專利名稱：一種認知無線電的頻譜共享方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于認知無線電領域，尤其涉及一種認知無線電的頻譜共享的方法及系 統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著無線通信業(yè)務的快速發(fā)展，無線電頻譜成為重要且稀缺的資源。一方面，各種 無線業(yè)務在數(shù)量和質(zhì)量上對頻譜資源提出了更多的要求；另一方面，由于現(xiàn)有的靜態(tài)頻譜 分配方案，導致頻譜資源沒有得到有效的利用。認知無線及網(wǎng)絡技術(shù)是提高頻譜資源使用 效率的有效途徑。近年來，眾多學者及組織對認知無線電中的頻譜(信道)調(diào)度問題進行了 深入的研究，其主要研究成果如下
基于租賃的頻譜共享認知無線電創(chuàng)始人J. Mitola提出的頻譜使用思想，即在一定 的時間內(nèi)擁有某段頻譜使用權(quán)的用戶可以將頻譜以租賃的形式分配給認知無線電用戶，而 認知用戶需要付出一定的代價?；诖怂枷?，研究者對頻譜出租策略提出了各種各樣的設 想，如基于合作或者非合作博弈方式的頻譜出租策略，基于拍賣的頻譜出租策略以及基于 服務質(zhì)量需求的租賃策略等等。這種共享方案主要以運營商和用戶的效用函數(shù)為目標，對頻譜分配進行優(yōu)化。由 于引入了博弈論等經(jīng)濟學領域工具，往往對實際的無線通信模型的假設過于簡單，對運營 商和用戶的效用函數(shù)建模過于簡化。同時，由于數(shù)學工具的限制，這種方案往往對無線通信 系統(tǒng)中傳統(tǒng)參數(shù)(如用戶的阻塞率、掉話率、接入等待延遲、系統(tǒng)的用戶容量等)無法給出明 確的結(jié)論。因此，其得到的結(jié)果更多時候，只具有理論價值，很難在實際中應用?；跈C會式接入的頻譜共享這種頻譜共享方案通常是在假設認知無線電用戶具 備一定的頻譜感知能力，能夠?qū)崟r的偵測到目標頻段內(nèi)授權(quán)用戶的行為。如果檢測到目標 頻段內(nèi)沒有授權(quán)用戶通信，則占用此信道。認知用戶在通信過程中，如果檢測到授權(quán)用戶在 其占用的頻段內(nèi)發(fā)起通信，則通過一定的技術(shù)(如頻譜切換、頻譜捷變等)躲避對授權(quán)用戶 的干擾。這種方案的問題較多。首先，由于采用機會式接入策略，認知用戶的行為很難受到 授權(quán)系統(tǒng)的制約，對整個網(wǎng)絡的安全提出了極大的挑戰(zhàn)。同時，由于認知用戶的頻譜感知能 力以及頻譜移動(頻譜切換)能力不同，不可避免的要對授權(quán)用戶產(chǎn)生干擾，而干擾等級又 難以定量給出。因此，這種方案實現(xiàn)難度較大，同時也是授權(quán)系統(tǒng)最難以接受的?；诟蓴_溫度檢測的頻譜共享前用面兩種頻譜共享方式中，對于信道的使用都 是獨占式的，即在同一個頻段內(nèi)，只能有授權(quán)用戶或者認知用戶存在，兩者不能同時存在。 基于干擾溫度檢測的頻譜共享方案是非獨占式的。其主要思想認為，授權(quán)用戶在通信過程 中，能夠忍受一定的干擾，而對于干擾的評價由干擾溫度給出。這時，在頻段上，信道容量存 在一定的余量，認知用戶可以在該頻段上利用這些信道容量余量，以低于授權(quán)用戶干擾溫 度的功率進行通信。典型的應用為underlay頻譜共享策略，認知用戶往往采用具有極低功 率譜密度的超寬帶技術(shù)實現(xiàn)。這種方案的主要難點在于對接收機干擾溫度的測量。傳統(tǒng)的頻譜感知技術(shù)，如匹配濾波器檢測、能量檢測以及循環(huán)平穩(wěn)特征檢測都是針對發(fā)射機檢測的，無法給出認知用 戶對授權(quán)系統(tǒng)中的接收機的干擾強度。而基于接收機的干擾溫度檢測中，主要由兩種方案 1)基于合作檢測的方案。這種方案利用網(wǎng)絡中多個認知用戶共同對目標頻譜進行檢測，并 將檢測結(jié)果上報給數(shù)據(jù)中心，進行數(shù)據(jù)融合，判決該目標頻譜中是否有授權(quán)用戶活動。合作 檢測的主要問題在于對于頻譜的使用通常要依賴于多個認知用戶的共同工作，需要高密度 的認知用戶部署。其應用范圍受到了極大的制約。2)基于傳感器網(wǎng)絡的檢測。這種方案主 要通過部署大量的傳感器節(jié)點，對系統(tǒng)中的授權(quán)用戶進行監(jiān)測。其主要缺點是需要對網(wǎng)絡 基礎設施進行大量改動，其實現(xiàn)復雜度非常高?；诰W(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的頻譜共享這種共享方案主要是針對分布式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)提出， 其核心思想是更大程度的利用網(wǎng)絡中空閑的空域資源。認知用戶通過合作檢測方式確定 在較小的通信范圍內(nèi)，目標頻段上是否有授權(quán)用戶存在，或者自身通信是否會影響到授權(quán) 用戶的通信，從而尋找到空域上的頻譜空穴。這種思想更多的來自于無線傳感器網(wǎng)絡或者 mesh網(wǎng)等理論，圖論是其主要的研究手段。這種方案與基于干擾溫度檢測的頻譜共享方案較為相似，都是通過合作檢測等方 式，確定系統(tǒng)中是否有頻譜空穴。其缺點也基本相同，即對于認知網(wǎng)絡節(jié)點密度的高度依賴 以及對網(wǎng)絡基礎設施的大量改動。同時，這種方式很難與現(xiàn)有的基于中心式的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)進 行融合，很難找到與之對應的授權(quán)系統(tǒng)實體。總之，上述各種頻譜共享方案中，認知用戶的服務質(zhì)量可以隨意犧牲。當認知用戶 的服務質(zhì)量得不到相應的保證，而僅僅追求頻譜的高效利用時，就失去了認知無線電技術(shù) 本身的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例的目的在于提供一種認知無線電的頻譜共享方法，旨在解決現(xiàn)有的 頻譜共享方法中認知用戶的服務質(zhì)量較差的問題。本發(fā)明實施例是這樣實現(xiàn)的，一種認知無線電的頻譜共享的方法，所述方法包括 以下步驟
分別為授權(quán)用戶、認知用戶建立獨立的隊列； 將持有的頻譜分成同構(gòu)的N個獨立頻點；
將所有的獨立頻點分配給授權(quán)用戶或者認知用戶使用，對于每個信道在任一時刻只分 配給一個授權(quán)用戶或認知用戶獨享；
當授權(quán)用戶或認知用戶完成本次服務時，回收信道，以進行下次信道分配， 其中，N的值可以根據(jù)需要進行預設及修改。進一步地，在所述將持有的頻譜分成同構(gòu)的N個獨立頻點的步驟之后還包括步 驟
從N個獨立頻點中劃分出供授權(quán)用戶優(yōu)先使用的m個優(yōu)先信道； 在授權(quán)用戶小于m且隊列中無等待授權(quán)用戶時，將剩余的優(yōu)先信道分配給認知用戶使用。本發(fā)明實施例的另一目的在于提供一種認知無線電的頻譜共享的系統(tǒng)，所述系統(tǒng) 包括
4隊列建立模塊，用于分別為授權(quán)用戶、認知用戶建立獨立的隊列； 頻譜劃分模塊，用于將持有的頻譜分成同構(gòu)的N個獨立頻點； 頻點分配模塊，用于將所有的獨立頻點分配給授權(quán)用戶或者認知用戶使用，對于每個 信道在任一時刻只分配給一個授權(quán)用戶或認知用戶獨享；
信道回收模塊，用于當授權(quán)用戶或認知用戶完成本次服務時，回收信道，以進行下次信 道分配，
其中，N的值可以根據(jù)需要進行預設及修改。進一步地，所述系統(tǒng)還包括
優(yōu)先信道劃分模塊，用于從N個獨立頻點中劃分出供授權(quán)用戶優(yōu)先使用的m個優(yōu)先信
道；
優(yōu)先信道分配模塊，用于在授權(quán)用戶小于m且隊列中無等待授權(quán)用戶時，將剩余的優(yōu) 先信道分配給認知用戶使用
在本發(fā)明的實施例中，使認知無線電用戶擺脫了頻譜感知的束縛，降低了系統(tǒng)實現(xiàn)的 復雜度，同時也有效降低了對授權(quán)用戶的干擾風險。同時，由于采用了中心式的控制方案， 擺脫了其他方案對網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、認知用戶節(jié)點密度等問題的依賴。同時，解決現(xiàn)有的頻譜 共享方法中認知用戶的服務質(zhì)量較差的問題。


圖1是本發(fā)明第一實施例提供的頻譜共享方法的實施流程圖； 圖2是本發(fā)明第二實施例提供的頻譜共享方法的實施流程圖3是本發(fā)明實施例提供的信道預留策略的頻譜劃分示意圖； 圖4是本發(fā)明實施例提供的頻譜分配邏輯示意圖； 圖5是本發(fā)明實施例提供的頻譜分配系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。圖1示出了本發(fā)明第一實施例提供的頻譜共享方法的實施流程，詳述如下 在步驟SlOl中，分別為授權(quán)用戶、認知用戶建立獨立的隊列。在步驟S102中，將持有的頻譜分成同構(gòu)的N個獨立頻點。其中，N的值可以根據(jù) 需要進行預設及修改。在步驟S103中，將所有的獨立頻點分配給授權(quán)用戶或者認知用戶使用，對于每個 信道在任一時刻只分配給一個授權(quán)用戶或認知用戶獨享。為了克服頻譜感知帶來的系統(tǒng)復雜度，在本實施例中，并不強調(diào)認知用戶具有頻 譜感知能力，所有的認知用戶獲得的頻譜資源以及頻譜信息均來自于分配結(jié)果。在步驟S104中，當授權(quán)用戶或認知用戶完成本次服務時，回收信道，以進行下次 信道分配。在本實施例中，為了保護認知用戶的服務質(zhì)量，授權(quán)用戶對認知用戶不具有絕對的優(yōu)先權(quán)。當授權(quán)用戶接入信道時，將允許認知用戶完成本次服務，然后退出信道，以回收信道。圖2示出了本發(fā)明第二實施例提供的頻譜共享方法的實施流程，詳述如下 在步驟S201中，分別為授權(quán)用戶、認知用戶建立獨立的隊列。在步驟S202中，將持有的頻譜分成同構(gòu)的N個獨立頻點。其中，N的值可以根據(jù) 需要進行預設及修改。在步驟S203中，從N個獨立頻點中劃分出供授權(quán)用戶優(yōu)先使用的m個優(yōu)先信道。 信道劃分可參閱圖3。在步驟S204中，將所有的獨立頻點分配給授權(quán)用戶或者認知用戶使用，在授權(quán)用 戶小于m且隊列中無等待授權(quán)用戶時，將剩余的優(yōu)先信道分配給認知用戶使用，對于每個 信道在任一時刻只分配給一個授權(quán)用戶或認知用戶獨享。在步驟S205中，當授權(quán)用戶或認知用戶完成本次服務時，回收信道，以進行下次 信道分配。
在本發(fā)明第一實施例中盡管能夠有效的保證認知用戶的服務質(zhì)量，卻提高了授權(quán) 用戶的接入等待時間。為了能讓授權(quán)系統(tǒng)對授權(quán)用戶的等待時間有更為靈活的控制，在本 發(fā)明第二實施例中引入信道預留策略。即為授權(quán)用戶預留出m個信道，保證授權(quán)用戶的服 務質(zhì)量。其中，m是一個可以調(diào)節(jié)的變量，可以根據(jù)授權(quán)用戶的服務質(zhì)量、信道狀況、系統(tǒng)負 載等多方面因素進行調(diào)整。當系統(tǒng)中的授權(quán)用戶小于m且隊列中無等待用戶時，將其中的 N-m個信道分配給認知用戶使用。作為本發(fā)明的實施例，認知用戶采用時分復用方式，即在任意時刻，獲得信道的認 知用戶能夠同時在N-m個信道上進行業(yè)務傳輸，以保證認知用戶可以盡快完成一次業(yè)務， 較好的觀察業(yè)務結(jié)束時授權(quán)系統(tǒng)的狀態(tài)。一旦將N-m個信道分配給認知無線電系統(tǒng)時，將 保證在一次認知用戶的業(yè)務傳輸時間內(nèi)，不中斷其通信，直到當前受服務的認知用戶完成 本次業(yè)務之后，認知用戶將觀察授權(quán)用戶的信道使用情況，如果授權(quán)用戶隊列中，無等待用 戶，則認知無線電系統(tǒng)繼續(xù)持有信道，直到某次業(yè)務結(jié)束時，認知無線電系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)授權(quán)用戶 隊列中有等待用戶時，才將信道退還給授權(quán)系統(tǒng)。圖4示出了本發(fā)明實施例提供的頻譜分配邏輯，授權(quán)用戶和認知用戶共享一個頻 譜分配系統(tǒng)(Spectrum Allocation System，SAS)，且各自保持獨立的隊列。SAS將授權(quán)系統(tǒng) 持有的頻譜分成同構(gòu)的N個獨立頻點，即CH UCH 2……CH N。各個頻點的使用為獨占式， 即每個信道在任意時刻t只能分配給一個授權(quán)用戶或者認知用戶獨享。如圖所示，為方便 理解，授權(quán)用戶分別為SU j、SU j+l、SU j+2、SU j+……。認知用戶分別為PU i、SU i +1、 SU i +2、SU i +......。為了克服頻譜感知帶來的系統(tǒng)復雜度，并不強調(diào)認知用戶具有頻譜感知能力，所 有認知用戶獲得的頻譜資源以及頻譜信息均來自于SAS的分配結(jié)果，而認知用戶未經(jīng)SAS 授權(quán)，不能接入任何信道。與其他認知無線電系統(tǒng)中的頻譜共享方法不同，為了保護認知用 戶的服務質(zhì)量，授權(quán)用戶對認知用戶不具有絕對的優(yōu)先權(quán)。當授權(quán)用戶接入信道時，系統(tǒng)將 允許認知用戶完成本次服務，然后退出信道。圖5示出了本發(fā)明實施例提供的頻譜分配系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，該頻譜分配系統(tǒng)包括隊列 建立模塊51、頻譜劃分模塊52、頻點分配模塊53、信道回收模塊54。
隊列建立模塊51分別為授權(quán)用戶、認知用戶建立獨立的隊列，頻譜劃分模塊52將 持有的頻譜分成同構(gòu)的N個獨立頻點，頻點分配模塊53將所有的獨立頻點分配給授權(quán)用戶 或者認知用戶使用，對于每個信道在任一時刻只分配給一個授權(quán)用戶或認知用戶獨享，信 道回收模塊54當授權(quán)用戶或認知用戶完成本次服務時，回收信道，以進行下次信道分配， 其中，N的值可以根據(jù)需要進行預設及修改。作為本發(fā)明的實施例，所述系統(tǒng)還包括優(yōu)先信道劃分模塊55、優(yōu)先信道分配模塊 56。優(yōu)先信道劃分模塊55從N個獨立頻點中劃分出供授權(quán)用戶優(yōu)先使用的m個優(yōu)先信道， 優(yōu)先信道分配模塊56在授權(quán)用戶小于m且隊列中無等待授權(quán)用戶時，將剩余的優(yōu)先信道分 配給認知用戶使用。綜上所述，本發(fā)明所提出的認知無線電頻譜共享方法克服了已有認知無線電頻譜 共享方法存在的技術(shù)缺陷
由于引入了集中控制的SAS系統(tǒng)功能單元，使認知無線電用戶擺脫了頻譜感知的束 縛，降低了系統(tǒng)實現(xiàn)的復雜度，同時也有效降低了對授權(quán)用戶的干擾風險。同時，由于采 用了中心式的控制方案，擺脫了其他方案對網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、認知用戶節(jié)點密度等問題的依 賴；
通過增加了認知用戶的獨立隊列與SAS頻譜分配系統(tǒng)兩個邏輯單元，完全可以在網(wǎng)絡 上層協(xié)議中進行修改，而不需要大規(guī)模的改變現(xiàn)有網(wǎng)絡的基礎設施結(jié)構(gòu)，減少了現(xiàn)有系統(tǒng) 像認知無線電系統(tǒng)的過渡成本；
除此之外，還引入了信道預留機制。該機制能夠增加授權(quán)系統(tǒng)對整個網(wǎng)絡行為的控制 能力，根據(jù)網(wǎng)絡情況的變化(如授權(quán)用戶的業(yè)務發(fā)起量，業(yè)務服務時間，信道狀況等)進行動 態(tài)調(diào)整，提高了整個系統(tǒng)的靈活性。同時，該方法與現(xiàn)有的頻譜資源分配方法可以進行適當融合，從而提高整個網(wǎng)絡 性能。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種認知無線電的頻譜共享的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟分別為授權(quán)用戶、認知用戶建立獨立的隊列；將持有的頻譜分成同構(gòu)的N個獨立頻點；將所有的獨立頻點分配給授權(quán)用戶或者認知用戶使用，對于每個信道在任一時刻只分配給一個授權(quán)用戶或認知用戶獨享；當授權(quán)用戶或認知用戶完成本次服務時，回收信道，以進行下次信道分配，其中，所述N有預設值且可修改。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的認知無線電的頻譜共享的方法，其特征在于，在所述將持有 的頻譜分成同構(gòu)的N個獨立頻點的步驟之后還包括步驟從N個獨立頻點中劃分出供授權(quán)用戶優(yōu)先使用的m個優(yōu)先信道； 在授權(quán)用戶小于m且隊列中無等待授權(quán)用戶時，將剩余的優(yōu)先信道分配給認知用戶使 用，所述m有預設值且可修改，且m小于或等于N。
3.一種認知無線電的頻譜共享的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括 隊列建立模塊，用于分別為授權(quán)用戶、認知用戶建立獨立的隊列； 頻譜劃分模塊，用于將持有的頻譜分成同構(gòu)的N個獨立頻點；頻點分配模塊，用于將所有的獨立頻點分配給授權(quán)用戶或者認知用戶使用，對于每個 信道在任一時刻只分配給一個授權(quán)用戶或認知用戶獨享；信道回收模塊，用于當授權(quán)用戶或認知用戶完成本次服務時，回收信道，以進行下次信 道分配，其中，所述N有預設值且可修改。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的認知無線電的頻譜共享的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括優(yōu)先信道劃分模塊，用于從N個獨立頻點中劃分出供授權(quán)用戶優(yōu)先使用的m個優(yōu)先信道；優(yōu)先信道分配模塊，用于在授權(quán)用戶小于m且隊列中無等待授權(quán)用戶時，將剩余的優(yōu) 先信道分配給認知用戶使用，所述m有預設值且可修改，且m小于或等于N。
全文摘要
本發(fā)明適用于認知無線電領域，提供了一種認知無線電的頻譜共享的方法及系統(tǒng)，所述方法包括以下步驟分別為授權(quán)用戶、認知用戶建立獨立的隊列；將持有的頻譜分成同構(gòu)的N個獨立頻點；將所有的獨立頻點分配給授權(quán)用戶或者認知用戶使用，對于每個信道在任一時刻只分配給一個授權(quán)用戶或認知用戶獨享；當授權(quán)用戶或認知用戶完成本次服務時，回收信道，以進行下次信道分配，其中，N的值可以根據(jù)需要進行預設及修改。在本發(fā)明的實施例中，由于采用了中心式的控制方案，擺脫了其他方案對網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、認知用戶節(jié)點密度等問題的依賴。同時，解決現(xiàn)有的頻譜共享方法中認知用戶的服務質(zhì)量較差的問題。
文檔編號H04W16/14GK101964982SQ20101051624
公開日2011年2月2日 申請日期2010年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月22日
發(fā)明者吳紹華, 張欽宇, 王勝, 王野, 肇啟明 申請人:哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院