专利名称：分布式认知无线电系统频谱接入方法
技术领域：
本发明属于无线通信技术领域，涉及认知无线电，具体是一种分布式认知无线电系统频谱接入方法，可用于更多的时延敏感业务，保障分布式认知无线电系统中次级用户的队列稳定性。
背景技术：
随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源日益紧缺，人们提出了认知无线电的概念。认知无线电技术的核心思想是在对取得频谱使用权的授权用户及其他非授权用户不产生干扰的前提下，认知用户通过感知周围的无线电环境，伺机进行频谱接入以提高频谱利用率。基于认知无线电可以实现时间、频率以及空间上的多维频谱复用，从而大大降低频谱和带宽限制对无线通信发展的束缚。该技术的普及应用，将会极大地缓解无线频谱资源日益紧缺的现状，为人们提供更加丰富灵活的无线通信手段。认知无线电最核心的工作机制本质上包括两个基本过程频谱机会的发现与频谱机会的利用。频谱机会的发现对应的是认知能力，具体到技术层面就是频谱检测技术；频谱机会的利用则对应于重配置能力，技术层面涵盖了频谱管理，频谱接入及功率控制技术等。 动态频谱接入能够在满足对主用户干扰限制的基础上，提高次级用户吞吐量和服务质量， 因此被广泛关注。动态频谱接入可以分为集中式和分布式频谱接入。在集中式方案中，网络中的每个分布式节点都把自己感知到的频谱信息汇聚到集中控制单元，由控制单元对各个节点的频谱使用情况做出部署。而分布式解决方案中，每个分布式节点都参与频谱分配和竞争的过程，频谱接入是由节点自身的策略决定的。与集中式相比，分布式频谱接入方案更具挑战性，特别是很少有多个次级用户分布式地共享接入频谱的方法。现有的分布式频谱接入算法往往以最大化次级用户吞吐量为目标，而忽略了对分组时延和队列稳定性的考虑，导致无法保证时延敏感业务的服务质量QoS。
发明内容
本发明的目的在于克服已有频谱接入方案的不足，提出一种分布式认知无线电系统频谱接入方法，以保障队列的稳定性，提高系统的服务质量。本发明的技术思路是通过自适应调整次级用户退避时长参数，使稳态服务速率趋近到达速率，进而保障队列的稳定性。具体步骤包括如下((1)将获得频谱使用权的授权用户定义为主用户，将没有获得使用权的非授权用户定义为次级用户；(2)建立系统发送状态马尔科夫链模型，计算此模型各状态的稳态概率，并根据稳态概率计算干扰限制下次级用户的最大服务速率Smax ；(3)次级用户i判断数据到达速率e (1,2,...,K)是否小于最大服务速率 Smax，K表示次级用户个数，如果到达速率小于最大服务速率，则执行步骤G)，否则次级用户i进行流量控制，降低数据到达速率，直至数据到达速率小于最大服务速率，再执行步骤 ⑷；(4)次级用户各自采用载波侦听协议CSMA持续侦听主用户信道，当侦听结果为空闲时，即信道上没有其他用户发送数据，则执行步骤(5)，否则继续侦听主用户信道；(5)次级用户进行分布式自适应退避，退避完成后接入信道5a)次级用户i启动时长为、的计时器1，并开始退避，此处、的值由次级用户 i的计时器1随机产生，并服从参数为一的指数分布，即( exp(一)，ri的初始值取负数，例如取-5 -lOms—1，并且每隔固定时间τ，将A的值自适应更新一次，τ取正数值，例如取 5 15ms ；5b)在退避过程中，次级用户i不发送数据并持续侦听主用户信道，如果侦听结果一直为空闲，则等待计数器1归零后执行步骤(6)，如果在时间、内次级用户i侦听到信道上有其他用户发送数据，则终止计时器1，并返回步骤中的信道侦听状态；(6)次级用户发送数据，并根据碰撞情况决定是否丢弃数据6a)次级用户以分组为单位发送数据，分组长度服从参数为T的指数分布，T值的大小与步骤O)中马尔科夫链模型的参数T的取值保持一致；6b)次级用户用冲突检测的方法判断是否与其他用户的数据发生碰撞，如果发生碰撞，则丢弃正在发送的分组，并返回步骤(4)，如果未发生碰撞，则在完成分组发送后执行步骤(7)；(7)次级用户i每隔固定时长b判断队列是否稳定，b的取值远大于τ，例如τ取 5 15ms时，b取10 15s，如果稳定，并且还有数据需要发送，则返回步骤⑷，如果队列不稳定，则次级用户i按比例进行流量控制，将数据到达速率降低，例如降低至原来的80% 90%，并返回步骤(4)。本发明与现有方法相比主要优点如下(1)保障了对主用户干扰限制下次级用户队列的稳定性本发明中次级用户通过自适应调整退避时长参数，使得稳态服务速率不断趋近于到达速率，最终保证了次级用户的队列稳定性，同时由于限制了次级用户的数据到达速率， 从而保证了次级用户对主用户的干扰小于系统要求的门限值；(2)系统开销更小本发明无需次级用户之间的任何信息交互，只需次级用户分布式地进行侦听、退避和接入信道的操作，从而减小了由于用户之间的沟通而产生的开销；(3)简单易实现本发明中自适应调整退避时长参数的操作简单易行，次级用户只需统计固定时间长度内到达和离开的数据分组个数，并根据简单的更新算法自适应调整退避时长参数，这在实际中很容易实现。
图1是本发明使用的系统场景时域图；图2是本发明的流程框图；图3是本发明构建的马尔科夫链模型图4是用本发明对次级用户队列长度变化的仿真图；图5是用本发明对 主用户碰撞概率的仿真图。
具体实施例方式本发明使用的系统场景如图1，图1中描述了 1个主用户和2个次级用户共享信道时的场景，当次级用户侦听到主用户信道空闲时，随机退避后接入信道，如果退避过程中没有其他用户发送数据，则完成数据发送后继续侦听主用户信道，反之，如果退避过程中有其他用户发送数据，则停止退避并转入侦听状态。参照图2，本发明的实现步骤如下步骤1，将获得频谱使用权的授权用户定义为主用户，将没有获得使用权的非授权用户定义为次级用户，规定授权用户能随时发送数据，而非授权用户只能在授权用户不发送数据时发送数据。步骤2，建立系统发送状态马尔科夫链模型，计算此模型各状态的稳态概率，并根据稳态概率计算干扰限制下次级用户的最大服务速率Smax (2.1)用向量 XE [(χι,χ2,... ,χκ), xpu], Vx. e {0,1}, χρυ e {0，1}，表示所有用户的数据发送状态，其中Xi，i e (1，2，...，K)表示次级用户i发送状态，K表示次级用户的个数，Xpu表示主用户发送状态，1表示发送数据，0表示不发送数据，用μ和υ分别表示主用户的繁忙和空闲时长参数，用氏表示次级用户i的退避时长参数，用T表示次级用户发送数据时长参数；(2. 2)根据认知无线电系统中主次用户发送数据的优先级关系，用所有发送状态向量X构造马尔科夫链模型如图3，图3中，状态[(0，0，...，0)，0]转入状态[(0，0，...， 1,...,0),0]表示次级用户i在侦听到信道空闲时，随机退避后接入信道，任何一个状态转入状态[(0，0，...,0),1]表示主用户开始发送数据，任何一个状态转入状态[(0，0，...， 0),0]表示用户数据发送完成，状态[(0，0，... ,1, ... ,0),0]转入状态[(0，0，...,0),1] 表示次级用户i发送数据过程中产生碰撞；(2. 3)根据步骤(2. 2)中马尔科夫链模型的各状态之间的转移关系，建立并求解
马尔科夫链模型的稳态概率平衡方程，得到此模型各状态的稳态概率为
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权利要求
1.一种分布式认知无线电系统频谱接入方法，包括如下步骤(1)将获得频谱使用权的授权用户定义为主用户，将没有获得使用权的非授权用户定义为次级用户；(2)建立系统发送状态马尔科夫链模型，计算此模型各状态的稳态概率，并根据稳态概率计算干扰限制下次级用户的最大服务速率Smax ；(3)次级用户i判断数据到达速率e(1,2,...,K)是否小于最大服务速率Smax， K表示次级用户个数，如果到达速率小于最大服务速率，则执行步骤G)，否则次级用户i进行流量控制，降低数据到达速率，直至数据到达速率小于最大服务速率，再执行步骤(4)；(4)次级用户各自采用载波侦听协议CSMA持续侦听主用户信道，当侦听结果为空闲时，即信道上没有其他用户发送数据，则执行步骤(5)，否则继续侦听主用户信道；(5)次级用户进行分布式自适应退避，退避完成后接入信道5a)次级用户i启动时长为、的计时器1，并开始退避，此处、的值由次级用户i的计时器1随机产生，并服从参数为一的指数分布，即(~ exp(e"0，r,的初始值取负数，例如取-5 -lOms—1，并且每隔固定时间τ，将Ti的值自适应更新一次，τ取正数值，例如取5 15ms ；5b)在退避过程中，次级用户i不发送数据并持续侦听主用户信道，如果侦听结果一直为空闲，则等待计数器1归零后执行步骤(6)，如果在时间、内次级用户i侦听到信道上有其他用户发送数据，则终止计时器1，并返回步骤中的信道侦听状态；(6)次级用户发送数据，并根据碰撞情况决定是否丢弃数据6a)次级用户以分组为单位发送数据，分组长度服从参数为T的指数分布，T值的大小与步骤O)中马尔科夫链模型的参数T的取值保持一致；6b)次级用户用冲突检测的方法判断是否与其他用户的数据发生碰撞，如果发生碰撞， 则丢弃正在发送的分组，并返回步骤(4)，如果未发生碰撞，则在完成分组发送后执行步骤 (7)；(7)次级用户i每隔固定时长b判断队列是否稳定，b的取值远大于τ，例如τ取5 15ms时，b取10 15s，如果稳定，并且还有数据需要发送，则返回步骤(4)，如果队列不稳定，则次级用户i按比例进行流量控制，将数据到达速率降低，例如降低至原来的80% 90%，并返回步骤(4)。
2.根据权利要求1所述的分布式认知无线电系统自适应频谱接入方法，其特征在于 步骤O)中所述的建立系统发送状态马尔科夫链模型，计算此模型各状态的稳态概率，并根据稳态概率计算干扰限制下次级用户的最大服务速率Smax，按如下步骤进行(2.1)用向量 X^ [(XijX2,...,xK),xPU],Vx,e{0,l},χρυ e {0,1}表示所有用户的数据发送状态，其中Xi, i e (1,2,..., K)表示次级用户i发送状态，Xpu表示主用户发送状态， 1表示发送数据，O表示不发送数据，用μ和υ分别表示主用户的繁忙和空闲时长参数，用 Ri表示次级用户i的退避时长参数，用T表示次级用户发送数据时长参数；(2. 2)根据认知无线电系统中主次用户发送数据的优先级关系，用所有发送状态向量 χ构造马尔科夫链模型，用状态[(0，0，...，0)，0]转入状态[(0，0，...，1，...，0)，0]表示次级用户i在侦听到信道空闲时随机退避后接入信道，用任何一个状态转入状态[(0，0，...， 0),1]表示主用户开始发送数据，用任何一个状态转入状态[(0，0，...，0)，0]表示用户数据发送完成，用状态[(0，0，...，1，...，0)，0]转入状态[(0，0，...，0)，1]表示次级用户i发送数据过程中产生碰撞；(2.3)根据步骤(2.2)中马尔科夫链模型的各状态之间的转移关系，建立并求解马尔科夫链模型的稳态平衡方程，得到此模型各状态的稳态概率为
3.根据权利要求1所述的分布式认知无线电系统自适应频谱接入方法，其特征在于 步骤(5a)中所述的每隔固定时间τ，将ri的值自适应更新一次，按如下步骤进行(5al)次级用户i启动时长为固定值τ的循环计时器2，并开始统计到达和离开的数据分组个数，统计结果分别用Ai和Bi表示，当计时器2归零后，按照下式计算平均到达速率 Λ和服务速率瓦
全文摘要
本发明公开了一种分布式认知无线电系统频谱接入方法，主要解决现有认知无线电系统中次级用户的队列稳定性差的问题。其实现步骤包括1)定义认知无线电系统中的主用户和次级用户；2)调整次级用户到达速率，使次级用户到达速率小于干扰限制下的最大服务速率；3)次级用户采用CSMA协议持续侦听主用户信道，并在侦听结果为空闲时随机退避后接入信道；4)次级用户自适应调整退避时长参数，使稳态服务速率趋近于到达速率，最终达到队列稳定。本发明具有次级用户队列稳定和主次用户碰撞概率小于干扰限制的优点，可用于无线通信领域中对队列时延要求严格的认知无线电系统。
文档编号H04W74/08GK102170706SQ20111014097
公开日2011年8月31日 申请日期2011年5月30日 优先权日2011年5月30日
发明者张金钊, 李晓辉, 李硕, 黑永强 申请人:西安电子科技大学