認知用戶信道切換方法及其性能分析方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種認知用戶信道切換方法及其性能分析方法，涉及無線通信技術(shù)中機會頻譜接入系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】。信道切換方法是認知用戶采用周期性的感知-傳輸時隙結(jié)構(gòu)進行數(shù)據(jù)傳輸，認知用戶在每個感知周期中根據(jù)是否感知到當(dāng)前占用信道上有主用戶出現(xiàn)決定是否執(zhí)行信道切換；性能分析方法給出了計算認知用戶平均不切換概率、切換概率、阻塞概率、切換時延等性能參數(shù)的閉合表達式，提供了一種量化分析認知用戶信道切換性能的有效且簡單易行的方法，實現(xiàn)對認知用戶信道切換性能，即不切換概率、成功切換概率、阻塞概率、平均切換時延等指標(biāo)的評估。本發(fā)明對優(yōu)化設(shè)計機會頻譜接入系統(tǒng)的切換機制、提高認知網(wǎng)絡(luò)的吞吐量等研究工作具有理論和實踐意義。
【專利說明】認知用戶信道切換方法及其性能分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及機會頻譜接入系統(tǒng)(OpportunisticSpectrum Access, 0SA)中認知用戶信道切換方法，以及對該方法進行性能分析的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]認知無線電和動態(tài)頻譜接入技術(shù)以其在提升無線頻譜效率方面的巨大優(yōu)勢而成為近年無線通信領(lǐng)域的研究熱點和重要課題。作為與當(dāng)前頻譜管理制度最為兼容的一種動態(tài)頻譜接入方案，機會頻譜接入技術(shù)受到了研究人員的廣泛關(guān)注，其基本思想是在不過分影響授權(quán)用戶(主用戶)正常通信的前提下，認知用戶(次用戶)通過感知授權(quán)頻段占用情況來尋找未被主用戶占用的空閑頻段，并按某一準(zhǔn)則選擇一個或多個空閑頻段接入通信。由于無線頻譜占用情況是動態(tài)變化的，頻譜感知通常周期性地進行以避免次用戶對主用戶產(chǎn)生過分的干擾。基于 IEEE802.22 協(xié)議的 WRAN (Wireless Regional Area Network,無線區(qū)域網(wǎng))正是一個機會頻譜接入的典型應(yīng)用實例。
[0003]機會頻譜接入需要解決兩個核心問題，一是盡可能地保護主用戶的接入優(yōu)先權(quán)，二是最大限度地提高認知用戶的吞吐量。確保主用戶接入優(yōu)先權(quán)有兩種方法:一是停等機制，即認知用戶感知到主用戶出現(xiàn)在其工作信道上時，立即退出信道進入緩存器等待，直到該信道重新空出；二是信道切換機制，即認知用戶感知到主用戶出現(xiàn)在其工作信道上時，退出當(dāng)前信道并尋找另一個空閑信道繼續(xù)傳輸。相較于停等機制，信道切換不僅可以有效避免主次用戶的碰撞，確保主用戶的通信質(zhì)量，亦可以為認知用戶帶來更多的接入機會，從而提高機會頻譜接入系統(tǒng)的吞吐量。因此，分析認知用戶的信道切換活動，對優(yōu)化機會頻譜接入系統(tǒng)性能具有重要意義。
[0004]目前，認知用戶信道切換研究剛剛起步，一些信道切換方案逐漸被提出，如主動式信道切換，被動式信道切換等等；個別切換性能指標(biāo)在特定方案下得到了分析，如主動式信道切換方案的切換時延。然而，分析認知用戶信道切換活動尚無一般化的模型，諸如成功切換概率、阻塞概率、平均切換時間等性能指標(biāo)均無簡單實用的閉合表達式，這對分析機會頻譜接入系統(tǒng)的性能、優(yōu)化認知用戶的信道接入選擇帶來困難。因此，研究認知用戶的信道切換活動并建立切換性能分析模型具有重要的理論和現(xiàn)實意義，是當(dāng)前認知無線電研究領(lǐng)域的重要課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于:提出一種認知用戶信道切換方法及其性能分析方法，以實現(xiàn)對認知用戶信道切換性能，即不切換概率、成功切換概率、阻塞概率、平均切換時延等指標(biāo)的評估。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0007]認知用戶信道切換方法，機會頻譜接入系統(tǒng)中認知用戶采用周期性的感知-傳輸時隙結(jié)構(gòu)進行數(shù)據(jù)傳輸，所述的感知_傳輸時隙包含一個感知時隙和一個傳輸時隙，其中感知時隙的持續(xù)時間為Ts，傳輸時隙的持續(xù)時間為Tt，感知周期為T = Ts+Tt ；
[0008]在采用所述的感知-傳輸時隙結(jié)構(gòu)進行通信的過程中，認知用戶在每個感知周期中根據(jù)是否感知到當(dāng)前占用信道上有主用戶出現(xiàn)決定是否執(zhí)行信道切換；具體為:
[0009](I)若未感知到主用戶出現(xiàn)在其當(dāng)前工作的信道上，認知用戶繼續(xù)停留在該信道上通信；
[0010](2)若感知到主用戶出現(xiàn)在其當(dāng)前占用的信道上，認知用戶立即切換到另一個空閑信道上繼續(xù)通信，此時需要耗費一個切換時間Th去重新同步認知用戶的收發(fā)信機，該切換時間來自于傳輸時隙Tt,即切換時間Th包含在傳輸時隙Tt中；
[0011](3)若感知到主用戶出現(xiàn)在其當(dāng)前工作信道上但無法找到空閑信道用于切換，認知用戶暫時被阻塞，即進入緩存器中等待下一個感知時隙到達后執(zhí)行新的接入嘗試；認知用戶被阻塞時，在緩存器中等待的時間等于Tt。
[0012]進一步的，本發(fā)明認知用戶信道切換方法，機會頻譜接入系統(tǒng)中主用戶和認知用戶的到達過程和離開過程服從獨立的泊松分布；系統(tǒng)中每個信道地位均等，承擔(dān)相同的業(yè)務(wù)負荷，各個信道的占用情況獨立地演進。
[0013]進一步的，本發(fā)明認知用戶信道切換方法，主用戶和認知用戶均以等概率接入任一信道，每個信道在任一時刻僅允許一個用戶占用，若兩個或兩個以上認知用戶同時感知到某個信道空閑并準(zhǔn)備接入該信道，則采用ALHOA的方法避免認知用戶的接入碰撞。
[0014]認知用戶信 道切換方法的性能分析方法，包括如下步驟:
[0015]步驟A:計算機會頻譜接入系統(tǒng)中單個信道處于不同穩(wěn)定狀態(tài)的概率，據(jù)此計算得到機會頻譜接入系統(tǒng)中N個信道的聯(lián)合穩(wěn)態(tài)分布；
[0016]步驟B:計算給定信道狀態(tài)和新進入主用戶數(shù)目情況下單個認知用戶的條件不切換概率；根據(jù)機會頻譜接入系統(tǒng)中N個信道的聯(lián)合穩(wěn)態(tài)分布，認知用戶在感知時隙中感知到的主用戶進入系統(tǒng)的概率，以及先前得到的認知用戶的條件不切換概率，計算得到認知用戶在每個感知時隙結(jié)束時的平均不切換概率；
[0017]步驟C:計算給定信道狀態(tài)和新進入主用戶數(shù)目情況下單個認知用戶的條件成功切換概率；根據(jù)機會頻譜接入系統(tǒng)中N個信道的聯(lián)合穩(wěn)態(tài)分布，認知用戶在感知時隙中感知到的主用戶進入系統(tǒng)的概率，以及先前得到的認知用戶的條件成功切換概率，計算得到認知用戶在每個感知時隙結(jié)束時的平均成功切換概率；
[0018]步驟D:計算給定信道狀態(tài)和新進入主用戶數(shù)目情況下單個認知用戶的條件阻塞概率；根據(jù)機會頻譜接入系統(tǒng)中N個信道的聯(lián)合穩(wěn)態(tài)分布，認知用戶在感知時隙中感知到的主用戶進入系統(tǒng)的概率，以及先前得到認知用戶的條件阻塞概率，計算得到認知用戶在每個感知時隙結(jié)束時的平均阻塞概率；
[0019]步驟E:根據(jù)步驟C、D計算得到的認知用戶在每個感知時隙結(jié)束時的平均成功切換概率和平均阻塞概率，結(jié)合認知用戶的切換時間、傳輸時隙的持續(xù)時間，計算得到認知用戶的平均切換時延。
[0020]進一步的，本發(fā)明的認知用戶信道切換方法的性能分析方法，步驟A具體如下:
[0021]計算機會頻譜接入系統(tǒng)中N個信道的聯(lián)合穩(wěn)態(tài)分布
【權(quán)利要求】
1.一種認知用戶信道切換方法，其特征在于: 機會頻譜接入系統(tǒng)中認知用戶采用周期性的感知-傳輸時隙結(jié)構(gòu)進行數(shù)據(jù)傳輸，所述的感知-傳輸時隙包含一個感知時隙和一個傳輸時隙，其中感知時隙的持續(xù)時間為Ts,傳輸時隙的持續(xù)時間為Tt，感知周期為T = Ts+Tt ； 在采用所述的感知-傳輸時隙結(jié)構(gòu)進行通信的過程中，認知用戶在每個感知周期中根據(jù)是否感知到當(dāng)前占用信道上有主用戶出現(xiàn)決定是否執(zhí)行信道切換；具體為: (1)若未感知到主用戶出現(xiàn)在其當(dāng)前工作的信道上，認知用戶繼續(xù)停留在該信道上通?目; (2)若感知到主用戶出現(xiàn)在其當(dāng)前占用的信道上，認知用戶立即切換到另一個空閑信道上繼續(xù)通信，此時需要耗費一個切換時間Th去重新同步認知用戶的收發(fā)信機，該切換時間來自于傳輸時隙Tt,即切換時間Th包含在傳輸時隙Tt中； (3)若感知到主用戶出現(xiàn)在其當(dāng)前工作信道上但無法找到空閑信道用于切換，認知用戶暫時被阻塞，即進入緩存器中等待下一個感知時隙到達后執(zhí)行新的接入嘗試；認知用戶被阻塞時，在緩存器中等待的時間等于Tt。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的認知用戶信道切換方法，其特征在于: 機會頻譜接入系統(tǒng)中主用戶和認知用戶的到達過程和離開過程服從獨立的泊松分布；系統(tǒng)中每個信道地位均等，承擔(dān)相同的業(yè)務(wù)負荷，各個信道的占用情況獨立地演進。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的認知用戶信道切換方法，其特征在于:` 主用戶和認知用戶均以等概率接入任一信道，每個信道在任一時刻僅允許一個用戶占用，若兩個或兩個以上認知用戶同時感知到某個信道空閑并準(zhǔn)備接入該信道，則采用ALHOA的方法避免認知用戶的接入碰撞。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的認知用戶信道切換方法的性能分析方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟A:計算機會頻譜接入系統(tǒng)中單個信道處于不同穩(wěn)定狀態(tài)的概率，據(jù)此計算得到機會頻譜接入系統(tǒng)中N個信道的聯(lián)合穩(wěn)態(tài)分布； 步驟B:計算給定信道狀態(tài)和新進入主用戶數(shù)目情況下單個認知用戶的條件不切換概率；根據(jù)機會頻譜接入系統(tǒng)中N個信道的聯(lián)合穩(wěn)態(tài)分布，認知用戶在感知時隙中感知到的主用戶進入系統(tǒng)的概率，以及先前得到的認知用戶的條件不切換概率，計算得到認知用戶在每個感知時隙結(jié)束時的平均不切換概率； 步驟C:計算給定信道狀態(tài)和新進入主用戶數(shù)目情況下單個認知用戶的條件成功切換概率；根據(jù)機會頻譜接入系統(tǒng)中N個信道的聯(lián)合穩(wěn)態(tài)分布，認知用戶在感知時隙中感知到的主用戶進入系統(tǒng)的概率，以及先前得到的認知用戶的條件成功切換概率，計算得到認知用戶在每個感知時隙結(jié)束時的平均成功切換概率； 步驟D:計算給定信道狀態(tài)和新進入主用戶數(shù)目情況下單個認知用戶的條件阻塞概率；根據(jù)機會頻譜接入系統(tǒng)中N個信道的聯(lián)合穩(wěn)態(tài)分布，認知用戶在感知時隙中感知到的主用戶進入系統(tǒng)的概率，以及先前得到認知用戶的條件阻塞概率，計算得到認知用戶在每個感知時隙結(jié)束時的平均阻塞概率； 步驟E:根據(jù)步驟C、D計算得到的認知用戶在每個感知時隙結(jié)束時的平均成功切換概率和平均阻塞概率，結(jié)合認知用戶的切換時間、傳輸時隙的持續(xù)時間，計算得到認知用戶的平均切換時延。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的認知用戶信道切換方法的性能分析方法，其特征在于:步驟A具體如下: 計算機會頻譜接入系統(tǒng)中N個信道的聯(lián)合穩(wěn)態(tài)分布
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的認知用戶信道切換方法的性能分析方法，其特征在于:步驟B具體如下: 計算認知用戶在每個感知時隙結(jié)束時的平均不切換概率Pn:
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的認知用戶信道切換方法的性能分析方法，其特征在于:步驟C具體如下: 計算認知用戶在每個感知時隙結(jié)束時的平均切換概率
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的認知用戶信道切換方法的性能分析方法，其特征在于:步驟D具體如下: 計算認知用戶在每個感知時隙結(jié)束時的平均阻塞概率

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的認知用戶信道切換方法的性能分析方法，其特征在于:步驟E具體如下: 計算認知用戶的平均切換時延
【文檔編號】H04W36/06GK103763722SQ201410007176
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月7日
【發(fā)明者】張晶, 朱洪波 申請人:南京郵電大學(xué)