一種基于協(xié)商的非搶占式的頻譜接入方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及無線通信領域，尤其涉及一種認知無線電系統(tǒng)的頻譜接入方法。
【背景技術】
[0002]在當前頻譜資源緊缺與頻譜利用率低下矛盾日益凸顯的情況下，認知無線電技術受到了廣泛的關注。根據(jù)認知無線電的定義，次級用戶可以通過對環(huán)境感知的方式獲得頻譜空穴，并通過對其傳輸參數(shù)的調(diào)整從而接入相應的頻譜空穴完成傳輸。通過頻譜感知方式獲得頻譜空穴并且在不為主用戶授權的頻譜接入機制，可以稱為基于頻譜感知的頻譜接入機制。由此次級用戶可以通過實時的頻譜感知而獲得頻譜空穴并且靈活的接入可以頻譜，由此可以有效的提高系統(tǒng)容量，頻譜利用效率?，F(xiàn)有頻譜感知技術包括:能量檢測技術，匹配濾波檢測，循環(huán)平穩(wěn)特征檢測技術等。由于頻譜資源在主系統(tǒng)中使用的不確定性，因此何時以及如何對頻譜進行感知是基于頻譜感知的頻譜接入機制的關鍵問題。通常，在幀結構中安排短時間的靜默期用于周期性的頻譜感知。
[0003]在認知無線電技術中，次級用戶通過協(xié)商的方式采用頻譜租用的方式獲得對授權頻譜的使用權利，這種方式可以稱為基于頻譜租用的頻譜接入機制。主系統(tǒng)根據(jù)授權頻譜的使用時長，發(fā)射功率等參數(shù)對授權頻譜進行定價，將授權頻譜段租用給次級用戶或者次級系統(tǒng)。次級系統(tǒng)根據(jù)所承載的業(yè)務需求以及當前射頻環(huán)境制定無線頻譜交易以及管理信息。在當前靜態(tài)頻譜分配機制長期存在的大前提下，基于頻譜租用的思想更易為現(xiàn)有授權業(yè)務的服務提供商所接受。授權業(yè)務的服務提供商可以通過向次級系統(tǒng)出租暫時不用的頻譜資源從而獲得額外的收益，頻譜資源利用率得到相應的提高，且這種方法可以同時保障主用戶系統(tǒng)以及次級用戶系統(tǒng)的權益?，F(xiàn)有研宄給出了以經(jīng)濟模型為基礎的基于頻譜租用的頻譜接入機制，常用的方法包括拍賣機制以及博弈論等方法。
[0004]結合基于頻譜感知頻譜接入機制的靈活性以及基于頻譜租用頻譜接入機制的可靠性，從而提出了聯(lián)合頻譜租用與感知的頻譜接入機制。在這種頻譜接入機制中，主系統(tǒng)可以將授權頻譜劃分為保留信道與共享信道兩部分，次級系統(tǒng)通過租用獲得對共享信道的使用權，同時根據(jù)頻譜感知機會使用該頻譜。在這種情況下，授權業(yè)務的服務提供商可以通過頻譜租用獲得相應的收益且頻譜利用率得到提高；次級用戶僅對租用頻譜進行感知接入，不但提高了頻譜空穴的獲取效率，同時保證了主用戶的利益。目前對聯(lián)合租用以及感知的頻譜共享機制處于起步階段。
[0005]現(xiàn)有基于聯(lián)合頻譜租用與頻譜感知的接入機制，所采用的均為搶占式頻譜接入模式。在該機制模型下，主系統(tǒng)通過周期動態(tài)頻譜拍賣將頻譜租給次級用戶獲得收益，次級用戶通過頻譜感知機會式接入。次級用戶一旦感知到主用戶到達，需要立即采取中斷方式切換到其他空閑信道，停止對該授權頻譜的占用，從而保護主用戶的傳輸性能。在基于頻譜感知的頻譜接入機制中，均采用這種搶占式的頻譜接入策略，這是由于認知無線電定義中主用戶的傳輸性能不受有害干擾的前提。
[0006]由于頻譜資源分配現(xiàn)狀以及頻譜資源特殊性質(zhì)，認知無線電技術應用在動態(tài)頻譜共享機制中存在各種困難:
[0007]首先，基于頻譜感知的頻譜接入機制中由于所采用的頻譜感知技術限制以及無線環(huán)境中噪聲不確定性等問題，將會導致頻譜感知性能受到影響。由于授權頻譜范圍較大，在頻譜感知中對于何時以及如何對授權頻譜進行感知也是進行頻譜共享的關鍵問題?；趲Y構的認知無線電用戶，感知時間越長將會導致用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間較短，由此導致頻譜利用率低。而感知時間不足，將會導致感知性能較低，對主用戶的業(yè)務干擾就越大。因此，單純的采用基于頻譜感知的頻譜接入機制，設計頻譜感知的策略將是很大的挑戰(zhàn)同樣主用戶的服務質(zhì)量也很難得到保障。
[0008]基于頻譜租用的頻譜接入機制中的頻譜租用策略以及頻譜資源分配受到了越來越多的關注?；谂馁u以及博弈論等經(jīng)濟模型的機制用于頻譜租用策略的設計，可以在保證主系統(tǒng)利益的前提下提高頻譜利用率。然而，基于頻譜租用的頻譜接入機制由于租用協(xié)議的設計，導致主用戶必然在進行了頻譜出租后損失一部分授權頻譜資源，且在頻譜出租階段無法使用該部分資源。一旦主系統(tǒng)出現(xiàn)突發(fā)業(yè)務，授權業(yè)務將會受到嚴重的影響。根據(jù)認知無線電定義，頻譜共享的前提是保障授權業(yè)務不受到有害干擾。由于授權業(yè)務的不確定性，確定頻譜租用的周期也將面臨挑戰(zhàn)。
[0009]基于聯(lián)合頻譜租用以及感知的頻譜接入機制中，雖然結合了頻譜租用的可靠性以及頻譜感知的靈活性，使得主系統(tǒng)以及次級系統(tǒng)均可在保證雙方利益的同時提高了頻譜利用率。然而，目前對聯(lián)合租用以及感知的頻譜共享機制處于起步階段?，F(xiàn)有基于聯(lián)合頻譜租用與頻譜感知的接入機制，所采用均為搶占式頻譜接入模式。即次級用戶一旦感知到主用戶到達，需要立即采取中斷方式切換到其他空閑信道，停止對該授權頻譜的占用，從而保護主用戶的傳輸性能。實際上，基于聯(lián)合頻譜租用的頻譜接入機制前提是主用戶已知頻譜出租給次級用戶且預期授權業(yè)務將會受到一定的影響。同時，授權業(yè)務的服務質(zhì)量存在一定的冗余，即當受到的影響在一定范圍內(nèi)是并不會對實際業(yè)務造成干擾。另一方面，次級用戶通過租用以及感知獲得頻譜空穴進行業(yè)務傳輸，當一旦檢測到主用戶到達就立即切換且當無可切換頻譜空穴時即中斷業(yè)務。次級用戶通過對所使用的頻譜向主系統(tǒng)付費而獲得頻譜使用權，然而由于搶占式的接入模式將會導致頻繁的業(yè)務中斷，即強制中斷概率的情況出現(xiàn)。強制中斷概率的增大將會導致頻譜效率降低，同樣對次級用戶來說也是不能接受的。在基于聯(lián)合頻譜租用與感知的認知無線電網(wǎng)絡框架下，次級用戶的服務質(zhì)量也需要得到相應的保障。
[0010]在基于聯(lián)合頻譜租用以及頻譜感知的認知無線電網(wǎng)絡框架下，如何設計合理的頻譜接入機制，在不對主用戶的授權業(yè)務造成有害干擾情況下，最大化系統(tǒng)吞吐量是我們所關注的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011 ] 為了解決現(xiàn)有技術中問題，本發(fā)明提供了一種基于協(xié)商的非搶占式的頻譜接入方法，能夠有效解決了當前認知無線電網(wǎng)絡中頻譜接入機制的頻譜效率較低，次級用戶強制中斷概率以及平均時延較長的問題。
[0012]本發(fā)明通過如下技術方案實現(xiàn):
[0013]一種基于協(xié)商的非搶占式的頻譜接入方法，應用于認知無線電系統(tǒng)，其中，主用戶對于次級用戶具有非搶占式的信道使用優(yōu)先權，當沒有頻譜空穴可以切換時，次級用戶并不會為主用戶空出目前占用的授權頻譜直到當前傳輸結束，到達的主用戶需要等待一段時間以獲得可使用的頻譜；授權系統(tǒng)與認知無線電系統(tǒng)之間依靠輔助的控制信道通過頻譜代理進行信令交互，實現(xiàn)非搶占式頻譜接入控制；所述方法包括以下步驟:
[0014]SlOl:次級用戶通過周期性的頻譜感知對共享信道的情況進行實時的監(jiān)測，當次級用戶發(fā)現(xiàn)沒有空閑的頻譜信道時，執(zhí)行步驟S102，否則，執(zhí)行步驟S103 ;
[0015]S102:認知無線電系統(tǒng)通過頻譜代理向授權系統(tǒng)發(fā)生一個等待信令；接收到該信令后，授權系統(tǒng)通知授權用戶推遲當前發(fā)送的分組包，并通過頻譜代理通知認知無線電系統(tǒng)需要收回的目標信道；在所述目標信道傳輸?shù)拇渭売脩魧⒃诮Y束當前傳輸后立即空出信道，當所述目標信道在主用戶等待時間結束前完成時，所述主用戶接入目標信道，并且所述主用戶的服務只是產(chǎn)生了額外的延時；否則，所述主用戶將會被阻塞；
[0016]S103:認知無線電系統(tǒng)通過頻譜代理通知授權系統(tǒng)取消等待信令，主用戶和次級用戶的接入方式與搶占式頻譜接入方式的工作機制相同。
[0017]本發(fā)明的另一方面，提出了一種認知無線電系統(tǒng)，包括主系統(tǒng)、次級系統(tǒng)和頻譜代理，其中，主系統(tǒng)為授權系統(tǒng)，包括主用戶，次級系統(tǒng)中包括次級用戶接入點以及次級用戶；所述主系統(tǒng)將其授權頻譜劃分為兩個部分，一部分是僅為主用戶傳輸留下的預留信道，另一部分是與次級用戶共享的使用動態(tài)頻譜分配技術的信道；主系統(tǒng)通過頻譜代理暫時將共享頻譜部分出租給次級系統(tǒng)，次級用戶可以機會式的使用該部分頻譜空穴并對所使用的頻譜向授權系統(tǒng)付費；所述認知無線電系統(tǒng)采用本發(fā)明的基于協(xié)商的非搶占式的頻譜接入方法為新到達的用戶分配頻譜。
【附圖說明】
[0018]圖1是基于聯(lián)合頻譜感知與租用的認知無線電網(wǎng)絡系統(tǒng)；
[0019]圖2是認知無線電網(wǎng)絡系統(tǒng)的交互過程示意圖；
[0020]圖3是本發(fā)明的非搶占式頻譜接入方法示意圖；
[0021 ] 圖4是搶占式頻譜接入方法示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合【附圖說明】及【具體實施方式】對本發(fā)明進一步說明。
[0023]基于聯(lián)合頻譜感知與租用的認知無線電網(wǎng)絡系統(tǒng)框架如附圖1所示(其中，CU代表次級用戶，LU代表主要用戶)。基于聯(lián)合頻譜感知與租用的認知無線電網(wǎng)絡系統(tǒng)模型包括三個交互的部分:主系統(tǒng)(授權系統(tǒng))，頻譜代理以及次級系統(tǒng)。其中，次級系統(tǒng)中包括次級用戶接入