[发明专利]认知传感器网络中一种空闲信道搜索方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种特别用于认知无线电系统中空闲信道的搜索方法，属于通信技术领域。

背景技术

由于无线通信技术的快速发展，可用于分配的频谱资源越来越少，新的无线通信技术面临没有频谱可用的局面，美国联邦通信管理委员会(FCC)做了一份调查显示70％已分配的频谱没有得到充分利用，为了解决频谱利用率低的问题诞生了认知无线电技术(Cognitive Radio，CR)，通过机会式频谱共享方式实现频谱的共享。CR用户对周围无线频谱占用情况的准确、快速检测是提高频谱利用率同时保护授权用户免受干扰的重要前提和核心环节，所以频谱检测是CR一项至关重要的技术。

物理层检测方法主要有以下几种：能量检测法、匹配滤波器检测法、特征检测法等。但在实际应用场景中，凭借单纯的物理层检测算法对于提高频谱利用率以及保护授权用户都有一定的局限性。所以有必要采用基于MAC层的CR检测机制对检测参数进行选取和优化，快速发现频谱空穴，提高CR用户对频谱的检测性能和效率。根据CR用户检测时机的不同，频谱检测模式可分为按需检测和周期性检测。按需检测是在CR用户有数据需要发送时才检测信道，周期性检测则是CR用户按一定的周期检测信道。由于CR用户通过周期性检测可获得信道状态的先验信息，CR用户可借助该信息指导检测算法快速发现并定位空闲信道，从而使搜索到空闲信道的时延大大降低，使CR用户自身业务的平均中断概率最小化，故CR中多采用周期性频谱检测。

周期性频谱检测中涉及两个非常重要的参数：检测周期和检测时间，近些年的研究中频谱检测都是基于周期感知帧结构，在每一帧中包含一个检测时间块和一个数据发送时间块，若CR用户在检测时间块内检测到信道是空闲状态，则利用数据发送块发送数据。检测周期太小，CR用户频繁检测信道，消耗不必要的能量；检测周期太大，导致许多空闲频谱都没有被发现，同时授权用户再次出现的概率变大，碰撞概率变大。检测时间太小导致过高的虚警概率使检测质量下降；检测时间太大虽可提高检测质量，但用于数据发送的时间太少，频谱的利用率大大降低。

在固定检测时间且保证授权用户得到充分保护基础上，可以优化检测周期来最大化系统归一化吞吐量。也可以从不同检测阶段出发优化检测时间：在搜索空闲信道阶段，从最小化平均搜索时间来优化；在周期性频谱检测阶段，从最大化可获得的平均吞吐量进行优化。在授权用户得到充分保护情况下，可以最优化检测时间使CR系统的有效吞吐量最大，并且应用分布式频谱检测方法可以使性能进一步提升。但是很少讨论当授权用户再次出现时，CR用户如何搜索新的空闲信道使搜索到空闲信道的时延最小。

有研究给出了最小化CR用户搜索新空闲信道时延的方法：按照检测时刻信道空闲的概率降序排列后搜索信道。本发明在上述研究基础上考虑了下述情况：若在检测时刻该信道的空闲概率很大，则CR用户优先检测该信道，但是该信道的信道利用率很高(即授权用户频繁使用该信道)，CR用户可能只使用该信道很短时间就必须重新搜索其他信道，如此反而增加了搜索次数，影响通信质量。所以必须考虑信道利用率因素，检测时刻信道空闲概率大，并且信道利用率小的信道才是我们首选的空闲信道。本发明首先引入信道空闲概率和信道利用率两个参数，使其构成空闲信道选择函数，然后提出了最小化搜索空闲信道时延算法。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种认知无线电系统中空闲信道搜索优化方法，使搜索到第一个空闲信道的时延大大降低且使次用户自身业务的平均中断概率最小化。该方法引入信道空闲概率和信道利用率两个参数，使其构成空闲信道选择函数，基于该函数获得使空闲信道搜索时延最小化的方法。

技术方案：本发明的目的在于提供一种认知无线电系统中空闲信道搜索优化方法，该方法首先引入信道空闲概率和信道利用率两个参数，使其构成空闲信道选择函数，基于该函数实现最小化搜索空闲信道时延方法。该方法使搜索到第一个空闲信道的时延大大降低且使次用户自身业务的平均中断概率最小化。

该方法包括以下步骤：

a.计算信道在检测时刻t₁的信道空闲概率，假设次用户在t₁时刻正使用信道m，次用户采用周期性频谱检测方式，在t₂时刻检测到主用户重新占用信道m，为了不与主用户发生碰撞，次用户立刻退出信道m，搜索其他空闲信道，令Δ＝t₂-t₁；