機會頻譜共享系統中信道容量分析方法
2023-12-03 12:21:06
專利名稱：機會頻譜共享系統中信道容量分析方法
技術領域：
本發明通常涉及一種分析認知網絡中機會頻譜共享系統的認知用戶(次用戶)信道容量的新策略。該策略提供分析信道容量的理論基礎，以及次用戶設計傳輸參數的理論依據，並作為優化機會頻譜共享系統性能的理論指標。該方案的基本思想是分析次用戶信號幹擾噪聲比(SINR)，並以此分析次用戶信道容量與傳統信道容量的不同，確定機會頻譜共享系統中影響次用戶信道容量的主要因素。
背景技術：
1948年，現代數字通信的奠基人香農在信道編碼定理中指出，只要隨機編碼的碼長足夠大，就可以進行無限逼近信道容量C的通信並使錯誤概率任意小。自香農之後，人們不懈地向逼近信道容量的方向努力。並產生了計算信道容量的香農(Shannon)信道容量公式。香農公式表明的是當信號與信道加性高斯白噪聲的平均功率給定時，在具有一定頻帶寬度的信道上，理論上單位時間內可能傳輸的信息量的極限數值。
然而，無線通信技術發展至今，通信信道和通信環境已經遠遠超出香農時代的想像。現在的認知網絡和認知通信使得通信信道更加複雜多變。除了傳統的廣播信道、多元接入信道，還出現了中繼信道、幹擾信道等信道類型。隨著信道複雜度的增加，簡單的香農公式已經不能涵蓋決定通信容量的各種因素。尤其在認知網絡中，由於各種頻譜共享技術的出現，主次用戶之間或共存於同一個信道中，或交替出現在同一個信道中，更增加了信道的時變性和隨機性。因此，進一步分析共享或者共存通信情況下的信道容量，是分析和改進認知網絡技術和性能的理論基礎和依據。
發明內容
技術問題本發明的目的是提供一種機會頻譜共享系統中信道容量分析方法，用來作為認知用戶(次用戶)設計傳輸參數的理論依據，分析信道容量的理論基礎，並作為優化機會頻譜共享系統性能的理論指標。該理論基礎，至少基本上解決上述問題和/或缺點，並至少提供下面的優點。因此，本發明提供一種分析和改進認知網絡技術和性能的理論基礎和依據。
技術方案本發的一種機會頻譜共享系統中信道容量分析方法明基於以上考慮，首先分析機會頻譜共享系統中次用戶信號幹擾噪聲比(SINR)的變化特性。其次分析機會頻譜共享系統中授權信道對次用戶SINR的影響。最後將得出的機會頻譜共享系統中次用戶信道容量用於實際應用設計中。
分析次用戶信號幹擾噪聲比SINR，並以此分析次用戶信道容量與傳統信道容量的不同，確定機會頻譜共享系統中影響次用戶信道容量的主要因素；在機會頻譜共享系統中，次用戶設計其傳輸幀長、檢測時間以及進行效用函數設計時，都需要考慮次用戶信道容量，在設計初期，次用戶需要在帶外進行相應的理論分析，並存儲在表格中，該表格內容隨著授權用戶、授權信道、次用戶移動因素的變化而變化，具體方法為 步驟一在進行參數設計之前，首先進行對主用戶的距離檢測，次用戶檢測距離D，並判斷主次用戶之間的距離，若次用戶在主用戶幹擾距離範圍內，此時，次用戶退出對該主用戶信道的檢測，之後尋找其它授權信道；若次用戶在主用戶幹擾距離範圍外，次用戶繼續進行環境檢測； 步驟二環境檢測，包括檢測在授權信道上傳輸信息時信道的傳輸環境，確定授權信道的衰落特性以及信道的衰落類型； 步驟三進行次用戶發送端對主用戶發送端、接收端以及次用戶接收端位置信息的檢測，同時次用戶通過歷史數據預測或者偵聽主用戶的廣播信息獲得主用戶對授權信道佔用的特性信息β1； 步驟四在獲得以上參數之後，進行理論容量的計算和分析，次用戶計算衰落信道條件下，未發生碰撞時可達到吞吐量的一個平均容量界值，該值的計算是對授權信道衰落特性、主次用戶功率以及位置信息、以及主用戶對授權信道使用特性等信息參數進行綜合分析後得到。該平均容量界值是包含次用戶傳輸幀長等設計參數在內的函數表達式； 步驟五根據平均容量界值表達式，一方面可以在次用戶傳輸參數，如幀長、檢測時間固定的情況下，分析授權信道傳輸特性對次用戶傳輸性能的影響，為次用戶在多個授權信道之間選擇最優信道提供依據；另一方面可以在給定授權信道條件下，優化次用戶的傳輸參數； 步驟六以得到的平均容量界值表達式為效用函數，通過最優化準則獲取所需要的設計參數；如果參數為次用戶傳輸幀長和檢測時間長度，根據最優化準則，以最大化平均容量界值為目標得到所需參數的最優值； 步驟七將結果報告給次用戶發送端和接收端，進行數據的傳輸和同步。
在次用戶理論分析階段，次用戶發送端需要在帶外建立相應的表格存儲信息，並且該信息隨著授權信道衰落特性、主次用戶功率以及位置信息、以及主用戶對授權信道使用特性等信息參數的改變而進行實時更新。
有益效果實驗結果證明，該容量理論融合了影響次用戶傳輸速率和傳輸質量以及次用戶對主用戶幹擾的各種主要因素，為機會頻譜共享系統提供了物理層和MAC層關鍵技術設計的理論分析基礎和依據。
通過下面結合附圖並進行的詳細描述，本發明的上述和其它目的、特點和優點將變得更加清楚，其中； 圖1示出了主次用戶佔用授權信道以及檢測授權信道的幀結構案例。
圖2示出了機會頻譜共享系統中主次用戶位置案例。
圖3示出了本發明容量理論指導實際案例設計的流程圖。
具體實施例方式 首先，這裡定義的術語定義如下 SINR次用戶的信號幹擾噪聲比 γSINR β0主用戶佔用信道的平均持續時間 β1主用戶釋放信道的平均持續時間 t主用戶由佔用信道到釋放信道所用的時間 tt主用戶由釋放信道到佔用信道所用的時間 i次用戶對主用戶的檢測時間 T次用戶的幀長 Ti次用戶i的幀長 P0主用戶在次用戶接收端的接收功率 Ps次用戶在次用戶接收端的接收功率 Pt0主用戶發送端的發送功率 Pts次用戶發送端的發送功率 Pth主用戶接收端可容忍的幹擾功率門限 γth主用戶接收端可容忍的SINR門限 N系統當前次用戶數目 N0AWGN功率 NjSINR電平穿越SINR門限γj的電平交叉率 P概率密度函數 f指數分布函數 B授權信道的信道帶寬 α路徑衰減因子 γc(T，τ，Ps，P0)與主用戶發生碰撞時次用戶的瞬時SINR
與主用戶發生碰撞時次用戶的平均SINR γnc(T，τ，Ps，P0)未與主用戶發生碰撞時次用戶的瞬時SINR
未與主用戶發生碰撞時次用戶的平均SINR
未與主用戶發生碰撞時次用戶可達到吞吐量的平均最低界 fD衰落信道的最大都卜勒頻率
衰落信道的平均SINR rpp主用戶發送端到主用戶接收端的距離 hpp主用戶發送端到主用戶接收端的無線傳輸信道衰落因子 rps主用戶發送端到次用戶接收端的距離 hps主用戶發送端到次用戶接收端的無線傳輸信道衰落因子 rss次用戶發送端到次用戶接收端的距離 hss次用戶發送端到次用戶接收端的無線傳輸信道衰落因子 rsp次用戶發送端到主用戶接收端的距離 hsp次用戶發送端到主用戶接收端的無線傳輸信道衰落因子 D主用戶發送端到次用戶發送端的距離為。
機會頻譜共享系統中認知用戶信道容量理論分析如下 1.主用戶對信道容量的影響 參照圖1，主用戶對授權信道的佔用符合指數開-關流量模型。該模型中主用戶佔用信道，即開的平均持續時間為β0。主用戶不佔用信道，即關的平均持續時間為βi，主用戶由佔用信道到釋放信道所用的時間為t，其服從指數分布。假設次用戶幀長為T，接入授權信道之前i毫秒時間用於對主用戶信道的檢測。當檢測到主用戶不存在時，在T-i時間內傳輸次用戶數據，在傳輸數據過程中，主用戶會隨時出現，此時主次用戶會發生碰撞而使次用戶的數據包完全丟失。幀長T既決定了次用戶傳輸數據長度(次用戶吞吐量)又決定了次用戶對主用戶檢測的頻率(碰撞概率)。在T時間內，當主用戶出現時，次用戶的SINR表示為
因為t服從如下指數分布 此時，發生碰撞時的平均SINR表示為
該SINR對應次用戶在發生碰撞時可達到吞吐量的一個平均容量界值，即
同樣地，在T時間內，主用戶不出現時，次用戶的SINR表示為
tt服從如下指數分布 此時，沒有發生碰撞時的平均SINR表示為
該SINR對應次用戶在未發生碰撞時可達到吞吐量的一個平均容量界值，即
可見，次用戶的SINR以及相應的信道容量是由次用戶傳輸幀長T、檢測時間長度i、次用戶接收端接收到的主用戶功率P0以及次用戶功率Ps共同決定的。
2.授權信道對主用戶的影響 參照圖2，對於主用戶而言，其發送端周圍存在一個由其最大可允許的幹擾功率決定的以主用戶發送端為圓心以dp為半徑的保護區域。對於次用戶而言，其發送端同樣存在一個由其最大可允許的幹擾功率決定的以次用戶發送端為圓心以ds為半徑的保護區域。
若D＜dp+ds，即次用戶發送端進入主用戶的保護區域則對主用戶發送端產生幹擾，另一方面，如果主用戶在次用戶接收端的功率大於次用戶可容忍的範圍，次用戶的傳輸質量也會下降，此時，主次用戶發生碰撞。次用戶接收端接收功率的關係式為 考慮到信道衰落因子，進一步分析次用戶接收端接收到的SINR，得到在T時間內，當主用戶出現時，次用戶的瞬時SINR表示為
此時，發生碰撞時的平均SINR表示為
該SINR對應次用戶在發生碰撞時可達到信道容量的平均容量界值表示為
在T時間內，主用戶不出現時，次用戶的瞬時SINR表示為 此時，沒有發生碰撞時的平均SINR表示為
該SINR對應次用戶在未發生碰撞時可達到吞吐量的一個平均容量界值，即
最終，次用戶在Rayleigh衰落信道條件下，未發生碰撞時可達到吞吐量的一個平均容量界值表示式為
並且，在主用戶接收端存在 下面將參照附圖在這裡描述本發明的優先實施例。在下面的說明書中由於已知功能和結構在不必要的細節使本發明模糊，因此不再描述它們。
參照圖3，本發明在圖2應用環境中理論指導次用戶傳輸策略的具體實施方式
為 步驟310距離檢測。次用戶檢測距離D，並在步驟312中判斷主次用戶發送端之間的距離，若D＜dp+ds，表明次用戶在主用戶幹擾距離範圍內，此時，次用戶退出對該主用戶信道的檢測，在步驟328中尋找其它授權信道。若D≥dp+ds，表明次用戶在主用戶幹擾距離範圍外，進入步驟314。
步驟314環境檢測。次用戶檢測在授權信道上傳輸時信道的傳輸環境，確定授權信道的衰落特性，並進入步驟316 步驟316位置信息檢測。次用戶檢測位置信息，包括rpp、rps、rss、rsp。
步驟318信道佔用狀況檢測。次用戶獲取主用戶佔用信道特性信息βi 步驟320理論容量計算。次用戶計算衰落信道條件下，未發生碰撞時可達到吞吐量的一個平均容量界值。如果次用戶使用授權信道的傳輸特性為Rayleigh衰落信道，則最低界的表達式為
步驟322獲取設計參數。在此，參數為次用戶傳輸幀長。根據優化策略
設計次用戶最優傳輸幀長和檢測時間長度，並將結果在步驟324中報告次用戶發送端和接收端。
步驟310至步驟324為次用戶理論分析階段，在次用戶端可以在帶外建立相應的表格存儲信息，並且該信息在步驟326中實時更新過程，包括對當前授權信道以及其它授權信道的相關信息更新。
權利要求
1.一種機會頻譜共享系統中信道容量分析方法，其特徵在於分析次用戶信號幹擾噪聲比SINR，並以此分析次用戶信道容量與傳統信道容量的不同，確定機會頻譜共享系統中影響次用戶信道容量的主要因素；在機會頻譜共享系統中，次用戶設計其傳輸幀長、檢測時間以及進行效用函數設計時，都需要考慮次用戶信道容量，在設計初期，次用戶需要在帶外進行相應的理論分析，並存儲在表格中，該表格內容隨著授權用戶、授權信道、次用戶移動因素的變化而變化，具體方法為
步驟一在進行參數設計之前，首先進行對主用戶的距離檢測，次用戶檢測距離D，並判斷主次用戶之間的距離，若次用戶在主用戶幹擾距離範圍內，此時，次用戶退出對該主用戶信道的檢測，之後尋找其它授權信道；若次用戶在主用戶幹擾距離範圍外，次用戶繼續進行環境檢測；
步驟二環境檢測，包括檢測在授權信道上傳輸信息時信道的傳輸環境，確定授權信道的衰落特性以及信道的衰落類型；
步驟三進行次用戶發送端對主用戶發送端、接收端以及次用戶接收端位置信息的檢測，同時次用戶通過歷史數據預測或者偵聽主用戶的廣播信息獲得主用戶對授權信道佔用的特性信息β1；
步驟四在獲得以上參數之後，進行理論容量的計算和分析，次用戶計算衰落信道條件下，未發生碰撞時可達到吞吐量的一個平均容量界值，該值的計算是對授權信道衰落特性、主次用戶功率以及位置信息、以及主用戶對授權信道使用特性等信息參數進行綜合分析後得到。該平均容量界值是包含次用戶傳輸幀長等設計參數在內的函數表達式；
步驟五根據平均容量界值表達式，一方面可以在次用戶傳輸參數，如幀長、檢測時間固定的情況下，分析授權信道傳輸特性對次用戶傳輸性能的影響，為次用戶在多個授權信道之間選擇最優信道提供依據；另一方面可以在給定授權信道條件下，優化次用戶的傳輸參數；
步驟六以得到的平均容量界值表達式為效用函數，通過最優化準則獲取所需要的設計參數；如果參數為次用戶傳輸幀長和檢測時間長度，根據最優化準則，以最大化平均容量界值為目標得到所需參數的最優值；
步驟七將結果報告給次用戶發送端和接收端，進行數據的傳輸和同步。
在次用戶理論分析階段，次用戶發送端需要在帶外建立相應的表格存儲信息，並且該信息隨著授權信道衰落特性、主次用戶功率以及位置信息、以及主用戶對授權信道使用特性等信息參數的改變而進行實時更新。
全文摘要
機會頻譜共享系統中信道容量分析方法基本思想是分析次用戶信號幹擾噪聲比(SINR)，並以此分析次用戶信道容量與傳統信道容量的不同，確定機會頻譜共享系統中影響次用戶信道容量的主要因素。分析次用戶信號幹擾噪聲比SINR，並以此分析次用戶信道容量與傳統信道容量的不同，確定機會頻譜共享系統中影響次用戶信道容量的主要因素；在機會頻譜共享系統中，次用戶設計其傳輸幀長、檢測時間以及進行效用函數設計時，都需要考慮次用戶信道容量，在設計初期，次用戶需要在帶外進行相應的理論分析，並存儲在表格中，該表格內容隨著授權用戶、授權信道、次用戶移動因素的變化而變化。為機會頻譜共享系統提供了物理層和MAC層關鍵技術設計的理論分析基礎和依據。
文檔編號H04B7/26GK101765124SQ20101001832
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月13日 優先權日2010年1月13日
發明者孫君, 朱洪波 申請人:南京郵電大學