专利名称：一种最大化动态频谱共享系统容量的次用户接入方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种最大化动态频谱共享系统(DSSS: Dynamic Spectrum Sharing System)容量的次用户(SU Secondary User)接入方法。
背景技术：
近年来，无线通信技术的快速发展使得无线频谱资源的需求量急速增长，无线频 谱资源短缺问题开始引起人们的广泛关注。无线频谱资源的日益稀缺主要由两方面原因造 成，一是无线频谱天然的有限性，二是对无线频谱资源的静态分配方式，使得无线频段被授 权用户排他性占用。无线频谱资源的有限性是其固有属性，无法改变；因此，解决无线频谱 资源短缺的问题只能从资源分配方式着手，即改变现有的静态资源分配方式。静态频谱管理与分配策略是由管理机构将可用频谱资源划分成固定、非重叠的频 谱块并通过保护频带进行分割，然后将这些频谱块以独占的方式分配给不同的服务和技 术，分配到这些频段的用户被称为授权用户(主用户，Primary User)，例如移动通信运营 商、广播电视、军事和公共安全部门等。这种静态控制的分配方式，频谱管理非常简单，但频 谱利用率却不高。美国联邦通信委员会(FCC)的研究数据表明，很多授权频段大多数时间 是空闲的，实际的频谱使用效率非常低。于是，隶属于FCC的SPTF(Spectrum Policy Task Force)提出了频谱共享的概念来解决无线频谱资源短缺问题。在频谱共享系统中，每个授 权用户根据自己的业务质量(QoS:QUality ofService)要求设定一个干扰容限(干扰温 度)，非授权用户(认知用户或次用户，Secondary User)在满足这一限制的前提下与授权 用户共同占用该频段，实现频谱资源的共享，进而提高无线频谱的使用效率。基于认知无线 电(Cognitive Radio,CR)的频谱共享技术已成为极具潜力的未来无线通信频谱解决方案， 更成为无线通信领域的研究热点。基于认知无线电的动态频谱共享技术的研究目标是通过次用户对环境的感知结 果，综合考虑主用户和次用户的业务需求，在最小化对主用户网络影响的同时，最大化频谱 利用率，并保证各用户之间的公平性。显然，动态频谱共享能大大降低频谱和带宽限制对无 线通信技术发展的束缚，极大地改变目前无线频谱资源日益短缺的状况。动态频谱共享技术包括两方面的研究内容一是动态频谱管理问题，二是动态频 谱接入问题。目前，动态频谱管理采用的研究工具和方法包括图论、博弈论与微观经济学理 论。图论是将频谱分配问题建模为图论中的图着色问题，以此开发优化机制来处理各种网 络架构下的频谱利用、公平性与吞吐量问题；博弈论将认知用户间的行为构建为一个博弈 模型，从而利用博弈论的相关理论分析合作、非合作等不同行为模式下的最佳分配策略；微 观经济学是利用其拍卖理论实现频谱租赁。对于动态频谱接入，从目前的研究来看，有利用 Markov模型或部分观测Markov模型来研究适合描述授权用户网络频谱占用行为的模型， 以提供对频谱占用的跟踪和预测；有根据对频谱检测结果准确与否，在避免与授权用户的 碰撞下，研究最大化频谱利用效率和其它目标的接入策略；有许多研究是针对适应于认知 无线电技术特点的MAC协议设计；此外，也有针对动态频谱接入时次用户传输功率控制的研究。根据主用户与次用户是否同时处于活动状态，动态频谱共享系统可分为机会式共 享与共存式共享。前者出现于主用户对QoS要求严苛的情况，是指次用户仅能在主用户处 于非活动状态时占用授权频段进行通信，一旦主用户被激活，次用户需要立刻让出该频段， 切换到其他可用频段继续通信或终止通信；后者适用于主用户对QoS要求相对宽松的情 况，是指在满足主用户噪声容限的前提下，次用户可以随时接入授权频段进行通信。显然， 机会式共享对次用户发射机的发送功率没有限制，但对次用户的感知准确度要求较高，这 使得主次用户的QoS都比较有保障；共存式共享要求次用户工作于功率受限状态，它对次 用户的感知准确度要求相对要低，但次用户工作的实时性可以得到保障，频谱效率也比较 高。那么，共存式频谱共享系统可获得的容量有多大？如何在共存式共享的情况下使得频 谱共享系统的容量达到最大？次用户该如何选择最优的信道进行接入？这些问题正是当 前的研究热点，所述方法也正是针对动态频谱共享系统次用户的最优接入问题提出的。需 要说明的是，所述方法的思路虽然来源于共存式共享方式，但同样适用于主网络中有部分 机会共享链路存在的情况，即所述方法是一种同时适用于两种共享方式的次用户接入方 法。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种动态频谱共享系统的次用户接入方法，使得 频谱共享系统的平均容量达到最大，从而尽可能地提高无线频谱资源的使用效率。技术方案本发明的一种最大化动态频谱共享系统容量的次用户接入方法包括以 下步骤第一步在网络中设置一个次用户接入控制节点即接入点AP2，它可以直接与主 用户接入控制节点即接入点APl进行通信；在接入点AP2中设置一个次用户缓存器，所有请 求接入通信的次用户首先在该缓存器中排队等待，接入点AP2依次从缓存器等待队列中选 择一个次用户进行接入；第二步确定当前要接入的次用户即当前次用户；根据主网络信道传输特性确定 当前次用户的工作周期，所述次用户工作周期包括信道感知时间、接入探测时间和数据传 输时间三部分；确定接入控制参数表的初始取值，所述接入控制参数表包括主网络中可用 信道数目及其编号、主用户干扰容限值、信道衰减系数、信道噪声功率、次用户发送功率及 其最大功率限值；第三步在所述信道感知时间内，所述当前次用户首先从接入点AP2获取当前可 用信道数目及其编号；之后，该次用户通过感知信道状态以获得当前各条可用信道的信道 状态信息，所述信道状态信息包括信道衰减系数和信道噪声功率，同时获取当前的主用户 干扰容限值，并修改所述接入控制参数表；第四步在所述接入探测时间内，根据所述各可用信道的信道衰减系数、信道噪 声功率和相应的主用户干扰容限值，计算所述当前次用户在各可用信道上可获得的发送功 率，选择使该次用户发送功率最大的信道接入，并设置该次用户的发送功率；若此次接入为 该次用户本次通信过程的首次接入，发送接入成功消息给接入点AP2，允许所述等待队列中 一个新的次用户开始接入；
第五步在所述数据传输时间内，通过所选择的信道，当前次用户以所述第四步所 设定的发送功率按帧进行数据传输；一个所述数据传输时间结束，记录并判断最后一帧是 否为通信结束帧，如果是，当前次用户通信结束，它将退出频谱共享系统并通知接入点AP2 ； 否则，转入第三步，开始当前次用户的下一个工作周期；如此循环，一直到当前次用户通信 结束，离开系统并通知AP2，一个接入通信过程完成；第六步检查并判断接入点AP2中的等待队列是否为空，如果是，所有次用户已经 成功接入；否则，接入点AP2从所述缓存器等待队列中选择一个新的次用户进行接入；如此 循环，一直到所有等待接入的次用户接入成功且通信完成为止。所述方法，其中所述主用户为授权用户，主网络为主用户所属的网络，主网络采 用频分多址(FDMA)接入方式；所述次用户为主网络的非授权用户，所有次用户构成次用户 网络，简称次网络；所述主网络可提供部分授权信道给次用户共享，以提高频谱利用率；可 供次用户使用的信道为可共享信道；所述次用户接入点AP2负责管理次用户的接入请求，所述主用户接入点API负责 管理主用户的接入请求；接入点AP2可通过专门的信令信道与接入点API通信，以实时获取 可共享信道的使用状况(被占用或空闲)；所述次用户缓存器等待队列的最大长度Lq由次用户平均到达率\决定，可设定 为次用户平均到达率的两倍，即、=「2叫，|V|表示不小于x的最小整数；所有到达的次用 户接入请求首先进入AP2的缓存器等待队列中等候，若队列已满，新到达的次用户接入请 求将被拒绝；接入点AP2按照先入先出原则依次从缓存器等待队列中选取一个次用户接 入，下一个次用户的接入在上一个次用户初次接入成功后即AP2收到一个次用户接入成功 消息后开始，或者在一个次用户结束本次通信离开系统即AP2收到一个次用户离开消息后 即开始。所述方法，其中第二步所述当前次用户由接入点AP2选定；所述信道传输特性指 信道相干时间；所述次用户工作周期！；应小于次用户发射机到主用户接收机链路的信道相 干时间T。p，即Tw ^ T。p，所述方法默认所有链路具有相同的信道相干时间；所述信道感知时间Ts和接入探测时间！；由次用户通信设备的处理时间决定，它们 均应小于所述信道相干时间T。p ；所述数据传输时间Td为次用户基本数据帧长乙的整数倍且小于信道相干时间；最 后一个数据传输时间内必须包括通信结束帧；若最后几个数据帧无法填满一个数据传输时 间，需要用若干个通信结束帧来填充；所述通信结束帧为一个有别于任何数据帧的特殊标 识帧；所述可用信道数目及编号是指所述主网络中所有允许共享的授权信道数目&及 其编号i，i = 1，2，. . .，Np，它可以由所述次用户接入控制节点AP2来提供；所述方法假定 每个可用信道仅对应一个主用户链路，即参与共享的主用户数目最大为Np ；所述主用户干扰容限值表记录各可用信道所对应的主用户接收机可容忍的最大 干扰功率值Qi，i = 1,2,...，NP，干扰功率包括到达主用户接收机的次用户信号功率和信道 噪声功率两部分；所述信道衰减系数表记录次用户发射机到各主用户接收机链路的功率损耗系数 gj, i = 1, 2, . . . , Np ；
所述信道噪声功率表记录次用户发射机到主用户接收机链路上的信道加性噪声 平均功率 Ni, i = 1，2，· · ·，Np ；所述次用户发送功率限值为次用户发射机所允许的最大发射功率已，次用户发送 功率为次用户发射机的实际发射功率P，P ^已。所述方法，其中第二步所述接入控制参数表初始取值方案为置所述可用信道数目Np = Nmax，Nfflax为主网络拥有的最大授权信道数目；置所述主用户干扰容限值Qi = 0，i = 1，2，· · ·，Np ；置所述信道衰减系数gi = G，i = 1，2，. . .，Np，G是一个足够大的正数；置所述信道噪声功率Ni = 0，i = 1，2，· · ·，Np ；置所述次用户发送功率P = Ptl，发送功率限值为已=P0,P0由发射机标称值决定；置所述通信结束帧为End_Flag，它应与数据传输协议中的通信结束帧标识一致。所述方法，其中第三步所述当前可用信道包括未被任何用户占用的空闲的可共 享信道以及仅被主用户占用的可共享信道，其数目及编号由次用户接入点AP2提供给当前 次用户；所述信道状态信息可通过次用户自身的信道估计获取，或者借助接入控制节点 AP2的信道估计获得，此处不涉及具体的实现方案；若主用户处于活动状态，所述主用户干 扰容限值直接通过主用户接收机的反馈信息获得；若主用户处于非活动状态，其干扰容限 值可设为⑴或者设为一个足够大的正数，即该主用户对次用户发射机的发送功率没有限 制；考虑到主用户状态的实时变化性，根据新的感知结果和反馈信息，所述接入控制 参数表修改为置所述可用信道数目Np = Np,k，并记录当前可用信道编号；置所述主用户干扰容限值Qi = Qijk, i = 1,2,... ,Np；置所述信道衰减系数gi = gijk, i = 1,2,... ,Np；置所述信道噪声功率Ni = Nijk, i = 1,2,... ,Np；其中，k表示当前时刻。所述方法，其中第四步所述当前次用户可获得的发送功率通过下式计算得到<formula>formula see original document page 9</formula>所述主网络采用频分多址(FDMA)接入方式，这表明网络中各个信道上的信号不 会出现同频干扰；于是，当前次用户选择信道<formula>formula see original document page 9</formula>来接入，此时次用户的发送功率为
<formula>formula see original document page 9</formula>若此次接入是当前次用户本次通信过程的首次接入，该次用户应发送接入成功消 息给接入点AP2，以允许接入等待队列中一个新的次用户开始接入；根据所述先入先出原 贝U，位于等待队列首位的次用户将被允许接入；由于每个次用户在接入通信过程中均周期性更换信道，可能会引起接入碰撞问题，这可由接入点AP2通过建立活动用户表来进行管 理与协调；所述方法，其中第五步所述数据帧长Tf应不大于所述数据传输时间Td，即 Tf^Td ；数据帧应按照数据传输协议事先打包好，此处不涉及具体的数据包协议；当前次用 户的数据传输时间固定，数据帧按顺序逐一发送，直至该传输时间结束；第五步所述判断过程为记录当前次用户数据传输时间内的最后一个数据帧，将 其与通信结束帧比较，若为通信结束帧，表示该次用户本次接入通信过程结束，次用户退 出系统并通知接入点AP2;若不是通信结束帧，表示该次用户通信还未完成，此时返回第三 步，开始新的工作周期；如此循环，一直到该次用户通信结束，退出系统并告知接入点AP2 为止。所述方法，其中第六步所述检查与判断过程为次用户接入点AP2收到一个次 用户的离开消息，检查次用户接入点AP2的缓存器等待队列是否为空，若为空，则所有次用 户已成功接入；否则，表明仍有次用户在等待接入；根据所述先入先出原则，次用户接入点 AP2选择位于等待队列队首的次用户进行接入；如此循环，一直到接入点AP2的等待队列为 空且所有次用户的接入通信过程完成为止。有益效果所述一种最大化频谱共享系统容量的次用户接入方法的优点是在每 个次用户的每个工作周期，次用户均选择使其具有最大发送功率的信道接入，由Shannon 公式可知，每个次用户在其每个工作周期中均可获得当前可达到的最大容量；因此，每个次 用户在其整个通信时间中具有最大的平均容量，于是，所有次用户的平均容量之和将达到 最大，即动态频谱共享系统的平均容量实现了最大化。可见，所述方法是一种容量最大化准则下的动态频谱共享系统最优次用户接入方 案方法，它为动态频谱共享系统提供了一种可行的次用户接入方案。
图1是频谱共享系统示意图。图2是一个次用户接入通信时间分配示意图。图3是一个次用户接入过程信道动态变换示意图。图4是次用户接入过程流程图。
具体实施例方式—种最大化动态频谱共享系统容量的次用户接入方法，其应用场景如附图1所 示，其中接入控制节点API和AP2分别负责主用户和次用户的接入请求管理；主网络采用频 分多址(FDMA)接入方式，它拥有有N_个授权频段，默认每个授权频段服务一个主用户；开 放给次用户共享的频段有Np个，即可参与频谱共享的主用户最多为Np个；至少一个主用户 处于活动状态，一个次用户请求使用频段进行通信。这里，所述方法默认次用户和每个主用 户的工作带宽相同。下面结合附图对所述次用户接入方法的实施作进一步的详细描述。本方法通过执行以下步骤实现频谱共享系统容量最大化准则下的次用户接入第一步在系统中设置一个次用户接入控制节点即接入点AP2，它可以直接与主 用户接入控制节点即接入点API进行通信；在接入点AP2中设置一个次用户缓存器，所有请求接入通信的次用户首先在该缓存器中排队等待，接入点AP2依次从缓存器等待队列中选 择一个次用户进行接入；所述次用户接入点AP2负责管理次用户的接入请求，所述主用户接入点APl负责 管理主用户的接入请求；接入控制节点AP2可通过专门的信令信道与接入控制节点APl通 信，以实时获取可共享信道的使用状况(被占用或空闲)；所述次用户缓存器等待队列的最大长度Lq依据次用户到达率λ确定；若次用户 以速率为λ的泊松过程到达，则设定等待队列最大长度、=「2；11，这里「χ"|表示不小于χ 的最小整数，这一方案可保证正常业务量情况下的次用户接入需求；每个到达的次用户首 先进入缓存器队列等待，若队列已满，新到达的次用户接入请求将被拒绝；次用户接入点 ΑΡ2在收到一个接入成功消息后，按照先入先出原则从缓存器等待队列中选择一个新的次 用户接入，或者在一个次用户结束本次通信离开系统即ΑΡ2收到一个次用户离开消息后， 一个新的次用户接入过程开始；第二步确定当前要接入的次用户即当前次用户；根据主网络信道传输特性确定 当前次用户的工作周期，所述次用户工作周期包括信道感知时间、接入探测时间和数据传 输时间三部分；初始化接入控制参数表，所述接入控制参数表包括主网络中可用信道数目 及其编号、主用户干扰容限值、信道衰减系数、信道噪声功率、次用户发送功率及其最大功 率限值；所述当前要接入的次用户如附图1所示的活动次用户中的一个，其工作周期如附 图2所示。当前要接入次用户由接入点ΑΡ2决定，它开始接入过程后将离开接入点ΑΡ2的 缓存器等待队列，队列中的剩余次用户将分别前移一位；为保证在所述工作周期中信道状态基本不变，所述工作周期应不大于次用户发射 机到主用户接收机链路的信道相干时间τ。ρ，即Tw = Ts+Ta+Td彡Tcp ；考虑到同一主网络中的 各信道特性基本相近，为简化操作，所述方法已默认各链路具有相同的信道相干时间；所述信道感知时间Ts由次用户进行信道估计的时间决定，接入探测时间Ta由次用 户发射机的计算处理时间决定，它们均应小于所述信道相干时间T。p ；所述数据传输时间Td可选为次用户基本数据帧长Tf的整数倍并且满足Td < Tw, 不妨令Td = KTf ；最后一个数据传输时间中必须包括通信结束帧；若最后一个数据传输时间 有空余(有效数据帧较少)，需要用多个通信结束帧来填满；所述接入控制参数表初始化包括对可用信道数目Np及其编号、主用户干扰容限值 表Q”信道衰减系数表gi、信道噪声功率表队、次用户发送功率P和发送功率限值已的初始化，初始化方案为置所述可用信道数目Np = Nmax，Nfflax为主网络拥有的最大授权信道数目；置所述的主用户干扰容限值Qi = 0，i = 1，2，. . .，Np ；置所述的信道衰减系数gi = G，i = 1，2，. . .，Np，G是一个足够大的正数；置所述的信道噪声功率Ni = 0,1 = 1,2,..., Np；置所述的次用户发送功率P = Ptl，发送功率限值为已=P0, P0由次用户发射机标 称值决定；置通信结束帧标志，它应与数据传输协议的规定一致。第三步在所述信道感知时间内，所述当前次用户首先从接入点AP2获取当前可用信道数目及其编号；之后，该次用户通过感知信道状态以获得当前各条可用信道的信道 状态信息，所述信道状态信息包括信道衰减系数和信道噪声功率，同时获取当前的主用户 干扰容限值，并修改所述接入控制参数表；当前可用信道包括未被任何用户占用的空闲的可共享信道以及仅被主用户占用 的可共享信道；AP2从主用户接入点API的反馈得到所有可共享信道的当前使用状态(占 用或空闲)，结合本地的次用户信息，为当前次用户提供所需要的当前可用信道数目和编号 fn息；所述信道状态信息可通过次用户自身的信道估计获取，或者借助控制节点AP2的 信道估计获得；若主用户处于活动状态，所述的主用户干扰容限直接通过主用户反馈获得； 若主用户处于非活动状态，直接将其干扰容限值设为⑴，即该信道对主用户的发送功率没 有约束；根据次用户的新的感知结果和来自接入点AP2和主用户的反馈信息，所述接入控 制参数表修改为置所述的主用户干扰容限值仏=Qijk, i = 1，2，...，Np;置所述的信道衰减系数gi = gijk, i = 1,2,... ,Np；置所述的信道噪声功率队=Nijk, i = 1,2,... ,Np；其中，k表示当前时刻。第四步在所述接入探测时间内，根据所述各可用信道的信道衰减系数、信道噪 声功率和相应的主用户干扰容限值，计算所述当前次用户在各可用信道上可获得的发送功 率，选择使其发送功率最大的信道接入，并设置该次用户的发送功率值；若此次接入为该次 用户本次通信过程的首次接入，发送接入成功消息给接入点AP2，允许所述等待队列中一个 新的次用户开始接入；所述次用户可获得的发送功率通过下式计算得到<formula>formula see original document page 12</formula>
为保证当前工作周期内次用户容量达到最大，当前次用户将选择信道来接入，此时其发送功率修改为
<formula>formula see original document page 12</formula>当前次用户根据自己当前的工作周期序号判断此次接入是否为本次通信过程的 首次接入，若是，该次用户发送接入成功消息给接入点AP2，以允许接入等待队列中一个新 的次用户开始接入，然后进行下一步数据传输；否则，该次用户直接进行数据传输；AP2收到一个接入成功消息，将根据所述先入先出原则，允许位于等待队列首位的 次用户接入；考虑到各个活动的次用户周期性更换接入信道，有可能出现次用户的接入碰 撞问题，接入点AP2可通过建立次用户工作状态表来解决这一问题；第五步在所述数据传输时间内，通过所选择的信道，当前次用户以所述第四步所 设定的发送功率按帧进行数据传输；一个所述数据传输时间结束，记录并判断最后一帧是否为通信结束帧，如果是，当前次用户通信结束，它将退出系统并通知接入点AP2 ；否则，转 入第三步，开始当前次用户的下一个工作周期；如此循环，一直到当前次用户通信结束，离 开系统并通知AP2，一个接入通信过程完成；所述数据帧长应不大于数据传输时间，即Tf ^ Td ；数据帧应按照数据传输协议事 先打包好，此处不涉及具体的数据包协议；由于所述数据传输时间Td = KTf，数据帧按顺序 一帧一帧发送，直至该传输时间结束；
次用户通信结束判断过程为记录当前次用户数据传输时间内的最后一个数据 帧，将其与通信结束帧比较，若为通信结束帧，表示该次用户本次通信过程结束，次用户退 出系统并通知接入点AP2;若不是通信结束帧，表示该次用户通信还未完成，此时返回第三 步，次用户开始新的工作周期；如此循环，一直到该次用户通信结束，退出系统并告知接入 点AP2为止。一个次用户在其接入通信过程中的信道变化情况如附图3所示。次用户接入控制节点AP2收到一个次用户离开信息后，将修改相关用户及信道占 用信息，以方便下一个次用户的接入过程。第六步检查并判断接入点AP2中的等待队列是否为空，如果是，所有次用户已经 成功接入；否则，接入点AP2从所述缓存器等待队列中选择一个新的次用户进行接入；如此 循环，一直到所有等待接入的次用户接入成功且通信完成为止；，第六步的判断过程为接入点AP2收到一个次用户离开消息，将检查次用户接入 点AP2的缓存器等待队列是否为空，若为空，则所有次用户已成功接入；否则，表明仍有次 用户在等待接入；根据先入先出原则，接入点AP2选择位于等待队列队首的次用户进行接 入；如此循环，一直到接入点AP2的等待队列为空且所有次用户的接入通信过程完成为止。所述一种最大化频谱共享系统容量的次用户接入方法的工作流程见附图4所示。 由于在每个工作周期，每个次用户均具有当前系统允许的最大发送功率，即每个次用户均 具有当前可能的最大容量，这保证了每个次用户在其接入通信过程中具有最大的平均容 量；于是，包含多个次用户的频谱共享系统将具有最大的平均容量。因此，所述方法是一种 最大化频谱共享系统容量的次用户接入方法。
权利要求
一种最大化动态频谱共享系统容量的次用户接入方法，其特征在于该方法包括以下步骤第一步在系统中设置一个次用户接入控制节点即接入点AP2，它可以直接与主用户接入控制节点即接入点AP1进行通信；在接入点AP2中设置一个次用户缓存器，所有请求接入通信的次用户首先在该缓存器中排队等待，接入点AP2依次从缓存器等待队列中选择一个次用户进行接入；第二步确定当前要接入的次用户即当前次用户；根据主网络信道传输特性确定当前次用户的工作周期，所述次用户工作周期包括信道感知时间、接入探测时间和数据传输时间三部分；确定接入控制参数表的初始值，所述接入控制参数表包括主网络中可用信道数目及其编号、主用户干扰容限值、信道衰减系数、信道噪声功率、次用户发送功率及其最大功率限值；第三步在所述信道感知时间内，所述当前次用户首先从接入点AP2获取当前可用信道数目及其编号；之后，该次用户通过感知信道状态以获得当前各条可用信道的信道状态信息，所述信道状态信息包括信道衰减系数和信道噪声功率，同时获取当前的主用户干扰容限值信息；根据获得的新信息修改所述接入控制参数表；第四步在所述接入探测时间内，根据所述各可用信道的信道衰减系数、信道噪声功率和相应的主用户干扰容限值，计算所述当前次用户在各可用信道上可获得的发送功率，选择使该次用户发送功率最大的信道接入，并设置该次用户的发送功率；若此次接入为该次用户本次通信过程的首次接入，发送接入成功消息给接入点AP2，允许所述等待队列中一个新的次用户开始接入；第五步在所述数据传输时间内，通过所选择的信道，当前次用户以所述第四步所设定的发送功率按帧进行数据传输；一个所述数据传输时间结束，记录并判断最后一帧是否为通信结束帧，如果是，当前次用户通信结束，它将退出频谱共享系统并通知接入点AP2；否则，转入第三步，开始当前次用户的下一个工作周期；如此循环，一直到当前次用户通信结束，离开系统并通知AP2，一个接入通信过程完成；第六步检查并判断接入点AP2中的等待队列是否为空，如果是，所有次用户已经成功接入；否则，接入点AP2从所述缓存器等待队列中选择一个新的次用户进行接入；如此循环，一直到所有等待接入的次用户接入成功且通信完成为止。
2.根据权利要求1所述的一种最大化动态频谱共享系统容量的次用户接入方法，其 特征在于，所述主用户为授权用户，主网络为主用户所属的网络，且主网络采用频分多址 (FDMA)接入方式；所述次用户为主网络的非授权用户，所有次用户构成次用户网络，简称 次网络；所述主网络提供部分授权信道给次用户共享，以提高频谱利用率；供次用户使用 的信道为可共享信道；所述次用户接入点AP2负责管理次用户的接入请求，所述主用户接入点API负责管理 主用户的接入请求；接入点AP2可通过专门的信令信道与接入点API通信，以实时获取可共 享信道的使用状况信息，所述信道使用状况包括信道被占用和空闲两种情况；所述次用户缓存器等待队列的最大长度Lq由次用户平均到达率\决定，可设定为次用户平均到达率的两倍，即、=「2糾，「纠表示不小于x的最小整数；所有到达的次用户接入请求首先进入AP2的缓存器等待队列中等候，若队列已满，新到达的次用户接入请求将被拒绝；接入点AP2按照先入先出原则依次从缓存器等待队列中选取一个次用户接入，下 一个次用户的接入在上一个次用户初次接入成功后即AP2收到一个次用户接入成功消息 后开始，或者在一个次用户结束本次通信离开系统即AP2收到一个次用户离开消息后即开 始。
3.根据权利要求1所述的一种最大化动态频谱共享系统容量的次用户接入方法，其 特征在于，第二步所述当前次用户由接入点AP2选定；所述信道传输特性指信道相干时间； 所述次用户工作周期Tw应小于次用户发射机到主用户接收机链路的信道相干时间T。p，即 Tw ^ Τ。ρ，所述方法默认所有链路具有相同的信道相干时间；所述信道感知时间Ts和接入探测时间Ta由次用户通信设备的处理时间决定，它们均应 小于所述信道相干时间Τ。ρ ；所述数据传输时间Td为次用户基本数据帧长Tf的整数倍且小于信道相干时间；最后一 个数据传输时间内必须包括通信结束帧；若最后几个数据帧无法填满一个数据传输时间， 需要用若干个通信结束帧来填充；所述通信结束帧为一个有别于任何数据帧的特殊标识 帧；所述可用信道数目及编号是指所述主网络中所有允许共享的授权信道数目Np及其编 号i，i = 1，2，. . .，Np，它可以由所述次用户接入控制节点AP2来提供；所述方法假定每个 可用信道仅对应一个主用户链路，即参与共享的主用户数目最大为Np;所述主用户干扰容限值记录各可用信道所对应的主用户接收机可容忍的最大干扰功 率值Qi，i = 1,2,.. .，NP，干扰功率包括到达主用户接收机的次用户信号功率和信道噪声功 率两部分；所述信道衰减系数记录次用户发射机到各主用户接收机链路的功率损耗系数gi，i = 1，2，. . .，Np ；所述信道噪声功率记录次用户发射机到主用户接收机链路上的信道加性噪声平均功 率 Ni, i = 1，2，. . .，Np ；所述次用户发送功率限值为次用户发射机所允许的最大发射功率已，次用户发送功率 为次用户发射机的实际发射功率P，P <已。
4.根据权利要求1所述的一种最大化动态频谱共享系统容量的次用户接入方法，其特征在于，第二步所述接入控制参数表的初始取值为置所述可用信道数目Np = Nmax，Nfflax为主网络拥有的最大授权信道数目；置所述主用户干扰容限值Qi = 0，i = 1，2，...，NP;置所述信道衰减系数gi = G，i = 1，2，. . .，Np，G是一个足够大的正数；置所述信道噪声功率Ni = 0，i = 1，2，...，NP;置所述次用户发送功率P = Ptl,发送功率限值为已=Ptl, P0由次用户发射机的标称值 决定；置所述通信结束帧为End_Flag，它应与数据传输协议中的通信结束帧标识一致。
5.根据权利要求1所述的一种最大化动态频谱共享系统容量的次用户接入方法，其特 征在于，第三步所述当前可用信道包括未被任何用户占用的空闲的所述可共享信道以及仅 被主用户占用的可共享信道，其数目及编号由次用户接入点AP2提供；所述信道状态信息可通过次用户自身的信道估计获取，或者借助接入控制节点AP2的信道估计获得，此处不涉及具体的实现方案；若主用户处于活动状态，所述主用户干扰容限 值直接通过主用户接收机的反馈信息获得；若主用户处于非活动状态，其干扰容限值可设 为⑴或者设为一个足够大的正数，即该主用户对次用户发射机的发送功率没有限制；考虑到主用户状态的实时变化性，根据新的感知结果和反馈信息，所述接入控制参数 修改为置所述可用信道数目<formula>formula see original document page 4</formula>k，并记录当前可用信道编号； 置所述主用户干扰容限值<formula>formula see original document page 4</formula> 置所述信道衰减系数<formula>formula see original document page 4</formula> 置所述信道噪声功率队<formula>formula see original document page 4</formula> 其中，k表示当前时刻。
6.根据权利要求1所述的一种最大化动态频谱共享系统容量的次用户接入方法，其特 征在于，第四步所述当前次用户可获得的发送功率通过下式计算得到<formula>formula see original document page 4</formula>由于主网络采用频分多址接入方式，网络中各个信道上的信号不会出现同频干扰；于 是，当前次用户选择使其具有最大发送功率的信道 <formula>formula see original document page 4</formula>来接入，此时次用户的发送功率设置为 <formula>formula see original document page 4</formula>若此次接入是当前次用户本次通信过程的首次接入，该次用户应发送接入成功消息给 接入点AP2，以允许接入等待队列中一个新的次用户开始接入；根据权利要求3所述的先入 先出原则，位于等待队列首位的次用户将被允许接入；由于每个次用户在接入通信过程中 均周期性更换信道，可能会引起接入碰撞问题，由接入点AP2通过建立活动用户状态表来 进行管理与协调。
7.根据权利要求1所述的一种最大化动态频谱共享系统容量的次用户接入方法，其特 征在于，第五步所述数据帧长1应不大于所述数据传输时间Td，即Tf < Td ；数据帧应按照数 据传输协议事先打包好，此处不涉及具体的数据包协议；当前次用户的数据传输时间固定， 数据帧按顺序逐一发送，直至该传输时间结束；第五步所述判断过程为记录当前次用户数据传输时间内的最后一个数据帧，将其与 通信结束帧比较，若为通信结束帧，表示该次用户本次接入通信过程结束，次用户退出系统 并通知接入点AP2 ；若不是通信结束帧，表示该次用户通信还未完成，此时返回权利要求1 中所述的第三步，开始新的工作周期；如此循环，一直到该次用户通信结束，退出系统并告 知接入点AP2为止。
8.根据权利要求1所述的一种最大化动态频谱共享系统容量的次用户接入方法，其特 征在于，第六步所述判断过程为次用户接入点AP2收到一个次用户的离开消息，检查次用 户接入点AP2的缓存器等待队列是否为空，若为空，则所有次用户已成功接入；否则，表明 仍有次用户在等待接入；根据权利要求2所述先入先出原则，次用户接入点AP2选择位于等 待队列队首的次用户进行接入；如此循环，一直到接入点AP2的等待队列为空且所有次用户的接入通信过程完成为止 。
全文摘要
一种最大化动态频谱共享系统容量的次用户接入方法涉及一种最大化动态频谱共享系统(DSSSDynamic Spectrum Sharing System)容量的次用户(SUSecondaryUser)接入方法。在每个次用户的每个工作周期，次用户均选择使其具有最大发送功率的信道接入，由Shannon公式可知，每个次用户在其每个工作周期中均可获得当前可达到的最大容量；因此，每个次用户在其整个通信时间中具有最大的平均容量，于是，所有次用户的平均容量之和将达到最大，即动态频谱共享系统的平均容量实现了最大化。
文档编号H04W16/14GK101801000SQ20101001715
公开日2010年8月11日 申请日期2010年1月8日 优先权日2010年1月8日
发明者张晶, 朱洪波 申请人:南京邮电大学