專利名稱：認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中機(jī)會(huì)頻譜資源的多用戶分布式接入方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中機(jī)會(huì)頻譜資源多用戶分布式接入方法。
背景技術(shù)：
隨著無(wú)線服務(wù)的快速發(fā)展，頻譜資源變得日益擁擠。幾乎所有可以使用的頻帶都已經(jīng)被授權(quán)分配給有關(guān)服務(wù)使用。然而，通過(guò)廣泛的測(cè)量發(fā)現(xiàn)在授權(quán)頻段中有很大的一部分處于未使用的狀態(tài)。認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)典型特點(diǎn)是未授權(quán)用戶對(duì)授權(quán)頻段的接入能力。為了提高頻譜資源的使用效率，需要設(shè)計(jì)一種有效機(jī)制來(lái)使未授權(quán)用戶接入授權(quán)用戶 的未被使用中的頻段，同時(shí)盡量減少對(duì)授權(quán)用戶正常工作產(chǎn)生干擾。目前，一般將認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的模型分為exclusive use (獨(dú)占使用)和hierarchical access (層級(jí)接入)兩種。獨(dú)占使用模型中，授權(quán)用戶將未被使用的頻段租賃給次級(jí)用戶使用。在層級(jí)接入模型中，次級(jí)用戶伺機(jī)傳輸數(shù)據(jù)當(dāng)主用戶處于空閑狀態(tài)。在層級(jí)接入模型中，根據(jù)主用戶行為的動(dòng)態(tài)特性又可以將次級(jí)用戶的頻譜使用分為dynamic spectrum allocation(動(dòng)態(tài)步頁(yè)譜分配)和 opportunistic spectrum access (機(jī)會(huì)頻譜接入)兩種。在動(dòng)態(tài)頻譜分配中，主用戶的動(dòng)態(tài)特性較低，頻譜資源在一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)處于未使用狀態(tài)。然而在機(jī)會(huì)頻譜接入中，主用戶的動(dòng)態(tài)特性較高，頻譜資源的空閑狀態(tài)只持續(xù)一段較短的時(shí)隙。機(jī)會(huì)頻譜接入的最大挑戰(zhàn)是頻譜感知信息的不完全性和不可靠性，因此難以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)會(huì)頻譜資源的有效利用。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，機(jī)會(huì)頻譜接入技術(shù)目前多關(guān)注于基于非完全感知信息的最優(yōu)頻譜接入策略與合作式頻譜感知機(jī)制的設(shè)計(jì)。Huang等于2008年在The 27th Conference On ComputerCommunications (美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)計(jì)算機(jī)通信會(huì)議)上發(fā)表的“Opportunisticspectrum access in cognitive radio networks”(認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的機(jī)會(huì)頻譜接入)，提出了使用感知、退避和傳輸機(jī)制的三種頻譜接入方案，并給出了對(duì)于次級(jí)用戶性能的閉式分析。Anandkumar等于2010年發(fā)表在IEEE INF0C0M(電氣電子工程師協(xié)會(huì)計(jì)算機(jī)通信國(guó)際會(huì)議)上的 “Opportunistic spectrum access with multiple users learningunder competition”(多用戶的機(jī)會(huì)頻譜接入考慮用戶競(jìng)爭(zhēng)的學(xué)習(xí)算法)，研究了如何使多個(gè)次級(jí)用戶中合作式分配達(dá)到總吞吐量最大，并提出了一種學(xué)習(xí)機(jī)制以分布式的方式達(dá)到關(guān)于后悔的漸進(jìn)式最優(yōu)。但是上述文獻(xiàn)的方法有較強(qiáng)的應(yīng)用局限。Ahmad等于2009年發(fā)表在Information Theory, IEEE Transactions (美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)信息論)上的 “Optimality of myopic sensing in multichannel opportunistic access，，(多步頁(yè)道機(jī)會(huì)接入中短視感知方法的最優(yōu)性)，證明了在主用戶是獨(dú)立和同等分布下的馬爾科夫過(guò)程模型中，當(dāng)狀態(tài)變化與時(shí)間正相關(guān)時(shí)短視感知策略是最優(yōu)的。Tekin等于2011年在IEEE INF0C0M(電氣電子工程師協(xié)會(huì)計(jì)算機(jī)通信國(guó)際會(huì)議)上發(fā)表的“Online learning inopportunistic spectrum access A restless bandit approach，，(機(jī)會(huì)步頁(yè)譜接入的在線學(xué)習(xí)機(jī)制)，構(gòu)造了一個(gè)考慮主用戶頻段時(shí)變條件下次級(jí)用戶頻譜接入的在線學(xué)習(xí)算法。但是上述算法的缺陷在于均采用集中式算法，擁有較高的運(yùn)算復(fù)雜度以及額外的通信開(kāi)銷。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索還發(fā)現(xiàn)，在解決無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的資源分配問(wèn)題上應(yīng)用博弈理論有著一般方法無(wú)法具備的優(yōu)良特性一方面能夠使得各移動(dòng)用戶改變自身參數(shù)來(lái)最大化自身利益如提高傳輸速率、降低差錯(cuò)概率等；另一方面能夠使系統(tǒng)總的利益如總吞吐量、總傳輸速率等最大化。因此，如何利用博弈原理，來(lái)實(shí)現(xiàn)在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中機(jī)會(huì)頻譜資源的頻譜接入是值得研究的重要方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，提出了一種認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中機(jī)會(huì)頻譜資源多用戶分布式接入方法，該方法適用于具有多個(gè)主用戶信道的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，分布式執(zhí)行，復(fù)雜度低；節(jié)省信令開(kāi)銷，無(wú)線接入點(diǎn)之間、次級(jí)用戶之間都不需要信息交互。一個(gè)特定的地理區(qū)域有主用戶系統(tǒng)工作在多個(gè)主用戶信道上，并且采用分時(shí)隙工作方式。但是，這些信道并不是一直被主用戶使用，因此存在空閑的時(shí)隙可以被次級(jí)用戶使 用。在此區(qū)域內(nèi)，還存在多個(gè)頻譜檢測(cè)單元APi, I彡i彡M檢測(cè)主用戶信道的占用情況。由于主用戶信道的空閑時(shí)間所含時(shí)隙數(shù)是隨機(jī)的，因此AP得到的檢測(cè)信息包含空閑時(shí)間時(shí)隙數(shù)的分布特性與起始時(shí)刻。另外，AP還需通過(guò)限定接入某一信道的次級(jí)用戶SU數(shù)量來(lái)確保對(duì)主用戶的干擾不超過(guò)限定值?？紤]存在N個(gè)次級(jí)用戶SUi,需要利用主用戶信道的空閑時(shí)隙傳輸數(shù)據(jù)。次級(jí)用戶僅需根據(jù)APi, l^i^M的廣播信息決定接入某個(gè)信道的某個(gè)時(shí)隙，得到AP許可后即可接入。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供一種認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中機(jī)會(huì)頻譜資源的多用戶分布式接入方法，針對(duì)N個(gè)需要選擇接入信道、并申請(qǐng)使用該信道的一個(gè)時(shí)隙的次級(jí)用戶SUi, I < i SN，設(shè)置M個(gè)頻譜檢測(cè)單元APi, I ^ i ^ M，其中M彡2，具體地，包括如下步驟步驟一各頻譜檢測(cè)單元APi, I彡i彡M選擇主用戶的一個(gè)信道進(jìn)行感知，并向所有次級(jí)用戶SUi, I ( i < N廣播檢測(cè)信息；步驟二 次級(jí)用戶SUi解碼各頻譜檢測(cè)單元APi的廣播信息，根據(jù)自身的效用函數(shù)對(duì)信道做出選擇后，將選擇結(jié)果傳輸給相應(yīng)的頻譜檢測(cè)單元；步驟三各頻譜檢測(cè)單元APi統(tǒng)計(jì)接入的次級(jí)用戶數(shù)量，然后將接入用戶的數(shù)量廣播給所有次級(jí)用戶SUi ；步驟四為保證對(duì)主用戶的干擾不超過(guò)限定值，各頻譜檢測(cè)單元APi將超過(guò)上限數(shù)量的次級(jí)用戶從系統(tǒng)中剔除；步驟五重復(fù)步驟二、三、四至次級(jí)用戶的選擇達(dá)到均衡狀態(tài)；步驟六次級(jí)用戶SUi根據(jù)時(shí)隙的統(tǒng)計(jì)特征確定時(shí)隙選擇的策略并開(kāi)始傳輸。優(yōu)選地，所述步驟一中頻譜檢測(cè)單元對(duì)信道的感知內(nèi)容為信道中每個(gè)時(shí)隙的占用情況，并根據(jù)占用情況生成對(duì)該信道的檢測(cè)信息。優(yōu)選地，所述步驟一中頻譜檢測(cè)單元APi將檢測(cè)主用戶的信道Ci得到檢測(cè)結(jié)果ST = [Si，S2,..,, 其中Sj = I表示時(shí)隙j被PUi占用，Sj = 0表示時(shí)隙j未被PUi占用。并由此檢測(cè)結(jié)果得到空閑時(shí)間時(shí)隙數(shù)的分布特性與起始時(shí)刻等檢測(cè)信息?？臻e時(shí)間時(shí)隙數(shù)的分布特性由分布函數(shù)類型 i空閑時(shí)段的開(kāi)始時(shí)刻ti和當(dāng)前接入次級(jí)用戶數(shù)量Ni, Ni初始化為O。所述信道Ci中空閑時(shí)隙的分布類型 i根據(jù)信道使用情況# = [S1, S2,..
統(tǒng)計(jì)特性決定。優(yōu)選地，所述步驟二中解碼各頻譜檢測(cè)單元APi的廣播信息包括空閑時(shí)段的開(kāi)始時(shí)刻\、信道Ci中空閑時(shí)間中各時(shí)隙的空閑概率名= 14’…’峙， ]、以及選擇信道Ci的次級(jí)用戶的數(shù)量隊(duì)。優(yōu)選地，所述次級(jí)用戶SUi輪流對(duì)接入的信道做出選擇的方法是次級(jí)用戶SUi根據(jù)信道Ci的時(shí)隙空閑概率
權(quán)利要求
1.一種認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中機(jī)會(huì)頻譜資源的多用戶分布式接入方法，其特征在于，針對(duì)N個(gè)需要選擇接入信道、并申請(qǐng)使用該信道的一個(gè)時(shí)隙的次級(jí)用戶SUi, I < i SN，設(shè)置M個(gè)頻譜檢測(cè)單元APi, I ^ i ^ M，其中M彡2，具體地，包括如下步驟 步驟一各頻譜檢測(cè)單元APi, I < i SM選擇主用戶的一個(gè)信道進(jìn)行感知，并向所有次級(jí)用戶SUi, I ( i < N廣播檢測(cè)信息； 步驟二 次級(jí)用戶SUi解碼各頻譜檢測(cè)單元APi的廣播信息，根據(jù)自身的效用函數(shù)對(duì)信道做出選擇后，將選擇結(jié)果傳輸給相應(yīng)的頻譜檢測(cè)單元； 步驟三各頻譜檢測(cè)單元APi統(tǒng)計(jì)接入的次級(jí)用戶數(shù)量，然后將接入用戶的數(shù)量廣播給所有次級(jí)用戶SUi ； 步驟四為保證對(duì)主用戶的干擾不超過(guò)限定值，各頻譜檢測(cè)單元APi將超過(guò)上限數(shù)量的次級(jí)用戶從系統(tǒng)中剔除； 步驟五重復(fù)步驟二、三、四至次級(jí)用戶的選擇達(dá)到均衡狀態(tài)； 步驟六次級(jí)用戶SUi根據(jù)時(shí)隙的統(tǒng)計(jì)特征確定時(shí)隙選擇的策略，并開(kāi)始傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的機(jī)會(huì)頻譜資源的多用戶分布式接入方法，其特征是，所述步驟一中頻譜檢測(cè)單元APi, I < i SM對(duì)信道的感知內(nèi)容為信道中每個(gè)時(shí)隙的占用情況，并根據(jù)占用情況生成對(duì)該信道的檢測(cè)信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中機(jī)會(huì)頻譜資源的多用戶分布式接入方法，其特征是，所述信道的檢測(cè)信息包括分布函數(shù)類型Qi空閑時(shí)段的開(kāi)始時(shí)刻\和當(dāng)前接入次級(jí)用戶數(shù)量Ni, Ni初始化為O ;所述信道Ci中空閑時(shí)隙的分布類型Qi根據(jù)信道使用情況 = (sI) ^2, , 的統(tǒng)計(jì)特性決定。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中機(jī)會(huì)頻譜資源的多用戶分布式接入方法，其特征是，所述步驟二中解碼各頻譜檢測(cè)單元APi的廣播信息包括空閑時(shí)段的開(kāi)始時(shí)刻\、信道Ci中空閑時(shí)間中各時(shí)隙的空閑概率厶= [<，...，zt...]，以及選擇信道Ci的次級(jí)用戶的數(shù)量NiO
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中機(jī)會(huì)頻譜資源的多用戶分布式接入方法，其特征是，所述根據(jù)自身的效用函數(shù)對(duì)信道做出選擇的方法為次級(jí)用戶SUi根據(jù)信道Ci的時(shí)隙空閑概率厶=]、以及選擇信道Ci的次級(jí)用戶的數(shù)量Ni,計(jì)算得到選擇頻譜檢測(cè)單元APi獲得的收益Ui, SP :
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中機(jī)會(huì)頻譜資源的多用戶分布式接入方法，其特征是，所述步驟三中譜檢測(cè)單元需要重新統(tǒng)計(jì)并廣播給所有次級(jí)用戶是發(fā)生在每一輪所有次級(jí)用戶都做出選擇一次之后。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中機(jī)會(huì)頻譜資源的多用戶分布式接入方法，其特征是，所述步驟四的上限數(shù)量是指選擇信道Ci的實(shí)際用戶數(shù)量Ni大于其可以實(shí)際容納的數(shù)量At其中
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中機(jī)會(huì)頻譜資源的多用戶分布式接入方法，其特征是，所述將超過(guò)上限數(shù)量的次級(jí)用戶從系統(tǒng)中剔除是當(dāng)選擇該信道的次級(jí)用戶數(shù)量高于其允許上限時(shí)，頻譜檢測(cè)單元將隨機(jī)選出= Ni- iV 個(gè)次級(jí)用戶并給他們發(fā)送拒絕服務(wù)請(qǐng)求，同時(shí)向剩下的選擇該無(wú)線接入點(diǎn)的巧個(gè)次級(jí)用戶發(fā)送同意服務(wù)請(qǐng)求。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中機(jī)會(huì)頻譜資源的多用戶分布式接入方法，其特征是，所述步驟六中的時(shí)隙選擇的策略是指次級(jí)用戶SUJg據(jù)信道Ci的時(shí)隙空閑概率
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中機(jī)會(huì)頻譜資源的多用戶分布式接入方法，其特征是，所述步驟五中的均衡狀態(tài)是指各次級(jí)用戶選擇對(duì)信道的選擇趨于穩(wěn)定，不會(huì)有用戶單方面提高自身的期望收益而跳轉(zhuǎn)到其他的信道；繼續(xù)重復(fù)步驟二、三、四，各信道Ci的次級(jí)用戶的數(shù)量Ni和次級(jí)用戶的收益Ui不會(huì)發(fā)生變化。
全文摘要
本發(fā)明提供一種認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中機(jī)會(huì)頻譜資源的多用戶分布式接入方法，包括步驟每個(gè)頻譜檢測(cè)單元各自選擇一個(gè)主用戶信道并掃描其使用情況，并將生成的信道檢測(cè)信息廣播給在此區(qū)域的次級(jí)用戶；每個(gè)次級(jí)用戶根據(jù)自身的效用函數(shù)選擇合適的信道進(jìn)行接入；各頻譜檢測(cè)單元統(tǒng)計(jì)接入的次級(jí)用戶數(shù)量并廣播用戶接入數(shù)量；對(duì)超過(guò)該信道上限數(shù)量限制的次級(jí)用戶進(jìn)行剔除；重復(fù)上述過(guò)程直至均衡狀態(tài)，隨后在信道內(nèi)部進(jìn)行時(shí)隙資源分配；次級(jí)用戶SUi根據(jù)時(shí)隙的統(tǒng)計(jì)特征確定時(shí)隙選擇的策略，并使用該時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本方法適用于具有多個(gè)頻譜擁有者的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，分布式執(zhí)行，復(fù)雜度低；節(jié)省信令開(kāi)銷。各頻譜檢測(cè)單元僅需協(xié)調(diào)各信道上的次級(jí)用戶數(shù)量。
文檔編號(hào)H04W16/10GK102711115SQ20121016647
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月24日
發(fā)明者馮心欣, 孫高飛, 王新兵, 田曉華, 韋騰 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)