CN103326984B - 一种基于冲突阈值限制的子信道分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于冲突阈值限制的子信道分配方法。所述方法针对主用户占用授权频谱和授权子信道空闲状态的分布规律，引入冲突阈值的概念，分析次用户根据自身数据包的特点以及信道的空闲状态，通过在满足冲突阈值时选择尽量少的接入信道，来降低次用户与主用户冲突的概率。本发明方法将冲突阈值与有效吞吐量相结合，根据各个子信道的发送数据包大小和其空闲概率分布参数，选择满足自身数据要求的最少数目子信道，从而让更多的次用户发送数据，降低与主用户的冲突概率、增加网络有效吞吐量，保持认知OFDM网络的稳定。

Description

一种基于冲突阈值限制的子信道分配方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种基于冲突阈值限制的子信道分配方法。

背景技术

无线通信正朝着高速化、宽带化的方向发展，对频谱资源的需求也更为迫切。传统的固定频谱分配方式存在着频谱利用率不高的问题。认知无线电允许认知用户(即次用户)动态接入授权用户(即主用户)的授权频谱，可大大提高频谱利用率，有效缓解频谱资源紧张的问题。根据次用户接入网络的方式，频谱共享技术可分为共享式（Underlay）和填充式（Overlay）两种。共享式是指次用户与主用户同时共用同一段频谱，前提是次用户不能对主用户的通信造成干扰,衡量指标是干扰温度；填充式则指次用户只能利用未被主用户使用的频谱空洞进行数据传输,当主用户有发送需求时,次用户需退避。

认知无线电网络的任务具有突发性，在填充式频谱共享方式下可能会出现下述两种情况:主用户有突发数据时,将重新启用已被次用户占用的频谱，但主用户不必提前告知次用户；另外一种，则是由于次用户受限于自身硬件及环境干扰因素的影响，对主用户的状态进行了误判。上述两种情况都可能导致次用户退避不及时,进而引起主用户和次用户在同一频段上的数据业务冲突。这种冲突不仅会对主用户的数据传输产生干扰，还会增加次用户的功率开销以及切入其他授权频谱时引起的传输中断，进而导致整个认知***的性能下降。

OFDM作为一种物理层关键技术，已被众多通信***与标准所采用。鉴于其能够灵活地选择子载波，并根据各个子载波间的正交性和实际传输情况整合不规律和不连续的频谱资源、灵活利用频谱和分配发送功率等优点，OFDM被认为是最适用于认知无线电***的物理层调制技术。借助认知OFDM中的动态信道分配技术，对信道条件较好的子信道进行最优分配，能有效避免主次用户在同一频段上的数据业务冲突，在保证主用户正常通信的同时，提高整个网络的有效吞吐量。因此，研究新型实用的信道分配算法，对实现新一代无线宽带通信***具有重要的意义，应用前景广阔。

在填充式频谱共享方式下的认知OFDM网络中，现有的子信道分配方法一般是基于信道的空闲状态，或依据主用户占据授权频谱的规律进行接入信道的选择，具体包括：1、记录主用户曾使用过的频谱状态信息并分析信道空闲概率，结合实时的频谱状态感知结果，使得次用户能够更好的判断主用户重新占用频谱的规律，提前切换接入信道，规避冲突；2、次用户通过计算，得到剩余信道中主用户重新回归占用概率最小的信道，并使用该信道进行数据传输降低冲突概率，忽略了信道的空闲时长对主用户和次用户的冲突影响；3、借助支持向量机的知识，实时感知频谱并结合授权频谱的空闲时长概率密度，计算得到给定时长下的信道空闲概率，次用户选择空闲概率较大的子信道选择接入，频谱空闲时长的概率密度精准与否对算法影响较大；4、通过物理层的接入方式，使得次用户能够使用多余的信道进行数据传输，需要更多的空闲频谱以便主用户回归使用时能重新接入，这在频谱资源紧张的情况下意义不大。

上述方法均是从提高次用户接入授权子信道概率的角度出发，考虑主用户和次用户占据同一授权频谱的数据冲突问题。但子信道的利用并没有达到最佳，且网络环境均限制在使用单一次用户的认知无线电网络，***的有效容量并未达到最优。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对单主用户和多次用户共存时的冲突问题，提出一种基于冲突阈值限制的子信道分配方法。所述方法考虑主用户占用授权频谱和授权子信道空闲状态的分布规律，引入冲突阈值的概念，分析各次用户根据自身数据包的特点以及信道的空闲状态，通过在满足冲突阈值时选择尽量少的接入信道，来降低次用户与主用户冲突的概率。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于冲突阈值限制的子信道分配方法，包括步骤如下：

步骤A，主用户设定各子信道冲突阈值σ_i；确定授权频谱的子信道空闲时长服从参数为λ_i的指数分布；次用户m的数据包大小为其中，i∈{1,2…N}，λ_i>0，N为子信道数，m为次用户序号，m为小于等于M的自然数，M为次用户数；

步骤B，确定次用户m最大信道占据时长集合l_m，

次用户m在子信道i上允许的最大信道占据时长为：

$l_{i,m}^{\max }=-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}\ln (1-{\mathrm{\σ}}_i)$

则次用户m最大信道占据时长集合l_m为：

$l_m=\{l_{1,m}^{\max },l_{2,m}^{\max },...,l_{N,m}^{\max }\}$

步骤C，次用户选择子信道，其具体步骤如下：

步骤C-1，确定次用户子信道数目，

如果次用户m尚未分配信道，选择子信道数目为n，n为满足冲突阈值约束的最小值；1≤n≤N；

步骤C-2，次用户子信道分配，

从次用户m最大信道占据时长集合l_m中挑选出最大信道占据时长大于的子信道，再从最大信道占据时长大于的子信道中挑选出n个子信道分配给次用户m；其中，C为子信道的最大传输速率；

步骤C-3，每分配完一个子信道，更新一次集合l_m，将已分配的子信道最大信道占据时长信息从集合中剔除；

步骤C-4，当所有次用户都已经分配了子信道或者时，子信道分配结束。

本发明的有益效果：本发明提出了一种基于冲突阈值限制的子信道分配方法。所述方法针对主用户占用授权频谱和授权子信道空闲状态的分布规律，引入冲突阈值的概念，分析次用户根据自身数据包的特点以及信道的空闲状态，通过在满足冲突阈值时选择尽量少的接入信道，来降低次用户与主用户冲突的概率。本发明方法将冲突阈值与有效吞吐量相结合，根据各个子信道的发送数据包大小和其空闲概率分布参数，选择满足自身数据要求的最少数目子信道，从而让更多的次用户发送数据，降低与主用户的冲突概率、增加网络有效吞吐量，保持认知OFDM网络的稳定。

具体实施方式

以下详细说明本发明一种基于冲突阈值限制的子信道分配方法。

网络采用填充式共享频谱方式，整个***由一个主用户、一个认知基站和M个次用户组成，M为自然数。设授权频谱由N个带宽为B的子信道组成，N为自然数，子信道的最大传输速率为C。对于授权频谱，主用户享有优先使用权。次用户则以OFDM方式在物理层接入空闲子信道。

设子信道i的空闲时长服从参数为λ_i的指数分布，i∈{1,2…N}，λ_i>0，则子信道i处于空闲状态的概率密度函数f_i(t)为

$f_i\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&lambda;}}_i{e}^{-{\mathrm{\&lambda;}}_{i}t},& t\&GreaterEqual;0\\ 0,& t<0\end{array}\right.---\left(1\right)$

某时刻，次用户m在空闲信道i需要发送大小为的数据包，m为次用户序号，m为小于等于M的自然数；理想情况下发送完该段数据包的耗时，即占用授权频谱时长l_i,m为：

$l_{i,m}=\frac{R_{\mathrm{req}}^{i,m}}{C}---\left(2\right)$

当子信道i空闲时长t_i≤l_i,m时,主次用户在子信道i将发生业务冲突，冲突概率为

$p_c^i=p_i(t_i\&le;l_{i,m})={\&Integral;}_{-\&infin;}^{l_{i,m}}{f}_i\left(t\right)\mathrm{dt}=1-e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_i{l}_{i,m}}---\left(3\right)$

次用户m占用信道集合为w_m。次用户的正常通信，意味着在所有占用信道上，都不发生主用户和次用户的冲突，数据才能正确传输，则次用户m成功传输的概率为

$p_s^m=\underset{i\&Element;w_m}{\mathrm{\&Pi;}}(1-p_c^i)---\left(4\right)$

从公式(4)可以看出：次用户占用的子信道集合w_m中子信道的个数以及集合中各子信道的状态将影响次用户数据包成功传输的概率大小，次用户的成功传输概率会随着信道集合w_m中子信道个数的增加而减小。结合公式（2），随着信道集合w_m中子信道个数的增加，次用户m分配到其占据的每个子信道上的数据包变小（即变小），因而在各个子信道上的占据时长l_i,m将变小，从而降低主用户和次用户的业务冲突概率。

定义有效吞吐量R_E,表示各次用户数据包最大发送时间T_total内目的节点成功接收的数据包数量，记为：

$R_E=\frac{1}{T_{\mathrm{total}}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i\&Element;w_m}{\mathrm{\&Pi;}}(1-p_c^i)\&CenterDot;R_{\mathrm{req}}^{i,m}---\left(5\right)$

当主用户和次用户发生业务冲突时，次用户必须及时退避,即中断其占用频段上的数据发送,重新寻找空闲的授权频谱,并进行切换。这势必会影响整个认知无线网络的稳定性,并影响***的有效吞吐量性能。结合认知OFDM***中数据发送的特点与规律,若对冲突概率进行一定的约束,将主次用户的冲突概率限制在主用户设定的阈值范围内，则可大大降低这种不利的影响。一方面,保证了主用户正常通信，另一方面又能使得冲突对次用户造成的干扰降到最低，从而维持了***的稳定性。

因此，以主用户和次用户的业务冲突概率作为约束条件，在保护主用户的正常通信前提下，通过合理的分配多个次用户的信道，可使得整个认知***的有效吞吐量最大化。约束条件为：

$\underset{A}{\max }{R}_E=\underset{A}{\max }\frac{1}{T_{\mathrm{total}}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i\&Element;w_m}{\mathrm{\&Pi;}}(1-p_c^i)\&CenterDot;R_{\mathrm{req}}^{i,m}$

$s.t.0\&le;p_c^i\&le;{\mathrm{\&sigma;}}_i$

$\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_{i,m}\&GreaterEqual;1$

式中，σ_i为主用户设定的子信道i冲突阈值。

由设定的冲突阈值σ_i和公式(3)得到次用户m在子信道i上允许的最大信道占据时长

$l_{i,m}^{\max }=-\frac{1}{{\mathrm{\&lambda;}}_i}\ln (1-{\mathrm{\&sigma;}}_i)---\left(7\right)$

次用户在占用n个子信道的情况下，如以相同的阈值σ作为各子信道约束条件时，数据成功发送概率为：

$p_s^m={(1-\mathrm{\&sigma;})}^n---\left(8\right)$

通常设0<σ<1。因此，n越小，则成功概率越大。由此可得：当次用户占用信道与主用户的冲突概率阈值为σ时，尽可能少地选用子信道可以提高次用户业务传输的成功概率，保护主用户的正常通信。

在冲突阈值约束下，认知OFDM环境中多次用户多信道次优分配方法的具体步骤为：

第一步：初始化。主用户设定各子信道冲突阈值σ_i，为方便计算，可设置所有σ_i均相同，即σ_i=σ。根据已有的频谱感知结果来确定子信道空闲时长，其中授权频谱的空闲时长服从参数为λ_i的指数分布。各次用户的数据包大小集合为 $R_{\mathrm{req}}=\{R_{\mathrm{req}}^{i,1},R_{\mathrm{req}}^{i,2},...R_{\mathrm{req}}^{i,M}\}.$

第二步：根据阈值σ，结合式(7)来估算各子信道允许次用户m占据使用的最大传输时长集合 $l_m=\{l_{1,m}^{\max },l_{2,m}^{\max },...,l_{N,m}^{\max }\}.$

第三步：在满足用户发送需求前提下，选择最小的占用的信道数目，以便让更多的次用户能够参与信道分配。

1)对每一个未分配信道的次用户，在满足冲突阈值约束的情况下，选择最少的信道数目n（1≤n≤N）分配给该次用户，以保证尽可能多的次用户在满足冲突阈值约束的情况下都能分配到信道，提升有效吞吐量。具体做法：对每一个未分配信道的次用户,n从1到N依次递增,挑选满足冲突阈值约束的最小的n分配给该用户；

2)在分配过程中，若次用户m尚未分配信道，则从第二步的时长集合l_m中挑选出占据时间大于的子信道(即次用户占据子信道时间小于该信道允许的最大占据时间，以此降低主次用户的冲突概率，有效保护主用户的正常通信)，从中挑选出n个子信道分配给次用户m；

3)每分配完一个子信道，更新一次集合l_m，将已分配的子信道最大传输时长信息从集合中剔除；

4)所有次用户都分配有子信道或者时，子信道分配结束。

Claims (1)

1.一种基于冲突阈值限制的子信道分配方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤A，主用户设定各子信道冲突阈值σ_i；确定授权频谱的子信道空闲时长服从参数为λ_i的指数分布；次用户m的数据包大小为其中，i∈{1,2…N}，λ_i>0，N为子信道数，m为次用户序号，m为小于等于M的自然数，M为次用户数；

步骤B，确定次用户m最大信道占据时长集合l_m，

次用户m在子信道i上允许的最大信道占据时长为：

$l_{i,m}^{\max }=-\frac{1}{{\mathrm{\&lambda;}}_i}ln(1-{\mathrm{\&sigma;}}_i)$

其中，σ_i为子信道i冲突阈值，且0<σ_i<1；则次用户m最大信道占据时长集合l_m为：

$l_m=\{l_{1,m}^{\max },l_{2,m}^{\max },...,l_{N,m}^{\max }\}$

步骤C，次用户选择子信道，其具体步骤如下：

步骤C-1，确定次用户子信道数目，

如果次用户m尚未分配信道，选择子信道数目为n，n为满足冲突阈值约束的最小值；1≤n≤N；

步骤C-2，次用户子信道分配，

从次用户m最大信道占据时长集合l_m中挑选出最大信道占据时长大于的子信道，再从最大信道占据时长大于的子信道中挑选出n个子信道分配给次用户m；其中，C为子信道的最大传输速率；

步骤C-3，每分配完一个子信道，更新一次集合l_m，将已分配的子信道最大信道占据时长信息从集合中剔除；

步骤C-4，当所有次用户都已经分配了子信道或者时，子信道分配结束。