專利名稱：應(yīng)用在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的動態(tài)頻譜接入方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信系統(tǒng)頻譜接入技術(shù)，特別是指一種應(yīng)用在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的 動態(tài)頻譜接入方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著各種無線通信新技術(shù)的不斷出現(xiàn)以及各種無線業(yè)務(wù)的興起，“頻譜稀缺”已經(jīng) 成為制約下一代無線通信系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)瓶頸。傳統(tǒng)的方法是采取固定方式將無線電通信 頻譜分配給不同業(yè)務(wù)，一個(gè)頻段一般僅供一個(gè)無線通信系統(tǒng)獨(dú)立使用，由國家統(tǒng)一分配、授 權(quán)。不同業(yè)務(wù)之間有保護(hù)頻段，無線通信系統(tǒng)可以互不干擾地使用各自的頻段。但是，隨著無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜和通信技術(shù)質(zhì)量要求的嚴(yán)格化，使得頻譜資 源需求的急劇增長和資源本身容量有限的矛盾日益激化。這種固定頻譜授權(quán)分配使用的方 式導(dǎo)致某些頻段承載的業(yè)務(wù)量很大，出現(xiàn)嚴(yán)重的擁塞現(xiàn)象。與此同時(shí)，當(dāng)某個(gè)網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù) 量較低時(shí)，其擁有的頻譜得不到充分利用，頻譜的使用效率很低，造成了頻譜資源的嚴(yán)重浪 費(fèi)。因此，這種固定的頻譜分配使得很多的頻帶被閑置。隨著軟件無線電技術(shù)(SDR)的發(fā)展和認(rèn)知無線電(CR)概念的提出，研究者認(rèn)為認(rèn) 知無線電技術(shù)是提高頻譜使用效用效率的一種有效方法?；谡J(rèn)知無線電技術(shù)的認(rèn)識無線 網(wǎng)絡(luò)(CRN，CognitiveRadio Networks)，是當(dāng)今通信領(lǐng)域最前沿的研究領(lǐng)域之一。認(rèn)知無 線網(wǎng)絡(luò)是一種具有認(rèn)知功能的網(wǎng)絡(luò)，它能分辨當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，然后根據(jù)這些狀態(tài)進(jìn)行規(guī)劃、 決策和響應(yīng)。動態(tài)頻譜接入技術(shù)(Dynamic Spectrum Access, DSA)是認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)能提高頻 譜利用率所依靠的一項(xiàng)極為關(guān)鍵的技術(shù)，其基本思想是認(rèn)知用戶在保證主用戶的服務(wù)質(zhì)量 (QoS)的前提下，怎樣有效的利用該空閑頻段。其中，比較有代表性的是機(jī)會式頻譜接入技 術(shù)(Opportunistic Spectrum Access, 0SA)。在機(jī)會式頻譜接入情形下，認(rèn)知用戶的活動 不應(yīng)該影響主用戶的業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量。具體實(shí)現(xiàn)方式是，一旦認(rèn)知用戶檢測到主用戶在信道 上傳輸，認(rèn)知用戶應(yīng)該立即的空出信道。目前有研究基于連續(xù)時(shí)間馬爾科夫鏈(CTMC)的模型計(jì)算最優(yōu)的認(rèn)知用戶接入概 率，從而實(shí)現(xiàn)某個(gè)既定目標(biāo)，比如最大化所有認(rèn)知用戶的吞吐量、提高各個(gè)認(rèn)知用戶共享信 道時(shí)的公平性等。然而，目前所有的現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)中都假設(shè)在認(rèn)知用戶執(zhí)行頻譜檢測時(shí)，物理層 上的頻譜檢測是完美的，即不會出現(xiàn)虛警和錯(cuò)檢的情況，然而，在實(shí)際中，物理層不可能做 到完美的頻譜檢測，會出現(xiàn)虛警和錯(cuò)檢的情況，在這種情況下，認(rèn)知用戶仍然按照這些文獻(xiàn) 中方法接入，必然會影響主用戶的QoS。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種應(yīng)用在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的動態(tài)頻譜接入方 法和系統(tǒng)，在認(rèn)知用戶執(zhí)行頻譜檢測時(shí)，出現(xiàn)虛警和漏檢的情況下，保證主用戶的QoS，并且達(dá)到信道使用效率和使用公平之間的平衡?；谏鲜瞿康谋景l(fā)明提供的應(yīng)用在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的動態(tài)頻譜接入方法，包括A.認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)到來以后，檢測信道的狀態(tài)是否空閑，如果信道空閑，則執(zhí)行步 驟B;B.利用連續(xù)時(shí)間馬爾科夫鏈捕捉記錄系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，結(jié)合主用戶和認(rèn)知用戶的 相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出最優(yōu)接入信息并傳給所述認(rèn)知用戶；C.所述認(rèn)知用戶按照計(jì)算出的最優(yōu)接入信息進(jìn)行接入并傳輸業(yè)務(wù)；D.在傳輸?shù)倪^程中若檢測到認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)QoS急劇下降，則認(rèn)知用戶強(qiáng)制退出 該信道；否則認(rèn)知用戶在完成業(yè)務(wù)后退出該信道?？蛇x的，該方法步驟A中如果檢測出信道為非空閑狀態(tài)，則結(jié)束流程。可選的，該方法步驟A中如果檢測出信道為非空閑狀態(tài)，則進(jìn)一步包括將當(dāng)前認(rèn) 知用戶的業(yè)務(wù)存入緩存，并不斷檢測信道，一旦信道空閑執(zhí)行步驟B?？蛇x的，該方法步驟D中如果在傳輸?shù)倪^程中檢測到認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)QoS急劇下 降，則認(rèn)知用戶強(qiáng)制退出該信道后，將該認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)存入緩存，并不斷檢測信道，一旦 信道空閑執(zhí)行步驟B?？蛇x的，該方法步驟A所述認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)到來以后，進(jìn)一步包括判定若此時(shí)信 道被另一個(gè)認(rèn)知用戶使用，如果是，則將所述認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)存入緩存并等待，如果在等待 過程中所述另一個(gè)認(rèn)知用戶離開該信道，則執(zhí)行步驟B?？蛇x的，該方法所述認(rèn)知用戶的相關(guān)參數(shù)包括認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)到達(dá)率和/或認(rèn) 知用戶的平均服務(wù)時(shí)間。可選的，該方法所述主用戶的相關(guān)參數(shù)包括主用戶的業(yè)務(wù)到達(dá)率和/或主用戶 的平均服務(wù)時(shí)間。可選的，該方法所述的無線環(huán)境的狀態(tài)信息包括主用戶信道的占用情況。基于上述目的，本發(fā)明還提供了一種應(yīng)用在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的動態(tài)頻譜接入系 統(tǒng)，包括認(rèn)知用戶單元，用于產(chǎn)生認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)，檢測信道的狀態(tài)是否空閑，如果空閑， 則觸發(fā)無線環(huán)境中心控制單元計(jì)算出最優(yōu)接入信息，并且按照無線環(huán)境中心控制單元得出 的最優(yōu)接入信息控制認(rèn)知用戶的接入；無線環(huán)境中心控制單元，用于利用連續(xù)時(shí)間馬爾科夫鏈捕捉記錄系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn) 移，結(jié)合主用戶和認(rèn)知用戶的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出最優(yōu)接入信息并傳給所述認(rèn)知用戶?？蛇x的，該系統(tǒng)所述認(rèn)知用戶單元中包括認(rèn)知用戶業(yè)務(wù)產(chǎn)生模塊，用于產(chǎn)生認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)；頻譜檢測模塊，用于檢測主用戶信道的使用情況；認(rèn)知用戶接入控制模塊，用于按照得出的最優(yōu)接入信息控制認(rèn)知用戶的接入；認(rèn)知用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)評估模塊，用于評估認(rèn)知用戶的接入的同時(shí)是否有主用戶重新 占用信道?？蛇x的，該系統(tǒng)所述認(rèn)知用戶單元中還包括緩存模塊，用于讓認(rèn)知用戶排隊(duì)等待.可選的，該系統(tǒng)所述無線環(huán)境中心控制單元中包括
無線環(huán)境變化狀態(tài)機(jī)，無線環(huán)境狀態(tài)轉(zhuǎn)移受主用戶業(yè)務(wù)決定。認(rèn)知用戶能通過頻 譜檢測模塊和業(yè)務(wù)體驗(yàn)評估模塊，能捕獲無線環(huán)境的狀態(tài)轉(zhuǎn)移；優(yōu)化信息管理模塊，用于結(jié)合主用戶和認(rèn)知用戶的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)馬爾科夫鏈所 建立的模型，產(chǎn)生最優(yōu)的接入信息，該最優(yōu)接入信息控制認(rèn)知用戶的接入?？蛇x的，該系統(tǒng)還包括主用戶單元，用于產(chǎn)生主用戶的業(yè)務(wù)。從上面所述可以看出，本發(fā)明提供的應(yīng)用在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的動態(tài)頻譜接入方法 和系統(tǒng)，通過連續(xù)時(shí)間馬爾科夫鏈建模，計(jì)算出認(rèn)知用戶最佳的接入信息，這樣在認(rèn)知用戶 檢測主用戶有可能出現(xiàn)虛警和漏檢的情況下，仍然能保證主用戶的QoS以及認(rèn)知用戶的吞 吐量和公平性要求。達(dá)到了信道使用效率和使用公平之間的平衡。


圖1為本發(fā)明不帶緩存實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明帶緩存實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明不帶緩存實(shí)施例的方法流程示意圖；圖4為本發(fā)明帶緩存實(shí)施例的方法流程示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例四狀態(tài)馬爾科夫鏈轉(zhuǎn)移示意圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例八狀態(tài)馬爾科夫鏈轉(zhuǎn)移示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明技術(shù)方案主要包括認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)到來以后，檢測信道的狀態(tài)是否空閑， 如果信道空閑，則利用連續(xù)時(shí)間馬爾科夫鏈捕捉記錄系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，結(jié)合主用戶和認(rèn)知 用戶的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出最優(yōu)接入信息并傳給所述認(rèn)知用戶；所述認(rèn)知用戶按照計(jì)算出的 最優(yōu)接入信息進(jìn)行接入并傳輸業(yè)務(wù)；在傳輸?shù)倪^程中若檢測到認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)QoS急劇下 降，則認(rèn)知用戶強(qiáng)制退出該信道；否則認(rèn)知用戶在完成業(yè)務(wù)后退出該信道。本發(fā)明提供了一種應(yīng)用在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的動態(tài)頻譜接入系統(tǒng)，下面參照附圖， 對該系統(tǒng)的具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。參見圖1和圖2所示，本發(fā)明應(yīng)用在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的動態(tài)頻譜接入系統(tǒng)，主要包 括認(rèn)知用戶單元，用于產(chǎn)生認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)，檢測信道的是否空閑，如果空閑，則觸 發(fā)無線環(huán)境中心控制單元計(jì)算出最優(yōu)接入信息，并且按照無線環(huán)境中心控制單元得出的最 優(yōu)接入信息控制認(rèn)知用戶的接入；無線環(huán)境中心控制單元，用于利用連續(xù)時(shí)間馬爾科夫鏈捕捉記錄系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn) 移，結(jié)合主用戶和認(rèn)知用戶的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出最優(yōu)接入信息并傳給所述認(rèn)知用戶。另外，還可以進(jìn)一步包括主用戶單元，用于產(chǎn)生主用戶的業(yè)務(wù)。圖1示出的為本發(fā)明不帶緩存實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括認(rèn)知用戶單元、無線環(huán)境 中心控制單元和主用戶單元。其中在認(rèn)知用戶單元中包括
認(rèn)知用戶業(yè)務(wù)產(chǎn)生模塊，用于產(chǎn)生認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)；頻譜檢測模塊，用于檢測主用戶信道的使用情況；認(rèn)知用戶接入控制模塊，用于按照得出的最優(yōu)接入信息控制認(rèn)知用戶的接入；認(rèn)知用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)評估模塊，用于評估認(rèn)知用戶的接入的同時(shí)是否有主用戶重新 占用信道。在無線環(huán)境中心控制單元中包括無線環(huán)境變化狀態(tài)機(jī)，無線環(huán)境狀態(tài)轉(zhuǎn)移受主用戶業(yè)務(wù)決定。認(rèn)知用戶能通過頻 譜檢測模塊和業(yè)務(wù)體驗(yàn)評估模塊，能捕獲無線環(huán)境的狀態(tài)轉(zhuǎn)移；優(yōu)化信息管理模塊，用于結(jié)合主用戶和認(rèn)知用戶的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)馬爾科夫鏈所 建立的模型，產(chǎn)生最優(yōu)的接入信息，該最優(yōu)接入信息控制認(rèn)知用戶的接入。在主用戶單元中包括主用戶業(yè)務(wù)產(chǎn)生模塊用于產(chǎn)生主用戶的業(yè)務(wù)。圖2示出的為本發(fā)明帶緩存實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括認(rèn)知用戶單元、無線環(huán)境中 心控制單元和主用戶單元。與圖1所示系統(tǒng)的區(qū)別是在所述認(rèn)知用戶單元中還包括緩存 模塊，用于讓認(rèn)知用戶排隊(duì)等待。在上述兩個(gè)實(shí)施例中，無線環(huán)境中心控制單元可以設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)側(cè)，認(rèn)知用戶單元 和主用戶單元可以設(shè)置在用戶側(cè)。本發(fā)明還提供了一種應(yīng)用在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的動態(tài)頻譜接入方法，下面參照附 圖，對該方法的具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明還提供了一種應(yīng)用在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的動態(tài)頻譜接入方法，該方法主要包 括認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)到來以后，檢測信道的是否空閑，如果信道空閑，則利用連續(xù)時(shí)間馬爾 科夫鏈捕捉記錄系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，結(jié)合主用戶和認(rèn)知用戶的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出最優(yōu)接入信 息并傳給所述認(rèn)知用戶；所述認(rèn)知用戶按照計(jì)算出的最優(yōu)接入信息進(jìn)行接入并傳輸業(yè)務(wù)； 在傳輸?shù)倪^程中若檢測到認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)QoS急劇下降，則認(rèn)知用戶強(qiáng)制退出該信道；否 則認(rèn)知用戶在完成業(yè)務(wù)后退出該信道。與上面所述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，該方法也可以包帶緩存和不帶緩存兩種情形。當(dāng)不 帶有緩存時(shí)，如果檢測出信道為非空閑狀態(tài)，則結(jié)束流程。當(dāng)系統(tǒng)中或者系統(tǒng)外部其他位置設(shè)置有用于讓認(rèn)知用戶排隊(duì)等待的緩存時(shí)，若檢 測到信道不可用，則認(rèn)知用戶首先在緩存模塊排隊(duì)等待，等待的同時(shí)不間斷的檢測無線環(huán) 境的狀態(tài)信息，之后在檢測到信道可用時(shí)，認(rèn)知用戶再按照計(jì)算出的最優(yōu)接入信息進(jìn)行最 優(yōu)接入。接入信道后，如果察覺認(rèn)知用戶的QoS急劇下降，則認(rèn)為主用戶重新占用該信道， 認(rèn)知用戶退出信道并在緩存模塊等待，等待的同時(shí)不間斷的檢測信道的使用情況。為使對本發(fā)明系統(tǒng)和方法更加清楚，下面分別結(jié)合圖1和圖2所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對本 發(fā)明不帶緩存和帶緩存方法實(shí)施例的具體流程進(jìn)行詳細(xì)說明。參見圖3所示，不帶緩存方案具體的方法執(zhí)行流程，包括步驟310，認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)到達(dá)后，認(rèn)知用戶單元中的檢測模塊執(zhí)行信道檢測的功 能，通過對信道的信號特征或信號能量進(jìn)行檢測。步驟320，認(rèn)知用戶根據(jù)檢測的結(jié)果，判斷當(dāng)前信道的狀態(tài)是否空閑，如信道空閑， 則執(zhí)行步驟330 ；否則，執(zhí)行步驟350。步驟330，在信道空閑時(shí)，優(yōu)化信息模塊按照馬爾科夫鏈的建模計(jì)算出最優(yōu)接入信
7息，接入信息指在信道空閑的前提下，每個(gè)認(rèn)知用戶最佳的接入概率。之后該接入信息被發(fā) 送到認(rèn)知用戶接入控制模塊。接入控制模塊在該接入信息的指引下控制認(rèn)知用戶的接入。 認(rèn)知用戶按照計(jì)算出的最優(yōu)接入信息進(jìn)行接入并傳輸業(yè)務(wù)。步驟340，業(yè)務(wù)體驗(yàn)評估模塊檢測認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)QoS情況，在所述傳輸業(yè)務(wù)的過 程中若有主用戶業(yè)務(wù)在認(rèn)知用戶業(yè)務(wù)結(jié)束之前到達(dá)，由于干擾，認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)速率將急 劇下降，業(yè)務(wù)體驗(yàn)評估模塊將察覺出認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)QoS下降，判斷出主用戶重新在使用 信道，執(zhí)行步驟350 ；若沒有主用戶業(yè)務(wù)在認(rèn)知用戶業(yè)務(wù)結(jié)束之前到達(dá)，則執(zhí)行步驟360。步驟350，認(rèn)知用戶退出該信道，結(jié)束流程。步驟360，認(rèn)知用戶完成業(yè)務(wù)退出信道結(jié)束流程。參見圖4所示，帶緩存方案具體的方法執(zhí)行流程，包括步驟410，認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)信息產(chǎn)生后，判斷此時(shí)該信道是否正在被另一個(gè)認(rèn)知用 戶使用，如果是，則執(zhí)行步驟420 ；否則執(zhí)行步驟440。步驟420 430，將認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)存入緩存并等待(步驟420)，并在等待過程中 不斷判斷所述另一個(gè)認(rèn)知用戶是否已離開(步驟430)，若是則執(zhí)行步驟480，否則返回步驟 430繼續(xù)判斷。步驟440，若此時(shí)信道沒有被另一個(gè)認(rèn)知用戶占用，頻譜檢測模塊檢測信道的使用 情況。步驟450，頻譜檢測模塊判斷主用戶信道是否空閑，若此時(shí)主用戶沒有使用信道， 信道空閑，則執(zhí)行步驟480 ；若此時(shí)主用戶在使用信道，信道繁忙，則執(zhí)行步驟460。步驟460 470，此時(shí)說明信道被主用戶使用，于是將認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)存入緩存 (步驟460)；在等待的同時(shí)不停的檢測信道(步驟470)，直到主用戶離開信道，檢測結(jié)果為 信道空閑，執(zhí)行步驟480。步驟480，信道空閑可以傳輸認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)，在傳輸之前優(yōu)化信息管理模塊計(jì)算 出最優(yōu)接入信息，接入控制模塊在該信息的指引下控制認(rèn)知用戶的接入。步驟490，認(rèn)知用戶按照計(jì)算出的最優(yōu)接入信息接入信道傳輸業(yè)務(wù)，若在傳輸?shù)倪^ 程中若有主用戶業(yè)務(wù)在認(rèn)知用戶業(yè)務(wù)結(jié)束之前到達(dá)，那么業(yè)務(wù)體驗(yàn)評估模塊將察覺認(rèn)知用 戶的業(yè)務(wù)QoS急劇下降，則判定主用戶重新使用信道，認(rèn)知用戶退出信道，返回步驟460 ；若 沒有主用戶業(yè)務(wù)在認(rèn)知用戶業(yè)務(wù)結(jié)束之前到達(dá)，則認(rèn)知用戶完成業(yè)務(wù)退出信道結(jié)束流程。下面結(jié)合具體的應(yīng)用環(huán)境，對本發(fā)明上述不帶緩存和帶緩存的兩種實(shí)施方式進(jìn)行 進(jìn)一步詳細(xì)說明。以WLAN網(wǎng)絡(luò)為例，無線環(huán)境中心控制單元是接入點(diǎn)(AP，access point)，兩個(gè)認(rèn) 知用戶是工作站，該網(wǎng)絡(luò)具有認(rèn)知功能，能機(jī)會式地利用主系統(tǒng)的頻譜，主系統(tǒng)可以是廣播 電視網(wǎng)絡(luò)。主用戶、兩個(gè)認(rèn)知用戶分別標(biāo)記為P、A、B，他們的業(yè)務(wù)的到達(dá)和離去均滿足泊松 分布，到達(dá)率分別為XB，離開率分別為iiP，yA，iiB。為了機(jī)會式地利用主用戶的 頻帶而不對主用戶造成干擾，假定次級用戶能夠通過頻譜檢測而感知到主用戶的活動，例 如主用戶的到達(dá)和離去。同時(shí)還假定兩個(gè)次級用戶不能同時(shí)利用主用戶的頻段，因?yàn)楸舜?的干擾會造成吞吐量的急劇下降。次級用戶的接入由AP控制。當(dāng)某個(gè)次級用戶成功的接 入信道后，應(yīng)該告知中心節(jié)點(diǎn)。當(dāng)另一個(gè)次級用戶業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí)，通過AP，知道已經(jīng)有個(gè)次級 用戶在用該頻段，從而轉(zhuǎn)到另一個(gè)頻段。在帶緩存的方案里，新到達(dá)的次級用戶會暫時(shí)地緩存到達(dá)的業(yè)務(wù)，直到占用當(dāng)前信道的次級用戶離開。另外，本實(shí)施例方案還考慮了次級用戶在執(zhí)行頻譜檢測時(shí)出現(xiàn)的虛警和漏檢兩種 情況。前者的物理意義是把空閑的信道誤檢為忙，后者的物理意義是把忙的信道誤檢為空 閑。虛警率和漏檢率分別由Pf和Pm表示。對于不帶緩存的動態(tài)頻譜接入方案方案介紹在該方案中，忽略了兩個(gè)次級用戶同時(shí)接入時(shí)發(fā)生的沖突，因?yàn)橹挥挟?dāng) 兩個(gè)次級用戶的業(yè)務(wù)同時(shí)到達(dá)時(shí)才會發(fā)生這種沖突，這種情況對于獨(dú)立的泊松過程來說很 少發(fā)生。由于沒有緩存，該方案可以由一個(gè)簡單的四狀態(tài)馬爾科夫鏈表示，如圖5所示。狀 態(tài)0表示主用戶信道是空閑的，狀態(tài)S表示用戶S在使用信道，其中S G {A，B, P}。漏檢會導(dǎo)致主次用戶之間的碰撞，隨著漏檢率的提高，主次用戶之間的碰撞率也 會隨之上升。為了保證主用戶的業(yè)務(wù)質(zhì)量，需要對次級用戶的接入進(jìn)行嚴(yán)格的控制。本實(shí) 施例中提出了依概率接入的思想，下面進(jìn)行分析用戶A和B分別與概率PA，PB (這兩個(gè)概率事先已由中心節(jié)點(diǎn)計(jì)算好了)關(guān)聯(lián)，這 意味著當(dāng)某個(gè)次級用戶的業(yè)務(wù)到達(dá)并且信道檢測為空閑時(shí)，將以Pi (i G {A, B})的概率接 入信道。這種方式能很好的保護(hù)主用戶的業(yè)務(wù)質(zhì)量。當(dāng)信道檢測為忙時(shí)，次級用戶被禁止接入，因此，系統(tǒng)由狀態(tài)0到狀態(tài)A和B的轉(zhuǎn) 移率分別為(l_Pf)PAXA和(l_Pf)PB入B。一旦用戶A(或B)在主用戶業(yè)務(wù)到達(dá)之前完成，系 統(tǒng)將由狀態(tài)A(或B)轉(zhuǎn)移到狀態(tài)0，轉(zhuǎn)移率為(或yB)。然而，主用戶可能在次級用戶進(jìn) 行業(yè)務(wù)的時(shí)候就到達(dá)，在這種情況下，認(rèn)知用戶應(yīng)該立即退出該信道。本實(shí)施例假定當(dāng)主用 戶重新占用信道時(shí)，主用戶會事先發(fā)送一個(gè)強(qiáng)的“警示”信號，這樣次級用戶就能準(zhǔn)確地檢 測到主用戶的回歸并立即騰空信道?！傲髌胶狻狈匠毯蜌w一化方程分別由公式(1)⑵表示Hjit = 0 (1)31 0+ 31 A+ 31 B+ 31 p = 1 (2)其中，矩陣H是系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移概率矩陣，Ji = [J^，JIa，JIb，Jip]是穩(wěn)態(tài)概率向量。解方程組(1)和(2)，得到系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)概率空閑的信道，310 = u p ( u A+ 入 p) ( u B+ 入 p) (T1 (3)用戶A使用的信道，Ji A = PA 入 A y p(l-Pf) (ii B+ 入 P) C1 (4)用戶A使用的信道，ji B = PB 入 B y p(l-Pf) (ii A+ 入 P) C1 (5)里面的系數(shù)C的表達(dá)式如下C = (iip+Xp)[PAXA(l-Pf)(iiB+Xp)+PBXB(l-Pf)(iiA+Xp)—(PA+XjOCiiB+Xp)](6)假定次級用戶A和B的吞吐量是恒定的，都是r kbps。用戶A和B在主用戶信道 上獲得的平均吞吐量可以分別表示為Ra = JiAr (7)RB = 3i Br (8)
動態(tài)頻譜接入需要考慮的一個(gè)主要因素就是要限制對主用戶的干擾。主次用戶之 間的碰撞發(fā)生在次級用戶漏檢了主用戶并且次級用戶決定接入信道時(shí)。一旦碰撞發(fā)生，次 級用戶得立即停止業(yè)務(wù)并切換到另外的信道。在主用戶P的業(yè)務(wù)的持續(xù)時(shí)間里，次級用戶 A和B的業(yè)務(wù)到達(dá)次數(shù)分別為 因此，主次用戶之間的碰撞率為n = Pm(PAnA+PBnB) (11) 對主用戶的保護(hù)可以表示為n彡nth，其中，nth是碰撞率門限。 問題的最終目標(biāo)是決定PA和PB，從而最大化系統(tǒng)效益。最佳概率/和由下
式?jīng)Q定
{po^popt^^^U^p^
o瑪，燦(12)
限制條件
Pffl(PAnA+PBnB) ^ nth (13)
本實(shí)施例優(yōu)選采用了最大化比例公平準(zhǔn)則來得到最佳概率，這樣不但能夠有效 地利用頻譜資源，而且要能夠保證不同的次級用戶接入時(shí)的公平性，式(12)中的U(PA，PB) 為Upf(Pa，Pb) = Ra Rb (14)從而通過公式(12)計(jì)算得出最優(yōu)的PA*PB。對于帶緩存的動態(tài)頻譜接入方案在不帶緩存的方案中，當(dāng)主用戶重新征用信道時(shí)，次級用戶得立即的退出信道，在 這種情況下，系統(tǒng)變?yōu)榭臻e和下個(gè)次級用戶到來之間可能會有一段時(shí)間被浪費(fèi)掉。為了進(jìn) 一步提高信道利用率，本實(shí)施例中引入有限的隊(duì)列來緩存次級用戶的業(yè)務(wù)。為了避免過大 的等待時(shí)延，假定每個(gè)次級用戶只有一個(gè)等待空間?？紤]了上述因素后，帶緩存的動態(tài)頻譜接入方案可以建模為八狀態(tài)馬爾科夫鏈， 如圖6所示。狀態(tài)(A，0)表示次級用戶A在占用信道并且沒有任何用戶在等待。狀態(tài)(P， 0)，(B，0)的意義類似。狀態(tài)(A，Bw)表示次級用戶A在占用信道并且B在等待。狀態(tài)(P， Bw)，(P，AW)和(B，AW)的意義類似。利用相同的方法，同樣能得出最優(yōu)的PA和PB?；谏鲜鲴R爾科夫鏈建模結(jié)果，下面描述具體實(shí)施流程。不帶緩存方案的實(shí)施流程步驟1，某個(gè)認(rèn)知用戶(例如用戶A)的業(yè)務(wù)到達(dá)，業(yè)務(wù)到達(dá)服從泊松分布，用戶A 每秒有次業(yè)務(wù)到達(dá)，這個(gè)參數(shù)對系統(tǒng)來說是已知的。認(rèn)知用戶單元中的檢測模塊執(zhí)行 信道檢測的功能。步驟2，用戶A根據(jù)檢測的結(jié)果，判斷當(dāng)前信道的狀態(tài)是否空閑(空閑指沒有主用 戶在利用信道)，如果空閑，則執(zhí)行步驟3，否則執(zhí)行步驟5。步驟3，AP把按照馬爾科夫鏈的建模，即按照前面所述公式(12)計(jì)算出的最優(yōu)接
10入概率PA，PB信息傳給用戶A的認(rèn)知用戶接入控制模塊，該用戶A根據(jù)接入概率執(zhí)行接入動 作，即用戶A接入的概率為PA，不接入信道的概率為1_PA。步驟4，在用戶A進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸?shù)倪^程中，主用戶P有業(yè)務(wù)到來，P的業(yè)務(wù)到達(dá)也 服從泊松分布，即用戶P每秒有此業(yè)務(wù)到達(dá)，給定P的業(yè)務(wù)類型，該參數(shù)也是已知的。P 的業(yè)務(wù)到達(dá)之后，主用戶也會利用該信道，從而主次用戶之間產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致A用戶業(yè)務(wù)的 QoS急劇下降，從而判斷出P重新占用了信道，執(zhí)行步驟5 ；如果在A業(yè)務(wù)完成之前沒有主用 戶業(yè)務(wù)到達(dá)，則執(zhí)行步驟6。步驟5，用戶A退出該信道，結(jié)束流程。步驟6，A完成業(yè)務(wù)退出信道結(jié)束流程。帶緩存方案的實(shí)施流程步驟1，某個(gè)認(rèn)知用戶(例如用戶A)的業(yè)務(wù)到達(dá)，判斷此時(shí)信道是否正在被另一個(gè) 用戶占用，如果是，則執(zhí)行步驟2，如果否，則執(zhí)行步驟4。步驟2，用戶A將業(yè)務(wù)存入所述的緩存并等待。步驟3，在等待過程中不斷判斷另一個(gè)認(rèn)知用戶是否離開，如果是，則執(zhí)行步驟8， 否則，返回步驟3繼續(xù)判斷。步驟4，用戶A的頻譜檢測模塊檢測信道是否被主用戶占用。步驟5，如果檢測出信道空閑，即沒有主用戶在占用信道，執(zhí)行步驟8，否則，執(zhí)行 步驟6。步驟6，主用戶在占用信道，認(rèn)知用戶A將業(yè)務(wù)存入緩存。步驟7，用戶A不斷的檢測信道，如果某次檢測信道為空閑，則執(zhí)行步驟8，否則繼 續(xù)不斷的檢測信道。步驟8，此時(shí)信道空閑，AP把前面計(jì)算出的最優(yōu)接入概率PA，PB信息傳給用戶A (怎 么計(jì)算的，參照前面)，該用戶根據(jù)接入概率執(zhí)行接入動作，即用戶A接入的概率為PA，不接 入信道的概率為1_PA。步驟9，在用戶A進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸?shù)倪^程中，主用戶P有業(yè)務(wù)到來。P的業(yè)務(wù)到達(dá)之 后，主用戶也會利用該信道，從而主次用戶之間產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致A用戶業(yè)務(wù)的QoS急劇下降， 從而判斷出P重新占用了信道，執(zhí)行步驟6 ；如果在用戶A業(yè)務(wù)完成之前沒有主用戶業(yè)務(wù)到 達(dá)，則認(rèn)知用戶A完成業(yè)務(wù)，退出流程。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實(shí)現(xiàn)上述方法實(shí)施例的全部或部分步驟可以通過 程序指令相關(guān)的硬件來完成，前述的程序可以存儲于一計(jì)算機(jī)可讀取存儲介質(zhì)中，該程序 在執(zhí)行時(shí)，執(zhí)行包括上述方法實(shí)施例的步驟；而前述的存儲介質(zhì)包括R0M、RAM、磁碟或者 光盤等各種可以存儲程序代碼的介質(zhì)。由上述本發(fā)明所提供的技術(shù)方案可以看出，在沒有緩存機(jī)制的情況下，認(rèn)知用戶 通過頻譜檢測單元檢測信道的使用情況，若信道空閑，則通過最優(yōu)接入信息進(jìn)行信道接入， 該最優(yōu)接入信息能保證主用戶的QoS和次級用戶接入的公平性；若信道繁忙，則等待或轉(zhuǎn) 移到其他信道。若認(rèn)知用戶在傳輸?shù)倪^程中有主用戶業(yè)務(wù)到來，認(rèn)知用戶用立即退出信道。在有緩存機(jī)制的情況下，跟沒有緩存機(jī)制相比，不同點(diǎn)是在信道檢測為繁忙的時(shí) 候，認(rèn)知用戶在專門的緩存模塊等待傳輸。若認(rèn)知用戶在傳輸?shù)倪^程中有主用戶業(yè)務(wù)到來， 認(rèn)知用戶同樣立即的退出信道，轉(zhuǎn)而在緩存模塊中緩存當(dāng)前的次級業(yè)務(wù)，等待主用戶的信道再次空閑時(shí)傳輸。該帶緩存的方案能進(jìn)一步提高主用戶信道的利用率。
所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并 不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均 應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種應(yīng)用在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的動態(tài)頻譜接入方法，其特征在于，包括A.認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)到來以后，檢測信道的狀態(tài)是否空閑，如果信道空閑，則執(zhí)行步驟B；B.利用連續(xù)時(shí)間馬爾科夫鏈捕捉記錄系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，結(jié)合主用戶和認(rèn)知用戶的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出最優(yōu)接入信息并傳給所述認(rèn)知用戶；C.所述認(rèn)知用戶按照計(jì)算出的最優(yōu)接入信息進(jìn)行接入并傳輸業(yè)務(wù)；D.在傳輸?shù)倪^程中若檢測到認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)QoS急劇下降，則認(rèn)知用戶強(qiáng)制退出該信道；否則認(rèn)知用戶在完成業(yè)務(wù)后退出該信道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟A中如果檢測出信道為非空閑狀態(tài)， 則結(jié)束流程。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟A中如果檢測出信道為非空閑狀態(tài)， 則進(jìn)一步包括將當(dāng)前認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)存入緩存，并不斷檢測信道，一旦信道空閑執(zhí)行步驟 B0
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，步驟D中如果在傳輸?shù)倪^程中檢測到認(rèn)知 用戶的業(yè)務(wù)QoS急劇下降，則認(rèn)知用戶強(qiáng)制退出該信道后，將該認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)存入緩存， 并不斷檢測信道，一旦信道空閑執(zhí)行步驟B。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟A所述認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)到來以后，進(jìn) 一步包括判定若此時(shí)信道被另一個(gè)認(rèn)知用戶使用，如果是，則將所述認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)存入 緩存并等待，如果在等待過程中所述另一個(gè)認(rèn)知用戶離開該信道，則執(zhí)行步驟B。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述認(rèn)知用戶的相關(guān)參數(shù)包括 認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)到達(dá)率和/或認(rèn)知用戶的平均服務(wù)時(shí)間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述主用戶的相關(guān)參數(shù)包括 主用戶的業(yè)務(wù)到達(dá)率和/或主用戶的平均服務(wù)時(shí)間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的無線環(huán)境的狀態(tài)信息包括 主用戶信道的占用情況。
9.一種應(yīng)用在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的動態(tài)頻譜接入系統(tǒng)，其特征在于，包括認(rèn)知用戶單元，用于產(chǎn)生認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)，檢測信道的狀態(tài)是否空閑，如果空閑，則觸 發(fā)無線環(huán)境中心控制單元計(jì)算出最優(yōu)接入信息，并且按照無線環(huán)境中心控制單元得出的最 優(yōu)接入信息控制認(rèn)知用戶的接入；無線環(huán)境中心控制單元，用于利用連續(xù)時(shí)間馬爾科夫鏈捕捉記錄系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，結(jié) 合主用戶和認(rèn)知用戶的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出最優(yōu)接入信息并傳給所述認(rèn)知用戶。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述認(rèn)知用戶單元中包括 認(rèn)知用戶業(yè)務(wù)產(chǎn)生模塊，用于產(chǎn)生認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)；頻譜檢測模塊，用于檢測主用戶信道的使用情況；認(rèn)知用戶接入控制模塊，用于按照得出的最優(yōu)接入信息控制認(rèn)知用戶的接入； 認(rèn)知用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)評估模塊，用于評估認(rèn)知用戶的接入的同時(shí)是否有主用戶重新占用信道。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述認(rèn)知用戶單元中還包括緩存模 塊，用于讓認(rèn)知用戶排隊(duì)等待。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述無線環(huán)境中心控制單元中包括 無線環(huán)境變化狀態(tài)機(jī)，無線環(huán)境狀態(tài)轉(zhuǎn)移受主用戶業(yè)務(wù)決定。認(rèn)知用戶能通過頻譜檢測模塊和業(yè)務(wù)體驗(yàn)評估模塊，能捕獲無線環(huán)境的狀態(tài)轉(zhuǎn)移；優(yōu)化信息管理模塊，用于結(jié)合主用戶和認(rèn)知用戶的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)馬爾科夫鏈所建立 的模型，產(chǎn)生最優(yōu)的接入信息，該最優(yōu)接入信息控制認(rèn)知用戶的接入。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括主用戶單元，用于產(chǎn)生主 用戶的業(yè)務(wù)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種應(yīng)用在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的動態(tài)頻譜接入方法和系統(tǒng)，包括認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)到來以后，檢測信道的是否空閑，如果信道空閑，則利用連續(xù)時(shí)間馬爾科夫鏈捕捉記錄系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，結(jié)合主用戶和認(rèn)知用戶的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出最優(yōu)接入信息并傳給所述認(rèn)知用戶；所述認(rèn)知用戶按照計(jì)算出的最優(yōu)接入信息進(jìn)行接入并傳輸業(yè)務(wù)；在傳輸?shù)倪^程中若檢測到認(rèn)知用戶的業(yè)務(wù)QoS急劇下降，則認(rèn)知用戶強(qiáng)制退出該信道；否則認(rèn)知用戶在完成業(yè)務(wù)后退出該信道。本發(fā)明方案在認(rèn)知用戶執(zhí)行頻譜檢測時(shí)，出現(xiàn)虛警和漏檢的情況下，保證主用戶的QoS，并且達(dá)到信道使用效率和使用公平之間的平衡。
文檔編號H04W16/10GK101854640SQ20101017624
公開日2010年10月6日 申請日期2010年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月13日
發(fā)明者馮志勇, 劉陽, 姚艷軍, 張國翊, 張妍, 張平, 苗丹 申請人:北京郵電大學(xué)