一种基于协商的非抢占式的频谱接入方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种认知无线电系统的频谱接入方法。
【背景技术】
[0002]在当前频谱资源紧缺与频谱利用率低下矛盾日益凸显的情况下，认知无线电技术受到了广泛的关注。根据认知无线电的定义，次级用户可以通过对环境感知的方式获得频谱空穴，并通过对其传输参数的调整从而接入相应的频谱空穴完成传输。通过频谱感知方式获得频谱空穴并且在不为主用户授权的频谱接入机制，可以称为基于频谱感知的频谱接入机制。由此次级用户可以通过实时的频谱感知而获得频谱空穴并且灵活的接入可以频谱，由此可以有效的提高系统容量，频谱利用效率。现有频谱感知技术包括:能量检测技术，匹配滤波检测，循环平稳特征检测技术等。由于频谱资源在主系统中使用的不确定性，因此何时以及如何对频谱进行感知是基于频谱感知的频谱接入机制的关键问题。通常，在帧结构中安排短时间的静默期用于周期性的频谱感知。
[0003]在认知无线电技术中，次级用户通过协商的方式采用频谱租用的方式获得对授权频谱的使用权利，这种方式可以称为基于频谱租用的频谱接入机制。主系统根据授权频谱的使用时长，发射功率等参数对授权频谱进行定价，将授权频谱段租用给次级用户或者次级系统。次级系统根据所承载的业务需求以及当前射频环境制定无线频谱交易以及管理信息。在当前静态频谱分配机制长期存在的大前提下，基于频谱租用的思想更易为现有授权业务的服务提供商所接受。授权业务的服务提供商可以通过向次级系统出租暂时不用的频谱资源从而获得额外的收益，频谱资源利用率得到相应的提高，且这种方法可以同时保障主用户系统以及次级用户系统的权益。现有研宄给出了以经济模型为基础的基于频谱租用的频谱接入机制，常用的方法包括拍卖机制以及博弈论等方法。
[0004]结合基于频谱感知频谱接入机制的灵活性以及基于频谱租用频谱接入机制的可靠性，从而提出了联合频谱租用与感知的频谱接入机制。在这种频谱接入机制中，主系统可以将授权频谱划分为保留信道与共享信道两部分，次级系统通过租用获得对共享信道的使用权，同时根据频谱感知机会使用该频谱。在这种情况下，授权业务的服务提供商可以通过频谱租用获得相应的收益且频谱利用率得到提高；次级用户仅对租用频谱进行感知接入，不但提高了频谱空穴的获取效率，同时保证了主用户的利益。目前对联合租用以及感知的频谱共享机制处于起步阶段。
[0005]现有基于联合频谱租用与频谱感知的接入机制，所采用的均为抢占式频谱接入模式。在该机制模型下，主系统通过周期动态频谱拍卖将频谱租给次级用户获得收益，次级用户通过频谱感知机会式接入。次级用户一旦感知到主用户到达，需要立即采取中断方式切换到其他空闲信道，停止对该授权频谱的占用，从而保护主用户的传输性能。在基于频谱感知的频谱接入机制中，均采用这种抢占式的频谱接入策略，这是由于认知无线电定义中主用户的传输性能不受有害干扰的前提。
[0006]由于频谱资源分配现状以及频谱资源特殊性质，认知无线电技术应用在动态频谱共享机制中存在各种困难:
[0007]首先，基于频谱感知的频谱接入机制中由于所采用的频谱感知技术限制以及无线环境中噪声不确定性等问题，将会导致频谱感知性能受到影响。由于授权频谱范围较大，在频谱感知中对于何时以及如何对授权频谱进行感知也是进行频谱共享的关键问题。基于帧结构的认知无线电用户，感知时间越长将会导致用于数据传输的时间较短，由此导致频谱利用率低。而感知时间不足，将会导致感知性能较低，对主用户的业务干扰就越大。因此，单纯的采用基于频谱感知的频谱接入机制，设计频谱感知的策略将是很大的挑战同样主用户的服务质量也很难得到保障。
[0008]基于频谱租用的频谱接入机制中的频谱租用策略以及频谱资源分配受到了越来越多的关注。基于拍卖以及博弈论等经济模型的机制用于频谱租用策略的设计，可以在保证主系统利益的前提下提高频谱利用率。然而，基于频谱租用的频谱接入机制由于租用协议的设计，导致主用户必然在进行了频谱出租后损失一部分授权频谱资源，且在频谱出租阶段无法使用该部分资源。一旦主系统出现突发业务，授权业务将会受到严重的影响。根据认知无线电定义，频谱共享的前提是保障授权业务不受到有害干扰。由于授权业务的不确定性，确定频谱租用的周期也将面临挑战。
[0009]基于联合频谱租用以及感知的频谱接入机制中，虽然结合了频谱租用的可靠性以及频谱感知的灵活性，使得主系统以及次级系统均可在保证双方利益的同时提高了频谱利用率。然而，目前对联合租用以及感知的频谱共享机制处于起步阶段。现有基于联合频谱租用与频谱感知的接入机制，所采用均为抢占式频谱接入模式。即次级用户一旦感知到主用户到达，需要立即采取中断方式切换到其他空闲信道，停止对该授权频谱的占用，从而保护主用户的传输性能。实际上，基于联合频谱租用的频谱接入机制前提是主用户已知频谱出租给次级用户且预期授权业务将会受到一定的影响。同时，授权业务的服务质量存在一定的冗余，即当受到的影响在一定范围内是并不会对实际业务造成干扰。另一方面，次级用户通过租用以及感知获得频谱空穴进行业务传输，当一旦检测到主用户到达就立即切换且当无可切换频谱空穴时即中断业务。次级用户通过对所使用的频谱向主系统付费而获得频谱使用权，然而由于抢占式的接入模式将会导致频繁的业务中断，即强制中断概率的情况出现。强制中断概率的增大将会导致频谱效率降低，同样对次级用户来说也是不能接受的。在基于联合频谱租用与感知的认知无线电网络框架下，次级用户的服务质量也需要得到相应的保障。
[0010]在基于联合频谱租用以及频谱感知的认知无线电网络框架下，如何设计合理的频谱接入机制，在不对主用户的授权业务造成有害干扰情况下，最大化系统吞吐量是我们所关注的问题。
【发明内容】
[0011 ] 为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种基于协商的非抢占式的频谱接入方法，能够有效解决了当前认知无线电网络中频谱接入机制的频谱效率较低，次级用户强制中断概率以及平均时延较长的问题。
[0012]本发明通过如下技术方案实现:
[0013]一种基于协商的非抢占式的频谱接入方法，应用于认知无线电系统，其中，主用户对于次级用户具有非抢占式的信道使用优先权，当没有频谱空穴可以切换时，次级用户并不会为主用户空出目前占用的授权频谱直到当前传输结束，到达的主用户需要等待一段时间以获得可使用的频谱；授权系统与认知无线电系统之间依靠辅助的控制信道通过频谱代理进行信令交互，实现非抢占式频谱接入控制；所述方法包括以下步骤:
[0014]SlOl:次级用户通过周期性的频谱感知对共享信道的情况进行实时的监测，当次级用户发现没有空闲的频谱信道时，执行步骤S102，否则，执行步骤S103 ;
[0015]S102:认知无线电系统通过频谱代理向授权系统发生一个等待信令；接收到该信令后，授权系统通知授权用户推迟当前发送的分组包，并通过频谱代理通知认知无线电系统需要收回的目标信道；在所述目标信道传输的次级用户将在结束当前传输后立即空出信道，当所述目标信道在主用户等待时间结束前完成时，所述主用户接入目标信道，并且所述主用户的服务只是产生了额外的延时；否则，所述主用户将会被阻塞；
[0016]S103:认知无线电系统通过频谱代理通知授权系统取消等待信令，主用户和次级用户的接入方式与抢占式频谱接入方式的工作机制相同。
[0017]本发明的另一方面，提出了一种认知无线电系统，包括主系统、次级系统和频谱代理，其中，主系统为授权系统，包括主用户，次级系统中包括次级用户接入点以及次级用户；所述主系统将其授权频谱划分为两个部分，一部分是仅为主用户传输留下的预留信道，另一部分是与次级用户共享的使用动态频谱分配技术的信道；主系统通过频谱代理暂时将共享频谱部分出租给次级系统，次级用户可以机会式的使用该部分频谱空穴并对所使用的频谱向授权系统付费；所述认知无线电系统采用本发明的基于协商的非抢占式的频谱接入方法为新到达的用户分配频谱。
【附图说明】
[0018]图1是基于联合频谱感知与租用的认知无线电网络系统；
[0019]图2是认知无线电网络系统的交互过程示意图；
[0020]图3是本发明的非抢占式频谱接入方法示意图；
[0021 ] 图4是抢占式频谱接入方法示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合【附图说明】及【具体实施方式】对本发明进一步说明。
[0023]基于联合频谱感知与租用的认知无线电网络系统框架如附图1所示(其中，CU代表次级用户，LU代表主要用户)。基于联合频谱感知与租用的认知无线电网络系统模型包括三个交互的部分:主系统(授权系统)，频谱代理以及次级系统。其中，次级系统中包括次级用户接入