CN102595491A - 一种认知无线电网络中的数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种认知无线电网络中的数据传输方法，包括步骤：在初始化子帧中，所有K个次级用户进行感知结果上报，数据融合中心设置普通子帧号为1，根据所有K个次级用户上报的感知结果确定最优次级用户上报集合Ω，并判断是否主用户存在，如果不存在，则所有K个次级用户进行数据传输；在普通子帧中，最优次级用户上报集合Ω中的次级用户进行感知结果上报，数据融合中心根据最优次级用户上报集合Ω中的次级用户上报的感知结果判断是否主用户存在，如果不存在，则所有K个次级用户进行数据传输。应用本发明，在不干扰主用户的前提下，降低了报告信令开销，从而提高了次级用户在认知无线电网络中的吞吐量。

Description

一种认知无线电网络中的数据传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种认知无线电网络中的数据传输方法。

背景技术

随着宽带无线通信技术的快速发展，未来通信网络对各种泛在无线业务的需求日益增大，无线频谱资源稀缺成为了无线通信领域一个亟待解决的问题。近年来，学术界提出了认知无线电(CR，cognitive radio)技术，使次级用户(SU，secondary user)能够接入空闲频段(也称为频谱空洞)，用以改善频谱资源稀缺问题，所述次级用户是指没有获得某些无线频谱合法授权的用户。

其中，频谱空洞被定义为在特定时间段内和特定地理区域内不被主用户(PU，primary user)使用的授权频带，所述主用户是指获得某些无线频谱的合法授权用户。当主用户暂时不使用某无线频谱时，次级用户可以通过频谱感知及接入过程，使用该无线频谱。然而，由于信道条件的不完美，例如存在阴影衰落，高穿透损耗和多径衰落等，对于一个次级用户，单独执行频谱感知来快速地获取精确的感知结果，这是很困难的。因此为克服这个缺点，协作频谱感知技术被提出来用以改善频谱感知的性能。在集中式协作感知网络中，包括一个主用户、多个次级用户和一个数据融合中心(FC，fusioncenter)，其中数据融合中心是指具有数据处理和信息融合功能的控制节点，次级用户分布在数据融合中心的控制范围内，其负责处理次级用户提交的感知信息并作出最终关于主用户是否存在的感知结果。

根据次级用户接入空闲频谱的方式，接入类型可划分为三类，包括机会式频谱接入(OSA，opportunistic spectrum access)、频谱共享接入(SS，spectrum sharing)和新型混合式频谱接入。机会式频谱接入策略是指次级用户首先感知无线频段是空闲还是繁忙，只有当感知到无线频谱是空闲状态才能够进行接入。频谱共享接入是指次级用户可以与主用户共存，只要保证不对主用户造成有害干扰。新型混合式频谱接入要求次级用户首先感知无线频段是空闲还是繁忙(类似于机会式频谱接入)，再根据由数据融合中心给出的感知结果，调整自身发射功率以避免给主用户带来有害干扰(类似于频谱共享接入)。

然而，在上述三种接入方式中，都包括一个在协作频谱感知中的重要过程，即次级用户需要上报感知信息给数据融合中心的过程，由于次级用户的数量比较大，众多的次级用户都同时向数据融合中心上报感知信息会占用较大的时频资源，即实际的报告信令开销比较大，从而降低了认知无线电网络中次级用户的可达吞吐量，其中所述报告信令开销表示次级用户在上报感知信息时所占用的时频资源。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是，针对上述缺陷，如何提供一种认知无线电网络中的数据传输方法，其能够在不干扰主用户的前提下，降低报告信令开销，从而提高次级用户在认知无线电网络中的吞吐量。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种认知无线电网络中的数据传输方法，适用于由一个主用户、一个数据融合中心和K个次级用户组成的认知无线电网络中，其帧结构包括一个初始化子帧和M个普通子帧，包括步骤：

A：在初始化子帧中，所有K个次级用户进行感知结果上报；

B：在初始化子帧中，数据融合中心设置普通子帧号为1，根据所有K个次级用户上报的感知结果确定最优次级用户上报集合Ω，并判断是否主用户存在，如果不存在，则所有K个次级用户进行数据传输，并进入步骤C；否则，直接进入步骤C；

C：在普通子帧中，最优次级用户上报集合Ω中的次级用户进行感知结果上报；

D：在普通子帧中，数据融合中心根据最优次级用户上报集合Ω中的次级用户上报的感知结果判断是否主用户存在，如果不存在，则所有K个次级用户进行数据传输，并进入步骤E；否则，直接进入步骤E；

E：判断当前处理的普通子帧号是否大于M，如果是，返回步骤A；否则将当前处理的普通子帧号加1后返回步骤C。

其中，所述初始化子帧和M个普通子帧的长度固定且长度相同。

其中，所述初始化子帧和M个普通子帧均由感知阶段、报告阶段和数据传输阶段3部分组成。

其中，所述步骤B中，所述数据融合中心根据所有K个次级用户上报的感知结果判断是否主用户存在包括：

所述数据融合中心将所有K个次级用户上报的感知结果进行逻辑与操作来判断是否主用户存在。

其中，所述步骤B中，所述数据融合中心根据所有K个次级用户上报的感知结果确定最优次级用户上报集合Ω包括：

所述数据融合中心将所有次级用户的探测概率降序排列，将探测概率高于第一预定门限α的次级用户选择到最优次级用户集合Ω中。

其中，所述第一预定门限α为0.9。

其中，所述步骤B中，所述数据融合中心根据所有K个次级用户上报的感知结果确定最优次级用户上报集合Ω包括：

所述数据融合中心将所有次级用户的虚警概率升序排列，将虚警概率低于第二预定门限β的次级用户选择到最优次级用户集合Ω中。

其中，所述第二预定门限β为0.1。

(三)有益效果

本发明公开了一种认知无线电网络中的数据传输方法，其提供了一种新型的帧结构，该帧结构由M+1个子帧组成，包括一个初始化子帧和M个普通子帧。每个子帧长度固定且相同，均由感知、报告和数据传输阶段组成。初始化子帧与普通子帧的不同之处在于，报告阶段中进行感知结果上报的次级用户数目不同，带来报告信令开销不同，从而导致每个子帧期间的***吞吐量不同。本发明方法基于该新型帧结构，在初始化子帧的报告阶段由所有次级用户进行感知结果上报，通过初始化子帧的处理过程，数据融合中心为后续M个普通子帧确定最优次级用户上报集合Ω，其中集合Ω中的次级用户个数是小于或者等于总次级用户数目K的，在后续M个普通子帧中的报告阶段，由上述集合Ω中的次级用户进行感知结果上报，从而在不干扰主用户的前提下，降低了报告信令开销，提高了次级用户在认知无线电网络中的吞吐量，使有限的无线资源得到了高效的利用，具有较强的实用性。

附图说明

图1是本发明实施例所述的数据传输方法中的帧结构示意图；

图2是本发明实施例所述的认知无线电网络中的数据传输方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明所述的数据传输方法适用的认知无线电网络由一个主用户、一个数据融合中心和K个次级用户组成。

如图1所示，本发明所述的数据传输方法应用的帧结构由M+1个子帧组成，包括一个初始化子帧和M个普通子帧。每个子帧长度固定且相同，均由感知阶段、报告阶段和数据传输阶段3部分组成。所述感知阶段是指次级用户例如采用基于能量探测的频谱感知方法来探测主用户是否存在的阶段，由于每个次级用户与主用户之间的信道情况不尽相同，基于能量探测方案可以得到每个次级用户的探测概率和虚警概率；所述报告阶段是指次级用户发送感知信息给数据融合中心的阶段，发送时采用时分多址方式，由每个次级用户轮流发送各自的感知信息给数据融合中心；所述数据传输阶段是指当所有次级用户得到数据融合中心的最终感知结果，即是否存在主用户后，依据最终感知结果确定是否在本子帧内进行数据传输，如果来自于数据融合中心的最终感知结果表明主用户存在，则所有次级用户均不发送数据，反之，则所有次级用户均进行数据发送。初始化子帧与普通子帧的不同之处在于，报告阶段中进行感知结果上报的次级用户数目不同，带来报告信令开销不同，从而导致每个子帧期间的***吞吐量不同。

如图2所示，本发明所述的认知无线电网络中的数据传输方法包括步骤：

A：在初始化子帧中，所有K个次级用户进行感知结果上报；

在本步骤中，所有K个次级用户是在初始化子帧的报告阶段进行感知结果上报的。

在本步骤之前还包括一个所有K个次级用户在初始化子帧的感知阶段进行本地频谱感知，探测主用户是否存在的步骤。

在感知阶段，所有K个次级用户执行本地频谱感知，感知阶段是非常重要的，频谱感知的精确度直接影响通信的可靠性。初始化子帧和后续M个普通子帧的感知阶段一样，均由所有次级用户进行本地频谱感知。本地频谱感知是一个二元假设问题，当主用户不存在时的概率可以设定为H₀，当主用户存在时的概率可设定为H₁，其中H₀+H₁＝1，则在时刻t，每个次级用户i处的接收信号可以表示为：

H₀：y_i(t)＝u_i(t)，          (1)

H_i：y_i(t)＝h_is_i(t)+u_i(t).

其中i∈{1，2，3，…，K}，y_i(t)代表第i个次级用户的接收信号。S_i(t)是主用户的发射信号，是零均值方差为E[|S_i(t)|²＝σ_S ²的独立随机过程。另外，加性白高斯噪声u_i(t)被建模为随机变量，E[|u_i(t)|²]＝σ_u ²，h_i是主用户和第i个次级用户之间的信道系数，服从均值为μh_方差为σ_h ²的瑞利衰落。在多种用于频谱感知的方法中，例如能量探测，匹配滤波探测和循环探测，能量探测被证明是最简单，快速地探测主用户信号。因此，本发明应用能量探测方案，则在每个次级用户处接收信号功率的预测值可用下式表示：

$T\left(y_i\right)=\frac{1}{N}\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|y_i\left(t\right)\right|}^2---\left(2\right)$

其中，y_i(t)是已接收信号的第t个采样点，已接收信号的采样频率是f_s，τ是可用感知时间。采样点数N是不大于τf_s的最大整数，为简化，假设N＝τf_s，因此，每个次级用户的虚警概率和探测概率可分别表示为：

$P_{f,i}=P(T\left(y_i\right)>{\mathrm{\ϵ}}_i|H_0)=Q\left((\frac{{\mathrm{\ϵ}}_i}{{\mathrm{\σ}}_u^2}-1)\sqrt{\mathrm{\τ}{f}_s}\right)---\left(3\right)$

$P_{f,i}=P(T\left(y_i\right)>{\mathrm{\ϵ}}_i|H_1)=Q\left((\frac{{\mathrm{\ϵ}}_i}{{\mathrm{\σ}}_u^2}-\mathrm{\γ}{\left|h_i\right|}^2-1)\sqrt{\frac{\mathrm{\τ}{f}_s}{2\mathrm{\γ}{\left|h_i\right|}^2+1}}\right)---\left(4\right)$

所述虚警概率是指当主用户不存在时，次级用户错误地探测主用户存在的概率；所述探测概率是指当主用户存在时，次级用户正确地探测主用户存在的概率；其中ε_i代表探测门限，Q(·)代表高斯Q函数，表示为

在假设H₁的情况下，所有次级用户具有相同的值γ＝σ_S ²/σ_u ²，而γ|h_i|²代表在第i个次级用户处测量到的主用户信号信噪比SNR。对于一个给定的探测概率

通过代入探测门限ε_i可得到虚警概率的表达式如下：

$P_{f,i}=Q(\sqrt{2\mathrm{\γ}{\left|h_i\right|}^2+1}{Q}^{-1}\left({\tilde{P}}_{d,i}\right)+\sqrt{\mathrm{\τ}{f}_s}\mathrm{\γ}{\left|h_i\right|}^2)---\left(5\right)$

B：在初始化子帧中，数据融合中心设置普通子帧号为1，根据所有K个次级用户上报的感知结果确定最优次级用户上报集合Ω，并判断是否主用户存在，如果不存在，则所有K个次级用户进行数据传输，并进入步骤C；否则，直接进入步骤C；

在本步骤中，所述数据融合中心根据所有K个次级用户上报的感知结果判断是否主用户存在包括：

所述数据融合中心将所有K个次级用户上报的感知结果进行逻辑与操作来判断是否主用户存在。

在本步骤中，所述最优次级用户上报集合Ω中的次级用户个数是小于或者等于总次级用户数目K的。

在本步骤中，数据融合中心可以使用两种方法判断主用户是否存在，即决定融合方法和数据融合方法。所述决定融合方法也被称为硬判决，每个次级用户通过能量探测的方式和做出本地感知决定，反馈“1-bit”信息给数据融合中心。数据融合也被称为软信息合并，不同的次级用户的精确感知能量发送给数据融合中心来联合做出最终的感知决定。然而，软信息合并需要每个次级用户精确的感知能量值，会带来更多的***开销，因此，本发明采用硬判决方法。由于一个次级用户发送感知信息给数据融合中心，假设占用单位信令开销δ。在初始化子帧的报告阶段，由所有的次级用户进行感知信息的上报，故带来的报告信令开销是Hδ；而在后续M个普通子帧的报告阶段，是由最优次级用户上报集合Ω来进行感知信息的上报，用L表示上报集合Ω中的次级用户个数，则报告信令开销是Lδ(L≤K)，由此可知M个普通子帧报告阶段的信令开销是小于初始化子帧的。数据融合中心根据逻辑与操作确定最终的感知结果，可得到感知网络的***探测概率和虚警概率，分别表示为：

$Q_d(\mathrm{\τ},L)=\underset{i\∈\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\Π}}{P}_{d,i}---\left(6\right)$

$Q_f(\mathrm{\τ},L)=\underset{i\∈\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\Π}}{P}_{f,i}---\left(7\right)$

其中，有两种方法可以确定最优次级用户上报集合Ω：第一种方法是将所有次级用户的探测概率降序排列，将探测概率高于第一预定门限α的次级用户选择到最优次级用户集合Ω中；第二种方法是将所有次级用户的虚警概率升序排列，将虚警概率低于第二预定门限β的次级用户选择到最优次级用户集合Ω中。本步骤中涉及的第一预定门限α可设为0.9，第二预定门限β可设为0.1，也可根据实际***需求对α和β进行相应设计。

C：在普通子帧中，最优次级用户上报集合Ω中的次级用户进行感知结果上报；

在本步骤中，最优次级用户上报集合Ω中的次级用户是在普通子帧的报告阶段进行感知结果上报的。

在本步骤之前还包括一个所有K个次级用户在初始化子帧的感知阶段进行本地频谱感知，探测主用户是否存在的步骤。

D：在普通子帧中，数据融合中心根据最优次级用户上报集合中的次级用户上报的感知结果判断是否主用户存在，如果不存在，则所有K个次级用户进行数据传输，并进入步骤E；否则，直接进入步骤E；

在本步骤中，所述数据融合中心根据最优次级用户上报集合Ω中的次级用户上报的感知结果判断是否主用户存在包括：

所述数据融合中心将最优次级用户上报集合Ω中的次级用户上报的感知结果进行逻辑与操作来判断是否主用户存在。

E：判断当前处理的普通子帧号是否大于M，如果是，返回步骤A；否则将当前处理的普通子帧号加1后返回步骤C。

综上所述，本发明公开了一种认知无线电网络中的数据传输方法，其提供了一种新型的帧结构，该帧结构由M+1个子帧组成，包括一个初始化子帧和M个普通子帧。每个子帧长度固定且相同，均由感知、报告和数据传输阶段组成。初始化子帧与普通子帧的不同之处在于，报告阶段中进行感知结果上报的次级用户数目不同，带来报告信令开销不同，从而导致每个子帧期间的***吞吐量不同。本发明方法基于该新型帧结构，在初始化子帧的报告阶段由所有次级用户进行感知结果上报，通过初始化子帧的处理过程，数据融合中心为后续M个普通子帧确定最优次级用户上报集合Ω，其中集合Ω中的次级用户个数是小于或者等于总次级用户数目K的，在后续M个普通子帧中的报告阶段，由上述集合Ω中的次级用户进行感知结果上报，从而在不干扰主用户的前提下，降低了报告信令开销，提高了次级用户在认知无线电网络中的吞吐量，使有限的无线资源得到了高效的利用，具有较强的实用性。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种认知无线电网络中的数据传输方法，适用于由一个主用户、一个数据融合中心和K个次级用户组成的认知无线电网络中，其帧结构包括一个初始化子帧和M个普通子帧，其特征在于，包括步骤：

A：在初始化子帧中，所有K个次级用户进行感知结果上报；

B：在初始化子帧中，数据融合中心设置普通子帧号为1，根据所有K个次级用户上报的感知结果确定最优次级用户上报集合Ω，并判断是否主用户存在，如果不存在，则所有K个次级用户进行数据传输，并进入步骤C；否则，直接进入步骤C；

C：在普通子帧中，最优次级用户上报集合Ω中的次级用户进行感知结果上报；

D：在普通子帧中，数据融合中心根据最优次级用户上报集合Ω中的次级用户上报的感知结果判断是否主用户存在，如果不存在，则所有K个次级用户进行数据传输，并进入步骤E；否则，直接进入步骤E；

E：判断当前处理的普通子帧号是否大于M，如果是，返回步骤A；否则将当前处理的普通子帧号加1后返回步骤C。

2.根据权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，所述初始化子帧和M个普通子帧的长度固定且长度相同。

3.根据权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，所述初始化子帧和M个普通子帧均由感知阶段、报告阶段和数据传输阶段3部分组成。

4.根据权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，所述步骤B中，所述数据融合中心根据所有K个次级用户上报的感知结果判断是否主用户存在包括：

所述数据融合中心将所有K个次级用户上报的感知结果进行逻辑与操作来判断是否主用户存在。

5.根据权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，所述步骤B中，所述数据融合中心根据所有K个次级用户上报的感知结果确定最优次级用户上报集合Ω包括：

所述数据融合中心将所有次级用户的探测概率降序排列，将探测概率高于第一预定门限α的次级用户选择到最优次级用户集合Ω中。

6.根据权利要求5所述的数据传输方法，其特征在于，所述第一预定门限α为0.9。

7.根据权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，所述步骤B中，所述数据融合中心根据所有K个次级用户上报的感知结果确定最优次级用户上报集合Ω包括：

所述数据融合中心将所有次级用户的虚警概率升序排列，将虚警概率低于第二预定门限β的次级用户选择到最优次级用户集合Ω中。

8.根据权利要求7所述的数据传输方法，其特征在于，所述第二预定门限β为0.1。

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