專利名稱：機會頻譜共享系統(tǒng)中信道容量分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種分析認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中機會頻譜共享系統(tǒng)的認(rèn)知用戶(次用戶)信道容量的新策略。該策略提供分析信道容量的理論基礎(chǔ)，以及次用戶設(shè)計傳輸參數(shù)的理論依據(jù)，并作為優(yōu)化機會頻譜共享系統(tǒng)性能的理論指標(biāo)。該方案的基本思想是分析次用戶信號干擾噪聲比(SINR)，并以此分析次用戶信道容量與傳統(tǒng)信道容量的不同，確定機會頻譜共享系統(tǒng)中影響次用戶信道容量的主要因素。

背景技術(shù)：
1948年，現(xiàn)代數(shù)字通信的奠基人香農(nóng)在信道編碼定理中指出，只要隨機編碼的碼長足夠大，就可以進(jìn)行無限逼近信道容量C的通信并使錯誤概率任意小。自香農(nóng)之后，人們不懈地向逼近信道容量的方向努力。并產(chǎn)生了計算信道容量的香農(nóng)(Shannon)信道容量公式。香農(nóng)公式表明的是當(dāng)信號與信道加性高斯白噪聲的平均功率給定時，在具有一定頻帶寬度的信道上，理論上單位時間內(nèi)可能傳輸?shù)男畔⒘康臉O限數(shù)值。
然而，無線通信技術(shù)發(fā)展至今，通信信道和通信環(huán)境已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出香農(nóng)時代的想象?，F(xiàn)在的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知通信使得通信信道更加復(fù)雜多變。除了傳統(tǒng)的廣播信道、多元接入信道，還出現(xiàn)了中繼信道、干擾信道等信道類型。隨著信道復(fù)雜度的增加，簡單的香農(nóng)公式已經(jīng)不能涵蓋決定通信容量的各種因素。尤其在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中，由于各種頻譜共享技術(shù)的出現(xiàn)，主次用戶之間或共存于同一個信道中，或交替出現(xiàn)在同一個信道中，更增加了信道的時變性和隨機性。因此，進(jìn)一步分析共享或者共存通信情況下的信道容量，是分析和改進(jìn)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和性能的理論基礎(chǔ)和依據(jù)。


發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種機會頻譜共享系統(tǒng)中信道容量分析方法，用來作為認(rèn)知用戶(次用戶)設(shè)計傳輸參數(shù)的理論依據(jù)，分析信道容量的理論基礎(chǔ)，并作為優(yōu)化機會頻譜共享系統(tǒng)性能的理論指標(biāo)。該理論基礎(chǔ)，至少基本上解決上述問題和/或缺點，并至少提供下面的優(yōu)點。因此，本發(fā)明提供一種分析和改進(jìn)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和性能的理論基礎(chǔ)和依據(jù)。
技術(shù)方案本發(fā)的一種機會頻譜共享系統(tǒng)中信道容量分析方法明基于以上考慮，首先分析機會頻譜共享系統(tǒng)中次用戶信號干擾噪聲比(SINR)的變化特性。其次分析機會頻譜共享系統(tǒng)中授權(quán)信道對次用戶SINR的影響。最后將得出的機會頻譜共享系統(tǒng)中次用戶信道容量用于實際應(yīng)用設(shè)計中。
分析次用戶信號干擾噪聲比SINR，并以此分析次用戶信道容量與傳統(tǒng)信道容量的不同，確定機會頻譜共享系統(tǒng)中影響次用戶信道容量的主要因素；在機會頻譜共享系統(tǒng)中，次用戶設(shè)計其傳輸幀長、檢測時間以及進(jìn)行效用函數(shù)設(shè)計時，都需要考慮次用戶信道容量，在設(shè)計初期，次用戶需要在帶外進(jìn)行相應(yīng)的理論分析，并存儲在表格中，該表格內(nèi)容隨著授權(quán)用戶、授權(quán)信道、次用戶移動因素的變化而變化，具體方法為 步驟一在進(jìn)行參數(shù)設(shè)計之前，首先進(jìn)行對主用戶的距離檢測，次用戶檢測距離D，并判斷主次用戶之間的距離，若次用戶在主用戶干擾距離范圍內(nèi)，此時，次用戶退出對該主用戶信道的檢測，之后尋找其它授權(quán)信道；若次用戶在主用戶干擾距離范圍外，次用戶繼續(xù)進(jìn)行環(huán)境檢測； 步驟二環(huán)境檢測，包括檢測在授權(quán)信道上傳輸信息時信道的傳輸環(huán)境，確定授權(quán)信道的衰落特性以及信道的衰落類型； 步驟三進(jìn)行次用戶發(fā)送端對主用戶發(fā)送端、接收端以及次用戶接收端位置信息的檢測，同時次用戶通過歷史數(shù)據(jù)預(yù)測或者偵聽主用戶的廣播信息獲得主用戶對授權(quán)信道占用的特性信息β1； 步驟四在獲得以上參數(shù)之后，進(jìn)行理論容量的計算和分析，次用戶計算衰落信道條件下，未發(fā)生碰撞時可達(dá)到吞吐量的一個平均容量界值，該值的計算是對授權(quán)信道衰落特性、主次用戶功率以及位置信息、以及主用戶對授權(quán)信道使用特性等信息參數(shù)進(jìn)行綜合分析后得到。該平均容量界值是包含次用戶傳輸幀長等設(shè)計參數(shù)在內(nèi)的函數(shù)表達(dá)式； 步驟五根據(jù)平均容量界值表達(dá)式，一方面可以在次用戶傳輸參數(shù)，如幀長、檢測時間固定的情況下，分析授權(quán)信道傳輸特性對次用戶傳輸性能的影響，為次用戶在多個授權(quán)信道之間選擇最優(yōu)信道提供依據(jù)；另一方面可以在給定授權(quán)信道條件下，優(yōu)化次用戶的傳輸參數(shù)； 步驟六以得到的平均容量界值表達(dá)式為效用函數(shù)，通過最優(yōu)化準(zhǔn)則獲取所需要的設(shè)計參數(shù)；如果參數(shù)為次用戶傳輸幀長和檢測時間長度，根據(jù)最優(yōu)化準(zhǔn)則，以最大化平均容量界值為目標(biāo)得到所需參數(shù)的最優(yōu)值； 步驟七將結(jié)果報告給次用戶發(fā)送端和接收端，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和同步。
在次用戶理論分析階段，次用戶發(fā)送端需要在帶外建立相應(yīng)的表格存儲信息，并且該信息隨著授權(quán)信道衰落特性、主次用戶功率以及位置信息、以及主用戶對授權(quán)信道使用特性等信息參數(shù)的改變而進(jìn)行實時更新。
有益效果實驗結(jié)果證明，該容量理論融合了影響次用戶傳輸速率和傳輸質(zhì)量以及次用戶對主用戶干擾的各種主要因素，為機會頻譜共享系統(tǒng)提供了物理層和MAC層關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計的理論分析基礎(chǔ)和依據(jù)。



通過下面結(jié)合附圖并進(jìn)行的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述和其它目的、特點和優(yōu)點將變得更加清楚，其中； 圖1示出了主次用戶占用授權(quán)信道以及檢測授權(quán)信道的幀結(jié)構(gòu)案例。
圖2示出了機會頻譜共享系統(tǒng)中主次用戶位置案例。
圖3示出了本發(fā)明容量理論指導(dǎo)實際案例設(shè)計的流程圖。

具體實施例方式 首先，這里定義的術(shù)語定義如下 SINR次用戶的信號干擾噪聲比 γSINR β0主用戶占用信道的平均持續(xù)時間 β1主用戶釋放信道的平均持續(xù)時間 t主用戶由占用信道到釋放信道所用的時間 tt主用戶由釋放信道到占用信道所用的時間 i次用戶對主用戶的檢測時間 T次用戶的幀長 Ti次用戶i的幀長 P0主用戶在次用戶接收端的接收功率 Ps次用戶在次用戶接收端的接收功率 Pt0主用戶發(fā)送端的發(fā)送功率 Pts次用戶發(fā)送端的發(fā)送功率 Pth主用戶接收端可容忍的干擾功率門限 γth主用戶接收端可容忍的SINR門限 N系統(tǒng)當(dāng)前次用戶數(shù)目 N0AWGN功率 NjSINR電平穿越SINR門限γj的電平交叉率 P()概率密度函數(shù) f()指數(shù)分布函數(shù) B授權(quán)信道的信道帶寬 α路徑衰減因子 γc(T，τ，Ps，P0)與主用戶發(fā)生碰撞時次用戶的瞬時SINR

與主用戶發(fā)生碰撞時次用戶的平均SINR γnc(T，τ，Ps，P0)未與主用戶發(fā)生碰撞時次用戶的瞬時SINR

未與主用戶發(fā)生碰撞時次用戶的平均SINR

未與主用戶發(fā)生碰撞時次用戶可達(dá)到吞吐量的平均最低界 fD衰落信道的最大多普勒頻率

衰落信道的平均SINR rpp主用戶發(fā)送端到主用戶接收端的距離 hpp主用戶發(fā)送端到主用戶接收端的無線傳輸信道衰落因子 rps主用戶發(fā)送端到次用戶接收端的距離 hps主用戶發(fā)送端到次用戶接收端的無線傳輸信道衰落因子 rss次用戶發(fā)送端到次用戶接收端的距離 hss次用戶發(fā)送端到次用戶接收端的無線傳輸信道衰落因子 rsp次用戶發(fā)送端到主用戶接收端的距離 hsp次用戶發(fā)送端到主用戶接收端的無線傳輸信道衰落因子 D主用戶發(fā)送端到次用戶發(fā)送端的距離為。
機會頻譜共享系統(tǒng)中認(rèn)知用戶信道容量理論分析如下 1.主用戶對信道容量的影響 參照圖1，主用戶對授權(quán)信道的占用符合指數(shù)開-關(guān)流量模型。該模型中主用戶占用信道，即開的平均持續(xù)時間為β0。主用戶不占用信道，即關(guān)的平均持續(xù)時間為βi，主用戶由占用信道到釋放信道所用的時間為t，其服從指數(shù)分布。假設(shè)次用戶幀長為T，接入授權(quán)信道之前i毫秒時間用于對主用戶信道的檢測。當(dāng)檢測到主用戶不存在時，在T-i時間內(nèi)傳輸次用戶數(shù)據(jù)，在傳輸數(shù)據(jù)過程中，主用戶會隨時出現(xiàn)，此時主次用戶會發(fā)生碰撞而使次用戶的數(shù)據(jù)包完全丟失。幀長T既決定了次用戶傳輸數(shù)據(jù)長度(次用戶吞吐量)又決定了次用戶對主用戶檢測的頻率(碰撞概率)。在T時間內(nèi)，當(dāng)主用戶出現(xiàn)時，次用戶的SINR表示為
因為t服從如下指數(shù)分布 此時，發(fā)生碰撞時的平均SINR表示為


該SINR對應(yīng)次用戶在發(fā)生碰撞時可達(dá)到吞吐量的一個平均容量界值，即
同樣地，在T時間內(nèi)，主用戶不出現(xiàn)時，次用戶的SINR表示為
tt服從如下指數(shù)分布 此時，沒有發(fā)生碰撞時的平均SINR表示為

該SINR對應(yīng)次用戶在未發(fā)生碰撞時可達(dá)到吞吐量的一個平均容量界值，即
可見，次用戶的SINR以及相應(yīng)的信道容量是由次用戶傳輸幀長T、檢測時間長度i、次用戶接收端接收到的主用戶功率P0以及次用戶功率Ps共同決定的。
2.授權(quán)信道對主用戶的影響 參照圖2，對于主用戶而言，其發(fā)送端周圍存在一個由其最大可允許的干擾功率決定的以主用戶發(fā)送端為圓心以dp為半徑的保護區(qū)域。對于次用戶而言，其發(fā)送端同樣存在一個由其最大可允許的干擾功率決定的以次用戶發(fā)送端為圓心以ds為半徑的保護區(qū)域。
若D＜dp+ds，即次用戶發(fā)送端進(jìn)入主用戶的保護區(qū)域則對主用戶發(fā)送端產(chǎn)生干擾，另一方面，如果主用戶在次用戶接收端的功率大于次用戶可容忍的范圍，次用戶的傳輸質(zhì)量也會下降，此時，主次用戶發(fā)生碰撞。次用戶接收端接收功率的關(guān)系式為 考慮到信道衰落因子，進(jìn)一步分析次用戶接收端接收到的SINR，得到在T時間內(nèi)，當(dāng)主用戶出現(xiàn)時，次用戶的瞬時SINR表示為
此時，發(fā)生碰撞時的平均SINR表示為


該SINR對應(yīng)次用戶在發(fā)生碰撞時可達(dá)到信道容量的平均容量界值表示為
在T時間內(nèi)，主用戶不出現(xiàn)時，次用戶的瞬時SINR表示為 此時，沒有發(fā)生碰撞時的平均SINR表示為

該SINR對應(yīng)次用戶在未發(fā)生碰撞時可達(dá)到吞吐量的一個平均容量界值，即
最終，次用戶在Rayleigh衰落信道條件下，未發(fā)生碰撞時可達(dá)到吞吐量的一個平均容量界值表示式為
并且，在主用戶接收端存在 下面將參照附圖在這里描述本發(fā)明的優(yōu)先實施例。在下面的說明書中由于已知功能和結(jié)構(gòu)在不必要的細(xì)節(jié)使本發(fā)明模糊，因此不再描述它們。
參照圖3，本發(fā)明在圖2應(yīng)用環(huán)境中理論指導(dǎo)次用戶傳輸策略的具體實施方式
為 步驟310距離檢測。次用戶檢測距離D，并在步驟312中判斷主次用戶發(fā)送端之間的距離，若D＜dp+ds，表明次用戶在主用戶干擾距離范圍內(nèi)，此時，次用戶退出對該主用戶信道的檢測，在步驟328中尋找其它授權(quán)信道。若D≥dp+ds，表明次用戶在主用戶干擾距離范圍外，進(jìn)入步驟314。
步驟314環(huán)境檢測。次用戶檢測在授權(quán)信道上傳輸時信道的傳輸環(huán)境，確定授權(quán)信道的衰落特性，并進(jìn)入步驟316 步驟316位置信息檢測。次用戶檢測位置信息，包括rpp、rps、rss、rsp。
步驟318信道占用狀況檢測。次用戶獲取主用戶占用信道特性信息βi 步驟320理論容量計算。次用戶計算衰落信道條件下，未發(fā)生碰撞時可達(dá)到吞吐量的一個平均容量界值。如果次用戶使用授權(quán)信道的傳輸特性為Rayleigh衰落信道，則最低界的表達(dá)式為
步驟322獲取設(shè)計參數(shù)。在此，參數(shù)為次用戶傳輸幀長。根據(jù)優(yōu)化策略
設(shè)計次用戶最優(yōu)傳輸幀長和檢測時間長度，并將結(jié)果在步驟324中報告次用戶發(fā)送端和接收端。
步驟310至步驟324為次用戶理論分析階段，在次用戶端可以在帶外建立相應(yīng)的表格存儲信息，并且該信息在步驟326中實時更新過程，包括對當(dāng)前授權(quán)信道以及其它授權(quán)信道的相關(guān)信息更新。
權(quán)利要求
1.一種機會頻譜共享系統(tǒng)中信道容量分析方法，其特征在于分析次用戶信號干擾噪聲比SINR，并以此分析次用戶信道容量與傳統(tǒng)信道容量的不同，確定機會頻譜共享系統(tǒng)中影響次用戶信道容量的主要因素；在機會頻譜共享系統(tǒng)中，次用戶設(shè)計其傳輸幀長、檢測時間以及進(jìn)行效用函數(shù)設(shè)計時，都需要考慮次用戶信道容量，在設(shè)計初期，次用戶需要在帶外進(jìn)行相應(yīng)的理論分析，并存儲在表格中，該表格內(nèi)容隨著授權(quán)用戶、授權(quán)信道、次用戶移動因素的變化而變化，具體方法為
步驟一在進(jìn)行參數(shù)設(shè)計之前，首先進(jìn)行對主用戶的距離檢測，次用戶檢測距離D，并判斷主次用戶之間的距離，若次用戶在主用戶干擾距離范圍內(nèi)，此時，次用戶退出對該主用戶信道的檢測，之后尋找其它授權(quán)信道；若次用戶在主用戶干擾距離范圍外，次用戶繼續(xù)進(jìn)行環(huán)境檢測；
步驟二環(huán)境檢測，包括檢測在授權(quán)信道上傳輸信息時信道的傳輸環(huán)境，確定授權(quán)信道的衰落特性以及信道的衰落類型；
步驟三進(jìn)行次用戶發(fā)送端對主用戶發(fā)送端、接收端以及次用戶接收端位置信息的檢測，同時次用戶通過歷史數(shù)據(jù)預(yù)測或者偵聽主用戶的廣播信息獲得主用戶對授權(quán)信道占用的特性信息β1；
步驟四在獲得以上參數(shù)之后，進(jìn)行理論容量的計算和分析，次用戶計算衰落信道條件下，未發(fā)生碰撞時可達(dá)到吞吐量的一個平均容量界值，該值的計算是對授權(quán)信道衰落特性、主次用戶功率以及位置信息、以及主用戶對授權(quán)信道使用特性等信息參數(shù)進(jìn)行綜合分析后得到。該平均容量界值是包含次用戶傳輸幀長等設(shè)計參數(shù)在內(nèi)的函數(shù)表達(dá)式；
步驟五根據(jù)平均容量界值表達(dá)式，一方面可以在次用戶傳輸參數(shù)，如幀長、檢測時間固定的情況下，分析授權(quán)信道傳輸特性對次用戶傳輸性能的影響，為次用戶在多個授權(quán)信道之間選擇最優(yōu)信道提供依據(jù)；另一方面可以在給定授權(quán)信道條件下，優(yōu)化次用戶的傳輸參數(shù)；
步驟六以得到的平均容量界值表達(dá)式為效用函數(shù)，通過最優(yōu)化準(zhǔn)則獲取所需要的設(shè)計參數(shù)；如果參數(shù)為次用戶傳輸幀長和檢測時間長度，根據(jù)最優(yōu)化準(zhǔn)則，以最大化平均容量界值為目標(biāo)得到所需參數(shù)的最優(yōu)值；
步驟七將結(jié)果報告給次用戶發(fā)送端和接收端，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和同步。
在次用戶理論分析階段，次用戶發(fā)送端需要在帶外建立相應(yīng)的表格存儲信息，并且該信息隨著授權(quán)信道衰落特性、主次用戶功率以及位置信息、以及主用戶對授權(quán)信道使用特性等信息參數(shù)的改變而進(jìn)行實時更新。
全文摘要
機會頻譜共享系統(tǒng)中信道容量分析方法基本思想是分析次用戶信號干擾噪聲比(SINR)，并以此分析次用戶信道容量與傳統(tǒng)信道容量的不同，確定機會頻譜共享系統(tǒng)中影響次用戶信道容量的主要因素。分析次用戶信號干擾噪聲比SINR，并以此分析次用戶信道容量與傳統(tǒng)信道容量的不同，確定機會頻譜共享系統(tǒng)中影響次用戶信道容量的主要因素；在機會頻譜共享系統(tǒng)中，次用戶設(shè)計其傳輸幀長、檢測時間以及進(jìn)行效用函數(shù)設(shè)計時，都需要考慮次用戶信道容量，在設(shè)計初期，次用戶需要在帶外進(jìn)行相應(yīng)的理論分析，并存儲在表格中，該表格內(nèi)容隨著授權(quán)用戶、授權(quán)信道、次用戶移動因素的變化而變化。為機會頻譜共享系統(tǒng)提供了物理層和MAC層關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計的理論分析基礎(chǔ)和依據(jù)。
文檔編號H04B7/26GK101765124SQ20101001832
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月13日
發(fā)明者孫君, 朱洪波 申請人:南京郵電大學(xué)