专利名称：一种基于认知无线电技术进行频谱切换的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信和移动通信领域，尤其涉及基于认知无线电技术进行频谱切
换的方法和系统。
背景技术：
传统的固定频谱分配方案为各个不同的无线通信系统分别分配互不重叠的专用 频段，在这种频谱分配体制下，伴随着无线及移动通信系统的迅猛发展和广泛部署，作为无 线及移动通信重要承载的频谱资源变得越来越稀缺，特别是适合于移动通信的2GHz以下 的大部分频段已经分配殆尽，这成为许多新型无线及移动通信系统的研究、开发及部署所 面临的首要问题。 然而，经过许多无线管理部门及通信企业、科研单位对频谱使用现状进行测量发 现，分配给无线及移动通信系统的专用频谱在大部分时间内并未得到充分利用，在某段时 间和某部分空间范围内，已经分配的专用频带上存在大量的未被使用的频谱空洞。也即频 谱稀缺问题的根源是陈旧的固定频谱分配策略，而不是频谱本身的缺乏。
为了充分利用已分配给授权系统使用但在某段时间或特定空间上未被占用的空 闲频谱资源，认知无线电技术作为一种有效的解决方案受到广泛的关注和研究。它可以动 态的检测、跟踪、适应无线环境的变化，动态利用授权系统未使用的频谱、选择适当的传输 参数进行通信。目前，关于认知无线电技术中的动态频谱分配和管理策略、机制和算法的研 究已经广泛开展并取得了较多的研究成果，其中像欧洲的WINNER系统可以动态适应频谱 的使用状况，进而调节、改变系统参数以实现实时可靠通信；美国的IEEE 802. 22无线区域 网标准基于认知无线电技术，研究对未被充分使用的广播电视频段进行移动通信。
空闲频谱的空时变化特性以及各种业务的不同QoS要求是目前认知无线电研究 与应用中面临的两个主要问题，而动态频谱管理是解决这些问题最核心的技术。目前关于 动态频谱管理的研究主要分为频谱检测、频谱判决、频谱共享和频谱移动性四个方面。
频谱检测进行空闲频谱的实时发掘，频谱判决为认知用户选择合适的空闲频谱提 供依据，频谱共享解决多个用户同时接入空闲频谱的问题，而频谱移动性即频谱切换则可 使用户通过更新工作频谱保持与网络的持续良好连接。频谱检测、判决和共享为认知用户 高效使用空闲频谱提供了必要的基础，这三方面的研究工作开展较早。 当采用认知无线电技术后，通常将用户分为授权用户与认知用户，授权用户享有 对所分配频谱的绝对优先使用权，认知用户则动态检测、跟踪授权用户的频谱占用情况，在 其未使用的空闲频谱上进行通信。当授权用户重新使用认知用户正在使用的频谱时，认知 用户需立刻停止在该段频谱上的通信，将该段频谱还给授权用户使用。为了保证认知用户 通信的持续性、业务QoS和吞吐量，它可以在让出该段频谱的同时，平滑切换到其它空闲频 段继续通信；另外，当认知用户所占用频谱的链路质量变得很差或其不能满足用户当前业 务或新增业务需求时，或者基于系统对负载均衡的考虑，也可以进行频谱切换，将认知用户 切换到其它更适合的空闲频谱。CN 为了满足用户无缝、泛在通信的需求，保持用户与网络的持续连接并保障各种应 用的QoS要求，从本质上实现频谱的动态管理与使用，频谱切换是尤为重要的一环。目前关 于频频谱切换技术的研究工作刚刚展开，频谱切换准则、机制等方面亟待研究。
发明内容
本发明的目的在于提供基于认知无线电技术进行频谱切换的方法和系统，以保证 认知用户通信的连续性和业务服务质量。 根据本发明一方面，提出一种基于认知无线电技术进行频谱切换的方法，包括以 下步骤(l)将认知用户的通信过程按时间维度划分为数据传输时段和频谱检测时段；(2) 在数据传输时段，认知用户在当前使用的频谱上进行通信和数据传输；(3)在频谱检测时 段，判断是否需要切换频谱，如果需要，执行步骤(4) ;(4)检测可用频谱集合中是否存在可 用频谱，如果存在，执行步骤(5)，所述可用频谱的频谱可用度超过可用频谱阈值、可用时长 超过可用时长阈值且未被占用；(5)将认知用户当前使用的频谱切换为所述可用频谱。
进一步，步骤(4)中检测可用频谱集合中是否存在可用频谱的操作，还包括以下 步骤如果不存在可用频谱，重新设定频谱检测时段持续时间，重新设定可用频谱阈值和/ 或可用时长阈值；在重新设定的频谱检测时段持续时间内检测频谱可用度超过重新设定的 可用频谱阈值、可用时长超过重新设定的可用时长阈值且未被占用的可用频谱。
进一步，重新设定的频谱检测时段持续时间为频谱切换最大时延阈值，重新设定 的可用频谱阈值和可用时长阈值是对原可用频谱阈值和可用时长阈值分别进行加权后得 到。 进一步，在每次完成频谱检测后，根据频谱稳定度，计算并重新设定频谱检测时段 持续时间，并以此作为下一次频谱检测时段的持续时间；或者当需要频谱切换但可用频谱 集合为空时，在将要进行的频谱检测开始前重新设定频谱检测持续时间为频谱切换时延阈 值，作为将要进行的频谱检测的持续时间。 进一步，步骤(3)中判断是否需要切换频谱的操作，还包括以下步骤如果不需要 切换频谱，在频谱检测时段的持续时间内检测可用频谱，并根据检测到的可用频谱更新可 用频谱集合。 进一步，根据检测到的可用频谱更新可用频谱集合的操作，还包括以下步骤若 可用频谱集合未满，且同时在整个频谱检测时段Ts_内始终满足P，w > Pthresh。ld+Physte
e^，且频谱可用时长T > 、^h。w，则将可用频谱加入到可用频谱集合，其中P』id^为 可用频谱的频谱可用度，Pttosh。ld为可用频谱阈值，Physteresisl为频谱添加滞后值，T th_h。ld
为频谱可用时长阈值；若可用频谱集合已满，并在整个频谱检测时段T，^内始终满足
Pcandidate ^ PWOTSt+PhyStCTeSiS2 ，且步^H普可用时长f超足T candidate
> T wOTSt，则用可用频谱替换掉可 用频谱集合中最差的频谱PWOTSt，其中PhystCTesis2为频谱替换滞后值，T thresh。ld—relax为可用频谱 的可用时长，、。w为可用频谱集合中最短的频谱可用时长；若可用频谱集合中的可用频谱 已被占用或者不再符合要求，则将其在可用频谱集合中移除。 进一步，步骤(2)在数据传输时段还执行以下操作定义频谱检测预估计阈值P ; 估计认知用户在设定的通信时长内进行通信后被授权用户索回频谱的概率；当计算出索回 频谱的概率超过频谱检测预估计阈值P时，启动频谱检测阶段。
根据本发明另一方面，还提出一种基于认知无线电技术进行频谱切换的系统，包 括时段划分模块，将认知用户的通信过程按时间维度划分为数据传输时段和频谱检测时 段；数据传输模块，在数据传输时段，认知用户在当前使用的频谱上进行通信和数据传输； 频谱判决模块，在频谱检测时段，判断是否需要切换频谱，如果需要，判断可用频谱集合中 是否存在可用频谱；频谱检测模块，检测频谱可用度超过可用频谱阈值、可用时长超过可用 时长阈值且未被占用的可用频谱；频谱切换模块，将认知用户当前使用的频谱切换为所述 可用频谱。 进一步，频谱检测模块在没有可用频谱时，重新设定频谱检测时段持续时间，重新 设定可用频谱阈值和/或可用时长阈值，并在重新设定的频谱检测时段持续时间内检测频 谱可用度超过重新设定的可用频谱阈值、可用时长超过重新设定的可用时长阈值且未被占 用的可用频谱。 进一步，重新设定的频谱检测时段持续时间为频谱切换最大时延阈值，重新设定 的可用频谱阈值和可用时长阈值是对原可用频谱阈值和可用时长阈值分别进行加权后得 到。 进一步，频谱检测模块在频谱检测模块完成频谱检测后，根据频谱稳定度，计算并 重新设定频谱检测时段持续时间，并以此作为下一次频谱检测时段的持续时间；或者当需 要频谱切换但可用频谱集合为空时，在将要进行的频谱检测开始前重新设定频谱检测持续 时间为频谱切换时延阈值，作为将要进行的频谱检测的持续时间。 进一步，频谱检测模块还在不需要切换频谱时，在频谱检测时段的持续时间内检 测可用频谱，根据检测到的可用频谱更新可用频谱集合。 进一步，所述频谱切换的系统还包括频谱预估模块，定义频谱检测预估计阈值 P ，估计认知用户在设定的通信时长内进行通信后被授权用户索回频谱的概率，当索回频 谱的概率超过频谱检测预估计阈值P时，启动频谱检测时段。 本发明基于认知无线电技术进行频谱切换的方法，首先，在认知用户需要进行频 谱切换时，检测到可用频谱并将认知用户当前使用的频谱切换为所述可用频谱，用以保证 认知用户的通信过程。其次，当可用频谱集合中可用频谱为空或者被占用，重新设定频谱检 测时段持续时间，重新设定可用频谱阈值和/或可用时长阈值，并在重新设定的频谱检测 时段持续时间内检测频谱可用度超过重新设定的可用频谱阈值、可用时长超过重新设定的 可用时长阈值且未被占用的可用频谱，维持认知用户的继续通信过程。因此，本发明可以保 证认知用户通信的连续性和业务服务质量。 进一步，本发明还可通过调整频谱检测时段密度、可用频谱集合大小、检测预估计 阈值、切换时延阈值等参数来维护不同的可用频谱集合，适应不同业务的频谱切换需求。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发 明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中
图1为本发明基于认知无线电技术进行频谱切换的方法流程图。
图2为本发明基于认知无线电技术进行频谱切换的系统结构图。
具体实施例方式
当认知用户所使用的频谱被授权用户索回、或者链路质量变差、或者所使用的频 谱不能满足其当前业务或新业务需求、或者为了均衡系统间的负载，可以采用频谱切换以 提高认知用户的服务质量和系统吞吐量。 频谱切换与小区间切换在切换流程上有些类似，但是，频谱切换不同于传统的小 区间切换。首先，频谱切换并不一定需要相邻的基站参与，也即频谱切换经常会是小区内的 切换；其次，频谱切换具有很强的随机性，由于授权用户的到达和离开、无线信道条件以及 用户的业务需求都具有很大的随机性，频谱切换的发生也具有很大的随机性；再次，由于不 同授权系统的带宽、载频范围都不同，使得频谱切换需要更多的考虑频谱相关的因素而不 仅仅是链路的信噪比。所以，频谱切换更多的新特性使得频谱切换比小区间切换更复杂，各 个过程需要很多新的理念和处理方法，并需要各个过程更好的协调。 下面将结合附图和实施例具体说明本发明的频谱切换方法，以协调好切换流程， 尤其保证认知用户通信的连续性和业务服务质量。
图1为本发明基于认知无线电技术进行频谱切换的方法流程图，包括以下步骤
在步骤101，将认知用户的通信过程按时间维度划分为数据传输时段和频谱检测 时段。 频谱检测时段的开始时刻与认知用户所占用频谱的业务分布和其正在进行的数 据传输时段的时长相关。频谱检测时段的时域位置可以是均匀分布，也可以根据业务的到 达情况定义为泊松分布、指数分布等非均匀分布；频谱检测时段的持续时间可以是固定不 变的，可以设置为系统中时隙的倍数，或者基本传输时间间隔的倍数，或者是帧的倍数等固 定时长；也可以根据频谱稳定度、已进行频谱检测的次数以及数据传输时段持续时间进行 灵活调整。 如果需要调整，可以定义频谱稳定度为 其中Favailable为某段频谱连续位于可用频谱集合中的次数，Fsmre为某段时间内系 统进行频谱检测的次数。 可用频谱集合的总体频谱稳定度定义为所述集合中所有频谱元素的归一化频谱 稳定度 H = f^ 其中N为可用频谱集合的大小，即集合中可用频谱单元的数目，I为第i个可用 频谱单元的频谱稳定度。H越大则说明可用集合中的频谱越稳定。 H将影响下一次频谱检测的持续时间，H越大则下次频谱检测时段的持续时间则 可以越短，反之亦然。下一次频谱检测的持续时间可以根据不用的业务模型定义为H的线 性函数、对数函数或指数函数。 在步骤102，在数据传输时段，认知用户在当前使用的频谱上进行通信和数据传 输。
在数据传输时段还可以进行频谱切换预估计，具体操作为定义频谱检测预估计阈值P ，估计认知用户在设定的通信时长内进行通信后被授权用户索回频谱的概率，当索 回频谱的概率超过频谱检测预估计阈值P时，认知用户需停止数据传输，开始进行频谱检 测。授权用户索回频谱的概率同其业务分布模型与频谱使用的历史信息相关。
考虑到授权用户重新使用认知用户占用的频谱进行传输时会使认知用户的信道 质量变差，从而需要开启频谱检测时段的情况，我们对频谱检测预估计阈值定义如下 其中，Pth为频谱检测预估计初始阈值，SU，K为认知用户通过导频、参考信号等获 得的信干燥比，SUSINK—th为认知用户信干燥比阈值。 由于只是在认知用户的频谱可能被索回时或者首要用户突然出现时进行频谱检 测，相比于周期性进行检测的方法，大大减少了不必要的检测次数，进而提高系统的吞吐 在步骤103，在频谱检测时段，判断是否需要切换频谱，如果需要，执行步骤105， 否则执行步骤104。 当认知用户通过相应的导频信道或者其所属系统的导频信息、参考信号等获得频 谱切换触发信息，或者是用户主动触发的切换时，比如，有更高的业务需求、检测到当前使 用频谱被占用，判断为需要切换频谱。频谱切换的触发可以发生在数据传输和频谱检测阶 段。 在步骤104，在频谱检测时段的持续时间内检测可用频谱，并根据检测到的可用频 谱更新可用频谱集合。跳转到步骤102继续执行数据传输时段和频谱检测时段的流程。
更新可用频谱集合包括添加、替换和移除可用频谱，具体为 若可用频谱集合未满，且同时在整个频谱检测时段Tsen。e内始终满足p。mdidate > pt
hreshold+Physteresisl赁
且频谱可用时长T > 、h^h。w，则将可用频谱加入到可用频谱集合中，其
中P。andid^为可用频谱的频谱可用度，Physt,sisl为频谱添加滞后值；若可用频谱集合已满，
并在整个频谱检测时段T，e内始终满足P^w > P^t+Pw^，且频谱可用时长满足 T randidate > T w_t，则用可用频谱替换掉可用频谱集合中最差的频谱PwOTSt，其中Physteresis2为 频谱替换滞后值，T，did^为可用频谱的可用时长，、OTSt为可用频谱集合中最短的频谱可
用时长；若可用频谱集合中的可用频谱已被其他用户占用或者不再符合要求，这里所说的
符合要求是指，将频谱可用度不再超过可用频谱阈值、可用时长不再超过可用时长阈值的 可用频谱，则将其在可用频谱集合中移除。PhystCTesisl和Physteresis2分别为频谱增加与频谱替 换时为避免乒乓效应而引入的滞后值，可以根据业务繁忙情况等因素灵活设定。 在步骤105，检测可用频谱集合中是否存在可用频谱，如果是，执行步骤108，否则 执行步骤106。所述可用频谱的频谱可用度超过可用频谱阈值、可用时长超过可用时长阈值 且未被占用。 认知用户使用的频谱检测方法可以是基于发射机的检测、基于接收机的检测、基 于干扰温度的检测、能量检测、特征检测、协同检测等方法或它们的不同组合形式。
根据可用频谱维护可用频谱集合时，可以单独或综合考虑以下因素载波频率、带 宽、链路质量、频谱检测可靠度、频谱使用的历史信息、频谱的可用时长、所述可用频谱集合 大小等。其中，可用频谱集合中的频谱叫做频谱单元，频谱单元带宽可变，本发明对频谱切换前后的频谱传输能力通过带宽、载频、SNR以及用户的QoS等作整体评估，对切换目标频 谱的带宽没有严格的限定。其中，可用频谱集合的大小与系统对认知用户中断概率、阻塞概 率、业务QoS和吞吐量以及可用频谱的被授权用户索回的概率有关。系统维护的可用集合 越大，则认知用户的切换失败概率就越小，但是系统计算复杂度越高，就越有可能满足业务 QoS要求，获得更大的吞吐量，反之亦然。 在本实施例中，将满足频谱可用度、频谱可用时长的可用频谱加入到可用频谱集
合，即S
available
(S :p > pthr,
eshold ，
threshold」
其中，S,
available
为可用频谱集合，s表示
加入可用频谱集合中的频谱单元，p为频谱可用度，Ptwh。w为加入可用频谱集合中的可用
频谱阈值，它的大小由用户的QoS要求以及可用频谱集合大小共同决定。t为可用时长，根
据授权用户的业务概率分布对频谱的可用时长t进行预估计，、h^h。w为频谱可用时长阈 值。下面将具体说明频谱可用度P的计算过程。 频谱可用度p为
V、
.exp(f — 1) =
"尽log(l + ^) , ^
^1og(l + ^)
乂/r 其中Bs、 Ys、fs分别表示认知用户正在使用频谱的带宽、信噪比(SNR)和载频；BT、 Y T、 fT分别表示认知用户检测到未被占用的可用频谱单元的带宽、SNR和载频；a 、 13分别 为调节因子(a+P = l)，用以调节可用频谱的传输能力与传播能力所占的重要程度，其中 传输能力可以由用户在此段频谱上可达到的传输速率来表征，传播能力与频谱特性相关， 表征该频谱的空间传输大尺度损耗状况，a、 P可以根据系统可用频谱跨度以及业务分布 等因素分别调整；e为可用频谱被正确检测的概率。在上式中，p越大代表可用频谱的频谱 可用性就越高。 进一步，将可用频谱集合中可用频谱按照频谱可用度从大到小的顺序进行排序。 这样，在之后切换频谱时，只需将检测到的排序最高的一个可用频谱作为切换目标频谱即 可，可以实现快速的检测到可用频谱。 在步骤106，重新设定频谱检测时段持续时间，重新设定可用频谱阈值和/或可用
时长阈值，并在重新设定的频谱检测时段持续时间内检测频谱可用度超过重新设定的可用
频谱阈值、可用时长超过重新设定的可用时长阈值且未被占用的可用频谱。 其中，可用频谱集合中没有可用频谱，比如，可用频谱集合为空或可用频谱被占
用。重新设定的频谱检测时段持续时间为频谱切换最大时延阈值，频谱切换最大时延阈值
由认知用户业务需求、服务质量、检测误差等因素综合决定。重新设定的可用频谱阈值和可
用时长阈值是对原可用频谱阈值和可用时长阈值分别进行加权后得到。下面将举例说明。 考虑到认知用户对切换时延的要求，可以设定松弛系数以降低对可用频谱的要
求；也可以不采用松弛系数，直接对频谱进行评估。 松弛系数的定义为
W = 其中，Tsmre last为认知用户进行切换要求前最后一次频谱检测持续时间，TDelay为切 换时延阈值，即认知用户所能忍受的最大切换时延，由认知用户业务需求、服务质量、检测误差等因素综合决定。使用所述松弛系数对可用频谱阈值Pthresh。ld和可用时长阈值进行加 权以进一步降低对频谱的评估要求，具体如下Pthreshold—relax 一 03 Pthreshold t threshold—relax 一 to t threshold 其中，pttosh。ld relax和t thMsh。ld—relax分别为进行松弛系数加权后的可用频谱阈值和 可用时长阈值。 在步骤107，判断是否检测到可用频谱，如果检测到，执行步骤108，否则执行步骤 109。 在步骤108，将认知用户当前使用的频谱切换为所述可用频谱。 当认知用户需要进行频谱切换时，若可用频谱集合非空，则对集合中的可用频谱
按顺序进行快速检测评估(仅检测频谱是否被其他用户占用)，并将所检测到的排序最高
的一个可用频谱作为切换目标频谱，完成切换。所述的快速频谱检测是指仅针对可用频谱
的检测，其检测方法可以是简单的能量检测，因其检测频谱相对固定且检测方法简单，执行
速度较普通的频谱检测过程更快。 在步骤109，认知用户保持现有通信状态，重新发起频谱切换请求，结束流程。
本发明基于认知无线电技术进行频谱切换的方法，首先，在认知用户需要进行频 谱切换时，检测到可用频谱并将认知用户当前使用的频谱切换为所述可用频谱，用以保证 认知用户的通信过程。其次，当可用频谱集合中可用频谱为空或者被占用，重新设定频谱检 测时段持续时间，重新设定可用频谱阈值和/或可用时长阈值，并在重新设定的频谱检测 时段持续时间内检测频谱可用度超过重新设定的可用频谱阈值、可用时长超过重新设定的 可用时长阈值且未被占用的可用频谱，维持认知用户的继续通信过程。因此，本发明可以保 证认知用户通信的连续性和业务服务质量。 进一步地，本发明还可通过调整频谱检测时段密度、可用频谱集合大小、检测预估 计阈值、切换时延阈值等参数来维护不同的可用频谱集合，适应不同业务的频谱切换需求。
图2为本发明基于认知无线电技术进行频谱切换的系统结构图，包括时段划分 模块、数据传输模块、频谱判决模块、频谱检测模块、频谱切换模块。 时段划分模块，将认知用户的通信过程按时间维度划分为数据传输时段和频谱检 测时段。 数据传输模块，在数据传输时段，认知用户在当前使用的频谱上进行通信和数据 传输。 频谱判决模块，在频谱检测时段，判断是否需要切换频谱，如果不需要切换频谱， 还调用频谱检测模块检测可用频谱，以更新可用频谱集合，具体更新操作将在频谱检测模 块中进行说明。如果需要切换频谱，调用频谱检测模块进行频谱检测，根据检测结果判断可 用频谱集合是否存在可用频谱，当检测结果表明有可用频谱时，通知频谱切换模块进行切 换。 当检测结果表明没有可用频谱时，比如，可用频谱集合为空或可用频谱被占用，还 调用频谱检测模块继续检测，此时频谱检测模块重新设定频谱检测时段持续时间，重新设 定可用频谱阈值和/或可用时长阈值，并在重新设定的频谱检测时段持续时间内检测频谱 可用度超过重新设定的可用频谱阈值、可用时长超过重新设定的可用时长阈值且未被占用的可用频谱。其中，重新设定的频谱检测时段持续时间为频谱切换最大时延阈值，重新设定 的可用频谱阈值和可用时长阈值是对原可用频谱阈值和可用时长阈值分别进行加权后得 到。 频谱切换模块，将认知用户当前使用的频谱切换为所述可用频谱。 频谱检测模块，检测频谱可用度超过可用频谱阈值、可用时长超过可用时长阈值
且未被占用的可用频谱。 其中，频谱检测模块还在不需要切换频谱时，在频谱检测时段的持续时间内检测 可用频谱，并根据检测到的可用频谱更新可用频谱集合。 频谱检测模块执行的更新可用频谱集合的操作包括添加、删除和替换可用频谱， 具体如下在可用频谱集合未满，且同时在整个频谱检测时段Ts_内始终满足p。andidate > pth
reshold+Physteresisl ，且频谱可用时长满足t >
threshold
，则将可用频谱加入到可用频谱集合中；
在可用频谱集合已满，并在整个频谱检测时段Tsen。e内始终满足Pc
^ Pworst+P:
worst Physteresis2 ，
且频谱可用时长满足
candidate
t，则将可用频谱替换掉可用集中最差的频谱Pw
其中t WOTSt为可用频谱集合中最短的频谱可用时长；在可用频谱集合中的可用频谱检测到 已经被其他用户占用或者不再符合可用频谱评估准则的要求，则将其在可用频谱集合中移 除，Phystosisl和Physt,sis2分别为频谱添加滞后值和频谱替换滞后值。 频谱检测模块重新设定频谱检测时段持续时间，具体包括以下两种方式在频谱 检测模块完成频谱检测后，根据频谱稳定度，计算并重新设定频谱检测时段持续时间，并以 此作为下一次频谱检测时段的持续时间；或者当需要频谱切换但可用频谱集合为空时，在 要进行的频谱检测开始前重新设定频谱检测持续时间为频谱切换时延阈值，作为将要进
将
行的频谱检测的持续时间。 此外，本发明所述系统还包括频谱预估模块，定义频谱检测预估计阈值P ，估计 认知用户在设定的通信时长内进行通信后被授权用户索回频谱的概率，当计算出索回频谱 的概率超过频谱检测预估计阈值P时，启动频谱检测时段。 本发明基于认知无线电技术进行频谱切换的系统，首先，频谱检测模块在认知用
户需要进行频谱切换时，检测到可用频谱并将认知用户当前使用的频谱切换为所述可用频
谱，用以保证认知用户的通信过程。其次，频谱检测模块还在可用频谱集合中可用频谱为空
或者被占用，重新设定频谱检测时段持续时间，重新设定可用频谱阈值和/或可用时长阈
值，并在重新设定的频谱检测时段持续时间内检测频谱可用度超过重新设定的可用频谱阈
值、可用时长超过重新设定的可用时长阈值且未被占用的可用频谱，维持认知用户的继续
通信过程。因此，本发明可以保证认知用户通信的连续性和业务服务质量。 进一步地，本发明还可通过调整频谱检测时段密度、可用频谱集合大小、检测预估
计阈值、切换时延阈值等参数来维护不同的可用频谱集合，适应不同业务的频谱切换需求。 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例一 针对授权用户为GSM系统的用户，认知用户使用授权用户未使用的频谱，并在授 权用户重新索回频谱时进行频谱切换。
根据本发明提出的频谱切换机制及准则，其频谱切换流程如下 由于GSM系统业务主要为语音业务，授权用户通话到达的概率分布服从泊松分布，通话间隔服从负指数分布；通话持续时长的概率分布服从负指数分布，通话离开概率服 从泊松分布。 设通话到达率为A ，则其概率密度函数为
柳=.
通话间隔服从平均时长为1/A的负指数分布，其概率密度函数为 (_0x <0
设平均通话时长为1/p ，则其概率密度函数为
G2(x)=
I pe， "0
通话离开概率分布服从离开率为P的泊松分布，其概率密度函数为
， 根据上述概率分布，只有当授权用户通话间隔期间认知用户才可以占用其频谱， 则其数据传输时段持续时长的概率分布为
",、f Ae一" x 2 0
G!(x)叫 假设频谱检测预估计阈值P在GSM系统中为0. 7，即当认知用户须在可用频谱上 通信时长x后可能被授权用户索回的概率满足^ (x) > 0. 7时，假设此时授权用户可能出 现，则终止数据传输，进行频谱检测。 在频谱检测时段，认知用户首先确定是否进行频谱切换，然后进行频谱检测，第一 次频谱检测的时间将一直持续到频谱切换时延阈值所规定的时间。用户若需要频谱切换， 且没有符合要求的频谱，则开始下一次切换请求。
当检测到空闲频谱，依据可用频谱评估准则 p =
Sslog(l + &)
,尸、
exp(s — 1) 对空闲频谱进行评估，其中考虑到GSM系统的频谱集中在900MHz频段，载频对频 谱的影响很小，所以P的取值相对较小，可以取O. l，a可以取0.9，频谱检测的带宽较窄，
频谱正确检测概率e —般取值在90X以上，则可用频谱阈值Pth^h。w可以取值为l。根据授 权用户和认知用户业务到达和离开的概率分布，频谱可用时长概率分布满足^ (x)，其平均 可用时长为1/入，设定频谱90%概率下的可用时长为可用时长阈值、h^h。w，则tttosh。ld =入e—。"，当检测到的空闲频谱同时满足Saw二 {s:p^l， t > Ae—°9A}时，则将其 加入到可用频谱集合中，在本实施例中，设定可用频谱集合大小为3，则只将满足以上条件 最好的三个频谱单元加入到集合中。 接下来依据可用频谱集合更新准则对可用频谱集合进行更新，其中两个滞后值 Physteresisl和Physteesis2可分别取值为0. 1和0. 2。 第一次频谱检测时段持续时间为切换时延阈值，第一次以后的每次频谱检测时段持续时间可以根据频谱稳定度进行调整，在此定义了一个H的线性函数 rre ce=.
〉i 其中，t为某用户频谱检测的次数，式子中的H为t-l次时的计算值，若t-l = l则 H = 0。这样的话，若所述的可用频谱集中的频谱稳定度越高，则需要越短的检测时间来更 新可用频谱集合。 当认知用户需要进行频谱切换时，根据频谱切换准则，若可用频谱集合非空，则对 该集合中的频谱再一次进行快速检测评估，并在所检测到的第一个可用频谱上继续进行数 据传输，完成切换； 若此时可用频谱集合中的频谱均被占用，认知用户开始对一定的范围的频谱进行 检测。考虑到认知用户对切换时延的要求，为可用频谱集合更新准则设定松弛系数以降低 对可用频谱的要求。
其中松弛系数
犯Hce /。W
，通过此松弛系此时可用频谱评估准则中的可用频谱阈值Pth^h。w = 1 数，有机会搜寻到更多符合要求的频谱，从而提高了频谱切换的成功率。 若在系统预先设定的频谱切换最大时延阈值T。^y = Is内检测到可用频谱，认知
用户调整其相应的发射机参数在此可用频谱上继续进行数据传输，完成切换； 若在系统预先设定的频谱切换最大时延阈值内仍未检测到可用频谱，则认知用户
退出此次频谱切换流程，并发起下一次切换请求。 实施例二 针对授权用户为宽带OF匿系统的用户，认知用户动态使用授权用户未被使用的 频谱，并在认知用户提出更高带宽请求时进行频谱切换。 由于业务种类十分丰富，包括会话类、流类、交互类和背景类等，各业务对时延、时 延抖动、带宽等要求都不相同，当正在通信的认知用户提出新的更高带宽需求的业务时，可 以进行频谱切换以满足用户需求。 本实施例考虑当认知用户正在使用授权用户的频谱，而频谱预估计阈值还未到达 时，由于授权用户索回频谱所触发的切换。 若在此切换触发时，如果该认知用户维护了一个可用频谱集合，且该集合非空，用
户则可以直接在所述集合中选择一个满足认知用户新业务要求的合适的频谱进行切换；若
可用频谱集合为空或没有满足要求的频谱，则用户需要立即进行频谱检测。 在频谱检测时段，首先将检测到的空闲频谱作为切换可用频谱，依据可用频谱评
估准则对可用频谱进行评估，并将符合要求的频谱作为可用频谱放入可用频谱集合中。 可用频谱评估准则表达式如下
.6Xp(f — 1) p =
5slog(l + &)
、"乂 对空闲频谱进行评估，考虑到0F匿系统的频谱可能比较分散(比如LTE系统)，载频对频谱的影响较大，所以P可以取相对较大的值；由于OF匿系统是一个宽带系统，授权
用户所腾出的频谱一般能满足认知用户的基本通信需求，所以a可以取相对较小的值，但
是a仍是决定频谱是否可用的最主要的因素，在此a可以取0.7，P可以取0.3。由于频
谱检测的带宽较宽且可能跨越多段离散频谱(比如LTE系统)，频谱正确检测概率e —般
取值为70X左右，则可用频谱阈值Ptwh。w可以取值为1. 5。根据授权用户和认知用户业务
所使用频谱的历史信息，设定频谱在90%概率下的持续时长为可用时长阈值t ttosh。ld，当
检测到的空闲频谱同时满足Saw二 {S:p>1.5， t > tthresh。ld}时，则将其加入到可
用频谱集合中，并选择符合所述集合中排序最高的一个作为切换目标频谱。 关于频谱检测的时间，第一次频谱检测的时间将一直持续到频谱切换时延阈值所
规定的时间，由于多种业务对时延要求的多样性，时延阈值T。^y的确定可以单独考虑区分
不同的业务类型，也可以综合考虑各业务的服务级别及其所占网络负载的比例。 若在系统预先设定的频谱切换最大时延阈值TD^y内检测到合适的可用频谱，认知
用户调整其相应的发射机参数在此可用频谱上继续进行数据传输，完成切换； 若在系统预先设定的频谱切换最大时延阈值内仍未检测到可用频谱，则认知用户
退出此次频谱切换流程，并发起下一次切换请求。
权利要求
一种基于认知无线电技术进行频谱切换的方法，包括以下步骤(1)将认知用户的通信过程按时间维度划分为数据传输时段和频谱检测时段；(2)在数据传输时段，认知用户在当前使用的频谱上进行通信和数据传输；(3)在频谱检测时段，判断是否需要切换频谱，如果需要，执行步骤(4)；(4)检测可用频谱集合中是否存在可用频谱，如果存在，执行步骤(5)，所述可用频谱的频谱可用度超过可用频谱阈值、可用时长超过可用时长阈值且未被占用；(5)将认知用户当前使用的频谱切换为所述可用频谱。
2. 根据权利要求l所述频谱切换的方法，其中，步骤(4)中检测可用频谱集合中是否存 在可用频谱的操作，还包括以下步骤如果不存在可用频谱，重新设定频谱检测时段持续时间，重新设定可用频谱阈值和/ 或可用时长阈值；在重新设定的频谱检测时段持续时间内检测频谱可用度超过重新设定的可用频谱阈 值、可用时长超过重新设定的可用时长阈值且未被占用的可用频谱。
3. 根据权利要求2所述频谱切换的方法，其中，重新设定的频谱检测时段持续时间为 频谱切换最大时延阈值，重新设定的可用频谱阈值和可用时长阈值是对原可用频谱阈值和 可用时长阈值分别进行加权后得到。
4. 根据权利要求2或3所述频谱切换的方法，其中，重新设定频谱检测时段持续时间的 操作，包括以下步骤在每次完成频谱检测后，根据频谱稳定度，计算并重新设定频谱检测时段持续时间，并 以此作为下一次频谱检测时段的持续时间；或者当需要频谱切换但可用频谱集合为空时，在将要进行的频谱检测开始前重新设定频谱 检测持续时间为频谱切换时延阈值，作为将要进行的频谱检测的持续时间。
5. 根据权利要求1所述频谱切换的方法，其中，步骤(3)中判断是否需要切换频谱的操 作，还包括以下步骤如果不需要切换频谱，在频谱检测时段的持续时间内检测可用频谱，并根据检测到的 可用频谱更新可用频谱集合。
6. 根据权利要求5所述频谱切换的方法，其中，根据检测到的可用频谱更新可用频谱 集合的操作，还包括以下步骤若可用频谱集合未满，且同时在整个频谱检测时段T，。e内始终满足P，w > Pthresh。ld+Phystemisl，且频谱可用时长T ^ T thresh。ld ，则将可用频谱加入到可用频谱集合，其中Pcandidate为可用频谱的频谱可用度，Pthresh。ld为可用频谱阈值，Phywsisl为频谱添加滞后值，T th_h。ld为频谱可用时长阈值；若可用频谱集合已满，并在整个频谱检测时段Tsm。e内始终满足 Pcandidate ^ PWOTSt+PhyStCTeSiS2 ，且步^H普可用时长f超足T candidate> T wOTSt，则用可用频谱替换掉可 用频谱集合中最差的频谱PWOTSt，其中PhystCTesis2为频谱替换滞后值，T thresh。ld—relax为可用频谱 的可用时长，T wOTSt为可用频谱集合中最短的频谱可用时长；若可用频谱集合中的可用频谱已被占用或者不再符合要求，则将其在可用频谱集合中 移除。
7. 根据权利要求l所述频谱切换的方法，其中，步骤(2)在数据传输时段还执行以下操作定义频谱检测预估计阈值P ，估计认知用户在设定的通信时长内进行通信后被授权 用户索回频谱的概率，当索回频谱的概率超过频谱检测预估计阈值P时，启动频谱检测时 段。
8. —种基于认知无线电技术进行频谱切换的系统，包括时段划分模块，将认知用户的通信过程按时间维度划分为数据传输时段和频谱检测时段；数据传输模块，在数据传输时段，认知用户在当前使用的频谱上进行通信和数据传输；频谱判决模块，在频谱检测时段，判断是否需要切换频谱，如果需要，判断可用频谱集 合中是否存在可用频谱；频谱检测模块，检测频谱可用度超过可用频谱阈值、可用时长超过可用时长阈值且未 被占用的可用频谱；频谱切换模块，将认知用户当前使用的频谱切换为所述可用频谱。
9. 根据权利要求8所述频谱切换的系统，其中，频谱检测模块在没有可用频谱时，重新 设定频谱检测时段持续时间，重新设定可用频谱阈值和/或可用时长阈值，并在重新设定 的频谱检测时段持续时间内检测频谱可用度超过重新设定的可用频谱阈值、可用时长超过 重新设定的可用时长阈值且未被占用的可用频谱。
10. 根据权利要求9所述频谱切换的系统，其中，频谱检测模块重新设定的频谱检测时 段持续时间为频谱切换最大时延阈值，重新设定的可用频谱阈值和可用时长阈值是对原可 用频谱阈值和可用时长阈值分别进行加权后得到。
11. 根据权利要求8或9所述频谱切换的系统，其中，频谱检测模块在频谱检测模块完 成频谱检测后，根据频谱稳定度，计算并重新设定频谱检测时段持续时间，并以此作为下一 次频谱检测时段的持续时间；或者当需要频谱切换但可用频谱集合为空时，在将要进行的 频谱检测开始前重新设定频谱检测持续时间为频谱切换时延阈值，作为将要进行的频谱检 测的持续时间。
12. 根据权利要求8所述频谱切换的系统，其中，频谱检测模块还在不需要切换频谱 时，在频谱检测时段的持续时间内检测可用频谱，并根据检测到的可用频谱更新可用频谱隹A 朱n o
13. 根据权利要求8所述频谱切换的系统，还包括频谱预估模块，定义频谱检测预估 计阈值P ，估计认知用户在设定的通信时长内进行通信后被授权用户索回频谱的概率，当 索回频谱的概率超过频谱检测预估计阈值P时，启动频谱检测时段。
全文摘要
本发明提出基于认知无线电技术进行频谱切换的方法和系统，包括时段划分模块，将认知用户的通信过程按时间维度划分为数据传输时段和频谱检测时段；数据传输模块，在数据传输时段，认知用户在当前使用的频谱上进行通信和数据传输；频谱判决模块，在频谱检测时段，判断是否需要切换频谱，如果需要，判断可用频谱集合中是否存在可用频谱；频谱检测模块，检测频谱可用度超过可用频谱阈值、可用时长超过可用时长阈值且未被占用的可用频谱；频谱切换模块，将认知用户当前使用的频谱切换为所述可用频谱。本发明可以保证认知用户通信的连续性和业务服务质量。
文档编号H04B17/00GK101702635SQ200910236689
公开日2010年5月5日 申请日期2009年10月28日 优先权日2009年10月28日
发明者崔琪楣, 张子萌, 张平, 张忠起, 曲喜强, 汪赛, 许晓东, 郝志洁, 陶小峰 申请人:北京邮电大学