认知无线电带内频谱动态检测方法

摘要

本发明公开了一种无线电网络技术领域的认知无线电带内频谱动态检测方法，首先将带内检测周期划分为多个检测子周期，次用户的MAC层通过实时地结合次用户网络层的数据传输业务对于吞吐量的需求，动态调整各个检测子周期中的带内检测阶段的触发概率，从而灵活地调整带内频谱感知用时。本发明包括以下步骤：划分带内检测子周期；跨层获取吞吐量需求；设置动态检测触发函数；带内动态检测。本发明在不影响次用户数据吞吐性能的前提下，能根据次用户网络层数据业务需求自适应调整动态检测用时，有效地降低了次用户退避延时，尤其适用于轻数据业务负载的认知无线电网络场景。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种无线电技术领域的方法，具体是一种认知无线电带内频谱动态检测方法。

背景技术

随着无线通信业务的普及和发展，目前的无线通信服务重点已向视频、音频和高清晰图片等宽带服务转移，而无线频谱资源的缺乏已成为高性能宽带数据服务推广的严重阻碍。美国联邦通信委员会(FCC)在2002年“Spectrum policytask force report(频谱策略任务工作报告)”中指出：当前大部分的授权频段未得到充分利用。而认知无线电技术的出现，能有效地解决频谱资源的紧缺和现有频段利用率低下的矛盾。认知无线电网络中，由于主用户(Primary User，PU)在某时某地并不是一直使用其授权频段，故次用户(Secondary User，SU)可以“见缝插针”地使用主用户暂时未使用的频段进行通信；当主用户需要使用该频段进行工作时，次用户则主动撤出该授权频段。

在认知无线电网络系统中，频谱感知是动态频谱接入、频谱资源管理的基础，其主要包括：频谱检测算法和频谱检测机制两个方面的研究。频谱检测机制包含带外检测和带内检测两个部分，带外检测是指在未获得授权频段使用权时，次用户感知各个授权频段以寻找空闲信道；带内检测是指次用户监测其占用的授权频段，以便在检测到主用户出现时迅速撤出。频谱检测机制的设计目的是提高频谱感知效率，在最小化对主用户干扰的同时最大化次用户的频谱利用率。评估对主用户干扰的主要指标包括次用户的检测准确度和退避延时两个方面。

目前带内检测机制的研究主要集中于在传统的周期性带内检测机制的基础上优化次用户数据传输性能，部分研究考虑到提高次用户检测准确度，但普遍缺乏对于降低次用户退避延时的深入研究。而带内检测机制的设计与次用户对于主用户的干扰程度密切相关，尤其在主用户对次用户退避延时的敏感程度较高的场景中，如何有效地减少退避延时，降低次用户对主用户的干扰已成为带内检测机制一个重要的设计目标。

经对现有文献检索发现相关文献如下：

1、Liang YC等人在《IEEE Transactions on Wireless Communications(IEEE无线通信期刊.2008.1326-1337)》上发表了题为“Sensing-ThroughputTradeoff for Cognitive Radio Networks(认知无线电网络的频谱感知和吞吐量的折中)”的文章，该文研究了检测时长与次用户吞吐量的关系，得出了最大化次用户可达吞吐量的条件下的最佳检测时长，但该技术限制在给定的次用户检测准确度下进行讨论分析，而未考虑如何进一步提高次用户检测准确度或降低退避延时。

2、Yiyang Pei等人在《PIMRC 2007(IEEE 2007个人、室内、移动通信会议)》上发表了题为“Sensing-Throughput Tradeoff in Cognitive RadioNetworks：How Frequently Should Spectrum Sensing be Carried Out？(认知无线电网络的频谱感知和吞吐量的折中：频谱感知的执行频率是多少？)”的文献，该文研究了带内检测周期长度与次用户可达吞吐性能的关系，并给出了最佳检测周期，但该技术仍然限制在给定的次用户检测准确度下进行讨论分析，未考虑如何进一步提高次用户检测准确度或降低退避延时。

3、Ghasemi A等人在《CCNC 2007(IEEE 2007消费通信和网络会议)》上发表了题为“Optimization of Spectrum Sensing for Opportunistic SpectrumAccess in Cognitive Radio Networks(动态频谱接入的认知无线电网络中频谱感知的优化)”的文章，该文综合考虑了检测速度与检测性能，通过最大化次用户的可达吞吐量计算最优检测时长，但该技术只专注检测准确性的优化，未讨论如何缩短退避延时。

4、Wha Sook Jeon等人在《IEEE Transactions on Wireless Communications(IEEE无线通信期刊)》上发表了题为“An efficient quiet period managementscheme for cognitive radio systems(一种高效的认知无线电网络静默期管理策略)”的文章，该文提出了特征检测和能量检测相结合的带内检测机制，以获取最大化次用户吞吐量，利用不同检测方法相结合以提升检测准确性，但该技术同样未考虑如何降低退避延时。

5、Hoang AT在《GLOBECOM(IEEE全球通信会议)》上发表了题为“AdaptiveScheduling of Spectrum Sensing Periods in Cognitive Radio Networks(认知无线电网络中频谱感知周期的自适应调度策略)”的文章，该文提出带内感知时隙和数据传输时隙的自适应时隙调度算法，减少了次用户数据包的超时丢失，但该技术未考虑提高检测准确性和降低退避延时这两种性能指标。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种认知无线电带内频谱动态检测方法。本发明在不影响次用户数据吞吐性能的前提下，能根据次用户网络层数据业务需求自适应调整动态检测用时，有效地降低了次用户退避延时，尤其适用于轻数据业务负载的认知无线电网络场景。

本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤：

第一步，划分带内检测子周期：次用户的MAC(数据连接层)层将整个时间轴划分为若干个带内检测周期，每个带内检测周期再划分为N个等时长的带内检测子周期。

所述的N的范围是：

$1\le N<\frac{T_d}{T_s},$

其中：T_d为带内检测周期的时长，T_s为带内检测阶段的时长。

第二步，跨层获取吞吐量需求：在带内检测周期开始的时刻，次用户MAC层从网络层获取次用户网络层的数据吞吐量要求d。

所述的数据吞吐量要求d是通过协议栈预设的层间接口函数获取的，或者是通过观测网络层数据包队列长度获取的。

第三步，设置动态检测触发函数：在每个带内检测周期开始时刻，根据获取的数据吞吐量要求d，更新设置本带内检测周期中的动态检测阶段的触发概率P_d。

所述的触发概率P_d为：

$P_d=\max \left\{\min \right[\frac{\frac{T_d}{T_s}·(1-\frac{d}{C})-1}{N-1},1],0\},$

其中：T_d为带内检测周期的时长，T_s为带内检测阶段的时长，d为次用户网络层的数据吞吐量需求，C为次用户当前所占用的授权信道的信道容量。

第四步，带内动态检测：次用户在每个带内检测周期的第一个子周期内执行周期性带内检测，在剩下的(N-1)个子周期以P_d的概率执行动态带内检测，在带内检测阶段的时长内，次用户暂停所有的数据传输业务，当检测到主用户出现，次用户放弃当前授权信道的使用权；若在带内检测周期未检测到主用户出现，则返回第二步，进入下一个带内检测周期。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：不影响次用户数据吞吐性能的前提下，能根据次用户网络层数据业务需求自适应调整动态检测用时，有效地降低了次用户退避延时，尤其适用于轻数据业务负载的认知无线电网络场景。

附图说明

图1为本发明的时间示意图；

图2为实施例的退避延时性能比较示意图；

图3为实施例的次用户吞吐量性能比较示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的方法进一步描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本实施例中授权信道的传输速率是1.5Mbps，数据包长度是1000bytes，主用户工作状态时间服从均值为50s的指数分布，主用户离开状态时间也服从均值为50s的指数分布，两者相互独立，带内检测周期T_d为500ms，实施例仿真共执行10000次，每次持续1000s，包括步骤为：

第一步，划分带内检测子周期：如图1所示，整个时间轴被划分为一系列的等长的带内检测周期T_d＝500ms，每个带内检测周期被进一步划分为N＝10个等长的带内检测子周期T_{d_sub}＝50ms，每个带内检测子周期包括：带内检测阶段和数据传输阶段，预配置带内检测阶段的时长T_s＝3ms。

所述的带内检测阶段是周期性带内检测阶段，或者是动态带内检测阶段。

第二步，跨层获取吞吐量需求：在带内检测周期开始的时刻，次用户MAC层通过协议栈预设的层间接口函数获取次用户网络层的数据吞吐速率需求d。本实施例中，数据吞吐速率需求d的范围是0.8M bits/s≤d≤1.6M bits/s。

第三步，设置动态检测触发函数：在每个带内检测周期开始时刻，根据获取的数据吞吐量要求d，更新设置本带内检测周期中的动态检测阶段的触发概率P_d。

次用户网络层的数据业务满足率为：

$U=\min (\frac{C}{d},1)---\left(1\right)$

其中，d为次用户网络层的数据吞吐量需求，C为次用户当前所占用的授权信道的信道容量。

现有技术的周期性带内检测方法的有效传输速率R_peirodical和本实施例的有效传输速率R_new分别为：

$R_{\mathrm{perodical}}=\frac{T_d-·T_s}{T_d}·C---\left(2\right)$

$R_{\mathrm{new}}=\frac{T_d-[(N-1)P_d+1]·T_s}{T_d}·C$

当现有技术的周期性带内检测方法提供的网络层数据业务满足率U_periodical＝1时，要求本实施例的网络层数据业务满足率为U_new＝1。由公式(1)和公式(3)可得：

$\frac{T_d-[(N-1)P_d+1]·T_s}{T_d}·C\ge d---\left(4\right)$

即当本实施例的动态检测阶段的触发概率P_d满足公式(4)时，可以保证次用户数据业务满足率为1，取触发概率P_d1为：

$P_{d1}=\min [\frac{\frac{T_d}{T_s}·(1-\frac{d}{C})-1}{N-1},1]---\left(5\right)$

当U_periodical＜1时，$U_{\mathrm{new}}=U_{\mathrm{periodical}}=\frac{T_d-T_s}{T_d}·\frac{C}{d},$由公式(1)和公式(3)，得到带内检测周期内的动态检测阶段的触发概率为：

P_d2＝0(6)

综合公式(7)和公式(8)可以得到动态检测阶段的触发概率P_d为：

$P_d=\max \{P_{d1},P_{d2}\}$

$=\max \left\{\min \right[\frac{\frac{T_d}{T_s}·(1-\frac{d}{C})-1}{N-1},1],0\}---\left(7\right)$

本实施例当数据吞吐量需求d为1.44Mbits/s时，根据公式(7)可得对应的触发概率P_d＝0.63。

第四步，带内动态检测：次用户在每个带内检测周期的第一个子周期内执行周期性带内检测，在剩下的9个子周期以P_d的概率执行动态带内检测，在带内检测阶段的时长内，次用户暂停所有的数据传输业务，当检测到主用户出现，次用户放弃当前授权信道的使用权；若在带内检测周期未检测到主用户出现，则返回第二步，进入下一个带内检测周期。

分别采用本实施例方法和现有技术的周期性带内检测方法得到的退避延时的比较示意图如图2所示，本实施例的次用户退避延时远小于周期性带内检测方法得到的次用户退避延时，随着次用户网络层数据负载要求的上升，动态检测阶段的触发概率P_d相应下降，本实施例和周期性带内检测方法在次用户的退避延时性能方面趋近一致。由此可见，本实施例在次用户轻数据业务负载的场景下能大幅度降低次用户退避延时，有效地保护主用户正常通信的进行。

分别采用本实施例方法和现有技术的周期性带内检测方法得到的次用户吞吐量的比较示意图如图3所示，本实施例和周期性带内检测方法在次用户平均吞吐量方面性能基本相同，这是由于本实施例是在次用户的网络层数据业务满足率与周期性带内检测方法所提供的数据业务满足率相同的前提下设计的，故不会影响次用户的平均吞吐量性能。

本实施例在不影响次用户数据吞吐性能的前提下，能根据次用户网络层数据业务需求自适应调整动态检测用时，有效地降低了次用户退避延时，尤其适用于轻数据业务负载的认知无线电网络场景。