CN104640228A - 一种基于协商的非抢占式的频谱接入方法 - Google Patents
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Abstract
本发明针对认知用户服务时间远小于授权用户服务时间的情况，提出了一种基于协商的非抢占式频谱接入机制，主用户对于次级用户具有非抢占式的信道使用优先权，当没有频谱空穴可以切换时，次级用户并不会为主用户空出目前占用的授权频谱直到当前传输结束，到达的主用户需要等待一段时间以获得可使用的频谱；授权***与认知无线电***之间依靠辅助的控制信道通过频谱代理进行信令交互，实现非抢占式频谱接入控制。通过与传统的抢占式频谱接入机制的仿真结果进行比较可知，非抢占式频谱接入机制中次级用户的QoS得到了明显的提升，而主用户的QoS的下降在可以接受范围。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种认知无线电***的频谱接入方法。
背景技术
在当前频谱资源紧缺与频谱利用率低下矛盾日益凸显的情况下，认知无线电技术受到了广泛的关注。根据认知无线电的定义，次级用户可以通过对环境感知的方式获得频谱空穴，并通过对其传输参数的调整从而接入相应的频谱空穴完成传输。通过频谱感知方式获得频谱空穴并且在不为主用户授权的频谱接入机制，可以称为基于频谱感知的频谱接入机制。由此次级用户可以通过实时的频谱感知而获得频谱空穴并且灵活的接入可以频谱，由此可以有效的提高***容量，频谱利用效率。现有频谱感知技术包括：能量检测技术，匹配滤波检测，循环平稳特征检测技术等。由于频谱资源在主***中使用的不确定性，因此何时以及如何对频谱进行感知是基于频谱感知的频谱接入机制的关键问题。通常，在帧结构中安排短时间的静默期用于周期性的频谱感知。
在认知无线电技术中，次级用户通过协商的方式采用频谱租用的方式获得对授权频谱的使用权利，这种方式可以称为基于频谱租用的频谱接入机制。主***根据授权频谱的使用时长，发射功率等参数对授权频谱进行定价，将授权频谱段租用给次级用户或者次级***。次级***根据所承载的业务需求以及当前射频环境制定无线频谱交易以及管理信息。在当前静态频谱分配机制长期存在的大前提下，基于频谱租用的思想更易为现有授权业务的服务提供商所接受。授权业务的服务提供商可以通过向次级***出租暂时不用的频谱资源从而获得额外的收益，频谱资源利用率得到相应的提高，且这种方法可以同时保障主用户***以及次级用户***的权益。现有研究给出了以经济模型为基础的基于频谱租用的频谱接入机制，常用的方法包括拍卖机制以及博弈论等方法。
结合基于频谱感知频谱接入机制的灵活性以及基于频谱租用频谱接入机制的可靠性，从而提出了联合频谱租用与感知的频谱接入机制。在这种频谱接入机制中，主***可以将授权频谱划分为保留信道与共享信道两部分，次级***通过租用获得对共享信道的使用权，同时根据频谱感知机会使用该频谱。在这种情况下，授权业务的服务提供商可以通过频谱租用获得相应的收益且频谱利用率得到提高；次级用户仅对租用频谱进行感知接入，不但提高了频谱空穴的获取效率，同时保证了主用户的利益。目前对联合租用以及感知的频谱共享机制处于起步阶段。
现有基于联合频谱租用与频谱感知的接入机制，所采用的均为抢占式频谱接入模式。在该机制模型下，主***通过周期动态频谱拍卖将频谱租给次级用户获得收益，次级用户通过频谱感知机会式接入。次级用户一旦感知到主用户到达，需要立即采取中断方式切换到其他空闲信道，停止对该授权频谱的占用，从而保护主用户的传输性能。在基于频谱感知的频谱接入机制中，均采用这种抢占式的频谱接入策略，这是由于认知无线电定义中主用户的传输性能不受有害干扰的前提。
由于频谱资源分配现状以及频谱资源特殊性质，认知无线电技术应用在动态频谱共享机制中存在各种困难：
首先，基于频谱感知的频谱接入机制中由于所采用的频谱感知技术限制以及无线环境中噪声不确定性等问题，将会导致频谱感知性能受到影响。由于授权频谱范围较大，在频谱感知中对于何时以及如何对授权频谱进行感知也是进行频谱共享的关键问题。基于帧结构的认知无线电用户，感知时间越长将会导致用于数据传输的时间较短，由此导致频谱利用率低。而感知时间不足，将会导致感知性能较低，对主用户的业务干扰就越大。因此，单纯的采用基于频谱感知的频谱接入机制，设计频谱感知的策略将是很大的挑战同样主用户的服务质量也很难得到保障。
基于频谱租用的频谱接入机制中的频谱租用策略以及频谱资源分配受到了越来越多的关注。基于拍卖以及博弈论等经济模型的机制用于频谱租用策略的设计，可以在保证主***利益的前提下提高频谱利用率。然而，基于频谱租用的频谱接入机制由于租用协议的设计，导致主用户必然在进行了频谱出租后损失一部分授权频谱资源，且在频谱出租阶段无法使用该部分资源。一旦主***出现突发业务，授权业务将会受到严重的影响。根据认知无线电定义，频谱共享的前提是保障授权业务不受到有害干扰。由于授权业务的不确定性，确定频谱租用的周期也将面临挑战。
基于联合频谱租用以及感知的频谱接入机制中，虽然结合了频谱租用的可靠性以及频谱感知的灵活性，使得主***以及次级***均可在保证双方利益的同时提高了频谱利用率。然而，目前对联合租用以及感知的频谱共享机制处于起步阶段。现有基于联合频谱租用与频谱感知的接入机制，所采用均为抢占式频谱接入模式。即次级用户一旦感知到主用户到达，需要立即采取中断方式切换到其他空闲信道，停止对该授权频谱的占用，从而保护主用户的传输性能。实际上，基于联合频谱租用的频谱接入机制前提是主用户已知频谱出租给次级用户且预期授权业务将会受到一定的影响。同时，授权业务的服务质量存在一定的冗余，即当受到的影响在一定范围内是并不会对实际业务造成干扰。另一方面，次级用户通过租用以及感知获得频谱空穴进行业务传输，当一旦检测到主用户到达就立即切换且当无可切换频谱空穴时即中断业务。次级用户通过对所使用的频谱向主***付费而获得频谱使用权，然而由于抢占式的接入模式将会导致频繁的业务中断，即强制中断概率的情况出现。强制中断概率的增大将会导致频谱效率降低，同样对次级用户来说也是不能接受的。在基于联合频谱租用与感知的认知无线电网络框架下，次级用户的服务质量也需要得到相应的保障。
在基于联合频谱租用以及频谱感知的认知无线电网络框架下，如何设计合理的频谱接入机制，在不对主用户的授权业务造成有害干扰情况下，最大化***吞吐量是我们所关注的问题。
发明内容
为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种基于协商的非抢占式的频谱接入方法，能够有效解决了当前认知无线电网络中频谱接入机制的频谱效率较低，次级用户强制中断概率以及平均时延较长的问题。
本发明通过如下技术方案实现：
一种基于协商的非抢占式的频谱接入方法，应用于认知无线电***，其中，主用户对于次级用户具有非抢占式的信道使用优先权，当没有频谱空穴可以切换时，次级用户并不会为主用户空出目前占用的授权频谱直到当前传输结束，到达的主用户需要等待一段时间以获得可使用的频谱；授权***与认知无线电***之间依靠辅助的控制信道通过频谱代理进行信令交互，实现非抢占式频谱接入控制；所述方法包括以下步骤：
S101：次级用户通过周期性的频谱感知对共享信道的情况进行实时的监测，当次级用户发现没有空闲的频谱信道时，执行步骤S102，否则，执行步骤S103；
S102：认知无线电***通过频谱代理向授权***发生一个等待信令；接收到该信令后，授权***通知授权用户推迟当前发送的分组包，并通过频谱代理通知认知无线电***需要收回的目标信道；在所述目标信道传输的次级用户将在结束当前传输后立即空出信道，当所述目标信道在主用户等待时间结束前完成时，所述主用户接入目标信道，并且所述主用户的服务只是产生了额外的延时；否则，所述主用户将会被阻塞；
S103：认知无线电***通过频谱代理通知授权***取消等待信令，主用户和次级用户的接入方式与抢占式频谱接入方式的工作机制相同。
本发明的另一方面，提出了一种认知无线电***，包括主***、次级***和频谱代理，其中，主***为授权***，包括主用户，次级***中包括次级用户接入点以及次级用户；所述主***将其授权频谱划分为两个部分，一部分是仅为主用户传输留下的预留信道，另一部分是与次级用户共享的使用动态频谱分配技术的信道；主***通过频谱代理暂时将共享频谱部分出租给次级***，次级用户可以机会式的使用该部分频谱空穴并对所使用的频谱向授权***付费；所述认知无线电***采用本发明的基于协商的非抢占式的频谱接入方法为新到达的用户分配频谱。
附图说明
图1是基于联合频谱感知与租用的认知无线电网络***；
图2是认知无线电网络***的交互过程示意图；
图3是本发明的非抢占式频谱接入方法示意图；
图4是抢占式频谱接入方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
基于联合频谱感知与租用的认知无线电网络***框架如附图1所示(其中，CU代表次级用户，LU代表主要用户)。基于联合频谱感知与租用的认知无线电网络***模型包括三个交互的部分：主***(授权***)，频谱代理以及次级***。其中，次级***中包括次级用户接入点以及次级用户。附图2给出了基于联合频谱感知与租用的认知无线电网络在频谱层面、业务层面以及用户层面的交互过程。授权***将其授权频谱按照附图1所示的方法进行划分，其中一部分为主用户保留频谱，而剩余部分频谱为允许次级用户机会式频谱共享的频谱。授权***通过频谱代理暂时将共享频谱部分出租给次级***。次级用户可以机会式的使用该部分频谱空穴并对所使用的频谱向授权***付费。频谱代理可以是管理机构(如美国的FCC等)，或是得到授权的第三方。频谱代理可以看作是授权***与次级***的交互实体。
授权***的频谱可以分为N条信道，且每条信道具有相同带宽。其中R条信道为主用户保留使用，剩余N-R条信道可以由主用户与次级用户共享。次级用户通过感知获得未被主用户占用的频谱信息，通过调整传输参数接入该频谱空穴。主用户可以使用任意授权频谱并有权利收回正在被次级用户机会式占用的频谱资源。主用户具有绝对的优先权，对于接入频谱空穴进行传输的次级用户来说，当主用户需要占用该频谱空穴时，次级用户需要立即切换至其他频谱空穴，当无可切换的频谱空穴且等待队列已满时，次级用户的服务将会出现中断。这种情况不仅造成了功率以及频谱资源的浪费，同时对于次级用户来说也是不能忍受的。这是因为对需要付费使用频谱空穴的次级用户来说，希望可以获得具有一定QoS保障的服务。同时，由于授权***将会通过频谱租用获得相应的收益，因此作为回报，授权***也需要保证次级用户的QoS受到保障。这种可以实现双赢的技术是认知无线电技术商用的基本前提。因此，如何设计合理的频谱接入机制，在不对主用户造成有害干扰的情况下有效的保证次级用户的QoS对与认知无线电网络来说具有重要的实际意义。
通过频谱代理可以实现授权***与认知无线电***之间的交互，同时为实现授权频谱的管理提供了基础保障。因此，本发明中结合认知用户决策式以及协商式频谱接入策略，提出了一种基于协商的非抢占式的频谱接入机制，在这种机制中主用户对于次级用户具有非抢占式的信道使用优先权。附图3中给出了非抢占式频谱接入机制的示意图。当没有频谱空穴可以切换时，次级用户并不会为主用户空出目前占用的授权频谱直到当前传输结束。因此，次级用户不会由于主用户的到达强制中断。相应的，到达的主用户需要等待一段时间twait以获得可使用的频谱。授权***与认知无线电***之间依靠辅助的控制信道通过频谱代理进行信令交互，实现非抢占式频谱接入控制。授权***与认知无线电***直接进行交互的细节如下：在认知无线电***中，次级用户将通过周期性的频谱感知对共享信道的情况进行实时的监测。一旦发现没有空闲的频谱信道，认知无线电***将会通过频谱代理向授权***发生一个等待信令。接收到该信令后，授权***将会通知授权用户推迟当前发送的分组包，并通过频谱代理通知认知无线电***需要收回的目标信道。在该目标信道传输的次级用户将在结束当前传输后立即空出信道。当目标信道可以在主用户等待时间结束前完成时，该主用户可以接入目标信道，并且该主用户的服务只是产生了额外的延时。否则，该主用户将会被阻塞。当次级用户通过感知获得频谱空穴再次出现时，认知无线电***将会通过频谱代理通知授权***取消等待信令。当等待信令取消后，非抢占式频谱接入方式与抢占式频谱接入方式的工作机制相同。由此，主用户并不会强制中断次级用户的传输。当目标信道在主用户等待时间结束前完成时，该主用户可以接入目标信道，该主用户的服务将产生了额外的延时。
当等待信令取消后，LU相对于CU具有绝对的优先权。一旦LU需要收回被CU占用的信道，该CU必须立即切换至其他频谱空穴或者停止传输。这种情况下，CU的信道可以看作被LU抢占。停止传输的CU将其传输失败的分组包置于缓冲队列并且等待下一次传输机会。然而，当缓冲队列已经被认知用户分组包占满时，该停止传输的CU就出现了丢包的情况。附图4给出了抢占式频谱接入机制的示意图。
下面给出本发明所提出的非抢占式频谱接入机制原理并对其性能与传统抢占式频谱接入机制进行比较。当次级用户通过频谱感知获得频谱空穴再次出现时，主用户与次级用户的到达时间可以看作服从泊松过程，且均值分别为λp以及λs。主用户与次级用户的服务时间可以假设为服从负指数分布，且均值分别为1/μp以及1/μs。由于次级用户的可用频谱资源不确定特性，因此通常情况下认为次级用户的平均服务时间远小主用户业务的平均服务时间，即1/μs＜＜1/μp。认知无线电***的缓冲队列为先进先出队列(First In First Out，FIFO)，并且队列长度为Q。
在非抢占式频谱接入机制中授权***与认知无线电***之间将会出现QoS的折中。这是由于当没有频谱空穴可以供次级用户切换时，主用户不会接入次级用户所占用的信道直到其完成当前传输。因此，非抢占式相对于抢占式频谱接入机制在提高次级用户的QoS方面具有更好的表现。业务量参数是影响性能指标的重要因素。随着λs与1/μs增加，非抢占式频谱接入机制的优势更加明显。
由以上介绍可知，本发明有效解决了当前认知无线电网络中频谱接入机制的频谱效率较低，次级用户强制中断概率以及平均时延较长的问题。并且可以根据主***中主用户业务特点，有针对的提出频谱租用策略，通过改变预留信道数目，在不对主***造成有害影响的前提下提高***总体性能。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于协商的非抢占式的频谱接入方法，应用于认知无线电***，其特征在于，主用户对于次级用户具有非抢占式的信道使用优先权，当没有频谱空穴可以切换时，次级用户并不会为主用户空出目前占用的授权频谱直到当前传输结束，到达的主用户需要等待一段时间以获得可使用的频谱；所述方法包括以下步骤：
S101：次级用户通过周期性的频谱感知对共享信道的情况进行实时的监测，当次级用户发现没有空闲的频谱信道时，执行步骤S102，否则，执行步骤S103；
S102：认知无线电***通过频谱代理向授权***发生一个等待信令;接收到该信令后，授权***通知授权用户推迟当前发送的分组包，并通过频谱代理通知认知无线电***需要收回的目标信道；在所述目标信道传输的次级用户将在结束当前传输后立即空出信道，当所述目标信道在主用户等待时间结束前完成时，所述主用户接入目标信道，并且所述主用户的服务只是产生了额外的延时；否则，所述主用户将会被阻塞；
S103：认知无线电***通过频谱代理通知授权***取消等待信令，主用户和次级用户的接入方式与抢占式频谱接入方式的工作机制相同。
2.如权利要求1所述的基于协商的非抢占式的频谱接入方法，其特征在于：授权***与认知无线电***之间依靠辅助的控制信道通过频谱代理进行信令交互，实现非抢占式频谱接入控制。
3.如权利要求1所述的基于协商的非抢占式的频谱接入方法，其特征在于：所述认知无线电***的缓冲队列为先进先出队列。
4.一种认知无线电***，其特征在于：所述认知无线电***包括主***、次级***和频谱代理，其中，主***为授权***，包括主用户，次级***中包括次级用户接入点以及次级用户；所述主***将其授权频谱划分为两个部分，一部分是仅为主用户传输留下的预留信道，另一部分是与次级用户共享的使用动态频谱分配技术的信道；主***通过频谱代理暂时将共享频谱部分出租给次级***，次级用户可以机会式的使用该部分频谱空穴并对所使用的频谱向授权***付费；所述认知无线电***采用如权利要求1至3任一项所述的基于协商的非抢占式的频谱接入方法为新到达的用户分配频谱。
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