本发明的目的是提供
一种基于信道感知和预测的多址接入方法。
基于信道感知和预测的多址接入方法是非授权用户只有在感知到信道空闲 时才能占用信道,非授权用户进入传输过程,否则非授权用户要一直侦听信道; 在传输过程中,非授权用户一边发送数据,一边感知信道状态,并根据感知结 果、已经用去的传输时间、授权用户占用信道的统计规律以及授权用户的阻塞 概率约束,进行非授权用户传输过程期间的信道状态和状态持续时间的预测, 直到预测的信道状态为信道被授权用户占用,非授权用户进入退避过程;在退 避过程中,非授权用户仅感知信道状态,并根据感知结果、已经用去的退避时 间、授权用户占用信道的统计规律以及授权用户的阻塞概率约束,进行非授权 用户退避过程期间的信道状态和状态持续时间的预测,直到预测的信道状态为 信道空闲,非授权用户进入传输过程;非授权用户的传输过程和退避过程交替 进行,其传输时间和退避时间不是固定的,由非授权用户根据改进算法决定; 非授权用户采用递归误差预测方法进行参数估计,使得非授权用户不需要对某 频段进行长期观察以获得频谱使用情况的统计参数。
所述非授权用户进入传输过程包括如下步骤:
(a)在第i个时隙开始时,如果非授权用户预测的授权用户的状态为空闲,预 测的传输时间为TdP i,则非授权用户进入传输状态;
(b)如果在预测的传输时间TdP i内检测到授权用户的状态从空闲变为忙,则认 为第i个时隙终止,进入下一个时隙;第(i+1)个时隙的授权用户的预测状态 为忙,更新第i个时隙的实际传输时间TdR i以及统计参数,并利用授权用户占用 信道的统计规律以及授权用户的阻塞概率约束预测非授权用户在第(i+1)个时 隙的退避时间TbP i+1;
(c)如果在预测的传输时间TdP i内没有检测到授权用户状态从空闲变为忙,则 根据授权用户占用信道的统计规律预测授权用户的状态;
(d)如果预测的授权用户状态为空闲,则根据授权用户占用信道的统计规律 以及授权用户的阻塞概率约束预测剩余的传输时间TdP i;
(e)如果授权用户的预测状态为忙,则认为第i个时隙终止,进入下一个时隙; 更新第i个时隙的实际传输时间TdR i以及统计参数,并利用授权用户占用信道的 统计规律以及授权用户的阻塞概率约束预测非授权用户在第(i+1)个时隙的退 避时间TbP i+1;
(f)重复步骤(b)、步骤(c)、步骤(d)和步骤(e),直到授权用户的预测状态从空 闲变为忙为止。
所述非授权用户进入退避过程包括如下步骤:
(g)在第(i+1)个时隙开始时,如果非授权用户预测的授权用户状态为忙, 预测的退避时间为TbP i+1,则非授权用户进入退避状态;
(h)如果在预测的退避时间TbP i+1内检测到授权用户状态从忙变为空闲,则认为 第(i+1)个时隙终止,进入下一个时隙;第(i+2)个时隙的非授权用户的预 测状态为空闲,更新第i个时隙的实际退避时间TbR i+1以及统计参数,并利用授权 用户占用信道的统计规律以及授权用户的阻塞概率约束预测非授权用户在第(i +2)个时隙的传输时间TdP i+2;
(i)如果在预测的退避时间TbP i+1内没有检测到授权用户状态从忙变为空闲,则 根据授权用户占用信道的统计规律预测授权用户的状态;
(j)如果授权用户的预测状态为忙,则根据授权用户占用信道的统计规律以 及授权用户的阻塞概率约束预测剩余退避时间TbP i+1;
(k)如果授权用户的预测状态为空闲,认为第i个时隙终止,进入下一个时 隙;更新第i个时隙的实际退避时间TbR i+1以及统计参数,并利用授权用户占用信 道的统计规律以及授权用户的阻塞概率约束预测非授权用户在第(i+2)个时隙 的传输时间TdP i+2;
(l)重复步骤(h)、步骤(i)、步骤(j)和步骤(k),直到授权用户的预测状态从忙 变为空闲为止。
所述进行非授权用户传输过程期间的信道状态和状态持续时间的预测包括 如下步骤:
(m)当非授权用户检测到授权用户的状态从空闲变为忙,则授权用户的预测 状态为忙,否则,非授权用户根据授权用户占用信道的统计规律进行状态预测, 即
式中ui,j为在第i个时隙第j次预测的授权用户状态,ui,j-1为在第i个时隙第(j-1) 次预测的授权用户状态,zi,j-1为非授权用户在第i个时隙第(j-1)次检测到的授权 用户状态,TdR i为已经用去的传输时间,p0k(TdR i)为非授权用户在传输了TdR i时间后 授权用户从状态0转变为状态k的概率,即
式中,t0为授权用户的空闲时间;
(n)如果授权用户的预测状态为空闲,则非授权用户的剩余传输时间TdP i按下 式进行预测:
式中,其中ui,j为在第i个时隙第j次预测的授权用户状态,ui,j-1为在第i个时隙 第(j-1)次预测的授权用户状态,zi,j-1为非授权用户在第i个时隙第(j-1)次检 测到的授权用户状态,TdR i为已经用去的传输时间,p0k(TdR i)为非授权用户在传输 了TdR i时间后授权用户从状态0转变为状态k的概率,为授权用户的阻塞概率 约束;
(o)如果授权用户的预测状态为忙,则本传输时隙终止,下一时隙的退避时 间TbP i+1按下式进行预测:
式中,t1为授权用户的占用时间,ui,j为在第i个时隙第j次预测的授权用户状态, TbP i+1为非授权用户在第(i+1)个时隙的退避时间。
所述进行非授权用户退避过程期间的信道状态和状态持续时间的预测包括 如下步骤:
(p)当非授权用户检测到授权用户的状态从忙变为空闲,则授权用户的预测 状态为空闲,否则,非授权用户根据授权用户占用信道的统计规律进行状态预 测,即
式中ui+1,j为在第(i+1)个时隙第j次预测的授权用户状态,ui+1,j-1为在第i个时隙 第(j-1)次预测的授权用户状态,zi,j-1为非授权用户在第i个时隙第(j-1)次检 测到的授权用户状态,TbR i+1为已经用去的退避时间,p1k(TbR i+1)为非授权用户在退避 了TbR i+1时间后授权用户从状态1转变为状态k的概率,即
式中t1为授权用户的占用时间,TbR i+1为非授权用户在第(i+1)个时隙已经去的退 避避时间;
(q)如果授权用户的预测状态为忙,则非授权用户的剩余退避时间TbP i+1按下式 进行预测:
式中ui+1,j为在第(i+1)个时隙第j次预测的授权用户状态,TbR i+1为已经用去的退 避时间,为授权用户的阻塞概率约束;
(r)如果授权用户的预测状态为空闲,则本退避时隙终止,下一时隙的传输 时间TdP i+2按下式进行预测:
式中t0为授权用户的空闲时间,TdP i+2为非授权用户在第(i+2)个时隙的传输时 间,为授权用户的阻塞概率约束。
所述非授权用户采用递归误差预测方法进行参数估计如下式所示:
其中,θi为第i次估计的估计结果,Δi是步进,Ri为Hessian矩阵的估计,ψi为 似然函数的梯度,且Ri的递归公式为:
本发明在传统的CSMA算法的基础上,增加实时估计当前频谱使用情况的 统计参数,并由此以及当前感知结果、已经用去的时间、授权用户的阻塞概率 约束预测授权用户的状态以及时间的方法,从而能使得非授权用户主动避免对 授权用户的干扰,以达到对授权用户的保护,且非授权用户能较充分地利用频 谱,提高信道使用效率。
附图说明
图1是授权用户的使用情况示意图;
图2是改进CSMA算法的结构
框图;
图3是采用不同仿真间隔和阻塞概率约束得到的性能曲线图;
图4是采用改进的CSMA算法和传统CSMA算法得到冲突概率曲线图;
图5是采用改进的CSMA算法和传统CSMA算法得到浪费概率曲线图。
基于信道感知和预测的多址接入方法是非授权用户只有在感知到信道空闲 时才能占用信道,非授权用户进入传输过程,否则非授权用户要一直侦听信道; 在传输过程中,非授权用户一边发送数据,一边感知信道状态,并根据感知结 果、已经用去的传输时间、授权用户占用信道的统计规律以及授权用户的阻塞 概率约束,进行非授权用户传输过程期间的信道状态和状态持续时间的预测, 直到预测的信道状态为信道被授权用户占用,非授权用户进入退避过程;在退 避过程中,非授权用户仅感知信道状态,并根据感知结果、已经用去的退避时 间、授权用户占用信道的统计规律以及授权用户的阻塞概率约束,进行非授权 用户退避过程期间的信道状态和状态持续时间的预测,直到预测的信道状态为 信道空闲,非授权用户进入传输过程;非授权用户的传输过程和退避过程交替 进行,其传输时间和退避时间不是固定的,由非授权用户根据改进算法决定; 非授权用户采用递归误差预测方法进行参数估计,使得非授权用户不需要对某 频段进行长期观察以获得频谱使用情况的统计参数。
以下参照非授权用户的结构框图进一步说明:
本发明中具有能自适应调整传输/退避时间功能的非授权用户的结构框图如 图2所示,它包括频谱感知、状态预测、时间预测、参数估计、计时、模式切 换、数据发送七个模
块。
频谱感知模块,用于侦听某段频谱当前的活动情况,检测授权用户是否正 在使用该频谱,感知方法可有多种,包括匹配滤波检测、
能量检测、特征检测 等方法,由非授权用户决定,其输入端接射频端;
状态预测模块,用于预测某段频谱可能的活动情况,其输入端接计时模块 的输出端,控制端接频谱感知模块的输出端,以根据频谱感知结果选择何种状 态预测模式;
时间预测模块,用于预测非授权用户的剩余传输/退避时间,其输入端接计 时模块的输出端,控制端接频谱感知模块的输出端,以根据频谱感知结果选择 何种时间预测模式;
参数估计模块,用于估计授权用户的频谱使用规律的统计参数,其输入端 接计时模块的输出端,控制端接状态预测模块,以控制当前需要更新的参数;
计时模块,用于累计非授权用户已经用去的传输/退避时间,其输入端接数 据发送模块,每发送一个数据,计时一次;
模式切换模块,用于控制是否发送数据,其控制端接状态预测模块的输出 端,当状态预测为0,则该模块置于闭合状态,非授权用户处于传输阶段,否则 置于打开状态,非授权用户处于退避阶段;
数据发送模块,用于对要发送的数据进行编码调制,其控制端接模式切换 的输出端,输出端接射频端。
由于授权用户的使用具有突发性和相关性,且这种突发性和相关性是时变 的,在某些时段可能使用较为频繁,某些时间段内使用比较稀疏,因此授权用 户占用信道的统计规律可以建模为一个具有时变参数的非独立增量过程。本方 案中采用半
马尔可夫过程描述授权用户使用情况的统计分布,其
状态空间为 S={0,1},0表示授权用户不使用信道,1表示授权用户使用信道;状态
停留时间 分布为fi(t),i=0,1;状态转移概率为P(t)=[pij(ti)],ti为状态i的停留时间,pij(ti)具 有如下形式:
式中“+”表示模2加。
参考文献中所述,状态停留时间分布可以是参数为(k,λ)的爱尔兰分布:
图1为采用爱尔兰分布仿真得到的授权用户的使用情况。
授权用户占用信道的统计规律采用爱尔兰分布,所述非授权用户进入传输 过程包括如下步骤:
(a)在第i个时隙开始时,如果非授权用户预测的授权用户的状态为空闲,预 测的传输时间为TdP i,则非授权用户进入传输状态;
(b)如果在预测的传输时间TdP i内检测到授权用户的状态从空闲变为忙,则认 为第i个时隙终止,进入下一个时隙;第(i+1)个时隙的授权用户的预测状态 为忙,更新第i个时隙的实际传输时间TdR i以及统计参数,并利用授权用户占用 信道的统计规律以及授权用户的阻塞概率约束预测非授权用户在第(i+1)个时 隙的退避时间TbP i+1;
(c)如果在预测的传输时间TdP i内没有检测到授权用户状态从空闲变为忙,则 根据授权用户占用信道的统计规律预测授权用户的状态;
(d)如果预测的授权用户状态为空闲,则根据授权用户占用信道的统计规律 以及授权用户的阻塞概率约束预测剩余的传输时间TdP i;
(e)如果授权用户的预测状态为忙,则认为第i个时隙终止,进入下一个时隙; 更新第i个时隙的实际传输时间TdR i以及统计参数,并利用授权用户占用信道的 统计规律以及授权用户的阻塞概率约束预测非授权用户在第(i+1)个时隙的退 避时间TbP i+1;
(f)重复步骤(b)、步骤(c)、步骤(d)和步骤(e),直到授权用户的预测状态从空 闲变为忙为止。
授权用户占用信道的统计规律采用爱尔兰分布,所述非授权用户进入退避 过程包括如下步骤:
(g)在第(i+1)个时隙开始时,如果非授权用户预测的授权用户状态为忙, 预测的退避时间为TbP i+1,则非授权用户进入退避状态;
(h)如果在预测的退避时间TbP i+1内检测到授权用户状态从忙变为空闲,则认为 第(i+1)个时隙终止,进入下一个时隙;第(i+2)个时隙的非授权用户的预 测状态为空闲,更新第i个时隙的实际退避时间TbR i+1以及统计参数,并利用授权 用户占用信道的统计规律以及授权用户的阻塞概率约束预测非授权用户在第(i +2)个时隙的传输时间TdP i+2;
(i)如果在预测的退避时间TbP i+1内没有检测到授权用户状态从忙变为空闲,则 根据授权用户占用信道的统计规律预测授权用户的状态;
(j)如果授权用户的预测状态为忙,则根据授权用户占用信道的统计规律以 及授权用户的阻塞概率约束预测剩余退避时间TbP i+1;
(k)如果授权用户的预测状态为空闲,认为第i个时隙终止,进入下一个时 隙;更新第i个时隙的实际退避时间TbR i+1以及统计参数,并利用授权用户占用信 道的统计规律以及授权用户的阻塞概率约束预测非授权用户在第(i+2)个时隙 的传输时间TdP i+2;
(l)重复步骤(h)、步骤(i)、步骤(j)和步骤(k),直到授权用户的预测状态从忙 变为空闲为止。
授权用户占用信道的统计规律采用爱尔兰分布,所述进行非授权用户传输 过程期间的信道状态和状态持续时间的预测包括如下步骤:
(m)当非授权用户检测到授权用户的状态从空闲变为忙,则授权用户的预测 状态为忙,否则,非授权用户根据授权用户占用信道的统计规律进行状态预测, 即
式中ui,j为在第i个时隙第j次预测的授权用户状态,ui,j-1为在第i个时隙第(j-1) 次预测的授权用户状态,zi,j-1为非授权用户在第i个时隙第(j-1)次检测到的授权 用户状态,TdR i为已经用去的传输时间,p0k(TdR i)为非授权用户在传输了TdR i时间后 授权用户从状态0转变为状态k的概率,即
式中,t0为授权用户的空闲时间;
(n)如果授权用户的预测状态为空闲,则非授权用户的剩余传输时间TdP i按下 式进行预测:
式中,其中ui,j为在第i个时隙第j次预测的授权用户状态,ui,j-1为在第i个时隙 第(j-1)次预测的授权用户状态,zi,j-1为非授权用户在第i个时隙第(j-1)次检 测到的授权用户状态,TdR i为已经用去的传输时间,p0k(TdR i)为非授权用户在传输 了TdR i时间后授权用户从状态0转变为状态k的概率,为授权用户的阻塞概率 约束;
(o)如果授权用户的预测状态为忙,则本传输时隙终止,下一时隙的退避时 间TbP i+1按下式进行预测:
式中t1为授权用户的占用时间,ui,j为在第i个时隙第j次预测的授权用户状态, TbP i+1为非授权用户在第(i+1)个时隙的退避时间。
授权用户占用信道的统计规律采用爱尔兰分布,所述进行非授权用户退避 过程期间的信道状态和状态持续时间的预测包括如下步骤:
(p)当非授权用户检测到授权用户的状态从忙变为空闲,则授权用户的预测 状态为空闲,否则,非授权用户根据授权用户占用信道的统计规律进行状态预 测,即
式中ui+1,j为在第(i+1)个时隙第j次预测的授权用户状态,ui+1,j-1为在第i个时隙 第(j-1)次预测的授权用户状态,zi,j-1为非授权用户在第i个时隙第(j-1)次检 测到的授权用户状态,TbR i+1为已经用去的退避时间,p1k(TbR i+1)为非授权用户在退避 了TbR i+1时间后授权用户从状态1转变为状态k的概率,即
式中t1为授权用户的占用时间,TbR i+1为非授权用户在第(i+1)个时隙已经去的退 避避时间;
(q)如果授权用户的预测状态为忙,则非授权用户的剩余退避时间TbP i+1按下式 进行预测:
式中ui+1,j为在第(i+1)个时隙第j次预测的授权用户状态,TbR i+1为已经用去的退 避时间,为授权用户的阻塞概率约束;
(r)如果授权用户的预测状态为空闲,则本退避时隙终止,下一时隙的传输 时间TdP i+2按下式进行预测:
式中t0为授权用户的空闲时间,TdP i+2为非授权用户在第(i+2)个时隙的传输时 间,为授权用户的阻塞概率约束。
授权用户占用信道的统计规律采用爱尔兰分布,所述非授权用户采用递归 误差预测方法进行参数估计如下式所示:
其中,θi=(ki,λi)T为第i次估计的估计结果,Δi是步进,Ri为Hessian矩阵的估计, ψi为似然函数的梯度,且Ri的递归公式为:
通过计算机仿真表明,该改进的CSMA算法能够在保证授权用户的阻塞概 率约束的前提下,较好地利用空闲频段进行传输,提高了频谱的利用率,非常 适用于认知无线电中。