tǒng)，它能夠?qū)o線頻譜環(huán)境進(jìn)行感知并 獲取有用信息，在不影響授權(quán)用戶正常使用的前提下，通過實(shí)時(shí)地重配置自身的傳輸參數(shù)， 動(dòng)態(tài)地重復(fù)使用可用頻譜資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)無線環(huán)境的高度自適應(yīng)和頻譜利用的高效性（參 考文獻(xiàn)：S. Haykin, Cognitive radio:brain-empowered wireless communications, IEEE Journal on Selected Areas in Communication, vol. 23, no. 2, pp. 201-220, Feb. 2005)〇認(rèn) 知無線電技術(shù)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜接入，而分級(jí)接入模型則是認(rèn)知無線電思想的核心。 所謂分級(jí)是指系統(tǒng)用戶分為主用戶和次用戶，次用戶（secondary user)只能在不干擾主 用戶（primary user)正常通信的前提下利用主用戶所擁有的授權(quán)頻帶進(jìn)行通信，從而實(shí) 現(xiàn)和主用戶的頻譜共享。機(jī)會(huì)頻譜接入技術(shù)（0SA :0pportunity Spectrum Access)為分 級(jí)接入技術(shù)的頻譜填充（spectrum overlay)模型，即次用戶通過感知檢測(cè)頻譜空穴，一旦 發(fā)現(xiàn)授權(quán)頻譜空閑（頻譜機(jī)會(huì)）就立即接入（參考文獻(xiàn)：J. Mitola, Cognitive radio for flexible mobile multimedia communications, IEEE International Workshop on Mobile Multimedia Communications (MoMnC，99)，San Diego, CA, November 1999)。OSA 技術(shù)的關(guān) 鍵在于能夠智能地做出決策，實(shí)現(xiàn)多種無線電系統(tǒng)在互不干擾的情況下進(jìn)行頻譜共享，從 而有效地解決了目前無線頻譜資源日益緊缺的問題。OSA技術(shù)的一大優(yōu)勢(shì)在于可在現(xiàn)有頻 譜內(nèi)進(jìn)行操作，與其他現(xiàn)有的接入技術(shù)兼容，成為近期的研究熱點(diǎn)。
[0004] 目前，對(duì)于單一用戶級(jí)的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)研究體系已趨近成熟，而多用戶的情況更 適用于實(shí)際的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)，其主要分為集中式和分布式兩種架構(gòu)。在集中式網(wǎng)絡(luò)中，公共 控制信道可以作為多用戶間信息交互的樞紐，并利用集中控制器將頻譜接入問題轉(zhuǎn)化為頻 譜分配問題。而在分布式認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，若設(shè)立公共信道進(jìn)行用戶信息交互，則會(huì)導(dǎo)致較 多的時(shí)間、帶寬、能量等資源開銷。各個(gè)用戶需要在與其他用戶無信息交互的情況下，通過 自身感知頻譜伺機(jī)接入空閑的頻段，這使得具體的接入算法變得更為復(fù)雜，需要深入研究 并考慮用戶特性、頻譜動(dòng)態(tài)性、先驗(yàn)信息等各個(gè)因素。從當(dāng)前的相關(guān)研究成果來看，分布式 網(wǎng)絡(luò)中頻譜接入技術(shù)主要是基于隨機(jī)選取和博弈論模型。基于隨機(jī)選取的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于其 較好的可操作性，但缺點(diǎn)是沒有動(dòng)態(tài)感知很容易造成碰撞，致使系統(tǒng)性能較差；基于博弈論 模型的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于考慮到了多用戶之間的相互作用，并提供了豐富有效的研究模型，缺 點(diǎn)在于需要事先知道關(guān)于所在頻譜環(huán)境的統(tǒng)計(jì)信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提出一種多用戶機(jī)會(huì)頻譜接入方法，旨在充分考慮分布式無線網(wǎng)絡(luò)中缺乏 次用戶間信息交互的特性，在無需信息交互的情況下前移調(diào)整信道分組，避免了多個(gè)次用 戶伺機(jī)接入頻譜引發(fā)的碰撞，并提高了系統(tǒng)的利用率和吞吐量。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種多用戶機(jī)會(huì)頻譜接入方法，包括以下步 驟：
[0007] 步驟一：假設(shè)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中存在M個(gè)次用戶，將總頻譜分為N個(gè)信道，且3M ;將 N個(gè)信道依此劃分成μν/Mj+i個(gè)信道組，每個(gè)信道組均由相鄰的μν/Mj個(gè)信道組成，其 中M是向下取整符號(hào)；令Kj為信道分組后第j個(gè)信道組，則第j個(gè)信道組表示如式（1)所 示，
[0009] 所述信道組K,包括從第j個(gè)信道到第[iV/Mj +J個(gè)信道。
[0008] (1)：
[0010] 步驟二：在初始時(shí)隙內(nèi)，每個(gè)次用戶均從所述況-ll/Mj + l個(gè)信道組中隨機(jī)選擇 一個(gè)信道組，用于信道感知；
[0011] 步驟三：判斷次用戶選擇的信道組是否與其他用戶在選擇的信道組發(fā)生了碰撞， 如果發(fā)生了碰撞，則對(duì)該次用戶目前選擇的信道組進(jìn)行前移調(diào)整，選擇其他的信道組在下 一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行感知，如果沒有發(fā)生碰撞，該次用戶在下一個(gè)時(shí)隙繼續(xù)感知現(xiàn)在信道組中的 信道；當(dāng)當(dāng)前時(shí)隙信道組調(diào)整完成之后，進(jìn)入下一時(shí)隙，重復(fù)步驟三，直至信道組不再需要 調(diào)整；所述信道組發(fā)生了碰撞的情況是指：
[0012] (1)在同一個(gè)時(shí)隙內(nèi)，多個(gè)次用戶選擇同一組信道組進(jìn)行感知；或者
[0013] (2)在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)，一個(gè)次用戶準(zhǔn)備接入的主用戶空閑的信道已被其他次用戶接 入。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明采取信道標(biāo)記的措施，在考慮分 布式認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)沒有融合中心的情況下，無需事先對(duì)頻譜環(huán)境信息進(jìn)行檢測(cè)統(tǒng)計(jì)，便完 成了對(duì)被占用信道的識(shí)別，和用戶所屬分組的調(diào)整，降低了系統(tǒng)開銷，提高了頻帶利用率和 系統(tǒng)信息的吞吐量；本發(fā)明采取了用戶自適應(yīng)調(diào)整信道組的方案，最終的信道組可以最大 限度的減少用戶間碰撞的發(fā)生，同時(shí)提高頻帶的利用率；本發(fā)明充分利用次用戶每個(gè)時(shí)隙 的感知結(jié)果，不斷調(diào)整各次用戶信道組，直至無交集的信道組形式，避免了用戶間的碰撞， 從而提高了系統(tǒng)信息的吞吐量。
【附圖說明】
[0015] 圖1是使用本發(fā)明的一個(gè)分布式認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)模型圖。
[0016] 圖2是使用本發(fā)明中一個(gè)信道組示意圖。
[0017] 圖3是使用本發(fā)明的一個(gè)機(jī)會(huì)感知傳輸時(shí)隙結(jié)構(gòu)圖。
[0018] 圖4是使用本發(fā)明中一個(gè)信道組前移調(diào)整示意圖。
[0019] 圖5是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)中使用本發(fā)明方法和傳統(tǒng)隨機(jī)選取分組方法進(jìn)行對(duì)比時(shí)系統(tǒng) 的吞吐量性能比較圖。
[0020] 圖6是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)中使用本發(fā)明方法時(shí)在前移步長(zhǎng)d變化的情況下系統(tǒng)的吞吐量 性能比較圖。
[0021] 圖7是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)中使用本發(fā)明方法時(shí)在信道數(shù)N變化的情況下系統(tǒng)的吞吐量性 能比較圖。
[0022] 圖8是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)中使用本發(fā)明方法時(shí)在調(diào)整概率P變化的情況下系統(tǒng)的吞吐量 性能比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 為克服這些頻譜接入技術(shù)利用率低、吞吐量不高且需先驗(yàn)信息的缺點(diǎn)，同時(shí)獲得 較好的系統(tǒng)性能，本發(fā)明在分布式無線網(wǎng)絡(luò)的研究背景下，使次用戶能夠根據(jù)環(huán)境的變化 和自身接入的結(jié)果，不斷調(diào)整所選的頻譜分組，直至達(dá)到理想無碰撞的目的。
[0024] 圖1所示是使用本發(fā)明時(shí)采用的一種分布式認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)模型。所有次級(jí)用戶處 于同構(gòu)頻譜環(huán)境中，共享相同的頻譜資源。在任意時(shí)隙中，次用戶通過感知得到頻譜內(nèi)信道 的可用狀態(tài)，忙碌或者空閑。本發(fā)明中，認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)次用戶在無信息交互的基礎(chǔ) 上，通過其感知結(jié)果不斷調(diào)整原有分組直至無碰撞情況發(fā)生，充分地利用了整個(gè)頻段。本發(fā) 明的具體實(shí)施步驟如下：
[0025] 步驟一：完成頻譜劃分。
[0026] 假設(shè)總頻譜被分為N個(gè)信道，為了保證M個(gè)次用戶都有足夠的信道去感知，N應(yīng)當(dāng) 不小于M。接著將所有信道分為若干個(gè)組，即分為若干個(gè)信道組，考慮到次用戶間的公平性， 每個(gè)信道組內(nèi)的信道數(shù)量應(yīng)保持一致。由于相鄰頻譜符合射頻特點(diǎn)，并且不能忽