信道中心系統及利用信道中心策略實現信道分配的方法
2023-04-27 10:39:31
信道中心系統及利用信道中心策略實現信道分配的方法
【專利摘要】本發明公開了一種信道中心系統及利用信道中心策略實現信道分配的方法。系統包括管理層、服務層、信道中心和用戶群，信道分配方法為：用戶分級；信道中心根據用戶等級來確定是否將空閒的一級用戶信道分配給非授權用戶；信道中心存儲並管理信道狀態信息，規劃用戶等級，管理非授權用戶的信道借用行為，同時提供信道借貸情況的查詢；利用基於馬爾科夫鏈的單元式模型建立在信道中心管理下的多用戶多信道認知無線電網絡，通過遺傳算法優化信道分配。本發明基於信道中心對信道信息和用戶信息進行綜合管理，在多用戶多信道的認知無線電網絡中可以有效防止非授權用戶伺機惡意佔用信道的情況，並在此基礎上實現信道的最優分配，獲得總吞吐量的最大化。
【專利說明】信道中心系統及利用信道中心策略實現信道分配的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及認知無線電網絡中信道分配【技術領域】，具體涉及信道中心系統及利用信道中心策略實現多用戶多信道認知無線網絡中信道合理分配的方法。
【背景技術】
[0002]頻譜資源是一個有限的資源，但若為了保證用戶不受幹擾地使用頻譜資源，使用固定頻譜接入的方法，則會造成頻譜使用效率低下的問題。而認知無線電就是用來解決這一問題的技術，使用動態頻譜接入的方法，充分使用稀缺的頻譜資源。在2003年十月，TheUnited States Federal Communicat1ns Commiss1n(FCC)接收了提議，搜集對認知無線電系統的使用和應用開發的意見，這引發了人們對認知無線電研究的熱潮。目前，諸如頻譜感知、智能學習、動態頻譜分配、頻譜共享等方面有已很多的研究。但直到今天，認知無線電方面仍然有很多問題待解決，如是否需要公共控制信道的問題，聯合頻譜感知和接入問題，合理構建機會經濟模型問題，和認知無線電網絡的架構實現。
[0003]然而引入動態頻譜接入的方法會產生了信道使用是否合理的問題，如非授權用戶惡意佔用信道的行為嚴重影響授權用戶的權益，所以需要建立合理的獎懲措施規範信道的使用，不僅僅只是追求用戶吞吐量的最大化，而是要在合理滿足各用戶權益的情況下獲得吞吐量的最大化。
【發明內容】
[0004]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種信道中心系統及利用信道中心策略實現多用戶多信道認知無線網絡中信道合理分配的方法。
[0005]技術方案:本發明所述的信道中心系統，包括管理層、服務層、信道中心和用戶群；用戶群由一級用戶、二級用戶和三級用戶組成，通過信道中心向服務層發送信息，伺服器和管理層相連、共同處理接收到的信息；服務層接收舉報信息，提供用戶註冊，存儲信號通道狀態信息和更新空閒信號通道，管理層審核服務層接收的舉報信息，規劃用戶等級和執行信號通道分配。
[0006]所述服務層和管理層可依附於基站或者認知無線網絡主要節點建立，所述服務層提供給用戶群的服務有:用戶註冊、空閒信道信息更新、信道借用和信道借貸情況查詢，信道借貸情況查詢可供用戶對常用信道進行分析，並對信號中心系統進行優化；所述管理層提供給用戶群的服務有:用戶信息維護、用戶等級管理、用戶增加、信道信息管理和處理舉報信息。
[0007]基於以上系統，利用信道中心策略實現多用戶多信道認知無線網絡中信道合理分配的方法，包括以下步驟:
[0008](I)服務層接收註冊申請並由管理層進行分級:一級用戶為授權用戶、享有一級用戶信號通道，二級用戶為非授權用戶、可以接入空閒的一級用戶信號通道，三級用戶只能接入未被劃分授權的信號通道；
[0009](2)服務層接收一級用戶發送的空閒信道提供或取消信號，在空閒信道列表中添加或刪除信道狀態信息，若接收的信號為空閒信道取消信號，則發送取消該信道借用信號;
[0010](3)服務層接收用戶群發送的信號通道借用信號，管理層根據用戶等級和當前空閒信道信息來確定如何分配信號通道；
[0011](4) 一級用戶向服務層發送空閒信道取消信號後，服務層向正在使用該空閒信道的二級用戶發送暫停使用信號，若一級用戶發現在發送空閒信道取消信號後，自己的一級用戶信號通道仍被長時間佔用即可向服務層舉報，管理層接收服務層的舉報信息，並核實，對確實存在長時間佔用一級用戶信號通道的二級用戶做將為三級用戶處理；
[0012](5) 一級用戶或二級用戶成功接入信號，服務層存儲信道狀態信息、更新空閒信道信息並提供信道借貸情況的查詢。
[0013]所述步驟(1)中的用戶分級是根據信道中心存儲的信道借貸的歷史情況而實現的，對存有惡意佔用信道情況記錄的二級用戶降級為三級用戶。
[0014]所述步驟(3)中服務層接收一級用戶發送的空閒信道提供信息，並將空閒信道分配給請求借用信號通道的二級用戶，三級用戶即使請求也無法借用此空閒信道。所述步驟
(3)中利用馬爾科夫鏈相關知識建立多用戶多信道認知無線網絡單元式模型，簡化多用戶多信道情況下認知無線電網絡的分析複雜度，並利用遺傳算法進行信道分配的最優化。所述多用戶多信道認知無線網絡單元式模型可以視為在單用戶多信道單元式模型的基礎上增加用戶，單用戶多信道單元式模型的三態轉換圖包括三種狀態:數據傳輸、信道感知和信道切換，信道感知狀態是用於感知當前需要接入的信道是否空閒，如果空閒則進入數據傳輸狀態，否則進入信道切換狀態，等待分配其他信道。
[0015]對於用戶m來說，<表示從信道η的信道感知狀態轉換到數據傳輸狀態的概率，r:表示信道切換分配新信道η給用戶的m的概率，,和π _分別表示用戶m在信道感知，數據傳輸和信道切換三個狀態的極限概率，信道接入時，還需要考慮用戶m需要傳輸數據的概率a m和信道η的空閒概率β η ；
[0016]所有用戶根據位置自組成不同的用戶群，每一個用戶群都有自己的信道中心分支。分析某一信道中心，擁有N條信道，根據馬爾科夫模型的狀態轉換關係，針對用戶的三種狀態可以得到一組狀態轉換方程:
【權利要求】
1.一種信道中心系統，其特徵在於:包括管理層、服務層、信道中心和用戶群；用戶群由一級用戶、二級用戶和三級用戶組成，通過信道中心向服務層發送信息，伺服器和管理層相連、共同處理接收到的信息；服務層接收舉報信息，提供用戶註冊，存儲信號通道狀態信息和更新空閒信號通道，管理層審核服務層接收的舉報信息，規劃用戶等級和執行信號通道分配。
2.根據權利要求1所述的信道中心系統，其特徵在於:所述服務層和管理層可依附於基站或者認知無線網絡主要節點建立，所述服務層提供給用戶群的服務有:用戶註冊、空閒信道信息更新、信道借用和信道借貸情況查詢，信道借貸情況查詢可供用戶對常用信道進行分析，並對信號中心系統進行優化；所述管理層提供給用戶群的服務有:用戶信息維護、用戶等級管理、用戶增加、信道信息管理和處理舉報信息。
3.一種利用信道中心策略實現多用戶多信道認知無線網絡中信道合理分配的方法，其特徵在於，包括如下步驟: (1)服務層接收註冊申請並由管理層進行分級:一級用戶為授權用戶、享有一級用戶信號通道，二級用戶為非授權用戶、可以接入空閒的一級用戶信號通道，三級用戶只能接入未被劃分授權的信號通道； (2)服務層接收一級用戶發送的空閒信道提供或取消信號，在空閒信道列表中添加或刪除信道狀態信息，若接收的信號為空閒信道取消信號，則發送取消該信道借用信號； (3)服務層接收用戶群發送的信號通道借用信號，管理層根據用戶等級和當前空閒信道信息來確定如何分配信號通道； (4)一級用戶向服務層發送空閒信道取消信號後，服務層向正在使用該空閒信道的二級用戶發送暫停使用信號，若一級用戶發現在發送空閒信道取消信號後，自己的一級用戶信號通道仍被長時間佔用即可向服務層舉報，管理層接收服務層的舉報信息，並核實，對確實存在長時間佔用一級用戶信號通道的二級用戶做將為三級用戶處理； (5)一級用戶或二級用戶成功接入信號，服務層存儲信道狀態信息、更新空閒信道信息並提供信道借貸情況的查詢。
4.根據權利要求3所述的利用信道中心策略實現多用戶多信道認知無線網絡中信道合理分配的方法，其特徵在於:所述步驟(I)中的用戶分級是根據信道中心存儲的信道借貸的歷史情況而實現的，對存有惡意佔用信道情況記錄的二級用戶降級為三級用戶。
5.根據權利要求3所述的利用信道中心策略實現多用戶多信道的認知無線網絡中信道合理分配的方法，其特徵在於:所述步驟(3)中服務層接收一級用戶發送的空閒信道提供信息，並將空閒信道分配給請求借用信號通道的二級用戶，三級用戶即使請求也無法借用此空閒信道。
6.根據權利要求3所述的利用信道中心策略實現多用戶多信道認知無線網絡中信道合理分配的方法，其特徵在於:所述步驟(3)中利用馬爾科夫鏈相關知識建立多用戶多信道認知無線網絡單元式模型，簡化多用戶多信道情況下認知無線電網絡的分析複雜度，並利用遺傳算法進行信道分配的最優化。
7.根據權利要求6所述的利用信道中心策略實現多用戶多信道認知無線網絡中信道合理分配的方法，其特徵在於:所述多用戶多信道認知無線網絡單元式模型可以視為在單用戶多信道單元式模型的基礎上增加用戶，單用戶多信道單元式模型的三態轉換圖包括三種狀態:數據傳輸、信道感知和信道切換，信道感知狀態是用於感知當前需要接入的信道是否空閒，如果空閒則進入數據傳輸狀態，否則進入信道切換狀態，等待分配其他信道。
8.根據權利要求7所述的利用信道中心策略實現多用戶多信道認知無線網絡中信道合理分配的方法，其特徵在於:對於用戶m來說，％表示從信道η的信道感知狀態轉換到數據傳輸狀態的概率，r:表示信道切換分配新信道η給用戶的m的概率，<,、Ku和π ffl,e分別表示用戶m在信道感知，數據傳輸和信道切換三個狀態的極限概率，信道接入時，還需要考慮用戶m需要傳輸數據的概率a m和信道η的空閒概率β η ； 所有用戶根據位置自組成不同的用戶群，每一個用戶群都有自己的信道中心分支。分析某一信道中心，擁有N條信道，根據馬爾科夫模型的狀態轉換關係，針對用戶的三種狀態可以得到一組狀態轉換方程:
d -71Ij = 0
< 盧;X,,,-(1-Cl)
X (1- qi K?,s — X rmKm,e = 0
?=1 考慮用戶m選擇各個信道進行數據傳輸的概率和為1，所以有?<=1，公式(I)可以
H-1簡化為: €,兀二-兀U= o(2) Z (I K-TTme=0.?=1 根據此方程組可以解得: ηη η
nnud ~ ^m71 m,s±<,=\ ⑶
n=l
I N
_丄 X , n _n
=孑- ,L n-\ 將狀態初始概率由可控的兩個變量C和'表示，可以得到: 兀》M =I J(4)
2(1?:)Σ(, '%)
tr 1-qm 所有的用戶視為都有機會接入N條信道，所以每一個用戶有N個狀態轉換方程組，則多用戶多信道的認知無線電網絡的分析可以通過這樣的矩陣分析來獲得:
其中:
又如公式(4)所示，狀態轉換的極限概率可以由單元模型中標註出的兩個變量表示，<表示信道分配的概率，對於信道中心是可控的，所以分析的關鍵在於變量<,。利用Π,表示三態當中用戶處於數據傳輸狀態的概率，可以表示為:
其中K4，Tl和Tm，e表示用戶m在信道n中數據傳輸、信道感知和信道切換三個狀態的佔用時間。所以用戶m可以接入信道η進行數據傳輸行為，僅當該用戶有數據需要傳輸同時信道η還未被其他用戶佔用，則 < 可以表示為:
對於擁有M個用戶和N條信道的信道中心來說，總的吞吐量可以表示為:..2
其中if表示用戶i在信道j上為傳輸數據所分配的功率，<表示信道增益，(σ/)2表示高斯白噪聲的功率；Ν條信道一共有2ν種被佔用情況，每種情況可以由二進位數T來表示: T e {0,1,2,...，2n-2，2n-1}(11) 最優化問題即從2N種情況中選擇一種最合適的信道分配結果，結合遺傳算法相關知識構造適合所提出模型的遺傳因子表達式，定義信道分配比例: Κ = [λΙ,λΙ-,λ[,-,c 12； 其中t表示T中I的個數，即可進行數據傳輸的信道數；<表示用戶m在信道t上傳輸數據所需功率佔總功率的比值，這是影響總吞吐量的關鍵因素；依據遺傳算法，將<視作染色體的組成部分，每個義由八位的基因表示，所以每組染色體一共有8Mt個基因；基因是由許多O和I組成的，它的複製、交叉和變異過程相對簡單，易於實現；考慮本發明提出的模型，基因在遺傳的過程中是需要滿足一定篩選條件的，利用檢測模塊來保證遺傳過程中一直能滿足如下條件:
即用戶分配在每個可用信道上的功率比之和總是為I的，如果基因的任何變化破壞了此條件，則恢復變化前的基因狀態；同時根據這樣的分配原則，我們可以得到多用戶多信道認知無線網絡的信道總容量，即在所有可能的信道分配下求吞吐量的總和:
其中，Rt表示當信道分配情況為T時的最優化吞吐量，Cot為被接入信道的集合。
【文檔編號】H04W72/04GK104202748SQ201410492141
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月23日 優先權日:2014年9月23日
【發明者】葉芝慧, 呂珺, 馮奇 申請人:南京大學