一种应用于认知无线电的多用户信道感知方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及认知无线电技术领域，具体涉及一种应用于认知无线电的多用户信道 感知方法。
【背景技术】
[0002] 在世界不同地区，无线频谱大都被划分给形形色色的机构。随着科学技术的发展， 频谱的短缺必将成为无线通信技术发展的瓶颈之一。近年来，认知无线电技术进入大众的 视野，旨在充分利用闲置的已授权频谱来缓解频谱短缺的问题。
[0003] 在认知无线电网络中，次级用户（非授权用户)可以在主用户(授权用户)没有使用 相关频段时进行收发信号。这意味着次级用户的优先级要低于主用户。所以在频谱接入时， 次级用户必须在进行传输之前，感知有无主用户正在使用该频谱。由于大量的潜在信道存 在，次级用户可以选择多信道传输。这项技术称为多信道认知接入控制。
[0004] 次级用户首先选择一个信道进行感知，若信道空闲则开始传输信号，若信道被占 用则在一段时间内保持静默，不进行传输和感知。另一方面，次级用户可以按顺序连续感知 信道，直至感知到空闲信道为止。在这个背景下，信道感知顺序和相关停止规则（即何时停 止感知及何时开始传输信号)是十分必要的。
[0005] 在多用户分布式感知的情况下，会存在多个次级用户同时侦测到该信道未被主用 户使用并决定同时接入该信道的情况，造成冲突，所以需要根据不同用户制定不同的感知 和停止策略。
[0006] 目前，大部分有关认知无线电感知策略的研究主要在单次级用户的感知顺序及其 相关停止策略，以及单一策略的集中式感知等方面。而针对多用户的分布式感知策略研究 开展的较少，目前一般采用穷举搜索的方法进行感知策略的制定，在次级用户较多和潜在 可用信道较多时，算法复杂度极高，实用性差。
【发明内容】
[0007] 有鉴于此，本发明提供了一种应用于认知无线电的多用户信道感知方法，能够实 现多个次级用户的信道感知，且次级用户碰撞概率低、系统平均吞吐量高，系统复杂度低， 且性能可比拟穷举搜索算法。
[0008] 本发明的应用于认知无线电网络的多用户信道感知方法，所述网络包括m个次级 用户，N个潜在可用的信道，~>>!11， 11^2，信道感知方法包括如下步骤：
[0009] 步骤1，将所有潜在可用的信道按其在一个时隙内未被主用户使用的概率，从大到 小进行排序并编号；
[0010] 步骤2，感知前m个信道，包括如下子步骤：
[0011] 步骤2.1，对于前m个信道Si，S2，... Sm，各次级用户分别采用穷举法获得所有可能 的信道感知顺序，每一个次级用户均有m!种信道感知顺序;计算各信道感知顺序下的次级 用户吞吐量；
[0012] 步骤2.2,分别从每个次级用户的m!种信道感知顺序中任意挑选一个进行组合，共 有(m!)m种组合，计算各组合下的系统平均吞吐量，所述系统平均吞吐量为该组合下m个次 级用户的次级用户吞吐量总和；
[0013] 步骤2.3,找到最大系统平均吞吐量对应的组合，该组合对应的各次级用户的信道 感知顺序组合AmB mCmDf_即为m个次级用户的前m个信道的最优感知顺序组合;其中，Am为用 户1的前m个信道的最优感知顺序，B m为用户2的前m个信道的最优感知顺序，依次类推；
[0014] 步骤3,感知第m+1个信道，包括如下子步骤：
[0015] 步骤3.1，各次级用户分别将信道Sm+1加入至步骤2获得的本次级用户的最优感知 顺序中，并保持原有m个信道Si，S 2,. . .Sm的相对感知顺序位置不变，每一个次级用户均有m+ 1种信道感知顺序;计算各信道感知顺序下的次级用户吞吐量；
[0016] 步骤3.2,分别从每个次级用户的m+1种信道感知顺序中任意挑选一个进行组合， 共有(m+l)m种组合;计算各组合下的系统平均吞吐量；
[0017] 步骤3.3，找到最大系统平均吞吐量对应的组合，该组合对应的各次级用户的信道 感知顺序组合Am+1B m+1Cm+1Dm+1…即为m个次级用户的前m+1个信道的最优感知顺序组合；其 中，Am+i为用户1的前m+1个信道的最优感知顺序，Bm+i为用户2的前m+1个信道的最优感知顺 序，依次类推；
[0018]步骤4，按照步骤3的方式，依次感知第m+2、m+3、…、N个信道，最终获得的m个次级 用户的N个信道的最优感知顺序组合即为最终的m个次级用户的N个信道的信道感知顺序 AnBnCnDn…；其中，An为用户1的N个信道的最优感知顺序，Bn为用户2的N个信道的最优感知顺 序，依次类推。
[0019] 有益效果：
[0020] (1)本发明通过协调器集中制定多次级用户的感知策略，降低了多个次级用户发 生冲突的概率，增加了系统平均吞吐量。
[0021] (2)与传统穷举搜索法相比，在仅损失小部分性能的代价下，降低了多次级用户分 布式感知策略的复杂度。传统穷举搜索法的计算复杂度为〇((N!) m)，而本发明提出的增量 算法的复杂度仅为〇((m!；T+ t 。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明方法流程图。
[0023] 图2为本发明感知方式的时隙结构。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0025] 本发明提供了一种应用于认知无线电的多用户信道感知方法，在大幅降低次级用 户碰撞概率、提升系统平均吞吐量的前提下，性能可比拟穷举搜索算法，且复杂度低，可用 于多次级用户分布式感知。
[0026] 能量和特征检测是两种主流感知方法。能量检测法中感知一个信道一般仅需要不 到lms的时间，而特征检测则需要超过20ms。由于每个用户在每个时隙需要连续感知多个信 道，所以本发明仅适用于使用能量检测方法的感知网络。
[0027] 考虑一种含有一个协调器和m个次级用户的认知网络。假设网络潜在可用信道集 为S(S= {si，S2,. . .，sn}，N> >m，m 2 2)，每个用户一次可感知一个信道，并有自己的感知顺 序。例如：用户1的感知顺序通过(ai，a2, . . .，ak, . . .，aN)表示，用户2的感知顺序通过(bi, b2, . . .，bk，. . .，bN)表示等。其中下标k表示信道的感知位置，即ak表示用户1第k个需感知的 信道，b k表示用户2第k个需感知的信道，以此类推。
[0028] 整个感知网络假设严格同步，同时感知方式采用时隙结构，即将信号感知与传输 总时间等分为时长为t的多个时隙。感知时隙结构如图2所示。在图2中，假设用户在感知到 第k个信道时发现空闲，于是利用该时隙的剩余时间在第k个信道传输数据。时隙中用于感 知每个信道的时间用T代表。每个时隙包含感知部分(最大NX T)和传输部分(最小t-NXT)。 如果一个用户在第k个信道完成感知，则感知部分为kh传输部分为t-kh时隙效率由传输 部分占整个时隙的百分比表示。当一个用户在第k个信道完成感知，则时隙效率 ck为
[0029] Ck=(t-kx)/t (1)
[0030] 在每个时隙中，每个信道只存在被主用户整个占用、被次级用户整个占用或未被 占用三种情况。通过预先对信道特性及主用户对该信道的使用习惯等先验信息，可得在一 个时隙内信道 81未被主用户使用的概率^^(^^^^。对于每一个信道左用户在某 个时隙的状态独立于其他时隙，亦独立于其他信道。
[0031] 信道集S中，信道依照大小进行排序编号，SP: 4，Vies
[0032] 每个次级用户在每个时隙开始时，依照各自的感知顺序对信道进行感知，直至找 到空闲信道。如果某次级用户决定接入某个信道，称该用户在该信道"停止"了。每个次级用 户在每个时隙均需要感知信道并且选择某个空闲信道传输信号。如果某个次级用户决定停 止于某个信道，该次级用户将选择相应的速率R传输信号。
[0033] 本发明以多次级用户协同感知为出发点，考虑协调器的运算复杂度，使在不损失 大量性能的前提下，尽可能降低感知方法的计算复杂度，多个次级用户的信道感知方法具 体通过以下步骤实现：
[0034] 步骤一:对于所有m个次级用户，前m个信道感知采取传统穷举搜索算法。由于信道 1至信道m的主用户空闲概率（分别为…<..)最大，所以潜在可用信道集是{ Sl， S2, . . .，Sm}。假如一个用户在第k个信道完成感知，定义一个次级用户的数据吞吐量Uk为一 个时隙能传输的信息比特，即：
[0035] Uk = R ? ck (2)
[0036] 对于每一个次级用户，采用穷举的方法获得其所有可能的前m个信道的感知顺序。 以次级用户1为例，其前m个信道的所有可能的感知顺序分别为（S1，S2，S3. . .，Sm)，（S2，S1, S3 ? ? ? , Sm)，（SI ,S3 ,S2 ? ? ? , Sm),…，（Sm,Sm-1 ,Sm-2 ? . ? , SI)，共(m!)种顺序。则对应于次级用户1 的第一种感知顺序(S1，S2，S3. . .，Sm)，此时次级用户1的吞吐量Ul_l为： U +(1_^ ^
[0037] ――: ' ⑶ +(1-^ )*(]〇 )*...?(]-6^
[0038] 对应于次级用户1的第二种感知顺序(82,81， 83,84，...，&)，此时次级用户1的吞吐 量Ul-2为：
[0039] +(1-6〇(l-A )*(1-心成丨?穴*('4+… （4). +(1 - (9、）*(1，_6^ )*_,_?([ -0 )*沒' */??(-~"
[0040] 对应于次级用户1的第三种感知顺序(S1，S3， S2，S4，S5. . .，Sm)，此时次级用户1的吞 吐量Ul_3为：
[0041] L/, 5 = 〇： .R.c, +(\~Os M,-R>c2 + (1 - 6>., )?(I - ^ ； )>0., -K1 -必）*(1 -沒、)*U -沒二'义*心+ (1 -6 M卜R;)K1-沒J(.l-見4)*沒%*及…（.5). +(1 ~ 〇. )?( 1 " 〇s )K 1 ~ 〇. )*...*( 1 - 0. )*Os *R*c/t,
[0042]依次类推，得到次级用户1的所有可能的感知顺序对应的次级用户1吞吐量U〇， Ul-2，? ? ?，Ul-(m!) 〇
[0043] 同样地，获得各次级用户的所有的感知顺序对应的次级用户吞吐量。
[0044] 系统平均吞吐量为m个次级用户吞吐量的总和，共有(m!)m种情况，对应各次级用 户不同感知顺序所对应的次级用户吞吐量组合，即
[0045] Ut〇i-i = Ui-1+U2-1+. ? ?+Um-1
[0046] Utol-2 = Ul-1+U2-1