一種應(yīng)用于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的多用戶(hù)信道感知方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的多用戶(hù)信道 感知方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在世界不同地區(qū)，無(wú)線(xiàn)頻譜大都被劃分給形形色色的機(jī)構(gòu)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 頻譜的短缺必將成為無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。近年來(lái)，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)進(jìn)入大眾的 視野，旨在充分利用閑置的已授權(quán)頻譜來(lái)緩解頻譜短缺的問(wèn)題。
[0003] 在認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中，次級(jí)用戶(hù)（非授權(quán)用戶(hù))可以在主用戶(hù)(授權(quán)用戶(hù))沒(méi)有使用 相關(guān)頻段時(shí)進(jìn)行收發(fā)信號(hào)。這意味著次級(jí)用戶(hù)的優(yōu)先級(jí)要低于主用戶(hù)。所以在頻譜接入時(shí)， 次級(jí)用戶(hù)必須在進(jìn)行傳輸之前，感知有無(wú)主用戶(hù)正在使用該頻譜。由于大量的潛在信道存 在，次級(jí)用戶(hù)可以選擇多信道傳輸。這項(xiàng)技術(shù)稱(chēng)為多信道認(rèn)知接入控制。
[0004] 次級(jí)用戶(hù)首先選擇一個(gè)信道進(jìn)行感知，若信道空閑則開(kāi)始傳輸信號(hào)，若信道被占 用則在一段時(shí)間內(nèi)保持靜默，不進(jìn)行傳輸和感知。另一方面，次級(jí)用戶(hù)可以按順序連續(xù)感知 信道，直至感知到空閑信道為止。在這個(gè)背景下，信道感知順序和相關(guān)停止規(guī)則（即何時(shí)停 止感知及何時(shí)開(kāi)始傳輸信號(hào))是十分必要的。
[0005] 在多用戶(hù)分布式感知的情況下，會(huì)存在多個(gè)次級(jí)用戶(hù)同時(shí)偵測(cè)到該信道未被主用 戶(hù)使用并決定同時(shí)接入該信道的情況，造成沖突，所以需要根據(jù)不同用戶(hù)制定不同的感知 和停止策略。
[0006] 目前，大部分有關(guān)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電感知策略的研究主要在單次級(jí)用戶(hù)的感知順序及其 相關(guān)停止策略，以及單一策略的集中式感知等方面。而針對(duì)多用戶(hù)的分布式感知策略研究 開(kāi)展的較少，目前一般采用窮舉搜索的方法進(jìn)行感知策略的制定，在次級(jí)用戶(hù)較多和潛在 可用信道較多時(shí)，算法復(fù)雜度極高，實(shí)用性差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的多用戶(hù)信道感知方法，能夠?qū)?現(xiàn)多個(gè)次級(jí)用戶(hù)的信道感知，且次級(jí)用戶(hù)碰撞概率低、系統(tǒng)平均吞吐量高，系統(tǒng)復(fù)雜度低， 且性能可比擬窮舉搜索算法。
[0008] 本發(fā)明的應(yīng)用于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)的多用戶(hù)信道感知方法，所述網(wǎng)絡(luò)包括m個(gè)次級(jí) 用戶(hù)，N個(gè)潛在可用的信道，~>>!11， 11^2，信道感知方法包括如下步驟：
[0009] 步驟1，將所有潛在可用的信道按其在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)未被主用戶(hù)使用的概率，從大到 小進(jìn)行排序并編號(hào)；
[0010] 步驟2，感知前m個(gè)信道，包括如下子步驟：
[0011] 步驟2.1，對(duì)于前m個(gè)信道Si，S2，... Sm，各次級(jí)用戶(hù)分別采用窮舉法獲得所有可能 的信道感知順序，每一個(gè)次級(jí)用戶(hù)均有m!種信道感知順序;計(jì)算各信道感知順序下的次級(jí) 用戶(hù)吞吐量；
[0012] 步驟2.2,分別從每個(gè)次級(jí)用戶(hù)的m!種信道感知順序中任意挑選一個(gè)進(jìn)行組合，共 有(m!)m種組合，計(jì)算各組合下的系統(tǒng)平均吞吐量，所述系統(tǒng)平均吞吐量為該組合下m個(gè)次 級(jí)用戶(hù)的次級(jí)用戶(hù)吞吐量總和；
[0013] 步驟2.3,找到最大系統(tǒng)平均吞吐量對(duì)應(yīng)的組合，該組合對(duì)應(yīng)的各次級(jí)用戶(hù)的信道 感知順序組合AmB mCmDf_即為m個(gè)次級(jí)用戶(hù)的前m個(gè)信道的最優(yōu)感知順序組合;其中，Am為用 戶(hù)1的前m個(gè)信道的最優(yōu)感知順序，B m為用戶(hù)2的前m個(gè)信道的最優(yōu)感知順序，依次類(lèi)推；
[0014] 步驟3,感知第m+1個(gè)信道，包括如下子步驟：
[0015] 步驟3.1，各次級(jí)用戶(hù)分別將信道Sm+1加入至步驟2獲得的本次級(jí)用戶(hù)的最優(yōu)感知 順序中，并保持原有m個(gè)信道Si，S 2,. . .Sm的相對(duì)感知順序位置不變，每一個(gè)次級(jí)用戶(hù)均有m+ 1種信道感知順序;計(jì)算各信道感知順序下的次級(jí)用戶(hù)吞吐量；
[0016] 步驟3.2,分別從每個(gè)次級(jí)用戶(hù)的m+1種信道感知順序中任意挑選一個(gè)進(jìn)行組合， 共有(m+l)m種組合;計(jì)算各組合下的系統(tǒng)平均吞吐量；
[0017] 步驟3.3，找到最大系統(tǒng)平均吞吐量對(duì)應(yīng)的組合，該組合對(duì)應(yīng)的各次級(jí)用戶(hù)的信道 感知順序組合Am+1B m+1Cm+1Dm+1…即為m個(gè)次級(jí)用戶(hù)的前m+1個(gè)信道的最優(yōu)感知順序組合；其 中，Am+i為用戶(hù)1的前m+1個(gè)信道的最優(yōu)感知順序，Bm+i為用戶(hù)2的前m+1個(gè)信道的最優(yōu)感知順 序，依次類(lèi)推；
[0018]步驟4，按照步驟3的方式，依次感知第m+2、m+3、…、N個(gè)信道，最終獲得的m個(gè)次級(jí) 用戶(hù)的N個(gè)信道的最優(yōu)感知順序組合即為最終的m個(gè)次級(jí)用戶(hù)的N個(gè)信道的信道感知順序 AnBnCnDn…；其中，An為用戶(hù)1的N個(gè)信道的最優(yōu)感知順序，Bn為用戶(hù)2的N個(gè)信道的最優(yōu)感知順 序，依次類(lèi)推。
[0019] 有益效果：
[0020] (1)本發(fā)明通過(guò)協(xié)調(diào)器集中制定多次級(jí)用戶(hù)的感知策略，降低了多個(gè)次級(jí)用戶(hù)發(fā) 生沖突的概率，增加了系統(tǒng)平均吞吐量。
[0021] (2)與傳統(tǒng)窮舉搜索法相比，在僅損失小部分性能的代價(jià)下，降低了多次級(jí)用戶(hù)分 布式感知策略的復(fù)雜度。傳統(tǒng)窮舉搜索法的計(jì)算復(fù)雜度為〇((N!) m)，而本發(fā)明提出的增量 算法的復(fù)雜度僅為〇((m!；T+ t 。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1為本發(fā)明方法流程圖。
[0023] 圖2為本發(fā)明感知方式的時(shí)隙結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0025] 本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的多用戶(hù)信道感知方法，在大幅降低次級(jí)用 戶(hù)碰撞概率、提升系統(tǒng)平均吞吐量的前提下，性能可比擬窮舉搜索算法，且復(fù)雜度低，可用 于多次級(jí)用戶(hù)分布式感知。
[0026] 能量和特征檢測(cè)是兩種主流感知方法。能量檢測(cè)法中感知一個(gè)信道一般僅需要不 到lms的時(shí)間，而特征檢測(cè)則需要超過(guò)20ms。由于每個(gè)用戶(hù)在每個(gè)時(shí)隙需要連續(xù)感知多個(gè)信 道，所以本發(fā)明僅適用于使用能量檢測(cè)方法的感知網(wǎng)絡(luò)。
[0027] 考慮一種含有一個(gè)協(xié)調(diào)器和m個(gè)次級(jí)用戶(hù)的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)潛在可用信道集 為S(S= {si，S2,. . .，sn}，N> >m，m 2 2)，每個(gè)用戶(hù)一次可感知一個(gè)信道，并有自己的感知順 序。例如：用戶(hù)1的感知順序通過(guò)(ai，a2, . . .，ak, . . .，aN)表示，用戶(hù)2的感知順序通過(guò)(bi, b2, . . .，bk，. . .，bN)表示等。其中下標(biāo)k表示信道的感知位置，即ak表示用戶(hù)1第k個(gè)需感知的 信道，b k表示用戶(hù)2第k個(gè)需感知的信道，以此類(lèi)推。
[0028] 整個(gè)感知網(wǎng)絡(luò)假設(shè)嚴(yán)格同步，同時(shí)感知方式采用時(shí)隙結(jié)構(gòu)，即將信號(hào)感知與傳輸 總時(shí)間等分為時(shí)長(zhǎng)為t的多個(gè)時(shí)隙。感知時(shí)隙結(jié)構(gòu)如圖2所示。在圖2中，假設(shè)用戶(hù)在感知到 第k個(gè)信道時(shí)發(fā)現(xiàn)空閑，于是利用該時(shí)隙的剩余時(shí)間在第k個(gè)信道傳輸數(shù)據(jù)。時(shí)隙中用于感 知每個(gè)信道的時(shí)間用T代表。每個(gè)時(shí)隙包含感知部分(最大NX T)和傳輸部分(最小t-NXT)。 如果一個(gè)用戶(hù)在第k個(gè)信道完成感知，則感知部分為kh傳輸部分為t-kh時(shí)隙效率由傳輸 部分占整個(gè)時(shí)隙的百分比表示。當(dāng)一個(gè)用戶(hù)在第k個(gè)信道完成感知，則時(shí)隙效率 ck為
[0029] Ck=(t-kx)/t (1)
[0030] 在每個(gè)時(shí)隙中，每個(gè)信道只存在被主用戶(hù)整個(gè)占用、被次級(jí)用戶(hù)整個(gè)占用或未被 占用三種情況。通過(guò)預(yù)先對(duì)信道特性及主用戶(hù)對(duì)該信道的使用習(xí)慣等先驗(yàn)信息，可得在一 個(gè)時(shí)隙內(nèi)信道 81未被主用戶(hù)使用的概率^^(^^^^。對(duì)于每一個(gè)信道左用戶(hù)在某 個(gè)時(shí)隙的狀態(tài)獨(dú)立于其他時(shí)隙，亦獨(dú)立于其他信道。
[0031] 信道集S中，信道依照大小進(jìn)行排序編號(hào)，SP: 4，Vies
[0032] 每個(gè)次級(jí)用戶(hù)在每個(gè)時(shí)隙開(kāi)始時(shí)，依照各自的感知順序?qū)π诺肋M(jìn)行感知，直至找 到空閑信道。如果某次級(jí)用戶(hù)決定接入某個(gè)信道，稱(chēng)該用戶(hù)在該信道"停止"了。每個(gè)次級(jí)用 戶(hù)在每個(gè)時(shí)隙均需要感知信道并且選擇某個(gè)空閑信道傳輸信號(hào)。如果某個(gè)次級(jí)用戶(hù)決定停 止于某個(gè)信道，該次級(jí)用戶(hù)將選擇相應(yīng)的速率R傳輸信號(hào)。
[0033] 本發(fā)明以多次級(jí)用戶(hù)協(xié)同感知為出發(fā)點(diǎn)，考慮協(xié)調(diào)器的運(yùn)算復(fù)雜度，使在不損失 大量性能的前提下，盡可能降低感知方法的計(jì)算復(fù)雜度，多個(gè)次級(jí)用戶(hù)的信道感知方法具 體通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0034] 步驟一:對(duì)于所有m個(gè)次級(jí)用戶(hù)，前m個(gè)信道感知采取傳統(tǒng)窮舉搜索算法。由于信道 1至信道m(xù)的主用戶(hù)空閑概率（分別為…<..)最大，所以潛在可用信道集是{ Sl， S2, . . .，Sm}。假如一個(gè)用戶(hù)在第k個(gè)信道完成感知，定義一個(gè)次級(jí)用戶(hù)的數(shù)據(jù)吞吐量Uk為一 個(gè)時(shí)隙能傳輸?shù)男畔⒈忍?，即?br>[0035] Uk = R ? ck (2)
[0036] 對(duì)于每一個(gè)次級(jí)用戶(hù)，采用窮舉的方法獲得其所有可能的前m個(gè)信道的感知順序。 以次級(jí)用戶(hù)1為例，其前m個(gè)信道的所有可能的感知順序分別為（S1，S2，S3. . .，Sm)，（S2，S1, S3 ? ? ? , Sm)，（SI ,S3 ,S2 ? ? ? , Sm),…，（Sm,Sm-1 ,Sm-2 ? . ? , SI)，共(m!)種順序。則對(duì)應(yīng)于次級(jí)用戶(hù)1 的第一種感知順序(S1，S2，S3. . .，Sm)，此時(shí)次級(jí)用戶(hù)1的吞吐量Ul_l為： U +(1_^ ^
[0037] ――: ' ⑶ +(1-^ )*(]〇 )*...?(]-6^
[0038] 對(duì)應(yīng)于次級(jí)用戶(hù)1的第二種感知順序(82,81， 83,84，...，&)，此時(shí)次級(jí)用戶(hù)1的吞吐 量Ul-2為：
[0039] +(1-6〇(l-A )*(1-心成丨?穴*('4+… （4). +(1 - (9、）*(1，_6^ )*_,_?([ -0 )*沒(méi)' */??(-~"
[0040] 對(duì)應(yīng)于次級(jí)用戶(hù)1的第三種感知順序(S1，S3， S2，S4，S5. . .，Sm)，此時(shí)次級(jí)用戶(hù)1的吞 吐量Ul_3為：
[0041] L/, 5 = 〇： .R.c, +(\~Os M,-R>c2 + (1 - 6>., )?(I - ^ ； )>0., -K1 -必）*(1 -沒(méi)、)*U -沒(méi)二'義*心+ (1 -6 M卜R;)K1-沒(méi)J(.l-見(jiàn)4)*沒(méi)%*及…（.5). +(1 ~ 〇. )?( 1 " 〇s )K 1 ~ 〇. )*...*( 1 - 0. )*Os *R*c/t,
[0042]依次類(lèi)推，得到次級(jí)用戶(hù)1的所有可能的感知順序?qū)?yīng)的次級(jí)用戶(hù)1吞吐量U〇， Ul-2，? ? ?，Ul-(m!) 〇
[0043] 同樣地，獲得各次級(jí)用戶(hù)的所有的感知順序?qū)?yīng)的次級(jí)用戶(hù)吞吐量。
[0044] 系統(tǒng)平均吞吐量為m個(gè)次級(jí)用戶(hù)吞吐量的總和，共有(m!)m種情況，對(duì)應(yīng)各次級(jí)用 戶(hù)不同感知順序所對(duì)應(yīng)的次級(jí)用戶(hù)吞吐量組合，即
[0045] Ut〇i-i = Ui-1+U2-1+. ? ?+Um-1
[0046] Utol-2 = Ul-1+U2-1