一种基于优先级队列的两级中心协作频谱共享机制

摘要

本发明公开了一种基于优先级队列的两级中心协作频谱共享机制，在协作认知无线网络中包括一对主用户和若干认知用户对，主用户通过招募认知用户作为中继，协助完成授权通信，并通过管理协作，由协作认知用户协调其它非协作认知用户的接入，形成由主用户和协作认知用户构成的两级中心管理结构。本发明设计了协作认知用户的选取、更新，以及具有不同优先级的数据传输控制，能够在业务随机性较强的情况下，实现多种类型节点的动态、高效频谱共享。

说明书

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，具体涉及一种基于优先级队列的 两级中心协作频谱共享机制。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，未被分配的频谱越来越少，频谱 资源短缺的问题日益凸显。与此同时，根据美国联邦通信委员会 (Federal Communications Commission,FCC)的调查报告显示，3GHz 以下的频谱使用效率在15％～85％范围内，而3-6GHz的频谱利用率不 足0.5％，各种无线系统总的频谱利用率在10％以下。相对于有限的频 谱资源，低频谱利用率造成严重的资源浪费。认知无线电(Cognitive  radio,CR)作为一项具有良好前景的动态频谱共享技术，能够有效解 决上述矛盾，近年来受到了广泛关注。

在实际的认知通信中，主用户发射机P_T可能距离其目的节点P_R较 远，或者收发端之间的链路被建筑物阻挡以及信号经历深度衰落等， 从而导致链路质量无法支持P_T至P_R的直接通信。文献K Letaief,Z  Wei.Cooperative communications for cognitive radio networks [J].Proceedings of the IEEE,2009,97(5):878-893(认知无线 电网络的协作通信)中指出，主用户可以招募符合条件的认知用户作 为中继辅助其完成通信。作为对认知用户提供协助的回报，主用户许 可认知用户使用一部分通信资源，如时域共享机制中的时隙、频域共 享机制中的频道等，以完成认知传输。上述场景称为协作认知无线网 络(Cooperative Cognitive Radio Networks,CCRN)，通过设计相应 的协作传输机制，可以改善主用户的通信质量，同时使认知用户获得 通信机会。

尽管上述方案能够实现主次级用户对通信资源的高效共享，但仍 然存在一些问题。首先，主次级用户的数据发送被限制在传输周期的 特定阶段，业务到达的随机性可能导致某阶段的一部分甚至全部时间 空闲，造成资源浪费。其次，现有的协作传输机制仅研究授权用户与 参与协作的认知节点间的资源共享，没有涉及未参与协作的认知节点 的资源分配，一方面参与协作的认知节点数量及其业务传输需求是随 机且有限的，作为回报的信道接入权限可能未得到协作认知节点的充 分利用，另一方面，系统中大量未参与协作但有通信需求的认知节点 无法接入空闲的频谱。

文献A Gamini,T Zahir,Z Panlop and A Zomaya.Performance  analys is of EDF schedul ing in a multi-priority preemptive M/G/1  queue[J].IEEE Transactions on Parallel and D istributed  Systems,2013,25(8):2149-2158(多优先级抢占式M/G/1队列的 EDF调度的性能分析)中将业务分组到达节点的行为建模为泊松过程， 设计了协作频谱共享方法，并运用具有优先级的M/G/1排队模型对时 延性能进行分析，但在所讨论的方案中，协作认知用户在协助主用户 传输后与其它认知用户共同竞争信道，没有获得应有的回报，对于协 作认知用户而言并不公平。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种基于优先级队列的两 级中心协作频谱共享机制，解决现有的频谱共享方案中未充分考虑协 作认知节点与非协作认知节点的资源分配问题，以及在业务随机性较 强的情况下实现多种类型节点的动态、高效频谱共享。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于优先级队列的两级中心协作频谱共享机制的过程如下：

步骤1，选取协作认知用户，具体包括如下步骤：

步骤1.1，主用户发射机P_T向周围的认知用户广播中继招募请求 分组，该分组包含主用户接收机P_R的信息；

步骤1.2，收到该请求并愿意担任中继的认知用户发出协作呼叫 请求分组，在其通信范围内寻找P_R；

步骤1.3，当P_R收到来自至少一个中继认知用户的呼叫请求后，P_R进行广播响应；

步骤1.4，能够收到P_T的中继招募请求和P_R应答的认知用户具备 中继的条件，P_T根据获得的与候选协作认知用户有关的链路状态，按 照端到端数据速率最大的准则选取协作认知用户；

步骤2，P_T进行数据传输，主要包括P_T→S^r和S^r→P_R两个阶段， 二者的先后顺序固定且连续发生，S^r为协作认知用户；在每个时隙的 起始时刻，只要P_T有分组到达，便立即发送数据；

步骤3，协作认知用户S^r进行数据传输，首先对P_T的分组进行转 发，然后根据授权业务对信道的占用情况，进行自身数据的传输；

步骤4，非协作认知用户进行数据传输：当协作认知用户S^r检测 到信道空闲且自身并无数据发送时，协调非协作认知用户接入信道。

需要说明的是，每个认知用户包括认知发射节点S_T和认知接收节 点S_R，当主用户以协作认知用户的认知发射节点作为中继节点时， 数据传输包括以及4种类型，信令传 输包括发送接入请求分组，反馈接入许可分组，其中为协作 认知用户的认知接收节点，和为非协作认知用户的认知发射节 点和认知接收节点；当以认知接收节点作为中继，作为协助授权业 务传输的回报，与对应的认知发射节点将获得信道接入机会， 数据传输包括4种类型：以及信 令传输包括和发送接入请求分组，反馈接入许可分组。

需要说明的是，P_T会周期性地进行协作认知用户的更新：如果P_T在发起更新过程时发现更好的协作认知用户，P_T通知当前的协作认知 用户解除协作关系，然后按照步骤1的方法选择新的协作认知用户 并建立联系。

需要说明的是，协作认知用户S^r可以主动解除与P_T的协作关系， P_T应答后即按照步骤1重新发起新的协作认知用户选择过程，选取新 的协作认知用户

需要进一步说明的是，当前的协作认知用户S^r在解除协作关系前， 将其维护的非协作认知用户的通信管理记录发送给P_T；在P_T选定协作 认知用户后，由P_T将这些信息转发给选定的在完成管理数 据的交接后，S^r退出；广播发送Hello分组，其覆盖范围内的非 协作认知用户收到该分组后，在返回的应答分组中加入节点的编号、 节点维护的自身通信记录；将收到的各非协作认知用户的通信记 录和从P_T转发而来的通信管理记录进行比较，对管理数据库中没有的 节点条目进行增加，对具有相同ID的节点记录进行更新。

需要说明的是，步骤4中协作认知用户S^r检测到信道空闲且自身 并无数据发送时，协调非协作认知用户接入信道是基于请求许可差的 接入协议，所述协议具体内容如下：

1)每个认知用户维护1个变量表示认知用户发送接入请 求分组的次数与收到的接入许可分组次数的差值；S^r维护所有认知用 户的

2)非协作认知用户i更新其变量非协作认知用户i发送一 个接入请求分组，其变量加1；非协作认知用户i从S^r处获得一 个接入许可分组，其变量减1；

3)协作认知用户S^r更新变量当协作认知用户S^r收到来自 非协作认知用户i的接入请求分组，则与该非协作认知用户i对应的 加1；当协作认知用户S^r向非协作认知用户i返回一个接入许可 分组，则对应的减1；

4)非协作认知用户i向协作认知用户S^r请求信道时，将其维护 的变量一起封装在接入请求分组中发送，协作认知用户S^r将收 到的信息与自身维护的信息进行比较，若非协作认知用户i 上报的与S^r维护相应的差异超过门限θ_th时，协作认知用户 S^r对非协作认知用户i的请求予以拒绝，并从有效请求中选择最大的非协作认知用户，将当前空闲时隙分配给该用户。

本发明的有益效果在于：

1、可以很好的解决协作认知节点与非协作认知节点的资源分配 问题，以及在业务随机性较强的情况下实现多种类型节点的动态、高 效频谱共享；

2、考虑了协作认知无线网络中不同类型用户的数据传输，并且 设计了一种基于请求许可差的接入协议，保证了协作认知用户与非协 作认知用户对通信资源的动态共享；

3、考虑了网络拓扑和通信过程的动态特性对系统的影响，主用 户会周期性地发起中继选择过程对信道进行检测，当发现存在更好的 协作认知用户时，则与当前的协作认知用户解除协作关系，并与新的 协作认知用户建立联系；当前的协作认知用户也可以主动解除与主用 户的协作关系，当前的协作认知用户向主用户发出解除协作关系的请 求，主用户应答后随即发起新的中继选择过程，这样可以在网络拓扑 结构以及通信过程发生变化时，通过协作认知用户的更新保证较好的 数据传输性能。

附图说明

图1为本发明的实施流程示意图；

图2为本发明以协作认知用户的认知发射节点作为中继时的数 据传输与信令传输分析图；

图3为本发明以协作认知用户的认知接收节点作为中继时的数 据传输与信令传输分析图；

图4为本发明主用户的平均等待时延随其分组到达率变化的理 论值与模拟仿真的结果对比图；

图5为本发明协作认知用户的平均等待时延随其分组到达率变 化的理论值与模拟仿真的结果对比图；

图6为本发明非协作认知用户的平均等待时延随其分组到达率 变化的理论值与模拟仿真的结果对比图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实 施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施步骤和操作过程，但本 发明的保护范围并不限于本实施例。

本发明的工作原理：

本发明适用于协作认知无线网络中，包括一对主用户和若干认知 用户对，主用户(PU)发射机P_T可能距离其目的节点P_R较远，或者收 发端之间的链路被建筑物阻挡以及信号经历深度衰落等，从而导致链 路质量无法支持P_T至P_R的直接通信。传输数据时，PU拥有最高优先级， 协作认知用户(CSU)S^r次之，非协作认知用户(NCSU)的优先级最 低，其中CSU负责协调NCSU的通信，并且基于请求许可差的接入协 议来保证NCSU访问信道的公平性。其次，P_T可以周期性地进行中继 选择过程，当P_T发现存在更好的中继时，P_T通知当前的中继节点解除协作关系，然后与新的中继建立联系，当前的CSU也可以 主动解除与PU的协作关系。

如图1所示，基于优先级队列的两级中心协作频谱共享机制包括 以下步骤：

第一步，选取CSU。主用户发射机P_T向周围的认知用户广播中继 招募请求分组，该分组包含主用户接收机P_R的信息。收到该请求并且 愿意担任中继的认知用户发出协作呼叫请求分组，在其通信范围内寻 找P_R。当P_R收到来自认知用户(可能是多个)的呼叫请求后，P_R进行广 播响应。能够收到P_T的中继招募请求和P_R应答的认知用户具备成为中 继的条件，P_T根据获得的与候选协作认知用户有关的链路状态，按照 端到端数据速率最大的准则选取CSU；

第二步，PU的数据传输。在每个时隙的起始时刻，只要P_T有分 组到达，便立即发送。授权分组的传输包括P_T→S^r和S^r→P_R两个阶段， 二者的先后顺序固定且连续发生，S^r为CSU；

第三步，CSU的数据传输。S^r首先对P_T的分组进行转发，然后根 据授权业务对信道的占用情况，尝试自身数据的传输；

第四步，NCSU的数据传输。NCSU具有最低的优先级，若S^r检测 到信道空闲并且自己也无数据发送时，根据基于请求许可差的接入协 议协调NCSU接入信道；

所述基于请求许可差的接入协议如下：每个认知用户维护1个变 量表示认知用户发送接入请求分组(ARP)的次数与收到的接 入许可分组(AGP)次数的差值，该值越大表明用户的体验越差。S^r维 护所有认知用户的

NCSU更新的过程为：节点i发送一个ARP，加1；节点 i从S^r处获得一个AGP，减1。S^r更新的规则与之类似，当S^r收到来自节点i的ARP，则与该节点对应的加1，当S^r向节点i返 回一个AGP，则减1。此外，规定节点i向S^r请求信道时，将一起封装在ARP中发送，S^r将收到的信息与自身维护的信息进行比较， 对于用户上报值与S^r维护值的差异超过门限θ_th的用户请求予以拒绝， 并从有效请求中选择最大的用户，将当前空闲时隙分配给该用 户。

在本发明中，主用户作为第一级中心管理中继节点的选择，协作 认知用户作为第二级中心，在中转授权业务的同时还负责其它非协作 认知用户的有序接入。

本发明的协作认知无线网络，包括一对主用户P_T和P_R，在主用户 发射机P_T和主用户接收机P_R之间不存在直接通信链路。每个认知节点 具有唯一的标识(ID)。所有节点的通信(包括信号发送与接收)半径相 等，遵循严格的时隙同步结构，节点的分组到达服从独立泊松分布。 时隙长度设定为一个分组的传输时间，分组只能在时隙起始处进行发 送，所有节点的数据分组大小相同。控制信令通过独立的低速率信道 传输。所有节点采用半双工通信模式，网络的拓扑结构相对稳定，信 道具有准静态特征。在P_T和P_R的重叠覆盖区域内存在一些认知节点， 它们满足成为中继的基本条件，即对P_T和P_R均可达。图2为以认知发 射节点作为中继的情况，图3为以认知接收节点作为中继的情况，图 中实线表示数据传输，虚线表示信令传输。

如图2所示，每个认知用户均包括认知发射节点和认知接收节点， 如果以CSU的认知发射节点作为中继，从左往右的三个圆圈分别表 示主用户发射机P_T、中继认知发射节点主用户接收机P_R的通信 范围，三者的通信半径相等。区域Ⅰ中的认知用户(SU)能够检测到 P_T的发送，可作为中继，该区域NCSU发射(如)会干扰接收 来自P_T的信号和P_R接收来自的中转信号。区域Ⅱ中的SU能够检测 到P_T的发送，并位于的覆盖范围内，该区域的SU发射会对接收 来自P_T的信号造成干扰。区域Ⅲ中的SU无法直接检测到P_T的发送， 其通信(如)会干扰接收P_T的信息以及向P_R中转授权数据。 区域Ⅳ中的NCSU会对接收来自P_T的信号产生干扰。P_T作为第一级 中心从区域Ⅱ中选取协作认知用户作为第二级中心对其覆盖区 域内的非协作认知节点进行管理和协调，以避免SU对授权通信的干 扰。

以CSU的认知发射节点作为中继时数据传输包括4种类型： 以及其中为与对应的CSU的 认知接收节点，和为非协作认知用户的认知发射节点和认知接 收节点。如图2中所示，主用户的数据传输和为最高优 先级协作认知用户的数据传输的优先级次之，为中优先级 非协作认知用户的数据传输以及的优 先级最低，为低优先级

在图2中，信令传输包括NCSU发送接入请求分组ARP和CSU反 馈接入许可分组AGP。中转主用户业务的过程中，其自身也可能有 分组到达。当的中继工作完成后，对信道进行检测，若主用户没 有新的数据中转要求，即信道空闲，可直接进行自身数据的传输。 在这一过程中，若NCSU(如S₁)有分组到达，它的认知发射节点(如) 向发送ARP。当的分组传输结束，并且检测到信道空闲，同时收到来自的ARP，向返回AGP，S₁在下一个时隙发送自己的分 组。

如图3所示，如果以认知接收节点作为中继，从左往右的三 个圆圈分别表示主用户发射机P_T、中继认知接收节点主用户接 收机P_R的通信范围，三者的通信半径相等。关于不同区域的讨论与图 2相同。作为协助授权业务传输的回报，与对应的认知发射节点将获得信道接入机会，数据传输包括4种类型：以及同样地，主用户的数据传输和为最 高优先级协作认知用户的数据传输的优先级次之，为中优 先级非协作认知用户的数据传输以及的 优先级最低，为低优先级

在图3中，信令传输包括NCSU和发送接入请求分组ARP以及 CSU反馈接入许可分组AGP。中转主用户业务的过程中，其自身也 可能有分组到达。当的中继工作完成后，对信道进行检测，若 主用户没有新的数据中转要求，即信道空闲，并且收到来自的 ARP，则认知接收节点会返回AGP来通知可以开始数据发送。在 这一过程中，若NCSU(如S₁)有分组到达，它的认知发射节点(如) 向发送ARP。当的分组传输结束，并且检测到信道空闲，同 时收到来自的ARP，向返回AGP，S₁在下一个时隙发送自己 的分组。

此外，P_T周期性地发起中继选择过程，该时长的选取依赖于信道 的变化，对于快变信道，中继更新周期应较短，以获得与信道变化相 适应的较好传输性能，对于慢变信道，中继更新周期应较大，在不损 失传输性能的同时降低系统开销。当P_T发现存在更好的中继时，P_T通 知当前的中继节点解除协作关系，然后与新的中继建立联系。当 前的CSU也可以主动解除与PU的协作关系，当前的CSU需主动向P_T发 出解除协作关系的请求，P_T应答后随即发起新的中继选择过程。

随着CSU的更新，其管理的NCSU也随之变化，因此规定当前的 协作认知用户S^r在解除协作关系前，将其维护的NCSU的通信管理记 录发送给P_T，再由P_T将这些信息转发给选定的在完成管理数据 的交接后，S^r退出。广播发送Hello分组，其覆盖范围内的NCSU 收到该分组后，在返回的应答分组中加入节点的编号、节点维护的自 身通信记录，次级管理中心根据这些记录可以实现NCSU的公平、有 序接入等信息。将收到的各NCSU的通信记录和从P_T转发而来的通 信管理记录进行比较，对管理数据库中没有的节点条目进行增加，对 具有相同ID的节点记录进行更新。为了控制CSU维护的管理数据库 规模，同时考虑到NCSU可能动态的进入或离开次级中心的管理，可 以为每一条用户管理记录增加一个生存时间，每次记录更新触发生存 时间的重置，对超过生存时间的记录进行删除。为了简单，本文假设 所有NCSU上报的个人记录是真实可信的，即不存在欺骗或恶意的 NCSU。

通过以下的仿真实验对本发明的应用效果做进一步的说明：

仿真条件：假设各认知用户的分组到达相互独立且服从泊松分布， 令PU、CSU和NCSU的分组到达率分别为λ_p、λ_cs和λ_ncs。时隙用X_s表 示，且X_s＝1/μ。忽略节点的处理时延。对于PU，其分组传输包括两个 阶段，均需要1/μ的时间，总的服务时间为2/μ。对于CSU，在忽略频 谱检测时间的情况下，每个分组的服务时间为1/μ。对于NCSU，其分 组服务时间也为1/μ。

图4为PU的平均等待时延随其分组到达率变化的理论值与模拟 仿真的结果进行比较。主用户分组的平均等待时间E(W_p)包括分组进 入PU队列时当前分组(时隙被占用)或休假期(时隙空闲)的平均剩余 时间E(R_p)与其它已经在队列中等候的PU分组的服务时间之和。由于 将时隙空闲作为休假，休假期的长度为1/μ。

使用表示PU队列的平均长度，可以得到：

$E\left(W_p\right)=E\left(R_p\right)+X_p{N}_Q^{\left(1\right)};$

其中，X_p为PU分组的服务时间。假设主用户的信道利用率为ρ_p， 有ρ_p＝λ_pX_p。可以得到PU分组到达后遇到其它PU分组正在传输的概 率为2λ_p/μ。

根据Little定理，平均队列长度为可以计算：

$E\left(W_p\right)=\frac{\mu +2{\lambda }_p}{\mu (\mu -2{\lambda }_p)};$

图5为CSU的平均等待时延随其分组到达率变化的理论值与模拟 仿真的结果进行比较。CSU分组的平均等待时延E(W_cs)包括以下几个部 分：当前正在接受服务的分组或休假期的平均剩余时间E(R_cs)，CSU分 组到达时PU队列中高优先级分组的平均剩余服务时间和CSU 队列中分组的平均剩余服务时间长度以及CSU分组在等待过 程中到达的PU分组带来的等待时延2λ_pE(W_cs)/μ。可以得到下式：

$E\left(W_{\mathrm{cs}}\right)=E\left(R_{\mathrm{cs}}\right)+\frac{2N_Q^{\left(1\right)}}{\mu }+\frac{N_Q^{\left(2\right)}}{\mu }+{\lambda }_p\frac{2E\left(W_{\mathrm{cs}}\right)}{\mu };$

上式中和分别表示PU和CSU队列长度。

利用Little定理，容易得到和E(W_cs)的 计算如下：

$E\left(W_{\mathrm{cs}}\right)=\frac{\mu +2{\lambda }_p}{(\mu -2{\lambda }_p)(\mu -2{\lambda }_p-{\lambda }_{\mathrm{cs}})};$

图6为NCSU的平均等待时延随其分组到达率变化的理论值与模 拟仿真的结果进行比较。NCSU的平均等待时间包括：当前正在接受 服务的分组或休假期的平均剩余时间E(R_ncs)，NCSU分组到达时PU队列 中分组的平均剩余服务时间CSU队列中分组的平均剩余服务 时间和NCSU队列中分组的平均剩余服务时间以及在NCSU 分组等待过程中到达的高优先级分组带来的等待时延。可以得到的 NCSU分组的平均等待时延表达式如下：

$E\left(W_{\mathrm{ncs}}\right)=E\left(R_{\mathrm{ncs}}\right)+\frac{2N_Q^{\left(1\right)}}{\mu }+\frac{N_Q^{\left(2\right)}}{\mu }+\frac{N_Q^{\left(3\right)}}{\mu }+{\lambda }_p\frac{2E\left(W_{\mathrm{ncs}}\right)}{\mu }+{\lambda }_s\frac{E\left(W_{\mathrm{ncs}}\right)}{\mu };$

其中，和分别表示PU、CSU和NCSU的队列长度。上 式等号右端最后两项则分别表示NCSU分组等待时间内到达的PU和 CSU分组导致的新增等待时间。

根据Little定理，$N_Q^{\left(1\right)}={\lambda }_{p}E\left(W_p\right),N_Q^{\left(2\right)}={\lambda }_{\mathrm{cs}}E\left(W_{\mathrm{cs}}\right),N_Q^{\left(3\right)}=\left(\Sigma {\lambda }_{\mathrm{ncs}}\right)E\left(W_{\mathrm{ncs}}\right).$E(W_ncs)的计算如下：

$E\left(W_{\mathrm{ncs}}\right)=\frac{\mu +2{\lambda }_p}{(\mu -2{\lambda }_p-{\lambda }_{\mathrm{cs}})(\mu -2{\lambda }_p-{\lambda }_{\mathrm{cs}}-\Sigma {\lambda }_{\mathrm{ncs}})};$

由图4可得，PU的等待时延随着λ_p的增加而增大，由于所提机 制能够保证PU的最高优先级，授权传输不受认知业务的影响，模拟 仿真与理论计算结果拟合准确。由图5可得，CSU的等待时延随着λ_cs的增加而增大，理论计算与仿真模拟结果拟合准确。由于主用户具有 最高的优先级，对于确定的Σλ_ncs，CSU的等待时延随着λ_p的增加而增 大。由图6可得，给定λ_p和λ_cs，NCSU的等待时延随着Σλ_ncs的增加而 增大。由于NCSU的优先级最低，λ_p和λ_cs增大都会使NCSU时延增大， 并且由于PU的服务时间更长(两个时隙)，提高λ_p对NCSU的时延影响 更大。

由此得出，所提机制能够保障主用户最高优先级，以较高优先级 的接入权限作为对协作认知节点的回报，能够在业务随机性较强的情 况下，实现动态、高效的频谱共享，因此本发明所提机制是可行的。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思， 给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在 本发明权利要求的保护范围之内。