动态认知异构网络的联合时频域切换方法
【专利摘要】本发明请求保护一种动态认知异构网络的联合时频域切换方法，属于无线通信技术领域，特别是认知无线电网络领域。该方法包括以下步骤：步骤一：根据主用户历史信息，预测得到主用户对时频域资源占用信息；步骤二：定义认知用户时频域切换变量；步骤三：计算认知用户切换至各信道的切换时延；步骤四：计算认知用户时频域传输数据量；步骤五：确定认知用户传输业务量限定条件；步骤六：建模认知用户时频切换问题为带权简单有向图，基于Dijkstra算法确定最大权值路径；步骤七：基于最大权值路径权值信息确定认知用户联合时频域切换策略。本发明所述方法综合考虑主用户占用信道状态信息、频谱切换时延，频谱传输特性，以及用户传输数据量需求，优化确定认知用户时隙频谱切换策略，以实现认知用户切换次数最小的同时传输数据量最大。
【专利说明】
动态认知异构网络的联合时频域切换方法
技术领域
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，特别是动态认知异构网络频谱切换技术领域，设 及一种动态认知异构网络的联合时频域切换方法。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信技术的快速发展及用户应用需求的不断增长，各类通信应用对无线 频谱的需求日益增加。传统的固定频谱分配方法导致部分频带竞争激烈，频谱资源严重匿 乏；同时，部分频段大量已分配的频谱未得到充分使用，导致频谱利用率低下。为有效提高 频谱资源利用率，缓解频谱资源匿乏问题，采用动态频谱接入机制的认知无线电技术近年 来受到广泛关注。
[0003] 同时，随着现代无线通信技术的发展，不同的接入技术不断涌现，例如传统蜂窝网 络、无线局域网（Wireless Local Area化twork,WLAN)、全球微波互联接入(Worldwide interoperability for Microwave Access ,WiMAX)、无线个域网（Wireless Personal Area化twork,WPAN)等，因此，未来用户面对的必然是复杂的异构无线网络环境，并且，每 种无线接入网络往往具有其独特的网络特性，具体体现在覆盖范围、传输速率、传输时延、 对用户移动性支持及提供业务类型等方面。因此，在认知无线电技术和异构网络融合技术 的不断发展的趋势下，为充分合理使用宝贵的无线频谱资源，实现高效通信，未来通信系统 必然是能够支持认知无线点技术的认知异构网络环境。
[0004] 在认知无线电网络中，认知用户在不影响主用户正常工作的情况下，可接入授权 频谱进行数据传输。若认知用户检测到主用户到达或频谱服务质量下降时需执行频谱切 换。如何综合考虑时隙、频谱资源的动态特性，W及用户QoS需求，优化设计频谱切换及资源 分配方法，提高网络频谱资源利用率及用户QoS具有重要意义。
[0005] 近年来，已有研究考虑认知无线网络频谱选择机制。如有文献提出认知用户通过 历史信息估计空闲频谱剩余时间及频谱传输需求时长列表，进而确定切换时刻及切换目标 频谱。也有文献将认知网络主、从用户接入频谱问题建模为M/G/1排队模型，基于队列长度 及用户业务特性对切换从用户排队时延进行评估，进而选择对应最小排队时延的候选频谱 作为切换目标频谱。
[0006] 现有频谱选择机制主要针对同构网络，较少考虑认知异构网络，而认知异构网络 中接入网络的异构特性将给用户频谱选择及切换带来新的困难及挑战;此外，现有频谱选 择准则大多基于最小切换时延，未综合考虑认知用户通信时可能由于主用户到达经历多次 切换，W及各频谱的传输性能差异，可能导致认知用户传输性能严重受限，无法有效保障用 户QoS的问题。
【发明内容】
[0007] 针对W上技术的不足，提出了一种优化确定认知用户时隙频谱切换策略，W实现 认知用户切换次数最小的同时传输数据量最大的动态认知异构网络的联合时频域切换方 法。本发明的技术方案如下:一种动态认知异构网络的联合时频域切换方法，其包括W下步 骤：
[0008] 步骤一:查询动态认知异构网络中的主用户的占用时隙信道的历史信息，通过主 用户业务到达及持续时间预测得到主用户的时频域资源占用信息；
[0009] 步骤二:对主用户信道内的认知用户定义时频域切换变量;定义优化变量IUE {0， 1 } ,Pmn = 1表不认知用户在时隙m占用束n个f曰道,否则,Pmn = O ;
[0010] 步骤计算认知用户切换至其他信道的切换时延
：，tKs表示相邻频 率的硬件切换时延参数，Amnn'表示第m个时隙使用第n个信道与m-1时隙使用信道f'的频率 间距的绝对差；
[0011] 步骤四：计算认知用户第m个时隙传输的时频域传输数据量马;
[0012] 步骤五：根据步骤二、步骤=集步骤四确定认知用户传输业务量限定条件；
，其中，1卽0卽，1 <M〇<M，lW表示认知用户拟传输的总业务 量，Qmn表不主用户在时隙m对信道n的占用情况；
[0013] 步骤六:将步骤五建模认知用户时频切换问题为带权简单有向图，基于Di Astra 算法确定最大权值路径；
[0014] 步骤屯:基于最大权值路径权值信息确定认知用户联合时频域切换策略，根据切 换策略进行切换。
[0015] 进一步的，在步骤一中，根据主用户业务到达及持续时间历史信息预测各个信道 主用户占用时隙状态具体为:令Qmn为主用户在时隙m对信道n的占用情况，m= 1，2，...，M，n =1，2,...，N，其中，M表示系统的时隙数，N表示认知异构网络系统的信道数，每个主用户的 授权频带间是互不干扰的，Qmn=I表示主用户在时隙m占用信道n，amn = 0表示主用户在时隙 m未占用信道n。
[0016] 进一步的，在步骤S中，若主用户占用信道n的m时隙，则在该信道通信的认知用户 需要切换至其他信道，假设该认知用户在m时隙使用第n个信道，m-1时隙使用信道n'，且第n 个信道使用的频率是f，第n '个信道使用的频率是f ' ；根据公式A mnn'= I f-f' I得到第m个时 隙使用第n个信道与m-1时隙使用信道n'的频率间距的绝对差;定义认知用户在m时隙从信 道n'切换至信道n的切换时延为巧1>,'根据公式
确定认知用户在m时隙从信道 n '切换至信道n '的切换时延，其中，t"表示相邻频率的硬件切换时延参数。
[0017] 进一步的，步骤四中计算认知用户第m个时隙传输的时频域传输数据量為g",具体 为:假设认知用户频谱切换只能发生在时隙的开始，认知用户在第m个时隙传输的数据量 驾可由
得到，其中，Lmn表示认知用户在第m个时隙第n个信道完整传输 的数据量，由公式
F。得到，其中hmn表示认知用户在第m个时隙使用第n个 信道的信道增益，Po表示认知用户的传输功率，O2表示噪声功率，Bn表示第n个信道的带宽， To表不时隙长度。
[0018] 进一步的，根据步骤二、步骤=集步骤四确定认知用户传输业务量限定条件；
，其中，I卽O卽，I < Mo <M，L?表示认知用户拟传输的总业务 量，Qmn表不主用户在时隙m对信道n的占用情况；
[0019] 进一步的，所述步骤六:将步骤五建模认知用户时频切换问题为带权简单有向图， 基于DiJkstra算法确定最大权值路径具体包括：
[0020] 令该带权简单有向图为G=<V，E，L，T>，其中，顶点V为认知用户各次切换候选信 道集合;边E代表认知用户从信道^切换至信道乂,：，即E =<义。，义!r" > ,0 < i < 含N，1 如，jl辛j2，Cfmaxl为最大切换次数;L及T均鱼链路权重，分别表示传输数据量 及传输时延嗦示认知用户第i次切换至信道疋淑重巧^。代表认知用户第i次切换 时从信道不,切换至信道不j后信道传输的数据量;巧->。表示认知用户从信道^;,切换至 信道馬。前在信道馬的传输时延；为认知用户首次切换前所在信道，Lo表示认知用户首 次切换前所传输的数据量。
[0021] 进一步的，所述基于Di jkstra算法确定最大权值路径具体为:基于Di jkstra算法 确定Xf"与除JfP W外的一跳邻居之间链路中的最大权值链路，若该链路权值大于lW-Lo， 则选择该链路为切换目标链路，链路对应的切换时隙及信道即为认知用户时频切换策略； 若不存在，则在式W的两跳链路中基于Di Astra算法确定权值最大路径，若该路径权值大于 L^-Lo,则选择该路径为切换目标链路，该路径对应的切换时隙及信道即为认知用户时频 切换策略;若不存在，则在的=跳链路确定最大权值路径，重复上述过程，直至满足目标 链路权值大于L W-Lo，算法结束。
[0022] 本发明的优点及有益效果如下：
[0023] 本发明所述方法综合考虑主用户占用信道状态信息、频谱切换时延，频谱传输特 性，W及用户传输数据量需求，优化确定认知用户时隙频谱切换策略，W实现认知用户切换 次数最小的同时传输数据量最大。其中，在步骤=中将切换时延公式化为与不同频段间距 相关的函数，不同信道间的切换时延不同，运样更接近实际场景;步骤五中，考虑认知用户 传输数据量的需求，保障认知用户的QoS,可扩展至不同业务类型；步骤六中，将认知用户时 频切换问题为带权简单有向图，可基于Di Astra算法确定最优的切换次数，算法具有可扩 展性。
【附图说明】
[0024] 图1是本发明提供优选实施例个认知异构网络的场景示意图；
[0025] 图2为本发明所述方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0026] W下结合附图，对本发明作进一步说明：
[0027] 本发明所述的一种动态认知异构网络联合时频域切换方法，在认知异构网络共同 覆盖区域，主用户占用信道状态信息、频谱切换时延，频谱传输特性确定认知用户最佳时隙 频谱切换策略，W实现认知用户切换及传输性能优化。
[0028] 图I认知异构网络场景图，假设认知异构网络场景包括两个具有重叠区域的认知 无线电网络，CRNl和CRN2,图2为本发明所述方法的流程示意图，如图所示，本发明所述方法 具体包括W下步骤：
[0029] 1)根据主用户历史信息，预测得到主用户对时频域资源占用信息：
[0030] 根据主用户历史信息预测各个信道主用户占用时隙状态，令Qmn为主用户在时隙m 对信道n的占用情况，m=l，2,. . .，M，n=l，2, . . .，N，，其中，M表示系统的时隙数，N表示认知 异构网络系统的信道数，每个主用户的授权频带间是互不干扰的。Qmn=I表示主用户在时隙 m占用f曰道n,曰皿=0表不王用户在时隙m未占用f曰道n。
[0031] 2)定义认知用户时频域切换变量：
[0032] 假设认知用户占用某信道的一个或多个时隙进行通信，定义优化变量PmnE {0,1}， Pmn = 1表不认知用户在时隙m占用束n个f曰道,否则,Pmn = O。
[0033] 3)计算认知用户切换至各信道的切换时延：
[0034] 若主用户占用信道n的m时隙，则在该信道通信的认知用户需要切换至其他信道， 假设该认知用户在m时隙使用第n个信道，m-1时隙使用信道n'，且第n个信道使用的频率是 f，第n'个信道使用的频率是f'。根据公式Amnn'= |f-f' I得到第m个时隙使用第n个信道与 m-l时隙使用信道f'的频率间距的绝对差。根据公^^
，确定认知用户的切换时 延，其中，t"表示相邻频率的硬件切换时延参数。
[0035] 4)计算认知用户时频域传输数据量：
[0036] 假设认知用户频谱切换只能发生在时隙的开始。认知用户在第m个时隙传输的数 据量的,,,,,可由
得到，其中，Lmn表示认知用户在第m个时隙第n个信道完 整传输的数据量，由公式
嵩到，其中hmn表示认知用户在第m个时 隙使用第n个信道的信道增益，P质示认知用户的传输功率，O嗦示噪声功率，Bn表示第n个 信道的带宽，To表示时隙长度。
[0037] 5)确定认知用户传输业务量限定条件：
[003引认知用户传输业务量限定条f，其中，1如0如，1< Mo <M，lW表示认知用户拟传输的总业务量。
[0039] 6)建模认知用户时频切换问题为带权简单有向图，基于Di Astra算法确定最大权 值路径：
[0040] 建模认知用户时频切换问题为具有约束条件的带权简单有向图，进而基于 Di Astra算法确定最大权值路径。令该带权简单有向图为G=<V，E，L，T>，其中，顶点V为 认知用户各次切换候选信道集合；边E代表认知用户从信道^切换至信道疋。，即
为最大切换次数;L及T 均为链路权重，分别表示传输数据量及传输时延;鸣+U表示认知用户第i次切换至信道^ ; 权重巧代表认知用户第i次切换时从信道馬切换至信道^:,后信道為传输的数据量权 重；巧>。表示认知用户从信道馬,切换至信道馬。前在信道不,的传输时延；為"为认知用户 首次切换前所在信道，Lo表示认知用户首次切换前所传输的数据量。
[0041] 基于Dijkstra算法确定义严与一跳邻居（除；If W外）之间链路中的最大权值链 路，若该链路权值大于L W-Lo，则选择该链路为切换目标链路，链路对应的切换时隙及信道 即为认知用户时频切换策略;若不存在，则在為"的两跳链路中基于Di Astra算法确定权值 最大路径，若该路径权值大于L^-Lo，则选择该路径为切换目标链路，该路径对应的切换时 隙及信道即为认知用户时频切换策略;若不存在，则在的S跳链路确定最大权值路径， 重复上述过程，直至满足目标链路权值大于L W-Ld，算法结束。
[0042] 7)基于最大权值路径权值信息确定认知用户联合时频域切换策略：
[0043] 认知基站基于最大权值路径权值信息确定Pmn,对应认知用户最佳时隙频谱切换策 略。W上运些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读 了本发明的记载的内容之后，技术人员可W对本发明作各种改动或修改，运些等效变化和 修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
【主权项】
1. 一种动态认知异构网络的联合时频域切换方法，其特征在于，包括W下步骤： 步骤一：查询动态认知异构网络中的主用户占用时隙信道的历史信息，通过主用户业 务到达及持续时间预测得到主用户的时频域资源占用信息； 步骤二:对主用户信道内的认知用户定义时频域切换变量;定义优化变量iUE {0,1}， iU=l表示认知用户在时隙m占用第η个信道，否则，iU=0; 步骤Ξ:计算认知用户切换至其他信道的切换时延1；1"2,=/"么胃,;，*^表示相邻频率的 硬件切换时延参数，A mn表示第m个时隙使用第η个信道与m-1时隙使用信道η '的频率间距的 绝对差； 步骤四：计算认知用户第m个时隙传输的时频域传输数据量這 步骤五：根据步骤二、步骤Ξ及步骤四确定认知用户传输业务量限定条件；其中，1如0如，1 <m〇<m，lw表示认知用户拟传输的总业务 量，〇皿表不主用户在时隙m对信道η的占用情况； 步骤六:将步骤五建模认知用户时频切换问题为带权简单有向图，基于Dijkstra算法 确定最大权值路径； 步骤屯:基于最大权值路径权值信息确定认知用户联合时频域切换策略，根据切换策 略进行切换。2. 根据权利要求1所述的动态认知异构网络的联合时频域切换方法，其特征在于:在步 骤一中，根据主用户业务到达及持续时间历史信息各个信道主用户占用时隙状态具体为： 令α皿为主用户在时隙m对信道η的占用情况，m=l，2,. . .，M，n=l，2,. . .，N，其中，Μ表示系统 的时隙数，Ν表示认知异构网络系统的信道数，每个主用户的授权频带间是互不干扰的，amn =1表不主用户在时隙m占用信道η, α皿=0表不主用户在时隙m未占用信道η。3. 根据权利要求1或2所述的动态认知异构网络的联合时频域切换方法，其特征在于： 在步骤Ξ中，若主用户占用信道η的m时隙，则在该信道通信的认知用户需要切换至其他信 道，假设该认知用户在m时隙使用第η个信道，m-1时隙使用信道η'，且第η个信道使用的频率 是f，第η'个信道使用的频率是f'；根据公式Amnn'= 得到第m个时隙使用第η个信道 与m-1时隙使用信道η'的频率间距的绝对差;定义认知用户在时隙m从信道η'切换至信道η 的切换时延72|.'根据公式2；就叫"^"_。,,，确定认知用户的切换时延，其中，*^表示相邻频率 的硬件切换时延参数。4. 根据权利要求3所述的动态认知异构网络的联合时频域切换方法，其特征在于:步骤 四中计算认知用户第m个时隙传输的时频域传输数据量。，具体为:假设认知用户频谱切 换只能发生在时隙的开始，认知用户在第m个时隙传输的数据量巧可由得到，其中，Lmn表示认知用户在第m个时隙第η个信道完整传输的数据量， 由公得到，其中hmn表示认知用户在第m个时隙使用第η个信道的信道 增益，Ρο表示认知用户的传输功率，σ嗦示噪声功率，Bn表示第η个信道的带宽，To表示时隙 长度。5. 根据权利要求3所述的动态认知异构网络的联合时频域切换方法，其特征在于，所述 步骤六:将步骤五建模认知用户时频切换问题为带权简单有向图，基于Dijkstra算法确定 最大权值路径具体包括： 令该带权简单有向图为G=<V，E，L，T>，其中，顶点V为认知用户各次切换候选信道集 合;边E代表认知用户从信道义Λ切换至信道义/:，即怎=<义',,''，义Γ' >，〇 < i < cfmaxLia < jl <N，1含j2含N，jl辛jStCfmaxi为最大切换次数;L及τ示为链路权重，分别表示用户两次切换之 间传输的数据量及传输时延表示认知用户第i次切换至信道y,。；权重巧代表认知 用户第i次切换时从信道与切换至信道而后信道而传输的数据量;巧>。表示认知用户从 信道切换至信道^。前在信道為的传输时延，乂Γ"为认知用户首次切换前所在信道，Lo表 示认知用户首次切换前所传输的数据量。6. 根据权利要求5所述的动态认知异构网络的联合时频域切换方法，其特征在于，所述 基于Dijkstra算法确定最大权值路径具体为:基于Dijkstra算法确定Jf与除ZfW外的 一跳邻居之间链路中的最大权值链路，若该链路权值大于lW-Lo,则选择该链路为切换目 标链路，链路对应的切换时隙及信道即为认知用户时频切换策略;若不存在，则在為"的两 跳链路中基于Dijkstra算法确定权值最大路径，若该路径权值大于L^-Lo,则选择该路径 为切换目标链路，该路径对应的切换时隙及信道即为认知用户时频切换策略;若不存在，贝U 在if的Ξ跳链路确定最大权值路径，重复上述过程，直至满足目标链路权值大于lW-Lo， 算法结束。
【文档编号】H04B17/382GK105846923SQ201610156296
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月18日
【发明人】柴蓉, 胡琴, 陈前斌
【申请人】重庆邮电大学