專利名稱：認(rèn)知無線電帶內(nèi)頻譜動態(tài)檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種無線電技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種認(rèn)知無線電帶內(nèi)頻譜動
態(tài)檢測方法。
背景技術(shù)：
隨著無線通信業(yè)務(wù)的普及和發(fā)展，目前的無線通信服務(wù)重點(diǎn)已向視頻、音頻和高 清晰圖片等寬帶服務(wù)轉(zhuǎn)移，而無線頻譜資源的缺乏已成為高性能寬帶數(shù)據(jù)服務(wù)推廣的嚴(yán)重 阻礙。美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)在2002年"Spectrum policytask force r印ort (頻 譜策略任務(wù)工作報告)"中指出當(dāng)前大部分的授權(quán)頻段未得到充分利用。而認(rèn)知無線電 技術(shù)的出現(xiàn)，能有效地解決頻譜資源的緊缺和現(xiàn)有頻段利用率低下的矛盾。認(rèn)知無線電網(wǎng) 絡(luò)中，由于主用戶(Primary User, PU)在某時某地并不是一直使用其授權(quán)頻段，故次用戶 (Secondary User, SU)可以"見縫插針"地使用主用戶暫時未使用的頻段進(jìn)行通信；當(dāng)主用 戶需要使用該頻段進(jìn)行工作時，次用戶則主動撤出該授權(quán)頻段。 在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，頻譜感知是動態(tài)頻譜接入、頻譜資源管理的基礎(chǔ)，其主 要包括頻譜檢測算法和頻譜檢測機(jī)制兩個方面的研究。頻譜檢測機(jī)制包含帶外檢測和帶 內(nèi)檢測兩個部分，帶外檢測是指在未獲得授權(quán)頻段使用權(quán)時，次用戶感知各個授權(quán)頻段以 尋找空閑信道；帶內(nèi)檢測是指次用戶監(jiān)測其占用的授權(quán)頻段，以便在檢測到主用戶出現(xiàn)時 迅速撤出。頻譜檢測機(jī)制的設(shè)計目的是提高頻譜感知效率，在最小化對主用戶干擾的同時 最大化次用戶的頻譜利用率。評估對主用戶干擾的主要指標(biāo)包括次用戶的檢測準(zhǔn)確度和退 避延時兩個方面。 目前帶內(nèi)檢測機(jī)制的研究主要集中于在傳統(tǒng)的周期性帶內(nèi)檢測機(jī)制的基礎(chǔ)上優(yōu) 化次用戶數(shù)據(jù)傳輸性能，部分研究考慮到提高次用戶檢測準(zhǔn)確度，但普遍缺乏對于降低次 用戶退避延時的深入研究。而帶內(nèi)檢測機(jī)制的設(shè)計與次用戶對于主用戶的干擾程度密切相 關(guān)，尤其在主用戶對次用戶退避延時的敏感程度較高的場景中，如何有效地減少退避延時， 降低次用戶對主用戶的干擾已成為帶內(nèi)檢測機(jī)制一個重要的設(shè)計目標(biāo)。
經(jīng)對現(xiàn)有文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)相關(guān)文獻(xiàn)如下 1、 Liang YC等人在《IEEE Transactions on Wireless Communications (IEEE 無線通信期刊.2008. 1326-1337)》上發(fā)表了題為"Sensing-ThroughputTradeoff for Cognitive Radio Networks (認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知和吞吐量的折中)"的文章，該文 研究了檢測時長與次用戶吞吐量的關(guān)系，得出了最大化次用戶可達(dá)吞吐量的條件下的最佳 檢測時長，但該技術(shù)限制在給定的次用戶檢測準(zhǔn)確度下進(jìn)行討論分析，而未考慮如何進(jìn)一 步提高次用戶檢測準(zhǔn)確度或降低退避延時。 2、Yiyang Pei等人在《PIMRC 2007(IEEE 2007個人、室內(nèi)、移動通信會議)》上發(fā) 表了題為"Sensing-Throughput Tradeoff in Cognitive RadioNetworks :How Frequently Should Spectrum Sensing be Carried Out (認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知和吞吐量的折 中頻譜感知的執(zhí)行頻率是多少？)"的文獻(xiàn)，該文研究了帶內(nèi)檢測周期長度與次用戶可達(dá)吞吐性能的關(guān)系，并給出了最佳檢測周期，但該技術(shù)仍然限制在給定的次用戶檢測準(zhǔn)確度
下進(jìn)行討論分析，未考慮如何進(jìn)一步提高次用戶檢測準(zhǔn)確度或降低退避延時。 3、 Ghasemi A等人在《CCNC 2007 (IEEE 2007消費(fèi)通信和網(wǎng)絡(luò)會議)》上發(fā)表
了題為"Optimization of Spectrum Sensing for Opportunistic SpectrumAccess in
Cognitive Radio Networks (動態(tài)頻譜接入的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中頻譜感知的優(yōu)化)"的文
章，該文綜合考慮了檢測速度與檢測性能，通過最大化次用戶的可達(dá)吞吐量計算最優(yōu)檢測
時長，但該技術(shù)只專注檢測準(zhǔn)確性的優(yōu)化，未討論如何縮短退避延時。 4、 Wha Sook Jeon等 人在《IEEE Transactions on Wireless Comm皿ications(IEEE無線通信期干lJ )》上發(fā)表了題為"An efficient quiet period managementscheme for cognitive radio systems (—種高效的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)靜默期管 理策略)"的文章，該文提出了特征檢測和能量檢測相結(jié)合的帶內(nèi)檢測機(jī)制，以獲取最大化 次用戶吞吐量，利用不同檢測方法相結(jié)合以提升檢測準(zhǔn)確性，但該技術(shù)同樣未考慮如何降 低退避延時。 5、Hoang AT在《GL0BEC0M(IEEE全球通信會議)》上發(fā)表了題為 "AdaptiveScheduling of Spectrum Sensing Periods in Cognitive Radio Networks(認(rèn) 知無線電網(wǎng)絡(luò)中頻譜感知周期的自適應(yīng)調(diào)度策略)"的文章，該文提出帶內(nèi)感知時隙和數(shù)據(jù) 傳輸時隙的自適應(yīng)時隙調(diào)度算法，減少了次用戶數(shù)據(jù)包的超時丟失，但該技術(shù)未考慮提高 檢測準(zhǔn)確性和降低退避延時這兩種性能指標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種認(rèn)知無線電帶內(nèi)頻譜 動態(tài)檢測方法。本發(fā)明在不影響次用戶數(shù)據(jù)吞吐性能的前提下，能根據(jù)次用戶網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù) 業(yè)務(wù)需求自適應(yīng)調(diào)整動態(tài)檢測用時，有效地降低了次用戶退避延時，尤其適用于輕數(shù)據(jù)業(yè) 務(wù)負(fù)載的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)場景。 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，包括以下步驟 第一步，劃分帶內(nèi)檢測子周期次用戶的MAC(數(shù)據(jù)連接層)層將整個時間軸劃分 為若干個帶內(nèi)檢測周期，每個帶內(nèi)檢測周期再劃分為N個等時長的帶內(nèi)檢測子周期。
所述的N的范圍是 BiV<#， 其中Td為帶內(nèi)檢測周期的時長，Ts為帶內(nèi)檢測階段的時長。 第二步，跨層獲取吞吐量需求在帶內(nèi)檢測周期開始的時刻，次用戶MAC層從網(wǎng)絡(luò) 層獲取次用戶網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)吞吐量要求d。 所述的數(shù)據(jù)吞吐量要求d是通過協(xié)議棧預(yù)設(shè)的層間接口函數(shù)獲取的，或者是通過 觀測網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包隊(duì)列長度獲取的。 第三步，設(shè)置動態(tài)檢測觸發(fā)函數(shù)在每個帶內(nèi)檢測周期開始時刻，根據(jù)獲取的數(shù)據(jù) 吞吐量要求d，更新設(shè)置本帶內(nèi)檢測周期中的動態(tài)檢測階段的觸發(fā)概率Pd。
所述的觸發(fā)概率Pd為
<formula>formula see original document page 5</formula> 其中Td為帶內(nèi)檢測周期的時長，Ts為帶內(nèi)檢測階段的時長，d為次用戶網(wǎng)絡(luò)層的 數(shù)據(jù)吞吐量需求，C為次用戶當(dāng)前所占用的授權(quán)信道的信道容量。 第四步，帶內(nèi)動態(tài)檢測次用戶在每個帶內(nèi)檢測周期的第一個子周期內(nèi)執(zhí)行周期 性帶內(nèi)檢測，在剩下的(N-l)個子周期以Pd的概率執(zhí)行動態(tài)帶內(nèi)檢測，在帶內(nèi)檢測階段的 時長內(nèi)，次用戶暫停所有的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，當(dāng)檢測到主用戶出現(xiàn)，次用戶放棄當(dāng)前授權(quán)信道 的使用權(quán)；若在帶內(nèi)檢測周期未檢測到主用戶出現(xiàn)，則返回第二步，進(jìn)入下一個帶內(nèi)檢測周期。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是不影響次用戶數(shù)據(jù)吞吐性能的前提下， 能根據(jù)次用戶網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求自適應(yīng)調(diào)整動態(tài)檢測用時，有效地降低了次用戶退避延 時，尤其適用于輕數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)載的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)場景。


圖1為本發(fā)明的時間示意圖； 圖2為實(shí)施例的退避延時性能比較示意圖； 圖3為實(shí)施例的次用戶吞吐量性能比較示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的方法進(jìn)一步描述本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提 下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述 的實(shí)施例。
實(shí)施例 本實(shí)施例中授權(quán)信道的傳輸速率是1. 5Mbps，數(shù)據(jù)包長度是1000bytes，主用戶工 作狀態(tài)時間服從均值為50s的指數(shù)分布，主用戶離開狀態(tài)時間也服從均值為50s的指數(shù)分 布，兩者相互獨(dú)立，帶內(nèi)檢測周期Td為500ms，實(shí)施例仿真共執(zhí)行10000次，每次持續(xù)1000s, 包括步驟為 第一步，劃分帶內(nèi)檢測子周期如圖1所示，整個時間軸被劃分為一系列的等長的 帶內(nèi)檢測周期Td = 500ms，每個帶內(nèi)檢測周期被進(jìn)一步劃分為N = 10個等長的帶內(nèi)檢測子 周期Td—sub = 50ms，每個帶內(nèi)檢測子周期包括帶內(nèi)檢測階段和數(shù)據(jù)傳輸階段，預(yù)配置帶內(nèi) 檢測階段的時長i;二3ms。 所述的帶內(nèi)檢測階段是周期性帶內(nèi)檢測階段，或者是動態(tài)帶內(nèi)檢測階段。
第二步，跨層獲取吞吐量需求在帶內(nèi)檢測周期開始的時刻，次用戶MAC層通過協(xié) 議棧預(yù)設(shè)的層間接口函數(shù)獲取次用戶網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)吞吐速率需求d。本實(shí)施例中，數(shù)據(jù)吞吐 速率需求d的范圍是0. 8M bits/s《d《1. 6M bits/s。 第三步，設(shè)置動態(tài)檢測觸發(fā)函數(shù)在每個帶內(nèi)檢測周期開始時刻，根據(jù)獲取的數(shù)據(jù) 吞吐量要求d，更新設(shè)置本帶內(nèi)檢測周期中的動態(tài)檢測階段的觸發(fā)概率Pd。

信道容』

次用戶網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)滿足率為
f/ = min(f，l) (1)
其中，d為次用戶網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)吞吐量需求，C為次用戶當(dāng)前所占用的授權(quán)信道的 現(xiàn)有技術(shù)的周期性帶內(nèi)檢測方法的有效傳輸速率Rp&。di^和本實(shí)施例的有效傳輸
分別為
r 一.r
= ^ s r7 o、
j、rtw — t l
乂 j
(3) 當(dāng)現(xiàn)有技術(shù)的周期性帶內(nèi)檢測方法提供的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)滿足率U, 時，要求本實(shí)施例的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)滿足率為un
Hi)a+i]. ;
periodical
匸
1。由公式(1)和公式(3)可得
(4) 即當(dāng)本實(shí)施例的動態(tài)檢測階段的觸發(fā)概率Pd滿足公式(4)時，可以保證次用戶數(shù) 據(jù)業(yè)務(wù)滿足率為l，取觸發(fā)概率Pdl為 d = min
，1 當(dāng)U,
periodical
< 1時，"，="
(5)
=^^'§，由公式(1)和公式(3)，得到帶內(nèi)
檢測周期內(nèi)的動態(tài)檢測階段的觸發(fā)概率為
Pd2 = 0 (6) 綜合公式(7)和公式(8)可以得到動態(tài)檢測階段的觸發(fā)概率Pd為
a二max(i^，i^)= max
mm
7:
丄
，o
(7) 本實(shí)施例當(dāng)數(shù)據(jù)吞吐量需求d為1. 44Mbits/s時，根據(jù)公式(7)可得對應(yīng)的觸發(fā) 概率Pd = 0.63。 第四步，帶內(nèi)動態(tài)檢測次用戶在每個帶內(nèi)檢測周期的第一個子周期內(nèi)執(zhí)行周期 性帶內(nèi)檢測，在剩下的9個子周期以Pd的概率執(zhí)行動態(tài)帶內(nèi)檢測，在帶內(nèi)檢測階段的時長 內(nèi)，次用戶暫停所有的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，當(dāng)檢測到主用戶出現(xiàn)，次用戶放棄當(dāng)前授權(quán)信道的使 用權(quán)；若在帶內(nèi)檢測周期未檢測到主用戶出現(xiàn)，則返回第二步，進(jìn)入下一個帶內(nèi)檢測周期。
分別采用本實(shí)施例方法和現(xiàn)有技術(shù)的周期性帶內(nèi)檢測方法得到的退避延時的比 較示意圖如圖2所示，本實(shí)施例的次用戶退避延時遠(yuǎn)小于周期性帶內(nèi)檢測方法得到的次用
6戶退避延時，隨著次用戶網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)負(fù)載要求的上升，動態(tài)檢測階段的觸發(fā)概率Pd相應(yīng)下 降，本實(shí)施例和周期性帶內(nèi)檢測方法在次用戶的退避延時性能方面趨近一致。由此可見，本 實(shí)施例在次用戶輕數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)載的場景下能大幅度降低次用戶退避延時，有效地保護(hù)主用 戶正常通信的進(jìn)行。 分別采用本實(shí)施例方法和現(xiàn)有技術(shù)的周期性帶內(nèi)檢測方法得到的次用戶吞吐量
的比較示意圖如圖3所示，本實(shí)施例和周期性帶內(nèi)檢測方法在次用戶平均吞吐量方面性能
基本相同，這是由于本實(shí)施例是在次用戶的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)滿足率與周期性帶內(nèi)檢測方法
所提供的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)滿足率相同的前提下設(shè)計的，故不會影響次用戶的平均吞吐量性能。 本實(shí)施例在不影響次用戶數(shù)據(jù)吞吐性能的前提下，能根據(jù)次用戶網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)
需求自適應(yīng)調(diào)整動態(tài)檢測用時，有效地降低了次用戶退避延時，尤其適用于輕數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)
載的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)場景。
權(quán)利要求
一種認(rèn)知無線電帶內(nèi)頻譜動態(tài)檢測方法，其特征在于，包括以下步驟第一步，劃分帶內(nèi)檢測子周期次用戶的MAC層將整個時間軸劃分為若干個帶內(nèi)檢測周期，每個帶內(nèi)檢測周期再劃分為N個等時長的帶內(nèi)檢測子周期；第二步，跨層獲取吞吐量需求在帶內(nèi)檢測周期開始的時刻，次用戶MAC層從網(wǎng)絡(luò)層獲取次用戶網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)吞吐量要求d；第三步，設(shè)置動態(tài)檢測觸發(fā)函數(shù)在每個帶內(nèi)檢測周期開始時刻，根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)吞吐量要求d，更新設(shè)置本帶內(nèi)檢測周期中的動態(tài)檢測階段的觸發(fā)概率Pd；第四步，帶內(nèi)動態(tài)檢測次用戶在每個帶內(nèi)檢測周期的第一個子周期內(nèi)執(zhí)行周期性帶內(nèi)檢測，在剩下的(N-1)個子周期以Pd的概率執(zhí)行動態(tài)帶內(nèi)檢測，在帶內(nèi)檢測階段的時長內(nèi)，次用戶暫停所有的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，當(dāng)檢測到主用戶出現(xiàn)，次用戶放棄當(dāng)前授權(quán)信道的使用權(quán)；若在帶內(nèi)檢測周期未檢測到主用戶出現(xiàn)，則返回第二步，進(jìn)入下一個帶內(nèi)檢測周期。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的認(rèn)知無線電帶內(nèi)頻譜動態(tài)檢測方法，其特征是，所述的N的范7;其中Td為帶內(nèi)檢測周期的時長，Ts為帶內(nèi)檢測階段的時長。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的認(rèn)知無線電帶內(nèi)頻譜動態(tài)檢測方法，其特征是，所述的數(shù)據(jù) 吞吐量要求d是通過協(xié)議棧預(yù)設(shè)的層間接口函數(shù)獲取的，或者是通過觀測網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包隊(duì) 列長度獲取的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的認(rèn)知無線電帶內(nèi)頻譜動態(tài)檢測方法，其特征是，所述的觸發(fā)概率Pd為<formula>formula see original document page 2</formula>其中Td為帶內(nèi)檢測周期的時長，Ts為帶內(nèi)檢測階段的時長，d為次用戶網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù) 吞吐量需求，C為次用戶當(dāng)前所占用的授權(quán)信道的信道容量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無線電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的認(rèn)知無線電帶內(nèi)頻譜動態(tài)檢測方法，首先將帶內(nèi)檢測周期劃分為多個檢測子周期，次用戶的MAC層通過實(shí)時地結(jié)合次用戶網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)對于吞吐量的需求，動態(tài)調(diào)整各個檢測子周期中的帶內(nèi)檢測階段的觸發(fā)概率，從而靈活地調(diào)整帶內(nèi)頻譜感知用時。本發(fā)明包括以下步驟劃分帶內(nèi)檢測子周期；跨層獲取吞吐量需求；設(shè)置動態(tài)檢測觸發(fā)函數(shù)；帶內(nèi)動態(tài)檢測。本發(fā)明在不影響次用戶數(shù)據(jù)吞吐性能的前提下，能根據(jù)次用戶網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求自適應(yīng)調(diào)整動態(tài)檢測用時，有效地降低了次用戶退避延時，尤其適用于輕數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)載的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)場景。
文檔編號H04B17/00GK101753231SQ200910200609
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月24日
發(fā)明者何晨, 蔣鈴鴿, 黃繼翔 申請人:上海交通大學(xué)