专利名称：基于频谱空洞不均匀性的频谱接入方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及频谱接入技术，尤其涉及一种基于频谱空洞不均勻性的频谱接入方法及系统
背景技术：
提高无线电特性的认知度有利于提高频谱的利用率，因此有关认知无线电方面的研究在近几年成为该领域研究的热点。当前，认知无线电的研究并非仅仅停留在理论阶段， IEEE 802. 22工作组结合现实环境中的诸多因素，正致力于将认知无线电的付诸实现。在诸多因素中，频谱空洞的差异性(或不均勻性)是其中备受关注的一种因素。C. Peng等人将频谱空洞的差异性看做是由于主用户的业务以及移动特征所导致的频谱空洞随时间和空间的变化，并将这种频谱空洞的时变性和空变性定义为“频谱空洞不均勻性”。在此基础上，频谱空洞不均勻性的研究被用于服务质量(QoS，Quality of Service)保证的信道选择、频谱调度、动态控制信道管理以及频谱共享网络等。其它有关频谱空洞的研究还包括Miao Ma等人将信道不均勻性定义为不同频谱空洞的通信范围和干扰范围的不同，并基于这一概念提出了跨层设计的Mesh网络(一种无线网格网络)结构。 信道不均勻性的概念还涉及对整个网络中非统一使用的频率之间的差异、不同信道的误包率，以及从用户使用等级的不同。前期的研究是基于所有检测到的频谱空洞均可被从用户使用，但是实际上部分检测到的空洞存在不能提供从用户所需的容量的情况，因此不能有效地避免由此产生的阻塞和掉话问题。此外，由于频谱空洞之间的频率(如频谱空洞的中心频率)可以相差较远，现有的研究成果难以解决因无线参数(主要是指电磁波传播环境中的无线环境的参数，例如电磁波传播中受到的建筑物的阻挡会导致电磁波的传播损耗的增加)不准确和干扰强度剧烈变化引起的掉话。这些技术问题使得从系统的吞吐量和频谱利用率难以提高。因此， 如何使从用户接入恰当的频谱空洞成为频谱接入技术亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明要解决的一个技术问题是提供一种基于频谱空洞不均勻性的频谱接入方法，使从用户接入恰当的频谱空洞，从而提高从系统的吞吐量和频谱利用率。本发明的一个方面提供了一种基于频谱空洞不均勻性的频谱接入方法，该方法包括从用户进行频谱检测获取频谱空洞的初步检测结果；根据频谱空洞的初步检测结果计算频谱空洞对应的信道容量；根据从用户的传输速率需求和频谱空洞对应的信道容量对频谱空洞进行评估，剔除不能满足从用户的传输速率需求的频谱空洞获取频谱空洞的复选结果；计算从用户当前接入的频谱空洞的均勻区间，并从频谱空洞的复选结果中筛选出处于均勻区间内的频谱空洞以获取频谱空洞的筛选子结果；从频谱空洞的筛选子结果中选取频谱空洞并接入从用户，优选地，选取信道容量最小的频谱空洞，并将从用户接入信道容量最小的频谱空洞。
本发明提供的基于频谱空洞不均勻性的频谱接入方法的一个实施例中，该方法还包括在剔除不能满足从用户的传输速率需求的频谱空洞获取频谱空洞的复选结果之后， 计算从用户当前接入的频谱空洞的均勻区间之前；判断从用户是否需要切换频谱空洞；如果从用户需要切换频谱空洞，则计算从用户当前接入的频谱空洞的均勻区间；否则，在频谱空洞的复选结果中选择信道容量最小的频谱空洞，并将从用户接入复选结果中信道容量最小的频谱空洞。 本发明提供的基于频谱空洞不均勻性的频谱接入方法的一个实施例中，该方法还包括在从频谱空洞的复选结果中筛选出处于均勻区间内的频谱空洞以获取频谱空洞的筛选子结果之后，从频谱空洞的筛选子结果中选取信道容量最小的频谱空洞之前；判断筛选子结果是否是空集；如果筛选子结果是空集，则在频谱空洞的复选结果中选择信道容量最小的频谱空洞，并将从用户接入复选结果中信道容量最小的频谱空洞；否则，在频谱空洞的筛选子结果中选择信道容量最小的频谱空洞，并将从用户接入筛选子结果中信道容量最小的频谱空洞。本发明提供的基于频谱空洞不均勻性的频谱接入方法的一个实施例中，该方法根据频谱空洞的初步检测结果，结合频率因素和传播环境因素来计算频谱空洞对应的信道容量。本发明提供的基于频谱空洞不均勻性的频谱接入方法的一个实施例中，该方法通过频谱空洞对应的信道容量对频率求偏导数的方式，计算从用户当前接入的频谱空洞的中心频率所处的均勻区间。本发明的另一个方面提供了一种基于频谱空洞不均勻性的频谱接入系统，该系统包含频谱检测模块，用于进行频谱检测，获取频谱空洞的初步检测结果，并将初步检测结果发送给信道容量计算模块；信道容量计算模块，用于接收频谱检测模块发送的初步检测结果，并根据初步检测结果计算频谱空洞对应的信道容量；以及将频谱空洞对应的信道容量发送给频谱空洞评估模块；频谱空洞评估模块，用于接收信道容量计算模块发送的信道容量，根据从用户的传输速率需求和信道容量对频谱空洞进行评估，剔除不能满足从用户的传输速率需求的频谱空洞以获取频谱空洞的复选结果；以及将复选结果发送给均勻区间计算模块；均勻区间计算模块，用于接收频谱空洞评估模块发送的复选结果，计算从用户当前接入的频谱空洞的均勻区间，并从复选结果中筛选出处于均勻区间内的频谱空洞以获取频谱空洞的筛选子结果；以及将筛选子结果发送给频谱空洞接入模块；频谱空洞接入模块，用于接收均勻区间计算模块发送的筛选子结果，从筛选子结果中选取频谱空洞并接入从用户，优选地，选取信道容量最小的频谱空洞，并将从用户接入信道容量最小的频谱空洞。本发明提供的基于频谱空洞不均勻性的频谱接入系统的一个实施例中，该系统还包括频谱空洞切换判断模块，用于在频谱空洞评估模块剔除不能满足从用户的传输速率需求的频谱空洞获取频谱空洞的复选结果之后，将复选结果发送给均勻区间计算模块之前，判断从用户是否需要切换频谱空洞；如果从用户需要切换频谱空洞，则由均勻区间计算模块计算从用户当前接入的频谱空洞的均勻区间；否则，由频谱空洞接入模块在频谱空洞的复选结果中选择信道容量最小的频谱空洞，并将从用户接入复选结果中信道容量最小的频谱空洞。
本发明提供的基于频谱空洞不均勻性的频谱接入系统的一个实施例中，该系统还包括频谱空洞切换判断模块，用于在均勻区间计算模块从频谱空洞的复选结果中筛选出处于均勻区间内的频谱空洞以获取频谱空洞的筛选子结果之后，将筛选子结果发送给频谱空洞接入模块之前，判断筛选子结果是否是空集；如果筛选子结果是空集，则由频谱空洞接入模块在频谱空洞的复选结果中选择信道容量最小的频谱空洞，并将从用户接入复选结果中信道容量最小的频谱空洞；否则，在由频谱空洞接入模块频谱空洞的筛选子结果中选择信道容量最小的频谱空洞，并将从用户接入筛选子结果中信道容量最小的频谱空洞。本发明提供的基于频谱空洞不均勻性的频谱接入系统的一个实施例中，信道容量计算模块进一步用于根据频谱空洞的初步检测结果，结合频率因素和传播环境因素来计算频谱空洞对应的信道容量。 本发明提供的基于频谱空洞不均勻性的频谱接入系统的一个实施例中，均勻区间计算模块进一步用于通过频谱空洞对应的信道容量对频率求偏导数的方式，计算从用户当前接入的频谱空洞的中心频率所处的均勻区间。本发明提供了一种基于频谱空洞不均勻性的频谱接入方法及系统，在进行频谱接入时考虑了频谱空洞的不均勻性给从用户通信带来的影响，在能够满足从用户传输速率需求的频谱空洞中选择合适的频谱空洞进行接入，既不造成频谱空洞容量的浪费，又能够满足从用户传输速率需求。进一步地，从满足从用户传输速率需求的频谱空洞中选取信道容量最小的频谱空洞，有利于显著提高从系统的吞吐量和频谱利用率，从而大大降低从用户通信过程中的掉话率。
图1示出现有技术中干扰温度模型示意图；图2示出本发明实施例提供的一种基于频谱空洞不均勻性的频谱接入方法的流程图；图3示出本发明中单用户场景(即一个主用户和一个从用户相互干扰下)对从系统发射功率的影响分析示意图；图4示出本发明中多用户场景(即多个主用户和多个从用户相互干扰下)对从系统发射功率的影响分析示意图；图5示出本发明中用户当前使用的频谱空洞的中心频率所处的均勻区间示意图；图6示出本发明提供的基于频谱空洞不均勻性的频谱接入方法的另一个实施例的流程图；图7示出本发明提供的基于频谱空洞不均勻性的频谱接入方法的另一个实施例的流程图；图8示出本发明提供的基于频谱空洞不均勻性的频谱接入方法的具体实施例的流程图；图9示出本发明实施例提供的一种基于频谱空洞不均勻性的频谱接入系统的结构示意图；图10是本发明提供的基于频谱空洞不均勻性的频谱接入系统的另一个实施例的结构示意图。
具体实施例方式本发明关注频谱空洞被从系统(SS，Secondary System)中的不同从用户(SU， Secondary User)使用频谱空洞时频谱空洞体现出来的差异性，即频谱空洞的不均勻性，具体来说，频谱空洞不均勻性主要涉及的因素包括频率、传播环境和主系统(PS， PrimarySystem)、从系统的干扰等。频谱空洞不均勻性还涉及频谱空洞上的主用户(PU， Primary User)、从用户的业务、位置分布等特征造成的频谱空洞的时变性、空变性，以及主从用户之间相互干扰因素等。频谱空洞不均勻性因素频率传播特性电磁波传播损耗体现为所有传播机制和传播环境综合作用的结果，如公式(1)所示
ρPsr=Kx ST ,m,n> 2 (1) d χ/其中，Psk为从系统接收机(SR，Secondary Receiver)的接收功率，d为从系统收发机间的距离，f表示从系统检测到的频谱空洞中心频率，Pst为从系统发射机(ST，Secondary Transmitter)的发射功率，K为从用户收发机间路径损耗常数，m和η分别为路径损耗指数和频率损耗指数，其值由具体环境决定。根据公式(1)所示，从系统接收信号强度分别与收发机距离、发射功率、载波频率和传播环境有关。其中收发机距离和发射功率由从系统设定，而载波频率和传播环境分别受到所选频谱空洞和应用环境的影响。本发明着重关注频率和传播环境所产生的影响。频率值是频谱空洞最基本的参数，不同频谱空洞对应唯一的频率值。频率的变化会影响信号传播的损耗，进一步影响从系统对频谱空洞的使用。频率因素影响公式(1)中两个参数f和η。在收发机相对距离不变的情况下，频率越高，接收到的信号损耗越大，接收信号强度越低。频谱空洞的中心频率可以相差很大，因此需要考虑频率对信号传输造成的影响。η受到频率变化影响的规律，需要针对不同传播方式与频率的关系分析。电磁波的传播方式主要有直射、反射、绕射和穿透等。频率与传播方式的对照关系如表1所示
传播方式频率范围ρ
Tl不受频率限制视为常数
"Si不受频率限制视为常数
权利要求
1.一种基于频谱空洞不均勻性的频谱接入方法，其特征在于，所述方法包括 从用户进行频谱检测获取频谱空洞的初步检测结果；根据所述频谱空洞的初步检测结果计算所述频谱空洞对应的信道容量； 根据所述从用户的传输速率需求和所述频谱空洞对应的信道容量对所述频谱空洞进行评估，剔除不能满足所述从用户的传输速率需求的频谱空洞获取频谱空洞的复选结果；计算所述从用户当前接入的频谱空洞的均勻区间，并从所述频谱空洞的复选结果中筛选出处于所述均勻区间内的频谱空洞以获取频谱空洞的筛选子结果；从所述频谱空洞的筛选子结果中选取频谱空洞并接入所述从用户，优选地，选取信道容量最小的频谱空洞，并将所述从用户接入所述信道容量最小的频谱空洞。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在剔除不能满足所述从用户的传输速率需求的频谱空洞获取频谱空洞的复选结果之后，计算所述从用户当前接入的频谱空洞的均勻区间之前；判断所述从用户是否需要切换频谱空洞；如果所述从用户需要切换频谱空洞，则计算所述从用户当前接入的频谱空洞的均勻区间；否则，在所述频谱空洞的复选结果中选择信道容量最小的频谱空洞，并将所述从用户接入所述复选结果中信道容量最小的频谱空洞。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在从所述频谱空洞的复选结果中筛选出处于所述均勻区间内的频谱空洞以获取频谱空洞的筛选子结果之后，从所述频谱空洞的筛选子结果中选取信道容量最小的频谱空洞之前；判断所述筛选子结果是否是空集；如果所述筛选子结果是空集，则在所述频谱空洞的复选结果中选择信道容量最小的频谱空洞，并将所述从用户接入所述复选结果中信道容量最小的频谱空洞；否则，在所述频谱空洞的筛选子结果中选择信道容量最小的频谱空洞，并将所述从用户接入所述筛选子结果中信道容量最小的频谱空洞。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述频谱空洞的初步检测结果计算所述频谱空洞对应的信道容量的步骤进一步包括根据所述频谱空洞的初步检测结果，结合频率因素和传播环境因素来计算所述频谱空洞对应的信道容量。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述从用户当前接入的频谱空洞的均勻区间的步骤进一步包括通过所述频谱空洞对应的信道容量对频率求偏导数的方式，或者通过所述频谱空洞对应的信道容量与从用户传输速率需求的差的方式，计算所述从用户当前接入的频谱空洞的中心频率所处的均勻区间。
6.一种基于频谱空洞不均勻性的频谱接入系统，其特征在于，所述系统包含 频谱检测模块，用于进行频谱检测，获取频谱空洞的初步检测结果，并将所述初步检测结果发送给信道容量计算模块；所述信道容量计算模块，用于接收所述频谱检测模块发送的所述初步检测结果，并根据所述初步检测结果计算所述频谱空洞对应的信道容量；以及将所述频谱空洞对应的信道容量发送给频谱空洞评估模块；频谱空洞评估模块，用于接收所述信道容量计算模块发送的所述信道容量，根据所述从用户的传输速率需求和所述信道容量对所述频谱空洞进行评估，剔除不能满足所述从用户的传输速率需求的频谱空洞以获取频谱空洞的复选结果；以及将所述复选结果发送给均勻区间计算模块；所述均勻区间计算模块，用于接收所述频谱空洞评估模块发送的所述复选结果，计算所述从用户当前接入的频谱空洞的均勻区间，并从所述复选结果中筛选出处于所述均勻区间内的频谱空洞以获取频谱空洞的筛选子结果；以及将所述筛选子结果发送给频谱空洞接入模块；所述频谱空洞接入模块，用于接收所述均勻区间计算模块发送的所述筛选子结果，从所述筛选子结果中选取频谱空洞并接入所述从用户，优选地，选取信道容量最小的频谱空洞，并将所述从用户接入所述信道容量最小的频谱空洞。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括频谱空洞切换判断模块，用于在所述频谱空洞评估模块剔除不能满足所述从用户的传输速率需求的频谱空洞获取频谱空洞的复选结果之后，将所述复选结果发送给均勻区间计算模块之前，判断所述从用户是否需要切换频谱空洞；如果所述从用户需要切换频谱空洞，则由所述均勻区间计算模块计算所述从用户当前接入的频谱空洞的均勻区间；否则，由所述频谱空洞接入模块在所述频谱空洞的复选结果中选择信道容量最小的频谱空洞，并将所述从用户接入所述复选结果中信道容量最小的频谱空洞。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括频谱空洞切换判断模块，用于在所述均勻区间计算模块从所述频谱空洞的复选结果中筛选出处于所述均勻区间内的频谱空洞以获取频谱空洞的筛选子结果之后，将所述筛选子结果发送给频谱空洞接入模块之前，判断所述筛选子结果是否是空集；如果所述筛选子结果是空集，则由所述频谱空洞接入模块在所述频谱空洞的复选结果中选择信道容量最小的频谱空洞，并将所述从用户接入所述复选结果中信道容量最小的频谱空洞；否则，在由所述频谱空洞接入模块所述频谱空洞的筛选子结果中选择信道容量最小的频谱空洞，并将所述从用户接入所述筛选子结果中信道容量最小的频谱空洞。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述信道容量计算模块进一步用于根据所述频谱空洞的初步检测结果，结合频率因素和传播环境因素来计算所述频谱空洞对应的信道容量。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述均勻区间计算模块进一步用于通过所述频谱空洞对应的信道容量对频率求偏导数的方式，或者通过所述频谱空洞对应的信道容量与从用户传输速率需求的差的方式，计算所述从用户当前接入的频谱空洞的中心频率所处的均勻区间。
全文摘要
本发明公开了一种基于频谱空洞不均匀性的频谱接入方法及系统，该方法包括根据频谱空洞的初步检测结果计算频谱空洞对应的信道容量；根据从用户的传输速率需求和频谱空洞对应的信道容量对频谱空洞进行评估，剔除不能满足从用户的传输速率需求的频谱空洞获取频谱空洞的复选结果；计算从用户当前接入的频谱空洞的均匀区间，并从频谱空洞的复选结果中筛选出处于均匀区间内的频谱空洞以获取频谱空洞的筛选子结果；从频谱空洞的筛选子结果中选取频谱空洞并接入从用户；优选地，选取信道容量最小的频谱空洞，并将从用户接入信道容量最小的频谱空洞。本发明有利于显著提高从系统的吞吐量和频谱利用率，从而大大降低从用户通信过程中的掉话率。
文档编号H04W24/00GK102223641SQ20101014760
公开日2011年10月19日 申请日期2010年4月14日 优先权日2010年4月14日
发明者张英海, 李凡, 王卫东, 王首峰 申请人:北京邮电大学