一種基於多信道機結構的cmr及頻譜分配方法
2023-07-06 04:56:36 4
專利名稱：一種基於多信道機結構的cmr及頻譜分配方法
技術領域：
本發明涉及無線通信中的認知無線電(cognitive radio)和認知無線網絡 (cognitive radio network)領域中的一種網絡形態一認知無線網格網絡，具體而言是一 種集中式場景下的基於多信道機結構的CMR及頻譜分配方法。
背景技術：
在CogMesh網絡中，頻譜處於不斷的變化之中。變化的頻譜分為三種類型靜態、 動態和高度動態(機會的)。靜態頻譜意為主用戶頻段的佔據時間相對靜止。從次級用戶 的角度來看，一旦某頻段可用，其就可以長時間的使用下去。動態的頻譜意為認知無線電可 發現可用頻段，但是，短暫的可用時間嚴重影響了次級用戶的服務質量。機會的頻譜意為主 用戶所佔用的該頻段高度活躍，通斷更替非常頻繁。本發明所考慮的頻譜環境為靜態和動 態。同時，由於次級用戶所處的地理位置不同，其感知到的可用頻譜的質量和數量也 不盡相同，那些主用戶出現概率較低、持續時間較長且信道質量良好的頻段被感知和利用 的機會也就更多。這樣造成的問題是，多個認知節點都在搶佔同一頻段，造成不必要衝突， 增加業務傳輸失敗的概率，對通信系統的效能發揮造成惡劣影響。因此，需要根據信道的質 量以及用戶感知結果綜合進行決策，確定次級用戶使用的頻段。動態頻譜環境要求CMR的MAC協議能夠對頻譜環境的變化做出非常快速的反應， 從而保證業務傳遞的連續性和有效性。反之，則會造成通信時延的增長，並對主用戶的通信 產生不利的影響。本發明從網絡整體優化的角度出發，針對集中式場景當中認知用戶自主行為帶來 網絡性能不高，個別信道衝突加劇，時延增加，網絡吞吐量提升不明顯等問題，提出了由頻 譜分配實體CMR進行網絡頻譜分配統一優化的方法，平衡各個信道的負載，使得網絡中的 所有節點的平均端到端時延得到降低，衝突得以緩解，系統的吞吐量得到提升。端到端通信時延由傳輸時延、傳播時延以及退避時延組成。傳輸時延主要取決於 分組的大小，其是一個相對固定的量。傳播時延取決於地理距離和地理環境，也是一個相對 固定的量。而退避時延則與同一頻段的活躍用戶個數、用戶業務等相關，MAC層對信道的調 度對其具有決定性的影響。按照衝突避免的規定，競爭失敗的用戶將會進行退避，以此來保 證自身和其他相鄰用戶數據流的成功傳輸。退避的用戶將保持靜默。經過一段時間之後， 繼續競爭。如此往復，直至成功。從此可以看出，退避不僅增加了時延，而且從另一方面減 少了節點公平使用信道的機會。
發明內容
本發明的目的是針對目前認知技術在集中式的場景之中，網絡性能較差、用戶退 避時延較長的問題，提出一種基於多信道機結構的CMR及頻譜分配方法，根據可用不同頻 譜資源的容量大小以及各個次級用戶的感知結果，在滿足約束條件的情況下，為用戶指定不同可用頻段，從而使得各個次級用戶的平均退避時延最小。本發明的技術方案是一種基於多信道機結構的CMR，即無線網格網絡骨幹節點，多跳無線互聯構成骨幹 網絡，負責次級網格網絡節點SMC (Second mesh client)的接入；它由M+2個信道機、主棧、 頻譜感知模塊、頻譜融合模塊、頻譜環境學習模塊、次級用戶信息管理模塊和頻譜分配模塊 組成；無線網格網絡骨幹節點CMR中各信道機的對應收發信號端均與主棧的對應信號端相 連，主棧與頻譜感知模塊、頻譜融合模塊、頻譜環境學習模塊、次級用戶信息管理模塊和頻 譜分配模塊的對應收發信號端相連；M+2個信道機中，M個信道機負責與本小區內的所有次級網格網絡用戶 SMC (Second mesh client)即次級用戶進行通信；其餘的2個信道機一個工作在公共控制 信道CCC (common control Channel)上的控制信道機，負責與SMC以及其他CMR進行信令 交互，另一個與其他CMR進行數據交互，完成骨幹網絡互聯；主棧，存儲各個信道機接收到的信息，並為各個信道機的發送通道維持獨立的緩 存；主棧中經過處理的信息會由頻譜分配模塊直接對應到相應的信道機緩存當中；頻譜感知模塊，依託各個信道機接收的感知信息進行頻譜感知，所感知到的頻譜 空洞與各SMC所感知到的結果進行融合判斷，得到最終的感知結果；頻譜融合模塊，以頻譜感知模塊和各個SMC的感知結果作為輸入，結合融合方法， 判斷出各個頻段的可用性；頻譜環境學習模塊，將歷史信息、先驗信息和當前信息進行結合，以此來決定或者 預測出可用信道及其可用時間、可用時段；同時，該模塊判斷頻譜環境的變化程度屬於靜 態、動態或機會的三種狀態中的其中一種；次級用戶信息管理模塊，對多種類型的次級用戶信息進行管理，包括次級用戶的 地理位置信息、頻譜感知信息、使用頻譜的記錄、通信的時間點和持續時長、CMR選擇頻譜 的信息，各個節點的入網時間和在網時間及其它體現網絡環境變化的指標；該模塊將上述 信息進行歸納存儲，供主用戶和次級用戶進行查詢，同時作為頻譜環境學習模塊的輸入條 件；頻譜分配模塊，依據頻譜分配方法SASMS(Spectrum Allocation SchemeUnder Multi-transceiver Structure)得到的頻譜分配決策結果下發到各個信道機，並完成相應 的硬體模塊配置。本發明的頻譜融合模塊可為獨立模塊，也可集成在頻譜感知模塊中。本發明的骨幹網絡是由CMR所構成，骨幹網絡互聯信道機負責將處於不同的地理 區域的CMR通過無線方式進行互聯，是專門用於CMR間進行數據交互的信道機。一種基於所述的基於多信道機結構的無線網格網絡骨幹節點CMR的頻譜分配方 法，即SASMS方法，它包括以下步驟步驟一當SMC欲加入CMR，退出CMR，或由CMR通過頻譜感知模塊和頻譜融合與決 策模塊聯合確定PC (主用戶到來)條件或⑶(信道質量惡化)條件或DY (頻譜環境呈現動 態化狀態)條件為真時，即成為狀態跳轉的條件觸發信息；當有SMC欲加入CMR時，即處於觸發條件SMC加入(In)時，首先SMC通過工 作於控制信道的信道機向CMR發出加入請求，同時上傳其感知結果，即頻譜機會集合SOP (Spectrum opportunity)至CMR ；CMR在接收到SMC向其發出的請求以及SMC上傳的感 知結果SOP後，轉入待分配狀態，進入步驟二 ；當檢測到PC或CD或DY為真時，即處於觸發條件，則轉入步驟四；當檢測到SMC工作結束，即處於觸發條件SMC的退出(Out)時，需要釋放信道資 源時，CMR轉入B狀態，進入步驟三；步驟二 CMR首先將該SMC的S0P集合與各信道機所工作的頻段做交集，如有重 合，即處於觸發條件頻段重合條件滿足(CS)，則轉入B狀態，進入步驟三；否則，即處於觸 發條件頻段重合條件不滿足(CUS)，轉入A和C的聯合狀態，進入步驟四；步驟三執行B方法，CMR為該SMC指定到具有最小n值的信道機，即計算出該 SMC可以使用的信道，如果此時所得分配結果將會使得頻段所承載的用戶過多，不再能夠滿 足用戶的QoS (服務質量)要求，即處於觸發條件信道質量下降(QU)，則轉入A和C的聯 合狀態，進入步驟四；如果仍然沒有超出以上預計的QoS要求水平，則轉入步驟一；步驟四依次執行A方法和C方法，而後將分配結果通過控制信道機廣播給所有 SMC，轉入步驟一，進入穩定狀態；A 方法A方法為CMR的各個信道機指定所用的信道，步驟一它以各個SMC所感知到的可用信道集合，即頻譜機會集合SOP (Spectrum opportunity)作為輸入；令D = (d^^K, dij = 1代表第i個SMC可以使用第j個信道，屯=0代表第i個 SMC不可以使用第j個信道；其中N是SMC的數量、K是網絡中可以使用的信道數目，D實 際上是各個用戶可用信道的矩陣。表示所有可以使用第j個信道的SMC的個數；步驟二 對信道j進行量化，& =Q值所代表的含義是每個SMC可以分到信道資源的比例，示= …，巧，巧)代表 SMC對每個信道的評價，採用信道帶寬作為此評價的估計值，雲在信道感知過程中獲得，表示 使用對應信道用戶的個數；步驟三對上述參數採用如下公式進行計算，得到CMR可用信道與次級用戶對應 的矩陣叉min Z(X) = max(g. *X)~ mm{Q. * X)
Ksi. I^y-Xj >1 i = \』2』"-NXj G {0，1} j = 1,2, ...K又是一個包含M個1和K-M個0的向量，1表示選擇當前信道，0表示不選擇；B 方法CMR統計每個信道機的n值，n值代表了每個信道機的業務負載等級；在靜態的
頻譜環境中，CMR為該SMC指定到具有最小n值的信道機計算出該SMC可以使用的信道 ATb7 = —ATb和ATi為各信道機的累積工作時間和累積空閒時間，ATb和ATi均由CMR中的 認知信息管理模塊進行採集；
C 方法C方法以A方法的結果CMR可用信道與次級用戶對應的矩陣？作為輸入，是一個 MXN的矩陣，其中M是CMR與SMC進行通信所使用的信道機的個數，N是SMC的數量，代表 著各個CMR可以服務的SMC，採用如下公式進行計算，得到優化後的分配結果^，即各SMC可 以使用的信道 XiJ G {0,1} j = 1,2, ...，M其中…=《表示第i個用戶使用第j個頻段的代價，Wij表示第i個用戶使
用第j個信道的最小資源需求即帶寬。本發明涉及五個狀態穩定狀態、待分配狀態、非平衡狀態、B狀態、A和C聯合狀 態；穩定狀態是指CMR所管轄範圍內的所有用戶均工作在相應的頻段上，且不同頻段 的業務量處於相對平衡狀態，也即等同於各個SMC的平均分組傳遞時延最小化，此狀態為 本發明的起始狀態；待分配狀態是指當一個新的SMC欲加入CMR時，已通過控制信道機向CMR提出了 申請後，還未得到可以使用的信道前的狀態；非平衡狀態是指在SMC完成業務傳輸退出了 CMR為其提供的當前信道後，CMR的 各個信道機處於一個不平衡的狀態；B狀態是指執行方法B的狀態；A和C聯合狀態是指依次執行方法A和C的狀態；同時，不同狀態間的跳轉同樣涉及到八個觸發條件SMC的加入(In)、SMC的退出 (Out)、主用戶的到來(PC)、信道質量惡化(CD)以及動態的頻譜環境(DY)，信道衝突將會加 劇，信道質量下降(QU)，頻段重合條件滿足(CS)，頻段重合條件不滿足(CUS)。本發明的有益效果本發明將頻譜分配實體和次級用戶間的分配過程進行聯合設計，明確了分配細 節。本發明所分配的結果能夠使得所有次級用戶在時延性能方面達到平均最小化，增 加次級用戶利用頻譜資源的機會，提高業務傳輸質量，提升網絡性能。本發明能夠適應慢變和快變的頻譜環境，能夠根據各個信道機負載的不均衡以及 信道質量的變化做出狀態的跳轉變化。
圖1為CMR的結構示意圖。圖2為本發明的狀態轉移圖。圖3為實施例中B方法的示意圖。
圖4為不同節點數情況下本發明與基於用戶平均的頻譜分配方法BUSA在退避時 延和端到端時延方面的對比圖。圖5為不同節點數情況下本發明與BUSA在系統吞吐量方面的對比圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。本發明涉及五個狀態穩定狀態、非平衡狀態、B狀態、A和C聯合狀態。穩定狀態是指CMR所管轄範圍內的所有用戶均工作在相應的頻段上，且不同頻段 的業務量處於相對平衡狀態，也即等同於各個SMC的平均分組傳遞時延最小化。此狀態為 本發明的起始狀態。非平衡狀態是指在SMC完成業務傳輸退出了 CMR為其提供的當前信道後，CMR的 各個信道機處於一個不平衡的狀態。B狀態是指執行方法B的狀態。A和C聯合狀態是指執行方法A和C的狀態。同時，不同狀態間的跳轉同樣涉及到八個觸發條件SMC的加入(In)、SMC的退出 (Out)、主用戶的到來(PC)、信道質量惡化(CD)以及動態的頻譜環境(DY)，信道衝突將會加 劇，質量下降(QU)，條件滿足(CS)，條件不滿足(CUS)。本發明的分配方法包括如下步驟步驟一 SMC欲加入CMR時，首先通過控制信道機向CMR發出加入請求，同時上傳 其感知結果。CMR在接收到SMC向其發出的請求以及上傳其SOP後，轉入待分配狀態，進入 步驟二。如果一旦檢測到PC或⑶或DY為真，則轉入步驟四。當SMC工作結束，需要釋放 信道資源時，CMR轉入B狀態，進入步驟三。步驟二 CMR首先將該SMC的SOP集合與各信道機所工作的頻段做交集，如有重合 (CS)，則轉入B狀態，進入步驟三。否則，轉入A和C的聯合狀態，進入步驟四。步驟三執行B方法，計算出該SMC可以使用的信道。如果此時所得分配結果將會 使得頻段所承載的用戶過多，不再能夠滿足用戶的QoS要求，則轉入A和C的聯合狀態，進 入步驟四。如果仍然沒有超出以上預計的QoS要求水平，則轉入步驟一。步驟四執行A方法和C方法。而後將分配結果通過控制信道機廣播給所有SMC， 轉入步驟一，進入穩定狀態。其中，步驟一至四所涉及的CMR硬體結構及功能模塊如下如前所述，本發明建立在多信道機結構的基礎之上。多信道機結構可以通過硬體 結構的增加換取性能的提升。同時，多信道機結構還可以通過對多個不同信道的同時利用 增加信道的使用率以及提高節點業務傳遞的可靠性。在CogMesh網絡中，CMR處於接入點 位置，但不僅僅發揮接入點功能，同時其還負責感知、融合、學習、分配、管理拓撲等多個適 應認知無線網絡的功能。多個信道機的結構有利於節點資源的預留，為其進行信道切換提 供預備。CMR共有M+2個信道機，其中一個工作在公共控制信道CCC (commoncontro 1 Channel)上負責和SMC以及其他CMR進行信息交互。此外，另有一個負責骨幹網絡連接， 與其他CMR進行數據傳遞的信道機。其餘的M個信道機負責與本小區內的所有SMC進行通信。CMR保留了 MR(mesh router)的接入點功能，以負責為用戶提供接入網絡的服務。但 是，CMR的特殊性不僅僅體現在其AP功能之上，更體現在其5個特殊模塊的設計上。頻譜感知模塊。頻譜感知模塊是CMR作出所有決策的基礎。其感知能力決定了信 道的可用性。CMR可以依託各個具備頻率捷變的信道機進行頻譜感知，所感知到的頻譜空洞 與各個SMC所感知到的結果進行融合判斷，得到最為準確的感知結果。頻譜融合模塊。頻譜融合模塊以頻譜感知模塊和各個SMC的感知結果作為輸入， 結合融合方法，判斷出各個頻段的可用性。該模塊可集成在頻譜感知模塊。頻譜環境學習模塊。頻譜環境學習模塊將歷史信息、先驗信息和當前信息進行結 合，以此來及時地決定或者預測出哪些信道可用、什麼時候可用、可以用多長時間。同時，該 模塊還可以區分頻譜環境的變化程度靜態、動態或機會的。認知信息管理模塊。認知信息包括次級用戶的地理位置信息、頻譜感知信息、使 用頻譜的記錄、通信的時間點和持續時長、CMR選擇頻譜的信息，網絡間各個節點在網絡中 的加入時間和生存時間，體現網絡環境變化的各種指標等等。該模塊將這些信息進行歸納 存儲，方便認知節點進行查詢，同時作為頻譜環境學習模塊的輸入條件。頻譜分配模塊。頻譜分配模塊負責將經過SASMS方法得出的分配結果與各個信道 機進行匹配。該模塊能夠直接配置硬體模塊的各個參數，使其能夠適應頻譜的快速變化。CMR維持一個主棧，負責存儲來自各個信道機的輸入信息，統一調度，集中處理。同 時還要在各個信道機端維持一個緩存，負責各個信道機端的信息收發。主棧中經過處理的 信息會由頻譜分配模塊直接對應到相應的信道機緩存當中。每個信道機還可以同時配備多 種接入模式，此模式的確定完全取決於當前頻譜環境的變化以及網絡需要。步驟四所涉及A方法的詳細內容如下方法A的目標是為CMR的各個信道機指定所用的信道。它以各個SMC所感知到的 可用信道集合作為輸入。令D= (、),> 』知=1或0代表第i個SMC可以或不可以使用 第j個信道。因此，就表示所有可以使用第j個信道的SMC的個數。&的值越大， 說明感知到第j個信道可用的SMC的用戶數越多，也就表明第j個信道的質量和受關注的 程度越大，等同於信道j被使用的機率越大。但是，如果為這些能夠使用第j個信道的所有 SMC都指定使用該信道，則衝突將會加劇致使SMC利用信道的機率降低，也就違反了初衷。 因此，信道j應首先被量化，本發明採用下式進行量化g = J萊=(%，％，…，代表對每個信道的評價，此評價作為反應信道質量的關鍵 參量，可以根據使用場景的不同，進行相應設計，本發明中將採用帶寬作為其估計值。本發明認為所選擇出的M個信道應當含有最為平均的Q值。Q值所代表的含義是 每個SMC可以分到信道資源的比例，此比例越高，SMC獲得資源使用權就越大，反之，則越 小。各個信道的Q值越平均，也就意味著每個SMC所能夠最終獲得的信道資源越平均，也就 等同於其總體越優。因此，以上問題被建模為min Z(X) = max(g. *X)~ min(g. * X)
si.tdy-Xj^l i =
；Xj G {0，1} j = 1,2, ...K又是一個包含M個1和K-M個0的向量，1表示選擇當前信道，0表示不選擇。此問 題實際上是一個典型的集覆蓋問題(set-covering problem)，本發明採用0-1線性整數規 劃的方法進行求解。步驟三所涉及B方法的詳細內容如下B方法的觸發條件是由於SMC的退出而造成的CMR各信道機的業務負載不均衡。 如圖3所示，信道機I和II在t時刻各有4個SMC，在t+1時刻，信道機II的用戶B和C由 於業務的結束退出了信道機II所在的頻段。此時，在t+1時刻，信道機I和II的負載出現 了不平衡現象。CMR啟動B方法，在t+2時刻將原先在信道機I中工作的A用戶重新分配到 信道機II中，此時，信道機I和II又一次達到了平衡，在這個過程當中，SMC A的可用信道 集合當中必須含有信道機II當前工作的信道。B方法的優勢在於，只針對個別用戶進行小範圍調整，而不會影響到其他用戶的正
常工作。在該方法當中，CMR應當統計每個信道機的n值，n值代表了每個信道機的業務 負載等級。在靜態的頻譜環境中，當一個新的SMC加入CMR時，CMR將為其指定一個可用的 信道。另一方面，當一個SMC退出CMR時，CMR為了保證各個信道機業務負載量的均衡，則 需要對個別用戶進行調整。此時，調整的依據是，CMR將為該SMC指定到具有最小n值的 信道機。n =ATb和ATi為累積工作時間和累積空閒時間。這兩個值的計算由CMR完成。步驟四所涉及C方法詳細內容如下C方法以A方法的結果作為輸入。C方法的輸入結果是一個MXN的矩陣，代表著 各個CMR可以服務的SMC。由於SMC在加入CMR前的感知結果的多樣性，會出現一個SMC可 以使用多個信道機信道的情況。在本發明中，這種情況不被允許，原因如下SMC可用信道的多樣性雖然可以保證其接入選擇的多樣性，但同時會造成信道機 端性能的不可控。即使在SMC端設計了相應的選擇機制，也會使得SMC在接入時產生更多 的控制信息交互，不利於信息傳遞效率的提升。所以，C方法需要完成的工作是根據A方法的選擇結果，為SMC進一步明確指定其 可以使用的一個信道，同時滿足各個信道機端的業務負載均衡，保證每個SMC的性能。此問 題可以建模為
N Mmin IZ
i=l 7 = 1sx. Ilx,J-w0 <Wj
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7=1Xij ^ {0,1} j = 1，2，…，M其中為=！^/「表示第i個用戶使用第j個頻段的代價。、表示第i個用戶使用第j個信道的最小資源需求。如前分析，％與信道質量密切相關。此問題實際上是一個 多背包選擇問題(multi-choice knapsack problem)，同樣，本發明採用0_1線性整數規劃 方法進行求解。具體實施時本發明的核心思想是，根據信道機所利用的信道質量不同，以平衡各個信道機負 載為出發點，以降低各個次級用戶的退避時延，增加各個次級用戶利用信道機會為落腳點， 設計了基於多信道機結構的頻譜分配機制。該機制共包含三種分配策略，分別適用於CMR 上各個信道機的頻譜資源分配以及SMC的頻譜資源分配。其具體實施方式
如下如前所述，本發明所設計機制起始於穩定狀態。此時，CMR的各個信道機所用信道 確定，且對於覆蓋範圍之內的所有SMC的信道感知情況十分明確。在一個半徑為100米的圓形區域內，CMR位於圓心，其信號覆蓋範圍為100米。CMR 共具備6個信道機，其中的4個與SMC進行通信，另外2個為控制信道機和專為CMR間的通 信服務。在此區域內共有6個主用戶，10個可用信道，分別標號1-10，帶寬為10-100kHZ。同 時，該區域內共有20個次級用戶，隨機散落在該區域內，根據所處位置不同感知可用信道， 發射功率為0. 2w0所有的次級用戶均需要和CMR進行一次通信，傳輸100*1024byteS數據。 同時，該區域內隨機散落6個主用戶，其保護半徑為50米，滿足泊松分布。系統仿真時間為 10秒。步驟一各個SMC感知可用信道集合，即SOP (Spectrum Opportunity)，如下表所
不 步驟二 在SMC獲取其SOP後，將通過控制信道機將自身的感知結果告知CMR。由 此，在CMR處將會形成矩陣Dc 步驟三後續的分配目標包括兩個方面首先，為CMR的4個信道機指定4個不同 的信道，滿足A方法的約束。其次，為SMC指定一個可用信道，使得所分配的結果滿足C方 法的約束。在執行A方法過程之中，R:11，16，20，20，19，20，20，20，20，11Q909. 1，1250，1500，2000，2631. 6，3000，3500，4000，4500，9090.9
經A方法優化後，得到結果，也即分配得到的CMR可用的信道編號, X:3，4，6，7
進而得到後續的分配矩陣 Q = 0. 2*ones(4，20)
Ones為全1矩陣，經過C方法的優化，得到分配結果。 以上為節點數為20時的分配過程。當獲得此分配結果後，SMC將使用相應信道進 行通信。為了便於體現本發明在性能上的優勢，將對不同節點數情況下的單個節點的平均 退避時延、端到端時延以及系統吞吐量與BUSA方法進行比較。通過對比可以發現，本發明 圖4、5中，以上三個指標上均較BUSA方法有提升。在吞吐量的對比分析當中，網絡中節點數為30時，吞吐量有所增加，但隨著節點 數的繼續增加，吞吐量下降。這主要是由於節點數目的增多使得節點數利用信道機會的降 低所致。同時，考慮到頻譜特徵的SASMS方法使得吞吐量在節點數量增加的同時，吞吐量的 降低幅度低於BUSA方法，保證了每個用戶公平使用信道資源的機會。本發明未涉及部分均與現有技術相同或可採用現有技術加以實現。
權利要求
一種基於多信道機結構的CMR，即無線網格網絡骨幹節點，多跳無線互聯構成骨幹網絡，負責次級網格網絡節點SMC(Second mesh client)的接入；其特徵是它由M+2個信道機、主棧、頻譜感知模塊、頻譜融合模塊、頻譜環境學習模塊、次級用戶信息管理模塊和頻譜分配模塊組成；無線網格網絡骨幹節點CMR中各信道機的對應收發信號端均與主棧的對應信號端相連，主棧與頻譜感知模塊、頻譜融合模塊、頻譜環境學習模塊、次級用戶信息管理模塊和頻譜分配模塊的對應收發信號端相連；M+2個信道機中，M個信道機負責與本小區內的所有次級網格網絡用戶SMC(Second mesh client)即次級用戶進行通信；其餘的2個信道機一個工作在公共控制信道CCC(common control Channel)上的控制信道機，負責與SMC以及其他CMR進行信令交互，另一個與其他CMR進行數據交互，完成骨幹網絡互聯；主棧，存儲各個信道機接收到的信息，並為各個信道機的發送通道維持獨立的緩存；主棧中經過處理的信息會由頻譜分配模塊直接對應到相應的信道機緩存當中；頻譜感知模塊，依託各個信道機接收的感知信息進行頻譜感知，所感知到的頻譜空洞與各SMC所感知到的結果進行融合判斷，得到最終的感知結果；頻譜融合模塊，以頻譜感知模塊和各個SMC的感知結果作為輸入，結合融合方法，判斷出各個頻段的可用性；頻譜環境學習模塊，將歷史信息、先驗信息和當前信息進行結合，以此來決定或者預測出可用信道及其可用時間、可用時段；同時，該模塊判斷頻譜環境的變化程度屬於靜態、動態或機會的三種狀態中的其中一種；次級用戶信息管理模塊，對多種類型的次級用戶信息進行管理，包括次級用戶的地理位置信息、頻譜感知信息、使用頻譜的記錄、通信的時間點和持續時長、CMR選擇頻譜的信息，各個節點的入網時間和在網時間及其它體現網絡環境變化的指標；該模塊將上述信息進行歸納存儲，供主用戶和次級用戶進行查詢，同時作為頻譜環境學習模塊的輸入條件；頻譜分配模塊，依據頻譜分配方法SASMS(Spectrum Allocation SchemeUnder Multi-transceiver Structure)得到的頻譜分配決策結果下發到各個信道機，並完成相應的硬體模塊配置。
2.根據權利要求1所述的基於多信道機結構的CMR，其特徵是所述的頻譜融合模塊可 為獨立模塊，也可集成在頻譜感知模塊中。
3.根據權利要求1所述的基於多信道機結構的CMR，其特徵是所述的骨幹網絡是由CMR 所構成，骨幹網絡互聯信道機負責將處於不同的地理區域的CMR通過無線方式進行互聯， 是專門用於CMR間進行數據交互的信道機。
4.一種基於權利要求1所述的基於多信道機結構的CMR的頻譜分配方法，即SASMS方 法，其特徵是它包括以下步驟步驟一當SMC欲加入CMR，退出CMR，或由CMR通過頻譜感知模塊和頻譜融合與決策模 塊聯合確定PC (主用戶到來)條件或⑶(信道質量惡化)條件或DY (頻譜環境呈現動態化 狀態)條件為真時，即成為狀態跳轉的條件觸發信息；當有SMC欲加入CMR時，即處於觸發條件SMC加入(In)時，首先SMC通過工作於控制 信道的信道機向CMR發出加入請求，同時上傳其感知結果，即頻譜機會集合S0P(SpectrUm opportunity)至CMR ；CMR在接收到SMC向其發出的請求以及SMC上傳的感知結果SOP後，轉入待分配狀態，進入步驟二 ；當檢測到PC或CD或DY為真時，即處於觸發條件，則轉入步驟四； 當檢測到SMC工作結束，即處於觸發條件SMC的退出(Out)時，需要釋放信道資源時， CMR轉入B狀態，進入步驟三；步驟二 CMR首先將該SMC的SOP集合與各信道機所工作的頻段做交集，如有重合，即 處於觸發條件頻段重合條件滿足(CS)，則轉入B狀態，進入步驟三；否則，即處於觸發條 件頻段重合條件不滿足(CUS)，轉入A和C的聯合狀態，進入步驟四；步驟三執行B方法，CMR為該SMC指定到具有最小η值的信道機，即計算出該SMC可 以使用的信道，如果此時所得分配結果將會使得頻段所承載的用戶過多，不再能夠滿足用 戶的QoS (服務質量)要求，即處於觸發條件信道質量下降(QU)，則轉入A和C的聯合狀 態，進入步驟四；如果仍然沒有超出以上預計的QoS要求水平，則轉入步驟一；步驟四依次執行A方法和C方法，而後將分配結果通過控制信道機廣播給所有SMC， 轉入步驟一，進入穩定狀態； 4. IA方法A方法為CMR的各個信道機指定所用的信道，步驟一它以各個SMC所感知到的可用信道集合，即頻譜機會集合SOP (Spectrum opportunity)作為輸入；令D = (Clij) NXK，Clij = 1代表第i個SMC可以使用第j個信道，Clij = O代表第i個SMC 不可以使用第j個信道；其中N是SMC的數量、K是網絡中可以使用的信道數目，D實際上 是各個用戶可用信道的矩陣。二表示所有可以使用第j個信道的SMC的個數；步驟二 對信道j進行量化j = 5RQ值所代表的含義是每個SMC可以分到信道資源的比例，示=(I %，···，％， )代表SMC對每個信道的評價，採用信道帶寬作為此評價的估計值，X在信道感知過程中獲得，表示使用 對應信道用戶的個數；步驟三對上述參數採用如下公式進行計算，得到CMR可用信道與次級用戶對應的矩陣？min Z(X) = max(|g. *X)~ mm{Q. * Χ) si. Iidij-Xj >1 i = \,2,.-.N7=1Xj e {0,1} j = 1,2, ...KZ是一個包含M個1和K-M個O的向量，1表示選擇當前信道，O表示不選擇； 4. 2B方法CMR統計每個信道機的η值，η值代表了每個信道機的業務負載等級；在靜態的頻譜環境中，CMR為該SMC指定到具有最小η值的信道機計算出該SMC可以使用的信道ATb η = ~b-ATiATb和ATi為各信道機的累積工作時間和累積空閒時間，ATb和ATi均由CMR中的認知 信息管理模塊進行採集； 4. 3C方法C方法以A方法的結果CMR可用信道與次級用戶對應的矩陣文作為輸入，是一個MXN 的矩陣，其中M是CMR與SMC進行通信所使用的信道機的個數，N是SMC的數量，代表著各 個CMR可以服務的SMC，採用如下公式進行計算，得到優化後的分配結果^，即各SMC可以使 用的信道 其中，而= U1!id,新厲i個用戶使用第j個頻段的代價，wu表示第i個用戶使用第 j個信道的最小資源需求即帶寬。
5.根據權利要求4所述的頻譜分配方法，其特徵是本方法涉及五個狀態穩定狀態、待 分配狀態、非平衡狀態、B狀態、A和C聯合狀態；穩定狀態是指CMR所管轄範圍內的所有用戶均工作在相應的頻段上，且不同頻段的業 務量處於相對平衡狀態，也即等同於各個SMC的平均分組傳遞時延最小化，此狀態為本發 明的起始狀態；待分配狀態是指當一個新的SMC欲加入CMR時，已通過控制信道機向CMR提出了申請 後，還未得到可以使用的信道前的狀態；非平衡狀態是指在SMC完成業務傳輸退出了 CMR為其提供的當前信道後，CMR的各個 信道機處於一個不平衡的狀態； B狀態是指執行方法B的狀態； A和C聯合狀態是指依次執行方法A和C的狀態；同時，不同狀態間的跳轉同樣涉及到八個觸發條件SMC的加入(In)、SMC的退出 (Out)、主用戶的到來(PC)、信道質量惡化(CD)以及動態的頻譜環境(DY)，信道衝突將會加 劇，信道質量下降(QU)，頻段重合條件滿足(CS)，頻段重合條件不滿足(CUS)。
全文摘要
一種基於多信道機結構的CMR及頻譜分配方法，主要包含三方面內容明確了具有多信道機的功能和實體構成；根據頻譜分配場景提出了頻譜分配優化方法；結合多信道機結構的頻譜分配實體，提出了能夠同時利用多個頻段的頻譜分配機制。同時設計了該機制在不同頻譜環境下的狀態轉移圖，保證次級用戶能夠及時有效地獲得可用頻譜，提升次級用戶個體和認知網絡性能。
文檔編號H04W16/10GK101883364SQ20101020718
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月23日 優先權日2010年6月23日
發明者向嘯田, 吳啟暉, 張玉明, 王金龍, 龔玉萍 申請人:中國人民解放軍理工大學