CN102905321B - 一种认知无线电网络中的接纳控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种认知无线电网络中的接纳控制方法。涉及无线通信技术领域。本发明利用强制优先排队理论对次用户的切换率和阻塞率等接入性能进行分析，提出了一种新的接纳控制机制。根据当前的频谱资源和次用户的接入量，自适应地对拟接入的次用户予以接受或拒绝。主要考虑了两种情况：一是在主用户频谱利用率一定的情况下如何确定合理的次用户接入范围；另一个是在次用户接入量一定的情况下如何根据主用户的频谱利用率来确定次用户的接入量。此接纳机制不仅可以保证网络中认知用户的QoS还可以减少网络中不必要的开销。

Description

一种认知无线电网络中的接纳控制方法

技术领域

本发明涉及认知无线电网络，具体涉及进入网络的认知用户得到满足自身QoS可靠服务的新机制。

背景技术

在传统无线电网络中，大多采用固定的频谱分配方式，则即便是授权频谱空闲，未授权频谱也无权占用，从而造成了频谱资源的浪费。认知无线电技术作为提高频谱利用率的有效手段之一，可以在不影响授权用户通信的前提下发现频谱空洞并加以利用，使得频谱资源短缺的问题迎刃而解。

已有认知无线电的研究是在特定环境下的性能分析，对于网络中会对次用户的传输性能产生很大影响的切换率和阻塞率等QoS因子缺少定性定量的研究。由于认知无线电技术能够有效地利用频谱空洞，为了保证通信质量，只有当网络中空闲频谱资源满足一定条件时才适合接入次用户，否则接入也无意义；同样，网络在固定的主用户频谱效率下只能接入适量的次用户。所以有必要提出一种新的接纳控制技术，定性定量的明确接入条件和范围。

公开号为CN102123400A的中国发明专利公开了一种基于CWAN的QoS方法，本发明提出的新框架优化认知网络端到端的QoS性能，提高了认知网络实现的可行性。但缺乏对用户接入条件、范围和阻塞过程做出具体详细的说明，自适应性上也有一定的缺陷，未定性定量地明确次用户的接入条件和范围。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提出了一种新的接纳控制方法，此方法是在对认知无线电网络中动态频谱接入的切换率、阻塞率等性能分析的基础之上提出的。

本发明解决上述技术问题采用技术方案的为，提出一种认知无线电网络中的接纳控制方法，认知无线网络中，根据即时拒绝***的状态概率p_k、p_m调用公式确定主用户占用频谱的频谱效率，根据公式：确定次用户的接入量，其中，，0≤k≤m，，， ρ为主用户的接入量，m为总信道数，k为当前信道数， λ₁、λ₂、μ₁、μ₂为单位时间内到达的主次用户数和单位时间内服务的主次用户数；由马尔科夫状态转移图根据η和α对次用户切换率和阻塞率的接入性能关系确定次用户切换概率P_Handoff和阻塞概率P_Blocking，根据公式β=ωP_Handoff+(1-ω)P_Blocking获得加权因子β，并根据用户QOS需求确定β的门限值β_threshold；对次用户进行接纳控制。进一步控制具体为：

当主用户频谱效率η一定，β＜β_threshold得到次用户接入量的门限值α_threshold，接入新用户后***中次用户接入量总量α＇=α_new+α_accessed，其中α_accessed为已经接入的次用户量，α_new为新接入的次用户量；当α＇≤α_threshold时***允许所有请求接入的认知用户进入***；当α＇＞α_threshold时，***以概率接纳次用户进入***。当次用户的接入量一定，根据公式β_threshold=ωP_H-threshold+(1-ω)P_B-threshold确定β的门限值β_threshold，根据用户的QoS需求，在β＜β_threshold时得到η的门限值η_threshold；当接入新用户后***中次用户频谱利用率η＇≤η_threshold时，***允许所有请求接入的认知用户进入***；当η＇≤η_threshold时***以概率接纳次用户进入***。

用户可以根据实际需要（即当用户对服务质量要求较高时，则阻塞率门限值要选择小些；当需要接入用户量增大时，则阻塞率门限值可选择大一些，相应其切换率要减小）选择相应的次用户切换率和阻塞率的门限值P_H-threshold、P_B-threshold，本发明依据用户选择的切换率和阻塞率的门限值，得到β门限值，提供一种对次用户进行控制的接纳控制方法。

与现有技术相比，本发明能够根据当前频谱资源情况和次用户服务质量需求，自适应地对拟接入的次用户予以接纳或者拒绝，通过接纳控制可以更好地保障次用户的QoS要求和网络的整体性能。同时本发明能够定性定量地给定次用户的接入范围和条件。

附图说明

图1为强制优先排队示意图；

图2为马尔科夫状态转移图；

图3为η和α对次用户切换率和阻塞率的影响关系图；

图4 接纳控制方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图对本发明的接纳控制方法进行具体说明。如图1所示为基于强制优先排队理论的认知无线电网络动态频谱接入强制优先排队示意图。

示意图中主用户队列是一个即时***，主用户的到达服从参数为λ₁的泊松分布，服务时间服从参数为μ₁的负指数分布。次用户队列是一个M/M/m/n多服务窗等待损失制排队模型，次用户的到达过程服从参数为λ₂的泊松分布，服务时间服从参数为μ₂的负指数分布，次用户排队队列长度为n_s。参数λ₁、λ₂分别表示单位时间内到达的主用户数和次用户数，参数μ₁和μ₂表示单位时间内服务的主用户数和次用户数。

与图1相对应的马尔科夫状态转移图如图2所示。

***中信道状态为三种：被主用户占用，被次用户占用，空闲状态。圆圈中的数字标识（i,j,k），其中i表示当前状态次用户占用的信道数目，j表示当前状态主用户占用的数目，k表示当前次用户等待服务的队列长度。信道数目共m个，次用户的最大排队长度为n_s。

根据马尔科夫状态转移图可得到次用户的切换概率P_Hoff和阻塞概率P_B如下所示：      $P_{\mathrm{Handoff}}=\underset{i=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{n_s}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{Handoff}}(i,j,k)---\left(1\right)$

$P_{\mathrm{Blocking}}=\underset{i=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{Blocking}}(i,j,n_s)+\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}p(i,j,n_s)---\left(2\right)$

其中，p_Handoff(i,j,k)表示发生一次切换的概率，p(i,j,n_s)表示稳态概率；P_Handoff表示各种状态下次用户发生切换的概率总和，P_Blocking为次用户队列已满情况下新到次用户的阻塞率及切换率之和。 次用户的接入量为：

$\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{m{\mathrm{\μ}}_2}---\left(3\right)$

可根据即时拒绝***的状态概率p_k、p_m调用公式（4）确定主用户占用频谱的频谱效率为： $\mathrm{\η}=\underset{k=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{k}{m}{p}_k+p_m---\left(4\right)$

其中，，0≤k≤m，，。其中，ρ为主用户的接入量，k为当前信道数，参数λ₁、λ₂、μ₁、μ₂为单位时间内统计的到达的主次用户数和单位时间内服务的主次用户数。

利用稳态求解法对马尔科夫模型进行求解，可以得到次用户的切换率和阻塞率，当网络条件一定时，随着接入量的增多，阻塞率便会降低，而发生切换的可能性就较大，即切换率增加；为了使切换率降低，必然会导致接入网络的次用户量减少，从而阻塞率便会增加，因此，为了对两者进行权衡确定切换概率P_Handoff和阻塞概率P_Blocking的加权QoS因子β，根据公式：β=ωP_Handoff+(1-ω)P_Blocking（5）确定QoS因子β。其中，ω为加权系数。ω=0表示β只关注次用户的阻塞概率；ω=1表示β只关注次用户的切换概率；当0＜ω＜1时则同时兼顾了次用户的阻塞率和切换率。可以得到次用户切换率和阻塞率满足以下关系：

次用户切换概率为： $P_{\mathrm{Handoff}}=\frac{N_h}{N_a+N_h}---\left(6\right)$

其中，N_h为次用户切换次数，N_a为接入成功的次用户数（含切换不成功重新进入排队队列而重新接入的次用户）。次用户阻塞概率为：

$P_{\mathrm{Blocing}}=\frac{N_{\mathrm{af}}}{N_{\mathrm{SU}}}---\left(7\right)$

其中N_af表示接入不成功的次数（含切换不成功重新进入队列的次用户），N_SU表示接入的总次用户数。

进而得到α和η与次用户接入性能即切换率和阻塞率的关系图，如图3所示为η和α对次用户切换率和阻塞率的影响关系图。随着α和η的提高次用户的切换率和阻塞率都呈现增加趋势，阻塞率门限值与需要接入用户量成正比关系。根据用户对服务质量要求选择选择相应的次用户切换率和阻塞率的门限值P_H-threshold、P_B-threshold，从图3可以看出，可选择图中拐点处对应的点作为P_H-threshold、P_B-threshold。

以下针对次用户的切换率和阻塞率等提出接纳控制方案。以下分两种情况讨论：

一是当主用户的频谱效率固定，次用户的数目变化时如何控制认知用户的量来保证认知用户的QoS；二是当认知用户的量稳定，而主用户对频谱资源的使用效率发生变化时如何进行控制保证认知用户的QoS。

如图4所示为本发明接纳控制方法流程图。

1.当主用户频谱效率η一定时，根据公式（4），确定的是一定值，由于网络资源一定，其必然引起次用户接入量α的变化，随着用户接入量α的变化，次用户的到达率λ₂和服务率μ₂也随之变化，根据次用户切换率P_Handoff和阻塞率P_Blocing，调用公式（5）可进一步得到接入量α、β、切换率、阻塞率之间的对应关系。

1）根据实际用户QoS需要选择相应的次用户切换率和阻塞率的门限值P_H-threshold、P_B-threshold。再根据公式β_threshold=ωP_H-threshold+(1-ω)P_B-threshold确定β的门限值β_threshold。为保证认知用户要求的QoS，β＜β_threshold，根据接入量α、β、切换率、阻塞率之间的对应关系查找次用户接入量的门限值；

2）接入新用户后***中次用户接入量总量α＇=α_new+α_accessed，其中α_accessed为已经接入的次用户量，α_new为新接入的次用户量，根据公式和可得出，其中λ_accessed、λ_new分别为单位时间内***已接入的用户数和新到达的次用户数；μ_accessed、μ_new分别为单位时间内***已服务的用户数和将接受服务的用户数；

3）当α＇≤α_threshold时***允许所有请求接入的认知用户进入***；

4）当α＇＞α_threshold时***需要对次用户进行接纳控制，以概率接纳认知用户进入***；

5）通过限制进入***的认知用户数目，使能进入***使用频谱资源的认知用户接入量尽量接近在α_threshold水平从而保证了认知用户的QoS。

2.次用户的接入量α＇一定时，根据公式（3）：知，的值是一定的，在网络条件一定，次用户接入量一定，必然会影响主用户的频谱效率。随着η的变化，主用户的到达率λ₁和服务率μ₁也随之变化，从而其必将影响次用户的切换率和阻塞率，根据马尔科夫模型可以得到次用户切换率和阻塞率，再根据公式（5）可进一步得到主用户频谱利用率η、β、切换率、阻塞率之间的对应关系。

1）根据实际用户QoS需要选择相应的次用户切换率和阻塞率的门限值P_H-threshold、P_B-threshold。 再根据公式β_threshold=ωP_H-threshold+(1-ω)P_B-threshold确定β的门限值β_threshold。为保证认知用户要求的QoS，根据用户的QoS需求，β＜β_threshold，得到η的门限值η_threshold；

2)当接入新用户后***中次用户频谱利用率η＇≤η_threshold时，***允许所有请求接入的认知用户进入***；

3）当η＇＞η_threshold时***需要对次用户进行接纳控制，以概率接纳认知用户进入***；使能进入***使用频谱资源的认知用户接入量尽量接近在η_threshold水平从而保证了认知用户的QoS。

Claims (2)

1.一种认知无线电网络中的接纳控制方法，其特征在于，认知无线网络中，根据即时拒绝***的状态概率p_k、p_m调用公式确定主用户占用频谱的频谱效率，根据公式：确定次用户的接入量；由马尔科夫模型状态转移图根据η和α对次用户切换率和阻塞率的接入性能关系确定次用户切换概率P_Handoff和阻塞概率P_Blocking，根据公式β＝ωP_Handoff+(1-ω)P_Blocking获得加权因子β，并根据用户质量需求QOS确定β的门限值β_threshlod，其中，0≤k≤m，ρ为主用户的接入量，m为总信道数，k为当前信道数，ω为加权系数，λ₁、λ₂、μ₁、μ₂为单位时间内到达的主次用户数和单位时间内服务的主次用户数；当主用户频谱效率η一定，β<β_threshlod时得到次用户接入量的门限值α_threshold，接入新用户后***中次用户接入量总量α'＝α_new+α_accessed；当α'≤α_threshold时***允许所有请求接入的认知用户进入***；当α'>α_threshold时，***以概率接纳次用户进入***，其中，α_accessed为已经接入的次用户量，α_new为新接入的次用户量；当次用户的接入量一定，根据实际用户QoS需要选择次用户切换率的门限值P_H-threshold和阻塞率的门限值P_B-threshold,根据公式β_threshlod＝ωP_H-threshold+(1-ω)P_B-threshold确定β的门限值β_threshlod，β<β_threshlod时得到η的门限值η_threshold；当接入新用户后***中次用户频谱利用率η'≤η_threshold时，***允许所有请求接入的认知用户进入***；当η'>η_threshold时***以概率接纳次用户进入***。

2.根据权利要求1所述的接纳控制方法,其特征在于，根据马尔科夫模型求解得到次用户切换率和阻塞率其中，N_h为次用户切换次数，N_a为接入成功的次用户数，N_af表示接入不成功的次数，N_SU表示接入的总次用户数。