專利名稱：一種吞吐量最大化的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)線通信領(lǐng)域，涉及其中的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)(CognitiveRadio System)，特別涉及基于機(jī)會(huì)式頻譜接入(Opportunistic SpectrumAccess, 0SA)的認(rèn)知無(wú) 線電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近幾年來(lái)，動(dòng)態(tài)頻譜接入(Dynamic Spectrum Access, DSA)技術(shù)作為一種有潛力 大幅提升頻譜資源利用率的新興無(wú)線通信技術(shù)，受到了世界各國(guó)科研機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注?，F(xiàn) 存 DSA 技術(shù)的介紹與分類見(jiàn) Q. Zhao and B. Μ. Sadler, "A survey of dynamic spectrum access, " IEEE Signal ProcessingMagazine, vol. 24, no. 3, pp. 79-89, May 2007。在其 中，一種采用分層接入結(jié)構(gòu)的機(jī)會(huì)頻譜接入(Opportunistic Spectrum Access, 0SA)技 術(shù)被強(qiáng)調(diào)。在基于OSA的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中，主要用戶(Primary User)被定義為某段授 權(quán)頻帶的所有者，享有自由使用該頻帶的優(yōu)先權(quán)利；次要用戶(SecondaryUser)可以通 過(guò)頻譜感知(Spectrum Sensing)來(lái)發(fā)現(xiàn)授權(quán)頻帶上的頻譜空洞(Spectrum Hole)并加 以利用。頻譜感知具體包括能量檢測(cè)(EnergyDetector Based Sensing)、匹配濾波檢測(cè) (Matched-filtering Detection)或是循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)(Cyclostationarity Feature Detection),詳見(jiàn) Τ· Yucek and H. Arslan, "A survey of spectrum sensing algorithms for cognitive radioapplications,"IEEE Communications Surveys&Tutorials,vol. 11, 2009。頻譜空洞被定義為在特定時(shí)間段內(nèi)和特定地理區(qū)域內(nèi)不被主要用戶使用的授權(quán)頻 帶。為了使用這些動(dòng)態(tài)出現(xiàn)的頻譜空洞，同時(shí)對(duì)在同一頻帶上工作的主要用戶產(chǎn)生有限 的干擾，次要用戶需要進(jìn)行嚴(yán)格的干擾約束。對(duì)于基于數(shù)據(jù)包(Packet-based)的主要用 戶，次要用戶通過(guò)限制主要用戶數(shù)據(jù)包的被碰撞概率來(lái)保護(hù)主要用戶。常見(jiàn)的基于OSA 的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)分為兩種多信道認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)和單信道認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)。在這兩 種認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中，次要用戶通常采用先聽(tīng)后說(shuō)(Listen-before-talk)的數(shù)據(jù)傳輸方 式，參見(jiàn) Z. Qing, R. Wei, and A. Swami, “Spectrum Opportunity Detection HowGood Is Listen-before-Talk ？ ，，，in Asilomar Conference on Signals,Systems andComputers. pp. 767-771,2007)。這種數(shù)據(jù)傳輸方式把時(shí)間分成等長(zhǎng)的時(shí)隙，一個(gè)時(shí)隙包括一個(gè)檢測(cè) 子時(shí)隙和一個(gè)傳輸子時(shí)隙。檢測(cè)子時(shí)隙為每一個(gè)時(shí)隙的開(kāi)頭部分，之后剩余的部分為一 個(gè)傳輸子時(shí)隙。一般情況下，傳輸子時(shí)隙的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于檢測(cè)子時(shí)隙的長(zhǎng)度，例如，傳輸子 時(shí)隙的長(zhǎng)度超過(guò)檢測(cè)子時(shí)隙長(zhǎng)度的50倍，參見(jiàn)S. Geirhofer，L. Tong, and B. Μ. Sadler, ”Cognitivemedium access Constraining interference based on experimental models,，，IEEEJournal on Selected Areas in Communications, vol. 26, pp. 95-105, 2008。 在不同類別的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中，多種能使次要用戶吞吐量最大化的接入方法被提出。(1)多信道認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，次要用戶通過(guò)在多個(gè)主要用戶信道上 進(jìn)行最優(yōu)化的信道選擇來(lái)達(dá)到吞吐量最大化的目標(biāo)。已被提出的接入方法例如基于部分 觀測(cè)馬爾可夫決策過(guò)程(POMDP)的最優(yōu)檢測(cè)與接入方法，見(jiàn)Q. Zhao, L. Tong, A. Swami, andY. Chen,"Decentralizedcognitive MAC for opportunistic spectrum access in ad hoc networks APOMDP framework,，，IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 25，no. 3，pp. 589-600，Apr. 2007。該方法不限定次要用戶的信道檢測(cè)順序，構(gòu)造出 POMDP并求解使次要用戶吞吐量最大化的檢測(cè)、接入方法。由于求最優(yōu)解計(jì)算量過(guò)大，隨著 信道數(shù)量的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)，最終在一定計(jì)算復(fù)雜度限制下求得次優(yōu)解。(2)單信道認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，次要用戶工作在一個(gè)授權(quán)信道上，通過(guò)選擇最優(yōu)的接入方式，來(lái)達(dá)到吞吐量最大化的目標(biāo)。已被提出的接入方法有(2. 1)最優(yōu)化檢測(cè)時(shí)間的方法，見(jiàn) Y. Liang, Y. Zeng, Ε. Peh，and A. Hoang, "Sensing—throughput tradeoff for cognitive radio networks,"IEEETransactions on Wireless Communications, vol. 7，no. 4，pp. 1326-1337，Apr. 2008。該方法假定檢測(cè)時(shí)間 長(zhǎng)度不固定，而是可以通過(guò)構(gòu)造優(yōu)化方程來(lái)求解最優(yōu)化的檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)度，以使得次要用戶 達(dá)到最大化的吞吐量。(2. 2)最優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸長(zhǎng)度的方法，見(jiàn) S. Huang, X. Liu, and Ζ. Ding, "Optimal Transmission Strategies for Dynamic Spectrum Access in CognitiveRadio Networks,，，IEEE Transactions on Mobile Computing, vol. 8, no. 12, pp. 1636-1648, Dec. 2009。該方法提出一種計(jì)算次要用戶在信道空閑時(shí)的最優(yōu)數(shù)據(jù)傳輸長(zhǎng)度的方法，可以 使次要用戶的吞吐量最大化，同時(shí)限制與主要用戶數(shù)據(jù)包的沖突概率。但是該方法只在次 要用戶時(shí)隙長(zhǎng)度趨近于零時(shí)才能達(dá)到最優(yōu)，且沒(méi)有給出次要用戶獲取主要用戶信道占用特 征的方法。關(guān)于主要用戶信道占用特征的獲取方法，文獻(xiàn)I.A.Akbar and W. H. Tranter, "Dynamic spectrum allocation in cognitive radio using hidden Markovmodels Poisson distributed case, "IEEE Southeast Conference, pp. 196-201, 2007 提出 了基于 隱馬爾科夫模型(Hidden Markov Model, HMM)的預(yù)測(cè)方法。關(guān)于HMM的相關(guān)定義與算法， 參見(jiàn) L. R. Rabiner, "A tutorial on hiddenMarkov models and selected application in speech recognition,，，Proceedings ofthe IEEE, vol. 77, no. 2, pp. 257-286,1989 禾口 I Turin, Digital TransmissionSystems !Performance Analysis and Modeling. McGraw-Hill, 1998。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種吞吐量最大化的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以使次要 用戶的吞吐量最大化，同時(shí)能控制認(rèn)知無(wú)線通信過(guò)程中次要用戶對(duì)主要用戶的干擾，使主 要用戶數(shù)據(jù)包的被碰撞概率被限制在預(yù)設(shè)的門限范圍之內(nèi)。本發(fā)明提供的一種吞吐量最大化的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括無(wú) 線電收發(fā)機(jī)、檢測(cè)器、調(diào)度器、傳輸控制器以及數(shù)據(jù)終端；無(wú)線電收發(fā)機(jī)使用和主要用戶相同的信道C，無(wú)線電收發(fā)機(jī)采用先聽(tīng)后說(shuō)的數(shù)據(jù) 傳輸方式，將各個(gè)時(shí)隙分為檢測(cè)子時(shí)隙和傳輸子時(shí)隙，在檢測(cè)子時(shí)隙，無(wú)線電收發(fā)機(jī)接收信 道C上的無(wú)線電信號(hào)，并將接收到的信號(hào)輸入到檢測(cè)器，在傳輸子時(shí)隙，無(wú)線電收發(fā)機(jī)在傳 輸控制器的控制下在信道C上發(fā)送數(shù)據(jù)終端發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包； 檢測(cè)器用于對(duì)無(wú)線電收發(fā)機(jī)在檢測(cè)子時(shí)隙接收到的無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行處理，判斷是否有主要用戶在信道C上發(fā)送數(shù)據(jù)，即判斷當(dāng)前主要用戶的工作狀態(tài)是忙或閑，并將判斷 結(jié)果輸入到調(diào)度器；調(diào)度器根據(jù)檢測(cè)器輸出的判斷結(jié)果計(jì)算在當(dāng)前檢測(cè)子時(shí)隙之后各個(gè)傳輸子時(shí)隙無(wú)線電收發(fā)機(jī)應(yīng)該采用的數(shù)據(jù)傳輸概率；傳輸控制器根據(jù)當(dāng)前傳輸子時(shí)隙的數(shù)據(jù)傳輸概率隨機(jī)確定無(wú)線電收發(fā)機(jī)在當(dāng)前 傳輸子時(shí)隙是否發(fā)送數(shù)據(jù)終端發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包；數(shù)據(jù)終端將待發(fā)送的數(shù)據(jù)處理成數(shù)據(jù)包輸入到內(nèi)部的發(fā)送緩沖區(qū)隊(duì)列中，待無(wú)線 電收發(fā)機(jī)從該隊(duì)列中取出數(shù)據(jù)包在信道C上進(jìn)行傳輸。本發(fā)明提出一種單信道認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)。相比于其他單信道認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)， 本系統(tǒng)通過(guò)最優(yōu)化調(diào)度次要用戶在每一個(gè)頻譜空閑區(qū)域中各個(gè)傳輸子時(shí)隙上的傳輸概 率，實(shí)現(xiàn)了單信道上次要用戶吞吐量最大化，同時(shí)主要用戶數(shù)據(jù)包的被碰撞概率被限制在 預(yù)設(shè)的門限范圍之內(nèi)。本系統(tǒng)通過(guò)預(yù)測(cè)的方式獲取主要用戶的信道占用特征；同時(shí)，對(duì) 于任意設(shè)定的次要用戶時(shí)隙長(zhǎng)度，系統(tǒng)性能都能達(dá)到最優(yōu)化。本發(fā)明可以被應(yīng)用到無(wú)線 區(qū)域網(wǎng)(Wireless Region Area Network, WRAN)中，有效地利用空余無(wú)線電視廣播頻段 (54-842MHz, VHF/UHF)，應(yīng)用面廣。


圖1是本發(fā)明提供的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖；圖2是基于多步向前預(yù)測(cè)方法的調(diào)度器的系統(tǒng)框圖。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)借助實(shí)施例更加詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明，但以下實(shí)施例僅是說(shuō)明性的，本發(fā) 明的保護(hù)范圍并不受這些實(shí)施例的限制。如圖1所示，本發(fā)明系統(tǒng)包括無(wú)線電收發(fā)機(jī)1、檢測(cè)器2、調(diào)度器3、傳輸控制器4以 及數(shù)據(jù)終端5。無(wú)線電收發(fā)機(jī)1使用和主要用戶相同的信道/頻段，標(biāo)記為信道C，可以在信道C 上發(fā)送和接收無(wú)線電信號(hào)。無(wú)線電收發(fā)機(jī)1采用先聽(tīng)后說(shuō)的數(shù)據(jù)傳輸方式。在一個(gè)時(shí)隙的 檢測(cè)子時(shí)隙，無(wú)線電收發(fā)機(jī)1接收信道C上的無(wú)線電信號(hào)，并將接收到的信號(hào)輸入到檢測(cè)器 2。在一個(gè)時(shí)隙的傳輸子時(shí)隙，無(wú)線電收發(fā)機(jī)1在傳輸控制器4的控制下在信道C上發(fā)送數(shù) 據(jù)終端5發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包。檢測(cè)器2對(duì)無(wú)線電收發(fā)機(jī)1在檢測(cè)子時(shí)隙接收到的無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行處理，判斷是 否有主要用戶在信道C上發(fā)送數(shù)據(jù)，即判斷當(dāng)前主要用戶的工作狀態(tài)是“忙”或“閑”。“忙” 狀態(tài)表示主要用戶在信道C上發(fā)送數(shù)據(jù)，“閑”狀態(tài)表示主要用戶沒(méi)有在信道C上發(fā)送數(shù)據(jù)。 檢測(cè)器2將判斷結(jié)果輸入到調(diào)度器3。檢測(cè)器2根據(jù)無(wú)線電收發(fā)機(jī)1接收到的無(wú)線電信號(hào) 來(lái)判斷主要用戶工作狀態(tài)的方法是頻譜感知。調(diào)度器3根據(jù)檢測(cè)器2輸出的檢測(cè)結(jié)果計(jì)算在當(dāng)前檢測(cè)子時(shí)隙之后各個(gè)傳輸子時(shí) 隙無(wú)線電收發(fā)機(jī)1應(yīng)該采用的數(shù)據(jù)傳輸概率。例如，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸概率為0. 8時(shí)，無(wú)線電收發(fā) 機(jī)1有80%的幾率將數(shù)據(jù)終端5發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包通過(guò)信道C在當(dāng)前傳輸子時(shí)隙內(nèi)進(jìn) 行傳輸。計(jì)算數(shù)據(jù)傳輸概率過(guò)程中所依據(jù)的重要原則是在使主要用戶數(shù)據(jù)包的被碰撞概率被限制在預(yù)設(shè)的門限范圍之內(nèi)的條件下，使次要用戶的吞吐量最大化。在本發(fā)明中，主要 用戶數(shù)據(jù)包的被碰撞概率被定義為在一段足夠長(zhǎng)時(shí)間，例如一個(gè)小時(shí)內(nèi)，次要用戶和主要 用戶數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞的次數(shù)與主要用戶發(fā)送數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)的比值；次要用戶的吞吐量被定義 為在一段足夠長(zhǎng)時(shí)間，例如一個(gè)小時(shí)內(nèi)，次要用戶數(shù)據(jù)包未與主要用戶數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞的 傳輸子時(shí)隙數(shù)與信道C所有未被主要用戶占用的時(shí)間段，即空閑區(qū)域中可被使用的傳輸子 時(shí)隙數(shù)的比值。傳輸控制器4根據(jù)當(dāng)前傳輸子時(shí)隙的數(shù)據(jù)傳輸概率隨機(jī)確定無(wú)線電收發(fā)機(jī)1在當(dāng) 前傳輸子時(shí)隙是否發(fā)送數(shù)據(jù)終端5發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)終端5將待發(fā)送的數(shù)據(jù)處理成數(shù)據(jù)包輸入到內(nèi)部的發(fā)送緩沖區(qū)隊(duì)列中，待無(wú) 線電收發(fā)機(jī)1從該隊(duì)列中取出數(shù)據(jù)包在信道C上進(jìn)行傳輸。圖2所示為一種基于隱馬爾科夫模型(Hidden Mar kov model,HMM)預(yù)測(cè)方法的調(diào) 度器3，包括控制模塊31、預(yù)測(cè)模塊32、傳輸概率計(jì)算模塊33和輸出模塊34。調(diào)度器3通常采用離散時(shí)間HMM。一個(gè)有N個(gè)隱含狀態(tài)和M個(gè)輸出符號(hào)的離散時(shí) 間HMM是一種雙隨機(jī)過(guò)程，可以用參數(shù)集合λ = {Α，Β，π}來(lái)表示HMM。其中，A為NX N狀 態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，表征HMM中不可被觀測(cè)的隱含層隨機(jī)過(guò)程，B為NXM輸出符號(hào)概率矩陣，表征 能產(chǎn)生外部可觀測(cè)序列的表層隨機(jī)過(guò)程，η為長(zhǎng)度為N的初始狀態(tài)概率向量，包含了系統(tǒng) 在初始時(shí)刻處在不同隱含狀態(tài)下的概率?？刂颇K31根據(jù)檢測(cè)器2輸出的當(dāng)前檢測(cè)子時(shí)隙主要用戶工作狀態(tài)來(lái)調(diào)整調(diào)度 器3的工作狀態(tài)。用X(k)表示檢測(cè)器在第k檢測(cè)子時(shí)隙判定的信道狀態(tài)，則
ι,若狀態(tài)為“忙” ()=lo,若狀態(tài)為“閑”k為正整數(shù)，表示檢測(cè)子時(shí)隙的序號(hào)，由于傳輸子時(shí)隙與檢測(cè)子時(shí)隙相互交替，二 者數(shù)量相等，故k也表示傳輸子時(shí)隙的序號(hào)。假設(shè)當(dāng)前k = 3000,即系統(tǒng)當(dāng)前處在第3000檢測(cè)子時(shí)隙，控制模塊31的調(diào)整準(zhǔn)則 如下若X(3000) = 1，控制模塊31儲(chǔ)存當(dāng)前檢測(cè)結(jié)果，向輸出模塊34發(fā)送信號(hào)“NULL”， 即控制輸出模塊34輸出在當(dāng)前傳輸子時(shí)隙的數(shù)據(jù)傳輸概率為0，即不發(fā)送數(shù)據(jù)；若X(3000) = 0，且X(2999) = 1，說(shuō)明當(dāng)前信道C上主要用戶狀態(tài)由“忙”轉(zhuǎn)變 為“閑”，控制模塊31儲(chǔ)存當(dāng)前檢測(cè)結(jié)果。設(shè)從初始時(shí)刻1到當(dāng)前時(shí)刻k = 3000檢測(cè)子時(shí) 隙判決的主要用戶狀態(tài)組成矢量Z (3000) = [X(1)，X(2)，...，X(3000)]?？刂颇K31將 Z(3000)傳送給預(yù)測(cè)模塊32，同時(shí)將內(nèi)部計(jì)數(shù)器值j置為0。待傳輸概率計(jì)算模塊33輸出 一個(gè)由一組數(shù)據(jù)傳輸概率組成的向量Q3qqq = [Q3000 (O)，Q3Qoo(I), ... , Q3000 (S-I)]并存入輸 出模塊34中。Q3_表示從第3000個(gè)傳輸子時(shí)隙算起往后一共S個(gè)傳輸子時(shí)隙上數(shù)據(jù)傳輸 概率組成的向量，S為多步預(yù)測(cè)步數(shù)，S為整數(shù)且100?？刂颇K31向輸出模塊34 發(fā)送信號(hào)“j =0”，即控制輸出模塊34從內(nèi)存中取出傳輸概率Q3_(0)并輸出。若X(3000) = 0，且X(2999) = 0, X(2998) = 1說(shuō)明當(dāng)前信道C上主要用戶的狀 態(tài)仍然為“閑”，控制模塊31儲(chǔ)存當(dāng)前檢測(cè)結(jié)果?？芍诘?999檢測(cè)子時(shí)隙信道C上主要 用戶狀態(tài)由“忙”轉(zhuǎn)變?yōu)椤伴e”，故輸出模塊中已存有Q2999?？刂颇K31內(nèi)部計(jì)數(shù)器值j自加1，向輸出模塊34發(fā)送信號(hào)“ j = 1”，即控制輸出模塊34輸出傳輸概率Q2999 (I)。預(yù)測(cè)模塊32基于離散時(shí)間HMM。在本發(fā)明中，HMM的輸出符號(hào){0，1}代表信號(hào)C 上的檢測(cè)結(jié)果，輸出符號(hào)個(gè)數(shù)M = 2。其中輸出符號(hào)“1”表示主要用戶的工作狀態(tài)為“忙”， 輸出符號(hào)“0”表示主要用戶的工作狀態(tài)為“閑”。基于HMM預(yù)測(cè)方法的流程如下
假設(shè)當(dāng)前k = 3000，X (3000) = 0，且X (2999) = 1，則控制模塊31輸出信道狀態(tài)歷 史Z (3000)到預(yù)測(cè)模塊32。預(yù)測(cè)模塊32采用鮑姆-韋爾奇算法(Baum-Welch Algorithm, BffA)訓(xùn)練最優(yōu)HMM，得到最優(yōu)HMM參數(shù)集合λ。在獲得了最優(yōu)HMM參數(shù)集合λ后，采用向前-向后算法(forward-backward procedure)計(jì)算概率U3ticitl (i)和V3_(i)。其中，i為預(yù)測(cè)步數(shù)序號(hào)，0 < i ( 19，設(shè)多步預(yù)測(cè) 步數(shù)S = 20。U3000⑴表示主要用戶在第3000+i傳輸子時(shí)隙內(nèi)使用信道C的概率；V3_(i) 表示信道C從第3000檢測(cè)子時(shí)隙一直到第3000+i檢測(cè)子時(shí)隙都保持空閑的概率。U刪⑴ 和V3_(i)的計(jì)算公式如下U3000(J)=
Pr(X(3001 + 0 = 1,Z(3000)U) Λ
-！- / = 0
Pr(Z(3000)|^)，<|
Pr(X(3001) = 0，...，X(3000 + i) = 0,X(3000 + / + 1) = 1,Z(3000)|^,)
Pr(Z(3000)|i)'
0<z<19F3000CO =
>r(X(3001 + /) = 0,Z(3000)|^) Pr(Z(3000)|^)<.
Pr(X(3001) = 0,...,^(3000 + i) = 0,X(3000 + / + !) = 0,Z(3000)| 義)
Pr(Z(3000)|^)'
0<z<19
、其中，Pr( · I ·)表示在特定條件下發(fā)生某個(gè)事件的條件概率。計(jì)算完畢后將 U3000 (i)和V3_(i)的值輸入到傳輸概率計(jì)算模塊33。傳輸概率計(jì)算模塊33計(jì)算未來(lái)傳輸子時(shí)隙的數(shù)據(jù)傳輸概率。設(shè)多步預(yù)測(cè)步數(shù) S = 20，為了使主要用戶下一次數(shù)據(jù)包的被碰撞概率D3_被限制在預(yù)設(shè)的門限范圍之內(nèi)， 設(shè)R = 0. 2，0 < R彡1，使次要用戶在第3000至3019傳輸子時(shí)隙分別按照概率Q3ticitl(O)， Q30Go(I)，...，Q3000 (IQ)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，則必須滿足以下約束
19D3000 =YjU3m(I)-Q3000(I) <0.2
/=0如果主要用戶每一個(gè)數(shù)據(jù)包的被碰撞概率都小于門限0.2，則主要用戶數(shù)據(jù)包的 被碰撞概率小于門限0.2。
次要用戶在當(dāng)前空閑區(qū)域的歸一化吞吐量的期望值T3000可表示為
<formula>formula see original document page 10</formula>如果次要用戶在每一個(gè)空閑區(qū)域上的吞吐量期望值最大化，則次要用戶的吞吐量 最大化。線性規(guī)劃問(wèn)題是一種常見(jiàn)的優(yōu)化問(wèn)題(參見(jiàn)A. Schrijver, Theory ofLinear and Integer Programming. John Wiley and Sons，1998)。為了使T3_最大化，本發(fā)明借助線性 規(guī)劃的方法來(lái)求解Q3_(i)?？梢粤谐鼍€性規(guī)劃的規(guī)范形式，如下Max T3000s. t. D3000 ^ 0. 20 ^ Q3000 (I) ^ 1, i = 0,1, ... ,19基于離散時(shí)間HMM可以預(yù)測(cè)出U3000 (O) U3000 (19)的值分別為 0. 0372,0. 0702,0. 0657,0. 1290,0. 1063,0. 0913、 0.0738,0.0626,0.0533,0. 0457,0. 0390,0. 0333,0. 0284,0. 0242,0. 0206,0. 0176,0. 0150、 0.0128,0. 0109,0. 0632 ；V3000 (O) V3000 (19)的值分別為 0. 9628,0. 8926,0. 8269,0. 6979,0. 5916,0. 5003、 0.4265,0.3639,0. 3105,0. 2649,0. 2259,0. 1926,0. 1643,0. 1401,0. 1195,0. 1019,0. 0869、 0.0741,0. 0632,0. 0539。通過(guò)線性規(guī)劃的方法，能夠得到使T3■最大化的一組次要用戶數(shù)據(jù)傳輸概率 Q3000 ( 0) Q3_(19)的值分別為 1、1、1、0、0、0、0、0、0. 5054、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0，T3cicitl最
大值為0. 4022。如果本次空閑區(qū)域的長(zhǎng)度大于多步預(yù)測(cè)步數(shù)20，那么Q3_(19)之后的次要 用戶數(shù)據(jù)傳輸概率全部當(dāng)作0處理。輸出模塊34用于將傳輸概率計(jì)算模塊33輸出的傳輸概率向量Q3_儲(chǔ)存起來(lái)，并 在控制模塊31的控制下輸出當(dāng)前傳輸子時(shí)隙的傳輸概率，情況如下若控制模塊31輸出信號(hào)“NULL”，則輸出模塊34輸出當(dāng)前傳輸子時(shí)隙的傳輸概率 為0;若控制模塊31輸出信號(hào)例如“j = 1”，0 < j ( S-1，則輸出模塊34輸出當(dāng)前傳輸 子時(shí)隙的傳輸概率為Q3qqq(I)；若控制模塊31輸出信號(hào)j > S-1，則輸出模塊34輸出當(dāng)前傳輸子時(shí)隙的傳輸概率 為0。本發(fā)明不僅局限于上述具體實(shí)施方式
，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi) 容，可以采用其它多種具體實(shí)施方式
實(shí)施本發(fā)明，因此，凡是采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和思 路，做一些簡(jiǎn)單的變化或更改的設(shè)計(jì)，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
一種吞吐量最大化的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括無(wú)線電收發(fā)機(jī)、檢測(cè)器、調(diào)度器、傳輸控制器以及數(shù)據(jù)終端；無(wú)線電收發(fā)機(jī)使用和主要用戶相同的信道C，無(wú)線電收發(fā)機(jī)采用先聽(tīng)后說(shuō)的數(shù)據(jù)傳輸方式，將各個(gè)時(shí)隙分為檢測(cè)子時(shí)隙和傳輸子時(shí)隙，在檢測(cè)子時(shí)隙，無(wú)線電收發(fā)機(jī)接收信道C上的無(wú)線電信號(hào)，并將接收到的信號(hào)輸入到檢測(cè)器，在傳輸子時(shí)隙，無(wú)線電收發(fā)機(jī)在傳輸控制器的控制下在信道C上發(fā)送數(shù)據(jù)終端發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包；檢測(cè)器用于對(duì)無(wú)線電收發(fā)機(jī)在檢測(cè)子時(shí)隙接收到的無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行處理，判斷是否有主要用戶在信道C上發(fā)送數(shù)據(jù)，即判斷當(dāng)前主要用戶的工作狀態(tài)是忙或閑，并將判斷結(jié)果輸入到調(diào)度器；調(diào)度器根據(jù)檢測(cè)器輸出的判斷結(jié)果計(jì)算在當(dāng)前檢測(cè)子時(shí)隙之后各個(gè)傳輸子時(shí)隙無(wú)線電收發(fā)機(jī)應(yīng)該采用的數(shù)據(jù)傳輸概率；傳輸控制器根據(jù)當(dāng)前傳輸子時(shí)隙的數(shù)據(jù)傳輸概率隨機(jī)確定無(wú)線電收發(fā)機(jī)在當(dāng)前傳輸子時(shí)隙是否發(fā)送數(shù)據(jù)終端發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包；數(shù)據(jù)終端將待發(fā)送的數(shù)據(jù)處理成數(shù)據(jù)包輸入到內(nèi)部的發(fā)送緩沖區(qū)隊(duì)列中，待無(wú)線電收發(fā)機(jī)從該隊(duì)列中取出數(shù)據(jù)包在信道C上進(jìn)行傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的吞吐量最大化的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)，其特征在于調(diào)度器包括 控制模塊、預(yù)測(cè)模塊、傳輸概率計(jì)算模塊和輸出模塊；控制模塊根據(jù)檢測(cè)器輸出的當(dāng)前檢測(cè)子時(shí)隙主要用戶工作狀態(tài)調(diào)整調(diào)度器的工作狀 態(tài)若當(dāng)前檢測(cè)子時(shí)隙上信道C被主要用戶占用，則調(diào)度器輸出當(dāng)前傳輸子時(shí)隙上數(shù)據(jù)傳 輸概率為O ；若當(dāng)前檢測(cè)子時(shí)隙上信道C未被主要用戶占用，而前一檢測(cè)子時(shí)隙上信道C被 主要用戶占用，則調(diào)度器通過(guò)預(yù)測(cè)模塊和傳輸概率計(jì)算模塊來(lái)計(jì)算一組未來(lái)的傳輸子時(shí)隙 上的數(shù)據(jù)傳輸概率，并輸出當(dāng)前傳輸子時(shí)隙上的數(shù)據(jù)傳輸概率；若當(dāng)前檢測(cè)子時(shí)隙上信道 C未被主要用戶占用，而前一檢測(cè)子時(shí)隙上信道C也未被主要用戶占用，則調(diào)度器輸出當(dāng)前 傳輸子時(shí)隙上數(shù)據(jù)傳輸概率；預(yù)測(cè)模塊基于離散時(shí)間隱馬爾科夫模型，根據(jù)從控制模塊輸入的信道狀態(tài)歷史來(lái)預(yù)測(cè) 主要用戶在未來(lái)傳輸子時(shí)隙內(nèi)使用信道C的概率；傳輸概率計(jì)算模塊用于計(jì)算未來(lái)傳輸子時(shí)隙的數(shù)據(jù)傳輸概率；傳輸概率計(jì)算模塊以次 要用戶吞吐量為優(yōu)化目標(biāo)，以主要用戶數(shù)據(jù)包的被碰撞概率被限制在預(yù)設(shè)的門限范圍之內(nèi) 為約束條件，構(gòu)造并求解線性優(yōu)化方程，得到一組最優(yōu)的數(shù)據(jù)傳輸概率，使得次要用戶吞吐 量最大化；輸出模塊用于儲(chǔ)存?zhèn)鬏敻怕视?jì)算模塊輸出的一組傳輸概率，并在控制模塊的控制下輸 出當(dāng)前傳輸子時(shí)隙的傳輸概率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的吞吐量最大化的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)，其特征在于控制模塊按 照下述規(guī)則調(diào)整調(diào)度器的工作狀態(tài)用x(k)表示檢測(cè)器在第k檢測(cè)子時(shí)隙判定的信道狀態(tài)，則 若狀態(tài)為“忙” X(k)= <10,若狀態(tài)為“閑”k為正整數(shù)，表示檢測(cè)子時(shí)隙及傳輸子時(shí)隙的序號(hào)，假設(shè)當(dāng)前系統(tǒng)處在第k檢測(cè)子時(shí)隙；若x(k) = 1，控制模塊儲(chǔ)存當(dāng)前檢測(cè)結(jié)果，向輸出模塊發(fā)送信號(hào)“NULL”，即控制輸出模 塊輸出在當(dāng)前傳輸子時(shí)隙的數(shù)據(jù)傳輸概率為0，即不發(fā)送數(shù)據(jù)；若X(k) = 0，且X(k-l) = 1，k> 1，說(shuō)明當(dāng)前信道C上主要用戶狀態(tài)由“忙”轉(zhuǎn)變?yōu)?“閑”，控制模塊儲(chǔ)存當(dāng)前檢測(cè)結(jié)果；設(shè)從初始時(shí)刻1到當(dāng)前時(shí)刻k檢測(cè)子時(shí)隙判決的主要 用戶狀態(tài)組成矢量Z(k) = [X⑴，X⑵，...，X(k)]；控制模塊將Z(k)傳送給預(yù)測(cè)模塊， 同時(shí)將內(nèi)部計(jì)數(shù)器值j置為0 ；待傳輸概率計(jì)算模塊輸出一個(gè)由一組數(shù)據(jù)傳輸概率組成的 向量Qk = [Qk(O)，Qk(I)，...，Qk(S-I)]并存入輸出模塊中；Qk表示從第k個(gè)傳輸子時(shí)隙算 起往后一共S個(gè)傳輸子時(shí)隙上數(shù)據(jù)傳輸概率組成的向量，S為多步預(yù)測(cè)步數(shù)，S為整數(shù)且 2 ^ S ^ 100 ；控制模塊向輸出模塊發(fā)送信號(hào)“j = 0”，即控制輸出模塊從內(nèi)存中取出傳輸 概率Qk(O)并輸出；若X(k) =0，且X(k-l) =0，X(k-2) = l，k>2，說(shuō)明當(dāng)前信道C上主要用戶的狀態(tài)仍 然為“閑”，控制模塊儲(chǔ)存當(dāng)前檢測(cè)結(jié)果；在第k-Ι檢測(cè)子時(shí)隙信道C上主要用戶狀態(tài)由“忙” 轉(zhuǎn)變?yōu)椤伴e”，故輸出模塊中已存有Qlri ；控制模塊內(nèi)部計(jì)數(shù)器值j自加1，向輸出模塊發(fā)送信 號(hào)“j = 1”，即控制輸出模塊輸出傳輸概率Qk—d)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的吞吐量最大化的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)，其特征在于預(yù)測(cè)模塊采 用基于離散時(shí)間的隱馬爾科夫模型HMM進(jìn)行預(yù)測(cè)，其流程為假設(shè)當(dāng)前系統(tǒng)處在第k檢測(cè)子時(shí)隙，X(k) =0，且X(k-l) = 1，則控制模塊輸出的信道 狀態(tài)歷史Z(k)到預(yù)測(cè)模塊；預(yù)測(cè)模塊采用鮑姆-韋爾奇算法，訓(xùn)練最優(yōu)隱馬爾科夫模型，得 到最優(yōu)隱馬爾科夫模型的參數(shù)集合入；設(shè)Uk(i)表示主要用戶在第k+i傳輸子時(shí)隙內(nèi)使用信道C的概率；Vk(i)表示信道C 從第k檢測(cè)子時(shí)隙一直到第k+i檢測(cè)子時(shí)隙都保持空閑的概率；采用向前_向后算法計(jì)算 Uk (i)和 Vk(i)<formula>formula see original document page 3</formula><formula>formula see original document page 4</formula>其中，i為預(yù)測(cè)步數(shù)序號(hào)，彡s-i，s為多步預(yù)測(cè)步數(shù)。ΡΗ·| ·)表示在特定條件 下發(fā)生某個(gè)事件的條件概率，計(jì)算完畢后將uk(i)和vk(i)的值輸入到傳輸概率計(jì)算模塊。
5.據(jù)權(quán)利要求4所述的吞吐量最大化的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)，其特征在于 傳輸概率計(jì)算模塊按照下述方式計(jì)算無(wú)線電收發(fā)機(jī)應(yīng)該采用的數(shù)據(jù)傳輸概率 假設(shè)當(dāng)前系統(tǒng)處在第k檢測(cè)子時(shí)隙，預(yù)測(cè)模塊將Uk⑴和Vk⑴的值輸入到傳輸概率計(jì) 算模塊。為了使主要用戶下一次數(shù)據(jù)包的被碰撞概率Dk被限制在預(yù)設(shè)的門限R范圍之內(nèi)， O≤R≤1，使次要用戶在第k至k+S-Ι傳輸子時(shí)隙分別按照概率Qk(O)，...，Qk(i)，...， Qk(S-I)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，0 ( i ( S-1，則需要滿足以下約束<formula>formula see original document page 4</formula>次要用戶在本次空閑區(qū)域的歸一化吞吐量的期望值Tk表示為<formula>formula see original document page 4</formula>使Tk最大化，求解Qk(i)；列出線性規(guī)劃的規(guī)范形式，如下 Max Tk s. t. Dk≤ R 0 ≤Qk(i) < 1，i = 0，1，· · ·，S-I 基于離散時(shí)間的隱馬爾科夫模型HMM預(yù)測(cè)出Uk(O) Uk(S-I)的值和Vk(O) Vk(S-I) 的值，通過(guò)線性規(guī)劃的方法，得到使Tk最大化的一組次要用戶數(shù)據(jù)傳輸概率Qk(O) Qk(S-I)的值；如果本次空閑區(qū)域的長(zhǎng)度大于多步預(yù)測(cè)步數(shù)S，那么Qk(S-I)之后的次要用戶 數(shù)據(jù)傳輸概率全部當(dāng)作0處理。
全文摘要
本發(fā)明屬于無(wú)線通信領(lǐng)域，為一種吞吐量最大化的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)，目的在于使次要用戶最大化利用未被主要用戶充分利用的無(wú)線頻譜，同時(shí)有效控制次要用戶對(duì)主要用戶的干擾。本發(fā)明采用被碰撞概率作為主要用戶受到次要用戶干擾的衡量指標(biāo)與控制目標(biāo)。本系統(tǒng)包括無(wú)線電收發(fā)機(jī)、檢測(cè)器、調(diào)度器以及傳輸控制器和數(shù)據(jù)終端，通過(guò)最優(yōu)化調(diào)度次要用戶在每一個(gè)頻譜空閑區(qū)域中各個(gè)傳輸子時(shí)隙上的傳輸概率，實(shí)現(xiàn)了單信道上次要用戶吞吐量最大化，同時(shí)主要用戶數(shù)據(jù)包的被碰撞概率被限制在預(yù)設(shè)的門限范圍之內(nèi)。本系統(tǒng)通過(guò)預(yù)測(cè)的方式獲取主要用戶的信道占用特征；同時(shí)，對(duì)于任意的次要用戶時(shí)隙長(zhǎng)度，系統(tǒng)性能都能達(dá)到最優(yōu)化。
文檔編號(hào)H04L12/00GK101800623SQ201010104479
公開(kāi)日2010年8月11日 申請(qǐng)日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者屈代明, 曹洋, 江濤, 王德勝, 鐘國(guó)輝 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)