多跳認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的空時聯(lián)合接入方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜接入技術(shù)，具體地說是一種多跳認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的 空時聯(lián)合接入方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用，無線電頻譜資源的不合理分配以及 匱乏問題日益突出。來自美國FCC、英國OFCOM、日本MIC、歐洲CEPT以及新加坡iDA等政府 組織的報告顯示，大量已授權(quán)的無線電頻譜均處于極低的利用率狀態(tài)。而認(rèn)知無線電技術(shù) 的提出和快速發(fā)展為解決頻譜資源匱乏和提高無線網(wǎng)絡(luò)性能提供了新的思路和解決方案， 因此基于該技術(shù)的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是最重要的下一代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。隨著對認(rèn)知無線 網(wǎng)絡(luò)研宄的深入，關(guān)于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)制定工作已經(jīng)在一些重要的國際組織中展開， 包括IEEE、ETSI、ECMA等。目前，基于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的國際標(biāo)準(zhǔn)主要有：IEEE802. 22及其 子標(biāo)準(zhǔn)IEEE802. 22a和IEEE802. 22b，IEEE802.llaf，IEEE802. 16h，IEEE802. 19,IEEE 802. 15. 4m以及IEEE1900 等。
[0003] 無線電頻譜具有時域、頻域和空域的三維特性，因此對于頻譜資源的異構(gòu)特性研 宄是進一步提高頻譜利用率的重要途徑。由于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)主要考慮未授權(quán)的認(rèn)知用戶 (CognitiveUsers，OJs)接入到授權(quán)給主用戶（PrimaryUsers，PUs)的授權(quán)頻段，所以現(xiàn) 有的頻譜接入方法主要考慮了頻譜是時域機會或空域機會。時域機會就是PUs未占用授權(quán) 頻段時所產(chǎn)生的空白頻譜，CUs可以根據(jù)該空白頻譜機會式地接入到授權(quán)頻段進行數(shù)據(jù)傳 輸；而空域機會是指PUs根據(jù)其發(fā)射功率和接收靈敏度具有一個覆蓋范圍，如果CUs超過了 PUs的覆蓋范圍，那么即使PUs正在占用授權(quán)頻段，CUs的通信也不會對其造成干擾，因此 ⑶s可以自由接入授權(quán)頻段。
[0004] 根據(jù)上述頻譜空洞的時域和空域特性，現(xiàn)有的頻譜接入方法主要包括機會頻譜接 入和頻譜共享兩類。
[0005] (1)機會頻譜接入是一種周期感知和傳輸方法，要求在CUs在通信的每個幀中，專 門劃定感知時隙進行頻譜感知。只有在感知結(jié)果顯示PUs未占用授權(quán)頻段，即出現(xiàn)頻譜空 洞時，才允許CUs接入該授權(quán)頻段進行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)PUs重新占用授權(quán)頻段時，CUs必須立 即終止在該頻譜的數(shù)據(jù)傳輸以確保PUs的正常通信。此外，也可以采用頻譜數(shù)據(jù)庫確定PUs 占用授權(quán)頻段的情況，實現(xiàn)機會頻譜接入。因此，機會頻譜接入是一種不連續(xù)的頻譜接入方 法，無法確保CUs數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性。
[0006] (2)頻譜共享是一種⑶S和PUs共享授權(quán)頻段的方法，它允許⑶S在不影響PUs通 信的條件下，連續(xù)性地接入到授權(quán)頻段進行數(shù)據(jù)傳輸。但是，頻譜共享對CUs的傳輸功率有 極高的要求，即不能高于干擾溫度閾值，所以現(xiàn)有的方法僅允許CUs以極低的功率接入授 權(quán)頻段，以確保對PUs的充分保護。在此基礎(chǔ)上，基于感知的頻譜共享為實現(xiàn)CUs對授權(quán)頻 段的連續(xù)可靠接入提供了新的方法。該方法允許CUs根據(jù)頻譜感知結(jié)果進行合理地功率控 制，以進一步提高頻譜效率和網(wǎng)絡(luò)容量。
[0007] 綜上所述，機會頻譜接入和頻譜共享兩類策略分別只考慮了頻譜的時域機會和空 域機會，并沒有同時考慮頻譜在時域和空域的雙重特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明針對現(xiàn)有頻譜接入方法僅單純考慮時域或空域機會所導(dǎo)致的頻譜利用率 低的問題，提出了一種多跳認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的空時聯(lián)合接入方法，通過空域感知和時域感知 探索頻譜的空域機會和時域機會，然后根據(jù)空時聯(lián)合感知的結(jié)果，選擇不同的功率控制策 略，進而實現(xiàn)CUs認(rèn)知用戶對授權(quán)頻段的連續(xù)接入和數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸，在提高頻譜利用率 的同時，滿足認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)對連續(xù)性和實時性的需求。
[0009] 本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種多跳認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的空時聯(lián)合 接入方法，包括以下步驟：
[0010] 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)初始化；
[0011] 認(rèn)知用戶通過空域感知確定是否存在空域機會；
[0012] 認(rèn)知用戶通過時域感知確定是否存在時域機會；
[0013] 認(rèn)知用戶根據(jù)空時聯(lián)合感知結(jié)果判定其獲得自由機會或共享機會；
[0014] 認(rèn)知用戶根據(jù)其自由機會或共享機會確定頻譜接入方式及傳輸功率。
[0015] 所述認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)初始化包括以下步驟：
[0016] 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)，并以次用戶身份接入到授權(quán)頻段；
[0017]CUs根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議確定端到端通信路徑，以固定中繼的方式建立多跳傳輸路徑， 并采用TDMA機制調(diào)度網(wǎng)絡(luò)的每一跳數(shù)據(jù)傳輸。
[0018] 所述認(rèn)知用戶通過空域感知確定是否存在空域機會，具體為：CUs確定自身與PUs 的相對位置，判定自身是否位于PUs的覆蓋范圍外，進而決策是否存在空域機會。
[0019] 所述空域機會為：當(dāng)⑶s位于PUs的覆蓋范圍外時，無論PUs是否正在占用授權(quán)頻 段，CUs的通信都不會對其造成影響，CUs可以自由接入到授權(quán)頻段進行數(shù)據(jù)傳輸。
[0020] 所述認(rèn)知用戶通過時域感知確定是否存在時域機會，具體為：CUs確定PUs占用授 權(quán)頻段的情況，判定PUs是否未占用授權(quán)頻段，進而決策是否存在時域機會。
[0021] 所述時域機會為：當(dāng)PUs未占用授權(quán)頻段時，無論CUs位于PUs的覆蓋范圍內(nèi)或 外，CUs都可以自由接入到授權(quán)頻段進行數(shù)據(jù)傳輸。
[0022] 所述認(rèn)知用戶根據(jù)空時聯(lián)合感知結(jié)果判定其獲得自由機會或共享機會，具體為：
[0023] 當(dāng)CUs獲得了空域機會和/或時域機會時，將其定義為自由機會，CUs可以自由接 入到授權(quán)頻段；
[0024] 當(dāng)CUs既未獲得空域機會也未獲得時域機會時，將其定義為共享機會，CUs以控制 功率接入到授權(quán)頻段。
[0025] 所述認(rèn)知用戶根據(jù)其自由機會或共享機會確定頻譜接入方式及傳輸功率，具體 為：
[0026] 當(dāng)CUs獲得自由機會時，允許CUs自由接入授權(quán)頻段，CUs可以采用最大功率進行 數(shù)據(jù)傳輸；
[0027] 當(dāng)CUs獲得共享機會時，為了充分保護PUs，僅允許CUs以控制功率進行數(shù)據(jù)傳輸。
[0028] 所述控制功率考慮CUs和PUs的相對位置，以多個PUs所能承受的最大干擾和PUs 與CUs之間的路徑損耗和信道增益為基礎(chǔ)進行計算得到：
[0029]
[0030] 其中，15為PUs所能承受的最大干擾，hmj為PUmSCU」的信道增益，M為PUs的數(shù) 量，Pmax為CUs的最大傳輸功率。
[0031] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點及有益效果：
[0032] 1.本發(fā)明的方法充分考慮了頻譜的時域和空域特性，可以實現(xiàn)CUs和PUs的共存， 確保CUs對授權(quán)頻段的連續(xù)接入和數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸。
[0033] 2.本發(fā)明的方法可以應(yīng)用于認(rèn)知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線體域網(wǎng)等短距離低功率的 無線網(wǎng)絡(luò)中，在提高頻譜利用率的同時，滿足無線網(wǎng)絡(luò)對連續(xù)性和實時性的要求。
【附圖說明】
[0034] 圖1是本發(fā)明方法流程圖；
[0035] 圖2是認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的多跳傳輸模型示意圖；
[0036] 圖3是二維的空時機會模型示意圖。
【具體實施方式】
[0037] 下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0038] 本發(fā)明提出了一種面向多跳認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的空時聯(lián)合接入方法，其主要思想是通 過空域和時域的聯(lián)合感知確定頻譜的自由機會或共享機會，在提高頻譜利用率的同時，實 現(xiàn)CUs對授權(quán)頻段的連續(xù)接入和數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸。
[0039] 本發(fā)明主要包括如下實現(xiàn)過程：（1)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)初始化；（2)認(rèn)知用戶通過空域 感知確定是否存在空域機會；（3)認(rèn)知用戶通過時域感知確定是否存在時域機會；(4)認(rèn)知 用戶根據(jù)空時聯(lián)合感知結(jié)果判定其獲得自由機會或共享機會；（5)認(rèn)知用戶根據(jù)其自由機 會或共享機會確定頻譜接入方式及傳輸功率。圖1所示是多跳認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的空時聯(lián)合接 入方法的流程圖。下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的具體過程做如下詳細說明。
[0040] (1)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)初始化
[0041] 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)（即有待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)），并以次用戶的身份接入 到授權(quán)頻段。假設(shè)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中共有N+1個CUs，多跳傳輸路徑已經(jīng)由上層協(xié)議規(guī)劃完 畢，采用固定中繼方式進行數(shù)據(jù)傳輸。如圖2所示，數(shù)據(jù)從認(rèn)知源節(jié)點C%經(jīng)過N-1個認(rèn)知 中繼節(jié)點到達認(rèn)知目的節(jié)點CUN，即N跳數(shù)據(jù)傳輸。認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)采用TDMA機制調(diào)度網(wǎng)絡(luò) 的每一跳數(shù)據(jù)傳輸，并將整個時間幀劃分為N個時隙，每個時隙足夠完成一跳傳輸。這樣， C%接收到的信號可以表示為：
[0042]
[0043] 其中，sJPsp分別是CU肩BS的發(fā)射信號，P3和P分別表示CU廊BS的發(fā)射功 率，hi」和hpj分別是⑶JPBS到⑶」的傳輸路徑上的信道增益，n」表示⑶」處的噪聲。
[0044] (2)認(rèn)知用戶通過空域感知確定是否存在空域機會
[0045] 認(rèn)知用戶通過空域感知確定是否存在時域機會的過程為：⑶s采用GPS等定位技 術(shù)確定自身與PUs的相對位置，判定其是否位于PUs的覆蓋范圍外，進而決策是否存在空域