一种认知无线电中实现动态频谱分配的方法

摘要

本发明公开了一种认知无线电中实现动态频谱分配的方法，通过认知无线电中检测“空闲频谱碎片”的技术，将一段频谱段上的未被授权用户占用的空闲碎片检测出来，将离散的空闲频谱碎片进行聚合形成NC-OFDM系统中离散的子信道，将这些NC-OFDM子信道放入频谱池内构成资源，当存在用户的频谱需求时，将频谱池内的信道资源分配给等待接入的用户进行数据传输，通过这种方式提高频谱利用率。本发明通过引入频谱池系统和频谱聚合技术，将检测出来的零散的处于空闲的频谱放入频谱池中进行聚合，通过频谱池系统进行分配，通过本方法，能达到提高频谱利用率、减少认知用户的接入时间、减少认知用户因为授权用户的出现而出现频谱切换的次数。

说明书

技术领域

本发明属于无线电技术领域，涉及一种认知无线电中实现动态频 谱分配的方法。

背景技术

频谱作为一种不可再生的、有限的、宝贵的资源，通常使用单位 都是由政府授权。授权频段一经分配给某一使用单位，其他未授权用 户则不得占用该授权频谱段进行数据传输。显而易见，当授权用户不 使用授权频段的时候，频谱将处于闲置状态。随着诸如移动通信、卫 星通信等无线业务的发展，对无线频谱的需求持续增长，但是当授权 用户不出现在授权频段上时，非授权用户却不能接入授权频段，这导 致了大量的频谱闲置与浪费。为了解决这种矛盾，认知无线电技术应 运而生。认知无线电技术是为了解决当下无线通信领域频谱资源紧张 而出现的通信新技术。认知无线电技术能在不妨碍授权用户通信的前 提之下，将空闲的授权频谱分配给认知用户使用，通过一种“机会接 入”的方式使得非授权用户也可以使用授权频段，在认知用户使用的 过程中如果有授权用户重新回归到授权频谱，这大大的提高了频谱的 利用率。

频谱聚合技术是近年来无线电领域新兴的一项技术，其核心思想 是将较小的、不连续的频谱碎片进行聚合，从而形成大带宽的频谱， 然后分配给新的用户使用。该技术可以实现高带宽、高速率的数据传 输。

正交频分复用技术OFDM(Orthogonal Frequency Division  Multiplexing)是采用将待传输数据流调制到多个子信道上面并行传 输，从而实现大带宽，高速率的数据传输。若将传输的子载波中不连 续的、间断的关掉一部分，便形成了NC-OFDM(Non-contiguous  Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术，即离散正交频分 技术。

频谱池是指将处于不同的频谱位置的空闲频段的信道全部收集 起来然后形成一个逻辑上的频谱池，频谱池里面的资源就是信道。频 谱池系统有一个控制中心，控制中心控制整个频谱池的信息。认知用 户通过频谱感知将感知到的空闲的频谱信息发送给控制中心，控制中 心根据接收到的信息进行辨认，将辨认出来处于空闲的频谱放入频谱 池中构成频谱池中的资源。当存在用户的接入请求时，控制中心可根 据用户的需求信息和频谱池的资源信息进行相应的频谱分配。

将频谱聚合技术一次能聚合的频谱宽度定义为“跨度”。 NC-OFDM中是使用不连续的子载波传输数据，且每个子载波的频谱 宽度是一致的，具体的子载波带宽视具体情况而定，设一个子载波的 带宽为x Hz，那么在一个跨度内空闲频谱带宽为空闲子载波的数量与 子载波带宽乘积的结果。同理，那么在一个跨度内占用频谱带宽为占 用子载波的数量与子载波带宽乘积的结果。

发明内容

本发明提供了一种在离散正交频分系统上进行的认知无线电中 实现动态频谱分配的方法，将频谱聚合技术和频谱池系统应用到认知 无线电中以达到提高频谱利用率、减少认知用户的接入时间、减少认 知用户因为授权用户的出现而出现频谱切换的次数的目的。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种认知无线电中实现动态频谱分配的方法，具体实施步骤如 下：

第一步，将跨度的左边界置于待聚合的无线电频谱的左边界，然 后将等待接入的认知用户按需求的带宽按从小到大排列，可得排列的 关于认知用户需求的子载波个数集合B＝{B₁，B₂，B₃，…，B_k，B_k+1，…，B_N}，其 中N为等待接入的认知用户数，B_k为第k个认知用户所需求的子载波 个数，且有B_k≤B_k+1，k＝1，2，3，…，N。

第二步，各等待接入的认知用户对跨度内的频谱进行协作频谱检 测，并将检测结果反馈给融合判决中心，通过频谱检测，假设经检测 在一个跨度之内有v+1个空闲频段可用于聚合给认知用户使用，用于 聚合的空闲频段集合为其中[f_Li，f_Ui]代表第i个空闲频 段，其低频边界为f_Li，高频边界为f_Ui，其中有f_Ui＜f_L(i+1)，v代表可用 的空闲频谱碎片的个数，取整即可，将所检测出来的频谱碎片与最小 的子载波带宽进行比较，若存在[f_Li，f_Ui]＜15KHz，则将该频谱碎片舍 弃。然后更新集合$F={\cup }_{i=1}^{v+1}[f_{\mathrm{Li}},f_{\mathrm{Ui}}].$

第三步，判断跨度右边界位置，若右边界位于一空闲频谱碎片之 内，执行第四步，反之，执行第五步。

第四步，将跨度右边界所在空闲频段[f_L(v+1)，f_U(v+1)]去掉，用作下个 跨度之内的聚合，然后将剩下的v个空闲频段用作本跨度之内的聚 合，然后执行第五步。

第五步，假设m_i表示该跨度内第i个空闲频段[f_Li，f_Ui]的子载波个 数，其中i＝1，2，3，…，v；执行第六步。

第六步，认知用户将检测出来的跨度之内的空闲频谱反馈到融合 判决中心，融合判决中心将跨度之内的空闲子载波用来构建频谱池。 假设构建二级频谱池的个数为n，分别命名为P₁，P₂，…，P_n，n的大小由 总的子载波个数与二级频谱池的最佳系统容量的比值取整决定，则二 级频谱池集合为P＝{P₁，P₂，…，P_n}，假设频谱池的最佳系统容量为C， 则若需使得整个频谱池系统达到最佳容量，则一级频谱池系统中的子 载波总数为n×C个，执行第七步。若子载波个数不足，则返回第二步。

第七步，融合判决中心判断接入的用户的性质，若为认知用户， 执行第八步，若为授权用户，执行第十步。

第八步，按照二级频谱池中命名基数最大到最小的顺序分配频谱 池之内的子载波给予等待接入的认知用户，假设所需的子载波个数 B_i，则优先分配二级频谱池P_n中的子载波给认知用户B_i，若二级频谱 池P_n中的子载波分配完毕，那么按照降序接着分配二级频谱池P_n-1中 的子载波给认知用户B_i，依次类推。判断一级频谱池的子载波系统容 量是否在最小频谱池系统容量之下，若是，更新频谱池，执行第六步， 反之，执行第九步。

第九步，若认知用户B_i将信道用完之后，将释放的信道归还到频 谱池内，归还的规则是按照二级频谱池的升序归还，若二级频谱池P₁内的子载波个数恰好为最佳容量，则按照升序依次归还。执行第十二 步。

第十步，按照二级频谱池中命名基数最小到最大的顺序分配频谱 池之内的子载波给予要求接入的授权用户，优先分配二级频谱池P₁中 的子载波给授权用户，若二级频谱池P₁中的子载波分配完毕，那么按 照降序接着分配二级频谱池P₂中的子载波给授权用户，依次类推。判 断一级频谱池的子载波系统容量是否在最小频谱池系统容量之下，若 是，更新频谱池，执行第六步，反之，执行第十一步。

第十一步，若主用户在使用完信道之后，需要将信道释放，那么 授权用户将使用完的信道释放到频谱池外，不再归还到频谱池内。

第十二步，判断一级频谱池内的子载波容量，若存在剩余的子载 波且子载波的个数大于最小子载波容量，更新频谱池，返回第六步， 反之，执行第十三步。

第十三步，跨度右移，将跨度左边界置于下一个空闲频谱碎片的 左边界，然后执行第十四步。

第十四步，检测跨度之内的空闲子载波，若满足集合B中存在元 素B₁，集合P中存在元素P_i，且P中子载波个数足够满足用户最小业 务的需求，则返回执行第二步；若不满足则返回执行第十三步，若跨 度右移到频谱段已不可利用或者不在频谱可检测的范围之内，则结束 分配。

本发明中，通过认知无线电中检测“空闲频谱碎片”的技术，将 一段频谱段上的未被授权用户占用的空闲碎片检测出来，将离散的空 闲频谱碎片进行聚合形成NC-OFDM系统中离散的子信道，将这些 NC-OFDM子信道放入频谱池内构成资源，当存在用户的频谱需求 时，将频谱池内的信道资源分配给等待接入的用户进行数据传输，通 过这种方式提高频谱利用率。

本发明中，认为频谱的状态是动态的，即频谱池的信息是出于不 断变化的状态，授权用户任何时候都可以使用频谱池内或者是频谱池 外的授权频谱，而认知用户只可以使用频谱池内的信道。授权用户如 果使用的是频谱池内的信道，使用完毕之后归还到频谱池之外，而认 知用户则不同，认知用户使用信道完毕之后将信道归还到频谱池内， 通过这种方式频谱池内的信道数量在不断减少，当减少到一定程度后 必须更新频谱池。更新频谱池即意味着需要接入频谱的认知用户重新 进行频谱感知，控制中心通过感知的频谱信息决定是否构成建立频谱 池的条件，如果能够构成这个条件，则重新建立频谱池，即为频谱池 的更新。更新的触发点是设置一个频谱池内的信道下限，当感知出的 信道数不能满足这个建立频谱池的下限的时候即更新频谱池。

本发明中，将频谱上没有被授权用户占用的空闲频谱碎片进行聚 合，然后将其放入频谱池中，当有用户存在带宽请求的时候，将其分 配给用户使用。如果分配是在单级网络中进行的话，将创建多个二级 频谱池，二级频谱池也具备不同的优先级，认知用户和授权用户按照 频谱池的优先级的等级不同而分配给不同的用户；如果是多级网络的 话，将创造三级频谱池，与单级网络类似，三级频谱池的优先级也不 同，认知用户和授权用户也按照不同的优先级频谱池进行频谱分配。 通过这种接入方式能够实现提高频谱利用率、减少认知用户的接入时 间、减少认知用户的切换次数的目的。

本发明通过引入频谱池系统和频谱聚合技术，将检测出来的零散 的处于空闲的频谱放入频谱池中进行聚合，通过频谱池系统进行分 配，通过本方法，能达到提高频谱利用率、减少认知用户的接入时间、 减少认知用户因为授权用户的出现而出现频谱切换的次数。

附图说明

图1为系统分配开始时跨度位于感知频谱的左边界的模型图；

图2为感知的跨度的右边界位于空闲频谱碎片内；

图3为感知的跨度的右边界位于占用的频谱碎片内；

图4为频谱分配方式的系统模型图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限 于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发 明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：首先将跨度的左边界置于待聚合的无线电频谱 的左边界，进行频谱聚合。如图1所示。

第一步，将等待接入的认知用户按需求的带宽按从小到大排列， 可得排列的关于认知用户需求的子载波个数集合 B＝{B₁，B₂，B₃，…，B_k，B_k+1，…，B_N}，其中N为等待接入的认知用户数，B_k为 第k个认知用户所需求的子载波个数，且有B_k≤B_k+1，k＝1，2，3，…，N。

第二步，各等待接入的认知用户对跨度内的频谱进行协作频谱检 测，并将检测结果反馈给融合判决中心，通过频谱检测，假设经检测 在一个跨度之内有v+1个空闲频段可用于聚合给认知用户使用，用于 聚合的空闲频段集合为其中[f_Li，f_Ui]代表第i个空闲频 段，其低频边界为f_Li，高频边界为f_Ui，其中有f_Ui＜f_L(i+1)，将所检测 出来的频谱碎片与最小的子载波带宽进行比较，若存在 [f_Li，f_Ui]＜15KHz，则将该频谱碎片舍弃。然后更新集合

第三步，判断跨度右边界位置，若右边界位于一空闲频谱碎片之 内，如图2所示，执行第四步；反之，若右边界不位于一空闲频谱碎 片之内，如图3所示，执行第五步。

第四步，将跨度右边界所在空闲频段[f_L(v+1)，f_U(v+1)]去掉，用作下个 跨度之内的聚合，然后将剩下的v个空闲频段用作本跨度之内的聚 合，然后执行第五步。

第五步，假设m_i表示该跨度内第i个空闲频段[f_Li，f_Ui]的子载波个 数，其中i＝1，2，3，…，v；执行第六步。

第六步，认知用户将检测出来的跨度之内的空闲频谱反馈到融合 判决中心，融合判决中心将跨度之内的空闲子载波用来构建频谱池。 假设构建二级频谱池的个数为n，分别命名为P₁，P₂，…，P_n，n的大小由 总的子载波个数与二级频谱池的最佳系统容量的比值取整决定，则二 级频谱池集合为P＝{P₁，P₂，…，P_n}，假设频谱池的最佳系统容量为C， 则若需使得整个频谱池系统达到最佳容量，则一级频谱池系统中的子 载波总数为n×C个，执行第七步。若子载波个数不足，则返回第二步。

第七步，融合判决中心判断接入的用户的性质，若为认知用户， 执行第八步，若为授权用户，执行第十步。

第八步，按照二级频谱池中命名基数最大到最小的顺序分配频谱 池之内的子载波给予等待接入的认知用户，假设所需的子载波个数 B_i，则优先分配二级频谱池P_n中的子载波给认知用户B_i，若二级频谱 池P_n中的子载波分配完毕，那么按照降序接着分配二级频谱池P_n-1中 的子载波给认知用户B_i，依次类推。判断一级频谱池的子载波系统容 量是否在最小频谱池系统容量之下，若是，更新频谱池，执行第六步， 反之，执行第九步。

第九步，若认知用户B_i将信道用完之后，将释放的信道归还到频 谱池内，归还的规则是按照二级频谱池的升序归还，若二级频谱池P₁内的子载波个数恰好为最佳容量，则按照升序依次归还。执行第十二 步。

第十步，按照二级频谱池中命名基数最小到最大的顺序分配频谱 池之内的子载波给予要求接入的授权用户，优先分配二级频谱池P₁中 的子载波给授权用户，若二级频谱池P₁中的子载波分配完毕，那么按 照降序接着分配二级频谱池P₂中的子载波给授权用户，依次类推。判 断一级频谱池的子载波系统容量是否在最小频谱池系统容量之下，若 是，更新频谱池，执行第六步，反之，执行第十一步。

第十一步，若主用户在使用完信道之后，需要将信道释放，那 么授权用户将使用完的信道释放到频谱池外，不再归还到频谱池内。

第十二步，判断一级频谱池内的子载波容量，若存在剩余的子载 波且子载波的个数大于最小子载波容量，更新频谱池，返回第六步， 反之，执行第十三步。

第十三步，跨度右移，将跨度左边界置于下一个空闲频谱碎片的 左边界，然后执行第十四步。

第十四步，检测跨度之内的空闲子载波，若满足集合B中存在元 素B₁，集合P中存在元素P_i，且P中子载波个数足够满足用户最小业 务的需求，则返回执行第二步；若不满足则返回执行第十三步，若跨 度右移到频谱段已不可利用或者不在频谱可检测的范围之内，则结束 分配。

具体实施方式二：本实施方式与具体所述方式一不同的是，假设 N＝6，即认知用户有6个；跨度为10M，即单次频谱检测的宽度为 10M；二级频谱池为3个。