一种认知无线电系统中的联合空-时频谱共享方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及无线通信领域，尤其设及一种认知无线电系统的频谱共享方法。
【背景技术】
[0002] 现有的联合空-时频谱感知机制对授权频段的频谱空穴进在时域W及空域上进 行了联合感知，利用空域感知获得的主用户发射机位置W及发射功率信息，分别通过对合 作感知节点的选取W及感知节点的范围界定W提高时域频谱感知的性能。而时域频谱感知 的结果可W进一步提高空域频谱感知中对于主用户发射机的定位W及发射功率估计的准 确性。因此空域与时域频谱感知性能均可在不断重复的感知周期中得到提高。
[0003] 与传统的时域W及空域频谱感知机制相比较，联合空-时的频谱感知机制可W实 现将频谱空穴拓展到时-空-频多维空间，从而在频谱共享中进一步提高频谱利用率。
[0004] 认知无线电系统中频谱空穴的频谱特征在时域、频域W及空域S个不同维度上分 别表现为可用时长、可用带宽W及可使用的发射功率。其中，可用时长由主用户在一段时间 内对特定频段的占用度和切换次数表现，该参数不受次级用户与主用户相对位置的影响， 且并不对次级用户的发射功率进行限制，但是将影响与次级用户的业务匹配程度；可用带 宽是根据次级用户的频谱检测结果生成可用的频谱资源在频域上的集合；处于某个地理位 置的次级用户可使用的发射功率，和次级用户与主用户之间的距离有关，除了受到传统无 线通信中的衰落因素影响外，还受到了主用户干扰容限的影响。基于频谱的特性，频谱感知 主要针对于频谱的S个维度：频率，时间W及空间。目前研究主要集中于时域频谱空穴W及 空域频谱空穴的获取，对于联合空-时频谱空穴的感知问题研究比较有限。
[0005] 由于认知无线电网络中频谱空穴的上述特性，频谱感知技术目前仍面临着W下各 种困难：
[0006] 首先，用于判断主用户发射机处于ON或OFF状态的时域频谱感知已经在认知无线 电领域中获得了广泛的关注。为了克服阴影效应W及隐藏终端问题，提出了合作时域频谱 感知的方法。为了获得空域频谱空穴的空域频谱感知也在近年来成为了研究热点。当假 设授权用户发射机的传输功率W及次级用户与授权用户发射机距离信息已知的情况下，定 义了对主用户进行保护的范围，在该保护范围内的主用户不会受到来自次级用户的有害干 扰，通过保护范围边缘的累积干扰分析可W获得次级用户的最大允许传输功率。当主用户 发射机信息位置的情况，采用合作空域频谱感知。其中主用户发射机的位置W及发射功率 可W通过一组合作次级用户的接收信号强度进行估计。然而目前对于空域频谱空穴分析的 前提均假设主用户发射机总是处于ON状态，但实际情况并非如此。
[0007] 假设授权用户发射机的位置W及发射功率信息可W通过地区数据库、电磁频谱环 境地图或者频谱代理获得。次级用户通过Gl^s或其他定位机制获得其绝对位置信息或相对 主用户发射机的相对位置信息。主用户发射机实时的活动模式仍需要通过时域的频谱感知 获得。现有的联合空-时感知机制中，对于一条特定的频谱信道，空域频谱空穴为当主用户 发射机正在工作时，即主用户发射机状态为ON时次级用户可W使用的最大无干扰传输功 率（MIFTP);时域频谱空穴为当主用户发射机不工作时，即主用户发射机处于OFF状态时次 级用户可W在该信道进行传输的一段时间。然而，现有的联合空-时频谱共享研究中只考 虑了时域频谱共享对于主用户造成的干扰，忽略空域频谱共享对主用户的干扰将会导致在 联合空-时频谱共享中对主用户造成有害干扰。
【发明内容】
[000引当前现有的研究虽然考虑了联合空-时频谱感知W及共享机制，但是其具有着相 当的局限性且缺乏对于主用户干扰限制的考虑。为了解决现有技术中问题，本发明提出了 一种认知无线电系统中的联合空-时频谱共享方法，根据主用户干扰限制条件，结合次级 用户联合空-时频谱感知的特点，研究了主用户干扰限制下的最优联合空-时频谱共享机 审IJ，提出了最佳的频谱感知时间W及最优的频谱接入策略，能够保证主用户不受到次级用 户的有害干扰。
[0009] 本发明通过如下技术方案实现：
[0010] 一种认知无线电网络中的联合空-时频谱共享方法，所述认知无线电网络包括授 权系统和认知系统，其特征在于：所述方法采用多个认知用户进行合作时域频谱感知，对授 权系统主用户发射机LT的状态进行感知，当LT被判断为处于ON状态时，采用空域频谱感 知获取方式获得认知发射机在该授权信道中的可用空域频谱空穴；所述方法包括W下步 骤；所述认知系统的认知用户获取所述LT的位置W及发射功率；所述认知用户与多个次级 系统的频谱感知节点合作进行时域频谱感知，通过BS/融合中屯、最终交换本地测量结果， 同时由BS/融合中屯、做出最后判决；当所述认知用户位于LT的覆盖范围内时，则不存在可 供使用的频谱空穴；当所述认知用户不位于授权系统主用户发射机LT的覆盖范围内时，贝U 获得空域的频谱空穴，采用传输功率P,=P"PTP进行传输，PiiPTpE[0，PmJ为最大无干扰 传输功率；其中，所述认知用户通过控制传输功率来避免对授权系统中的主用户LU造成干 扰，对认知无线电系统中的感知时间进行优化来最大化认知无线电网络的系统吞吐量。
[0011] 进一步地，对LT的状态进行感知性能的衡量指标为检测概率PdW及虚警概率Pf; 其中P應LT的ON状态被认知用户正确检测的概率，Pf是LT处于OFF状态时被错误的检 测为LT正在传输的概率。
[0012] 进一步地，空域频谱空穴不仅与CU发射机与LU接收机的距离、传输中的阴影效应 W及LU的QoS需求相关，同时也依赖于时域频谱感知中的检测概率Pd。
[0013] 进一步地，在Pf-定的情况下，感知时间T越大，CU可用的空域频谱空穴越大；在 -定的情况下，T越大，Pf越小，即CU接入时域频谱空穴的概率越大；随着T的增加， CU用于传输的时间相应减小，因此，联合空-时频谱共享的认知无线电系统中的频谱感知 时间与系统吞吐量存在折中。
[0014] 进一步地，最佳感知时间利用对分法对W频谱感知时间T为变量的凸函 数C(T)求解获取，同时得到相应的最大的认知无线电系统吞吐量。
[0015] 进一步地，所述认知用户通过控制传输功率来避免对授权系统中的主用户LU造 成干扰具体为：当检测到时域频谱空穴时该传输功率限制为认知用户本身功率口限，而当 检测到的为空域频谱空穴时，该传输功率受限于授权用户的干扰概率限制，该传输功率为 Pmiftp°
[0016] 进一步地，为了保证LU不受干扰，认知用户的漏检概率小于ff为保证主用户 QoS的干扰概率的口限值。
[0017] 本发明提出的主用户干扰限制下的联合空时频谱共享方法，通过该方法次级用户 可W有效的利用授权频谱的时域W及空域频谱空穴进行通信。同时，通过对该方法与现有 的频谱共享机制进行分析比较，可W看到本发明所提出的联合空-时频谱共享方法对提高 频谱利用率的作用。
[001引运用本发明的方法可W;(1)在给定检测概率与虚警概率情况下，满足一定条件 的情况下存在联合空-时频谱共享中的最佳感知时间W及相应的联合空-时频谱空穴。（2) 分别在给定虚警概率W及检测概率的条件下，通过与空域频谱共享W及时域频谱共享机制 进行比较，可W获得联合空-时频谱共享的优势区域。（3)次级用户与最差位置接收机节 点之间的距离W及合作感知节点数目对联合空-时频谱共享中的最佳感知时间W及认知 无线电系统吞吐量的影响。本发明可W指导认知无线电网络中联合空-时频谱共享机制下 次级用户的感知与接入策略，根据本发明进行合理地对次级用户合作感知节点数目设置， W及对感知时间和传输发射功率进行合理的调节，可W在保障主用户不受有害干扰的情况 下，最大化系统性能且提高频谱利用率。
【附图说明】
[0019] 图1是基于本发明的联合空-时频谱共享方法的认知无线电系统示意图；
[0020] 图2是认知无线电系统中具有周期感知的次级用户帖结构示意图；
[0021] 图3是基于现有的MIFTP斗S算法的认知无线电系统中LU的干扰概率示意图；
[0022] 图4是基于不同频谱共享机制的认知无线电系统中的空域频谱空穴示意图；
[0023] 图5是Pf= 0. 1下基于不同频谱共享机制的认知无线电系统吞吐量与感知时间 的关系示意图；
[0024] 图6是Pf= 0. 1下基于不同频谱共享机制的认知无线电系统最大吞吐量示意图；
[0025] 图7是Pf= 0. 1下基于本发明的联合空-时频谱共享方法的认知无线电系统最 佳感知时间示意图；
[0026] 图8是Pf= 0. 1下基于本发明的联合空-时频谱共享方法的认知无线电系统最 大吞吐量示意图；
[0027] 图9是巧=化99下基于不同频谱共享机制的认知无线电系统吞吐量与感知时间 的关系示意图；
[002引图10是巧=0.99下基于不同频谱共享机制的认知无线电系统最大吞吐量示意 图；
[0029] 图11是给定检测概率下基于本发明的联合空-时频谱共享方法的认知无线电系 统最佳感知时间示意图；
[0030] 图12是给定检测概率下基于本发明的联合空-时频谱共享