專利名稱：無線電網(wǎng)絡(luò)吞吐量的頻譜感知優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)化方法，具體是一種基于最大化認知
的無線電網(wǎng)絡(luò)吞吐量的頻譜感知優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
認知無線電是解決當(dāng)前頻譜資源稀缺問題的關(guān)鍵技術(shù)，在《認知無線電智能 無線通信》(Cognitive radio :brain-empowered wireless communications, Haykin S. JSAC2005. 2005. 201-220)中指出，頻譜資源稀缺問題的產(chǎn)生并不是由于物理頻譜本身不 能滿足當(dāng)前通信業(yè)務(wù)的需要，而是由于當(dāng)前采用的靜態(tài)頻譜分配方式導(dǎo)致頻譜利用率的嚴 重不足。認知無線電允許次用戶動態(tài)的感知頻譜利用信息，智能地找到并接入空閑的可用 頻譜，從而極大地提高了頻譜利用率。 頻譜感知策略是認知無線電的一個重要保證技術(shù)。受硬件資源和時效性所限，次 用戶往往不可能對所有的授權(quán)信道進行頻譜感知，因此，如何制定一種頻譜感知策略使得 次用戶能在多個信道中選擇最好的信道進行感知具有非常重要的意義。目前，對頻譜感知 策略的研究主要分為兩類單用戶情形和多用戶情形。 在單用戶情形下，感知策略只考慮單個次用戶的最優(yōu)頻譜選擇感知方案，而 不考慮多個次用戶之間的相互影響。參考文獻"多信道機會接入下近視感知的最優(yōu) 性，，(Optimalityof myopic sensing in mult卜cha皿el opportunistic access, Javidi T， Krishnamachari B， Zhao Q， Liu M. ICC 2008. 2008. 2107-2112)對按馬爾科夫過程變化 的隨機信道提出了近視準(zhǔn)則的最優(yōu)感知方案。次用戶在每個時隙選擇最有可能處于空閑狀 態(tài)的信道進行感知，而不考慮當(dāng)前的感知會對未來信道的空閑概率所產(chǎn)生的影響。上述文 獻證明在單用戶場景下，這種最優(yōu)化眼前利益的策略可以在某些條件下保證次用戶在整個 感知過程中獲得最大的信道利用率。但是，該策略僅對單用戶有效，在多用戶場景下，采用 該策略將導(dǎo)致所有次用戶每個時隙均選擇同一信道進行感知，從而產(chǎn)生嚴重的沖突并最終 導(dǎo)致每個時隙只能有一個次用戶可以接入信道。 經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，《HC-MAC :—種硬件受限的認知無線電MAC協(xié)議及 其頻譜管理的有效》(HC-MAC :a hardware-constrained cognitive MAC for efficient spectrummanagement， Jia J，Zhang Q，Shen X. JSAC 2008.2008. 106-117)記載了一種考慮 在多信道感知問題中，次用戶應(yīng)當(dāng)在何時選擇終止感知過程，并開始傳輸數(shù)據(jù)的方法，該技 術(shù)對這一問題予以數(shù)學(xué)建模，給出了最優(yōu)停止策略模型，并用動態(tài)規(guī)劃的方法給予解決，同 時也給出了具體的MAC實現(xiàn)協(xié)議。同樣，該協(xié)議在推廣到多用戶場景時，會導(dǎo)致所有次用戶 均選擇同一個信道進行頻譜感知，并選擇在同一個時隙終止感知，從而產(chǎn)生嚴重的沖突，因 此僅適合單次用戶場景。 在多用戶情形下，頻譜感知策略需要考慮不同次用戶之間決策的相互影響。目前 已有的研究大多停留在不同次用戶以合作方式進行頻譜感知，即為避免多個次用戶感知同 一信道而產(chǎn)生沖突，次用戶之間互相合作，以求達到網(wǎng)絡(luò)吞吐量的最大化。
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又經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，《一種保證QoS的基于跨層設(shè)計的機會接入認知無線 電MAC協(xié)議〉〉(Cross-layer based opportunistic MAC protocols for QoS provisionings overcognitive radio wireless networks, Su H， Zhang X. JSAC 2008. 2008. 118-129) 提出兩種感知策略隨機化非合作感知和無沖突合作感知，并對這兩種策略給出了 具體的MAC協(xié)議并予以建模分析；另外《多用戶多信道機會感知的隨機接入策略》
(Randomizedstrategies for multi-user multi-cha皿el opportunity sensing, Liu H，
Krishnamachari B. CCNC 2008)進一步提出最大化頻譜利用率的合作感知方法，建立了最
優(yōu)二部圖匹配模型并以匈牙利算法予以求解。但是該方法需要中心控制器集中式的完成頻
譜感知分配過程，缺少分布式實現(xiàn)機制，不適合用于大規(guī)模的認知無線電網(wǎng)絡(luò)。 綜上所述，現(xiàn)階段多用戶合作頻譜感知存在以下技術(shù)問題有待改進 1)在認知無線電網(wǎng)絡(luò)中，次用戶可能來自各種不同的網(wǎng)絡(luò)組織，因此要求這些次
用戶愿意接受合作方式以犧牲自我利益的前提假設(shè)不能得到保證。在鼓勵動態(tài)頻譜接入的
認知無線電網(wǎng)絡(luò)中，次用戶的自私性具有普遍存在性，合作感知未能考慮該自私性。 2)合作頻譜感知需要參與的次用戶進行大量的信息交互，因此分布式的實現(xiàn)方式
可能會給網(wǎng)絡(luò)帶來繁重的信息傳輸負擔(dān)，而集中式的實現(xiàn)方式在很多情形下并不能應(yīng)對較
大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 總之，目前大多數(shù)基于多用戶情形的頻譜感知方法未能考慮次用戶潛在的自私 性，而合作式實現(xiàn)方案又可能導(dǎo)致協(xié)議本身的復(fù)雜性。因此，如何設(shè)計一種針對自私的次用 戶，并且能輕量級，快速實現(xiàn)的頻譜感知優(yōu)化方法已經(jīng)成為一項急需解決的關(guān)鍵技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種無線電網(wǎng)絡(luò)吞吐量的頻譜感知優(yōu)
化方法，利用了認知無線電網(wǎng)絡(luò)次用戶的自私性，以較低的通信代價分布式地達到一種最
優(yōu)的穩(wěn)定頻譜感知狀態(tài)，即達到Nash均衡的同時最大化認知無線電網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。本發(fā)明
適用于具有自私性的認知無線電網(wǎng)絡(luò)次用戶情形。 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟 第一步、根據(jù)主用戶提供的信道服務(wù)信息，次用戶分別制定各個無線網(wǎng)絡(luò)通信信 道的效用函數(shù)。 所述的主用戶是指獲正式授權(quán)的無線網(wǎng)絡(luò)用戶，該主用戶提供的信道服務(wù)信息 是指主用戶信道帶寬和主用戶信道頻點。 所述的效用函數(shù)是指次用戶選擇感知信道i所能獲得的期望收益成為信道i的 效用函數(shù)，即在時刻t時有Mi個次用戶感知信道i，信道i的效用函數(shù)為U(i，M》=Di/Mi， 其中A為信道i的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，Mi為次用戶感知信道的個數(shù)，該效用函數(shù)對Mi單調(diào)遞減。
所述的次用戶是指未獲正式授權(quán)使用某固定信道頻段的無線網(wǎng)絡(luò)用戶，但該網(wǎng) 絡(luò)用戶已獲得主用戶的許可，允許其參與感知競爭以獲取信道使用權(quán)； 所述的參與感知競爭是指次用戶通過以不干擾主用戶占用信道的方式暫時獲取 信道使用權(quán)，其中參與感知競爭的次用戶總數(shù)為N，次用戶集為N二 {1，2，…，W ;
所述的可用信道是指所有允許次用戶以不干擾主用戶工作的方式暫時準(zhǔn)予接入 使用的主用戶授權(quán)信道。其中總可用信道數(shù)為M，可用信道集為M二 {1，2，…，MK
所述的公共通信信道是指GSM信道，頻段2. 4GHz 。 所述的網(wǎng)絡(luò)吞吐量是指認知無線電網(wǎng)絡(luò)中所有已經(jīng)被次用戶使用的可用信道的
吞吐量之和R = E臭)Di，其中:I()為指示函數(shù):1(0) = 0 ;I(X) = 1， X > 0。 所述的穩(wěn)定感知狀態(tài)是指使得認知無線電次用戶的信道感知選擇達到Nash均
衡時的信道感知狀態(tài)，在該穩(wěn)定感知狀態(tài)下，所有次用戶均不會單方面更改自己作出的信
道感知決定。 第二步、每個次用戶單獨維護各自的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)并進行信道優(yōu)化處理操作，生成
感知決定通知并更新協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，其中協(xié)議棧結(jié)構(gòu)包括當(dāng)前感知各個可用信道的次用
戶數(shù)目統(tǒng)計表MpM^…、M,，其中Mi表示當(dāng)前決定感知信道i的次用戶數(shù)目；所述的感知
決定通知是指次用戶所決定感知的信道編號k ; 所述的信道優(yōu)化處理操作具體包括以下步驟 2. 1)標(biāo)記所有的Mi為0 ; 2. 2)次用戶隨機選擇某一時刻t，并立即切換無線收發(fā)機，監(jiān)聽公共通信信道，頻 點為2. 4GHz。 2. 3)若在t時刻內(nèi)次用戶在公共通信信道上收到另一次用戶所發(fā)出的感知決定 通知，則次用戶將根據(jù)此感知決定通知更新自己的協(xié)議棧。并重新從2. 2)步開始重復(fù)優(yōu)化 處理操作過程。 2. 4)若在t時刻內(nèi)次用戶未能在公共通信信道上收到感知決定通知，則該次用戶 對進行優(yōu)化計算，得到感知決定通知 2. 5)該次用戶于公共通信信道上發(fā)送感知決定通知，內(nèi)容為該次用戶所決定感知 的信道編號k。 2.6)該次用戶立即感知信道k。 所述的優(yōu)化計算是指計算所有的U(i， Mi+1) = D乂(Mi+l);記擁有最大效用函數(shù) 的信道集合為S = {p|p = argmax丄U(i， M^l)};記T = {s | s G S， Ms = 0};記Q = {q|q =argmaXtDt， t G T};若Q為空集，即Q =①，則任選一個k， k G S ;否則任選一個k， k G Q ; Mk自增1，即Mk —Mk+1 ; 所述的更新協(xié)議棧結(jié)構(gòu)是指設(shè)感知決定通知中告知的信道編號為k，次用戶相 應(yīng)的將協(xié)議棧中的Mk自增1，即Mk — Mk+1。 第三步、當(dāng)更新協(xié)議棧結(jié)構(gòu)中的信道編號所對應(yīng)的信道未被主用戶占用則次用戶 將以CSMA標(biāo)準(zhǔn)競爭方式接入所選擇的信道，并開始數(shù)據(jù)傳輸和通信；否則回到第一步。
由于次用戶一旦確定所選的感知信道，它將可以直接進行信道感知，而不需要關(guān) 注其他次用戶的選擇。因而該方法可以按分布式方式進行實現(xiàn)，交互通信量小，計算速度 快。


圖1為實施例2效果仿真示意圖。
具體實施例方式
下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。 實施例1 本實施例應(yīng)用于僅有3個次用戶的簡單的網(wǎng)絡(luò)場景中，該次用戶分別感知3個信 道1、2、3，優(yōu)化方法包括以下步驟 在無主用戶占用的情況下允許動態(tài)接入這3個信道。設(shè)效用函數(shù)U(i， M》=D乂 Mi， D丄=90KB/s， D2 = 180KB/s， D3 = 80KB/s。次用戶A、 B、 C首先隨機選擇一個順序，設(shè)為 A、B、C。以A為例，A首先將Mi初始化清零。之后A分別計算感知三個信道可以得到的效 用，分別為仏== 90KB/s，U2 = D2 = 180KB/s，U3 = D3 = 80KB/s。于是按本方法A選擇 信道2進行感知。隨后B分別計算感知三個信道可以得到的效用，仏=D工=90KB/s， U2 = D2/2 = 90KB/s，U3 = D3 = 80KB/s。按本方法S = {1，2} ，T = {1} ，Q = {1}。因此B將選擇 信道l進行信道感知。同理易知C選擇信道2進行信道感知。此時的網(wǎng)絡(luò)吞吐量為270KB/ s。容易驗證，信道感知狀態(tài)達到穩(wěn)定(Nash均衡)，并具有最大的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。
由于A、C選擇了同一信道進行感知，它們將通過競爭機制(如標(biāo)準(zhǔn)CSMA沖突避免 機制)決定誰將能最終獲得接入信道2的權(quán)利。而B接入信道l將不會和任何次用戶產(chǎn)生 沖突，于是B可以直接獲得接入信道1的權(quán)利。
實施例2 在具有5個次用戶的仿真場景，在每個仿真場景中，次用戶數(shù)n分別為10、20、30、 40和50?？晒┐斡脩羰褂玫男诺罃?shù)目為50個。每個信道的吞吐量隨機給定，范圍為50KB/ s到200KB/s。每個場景下次用戶的信道效用函數(shù)U(i，Mi)均隨機地取為某一對Mi的遞減 函數(shù)。本實施例優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)性能，達到了最大網(wǎng)絡(luò)吞吐量的穩(wěn)定信道感知狀態(tài)。
本實施例理論和實驗分析表明，上述優(yōu)化方法能夠保證獲得穩(wěn)定感知狀態(tài)。并且 所達到的穩(wěn)定感知狀態(tài)具有最大的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。性能的提升主要來源于兩個方面，一是計 算速度的提升節(jié)省了大量的網(wǎng)絡(luò)空耗等待時間，使得通信能夠較快地開始進行，切換速度 和帶寬利用率的提升非常明顯。另一方面，優(yōu)化方法本身保證了吞吐量的最大化。使用該 方法達到的性能提升曲線，如圖1所示。
權(quán)利要求
一種無線電網(wǎng)絡(luò)吞吐量的頻譜感知優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟第一步、根據(jù)主用戶提供的信道服務(wù)信息，次用戶分別制定各個無線網(wǎng)絡(luò)通信信道的效用函數(shù)；所述的效用函數(shù)是指次用戶選擇感知信道i所能獲得的期望收益成為信道i的效用函數(shù)，即在時刻t時有Mi個次用戶感知信道i，信道i的效用函數(shù)為U(i，Mi)＝Di/Mi，其中Di為信道i的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，Mi為次用戶感知信道的個數(shù)；所述的參與感知競爭是指次用戶通過以不干擾主用戶占用信道的方式暫時獲取信道使用權(quán)，其中參與感知競爭的次用戶總數(shù)為N，次用戶集為N＝{1，2，…，N}；第二步、每個次用戶單獨維護各自的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)并進行信道優(yōu)化處理操作，生成感知決定通知并更新協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，其中協(xié)議棧結(jié)構(gòu)包括當(dāng)前感知各個可用信道的次用戶數(shù)目統(tǒng)計表M1、M2、、...、Mi、...、MN，其中Mi表示當(dāng)前決定感知信道i的次用戶數(shù)目；所述的感知決定通知是指次用戶所決定感知的信道編號k；第三步、當(dāng)更新協(xié)議棧結(jié)構(gòu)中的信道編號所對應(yīng)的信道未被主用戶占用則次用戶將以CSMA標(biāo)準(zhǔn)競爭方式接入所選擇的信道，并開始數(shù)據(jù)傳輸和通信；否則回到第一步。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線電網(wǎng)絡(luò)吞吐量的頻譜感知優(yōu)化方法，其特征是，所述的 主用戶是指獲正式授權(quán)的無線網(wǎng)絡(luò)用戶，該主用戶提供的信道服務(wù)信息是指主用戶信 道帶寬和主用戶信道頻點。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線電網(wǎng)絡(luò)吞吐量的頻譜感知優(yōu)化方法，其特征是，所述的次用戶是指未獲正式授權(quán)使用某固定信道頻段的無線網(wǎng)絡(luò)用戶，但該網(wǎng)絡(luò)用戶已獲得主 用戶的許可，允許其參與感知競爭以獲取信道使用權(quán)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線電網(wǎng)絡(luò)吞吐量的頻譜感知優(yōu)化方法，其特征是，所述的 可用信道是指所有允許次用戶以不干擾主用戶工作的方式暫時準(zhǔn)予接入使用的主用戶授權(quán)信道。其中總可用信道數(shù)為M，可用信道集為M二 {1，2，…，MK
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線電網(wǎng)絡(luò)吞吐量的頻譜感知優(yōu)化方法，其特征是，所述的網(wǎng)絡(luò)吞吐量是指認知無線電網(wǎng)絡(luò)中所有已經(jīng)被次用戶使用的可用信道的吞吐量之和R = E il(M》Di，其中I()為指示函數(shù)I(O) =0;I(X) = 1，X>0。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線電網(wǎng)絡(luò)吞吐量的頻譜感知優(yōu)化方法，其特征是，所述的 穩(wěn)定感知狀態(tài)是指使得認知無線電次用戶的信道感知選擇達到Nash均衡時的信道感知狀態(tài)，在該穩(wěn)定感知狀態(tài)下，所有次用戶均不會單方面更改自己作出的信道感知決定。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線電網(wǎng)絡(luò)吞吐量的頻譜感知優(yōu)化方法，其特征是，所述的信道優(yōu)化處理操作具體包括以下步驟 2. 1)標(biāo)記所有的Mi為0 ;，2. 2)次用戶隨機選擇某一時刻t，并立即切換無線收發(fā)機，監(jiān)聽公共通信信道，頻點為 2. 4GHz ;，2. 3)若在t時刻內(nèi)次用戶在公共通信信道上收到另一次用戶所發(fā)出的感知決定通知， 則次用戶將根據(jù)此感知決定通知更新自己的協(xié)議棧，并重新從2. 2)步開始重復(fù)優(yōu)化處理 操作過程；，2. 4)若在t時刻內(nèi)次用戶未能在公共通信信道上收到感知決定通知，則該次用戶對進 行優(yōu)化計算，得到感知決定通知`2. 5)該次用戶于公共通信信道上發(fā)送感知決定通知，內(nèi)容為該次用戶所決定感知的信 道編號k;`2.6)該次用戶立即感知信道k。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線電網(wǎng)絡(luò)吞吐量的頻譜感知優(yōu)化方法，其特征是，所述的 優(yōu)化計算是指計算所有的U(i， Mi+1) =Di/(Mi+l);記擁有最大效用函數(shù)的信道集合為 S = {p I p = argmaXiU(i， IV^+l)} ; i己T = {s | s G S， Ms = 0} ; i己Q = {q | q = argmaxtDt， t G T};若Q為空集，即Q二①，則任選一個k，k G S ;否則任選一個k，k G Q ;Mk自增l，即Mk —Mk+1。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線電網(wǎng)絡(luò)吞吐量的頻譜感知優(yōu)化方法，其特征是，所述的更新協(xié)議棧結(jié)構(gòu)是指設(shè)感知決定通知中告知的信道編號為k，次用戶相應(yīng)的將協(xié)議棧中的Mk自增1，即Mk —Mk+1。
全文摘要
一種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的無線電網(wǎng)絡(luò)吞吐量的頻譜感知優(yōu)化方法，包括根據(jù)主用戶提供的信道服務(wù)信息，次用戶分別制定各個無線網(wǎng)絡(luò)通信信道的效用函數(shù)；每個次用戶單獨維護各自的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)并進行信道優(yōu)化處理操作，生成感知決定通知并更新協(xié)議棧結(jié)構(gòu)；當(dāng)更新協(xié)議棧結(jié)構(gòu)中的信道編號所對應(yīng)的信道未被主用戶占用則次用戶將以CSMA標(biāo)準(zhǔn)競爭方式接入所選擇的信道，并開始數(shù)據(jù)傳輸和通信。本發(fā)明利用了認知無線電網(wǎng)絡(luò)次用戶的自私性，以較低的通信代價分布式地達到一種最優(yōu)的穩(wěn)定頻譜感知狀態(tài)，即達到Nash均衡的同時最大化認知無線電網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。本發(fā)明適用于具有自私性的認知無線電網(wǎng)絡(luò)次用戶情形。
文檔編號H04W74/08GK101730254SQ20091031055
公開日2010年6月9日 申請日期2009年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月27日
發(fā)明者何晨, 王威, 蔣鈴鴿 申請人:上海交通大學(xué)