点以及次级用户。附图2给出了基于联合频谱感知与租用的认知无线电网络在频谱层面、业务层面以及用户层面的交互过程。授权系统将其授权频谱按照附图1所示的方法进行划分，其中一部分为主用户保留频谱，而剩余部分频谱为允许次级用户机会式频谱共享的频谱。授权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。频谱代理可以是管理机构(如美国的FCC等)，或是得到授权的第三方。频谱代理可以看作是授权系统与次级系统的交互实体。
[0024]授权系统的频谱可以分为N条信道，且每条信道具有相同带宽。其中R条信道为主用户保留使用，剩余N-R条信道可以由主用户与次级用户共享。次级用户通过感知获得未被主用户占用的频谱信息，通过调整传输参数接入该频谱空穴。主用户可以使用任意授权频谱并有权利收回正在被次级用户机会式占用的频谱资源。主用户具有绝对的优先权，对于接入频谱空穴进行传输的次级用户来说，当主用户需要占用该频谱空穴时，次级用户需要立即切换至其他频谱空穴，当无可切换的频谱空穴且等待队列已满时，次级用户的服务将会出现中断。这种情况不仅造成了功率以及频谱资源的浪费，同时对于次级用户来说也是不能忍受的。这是因为对需要付费使用频谱空穴的次级用户来说，希望可以获得具有一定QoS保障的服务。同时，由于授权系统将会通过频谱租用获得相应的收益，因此作为回报，授权系统也需要保证次级用户的QoS受到保障。这种可以实现双赢的技术是认知无线电技术商用的基本前提。因此，如何设计合理的频谱接入机制，在不对主用户造成有害干扰的情况下有效的保证次级用户的QoS对与认知无线电网络来说具有重要的实际意义。
[0025]通过频谱代理可以实现授权系统与认知无线电系统之间的交互，同时为实现授权频谱的管理提供了基础保障。因此，本发明中结合认知用户决策式以及协商式频谱接入策略，提出了一种基于协商的非抢占式的频谱接入机制，在这种机制中主用户对于次级用户具有非抢占式的信道使用优先权。附图3中给出了非抢占式频谱接入机制的示意图。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。因此，次级用户不会由于主用户的到达强制中断。相应的，到达的主用户需要等待一段时间twaitW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。授权系统与认知无线电系统直接进行交互的细节如下:在认知无线电系统中，次级用户将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。一旦发现没有空闲的频谱信道，认知无线电系统将会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，授权系统将会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。在该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。当目标信道可以在主用户等待时间结束前完成时，该主用户可以接入目标信道，并且该主用户的服务只是产生了额外的延时。否则，该主用户将会被阻塞。当次级用户通过感知获得频谱空穴再次出现时，认知无线电系统将会通过频谱代理通知授权系统取消等待信令。当等待信令取消后，非抢占式频谱接入方式与抢占式频谱接入方式的工作机制相同。由此，主用户并不会强制中断次级用户的传输。当目标信道在主用户等待时间结束前完成时，该主用户可以接入目标信道，该主用户的服务将产生了额外的延时。
[0026]当等待信令取消后，LU相对于⑶具有绝对的优先权。一旦LU需要收回被⑶占用的信道，该CU必须立即切换至其他频谱空穴或者停止传输。这种情况下，CU的信道可以看作被LU抢占。停止传输的CU将其传输失败的分组包置于缓冲队列并且等待下一次传输机会。然而，当缓冲队列已经被认知用户分组包占满时，该停止传输的CU就出现了丢包的情况。附图4给出了抢占式频谱接入机制的示意图。
[0027]下面给出本发明所提出的非抢占式频谱接入机制原理并对其性能与传统抢占式频谱接入机制进行比较。当次级用户通过频谱感知获得频谱空穴再次出现时，主用户与次级用户的到达时间可以看作服从泊松过程，且均值分别为λρ以及λ s。主用户与次级用户的服务时间可以假设为服从负指数分布，且均值分别为ι/μρ以及ι/μ so由于次级用户的可用频谱资源不确定特性，因此通常情况下认为次级用户的平均服务时间远小主用户业务的平均服务时间，即l/us<< I/μ po认知无线电系统的缓冲队列为先进先出队列(FirstIn First Out，FIFO)，并且队列长度为Q。
[0028]在非抢占式频谱接入机制中授权系统与认知无线电系统之间将会出现QoS的折中。这是由于当没有频谱空穴可以供次级用户切换时，主用户不会接入次级用户所占用的信道直到其完成当前传输。因此，非抢占式相对于抢占式频谱接入机制在提高次级用户的QoS方面具有更好的表现。业务量参数是影响性能指标的重要因素。随着入3与1/^ 3增加，非抢占式频谱接入机制的优势更加明显。
[0029]由以上介绍可知，本发明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。并且可以根据主系统中主用户业务特点，有针对的提出频谱租用策略，通过改变预留信道数目，在不对主系统造成有害影响的前提下提高系统总体性能。
[0030]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一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，其特征在于，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；所述方法包括以下步骤: 5101: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 ; 5102: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； 5103: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。
2.如权利要求1所述的基于协商的非抢占式的频谱接入方法，其特征在于: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。
3.如权利要求1所述的基于协商的非抢占式的频谱接入方法，其特征在于:所述认知无线电系统的缓冲队列为先进先出队列。
4.一种认知无线电系统，其特征在于:所述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如权利要求1至3任一项所述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。
【专利摘要】本发明针对认知用户服务时间远小于授权用户服务时间的情况，提出了一种基于协商的非抢占式频谱接入机制，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。通过与传统的抢占式频谱接入机制的仿真结果进行比较可知，非抢占式频谱接入机制中次级用户的QoS得到了明显的提升，而主用户的QoS的下降在可以接受范围。
【IPC分类】H04W74-00
【公开号】CN104640228
【申请号】CN201510038924
【发明人】陈培培, 张钦宇, 吴伟强, 张娅琳
【申请人】哈尔滨工业大学深圳研究生院
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年1月26日