專利名稱：分布式認知無線電系統頻譜接入方法
技術領域：
本發明屬于無線通信技術領域，涉及認知無線電，具體是一種分布式認知無線電系統頻譜接入方法，可用于更多的時延敏感業務，保障分布式認知無線電系統中次級用戶的隊列穩定性。
背景技術：
隨著無線通信技術的飛速發展，頻譜資源日益緊缺，人們提出了認知無線電的概念。認知無線電技術的核心思想是在對取得頻譜使用權的授權用戶及其他非授權用戶不產生干擾的前提下，認知用戶通過感知周圍的無線電環境，伺機進行頻譜接入以提高頻譜利用率。基于認知無線電可以實現時間、頻率以及空間上的多維頻譜復用，從而大大降低頻譜和帶寬限制對無線通信發展的束縛。該技術的普及應用，將會極大地緩解無線頻譜資源日益緊缺的現狀，為人們提供更加豐富靈活的無線通信手段。認知無線電最核心的工作機制本質上包括兩個基本過程頻譜機會的發現與頻譜機會的利用。頻譜機會的發現對應的是認知能力，具體到技術層面就是頻譜檢測技術；頻譜機會的利用則對應于重配置能力，技術層面涵蓋了頻譜管理，頻譜接入及功率控制技術等。 動態頻譜接入能夠在滿足對主用戶干擾限制的基礎上，提高次級用戶吞吐量和服務質量， 因此被廣泛關注。動態頻譜接入可以分為集中式和分布式頻譜接入。在集中式方案中，網絡中的每個分布式節點都把自己感知到的頻譜信息匯聚到集中控制單元，由控制單元對各個節點的頻譜使用情況做出部署。而分布式解決方案中，每個分布式節點都參與頻譜分配和競爭的過程，頻譜接入是由節點自身的策略決定的。與集中式相比，分布式頻譜接入方案更具挑戰性，特別是很少有多個次級用戶分布式地共享接入頻譜的方法。現有的分布式頻譜接入算法往往以最大化次級用戶吞吐量為目標，而忽略了對分組時延和隊列穩定性的考慮，導致無法保證時延敏感業務的服務質量QoS。
發明內容
本發明的目的在于克服已有頻譜接入方案的不足，提出一種分布式認知無線電系統頻譜接入方法，以保障隊列的穩定性，提高系統的服務質量。本發明的技術思路是通過自適應調整次級用戶退避時長參數，使穩態服務速率趨近到達速率，進而保障隊列的穩定性。具體步驟包括如下((1)將獲得頻譜使用權的授權用戶定義為主用戶，將沒有獲得使用權的非授權用戶定義為次級用戶；(2)建立系統發送狀態馬爾科夫鏈模型，計算此模型各狀態的穩態概率，并根據穩態概率計算干擾限制下次級用戶的最大服務速率Smax ；(3)次級用戶i判斷數據到達速率e (1,2,...,K)是否小于最大服務速率 Smax，K表示次級用戶個數，如果到達速率小于最大服務速率，則執行步驟G)，否則次級用戶i進行流量控制，降低數據到達速率，直至數據到達速率小于最大服務速率，再執行步驟 ⑷；(4)次級用戶各自采用載波偵聽協議CSMA持續偵聽主用戶信道，當偵聽結果為空閑時，即信道上沒有其他用戶發送數據，則執行步驟(5)，否則繼續偵聽主用戶信道；(5)次級用戶進行分布式自適應退避，退避完成后接入信道5a)次級用戶i啟動時長為、的計時器1，并開始退避，此處、的值由次級用戶 i的計時器1隨機產生，并服從參數為一的指數分布，即( exp(一)，ri的初始值取負數，例如取-5 -lOms—1，并且每隔固定時間τ，將A的值自適應更新一次，τ取正數值，例如取 5 15ms ；5b)在退避過程中，次級用戶i不發送數據并持續偵聽主用戶信道，如果偵聽結果一直為空閑，則等待計數器1歸零后執行步驟(6)，如果在時間、內次級用戶i偵聽到信道上有其他用戶發送數據，則終止計時器1，并返回步驟中的信道偵聽狀態；(6)次級用戶發送數據，并根據碰撞情況決定是否丟棄數據6a)次級用戶以分組為單位發送數據，分組長度服從參數為T的指數分布，T值的大小與步驟O)中馬爾科夫鏈模型的參數T的取值保持一致；6b)次級用戶用沖突檢測的方法判斷是否與其他用戶的數據發生碰撞，如果發生碰撞，則丟棄正在發送的分組，并返回步驟(4)，如果未發生碰撞，則在完成分組發送后執行步驟(7)；(7)次級用戶i每隔固定時長b判斷隊列是否穩定，b的取值遠大于τ，例如τ取 5 15ms時，b取10 15s，如果穩定，并且還有數據需要發送，則返回步驟⑷，如果隊列不穩定，則次級用戶i按比例進行流量控制，將數據到達速率降低，例如降低至原來的80% 90%，并返回步驟(4)。本發明與現有方法相比主要優點如下(1)保障了對主用戶干擾限制下次級用戶隊列的穩定性本發明中次級用戶通過自適應調整退避時長參數，使得穩態服務速率不斷趨近于到達速率，最終保證了次級用戶的隊列穩定性，同時由于限制了次級用戶的數據到達速率， 從而保證了次級用戶對主用戶的干擾小于系統要求的門限值；(2)系統開銷更小本發明無需次級用戶之間的任何信息交互，只需次級用戶分布式地進行偵聽、退避和接入信道的操作，從而減小了由于用戶之間的溝通而產生的開銷；(3)簡單易實現本發明中自適應調整退避時長參數的操作簡單易行，次級用戶只需統計固定時間長度內到達和離開的數據分組個數，并根據簡單的更新算法自適應調整退避時長參數，這在實際中很容易實現。
圖1是本發明使用的系統場景時域圖；圖2是本發明的流程框圖；圖3是本發明構建的馬爾科夫鏈模型圖4是用本發明對次級用戶隊列長度變化的仿真圖；圖5是用本發明對 主用戶碰撞概率的仿真圖。
具體實施例方式本發明使用的系統場景如圖1，圖1中描述了 1個主用戶和2個次級用戶共享信道時的場景，當次級用戶偵聽到主用戶信道空閑時，隨機退避后接入信道，如果退避過程中沒有其他用戶發送數據，則完成數據發送后繼續偵聽主用戶信道，反之，如果退避過程中有其他用戶發送數據，則停止退避并轉入偵聽狀態。參照圖2，本發明的實現步驟如下步驟1，將獲得頻譜使用權的授權用戶定義為主用戶，將沒有獲得使用權的非授權用戶定義為次級用戶，規定授權用戶能隨時發送數據，而非授權用戶只能在授權用戶不發送數據時發送數據。步驟2，建立系統發送狀態馬爾科夫鏈模型，計算此模型各狀態的穩態概率，并根據穩態概率計算干擾限制下次級用戶的最大服務速率Smax (2.1)用向量 XE [(χι,χ2,... ,χκ), xpu], Vx. e {0,1}, χρυ e {0，1}，表示所有用戶的數據發送狀態，其中Xi，i e (1，2，...，K)表示次級用戶i發送狀態，K表示次級用戶的個數，Xpu表示主用戶發送狀態，1表示發送數據，0表示不發送數據，用μ和υ分別表示主用戶的繁忙和空閑時長參數，用氏表示次級用戶i的退避時長參數，用T表示次級用戶發送數據時長參數；(2. 2)根據認知無線電系統中主次用戶發送數據的優先級關系，用所有發送狀態向量X構造馬爾科夫鏈模型如圖3，圖3中，狀態[(0，0，...，0)，0]轉入狀態[(0，0，...， 1,...,0),0]表示次級用戶i在偵聽到信道空閑時，隨機退避后接入信道，任何一個狀態轉入狀態[(0，0，...,0),1]表示主用戶開始發送數據，任何一個狀態轉入狀態[(0，0，...， 0),0]表示用戶數據發送完成，狀態[(0，0，... ,1, ... ,0),0]轉入狀態[(0，0，...,0),1] 表示次級用戶i發送數據過程中產生碰撞；(2. 3)根據步驟(2. 2)中馬爾科夫鏈模型的各狀態之間的轉移關系，建立并求解
馬爾科夫鏈模型的穩態概率平衡方程，得到此模型各狀態的穩態概率為
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權利要求
1.一種分布式認知無線電系統頻譜接入方法，包括如下步驟(1)將獲得頻譜使用權的授權用戶定義為主用戶，將沒有獲得使用權的非授權用戶定義為次級用戶；(2)建立系統發送狀態馬爾科夫鏈模型，計算此模型各狀態的穩態概率，并根據穩態概率計算干擾限制下次級用戶的最大服務速率Smax ；(3)次級用戶i判斷數據到達速率e(1,2,...,K)是否小于最大服務速率Smax， K表示次級用戶個數，如果到達速率小于最大服務速率，則執行步驟G)，否則次級用戶i進行流量控制，降低數據到達速率，直至數據到達速率小于最大服務速率，再執行步驟(4)；(4)次級用戶各自采用載波偵聽協議CSMA持續偵聽主用戶信道，當偵聽結果為空閑時，即信道上沒有其他用戶發送數據，則執行步驟(5)，否則繼續偵聽主用戶信道；(5)次級用戶進行分布式自適應退避，退避完成后接入信道5a)次級用戶i啟動時長為、的計時器1，并開始退避，此處、的值由次級用戶i的計時器1隨機產生，并服從參數為一的指數分布，即(~ exp(e"0，r,的初始值取負數，例如取-5 -lOms—1，并且每隔固定時間τ，將Ti的值自適應更新一次，τ取正數值，例如取5 15ms ；5b)在退避過程中，次級用戶i不發送數據并持續偵聽主用戶信道，如果偵聽結果一直為空閑，則等待計數器1歸零后執行步驟(6)，如果在時間、內次級用戶i偵聽到信道上有其他用戶發送數據，則終止計時器1，并返回步驟中的信道偵聽狀態；(6)次級用戶發送數據，并根據碰撞情況決定是否丟棄數據6a)次級用戶以分組為單位發送數據，分組長度服從參數為T的指數分布，T值的大小與步驟O)中馬爾科夫鏈模型的參數T的取值保持一致；6b)次級用戶用沖突檢測的方法判斷是否與其他用戶的數據發生碰撞，如果發生碰撞， 則丟棄正在發送的分組，并返回步驟(4)，如果未發生碰撞，則在完成分組發送后執行步驟 (7)；(7)次級用戶i每隔固定時長b判斷隊列是否穩定，b的取值遠大于τ，例如τ取5 15ms時，b取10 15s，如果穩定，并且還有數據需要發送，則返回步驟(4)，如果隊列不穩定，則次級用戶i按比例進行流量控制，將數據到達速率降低，例如降低至原來的80% 90%，并返回步驟(4)。
2.根據權利要求1所述的分布式認知無線電系統自適應頻譜接入方法，其特征在于 步驟O)中所述的建立系統發送狀態馬爾科夫鏈模型，計算此模型各狀態的穩態概率，并根據穩態概率計算干擾限制下次級用戶的最大服務速率Smax，按如下步驟進行(2.1)用向量 X^ [(XijX2,...,xK),xPU],Vx,e{0,l},χρυ e {0,1}表示所有用戶的數據發送狀態，其中Xi, i e (1,2,..., K)表示次級用戶i發送狀態，Xpu表示主用戶發送狀態， 1表示發送數據，O表示不發送數據，用μ和υ分別表示主用戶的繁忙和空閑時長參數，用 Ri表示次級用戶i的退避時長參數，用T表示次級用戶發送數據時長參數；(2. 2)根據認知無線電系統中主次用戶發送數據的優先級關系，用所有發送狀態向量 χ構造馬爾科夫鏈模型，用狀態[(0，0，...，0)，0]轉入狀態[(0，0，...，1，...，0)，0]表示次級用戶i在偵聽到信道空閑時隨機退避后接入信道，用任何一個狀態轉入狀態[(0，0，...， 0),1]表示主用戶開始發送數據，用任何一個狀態轉入狀態[(0，0，...，0)，0]表示用戶數據發送完成，用狀態[(0，0，...，1，...，0)，0]轉入狀態[(0，0，...，0)，1]表示次級用戶i發送數據過程中產生碰撞；(2.3)根據步驟(2.2)中馬爾科夫鏈模型的各狀態之間的轉移關系，建立并求解馬爾科夫鏈模型的穩態平衡方程，得到此模型各狀態的穩態概率為
3.根據權利要求1所述的分布式認知無線電系統自適應頻譜接入方法，其特征在于 步驟(5a)中所述的每隔固定時間τ，將ri的值自適應更新一次，按如下步驟進行(5al)次級用戶i啟動時長為固定值τ的循環計時器2，并開始統計到達和離開的數據分組個數，統計結果分別用Ai和Bi表示，當計時器2歸零后，按照下式計算平均到達速率 Λ和服務速率瓦
全文摘要
本發明公開了一種分布式認知無線電系統頻譜接入方法，主要解決現有認知無線電系統中次級用戶的隊列穩定性差的問題。其實現步驟包括1)定義認知無線電系統中的主用戶和次級用戶；2)調整次級用戶到達速率，使次級用戶到達速率小于干擾限制下的最大服務速率；3)次級用戶采用CSMA協議持續偵聽主用戶信道，并在偵聽結果為空閑時隨機退避后接入信道；4)次級用戶自適應調整退避時長參數，使穩態服務速率趨近于到達速率，最終達到隊列穩定。本發明具有次級用戶隊列穩定和主次用戶碰撞概率小于干擾限制的優點，可用于無線通信領域中對隊列時延要求嚴格的認知無線電系統。
文檔編號H04W74/08GK102170706SQ20111014097
公開日2011年8月31日 申請日期2011年5月30日 優先權日2011年5月30日
發明者張金釗, 李曉輝, 李碩, 黑永強 申請人:西安電子科技大學