用于对频谱的机会接入的方法与流程

本发明涉及频谱资源的利用，且尤其涉及无线电通信的机会频谱接入。

频带对不同无线电通信应用及服务的静态分配已导致频谱资源的稀缺。然而，许多研究已展示所考虑的频带长期利用率不足。这代表通信中的主要机会。

在此背景下，已提出机会频谱接入的概念。

背景技术：

机会频谱接入的概念定义两个类别的用户：主用户和二级用户。主用户具有专用于其服务的频谱资源的接入优先权。与主用户相反，二级用户为试图使用不由主用户在给定时间点上利用的频谱资源的接入机会的非优先权用户。

因此，需要优化由二级用户机会频谱接入主网络的频带的的方法，所述主网络也由优先权主用户群体使用。

技术实现要素：

我们将仅考虑同步主网络，即，一个将时间再分为持续时间的时槽或间隔，在本发明中也称为时间帧的同步主网络。

专用于所述主网络的频带分为独立频率的k子带，称为频道。在各个时间帧t期间，各个频道处于“空闲”状态，且此频道随后表示二级用户接入对应频谱的机会，或处于“忙碌”状态，正例如由主用户在此特定时间帧期间使用。

此处，在本公开的下文中，术语“二级用户”将表示具备不同检测器的无线电设备或装置，所述检测器使得其能够获得关于其环境且尤其关于频道k处于时间帧t期间的情况的信息。二级用户还具备无线电通信(发送、接收)装置、电子存储器、至少一个微处理器型计算元件和电池。由微处理器执行的计算机程序产品使得所述装置运行。

二级用户原则上视为既不了解不同频道在瞬间t的可用度，也不了解特定频道k在瞬时t将可用的概率。为了最优利用频谱资源，此用户随后将必须习得主网络的特征且尤其是估计各个频道可用度的概率。用户将具有多个变量任其支配。将计算这些变量且在用户收集关于其环境的信息时使得所述变量更加精确。必须使这些变量初始化为例如固定在任意值，或另外通过执行初始化阶段来初始化，在所述阶段中每个频道至少扫描一次。

根据强化学习的规则，智能代理观测其由状态所描述的环境，且随后此智能代理做出导致操作的动作且代理接收随所述动作和所述状态而变的奖励(也称为赢取)。机会接入的多个现有技术方法使用markov决策过程来模拟频道的状态的发展。

在所考虑的背景下，智能代理为由二级用户的微处理器执行的程序：其观测其环境，并且在每个时间帧处，其决定在时间帧t期间使用特定频道k来尝试并与远距二级用户通信。通信将失败或其将取决于频道在所考虑的帧t期间是否忙碌或空闲而进行。

已知为“多臂老虎机模型”的模型为决策过程的一个特定情况，所述决策过程可应用于主网络的markov模型，且更确切地说，应用于主用户对频道的占用，其中智能代理被视为必须选择具有不同获胜概率的若干老虎机中的一个来赌博的赌场赌徒。

如果赌徒对获胜概率具有精确了解，那么他将系统地选择具有最高概率的机器以便最大化其奖金。由于其对这些概率不具有预先了解，因此其将通过对所有不同的老虎机赌博来尝试估计所述概率。

在所考虑的背景下，每个频道模型化为具有空闲(称为‘赢取’)的未知概率的老虎机。

相比于基于多臂老虎机模型的现有技术方法，呈现于本公开中的机会接入的方法旨在改进平均性能。更具体地说，至少一个实施例增加了由无线电设备发射或接收的数据的输送率。至少一个实施例还改进了无线电设备的能耗。

附图说明

其它特征和优点通过以下借助于简单的、说明性并且非穷举的实例对本公开的一个特定实施例的描述和附图将更加明显地呈现出来，在所述附图中：

图1示意性地呈现根据现有技术的由二级用户机会接入同步主网络的频谱的原理；

图2示意性地呈现根据本发明的一个实施例的由二级用户机会接入频带的方法；

图3示意性地呈现根据本发明的另一个实施例的机会接入频带的方法；

图4示意性地呈现根据符合当前创新的一个实施例的由二级用户机会接入同步主网络的频谱的原理。

具体实施方式

参考图2到4，我们描述了符合本公开中提出的创新的实施例。

通常，同步主网络将再分为称为频道的k子带的频带任由优先权主用户群体支配。

主用户不会永久地使用总体频谱资源。这给予非优先权二级用户使用未利用频谱资源的机会。此类主网络可例如指定用于民事安全。在需要的情况下，其必须立刻可用于民事安全组织，但最通常的是，几乎不使用所述网络，且因此其为二级用户可机会性地接入的可用频谱资源。一般来说，由二级用户机会频谱接入对未察觉无论在操作中抑或在所提供的服务质量中的修改的主用户保持显而易见。

图1展示几个时间帧的较短持续时间中的k频道的可用度的经典时频矩阵，空闲频道展示为空白且忙碌频道以灰色展示。

二级用户试图获得对此主网络的机会接入。基于迄今所获得的经验，此二级用户使指示符bk与每个频道k相关联。此指示符bk可随每个时间帧而改变，尤其是随凭经验从其先前经验中获得的频道k的平均可用度而变。由于二级用户对其希望接入的主网络的特征不具有预先了解，因此变量bk和例如通过经指派任意值或另外通过执行每个频道k至少扫描一次的初始化阶段来进行初始化。

如在图2中示意性地呈现，在每个时间帧t开始时，二级用户执行观测步骤10，以检验频道i的可用度，其中指示符bi(t)的可用度最高。可使用不同的传统检测方法，例如能量检测器(辐射计)或者循环平稳性检测器。

如果频道i不可用于此时间帧t，那么在步骤20中，二级用户计算频道i的平均可用度且等候下一时间帧t+1以尝试并建立与远距用户的无线电通信。

如果频道i可用于此时间帧t，那么二级用户使用频道i的频谱资源发起与远距用户的无线电通信30。二级用户在步骤40中计算频道的平均可用度

无论频道i在时间帧t期间是否可用，在步骤50将更新随而变的指示符bi(t)以使得二级用户能够观测，且随后视具体情况在时间帧t+1期间使用具有最高指示符bj(t+1)值的频道j。

由于更新了随所考虑的频道的平均可用度而变的指示符bk中的每一个，因此二级用户利用观测后续阶段的结果，以便优先选择最频繁可用的频道。

到目前为止，所描述的机会接入的方法类似于现有技术中所描述的其它方法。在图1中所呈现的实例中，这些方法导致更频繁地选择频道2和频道k，因为在二级用户探索其环境时，相对于较不频繁可用的其它频道的指示符，指示符b2和bk将增大。

然而，从二级用户的观点来看，并非所有空闲频道均具有同等重要性。事实是，当所有这些空闲频道使其能够有效地发起与远距用户的通信时，某些可用频道为其提供比为其它用户提供的质量更好。根据本发明的机会接入的方法实现可用的且同时提供最佳质量的频道的选择，如优先权。

根据图2中展示的第一实施例，当频道可用时且当其频谱资源由二级用户使用以与远距用户进行无线电通信时，那么在步骤60处在时间帧t期间计算频道i的质量指数ri(t)。在时间帧t结束时，更新所有频道的随平均可用度和频道i的质量指数ri(t)而变的指示符bk(t)。

频道i的质量指数ri(t)可以不同方式计算。根据一个实施例，信噪比(snr)是在发射时间帧t中的数据期间测量，且用以计算质量指数ri(t)。根据另一实施例，在数据发射期间所测量和使用的是信号与干扰加噪声比(sinr)。

在另一实施例中，在数据发射期间所估计或测量且用以计算质量指数ri(t)的是二级用户的电力消耗。

根据展示于图3中的一个实施例，在频道于步骤70处被占用时计算频道i的质量指数ri(t)。自然地，由于没有数据发射，因此质量指数无法成为如信噪比或信号对干扰加噪声比的发射质量的测量值。然而，有可能从在观测阶段10期间获得的结果中获得频道的质量指数ri(t)，以用于检验频道i的可用度。

举例来说，如果辐射计在观测阶段10期间通常测量n样本对样本(x,y)，在阶段频道i上测量x且在正交频道q上测量y，那么检测器的输出可为以下类型：

以经典方式，将检测器的输出与阈值进行比较来确定频道是空闲还是忙碌。当频道忙碌时，检测器的输出电平可在步骤70处提供以获得频道i的质量指数ri(t)，这是因为输出电平越高，频道i的质量将会越高。

类似地，可在步骤70处确定用于观测阶段10中的其它类型的侦测器的质量指数ri(t)，以检验在频道i上是否存在信号。

在实施方案的一个模式中，在步骤70处，可在频道不空闲时使用计算质量指数的第一模式；在频道空闲时且在二级用户机会性地接入所述频道以与远距用户建立通信时，在步骤60处使用计算(例如测量发射质量)的第二模式。

根据一个实施例，保持所有频道上的最佳质量指数rmax，且在步骤50处在更新指示符bi(t)期间考虑rmax与ri(t)之间的差。

根据实施方案的另一模式，保持所有频道的质量指数rk的平均值gk，且在步骤50处更新随gmax与保留值gk之间的差而变的每个指示符bk(t)。这个差可由从二级用户机会接入此主网络的频谱开始已观测频道的次数(即，在指示符bk在k频道的指示符当中最高时的次数)进行加权，以便使得二级用户探索迄今已不频繁观测的新的频道。

随着在步骤50处更新随质量而变的指示符bk，此段数据使得使用质量测量的结果且因此优先选择最频繁空闲同时还提供质量的频道成为可能，并且同时还使得在频道极频繁空闲但质量低时探索其它频道的可用度成为可能。

最后，根据另一实施例，计算每个频道的偏差ak(t)，在步骤50处更新随所述偏差ak(t)而变的指示符bk(t)。具体地说，此偏差可考虑已观测给出频道的次数。以此方式，引导二级用户在频繁观测的频道不以足够的频率空闲时或在所述频道未提供足够的质量时探索迄今几乎不观测的频道的可用度。

通过对更新步骤50的指示符bk的函数的参数产生影响，可将更大或更小的重量给予平均可用度质量ri(t)和偏差ak的测量值，以便优先选择关于质量的经验、关于不频繁观测的频道的可用度或者探索的经验。

在一个特定实施例中，二级用户能够在每个时间帧t期间观测若干个频道。如果在所观测的可用频道中的仅一个(具有最高指示符b的那个)上发射，那么在时间帧t期间观测若干个频道使得更快速地更新关于平均可用度和关于每个频道的质量的数据成为可能。以相同方式，有可能具有若干观测策略，例如一个基于经验的策略和一个探索性策略，所述探索性策略旨在观测二级用户具有极少可用信息的频道。

图4对应于图1，其中指示可在频道可用的一个时间帧期间获得的质量。在展示于图4中的实例中，二级用户将相对频道k更喜欢频道2，因为即使所述两个频道的可用度的频率保持相同，但由于质量指数r2平均而言比rk更好，所以指示符b2将比bk更快速地增大。最后，二级用户将获得比本将以如图1中所展示的机会接入的现有技术方法获得的更好的质量发射。

本发明还涉及一种存储可执行码的计算机程序产品，所述计算机程序产品用于实施先前所描述的机会接入频带的方法中的一个，以及一种包含此类计算机程序产品的通信装置，使得其能够在其由装置的计算机执行时根据上文中所描述的方法中的一个机会性地接入主网络的频谱。