认知无线电网络中的一种改进的信道分配方法
【专利摘要】本发明公开了认知无线电网络中的一种改进的信道分配方法，其过程包括：根据实际网络环境中测得的实际数据构建并初始化认知无线电网络；根据历史数据得到主用户占用信道的规律，并计算网络中的每一条边的潜在干扰边数，并从大到小排序；按照排好顺序的边依次进行信道分配，每次选择信道时都从新的信道列表里选择使得信道接入概率最大的那个信道接入，并在分配的过程中更新信道干扰系数；对分配好信道的信道进行连通性测试。本发明较全面了考虑了认知无线电网络里的关键因素，对认知无线电网络的信道分配具有很强的针对性。
【专利说明】认知无线电网络中的一种改进的信道分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线通信【技术领域】，具体涉及认知无线电网络的信道分配方法。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信宽带化趋势日益明显、无线业务需求不断增长以及信号处理、半导 体等技术的极大提高，无线通信发展的越来越迅速。而各个国家则大都把本国可用的频谱 资源固定分配给了授权用户（也叫主用户），有限的无线频谱资源却很大程序上限制了无 线通信的发展。认知无线电技术的出现可以使得处于空闲状态的频谱得到充分利用。利用 空闲频谱的用户称为认知用户（也叫次级用户），认知用户需要在不影响主用户正常通信 的前提下方可接入授权频谱。所以认知用户如何在不干扰主用户的正常通信或对主用户的 干扰满足干扰温度限制的情况下共享频谱资源和优化频谱使用的问题是提高频谱利用效 率的关键。认知网络中一般有多个认知用户去竞争有限的频谱资源，因此，合理的分配频谱 十分重要。而认知无线电网络在分配信道的时，为保证健壮的网络拓扑结构，对主用户的干 扰和认知用户之间的干扰的权衡是目前研究的热点，重点和难点。
[0003] 在信道分配之前，需要确定一种网络模型。认知无线电从网络结构上可以分为集 中式结构和分布式结构两种结构形式。这与现有的无线通信网络结构分类相似。
[0004] 1)集中式模型通过一个融合中心协调和管理认知用户对空闲信道的使用。融合中 心收集认知网络中各个用户的感知信息，建立可用频谱库，以实现全局优化的信道分配。
[0005] 2)分布式模型中，认知用户只对其周围的主用户信道进行检测，通过邻居节点进 行组网通信，虽然比集中式模型灵活，但是由于阴影效应，多径效应，隐藏终端等问题的影 响，使得其性能受到很大的限制。
[0006] 根据认知用户频谱共享模型可以分为三大类：underlay、overlay、interweave (在 图1、图2、图3中，PU代表主用户，SU代表认知用户，B1-7代表授权频谱）：
[0007] 1) underlay频谱共享模式
[0008] 如图1所示，主用户占用了 B1，B2，B3，B6，B7频段，认知用户占用了 B1-7频段，但 是主用户在占用频段上的发射功率较高，而认知用户在占用频段上的发射功率较低，即在 这种模式中，认知用户可以接入授权频段，不管主用户是不是在访问当前频段。但是前提是 要保证主用户可以承受来自所有认知用户引起的干扰总和。即所有认知用户对主用户的干 扰总和要低于某个设定的门限。在这种模式下虽然增加了认知用户接入授权频谱的机会， 但是缺少主用户与认知用户之间的交互，很难控制对主用户的干扰。
[0009] 2) overlay频谱共享模式
[0010] 如图2所示，主用户占用了价，82,83,86,87频段，认知用户占用了81，83,85频 段。认知用户即使在主用户正在占用的频段上也能以较高的功率传输数据。这种模式旨在 保护主用户的传输性能，即在保证主用户能正常进行信号传输的情况下，认知用户可以利 用该授权频段进行自身的信号传输，并不限制认知用户的发射功率。通过协商合作，当认知 用户和主用户达成一致的协议后，认知用户可以充分意识到自己在团队中的作用，并履行 其应该担当的义务。因此在这种主用户和认知用户合作的背景下，认知的传输机会就不是 随机的了。在这种模式中认知用户通过向主用户提供某些特殊的服务来交换传输自己信号 的机会。形式有租用主用户不经常使用的频谱段或者是中继主用户的通信等等。
[0011] 3) interweave频谱共享模式
[0012] 如图3所示，在图3(a)中主用户没有占用B6频段，所以此时认知用户可以占用B6 频段；而图3 (b)中主用户又重新占用了 B6频段，但是没有B1频段，认知用户就从必须从B6 频段上切换到B1频段上。在这种模式中，主用户拥有使用频段的绝对优先权。只要主用户 还在被授权的频段上进行信号传输，认知用户就不允许接入该频段。并且当认知用户利用 某频段进行信号传递时，一旦主用户访问该频段时，认知用户就必须立刻退出该频段。这种 方式中，认知用户通过机会的检测频谱空穴进行频谱接入，可以有效的控制认知用户对主 用户的干扰。
[0013] 认知无线电网络的信道分配的最大挑战在于系统本身并没有授权频谱，需要机会 式的接入主用户的空闲频谱。而往往主用户占用信道的信息是随机的，不确定的，这就使得 认知用户能动态的适应这些变化，这种方式称为动态频谱接入。认知无线电网络的信道分 配还需要考虑以下几个方面的问题 ：
[0014] 1)认知无线电网络中，一般主用户的信号发射功率和信号传输区域都远大于认知 用户，所以当主用户突然出现在当前认知网络正在使用的信道上时，多个认知用户的数据 传输将会受到影响。
[0015] 2)认知用户为了继续数据传输，需要尝试其他的信道，这需要频谱感知，发现邻居 用户和信道切换，还有认知用户之间的信道争用，这会产生很多开销和增加数据接收的时 间延时。
[0016] 3)当一个认知用户进行信道切换时，可能会造成他与邻居节点没有共同的信道， 而迫使邻居节点也需要作出相应的信道调整，进而可能会造成多个认知用户的信道发生变 化。
[0017] 因此一个好的信道分配方法需要能在主用户占用信道"不确定性"的前提下，根据 实际的用户需求，在认知网络的系统性能（例如网络的拓扑健壮性）和对主用户产生的干 扰之间做出权衡。
[0018] 在文献 Hay them, Bany and Salameh. Rate-maximization Channel Assignment Scheme for Cognitive Radio Network，in IEEE Globecom，2010.中，作者考虑到频谱分 配和数据传输速率的情况下让存在竞争的认知用户接入所有可用信道的总数据传输速率 最大化，形成了一个整数线性规划问题（ILP)。其处理方法不受限于信息量，并且可应用于 任何提供的信噪比函数，但是它的基本假设是每个认知用户只有一个无线接口（radio)，某 一时隙只能占用一个信道，一个信道也只能分配给一个用户。由于没有备用信道机制，一旦 认知用户正在占用的信道上出现了主用户，为了避免对主用户产生有害干扰，认知用户就 不得不中断数据的发送。然后搜索其他可用频谱资源，然后进行频谱切换。这显然大大降 低了认知网络的吞吐量，增加了数据传输的延时，并且不能减少与主用户的碰撞概率。
[0019] 文献 Ryan E. Irwin, Allen B. MacKenzie and Luiz A. DaSilva. Resource Minimized Channel Assignment for Multi-Transceiver Cognitive Radio Networks. IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS, VOL. 31, NO. 3, MARCH 2013, p 442-450.中提出了一个考虑到认知无线电网络的拓扑适应性，网络流速最大化，保持网络 连通的基本拓扑的信道分配方案。每个节点装配多个radio,每个都可以被分配一个信 道，通过traffic-independent (TI)阶段用最少的收发器个数得到基本的连通拓扑，结合 traffic-drivenCTD)阶段形成了一个两阶段的混合整数线性规划问题（MILP)，并提出一个 集中式的贪婪算法解决该优化问题。该方法通过多个radio以保持认知无线电网络的连通 性是合理的。但是radio个数的增加会使得网络的费用增加，本文并没有考虑实际的网络 效益与两者之间的权衡。
[0020] 文献 JING ZHAO, GU0H0NHCA0. Robust Topology Control in Muti-hop Cognitive Radio Network，Proc. IEEE Infocom，Or lando. 2012,pl_9.中定理一证明了在一个认知用 户拥有大于等于两个radio时，就至少存在一个可以满足网络健壮性的拓扑。该文献分别 提出了集中式的CRTCA算法（central robust topology control algorithm)还有分布式 的DRTCA算法（distributed robust topology control algorithm)。仿真时限定了radio 的个数这两种算法在不同的网络环境中很好的保证了认知网络的拓扑健壮性，并且分配信 道过程中，考虑到潜在干扰边指数，减少了信道间的同信道干扰。但是这两种算法只考虑到 主用户对认知网络的影响，并未考虑信道分配过程中由于实际得到的信道状态信息都是延 迟信息，认知用户接入信道可能会对主用户造成有害干扰。
[0021] 还有一些基于图着色，博弈论，聚类分析等等的信道分配方案，但是大都是没有综 合考虑到以上各方面的问题。
【发明内容】
[0022] 针对现有技术的不足，本发明旨在提供认知无线电网络中的一种改进的信道分配 方法，通过对主用户占用信道的历史数据得到规律，在此基础上具化了认知用户之间的干 扰和对主用户引起的干扰的数学表达式，并且保证了基本的网络连通性，使得两个认知用 户节点间至少存在两条路径，并且通过改变权值参数可以适应不同的业务类型，从而得到 最优的信道分配方案，以实现保证认知网络的健壮拓扑条件下，使得认知用户之间的干扰 和认知用户对主用户的干扰最小化，尽可能大的提高认知网络的系统吞吐量。
[0023] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0024] 认知无线电网络中的一种改进的信道分配方法包括如下步骤：
[0025] 步骤1，根据实际网络环境中测得的网络规模，节点通信半径和干扰半径，构建并 初始化认知无线电网络；
[0026] 步骤2,根据历史数据得到主用户占用信道的规律，即主用户占用信道时间在不同 状态下on或off分别服从什么分布；
[0027] 步骤3,若两个认知用户节点间的距离小于通信半径，则这两个节点之间存在一条 边，根据节点通信半径和干扰半径计算认知无线电网络中的每一条边的潜在干扰边数：边 e 的潜在干扰边数用 p (e)表示，p (e) = | {(u，v) | (u，v) e E，u or v e D (e)} |，其中 u，v 分别代表边e的两个认知用户节点，E是边集合，D(e) = D(u) U D(v)，D(u)代表节点u的 干扰区域，D(v)代表节点v的干扰区域；p(e)就代表在边e的干扰范围内共有多少条边； 然后按照干扰边数从大到小的顺序对边排序，形成新的边集；
[0028] 步骤4,按照排好顺序的边依次进行信道分配，每次选择信道时都从信道列表里选 择令信道接入概率最大的信道接入，并在分配的过程中更新信道干扰系数；
[0029] 步骤5,然后对分配好信道的边进行连通性测试，判断除了该信道外，是否存在其 他不包含该信道但是已经分配好信道的边存在于两节点之间，如果有，就代表该边分配信 道成功，并将该边从边集中删除；若没有，则再分配一次，直至该边分配信道成功。
[0030] 需要说明的是，步骤4中，定义信道i的接入概率如下：
[0031] Access! = a Uj (I-a ) (1-氏）；
[0032] 其中，α为信道接入参数办为信道i的可利用率，是信道i空闲状态平均持续时 间和信道i空闲状态平均持续时间与信道i繁忙状态平均持续时间之和的比值 ；氏为认知 用户信道干扰系数。
[0033] 需要进一步说明的是，所述信道i的可利用率A定义如下：
[0034] 每个信道处于空闲状态和繁忙状态的时间分别服从参数为λ i和μ i的指数分布， 则信道i空闲状态的分布函数为：
[0035]
【权利要求】
1. 认知无线电网络中的一种改进的信道分配方法，其特征在于，所述方法包括如下步 骤： 步骤1，根据实际网络环境中测得的网络规模，节点通信半径和干扰半径，构建并初始 化认知无线电网络； 步骤2,根据历史数据得到主用户占用信道的规律，即主用户占用信道时间在不同状态 下on或off分别服从什么分布； 步骤3,若两个认知用户节点间的距离小于通信半径，则这两个节点之间存在一条边， 根据节点通信半径和干扰半径计算认知无线电网络中的每一条边的潜在干扰边数：边e的 潜在干扰边数用 P (e)表示，p (e) = I {(u，v) I (u，v) e E，u or v e D (e)} I，其中 u，v 分别 代表边的两个认知用户节点，E是边集合，D(e) =D(u) U D(v)，D(u)代表节点u的干扰区 域，D(v)代表节点v的干扰区域；p(e)就代表在边e的干扰范围内共有多少条边；然后按 照干扰边数从大到小的顺序对边排序，形成新的边集； 步骤4,按照排好顺序的边依次进行信道分配，每次选择信道时都从信道列表里选择令 信道接入概率最大的信道接入，并在分配的过程中更新信道干扰系数； 步骤5,然后对分配好信道的边进行连通性测试，判断除了该信道外，是否存在其他不 包含该信道但是已经分配好信道的边存在于两节点之间，如果有，就代表该边分配信道成 功，并将该边从边集中删除；若没有，则再分配一次，直至该边分配信道成功。
2. 根据权利要求1所述的认知无线电网络中的一种改进的信道分配方法，其特征在 于，步骤4中，定义信道i的接入概率如下： AccesSi= aUi+Q-cOQ-Ri); 其中，a为信道接入参数吼为信道i的可利用率，是信道i空闲状态平均持续时间和 信道i空闲状态平均持续时间与信道i繁忙状态平均持续时间之和的比值；Ri为认知用户 信道干扰系数。
3. 根据权利要求2所述的认知无线电网络中的一种改进的信道分配方法，所述信道i 的可利用率仏定义如下： 每个信道处于空闲状态和繁忙状态的时间分别服从参数为λ μ i的指数分布，则信 道i空闲状态的分布函数为：
信道i繁忙状态的分布函数为：
信道i的空闲状态平均持续时间为：
信道i的繁忙状态平均持续时间为：
Ui是信道i空闲状态平均持续时间和信道i空闲状态平均持续时间与信道i繁忙状态 平均持续时间之和的比值，则有：
4. 根据权利要求2所述的认知无线电网络中的一种改进的信道分配方法，其特征在 于，定义认知用户信道干扰系数氏如下： 记当前信道集合为C，Ii(e，e')表示边e、e'是否同时占用了信道i，当且仅当边e、 V在相互干扰的范围内，并且同时被分配了相同信道i时，Me，^ )= 1，其它情况下， IJe，e，）= 0，有：
所述认知用户信道干扰系数Ri随着信道分配的进行，不断进行更新，对Vi e C ,初始值 Ri = 0。
5. 根据权利要求1所述的认知无线电网络中的一种改进的信道分配方法，其特征在 于，步骤4中，每对一条边选择信道并接入后，为了降低同信道干扰，需要把已经分配过的 信道从信道列表中删除，对下一条边分配信道时将从更新之后的信道列表中选择信道。
【文档编号】H04W16/14GK104219679SQ201410457102
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月10日 优先权日:2014年9月10日
【发明者】齐小刚, 叶明杰, 郑耿忠, 刘立芳, 冯海林, 杨国平 申请人:西安电子科技大学, 韩山师范学院