认知无线电系统中基于优化接入认知用户数的频谱分配方法

技术领域

本发明属于无线电领域。

背景技术

无线电频谱是一项有限的、宝贵的资源，通常是由政府部门授权使用。近年来，无线 电领域发展比较活跃，随着移动通信业务、卫星通信业务等的发展，频谱资源显得比较紧 张。纠其原因，主要是因为授权频段的频谱利用率不高。认知无线电技术被认为是解决频 谱资源紧缺的有效方案。其主要思想为认知用户具有自主学习能力，能与周围环境交互信 息，通过频谱感知，认知用户能检测到未被授权用户占用的空闲频谱的存在，然后“机会 接入”处于空闲的频谱以达到提高频谱利用率，从而解决频谱资源紧缺的问题。

频谱聚合技术是近年来新兴的技术，它于2006年被英国奈奎蒂克军品公司提出，其 主要解决的问题是聚合不连续的、零散的频谱碎片，通过对频谱碎片的聚合，将离散的， 不连续的、带宽细小的频谱碎片聚合用以支持高数据、大带宽的数据传输。

而现有频谱的聚合分配技术是在动态条件下进行的，频谱利用率较低。

发明内容

本发明为了解决现有在动态条件下进行的频谱的聚合分配的方法导致频谱利用率低 的问题，本发明提供了认知无线电系统中基于优化接入认知用户数的频谱分配方法。

认知无线电系统中基于优化接入认知用户数的频谱分配方法的具体步骤为：

第一步：将N个等待接入的认知用户所需求的带宽按从小到大的顺序进行排列，形成 集合B，所述集合B={B₁,B₂,B₃,…,B_k,B_k+1,…,B_N}，B_k为第k个等待接入的认知用户所 需求的带宽，k为正整数，且k小于或等于N-2；

第二步：采用认知无线电中的频谱检测技术，检测一个跨度内未被授权用户占用的空 闲频段，共获得v+1个空闲频段，形成集合F；

集合$F={\cup }_{i=1}^{v+1}[f_{\mathrm{Li}},f_{\mathrm{Ui}}];$

式中：v为大于或等于0的整数，[f_Li,f_Ui]表示第i个空闲频段，f_Li表示第i个空闲 频段的低频边界，f_Ui表示第i个空闲频段的高频边界，且有f_Ui<f_L(i+1)，i为正整数；

跨度的含义为：在一次频谱聚合当中，一次能聚合分配的频谱宽度；

第三步：判断第二步中跨度的右边界是否位于该跨度内的第v+1个空闲频段  f_L(v+1),f_U(v+1)]内，如果判断结果为是，则执行第四步，如果判断结果为否，则执行第六 步；

第四步：将第v+1个空闲频段[f_L(v+1),f_U(v+1)]删除，并将该第v+1个空闲频段用于 下个跨度之内的聚合，然后采用频谱聚合技术将该跨度内剩余的v个空闲频段进行聚合， 并执行第五步；

第五步：将跨度内的前j′个空闲频段依次进行做和运算，得到整理 后获得集合M1，所述的集合M1={M′₁,M′₂,M′₃,…，M′_n′}，其中，M′_j′表示跨度内前j′个 空闲频段的聚合带宽，m_i′表示该跨度内第i个空闲频段[f_Li,f_Ui]的带宽，j′为正整数，集 合M1表示聚合后用于分配的带宽的集合，其中n′=1,2,…,v，然后执行第五一步；

第五一步：判断B₁是否小于或等于集合M1中的最大聚合带宽，如果判断结果为是， 则执行第五二步；如果判断结果为否，执行第八步；

第五二步：将B₁与集合M1={M′₁,M′₂,M′₃,…，M′_n′}中的每一个元素按从左到右的顺序 依次比较，判断是否存在M′_n′=B₁，判断结果为是，则执行第五三步；判断结果为否，则 执行第五四步；

第五三、将M′_n′分配给B₁，并将集合B中B₁删除，获得更新后的集合B；同时，将集 合M1中M′_n′删除，获得更新后的集合M1；将集合F中已分配的[f_Li,f_Ui]删除，获得更新 后的集合F；并执行第五五步；

第五四步：将使得B₁小于或等于集合M1中的最大聚合带宽成立的第一个聚合带宽 M_n′-1′分配给B₁；所述的第一个聚合带宽M_n′-1′表示集合M1中的一个元素；将集合B中B₁删 除，获得更新后的集合B；

将集合M1中M_n′-1′删除，获得更新后的集合M1；将集合F中已分配的[f_Li,f_Ui]删除， 获得更新后的集合F；并执行第五五步；

第五五步：判断更新后的集合B中是否存在等待接入的认知用户所需求的带宽，如果 判断结果为是，则执行第七步；如果判断结果为否，则完成认知无线电中优化接入认知用 户数的频谱分配；

第六步：采用频谱聚合技术将该跨度内的v+1个空闲频段进行聚合，将跨度内的前 j个空闲频段依次进行做和运算，得到整理后获得集合M2，所述的集合 M2={M₁,M₂,M₃…,M_n}，其中，M_j表示跨度内前j个空闲频段的聚合带宽，m_i表示该 跨度内第i个空闲频段[f_Li,f_Ui]的带宽，j为正整数，集合M2表示聚合后用于分配的带宽 的集合，其中n=1,2,…,v+1，并执行第六一步；

第六一步：判断B₁是否小于或等于集合M2中的最大聚合带宽，如果判断结果为是， 则执行第六二步；如果判断结果为否，执行第八步；

第六二步：将B₁与集合M2={M₁,M₂,M₃…,M_n}中的每一个元素按从左到右的顺序 依次比较，判断是否存在M_n=B₁，判断结果为是，则执行第六三步；判断结果为否，则 执行第六四步；

第六三步：将M_n分配给B₁；并将集合B中B₁删除，获得更新后的集合B；同时将集 合M2中M_n删除，获得更新后的集合M2；将集合F中已分配的[f_Li,f_Ui]删除，获得更新 后的集合F；并执行第六五步；

第六四：将使得B₁小于或等于集合M2中的最大聚合带宽成立的第一个聚合带宽M_n-1分配给B₁；所述的第一个聚合带宽M_n-1表示集合M2中的一个元素；将集合M2中M_n-1删 除，获得更新后的集合M2；将集合F中已分配的[f_Li,f_Ui]删除，获得更新后的集合F； 并执行第六五步；

第六五步：判断更新后的集合B中是否存在等待接入的认知用户所需求的带宽，如果 判断结果为是，则执行第七步；如果判断结果为否，则完成认知无线电中优化接入认知用 户数的频谱分配；

第七步：将第二步中所述的跨度右移，获得下一个跨度；所述下一个跨度的左边界置 于第五三或六三步集合F中已分配的[f_Li,f_Ui]的右侧第一个空闲频段的低频边界处，然后 返回执行第二步；

第八步，将第二步中所述的跨度右移，获得下一个跨度，所述下一个跨度的左边界置 于第二步中跨度内的f_Li处，然后返回执行第二步。

本发明带来的有益效果是：本发明在静态的条件下进行频谱的聚合分配，同比动态分 配的方式，本发明的频谱利用率提高了5%以上。

附图说明

图1为跨度右边界处于一个空闲频段内时的频段分配示意图，其中阴影部分表 示占频段，表示空闲频段，代表跨度，代表频谱更新之后移位后的 跨度。

图2为跨度右边界处于一个占用频段内时的频段分配示意图，其中阴影部分表 示占频段，表示空闲频段，代表跨度，代表频谱更新之后移位后的 跨度。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的认知无线电系 统中基于优化接入认知用户数的频谱分配方法的具体步骤为：

第一步：将N个等待接入的认知用户所需求的带宽按从小到大的顺序进行排列，形成 集合B，所述集合B={B₁,B₂,B₃,…,B_k,B_k+1,…,B_N}，B_k为第k个等待接入的认知用户所 需求的带宽，k为正整数，且k小于或等于N-2；

第二步：采用认知无线电中的频谱检测技术，检测一个跨度内未被授权用户占用的空 闲频段，共获得v+1个空闲频段，形成集合F；

集合$F={\cup }_{i=1}^{v+1}[f_{\mathrm{Li}},f_{\mathrm{Ui}}];$

式中：v为大于或等于0的整数，[f_Li,f_Ui]表示第i个空闲频段，f_Li表示第i个空闲 频段的低频边界，f_Ui表示第i个空闲频段的高频边界，且有f_Ui<f_L(i+1)，i为正整数；

跨度的含义为：在一次频谱聚合当中，一次能聚合分配的频谱宽度；

第三步：判断第二步中跨度的右边界是否位于该跨度内的第v+1个空闲频段 [f_L(v+1),f_U(v+1)]内，如果判断结果为是，则执行第四步，如果判断结果为否，则执行第六 步；

第四步：将第v+1个空闲频段[f_L(v+1),f_U(v+1)]删除，并将该第v+1个空闲频段用于 下个跨度之内的聚合，然后采用频谱聚合技术将该跨度内剩余的v个空闲频段进行聚合， 并执行第五步；

第五步：将跨度内的前j′个空闲频段依次进行做和运算，得到整理 后获得集合M1，所述的集合M1={M′₁,M′₂,M′₃,…，M′_n′}，其中，M′_j′表示跨度内前j′个 空闲频段的聚合带宽，m_i′表示该跨度内第i个空闲频段[f_Li,f_Ui]的带宽，j′为正整数，集 合M1表示聚合后用于分配的带宽的集合，其中n′=1,2,…,v，然后执行第五一步；

第五一步：判断B₁是否小于或等于集合M1中的最大聚合带宽，如果判断结果为是， 则执行第五二步；如果判断结果为否，执行第八步；

第五二步：将B₁与集合M1={M′₁,M′₂,M′₃,…，M′_n′}中的每一个元素按从左到右的顺序 依次比较，判断是否存在M′_n′=B₁，判断结果为是，则执行第五三步；判断结果为否，则 执行第五四步；

第五三、将M′_n′分配给B₁，并将集合B中B₁删除，获得更新后的集合B；同时，将集 合M1中M′_n′删除，获得更新后的集合M1；将集合F中已分配的[f_Li,f_Ui]删除，获得更新 后的集合F；并执行第五五步；

第五四步：将使得B₁小于或等于集合M1中的最大聚合带宽成立的第一个聚合带宽 M_n′-1′分配给B₁；所述的第一个聚合带宽M_n′-1′表示集合M1中的一个元素；将集合B中B₁删 除，获得更新后的集合B；

将集合M1中M_n′-1′删除，获得更新后的集合M1；将集合F中已分配的[f_Li,f_Ui]删除， 获得更新后的集合F；并执行第五五步；

第五五步：判断更新后的集合B中是否存在等待接入的认知用户所需求的带宽，如果 判断结果为是，则执行第七步；如果判断结果为否，则完成认知无线电中优化接入认知用 户数的频谱分配；

第六步：采用频谱聚合技术将该跨度内的v+1个空闲频段进行聚合，将跨度内的前 j个空闲频段依次进行做和运算，得到整理后获得集合M2，所述的集合 M2={M₁,M₂,M₃…,M_n}，其中，M_j表示跨度内前j个空闲频段的聚合带宽，m_i表示该 跨度内第i个空闲频段[f_Li,f_Ui]的带宽，j为正整数，集合M2表示聚合后用于分配的带宽 的集合，其中n=1,2,…,v+1，并执行第六一步；

第六一步：判断B₁是否小于或等于集合M2中的最大聚合带宽，如果判断结果为是， 则执行第六二步；如果判断结果为否，执行第八步；

第六二步：将B₁与集合M2={M₁,M₂,M₃…,M_n}中的每一个元素按从左到右的顺序 依次比较，判断是否存在M_n=B₁，判断结果为是，则执行第六三步；判断结果为否，则 执行第六四步；

第六三步：将M_n分配给B₁；并将集合B中B₁删除，获得更新后的集合B；同时将集 合M2中M_n删除，获得更新后的集合M2；将集合F中已分配的[f_Li,f_Ui]删除，获得更新 后的集合F；并执行第六五步；

第六四：将使得B₁小于或等于集合M2中的最大聚合带宽成立的第一个聚合带宽M_n-1分配给B₁；所述的第一个聚合带宽M_n-1表示集合M2中的一个元素；将集合M2中M_n-1删 除，获得更新后的集合M2；将集合F中已分配的[f_Li,f_Ui]删除，获得更新后的集合F； 并执行第六五步；

第六五步：判断更新后的集合B中是否存在等待接入的认知用户所需求的带宽，如果 判断结果为是，则执行第七步；如果判断结果为否，则完成认知无线电中优化接入认知用 户数的频谱分配；

第七步：将第二步中所述的跨度右移，获得下一个跨度；所述下一个跨度的左边界置 于第五三或六三步集合F中已分配的[f_Li,f_Ui]的右侧第一个空闲频段的低频边界处，然后 返回执行第二步；

第八步，将第二步中所述的跨度右移，获得下一个跨度，所述下一个跨度的左边界置 于第二步中跨度内的f_Li处，然后返回执行第二步。

本发明是在静态的条件下研究频谱的聚合分配的，所谓静态即为不考虑时间对频谱状 态的影响，即频谱上的空闲频段与占用频段一经确认便不再发生改变，将这种状况下频谱 聚合技术称为“静态频谱聚合技术”。主要内容为将频谱上未被授权用户占用的空闲的频 谱碎片进行聚合分配，当聚合的频谱碎片带宽达到信道发送数据的带宽时，当有认知用户 等待接入进行数据传输时可将等待接入的认知用户接入信道，通过聚合分配这种处于空闲 状态的频谱碎片给等待接入的认知用户使用以达到提高频谱利用率的目的。在频谱分配的 过程中，如果有多个等待接入的认知用户，那么根据每个认知用户的带宽需求将认知用户 进行优先级排序，选择性的接入认知用户以达到当存在聚合的空闲频谱时接入的认知用户 数最大化的目的。

本发明是在离散正交频分复用系统上实现的，在固有的频谱分配算法中，频谱的分配 都是基于连续的频谱段，每个信道都是由连续的频段构成的，这导致了许多不满足信道带 宽的频谱碎片不能被利用，降低了频谱利用率。而离散正交频分复用NC-OFDM （Non-contiguous Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术的诞生刚好可以解决这 个问题。正交频分复用技术OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)采用将待传 输数据流调制到多个子信道上面并行传输。若将子信道离散的关闭，形成一些传输数据的 子信道是离散分布的，这种技术就是NC-OFDM。通过将不连续的频谱碎片进行聚合，若 聚合之后的频谱带宽达到一个子信道的带宽需求，就可以通过NC-OFDM技术将待传输 的数据流调制到经过聚合之后的离散子信道上。通过这样一种聚合分配的方式，处于空闲 状态的频谱碎片能够利用起来并支持高带宽、高速率的数据传输，频谱利用率得到大大的 改善。

本发明将在一次频谱聚合当中，一次能聚合分配的频谱宽度定义为跨度；跨度的频谱 宽度是有限的，每一次聚合分配过程都是在一定宽度的频谱范围之内进行。而通常情况下， 跨度是指硬件设备传输数据时的最大带宽或在传输数据时使用的最低频率和最高频率的 距离。