CN105472753A - 一种基于lte的认知小蜂窝双重资源分配和干扰管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及认知用户在授权频段和未授权频段上的资源分配和干扰管理问题，尤其是在授权频段与授权用户以及在未授权频段与WiFi用户的共存以及资源分配问题。现有网络的频谱分配政策导致有限的频谱资源已待耗尽，通信信道变得拥塞不堪。本发明考虑具有频谱检测功能的认知小蜂窝网络，它可以检测授权和未授权频段上的频谱空穴，并结合现有的LTE技术利用这些频谱空穴传输信息，在授权频段上认知用户与授权用户共享频谱，在未授权频段上认知用户与WiFi用户竞争使用频谱，提出一种简单有效的干扰管理和资源分配机制，实现授权和非授权频段资源的合理分配，从而最大化整个网络的传输速率，提高用户满意度和***整体性能。

Description

一种基于LTE的认知小蜂窝双重资源分配和干扰管理方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，具体涉及在授权频段与授权用户以及在未授权频段与WiFi用户的共存方法以及资源分配问题。

背景技术

由于智能手机和其他的无线宽带用户的不断增加导致移动宽带数据流量激增，同时人们对传输质量要求的不断提高也给网络运营商网络容量带来了巨大压力。为了满足快速增长的数据要求，现今的网络必须进行更进一步的发展。目前采用的提高传输速率的方法有：①给网络分配更多的频谱；②通过小蜂窝配置的网络致密化；③空间处理技术等其他技术。其中使用更多的频谱来传输信息是最简单有效的方法。现今频谱分配采用固定分配政策已将大部分可用频谱分配完毕，尤其是通信质量较高的低频段资源不仅有限，价格昂贵，而且正被快速增长的数据流量需求迅速消耗。固定频谱分配使得授权频段资源利用率非常低，根据美国联邦通信委员会(FCC)调查结果显示，已授权的频谱资源的利用率仅为15％～85％。认知无线电(CognitiveRadio，CR)技术就是针对这种情况产生的，它是一种智能无线电通信***，将用户分为授权用户(PrimaryUser，PU)和认知用户(SecondaryUser，SU)两种类型用户，PU即分配有固定频段的授权用户，而SU则为没有固定频段的用户，它通过动态频谱检测技术，检测授权频段上PU的状态，在不影响PU的正常通信的情况下动态接入PU未使用的授权频段，当PU再次出现时能够及时检测到并快速退出，以实现对授权频段的“二次利用”，因此极大的提高了频谱利用率，在一定程度上解决了频谱稀缺问题。

然而由于授权频段资源本身有限，认知无线电技术也只能缓解资源匮乏的情况。因此对其他未授权频段资源的探索和使用成为增大网络容量的一种有效方法。在5GHz频段上，全球已经分配的未授权频段资源总计已经超过500MHz。迄今为止，WiFi(Wireless-Fidelity，无线局域网)是5GHz频段最常用的一种无线接入方式，它以随机方式接入到信道，在使用信道前先通过CSMA/CA(CarrierSenseMultipleAccesswithCollision，载波侦听多路访问/冲突避免)检测是否有用户在使用信道，如果检测到在DIFS(DistributedInter-frameSpacing，分布式帧间间隙)(依据802.11b标准)时间段内信道是空闲的，则发送数据；如果检测到信道被占用，则在竞争窗口范围内随机选择一个回退计数，以减小WiFi用户间的冲突概率。在有许多无线用户竞争使用频段时，WiFi的冲突避免机制使频谱使用率并不高。

综上所述，现有增大网络容量的方法都没有充分的利用频谱资源，本发明提出一种新颖的认知小蜂窝概念，具有频谱检测能力的小蜂窝称为认知小蜂窝(CognitiveSmallCell)，一方面它具有小蜂窝发射功率低，覆盖范围小的特点可以采用频率复用提高频谱的利用率，增大网络容量；另一方面它具有认知无线电动态检测频谱资源的特点，在使用自身授权频段的同时可以检测其他的授权和非授权频段，通过对频谱的重复使用改善传统网络频谱资源利用率不高的问题。在授权频段上认知用户利用频谱空穴与授权用户共享授权频段提高传输速率；在未授权频段上认知用户与WiFi竞争使用信道，提出一种简单有效的干扰管理和信道接入方案，使认知用户和WiFi用户在未授权频段上共存。这种具有使用双重频谱接入功能的认知小蜂窝对提高授权和未授权频段的频谱利用率，增加网络的整体性能将具有十分重要的意义。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述问题，提出一种新颖的认知小蜂窝，该认知小蜂窝在使用自身授权频段的同时可以检测并使用其他的授权和非授权频段上的空闲频谱资源。由于其自身授权频段所产生的传输速率是一定的，因此，本发明不考虑认知小蜂窝使用自身频段所产生的传输速率。认知小蜂窝服务范围内的用户是认知用户，在授权频段上认知用户与授权用户共享频谱，为保护授权用户的服务质量不受认知用户的影响，提出一种干扰管理方案。在未授权频段上认知用户与WiFi用户竞争使用信道，为提高未授权频段的频谱利用率，针对认知用户与WiFi用户的共存提出一种简单有效的干扰管理和信道接入方案。认知小蜂窝的双重资源分配和干扰管理方法充分利用了授权和未授权频段资源，最大化整个网络的传输速率，提高用户满意度和***性能。

本发明解决上述技术问题所提出的技术方案是：认知小蜂窝同时使用授权和非授权频段，且认知用户和授权用户均按照LTE(LongTermEvolution，长期演进)帧结构通过LTE接口传输数据。具体技术为：

一种基于LTE的认知小蜂窝双重资源分配和干扰管理方法，包括：认知小蜂窝同时使用授权和非授权两种频段，认知用户根据频谱检测动态接入使用授权频段，认知用户伺机接入授权频段，当对授权用户的干扰低于门限值时，认知用户与授权用户共享频谱，同时选择最佳的认知小蜂窝基站进行数据传输；认知用户和WiFi用户竞争使用未授权频段，根据WiFi用户的传输概率动态调整认知用户的检测时间间隔。

所述认知用户根据频谱检测动态接入使用授权频段具体包括：认知小蜂窝基站获取授权用户的能量检测值，若能量检测值低于检测门限，认知用户动态接入授权频段传输数据，当认知用户检测到授权用户再次出现时及时退出正在使用的授权频段。

认知用户和WiFi用户竞争使用未授权频段进一步包括：认知用户在使用未授权频段传输信息之前每隔预定时长T₀就检测一次信道，若信道繁忙，认知用户再等待预定时长后再次进行检测，直至信道空闲，认知用户按照LTE帧结构接入并使用该信道。

对于第i个认知小蜂窝基站CSBS_i，在抽样时刻t(0≤t≤T_s)时，如接收信号yⁱ(t)满足公式： $\begin{array}{c}{H}_0:y^i\left(t\right)=n\left(t\right)\\ H_1:y^i\left(t\right)=T^i{s}_M\left(t\right)+n\left(t\right)\end{array}$ 中条件H₀时，授权频段未被占用，认知用户可接入使用授权频段；满足条件H₁时，授权频段被占用，其中，n(t)表示均值为0，方差为δ²的加性高斯白噪声，Tⁱ是宏蜂窝基站MBS与CSBS_i之间的信道矩阵，

在认知用户信息传输结束后，至少保留信道占用时间的5％作为空闲时间，WiFi用户以随机方式接入到信道，在接入信道之前，通过CSMA/CA冲突避免机制检测是否有用户在使用信道，如检测到有用户在使用信道，回退计数器生成一个随机回退时间，以避免与其他用户冲突，若检测到信道空闲，WiFi用户发送信息。

当有用户在使用未授权频段信道时，回退计数器停止计数，状态不发生转移；当检测到未授权频段信道空闲时，回退时间减1，状态发生转移，当回退计数器时间为0时，若未授权频段信道仍为空闲，则发送信息，否则状态加1，并且重新随机生成一个回退时间继续检测信道状态。

状态s(t)＝-1,b(t)＝0表示WiFi用户没有数据传输请求，当WiFi用户有数据传输时，状态将发生转移，根据公式：计算任一时隙WiFi用户的传输概率，其中， $b_{0,0}=\frac{2\mathrm{\λ}(1-2p)(1-p)}{(1-2p)(\mathrm{\λ}+2)+\mathrm{\λ}W(1-p)},$ λ为WiFi用户的到达率，p为任一时刻的冲突概率，W为初始回退窗口大小；根据公式： $\begin{array}{c}{P}_{idle}={(1-\mathrm{\τ})}^n\\ P_{suc}=n\mathrm{\τ}{(1-\mathrm{\τ})}^{n-1}(1-\mathrm{\α})\\ P_{col}=1-P_{idle}-P_{suc}\end{array}$ 计算任一时隙信道空闲概率P_idle，有一个WiFi用户信息传输成功的概率P_suc以及传输冲突的概率P_col，其中，α表示认知用户成功接入信道的概率，根据公式 $t_W=\frac{P_{suc}{T}_{suc}}{T_d+P_{suc}{T}_{suc}+P_{idle}{T}_{idle}+P_{col}{T}_{col}}$ 计算WiFi占用信道的时间概率，T_d为DIFS时长，T_idle为空闲时隙，T_suc为成功传输时长，T_col为冲突时长。

根据WiFi用户的传输概率动态调整认知用户的检测时间间隔进一步包括，如果WiFi传输信息增加，认知小蜂窝检测时间间隔增大，否则检测时间间隔减小，即根据公式：计算认知小蜂窝检测时间间隔T₀，其中，η为关联因子，P_idle为任一时隙信道空闲概率；根据公式：确定认知用户占用未授权频段信道的时间概率，T_c为认知用户传输时长，T_gap为认知用户传输信息后预留给WiFi传输的空闲间隔。

本发明对于授权频段，认知用户和授权用户共享使用授权频段，提高频谱利用率，同时动态选择最适合通信的小蜂窝基站，提高整个网络的传输速率。认知用户采用伺机接入方式使用授权频段，认知小蜂窝基站基于能量检测动态检测授权用户的状态，若授权用户的能量检测值低于检测门限，判定为授权用户未使用该授权频段，则认知用户接入授权频段传输数据，当授权用户的能量检测值高于检测门限，检测到授权用户再次出现时，认知用户及时退出正在使用的授权频段。

对于未授权频段：认知用户通过LTE接口与WiFi用户同时竞争使用未授权频段，其使用未授权频段的方式即LTE-U(LTE-Unlicensed，使用未授权频段的LTE)。

但由于用户的性能不同，每种用户接入未授权频段的方式也不同：

1)认知用户在使用未授权频段传输信息之前每隔预定时长T₀检测一次信道，通过能量检测判断是否有用户在使用该未授权频段。

①若信道的能量检测值高于检测门限，则信道繁忙，即有用户在使用该未授权频段，认知用户将等待下一个预定时长T₀再次进行信道检测；

②若信道的能量检测值低于检测门限，信道空闲，认知用户立即接入信道使用该未授权频段，并按照LTE帧结构传输信息；

③认知用户传输信息结束后将预留一个预定空闲时间间隔T_gap后再进行信道检测。

例如，认知用户使用信道的时长一般为1ms～10ms，保证所有用户都能接入到未授权频段，认知用户数据传输结束后保留一个空闲时间，这个空闲时间间隔通常至少是信道占用时间的5％。

2)WiFi用户以随机方式接入到信道，为了减小与其他用户的冲突碰撞，WiFi用户在接入信道之前，通过冲突避免机制CSMA/CA检测是否有用户在使用信道未授权频段。

①若检测到信道空闲，则继续检测DIFS段时间，如果在这段时间内信道一直空闲，WiFi用户成功发送数据；②若检测到信道繁忙，则生成一个随机的回退计数后继续检测信道状态，如果信道繁忙，则回退计数不变，若检测到信道空闲，则回退计数减1；③直到回退计数等于0时，继续检测DIFS段时间，如果在这段时间内信道一直空闲，WiFi用户发送数据。

认知用户和WiFi用户在未授权频段上的使用分配不合理会导致冲突概率增加，WiFi的性能下降；认知用户与WiFi用户在未授权频段的资源分配，不仅可以保证WiFi用户的传输性能，而且可以充分利用剩余的频谱资源，提高认知小蜂窝的传输速率。通过对WiFi用户传输的信息概率预测可以调整认知用户的发送及检测时间间隔，达到提高网络的整体性能的目的。本发明采用马尔科夫预测模型，根据马尔科夫链的理论来预测WiFi用户在任一时隙的传输概率，结合历史记录根据WiFi用户的传输概率动态地调整认知用户的检测时间间隔T₀，即当WiFi用户传输信息较多时，认知小蜂窝基站检测时间间隔变大，反之检测时间间隔减小。通过以上方法使认知用户和WiFi用户减少冲突，可以公平合理使用未授权频段。

为了保证每个用户都能接入网络，我们以用户满意度作为整个网络的评价指标，即，

U(R)＝∑ln(R)

其中，ln(·)是自然对数，R表示每个用户速率大小，分别由认知用户在授权频段和非授权频段的功率分配以及在未授权频段上认知用户与WiFi用户的信道分配时间决定；U(R)表示满意度。

用户满意度会随着网络传输速率的增大而增加，且当传输速率较低的时候用户满意度增长的很快，而随着传输速率较高的时候用户的满意度增长变慢。

本发明同时考虑认知小蜂窝对授权和未授权频段的使用情况，在授权频段上认知用户基于能量检测伺机接入授权频段与授权用户共享资源，并通过用户间的干扰控制合理分配功率资源以及动态调整认知用户对认知小蜂窝基站的选择；在未授权频段上认知用户与WiFi用户竞争使用信道，为了保证认知用户和WiFi用户公平使用信道，本发明提出一个简单有效的干扰管理和信道接入方案，综合考虑认知用户和WiFi用户竞争使用未授权频段，通过马尔科夫预测WiFi用户使用信道概率，进而动态调整认知用户的传输和检测时间。通过上述方法，可以同时提高授权和未授权频段的使用效率，提高网络的传输速率，优化整个网络的性能，获得较好的用户满意度。

附图说明

图1本发明的***网络场景模型图；

图2本发明使用的授权频段认知无线电频谱检测帧结构图；

图3本发明使用的未授权频段信道接入方案；

图4本发明使用的WiFi用户行为预测马尔科夫链模型。

具体实施方式

认知小蜂窝在使用自身授权频段的同时可以检测并使用其他的授权和非授权频段上的空闲资源。由于其自身授权频段所产生的传输速率是一定的，本发明中不考虑认知小蜂窝使用自身频段所产生的通信速率。认知小蜂窝用户即认知用户，在授权频段上与授权用户共享频谱，为保护授权用户的通信质量不受认知用户影响，在未授权频段上认知用户与WiFi用户竞争使用频谱，为提高未授权频段的频谱利用率，针对认知用户与WiFi用户共存提出一种简单有效的干扰管理和信道接入方案。认知小蜂窝的双重资源分配和干扰管理方法充分利用了授权和未授权频段资源，最大化整个网络的传输速率，提高用户满意度和***性能。认知小蜂窝能够同时使用授权和非授权两种频段，且通过LTE载波聚合将两个或者更多的授权或非授权载波聚合在一起以支持更大的传输带宽，提高上下行传输速率。在授权频段，认知用户伺机接入授权频段，当授权用户的干扰低于门限值时，认知用户与授权用户共享频谱，同时动态选择最佳的认知小蜂窝基站进行数据传输；在未授权频段，认知用户与WiFi用户竞争使用未授权频段。

但由于各种无线设备之间缺乏相互干扰的协调和管理，尽管大多数技术在设计时能够处理同种类***之间的干扰，但认知小蜂窝和WiFi用户分别属于不同***具有不同的时隙调度模式，因此他们之间的干扰处理存在一定困难，他们的共存问题将是一个极大的挑战。在未授权频段上，WiFi设备已经部署十分广泛，为了保证WiFi用户性能不受影响，需要一个新的资源分配方案使得认知小蜂窝和WiFi用户在未授权频段协调共存。

认知用户采用频谱检测的动态接入方式使用授权频段，即认知小蜂窝基站基于能量检测获取授权用户的状态信息，若能量检测值低于检测门限，判定为授权用户未使用频段，则认知用户动态地接入授权频段传输数据，当认知用户检测到授权用户再次出现时能够及时退出正在使用的授权频段。认知用户和授权用户共享使用授权频段，提高频谱利用率，同时动态选择最适合通信的认知小蜂窝基站，提高整个网络的性能。

认知用户和WiFi用户竞争使用未授权频段。认知用户在使用未授权频段传输信息之前每隔一个时长T₀就检测一次信道，判断是否有用户在使用信道，若信道繁忙，即有WiFi用户在使用信道，则认知用户等待一个的时长T₀后再次进行检测，若信道空闲，则认知用户按照LTE帧结构立即接入并使用该信道。为确保各种无线用户都能公平的接入到未授权频段，在认知用户信息传输结束后保留一个空闲时间，这个空闲时间至少是信道占用时间的5％。WiFi用户以随机方式接入到信道，为了减小与其他用户的冲突碰撞，在接入信道之前，先通过CSMA/CA冲突避免机制检测是否有用户在使用信道，若检测到信道空闲，则WiFi用户成功发送信息，否则生成一个随机回退计数以避免与其他用户冲突。

通信网络是由授权用户、认知用户和WiFi用户三种用户共同组成的异构网络，其中认知用户不仅可以使用授权频段，也可以使用未授权频段传输信息，所以其传输速率由授权频段和非授权频段两部分组成。考虑到整体网络的公平性问题，我们以用户满意度作为整个网络的评价指标，用户满意度作为目标函数为U(R)＝∑ln(R)，其中R表示每个用户可获得的速率。

以下结合附图和具体实例对本发明的实施具体说明如下。

以下考虑以含有一个宏蜂窝基站(MacrocellBaseStation，MBS)，I个认知小蜂窝基站(CognitiveSmall-cellBaseStation，CSBS)和一个WiFi接入点的移动通信异构网络***为例进行说明，其他的网络结构以相类似的方式实现，其中，MBS与一个宏蜂窝用户相关联，I个CSBS与J个认知用户相关联，WiFi接入点与n个WiFi用户关联。宏蜂窝用户是授权用户，只在授权频段上传输，WiFi用户只能使用5GHz未授权频段，CSBS在使用自身频段的同时可以检测并使用授权和5GHz非授权频段上的频谱空穴，由于认知用户自身授权频段所产生的传输速率是一定的，因此本发明中只考虑认知用户使用检测到的频段传输信息。在授权频段我们只考虑授权用户和认知用户的下行传输链路，在未授权频段考虑认知用户的下行传输链路。而WiFi的上下行传输间是相互作用的，因此考虑上下行传输链路。授权用户和认知用户在授权和非授权频段均采用FDD(FrequencyDivisionDuplexing，频分双工)LTE模式，WiFi用户采用802.11b标准。假定MBS配有M_t根天线，授权用户配有M_r根天线，每个CSBS配有N_t根天线，每个认知用户配有N_r根天线。具体的网络模型结构简图如图1所示。

用一个二进制关联矩阵C表示CSBS和认知用户的关系，矩阵C中的元素C^ij(i＝1,2,…,I,j＝1,2,…,J)表示第i个认知小蜂窝基站CSBS_i和认知用户j之间的关联状态。如果C^ij＝1则CSBS_i和认知用户j之间正在传输信息，反之C^ij＝0则没有传输信息，因此C^ij∈{0,1}。

由于每个认知用户都只能属于一个CSBS，因此∑_iC^ij＝1。同时每个CSBS下能容纳的认知用户数是有限的，即每个CSBS下最多可容纳的认知用户数不超过D＝N_t/N_r时，即∑_jC^ij≤D。此时同一个CSBS覆盖范围内的认知用户间不存在干扰，但是在不同的CSBS覆盖范围内的认知用户存在干扰。

基于能量检测的多天线频谱感知。为了提高传输速率以及认知用户的频谱感知能力，以使用MIMO传输***为例进行说明，MIMO认知用户的帧结构如图2所示，总帧长为T+T_s，T_s为感知时长，T为数据传输时长。

能量检测单元检测传输信号在一段时间内的能量，然后与预先设定的判决门限值进行比较，做出判决获得检测结果。若能量值低于判决门限，检测结果为信道空闲，则认知用户接入信道；否则，能量值高于判决门限，则授权用户占用信道，认知用户不能接入。能量检测能够快速准确的计算出虚警概率和检测概率，降低认知用户对授权用户的干扰。

因此，对于任一个CSBS_i，在抽样时刻t(0≤t≤T_s)时，接收到的信号yⁱ(t)可以表示为：

H₀:yⁱ(t)＝n(t)

H₁:yⁱ(t)＝Tⁱs_M(t)+n(t)

其中，H₀表示授权用户信道未被占用，H₁表示授权用户信道被占用，n(t)表示均值为0，方差为δ²的加性高斯白噪声，Tⁱ是MBS与CSBS_i之间的信道增益矩阵，s_M(t)表示MBS的传输信号。

根据公式： $\begin{array}{c}{P}_d\left(i\right)=Q\left(\right({\mathrm{\τ}}^i-{\mathrm{\μ}}_0^i)/{\mathrm{\δ}}_0^i)\\ P_{fa}\left(i\right)=Q\left(\right(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\μ}}_1^i)/{\mathrm{\δ}}_1^i)\end{array}$ 计算检测概率P_d(i)和虚警概率P_fa(i)，其中，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\μ}}_0^i=T_s{N}_r{\mathrm{\δ}}^2\\ {\left({\mathrm{\δ}}_0^i\right)}^2=T_s{N}_r^2{\mathrm{\δ}}^4\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\μ}}_1^i=T_s(N_r{\mathrm{\δ}}^2+Tr\left(T^{i}S{\left(T^i\right)}^H\right))\\ {\left({\mathrm{\δ}}_1^i\right)}^2=T_s{\left(N_r{\mathrm{\δ}}^2+Tr\left(T^{i}S{\left(T^i\right)}^H\right)\right)}^2\end{array}\right.$

其中，τⁱ是检测门限，Q(·)表示Q函数，S＝E{s_M(s_M)^H}是MBS的传输协方差矩阵，(Tⁱ)^H为Tⁱ的共轭转置矩阵，N_r是接收天线个数，与 分别表示授权用户不存在(存在)情况下的检测能量的均值与方差。

在授权频段，基于以上能量检测，若信道空闲，即授权用户没有使用信道，认知用户接入并使用信道传输信息。由于能量检测可能出现漏检情况，即授权用户在使用信道，而认知用户检测错误，此时认知用户将对授权用户产生干扰。为了保护授权用户免受有害干扰的影响，需要考虑干扰功率约束，即通过限定认知用户的传输功率，以确保认知用户对授权用户的噪声干扰小于干扰门限，即(1-P_d(i))Tr(GⁱQⁱ(Gⁱ)^H)≤Γ，其中Gⁱ表示CSBS_i和授权用户之间的信道矩阵，Γ是授权用户所能容忍的最大的干扰功率，表示CSBS_i的发送功率，由于Qⁱ是半正定矩阵，因此Qⁱ＞0。同时，为保证认知用户设备的可持久性，每一个CSBS需要考虑传输功率约束，即Tr(Qⁱ)≤Q_max。

在未授权频段，认知用户和WiFi用户竞争使用频谱资源。如图3所示为本发明使用的未授权频段信道接入方案。认知用户在没有传输信息时每隔一个预定时长T₀检测一次信道，T_LBT为信道检测时间，若在T_LBT时长内检测到信道繁忙，即有WiFi用户在使用信道，则认知用户等待时长T₀后再次进行感知；若信道空闲就立即接入信道，并按照标准LTE帧结构进行信息传输。WiFi用户以随机方式接入到信道，在使用信道之前，先通过CSMA/CA检测信道，如果检测到信道空闲DIFS时长，则使用信道传输数据，否则随机生成一个回退时间计数，以减小与其他WiFi用户的冲突。由于认知用户是按照LTE帧结构传输，认知用户占用信道的时长是1ms的整数倍，为1ms～10ms，为了保证各种无线用户都能公平的接入到未授权频段，每次认知用户信息传输后将预留一个空闲间隔T_gap，这个空闲间隔至少是信道占用时间的5％。

如果认知用户检测时间间隔T₀固定，WiFi信息较多时，认知用户与WiFi用户之间冲突概率较大，WiFi用户信息较少时，信道利用率低，因此我们需要对WiFi的行为进行预测，进而动态调整认知用户的检测时间间隔T₀。

为了对WiFi用户的行为进行预测，我们采用二维马尔科夫链表示WiFi状态转移，s(t)表示一个基站在时刻t的回退状态，b(t)表示随机生成的回退时间计数，t和t+1对应两个连续的时刻。

如图4所示为使用的预测WiFi用户行为马尔科夫链模型，p表示信道繁忙和条件冲突的概率，λ表示WiFi用户有数据传输的概率。引起状态转移的条件是存在一个空闲时隙，当未授权频段信道检测繁忙或冲突时，回退时间停止计数，状态不发生转移；当未授权频段信道检测空闲时，回退时间减1，状态发生转移。当回退计数为0时，若未授权频段信道仍为空闲，则发送信息，否则状态s(t)加1，并且重新随机生成一个回退时间计数继续检测信道状态。

设W为初始回退窗口大小，且第k个回退状态时回退窗口大小W_k＝2^kW，其中k＝0,1,2,…,K表示回退状态，K是最大回退状态。特殊状态s(t)＝-1,b(t)＝0表示WiFi用户没有数据传输请求，此时W_-1＝1。当WiFi用户有数据传输时，状态将发生转移。其一步转移概率由图4可得。

该马尔科夫链的平稳分布可以表示为： $b_{k,w}=\underset{t\→\mathrm{\∞}}{\lim }P\{s\left(t\right)=k,b\left(t\right)=w\},k\∈\[0,K\],w\∈\[0,W_k-1\],$ 所有的b_k,w均与b_0,0相关，且满足 $\underset{k=0}{\overset{K}{\Σ}}\underset{w=0}{\overset{W_k-1}{\Σ}}{b}_{k,w}+b_{-1,0}=1,$ 其中 $b_{-1,0}=\underset{t\→\mathrm{\∞}}{\lim }P\{s\left(t\right)=-1,b\left(t\right)=0\},$ 则

$b_{0,0}=\frac{2\mathrm{\λ}(1-2p)(1-p)}{(1-2p)(\mathrm{\λ}+2)+\mathrm{\λ}W(1-p)}$

则在任一时隙WiFi用户的传输概率表示为：

$\mathrm{\τ}=(1-p)\underset{k=0}{\overset{K}{\Σ}}{b}_{k,0}=b_{0,0}$

P_idle，P_suc和P_col分别表示在任一时隙没有WiFi用户传输信息的概率，有一个WiFi用户信息传输成功的概率以及传输冲突的概率，即：

P_idle＝(1-τ)ⁿ

P_suc＝nτ(1-τ)^n-1(1-α)

P_col＝1-P_idle-P_suc

其中α表示认知用户成功接入信道的概率。分别记DIFS时长，空闲时隙，成功传输时长以及冲突时长为T_d，T_idle，T_suc和T_col，则WiFi占用信道的时间概率可以表示为：

$t_W=\frac{P_{suc}{T}_{suc}}{T_d+P_{suc}{T}_{suc}+P_{idle}{T}_{idle}+P_{col}{T}_{col}}$

认知用户在感知时间内检测到信道是空闲的就利用信道发送信息，因此认知用户成功接入信道的概率α可以表示为：

$\mathrm{\α}=\underset{\mathrm{\υ}={\mathrm{\υ}}_0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{P}_{idle}^{\mathrm{\υ}}\frac{T_d+{\mathrm{\υT}}_{idle}-T_{LBT}}{T_d+{\mathrm{\υT}}_{idle}}$

其中，υ表示连续空闲时隙个数，υ₀表示认知用户检测成功所需的最小的空闲时隙数。

为了合理分配未授权频段资源，本发明根据WiFi用户的传输概率动态调整认知用户的检测时间间隔，即如果WiFi传输信息较多(空闲时隙越少)，则认知小蜂窝检测时间间隔变大，否则检测时间间隔减小。根据公式：计算检测时间隔T₀，其中，η为认知用户检测时间间隔和WiFi传输概率间的关联因子，P_idle是与λ有关的任一时隙空闲的概率。可根据公式：确定认知用户占用未授权频段信道的时间概率。其中，T_c表示认知用户传输时长，T_gap为认知用户传输信息后预留给WiFi传输的空闲间隔。由于不同用户不同时使用未授权频段通信，因此t_C+t_W≤t_max。其中t_max是未授权频段最大可使用时间概率，若t_max＝1信道一直处于被使用状态，则认知用户和WiFi用户检测到信道一直繁忙而无法接入信道，因此t_max＜1。

认知用户检测时间间隔T₀随WiFi到达率λ的变化而变化，当到达率较低时，检测时间间隔也较小，认知用户有更多的机会接入未授权频段，提高频段的利用率；反之检测时间间隔较高，认知用户接入未授权频段的概率越小，避免与WiFi用户冲突。

确定网络整体性能。通信网络由授权用户、认知用户和WiFi用户三种用户共同组成，因此网络的通信性能也由这三种用户决定。其中认知用户在使用自身固有的授权频段的同时不仅可以检测使用其他的授权频段，也可以检测使用未授权频段传输信息。由于认知用户自身授权频段所产生的传输速率是一定的，因此本发明中不考虑其自身的授权频段的传输速率，所以它的传输速率包括授权频段和非授权频段两部分。

在授权频段，授权用户的传输速率可以表示为：

$R_{M,L}=(1-P_0)B_L\log \det (I+\frac{H_{M,L}{\mathrm{SH}}_{M,L}^H}{{\mathrm{\δ}}^2})$

其中，B_L表示授权频段带宽，P₀表示授权用户未占用授权频段的概率，表示在授权频段MBS到授权用户的信道增益矩阵，表示MBS的发送功率。认知用户的总传输速率可以表示为全部CSBS的传输速率之和，即：

$R_{C,L}=\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}{R}_{C,L}^i$

其中，第i个CSBS_i的传输速率 $R_{C,L}^i=\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}{P}_0(1-P_{fa}(i\left)\right)B_L\log (I+\frac{H_L^{ij}{Q}^i{\left(H_L^{ij}\right)}^H}{{\mathrm{\δ}}^2+\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}(1-C^{ij})H_L^{ij}{Q}^i{\left(H_L^{ij}\right)}^H}),$

其中P₀(1-P_fa(i))表示CSBS_i正确检测到授权用户频谱空闲的概率，表示在授权频段CSBS_i到认知用户j的增益矩阵。

在未授权频段CSBS_i的传输速率可以表示为：

$R_{C,U}^i=\underset{j=1}{\overset{J}{\Σ}}{B}_U\log (I+\frac{H_U^{ij}{Q}^i{\left(H_U^{ij}\right)}^H}{{\mathrm{\δ}}^2+\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}(1-C^{ij})H_U^{ij}{Q}^i{\left(H_U^{ij}\right)}^H})$

其中，表示在未授权频段CSBS_i到认知用户j的增益矩阵。

由于WiFi用户在传输信息的时候采用的是CSMA/CA冲突避免机制，一旦信道上有信息冲突就不发送信息，因此可以认为在WiFi用户发送信息时所受到的外界干扰很小仅为背景噪声，所以认为WiFi的传输速率是一个常量R_W。

通信网络的总传输速率包括工作在授权和未授权频段上的所有的用户所产生的流量，即：R＝R_M,L+R_C,L+t_CR_C,U+t_WR_W

用户满意度可以表示为： $U=U\left(R_{M,L}\right)+\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}U(R_{C,L}^i+t_C{R}_{C,U}^i)+U\left(t_W{R}_W\right)$

上述公式中，第一项是授权用户在授权频段上的满意度，它随着宏蜂窝基站的发射功率的增加而增加；第二项是认知用户在授权和非授权频段上的满意度，在授权频段上，认知用户通过与授权用户共享授权频段且在CSBS的发射功率对授权用户的干扰低于一定门限值的情况下传输数据，在未授权频段上，认知用户和WiFi用户竞争使用未授权频段，并根据WiFi的发送概率动态调整认知用户的检测时间间隔进而调整认知用户使用未授权频段的使用时间概率；第三项是WiFi用户在授权频段上的满意度，它在一定程度上受认知用户的影响。综上所述，本方法提高了授权和未授权频段的频谱利用率，在提高网络的整体性能方面具有很大的优势。

Claims (8)

1.一种基于LTE的认知小蜂窝双重资源分配和干扰管理方法，其特征在于，认知小蜂窝同时使用授权和非授权两种频段，认知用户根据频谱检测动态接入使用授权频段，认知用户伺机接入授权频段，当对授权用户的干扰低于门限值时，认知用户与授权用户共享频谱，同时选择最佳的认知小蜂窝基站进行数据传输；认知用户和WiFi用户竞争使用未授权频段，根据WiFi用户的传输概率动态调整认知用户的检测时间间隔。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述认知用户根据频谱检测动态接入使用授权频段具体包括：认知小蜂窝基站获取授权用户的能量检测值，若能量检测值低于检测门限，认知用户动态接入授权频段传输数据，当认知用户检测到授权用户再次出现时及时退出正在使用的授权频段。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，认知用户和WiFi用户竞争使用未授权频段进一步包括：认知用户在使用未授权频段传输信息之前每隔预定时长T₀就检测一次信道，若信道繁忙，认知用户再等待预定时长后再次进行检测，直至信道空闲，认知用户按照LTE帧结构接入并使用该信道。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于第i个认知小蜂窝基站CSBS_i，在抽样时刻t(0≤t≤T_s)时，如接收信号yⁱ(t)满足公式： $\begin{array}{c}{H}_0:y^i\left(t\right)=n\left(t\right)\\ H_1:y^i\left(t\right)=T^{i}s\left(t\right)+n\left(t\right)\end{array}$ 中条件H₀时，授权频段未被占用，认知用户可接入使用授权频段；满足条件H₁时，授权频段被占用，其中，n(t)表示均值为0，方差为δ²的加性高斯白噪声，Tⁱ是宏蜂窝基站MBS与CSBS_i之间的信道矩阵，s(t)表示宏蜂窝基站的传输信号。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在认知用户信息传输结束后，至少保留信道占用时间的5％作为空闲时间，WiFi用户以随机方式接入到信道，在接入信道之前，通过CSMA/CA冲突避免机制检测是否有用户在使用信道，如检测到有用户在使用信道，回退计数器生成一个随机回退时间，以避免与其他用户冲突，若检测到信道空闲，WiFi用户发送信息。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当有用户在使用未授权频段信道时，回退计数器停止计数，状态不发生转移；当检测到未授权频段信道空闲时，回退时间减1，状态发生转移，当回退计数器时间为0时，若未授权频段信道仍为空闲，则发送信息，否则状态加1，并且重新随机生成一个回退时间继续检测信道状态。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当WiFi用户有数据传输时，状态将发生转移，根据公式：计算任一时隙WiFi用户的传输概率，其中，λ为WiFi用户的到达率，p为任一时刻的冲突概率，W为初始回退窗口大小；根据公式： $\begin{array}{c}{P}_{idle}={\left(1-\mathrm{\τ}\right)}^n\\ P_{suc}=n\mathrm{\τ}{\left(1-\mathrm{\τ}\right)}^{n-1}\left(1-\mathrm{\α}\right)\\ P_{col}=1-P_{idle}-P_{suc}\end{array}$ 计算任一时隙信道空闲概率P_idle，有一个WiFi用户信息传输成功的概率P_suc以及传输冲突的概率P_col，其中，α表示认知用户成功接入信道的概率，根据公式计算WiFi占用信道的时间概率，T_d为DIFS时长，T_idle为空闲时隙，T_suc为成功传输时长，T_col为冲突时长。

8.根据权利要求1—6其中之一所述的方法，其特征在于，根据WiFi用户的传输概率动态调整认知用户的检测时间间隔进一步包括，如果WiFi传输信息增加，认知小蜂窝检测时间间隔增大，否则检测时间间隔减小，即根据公式：计算认知小蜂窝检测时间间隔T₀，其中，η为关联因子，P_idle为任一时隙信道空闲概率；根据公式：确定认知用户占用未授权频段信道的时间概率，T为认知用户传输时长，T_gap为认知用户传输信息后预留给WiFi传输的空闲间隔。