专利名称：一种认知无线电网络中的频谱分配方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种认知无线电网络中的频谱分配方法和系统。
背景技术：
认知无线电又被称为智能无线电，是ー种动态感知空闲频谱并加以分配利用的技木，其核心目标是改变现有固定频谱分配方式对频谱利用不够充分的缺点，更有效地利用频谱资源，从一定程度上缓解频谱资源匮乏的现状。认知无线电的核心思想就是通过频谱感知和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配和频谱共享。在认知无线电网络中，主要分成两类系统授权系统和认知系统。授权系统是指拥有授权频谱的ー些系统，比如广播系统等；认知系统是指采用感知技术充分利用空闲的频谱进行通信的系统。为了使认知系统能够灵活地使用空闲频段，且同时又能与授权系统共存，因此需要一种动态的频谱分配方案来实现。动态频谱分配需要解决三个问题，一是认知系统对授权系统的干扰规避或共存问题，ニ是认知系统之间的共存问题，三是认知系统充分利用频谱的效益和各认知系统竞争的公平性问题，即认知无线电系统能够在感知当前环境之后，对当前的频谱进行动态的分配，解决上述三个问题同时满足当前对频谱的需求。它将改变目前的“命令和控制”的频谱分配方式，让频谱做到“按需分配”。这样做实际上是对频谱资源进行优化管理，让频谱资源可以得到高效的利用。在当前的研究中，已经存在ー些关于动态频谱分配的分配模型及策略，比如图着色模型，博弈论模型以及定价拍卖模型等等。这些方案主要以感知为基础，以系统内小区或小区内用户为主要分配对象，通过感知得到小区或用户相应的可用频谱，然后进行动态分配。然而，但这些方案多以提高系统吞吐量或规避干扰为主要目的，认知无线电网络的整体频谱利用效果不甚理想。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种认知无线电网络中的频谱分配方法和系统，以改善认知无线电网络的整体频谱利用效果。本发明的技术方案具体是这样实现的一种认知无线电网络中的频谱分配方法，该方法包括根据授权系统能够提供的频谱资源和认知系统需求的频谱资源各自的特征，确定授权系统能够提供的频谱资源与认知系统需求的频谱资源的匹配度；根据所述匹配度以及每个认知系统的频谱资源利用效率，确定每个认知系统使用频谱资源的效用函数值；根据各个认知系统使用频谱资源的效用函数值为认知系统分配频谱资源。一种认知无线电网络中的频谱分配系统，该系统包括信息管理模块、资源匹配模块和分配模块；所述信息管理模块，用于存储授权系统能够提供的频谱资源和认知系统需求的频谱资源各自的特征信息；所述资源匹配模块，用于根据授权系统能够提供的频谱资源和认知系统需求的频谱资源各自的特征，确定授权系统能够提供的频谱资源与认知系统需求的频谱资源的匹配度；所述分配模块，用于根据所述匹配度以及每个认知系统的频谱资源利用效率，确定每个认知系统使用频谱资源的效用函数值，根据各个认知系统使用频谱资源的效用函数值为认知系统分配频谱资源。由上述技术方案可见，本发明通过确定授权系统能够提供的频谱资源与认知系统需求的频谱资源的匹配度，根据所述匹配度以及每个认知系统的频谱资源利用效率，确定每个认知系统使用频谱资源的效用函数值，根据各个认知系统使用频谱资源的效用函数值为认知系统分配频谱资源。由于在频谱分配时考虑了授权系统能够提供的频谱资源与认知系统需求的资源的匹配度，并且还考虑了各个认知系统的频谱利用效率，因此能够尽量将匹配较好的资源分配给认知系统，且为频谱利用效率较高的认知系统分配频谱资源，从而改善认知无线电网络的整体频谱利用效果。
图1是本发明提供的认知无线电网络中的频谱分配方法流程图。图2是本发明提供的两轮分配方法的总体流程图。图3是本发明提供的两轮分配方法中的第一轮分配的流程图。图4是本发明提供的两轮分配方法中的第二轮分配的流程图。图5是本发明提供的认知无线电网络中的频谱分配系统第一结构图。图6是本发明提供的认知无线电网络中的频谱分配系统第二结构图。图7是本发明提供的认知无线电网络中的频谱分配系统第三结构图。图8是本发明提供的认知无线电网络中的频谱分配系统第四结构图。
具体实施例方式图1是本发明提供的认知无线电网络中的频谱分配方法流程图。如图1所示，该方法包括步骤101，获取授权系统能够提供的频谱资源的特征信息和认知系统需求的频谱资源的特征信息。为了全面地描述频谱资源的特征，所述特征信息可以包括频率特征、时间特征和空间特征。其中，频率特征可以包括中心频率、带宽等频率域的信息；时间特征可以包括频谱的可用时长、可用起止时间等信息；空间特征可以包括频谱在哪些地理范围内可用等信息。步骤102，根据所述特征信息确定授权系统能够提供的频谱资源与认知系统需求的频谱资源的匹配度。步骤103，根据所述匹配度以及每个认知系统的频谱资源利用效率，确定每个认知系统使用频谱资源的效用函数值。其中，可以采用多种方式定义频谱资源利用效率，例如可以定义为系统単位带宽単位面积上的平均呑吐量、或系统最大呑吐量、系统平均呑吐量、系统单位面积最大呑吐量、系统单位面积平均呑吐量、系统单位面积频谱效率、系统能容纳的最大用户数、平均用户数、系统单位面积的最大用户数、系统单位面积的平均用户数、系统单位带宽的最大用户数、系统单位带宽的平均用户数、単位带宽单位面积的最大用户数、単位带宽单位面积的平均用户数，等等。本发明实施例以上述定义为例考虑频谱利用效率，但是并不限定本发明方案的实现方式。步骤104，根据各个认知系统使用频谱资源的效用函数值为认知系统分配频谱资源。在步骤102之前，还可以包括如下步骤根据授权系统能够提供的频谱资源和认知系统需求的频谱资源各自的特征、以及授权系统和/或认知系统的干扰限制条件，从授权系统能够提供的频谱资源的集合中确定出认知系统能够使用的频谱资源集合。也可以仅根据授权系统能够提供的频谱资源和认知系统需求的频谱资源各自的特征确定出认知系统能够使用的频谱资源集合。例如，如果授权系统提供的频谱资源能够满足认知系统的基本工作需求，且在该认知系统占用该授权系统提供的频谱资源后，对该授权系统产生的干扰不超过该授权系统的干扰阈值，则将该频谱资源确定为认知系统能够使用的频谱资源。再例如，如果授权系统提供的频谱资源能够满足认知系统的基本工作需求，且在该认知系统占用该授权系统提供的频谱资源后，对该授权系统产生的干扰不超过该授权系统的干扰阈值，所有授权系统对该认知系统产生的干扰也不超过该认知系统的干扰阈值，则将该频谱资源确定为认知系统能够使用的频谱资源。再例如，如果授权系统提供的频谱资源能够满足认知系统的基本エ 作需求，且在该认知系统占用该授权系统提供的频谱资源后，对该授权系统产生的干扰不超过该授权系统的干扰阈值，对所有认知系统产生的干扰不超过该认知系统的干扰阈值， 所有授权系统对该认知系统产生的干扰也不超过该认知系统的干扰阈值，则将该频谱资源确定为认知系统能够使用的频谱资源。相应地，所述步骤102为根据所述特征信息确定认知系统能够使用的各频谱资源与认知系统需求的频谱资源的匹配度。通过增加确定认知系统能够使用的频谱资源集合的步骤，一方面可以降低步骤 102的计算量，另ー方面，由于考虑了授权系统和/或认知系统的干扰限制条件，因此能够使得为认知系统分配频谱后不会影响授权系统和/或认知系统的正常工作。在本发明上述方法的基础上，还可以包括确定各个认知系统的优先级信息，相应地，所述为认知系统分配频谱资源包括根据各个认知系统的优先级信息和使用频谱资源的效用函数值为认知系统分配频谱资源。例如，按照优先级将各个认知系统排队，按照优先级由高到低的順序为认知系统分配频谱资源，当有多个频谱资源能够分配给同一个认知系统时，根据该多个频谱资源各自的效用函数值，从中选择效用函数值最大的分配给该认知系统。本发明并不限定根据优先级信息和效用函数值分配频谱资源的具体方式，例如还可以综合考虑优先级信息和效用函数值进行频谱资源分配，当优先级较高的认知系统需求的频谱资源对应的效用函数值低于预定阈值时，而下ー个优先级的认知系统需求的频谱资源对应的效用函数值很高，可以考虑为下ー个优先级的认知系统分配频谱资源。通过为各个认知系统确定优先级，然后根据各个认知系统的优先级信息和使用频谱资源的效用函数值为认知系统分配频谱资源，可以实现频谱资源分配的高效性和公平性。其中，各个认知系统的优先级信息可以根据认知系统的频谱使用效率、频谱需求量和频谱认知能力中的任意ー项或多项确定。一般地，认知系统的频谱使用效率越高，则其优先级越高；在保证系统基本需求的前提下，认知系统通过本方法已获得的资源与所需资源差距越大，则其优先级越高；认知系统的频谱认知能力越強，则说明该认知系统检测频谱的正确性和精确度越高，对授权系统的保护能力也越高，例如不会将某ー授权系统已使用的频谱资源误检为空闲，从而避免认知系统占用授权系统正在使用的频段，因此认知系统的频谱认知能力越强则其优先级越高。可通过对频谱使用效率、频谱需求量和频谱认知能力中的各项加权来确定认知系统的优先级，以便全面考虑各方因素。在为认知系统分配频谱资源吋，还可以在保证基本通信需求的前提下，优先保证高效性，然后再考虑公平性，即优先保证尽量多的认知系统能够工作，然后再为频谱利用效用较好或频谱需求较多的认知系统继续分配频谱资源，以使其取得更好的工作性能。例如，将认知系统需求的频谱资源分为满足认知系统基本工作需求的频谱资源以及除所述基本工作需求以外的频谱资源，即认知系统期望的频谱资源。通过满足认知系统基本工作需求的频谱资源，可以使认知系统能够工作，例如使通信系统能够通信；通过该期望的频谱资源，认知系统能够取得更好的工作性能。下面分别举例进行说明，具体请參见图2 图4，所举例子并不用于限制本发明。图2是本发明提供的两轮分配方法的总体流程图。如图2所示，该方法包括步骤201，初始化授权系统能够提供的频谱资源和认知系统需求的频谱资源各自的特征信息。步骤202，进行第一轮分配根据认知系统的优先级和效用函数值为各认知系统分配能够满足其基本工作需求的频谱资源。步骤203，更新授权系统能够提供的频谱资源和认知系统需求的频谱资源。步骤204，进行第二轮分配根据更新的频谱资源重新确定每个认知系统使用频谱资源的效用函数值，根据认知系统的优先级和重新确定的效用函数值为认知系统分配除所述基本工作需求以外的频谱资源。其中，根据更新的频谱资源重新确定所述匹配度，根据重新确定的匹配度以及每个认知系统的频谱资源利用效率确定每个认知系统使用频谱资源的效用函数值。图3是本发明提供的两轮分配方法中的第一轮分配的流程图。如图3所示，该方法包括步骤301，从授权系统能够提供的频谱资源的集合中确定出认知系统能够使用的频谱资源集合。步骤302，确定认知系统能够使用的频谱资源的特征信息与认知系统需求的频谱资源的特征信息之间的匹配度。
步骤303，根据所述匹配度、每个认知系统的频谱资源利用效率，确定每个认知系统使用频谱资源的效用函数值。步骤304，根据各个认知系统使用频谱资源的效用函数值及优先级为认知系统分配频谱资源。图4是本发明提供的两轮分配方法中的第二轮分配的流程图。如图4所示，该方法包括步骤401，根据更新的频谱资源信息，从授权系统能够提供的频谱资源的集合中确定出认知系统能够使用的频谱资源集合。步骤402，确定认知系统能够使用的频谱资源的特征信息与认知系统需求的频谱资源的特征信息之间的匹配度。步骤403，根据所述匹配度、每个认知系统的频谱资源利用效率，确定每个认知系统使用频谱资源的效用函数值。步骤404，根据各个认知系统使用频谱资源的效用函数值和优先级为认知系统分配频谱资源。例如，在分配时在保证优先级的前提下考虑效用函数最大化。图3所示方法以目标效用函数最大化的原则，给认知系统选出“第一数目”的效益值大的频点。这里的“第一数目”是各认知系统提供的最低工作要求(即基本工作要求)所需的频点数。图4所示方法根据公平和效益兼顾的原则，为认知系统选出满足公平性且效益值大的“第二数目，，的频点。以下是“第二数目，，的具体描述实例，这里的“第二数目，，是考虑了公平性指标后计算的频点数。以下是两个基本概念①认知系统分配满足度分配结束后认知系统实际分配的频点数除以需求的频点数。②系统资源配置比在第二轮分配中各认知系统满足度的比例。通过该分配比例设定各认知系统实际分配的频点数，使得第二轮分配后各系统的满足度等于此比例。通过“系统资源配置比”来确定第二轮分配给各认知系统的频点数的计算方法如下N个认知系统的资源配置比例为ちa2 ... aN，认知系统i期望频点数为ki; 频谱资源第一轮分配后总剩余带宽为W，那么在第二轮中为认知系统i分配的频点数为
权利要求
1.一种认知无线电网络中的频谱分配方法，其特征在于，该方法包括根据授权系统能够提供的频谱资源和认知系统需求的频谱资源各自的特征，确定授权系统能够提供的频谱资源与认知系统需求的频谱资源的匹配度；根据所述匹配度以及每个认知系统的频谱资源利用效率，确定每个认知系统使用频谱资源的效用函数值；根据各个认知系统使用频谱资源的效用函数值为认知系统分配频谱资源。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在干，在确定所述匹配度之前，该方法还包括 根据授权系统能够提供的频谱资源和认知系统需求的频谱资源各自的特征、以及授权系统和/或认知系统的干扰限制条件，从授权系统能够提供的频谱资源的集合中确定出认知系统能够使用的频谱资源集合；确定所述匹配度包括确定认知系统能够使用的各频谱资源与认知系统需求的频谱资源的匹配度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括 确定各个认知系统的优先级信息；所述为认知系统分配频谱资源包括根据各个认知系统的优先级信息和使用频谱资源的效用函数值为认知系统分配频谱资源。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在干，所述为认知系统分配频谱资源包括根据各个认知系统的优先级信息和所述效用函数值为各认知系统分配能够满足其基本工作需求的频谱资源；更新授权系统能够提供的频谱资源和认知系统需求的频谱资源； 根据更新的频谱资源重新确定所述匹配度，根据重新确定的匹配度以及每个认知系统的频谱资源利用效率确定每个认知系统使用频谱资源的效用函数值，根据各个认知系统的优先级信息和重新确定的效用函数值为认知系统分配除所述基本工作需求以外的频谱资源。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在干，各个认知系统的优先级信息根据认知系统的频谱使用效率、频谱需求量和/或频谱认知能力确定。
6.根据权利要求1至5任ー权利要求所述的方法，其特征在干，所述特征包括频率特征、时间特征和空间特征。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在干，授权系统能够提供的频谱资源与认知系统需求的频谱资源之间的频率特征匹配度//为
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在干，每个认知系统使用频谱资源的效用函数值U为U = PiXtXBiXSiX g； χゲχ // ,其中，Pj, t” B” Si分别是认知系统i的频谱资源利用效率、需求频谱的占用时长、需求频谱的带宽、需求频谱的覆盖面积，g/、hレ//分别是授权系统提供的频段j和认知系统i需求的频谱资源之间的时间特征匹配度、空间特征匹配度和频率特征匹配度。
9.一种认知无线电网络中的频谱分配系统，其特征在干，该系统包括信息管理模块、资源匹配模块和分配模块；所述信息管理模块，用于存储授权系统能够提供的频谱资源和认知系统需求的频谱资源各自的特征信息；所述资源匹配模块，用于根据授权系统能够提供的频谱资源和认知系统需求的频谱资源各自的特征，确定授权系统能够提供的频谱资源与认知系统需求的频谱资源的匹配度；所述分配模块，用于根据所述匹配度以及每个认知系统的频谱资源利用效率，确定每个认知系统使用频谱资源的效用函数值，根据各个认知系统使用频谱资源的效用函数值为认知系统分配频谱资源。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，该系统还包括基本限制模块；所述信息管理模块，包括用于存储授权系统和/或认知系统的干扰限制条件的模块；所述基本限制模块，用于根据授权系统能够提供的频谱资源和认知系统需求的频谱资源各自的特征、以及授权系统和/或认知系统的干扰限制条件，从授权系统能够提供的频谱资源的集合中确定出认知系统能够使用的频谱资源集合；所述资源匹配模块，用于确定认知系统能够使用的各频谱资源与认知系统需求的频谱资源的匹配度。
11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，该系统还包括优先级设定模块；所述优先级设定模块，用于确定各个认知系统的优先级信息；所述分配模块，用于根据各个认知系统的优先级信息和使用频谱资源的效用函数值为认知系统分配频谱资源。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在干，所述分配模块包括第一分配模块、更新模块和第二分配模块；所述第一分配単元，用于根据各个认知系统的优先级信息和使用频谱资源的效用函数值为各认知系统分配能够满足其基本工作需求的频谱资源；所述更新単元，用于根据分配结果更新所述信息管理模块中授权系统能够提供的频谱资源和认知系统需求的频谱资源各自的特征信息；所述第二分配単元，用于根据更新的频谱资源重新确定所述匹配度，根据重新确定的匹配度和每个认知系统的频谱资源利用效率重新确定每个认知系统使用频谱资源的效用函数值，根据各个认知系统的优先级信息和重新确定的效用函数值为认知系统分配除所述基本工作需求以外的频谱资源。
13.根据权利要求11所述的系统，其特征在干，所述优先级设定模块，用于根据认知系统的频谱使用效率、频谱需求量以及频谱认知能力设定各个认知系统的优先级信息。
14.根据权利要求9至13任ー权利要求所述的系统，其特征在干，所述信息管理模块，用于存储授权系统能够提供的频谱资源和认知系统需求的频谱资源各自的频率特征、时间特征和空间特征。
全文摘要
本发明实施例公开了一种认知无线电网络中的频谱分配方法和系统。该方法包括根据授权系统能够提供的频谱资源和认知系统需求的频谱资源各自的特征，确定授权系统能够提供的频谱资源与认知系统需求的频谱资源的匹配度；根据所述匹配度以及每个认知系统的频谱资源利用效率，确定每个认知系统使用频谱资源的效用函数值；根据各个认知系统使用频谱资源的效用函数值为认知系统分配频谱资源。应用本发明能够改善认知无线电网络的整体频谱利用效果。
文档编号H04W16/10GK102595419SQ20111000528
公开日2012年7月18日 申请日期2011年1月4日 优先权日2011年1月4日
发明者陈星 , 韦再雪 申请人:中国移动通信集团公司