专利名称：基于合作频谱感知的频谱接纳控制方法
技术领域：
本发明涉及无线通信技术领域，具体地，涉及一种基于合作频谱感知的频谱接纳控制方法。
背景技术：
在无线网络中，接纳控制主要用来限制系统中正在运行的用户数，以使得系统不会因接入过多的用户而使得系统有限的频谱资源变得非常拥挤。接纳控制的两个主要目标是(1)保障系统中正在通信及刚接入系统的用户的服务质量(Quality of Service, QoS)；区分不同用户在不同服务等级的优先次序。接纳控制的目的就是在接纳区域内最大化 系统的效用函数。在认知无线网络中，接纳控制侧重区分主用户(Primary Users, PUs)和次用户(Secondary Users, SUs)的优先次序,其设计目标是在满足给定的PUs的QoS和给定的SUs的阻塞概率约束条件下最小化SU的切换中断概率或最大化认知无线网络的吞吐量。其最常见的接纳控制方案是基于保护信道(GuardChannel)的接纳控制，即预留信道给切换的次用户，新到次用户在无可用信道时被完全阻塞掉。Ramjee R. , NagarajanR.和 Towsley D.在文献“On optimal calladmission control in cellular networks(蜂窝网络中的最佳呼叫接纳控制)，，，IEEEINF0C0M ' 96-Fifteenth Annual JointConference of the IEEE Computer andCommunications Societies:Networking theNext Generation, Proceedings Vols 1-3, 1996:43-50. (IEEE INF0C0M' 96-IEEE 计算机和通信社团第十五届年度联合会议网络下一代，1-3卷集，1996 :43-50。)中提出部分保护信道(Fractional GuardChannel)方案，即对新到用户在无可用信道时并不是完全被阻塞掉，而是按照一定概率可以接入到预留信道中去。Pacheco-Paramo D. , Pla V.和Martinez-BausetJ.在文献“Optimal Admission Control in Cognitive Radio Networks(认知无线网络中的最佳接纳控制)”，IEEE 4th International Conference on CognitiveRadioOriented Wireless Networks and Communications, 2009:281-287. (IEEE 第四届面向认知无线电的无线网络与通信国际研讨会，2009年281 287。)中以最大化吞吐量为目标分析了基于保护信道的接纳控制机制。这种接纳控制方式可以有效地降低次用户的强制中断概率，但是这些研究并没有考虑实际无线信道及次用户频谱感知的错误概率带来的影响，也没有考虑如何提高频谱感知的精确度来最小化错误检测概率。认知无线电中的频谱感知主要的目标是在对PUs的QoS的有效保障下，尽可能多地为次用户提供频谱接入机会。在无线信道中，需要考虑(I)因距离而产生的路径损耗，
(2)多径效应(Multipath):平坦的小尺度衰落，瑞利分布衰落以及频率选择性衰落等，(3)阴影衰落(Shadowing)，而合作感知可以减轻多径和阴影影响，从而使得感知门限可设置接近标称值的路径损耗。此外，合作感知可以降低单个SU对PU的检测要求，同时也可以解决隐终端问题。合作感知使得多个次用户间相互合作，在集中式网络拓扑结构中，各SU首先根据自身的检测结果做出PU信号是否存在的判决，之后将判决结果发送到中心节点，中心节点采用一定的规则对上述判决结果进行合并，并做出最终判决，主要有AND (与)、0R (或)和 K 秩融合策略。Visotsky E. , Kuffner S.和 Peterson R.在文献“On collaborativedetection of TV transmissions in support of dynamic spectrumsharing (支持动态频谱共享的电视传输协作检测)”，First IEEE InternationalSymposium on NewFrontiers in Dynamic Spectrum Access Networks, 2005:338-345.(第一届 IEEE 动态频谱接入网络新前沿国际研讨会，2005年338-345)中分析了合作频谱感知的AND融合策略，当所有的SUs都认为存在I3U时，融合中心才认为存在PU，否则融合中心认为不存在W。Ghasemi A.和Sousa E. S.在文献“Collaborative spectrum sensing for opportunisticaccess in fadingenvironments (在衰落环境下针对机会接入的协作频谱感知)”，FirstIEEEInternational Symp osium on New Frontiers in Dynamic Spectrum AccessNetworks, 2005:131-136.(第一届IEEE动态频谱接入网络新前沿国际研讨会，2005年131-136)中分析了 OR融合策略，当所有SUs都认为不存在I3U时，融合中心才认为不存在PU，否则融合中心认为存在 PU。Wei Z. ,Mallik R.和 LetaiefK.在文献“Optimization ofcooperative spectrum sensing with energy detection incognitive radio networks(认知无线网络中基于能量检测的合作频谱感知的最优化)”，IEEE Transactions onWireless Communications, 2009:5761-5766. (ffiEE 无线通信汇刊，2009 年:5761-5766)中分析了 K秩融合，当至少有K个SUs认为存在I3U时，融合中心才认为存在PU，否则融合中心认为不存在PU。其中AND准则具有较低的检测概率和较低的虚警概率，OR准则具有较高的检测概率和较高的虚警概率，K秩准则是两者的折中，更适合于实际应用。在对认知无线网络频谱接纳控制的研究中，通常采用基于保护信道的接纳控制，即信道预留机制。在认知无线网络中频谱感知是每个SU的基本特征，而要使得系统性能得到有效提升，就必须提高SUs的频谱感知精度，同时其虚警概率也必须在一定门限内。因此，引入合作频谱感知，并将其结合接纳控制机制，通过对其连续时间马尔科夫链建模分析，使认知无线网络的吞吐量最大化，对改善网络的频谱效率等整体性能，使之适用于实时性的认知无线网络业务，有着十分广阔的应用空间。
发明内容
本发明的目的在于针对目前在认知无线网络中实际无线信道和错误检测概率对频谱接纳性能的影响，传统的接纳控制方法已不适用的这一不足，提供一种基于合作频谱感知的频谱接纳控制方法，能有效保障SU数据包传输时效性的要求，同时具有良好的频谱效率和吞吐量性能，特别适用于对业务实时性要求较高的认知无线网络业务。为实现这样的目的，本发明提出了一种基于合作感知的频谱接纳控制方法，联合考虑了认知无线网络中MAC层的频谱感知策略和接纳控制机制，采用基于K秩融合的合作感知，以最小化错误检测概率设计求解最佳K值，并在此基础上提出接纳控制机制，通过对该问题的连续时间马尔科夫模型求解，优化认知无线网络的吞吐量，使得其吞吐量最大化。根据本发明提供的基于合作频谱感知的频谱接纳控制方法，其特征在于结合次用户SU(Secondary User)间的合作策略，自适应地形成次用户组SUG (SecondaryUser Group),在采用K秩融合的基础上，通过调整SUG内的SU数和接纳控制门限，在全局虚警概率约束条件下，使所有次用户组SUGs的吞吐量最大化，包括如下具体步骤
步骤(I)针对每个SU,通过基于SUG的合作策略(Cooperative Scheme BasedonSecondary User Group, CSSUG)方案，自适应形成 SUGs ；步骤(2)针对SUG的合作感知融合策略，源节点SUsot通过基于K秩融合的合作频谱感知(Cooperative Sensing with K-out-of-N，CSKoN)方案的计算,得出在给定n值情况下的最佳k值；步骤(3)针对认知无线网络的接纳控制门限，将所述步骤(I)、步骤(2)结合起来，通过基于合作感知的频谱接纳控制(Spectrum Admission Control Basedon CooperativeSensing, SACBCS)方案,分析在全局虚警概率约束条件下，使SUGs的吞吐量最大化的最佳接纳控制门限，通过对最佳接纳控制门限的求解，整个优化过程完毕。优选地，所述的步骤(I)中，包含以下步骤步骤(Ia)网络初始化阶段，将给定区域内的所有SUs标记为SUrap，并标记有数据要发送的协作节点SUetjp为源节点SU■，所有节点生成两个维护列表=MemberTable和PCL ；为了有效降低SUGs的中断概率，预留a (a〈M)个信道作为SUGs频谱接纳控制门限；步骤(lb) SUG的形成和维护阶段，SUsor检查其MemberTable是否已满，若未满则在控制信道向其邻居节点广播Invite控制信息，其邻居节点收到Invite并回应Req，收到Req的SUsot再次检查其MemberTable是否已满，若未满则回复ReqACK通知相应的邻节点，若已满则回复Rej拒绝该邻节点加入当前的SUG ；步骤(Ic)信道选择阶段，SUG形成之后，SUsor需要和目的节点SUdst交互确定通信信道和通信路径；SUSOT向目的节点SUdst发送ATM包，其中，ATIM包包括SUsot的PCL，SUdst收到ATM后回复ATIMACK包，其中，ATIMACK包包括SUdst所在的组号Group ID和其与SUsot通信的最佳信道列表PCL ；步骤(Id)信道感知阶段，SUsor收到ATIMACK包后确定了选择的信道，在控制信道广播信息Group Beacon, SUsor所在的SUG做合作感知,若合作感知结果表明当前选择的信道可用，则SUsot进入到数据传输阶段，否则SU■在下一个时隙选择另一个信道再做合作感知，直到SUsot收到的PCL列表完全尝试；步骤(Ie)数据传输阶段，SUsor和SUdst确定可用信道之后，SUsor在该可用信道向SUdst发送信息RTS，收到RTS的SUdst回复信息CTS完成握手过程，SUsor开始传输数据，数据传输完成后SUdst回复信息ACK ；步骤(If) SUsor选择阶段，SUsor收到ACK后在当前信道广播信息CACK，该SUG中有数据要发送的节点竞争成为下一个阶段的suSOT。优选地，考虑到在数据传输过程中主用户可能会再次出现，为了保障主用户的QoS和优先权，SUG必须退避到其他信道。为了避免SUG对主用户的过多干扰，在所述步骤(Ie)中，在数据传输阶段SUG进行周期感知，即将SU■传输的数据包的帧结构分为两个部分感知部分和数据传输部分；若感知到主用户的到达，则SUG离开当前信道切换到预留信道；当预留信道为空时，SUG通信强制中断，等待下一个阶段重新发送。优选地，所述的步骤(2)中，包含以下步骤
步骤(2a)在本地感知采用能量感知的基础上，计算SUG内每个节点的检测概率Pd和虚警概率Pf;步骤(2b)SU■采用K秩融合策略将SUG内每个节点的感知结果融合做出决策，计算出K秩融合的检测概率Qd和虚警概率Qf，结合信道的可用概率，以最小化整个K秩融合的错误检测概率为目标，根据最优化计算，得到最佳的k值。优选地，为了降低SUGs的强制中断概率，在进行所述步骤(I)、(2)的SUG自适应形成和最佳k值的计算的基础上，通过马尔科夫模型的求解分析，以SUGs的吞吐量最大化求解最佳接纳控制门限。在一个优选的实施例中，本发明包括如下具体步骤(I)基于次用户组(Secondary User Group, SUG)的合作策略(Cooperative SchemeBased on Secondary User Group, CSSUG),主要包括I)网络初始化阶段，系统内有M个授权信道，I个SUs专用的公共控制信道，将给定区域内的所有SUs都标记为协作节点SUMP。在初始情况下标记有数据要发送的协作节点SUetjp为源节点SUsot,所有节点生成两个维护列表成员列表MemberTable,共包括n+1个成员数，该列表首位置为SUsot节点ID，末位置为目的节点ID ;最佳信道列表PCL(PreferableChannel List)。为了有效降低SUGs的中断概率，我们预留了 a ( a〈M)个信道作为SUGs的频谱接纳控制门限，同时预留的信道也有可能被PUs占用。2) SUG的形成和维护阶段，SUsot检查其MemberTable是否已满,若未满则在控制信道向其邻居节点广播Invite控制信息，其邻居节点收到Invite并回应Req，收到Req的SUsor再次检查其MemberTable是否已满，若未满则回复ReqACK通知相应的邻节点，若已满则回复Rej拒绝该邻节点加入当前的SUG。这里需要考虑其邻节点可能收到多个Invite的情况，在这种情况下由邻节点自身判定加入到其中的一个SUG。另外若其邻节点也是SUsot时，该邻节点可以选择加入当前SUG或者采用退避机制广播Invite，可根据网络规模情况做相应调整。每个SUG形成后都以SUsot的ID作为其Group ID。3)信道选择阶段，SUG形成之后，SUsot需要和目的节点SUdst交互确定通信信道和通信路径。SUsot向SUdst发送ATM包(该包内包括SUsot的PCL)，SUdst收到ATM后回复ATIMACK (该包包括SUdst所在的GroupID和其与SUsot通信的最佳PCL)。4)信道感知阶段，SUsor收到ATIMACK后确定了选择的信道，在控制信道广播GroupBeacon, SUsor所在的SUG做合作感知，若合作感知结果表明当前选择的信道可用，则SUsot进入到数据传输阶段，否则SUsot在下一个时隙选择另一个信道再做合作感知，直到SUsot收到的PCL列表完全尝试。5)数据传输阶段，SUsor和SUdst确定可用信道之后，SUsor在该可用信道向SUdst发送RTS，收到RTS的SUdst回复CTS完成握手过程，SUsor开始传输数据，数据传输完成后SUdst回复ACK。考虑到在数据传输过程中主用户可能会再次出现，为了保障主用户的QoS和优先权，SUG必须退避到其他信道。为了避免SUG对主用户的过多干扰，在数据传输阶段SUG需要做周期感知，即将SUsot传输的数据包的帧结构分为两个部分感知部分和数据传输部分。若感知到主用户的到达，则SUG离开当前信道切换到预留信道。当预留信道为空时，SUG通信强制中断，等待下一个阶段重新发送。6) SUsor选择阶段，SUsor收到ACK后在当前信道广播CACK，该SUG中有数据要发送的节点竞争成为下一个阶段的suSOT。(2)基于K秩融合的合作频谱感知(Cooperative Sensing withK-out-of-N, CSKoN)，主要包括
在CSSUG方案中的信道感知阶段，其采用的合作感知融合策略即为CSKoN方案。在本地感知采用能量感知的基础上，计算SUG内每个节点的检测概率Pd和虚警概率Pd，SUsor再采用K秩融合策略将SUG内每个节点的感知结果融合做出决策，计算出K秩融合的检测概率Qd和虚警概率Qf，结合信道的可用概率，使得整个K秩融合的错误检测概率最小化。该问题转化为一个无约束最优化问题
权利要求
1.一种基于合作频谱感知的频谱接纳控制方法，其特征在于结合次用户SU间的合作策略，自适应地形成次用户组SUG，在采用K秩融合的基础上，通过调整SUG内的SU数和接纳控制门限，在全局虚警概率约束条件下，使所有此用户组SUGs的吞吐量最大化，包括如下具体步骤 步骤(I)针对每个SU，通过基于SUG的合作策略方案，自适应形成SUGs ； 步骤(2)针对SUG的合作感知融合策略，源节点SUsot通过基于K秩融合的合作频谱感知方案的计算，得出在给定n值情况下的最佳k值； 步骤(3)针对认知无线网络的接纳控制门限，将所述步骤(I)、步骤(2)结合起来，通过基于合作感知的频谱接纳控制方案，分析在全局虚警概率约束条件下，使SUGs的吞吐量最大化的最佳接纳控制门限，通过对最佳接纳控制门限的求解，整个优化过程完毕。
2.根据权利要求I所述的基于合作频谱感知的频谱接纳控制方法，其特征在于所述的步骤(I)中，包含以下步骤 步骤(Ia)网络初始化阶段，将给定区域内的所有SUs标记为SUmp，并标记有数据要发送的协作节点SUrap为源节点SUsot,所有节点生成两个维护列表成员列表MemberTable和最佳信道列表PCL ;为了有效降低SUGs的中断概率，预留a ( a <M)个信道作为SUGs频谱接纳控制门限； 步骤(lb) SUG的形成和维护阶段，SU■检查其MemberTable是否已满，若未满则在控制信道向其邻居节点广播Invite控制信息，其邻居节点收到Invite并回应Req，收到Req的SUsot再次检查其MemberTable是否已满，若未满则回复ReqACK通知相应的邻节点，若已满则回复Rej拒绝该邻节点加入当前的SUG ； 步骤(Ic)信道选择阶段，SUG形成之后，SUsor需要和目的节点SUdst交互确定通信信道和通信路径；SUSOT向目的节点SUdst发送ATM包，其中，ATIM包包括SUsot的PCL，SUdst收到ATM后回复ATIMACK包，其中，ATIMACK包包括SUdst所在的组号Group ID和其与SUsot通信的最佳信道列表PCL; 步骤(Id)信道感知阶段，SUsor收到ATIMACK包后确定了选择的信道，在控制信道广播信息Group Beacon, SUsor所在的SUG做合作感知,若合作感知结果表明当前选择的信道可用，则SUsot进入到数据传输阶段，否则SUsot在下一个时隙选择另一个信道再做合作感知，直到SUsot收到的PCL列表完全尝试； 步骤(Ie)数据传输阶段，SU■和SUdst确定可用信道之后，SU■在该可用信道向SUdst发送信息RTS，收到RTS的SUdst回复信息CTS完成握手过程，SUsor开始传输数据，数据传输完成后 ^^dst 回复信息ACK; 步骤(If ) SUsot选择阶段，SUsor收到ACK后在当前信道广播信息CACK，该SUG中有数据要发送的节点竞争成为下一个阶段的SUSOT。
3.根据权利要求2所述的基于合作频谱感知的频谱接纳控制方法，其特征在于，在所述步骤(Ie)中，在数据传输阶段SUG进行周期感知，即将SUsot传输的数据包的帧结构分为两个部分感知部分和数据传输部分；若感知到主用户的到达，则SUG离开当前信道切换到预留信道；当预留信道为空时，SUG通信强制中断，等待下一个阶段重新发送。
4.根据权利要求I所述的基于合作频谱感知的频谱接纳控制方法，其特征在于所述的步骤(2)中，包含以下步骤步骤(2a)在本地感知采用能量感知的基础上，计算SUG内每个节点的检测概率Pd和虚警概率Pf; 步骤(2b)SUSOT采用K秩融合策略将SUG内每个节点的感知结果融合做出决策，计算出K秩融合的检测概率Qd和虚警概率Qf，结合信道的可用概率，以最小化整个K秩融合的错误检测概率为目标，根据最优化计算，得到最佳的k值。
5.根据权利要求I所述的基于合作频谱感知的频谱接纳控制方法，其特征在于，为了降低SUGs的强制中断概率，在进行所述步骤(I)、(2)的SUG自适应形成和最佳k值的计算的基础上，通过马尔科夫模型的求解分析，以SUGs的吞吐量最大化求解最佳接纳控制门限。
全文摘要
本发明提供一种基于合作频谱感知的频谱接纳控制方法，包括步骤步骤(1)针对每个次用户SU，通过基于次用户组SUG的合作策略方案，自适应形成SUGs；步骤(2)针对SUG的合作感知融合策略，源节点SUsor通过基于K秩融合的合作频谱感知方案的计算，得出在给定n值情况下的最佳k值；步骤(3)针对认知无线网络的接纳控制门限，通过基于合作感知的频谱接纳控制方案，分析在全局虚警概率约束条件下，使SUGs的吞吐量最大化的最佳接纳控制门限，通过对最佳接纳控制门限的求解，整个优化过程完毕。本发明很好地改善了网络的频谱效率，能使得SUGs的吞吐量也获得有效提升，适用于认知无线网络中的频谱接入和频谱切换策略及其相应的性能分析。
文档编号H04W16/10GK102685754SQ201210166500
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月24日 优先权日2012年5月24日
发明者何晨, 吴呈瑜, 蒋铃鸽 申请人:上海交通大学