[发明专利]认知无线电中一种保证服务质量的多级信道分配方法

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及认知无线电(Cognitive Radio，CR)网络动态频谱分配(Dynamic Spectrum Allocation，DSA)，具体为认知无线电中一种保证服务质量的多级信道分配方法。

背景技术

现代无线通信系统的频谱资源是由无线电管理机构统筹分配的，目前采用的静态分配的原则和方案。随着新的无线通信系统的层出不穷，即使每一种通信系统都尽量提高其自身的频谱利用率，有限的频谱资源也越来越不能满足日益增长的用户需求。但是从时域和空域的双重角度来看，仍然存在许多未被充分利用的空白频段。联邦通讯委员会(Federal Communications Commission，FCC)的测试表明，目前大多数频段的频谱资源利用率是很低的，在美国城市区域中，3-4GHz的频谱利用率为0.5％，4-5GHz的频谱利用率降为0.3％^[1]。这和当前广泛关注的频谱资源短缺问题互相矛盾。CR技术的出现，为解决频谱资源不足、实现频谱动态管理以及提高频谱利用率开创了崭新的局面。

CR的概念最早由Joseph Mitola博士在他1999年发表的一篇学术论文^[2]中提出，此后，不同的机构和学者从不同的角度给出了CR的定义^[3]，其中比较有代表性的包括FCC和著名学者Simon Haykin教授的定义。FCC认为CR是能够基于对其工作环境的信息交互从而改变发射机参数的无线电^[4]。Simon Haykin则从信号处理的角度出发，认为CR是一个智能无线通信系统，它能够感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变某些操作参数，比如传输功率、载波频率和调制技术等，从而实现任何时间、地点的高可靠度通信，以及对频谱资源的有效利用^[5]。从CR的各种不同定义中，我们可以看到一个共同点，即CR技术要求无线终端足够智能，具备认知能力，能够通过对周围无线环境的历史和当前状况进行检测、分析、学习、推理和规划，并利用相应结果调整自己的传输参数，使用最合适的无线资源，包括频率、调制方式、发射功率等，使无线通信系统整体性能最优。

以CR技术为基础构建的网络我们称之为认知无线电网络。认知无线电网络由基本网络和认知网络组成，基本网络是由已经分配频段的主用户(Primary User，PU)组成的各种异构的子网的全体，每种子网都有自己固定不变的网络拓扑。认知网络是由借用PU的频段的次级用户(Secondary User，SU)组成，每一个SU都具有认知能力，也称为认知用户。SU相比PU具有更低的频谱接入优先权，即当PU没有使用授权频段时，SU可以利用这些空闲的频段实现认知用户之间的通信，或者其它的一些通信。当PU需要利用这些分配的频段通信时，为不对其造成干扰，SU必须快速地检测出PU的出现并让出占用的频段；当PU没有使用其授权频段时，为了提高频谱利用效率，SU也必须很快地检测出空闲频带，并且快速地把这些空闲频带共享给认知基站(CognitiveBase Station，CBS)，以便CBS可以快速的把空闲频带按照一定的准则分配给需要使用的SU。

认知无线网络中实现空闲频带的接入，除了要考虑系统的容量和公平性，还要保证系统的服务质量QoS(Quality of Service)水平，认知无线网络中QoS主要考虑SU对PU的干扰水平以及SU通信的连续性，要限制认知用户对主用户的干扰，以及降低SU使用空闲频带的跳变次数。已有研究优化系统容量和认知用户公平性的问题^[6]，并实现了这两方面性能的折衷^[7]。文献[8]研究了认知网络中SU对PU的存在干扰情况下的系统的容量和公平性，并对通信延迟进行了研究，但其只考虑了一个PU存在时的场景，实际认知网络中会有多个PU与SU共存。根据PU与SU通信的随机性，空闲频带可占用时间的统计特性，可以合理地分配空闲频带以实现SU之间通信的连续性。文献[9]、[10]、[11]分别针对不同场景建立了空闲频带调度的模型。相比较随机分配情况降低了频谱跳变次数，但其算法复杂度高，实际中会不适应捷变的频谱环境。因此就需要从空闲频谱的特性(占用时间、带宽等)考虑，根据空闲频带的可占用时间统计特性，设计一种能够提供QoS保障的、快速的动态频谱分配机制。