一种多用户机会频谱接入方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信领域中的认知无线电技术，具体涉及一种多用户机会频谱接 入方法。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信业务需求量的迅猛增长，频谱资源的匮乏成为当前无线通信系统面 临的一个重大难题。传统无线通信系统大都采用一种简单的固定分配方式，即由频谱管理 部门将可用频谱资源划分成若干非重叠、固定频段，分配给各种不同的服务与技术（参考 文献：Martin Cave, Chris Doyle, William Webb, Modern Spectrum Management, Cambridge University Press, 2007ISBN 0-521-87669-8)。这种静态频谱分配策略简单、操作性强，并 能完全避免各个授权用户间的干扰，在无线通信发展的初期取得了很好的效果。但是在这 种固定的频谱分配方法中，授权用户对频段具有独占性，当该频段空闲时也不能被非授权 用户使用，从而导致频谱利用率很低。因此，固定的频谱分配方式已成为制约无线通信发展 的瓶颈。无线通信急需一种全新的技术来提升频谱利用率。
[0003] 认知无线电是一种新型智能的无线通信系统，它能够对无线频谱环境进行感知并 获取有用信息，在不影响授权用户正常使用的前提下，通过实时地重配置自身的传输参数， 动态地重复使用可用频谱资源，实现对无线环境的高度自适应和频谱利用的高效性（参 考文献：S. Haykin, Cognitive radio:brain-empowered wireless communications, IEEE Journal on Selected Areas in Communication, vol. 23, no. 2, pp. 201-220, Feb. 2005)〇认 知无线电技术的目标是实现动态频谱接入，而分级接入模型则是认知无线电思想的核心。 所谓分级是指系统用户分为主用户和次用户，次用户（secondary user)只能在不干扰主 用户（primary user)正常通信的前提下利用主用户所拥有的授权频带进行通信，从而实 现和主用户的频谱共享。机会频谱接入技术（0SA :0pportunity Spectrum Access)为分 级接入技术的频谱填充（spectrum overlay)模型，即次用户通过感知检测频谱空穴，一旦 发现授权频谱空闲（频谱机会）就立即接入（参考文献：J. Mitola, Cognitive radio for flexible mobile multimedia communications, IEEE International Workshop on Mobile Multimedia Communications (MoMnC，99)，San Diego, CA, November 1999)。OSA 技术的关 键在于能够智能地做出决策，实现多种无线电系统在互不干扰的情况下进行频谱共享，从 而有效地解决了目前无线频谱资源日益紧缺的问题。OSA技术的一大优势在于可在现有频 谱内进行操作，与其他现有的接入技术兼容，成为近期的研究热点。
[0004] 目前，对于单一用户级的认知无线网络研究体系已趋近成熟，而多用户的情况更 适用于实际的认知无线网络，其主要分为集中式和分布式两种架构。在集中式网络中，公共 控制信道可以作为多用户间信息交互的枢纽，并利用集中控制器将频谱接入问题转化为频 谱分配问题。而在分布式认知无线网络中，若设立公共信道进行用户信息交互，则会导致较 多的时间、带宽、能量等资源开销。各个用户需要在与其他用户无信息交互的情况下，通过 自身感知频谱伺机接入空闲的频段，这使得具体的接入算法变得更为复杂，需要深入研究 并考虑用户特性、频谱动态性、先验信息等各个因素。从当前的相关研究成果来看，分布式 网络中频谱接入技术主要是基于随机选取和博弈论模型。基于随机选取的技术优点在于其 较好的可操作性，但缺点是没有动态感知很容易造成碰撞，致使系统性能较差；基于博弈论 模型的技术优点在于考虑到了多用户之间的相互作用，并提供了丰富有效的研究模型，缺 点在于需要事先知道关于所在频谱环境的统计信息。
【发明内容】
[0005] 本发明提出一种多用户机会频谱接入方法，旨在充分考虑分布式无线网络中缺乏 次用户间信息交互的特性，在无需信息交互的情况下前移调整信道分组，避免了多个次用 户伺机接入频谱引发的碰撞，并提高了系统的利用率和吞吐量。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种多用户机会频谱接入方法，包括以下步 骤：
[0007] 步骤一：假设认知无线网络中存在M个次用户，将总频谱分为N个信道，且3M ;将 N个信道依此划分成μν/Mj+i个信道组，每个信道组均由相邻的μν/Mj个信道组成，其 中M是向下取整符号；令Kj为信道分组后第j个信道组，则第j个信道组表示如式（1)所 示，
[0009] 所述信道组K,包括从第j个信道到第[iV/Mj +J个信道。
[0008] (1)：
[0010] 步骤二：在初始时隙内，每个次用户均从所述況-ll/Mj + l个信道组中随机选择 一个信道组，用于信道感知；
[0011] 步骤三：判断次用户选择的信道组是否与其他用户在选择的信道组发生了碰撞， 如果发生了碰撞，则对该次用户目前选择的信道组进行前移调整，选择其他的信道组在下 一个时隙进行感知，如果没有发生碰撞，该次用户在下一个时隙继续感知现在信道组中的 信道；当当前时隙信道组调整完成之后，进入下一时隙，重复步骤三，直至信道组不再需要 调整；所述信道组发生了碰撞的情况是指：
[0012] (1)在同一个时隙内，多个次用户选择同一组信道组进行感知；或者
[0013] (2)在一个时隙内，一个次用户准备接入的主用户空闲的信道已被其他次用户接 入。
[0014] 本发明与现有技术相比，其显著优点在于，本发明采取信道标记的措施，在考虑分 布式认知无线网络没有融合中心的情况下，无需事先对频谱环境信息进行检测统计，便完 成了对被占用信道的识别，和用户所属分组的调整，降低了系统开销，提高了频带利用率和 系统信息的吞吐量；本发明采取了用户自适应调整信道组的方案，最终的信道组可以最大 限度的减少用户间碰撞的发生，同时提高频带的利用率；本发明充分利用次用户每个时隙 的感知结果，不断调整各次用户信道组，直至无交集的信道组形式，避免了用户间的碰撞， 从而提高了系统信息的吞吐量。
【附图说明】
[0015] 图1是使用本发明的一个分布式认知无线网络模型图。
[0016] 图2是使用本发明中一个信道组示意图。
[0017] 图3是使用本发明的一个机会感知传输时隙结构图。
[0018] 图4是使用本发明中一个信道组前移调整示意图。
[0019] 图5是本发明实验中使用本发明方法和传统随机选取分组方法进行对比时系统 的吞吐量性能比较图。
[0020] 图6是本发明实验中使用本发明方法时在前移步长d变化的情况下系统的吞吐量 性能比较图。
[0021] 图7是本发明实验中使用本发明方法时在信道数N变化的情况下系统的吞吐量性 能比较图。
[0022] 图8是本发明实验中使用本发明方法时在调整概率P变化的情况下系统的吞吐量 性能比较图。
【具体实施方式】
[0023] 为克服这些频谱接入技术利用率低、吞吐量不高且需先验信息的缺点，同时获得 较好的系统性能，本发明在分布式无线网络的研究背景下，使次用户能够根据环境的变化 和自身接入的结果，不断调整所选的频谱分组，直至达到理想无碰撞的目的。
[0024] 图1所示是使用本发明时采用的一种分布式认知无线网络模型。所有次级用户处 于同构频谱环境中，共享相同的频谱资源。在任意时隙中，次用户通过感知得到频谱内信道 的可用状态，忙碌或者空闲。本发明中，认知无线电网络中多个次用户在无信息交互的基础 上，通过其感知结果不断调整原有分组直至无碰撞情况发生，充分地利用了整个频段。本发 明的具体实施步骤如下：
[0025] 步骤一：完成频谱划分。
[0026] 假设总频谱被分为N个信道，为了保证M个次用户都有足够的信道去感知，N应当 不小于M。接着将所有信道分为若干个组，即分为若干个信道组，考虑到次用户间的公平性， 每个信道组内的信道数量应保持一致。由于相邻频谱符合射频特点，并且不能忽