一种认知无线电通信盟的结盟方法

技术领域

本发明涉及一种认知无线电通信盟的结盟方法，属于认知无线电技术领域。

背景技术

随着社会的不断发展和科技的日新月异以及物联网的飞速普及，无线频谱资源却越来越紧张。在这种背景下，认知无线电(Cognitive Radio，CR)技术应运而生，CR技术通过在时间和空间上充分利用空闲的频谱资源，从而可以有效的缓解或解决上述频谱资源紧张的情况。

认知无线电又被称为智能无线电，它以灵活、智能、可重配置为显著特征，通过感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，有目的地实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波频率和调制技术等)，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计变化，从而实现任何时间、任何地点的高可靠通信以及对异构网络环境有限的无线频谱资源进行高效地利用。认知无线电的核心思想就是通过频谱感知(Spectrum Sensing)和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配(DSA：dynamic spectrum allocation)和频谱共享(Spectrum Sharing)。

认知无线电对无线电灵活的频谱池提供一种机制，这种方法能扩展通常应用的可用带宽。认知无线电概念的出现推进了智能无线电技术在个人移动通信领域的发展。

在目前对通信结盟很少量的研究中，大部分是主要依据认知次用户之间的远近来作为判断是否可以建盟的原则，优先将距离较近的认知次用户纳入一个盟内，认知次用户距离较远的往往不会考虑加入一个盟中。但是我们却发现，基于距离的认知次用户建盟没有考虑认知次用户在这段距离的信道上传输的效率，比如：一个认知次用户A距离认知次用户B较C近些，A和B通过结盟准则判断后结成联盟，而没有和C建立联盟，但实际情况有可能是A和B间的信道没有A和C间的信道的传输效率高(传输信道增益大)。为此，大部分现有的研究成果是通过获取描述该信道合适的模型(如Hata模型或okumuma模型等)以及相应的参数来计算信道传输损耗进而确定是否结盟，这虽然能部分解决上述问题，但是却增加了信道模型不匹配而引起的误差和算法的复杂度，这在对时间复杂度有较高要求的通信结盟来说无疑是一大弊端。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对当前固定频谱分配带来的频谱资源紧缺的矛盾，提供一种认知无线电通信盟的结盟方法，优化了系统的信令开销，使得认知节点可以使用较少的功率直接和盟主交互信令而不需每次都与基站进行信令交互。通过建立用户业务触发的机制，系统的吞吐量得到了进一步的提升。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案：

一种认知无线电通信盟的结盟方法，包括以下步骤：

步骤A，以某一基站系统为中心点，获取满足下列结盟条件的认知次用户：

①认知次用户发来的RSSI的均值满足：

②认知次用户发来的RSSI的波动方差σ²在基站系统允许的范围内；

其中，为系统根据接收信号强度指示均值的最小值自适应选定的通信结盟的结盟范围大小参数，ε为系统允许误差的阈值，n＝2k，k为正整数；

步骤B，设n取不同的数值时满足条件的认知次用户的集合为M_n，对于每次n的不同取值在M_n中选择建立6n个通信盟，每个通信盟由基站初始化指定一个盟主，盟主的选择依照以下两种情况进行：

B-1，根据每次n的不同取值在集合M_n中，能够找到6n个满足下列极坐标条件的认知次用户，则将这6n个认知次用户作为该基站通信范围内的各个通信盟的盟主；所述极坐标条件为：

(n＝2k，m≤3n，n≤N)；其中，n、k、m、N均为正整数；

则具体的盟主的找寻过程为：

B-1-1，任意选定集合M中的一个认知次用户A；认知次用户A再选择接收到的能量检测值约为的认知次用户B，此时当有多个认知次用户符合此条件，则选择最接近基站系统值ε要求的认知次用户作为认知次用户B；

B-1-2，认知次用户B再选择接收到的能量检测值为的认知次用户C，当有多个认知次用户符合此条件，则选择最接近基站系统值ε要求的认知次用户作为认知次用户C；

B-1-3，重复上述步骤B-1-1至B-1-2，直至找到6n个认知次用户；

B-1-4，在上述极坐标R的位置附近没有对应的节点，则降低对认知次用户达到门限值的要求以获得周围更多的可选节点；这样依然没有找到可选节点则停止在该节点附件的找寻，进入步骤B-2；

B-2，根据每次n的不同取值在集合M_n中，不能够找到6n个认知次用户，则选择找到的所有认知次用户节点暂时作为各个通信盟的盟主，当两个盟主之间的值小于系统通讯要求，则取消其中任意一个认知次用户作为盟主的权利，具体的操作指令由基站端负责决策发出；

步骤C，各盟盟主选择本盟的盟内成员：各盟盟主分别按照以下条件寻找满足结盟条件的认知次用户，所述结盟条件为：

③认知次用户发来的RSSI的均值满足：

④认知次用户发来的RSSI的波动方差σ²在基站系统允许的范围内。

进一步的，本发明的一种认知无线电通信盟的结盟方法，加入通信盟的认知次用户RSSI均值的下限的计算方法为：

$>{\overline{\mathrm{RSSI}}}_{\min }=\frac{1}{24576}{Q}^{-1}{\left(\frac{1-\sqrt{1-P_{K\max }}}{2(1-\frac{1}{\sqrt{K}})}\right)}^2·(K-1)·N_0·B·{\bar{\sigma }}^2$>

其中P_Kmax为K元QAM通信业务容忍的最大错误概率，N₀为单边带环境热噪声功率谱密度，B为传输信号带宽(Hz)，为平均信道噪声功率，Q代表Q函数表。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明将GSM的蜂窝式网络架构经过变换后引入到设计中，提出了基于RSSI能量值检测的类蜂窝式拓扑结构，它不同于传统的以地理位置范围作为蜂窝大小选择原则的构架，它是将RSSI能量值的大小作为蜂窝大小的主要判断依据，解决目前基于距离结盟所产生的不足，而且，获取RSSI值不需要增加较大的计算量和额外的硬件，应用成本较低。

2、在本发明中，认知节点通过结盟设立一级基站管理、二级盟主管理的分层管理模式，优化了系统的信令开销，使得认知节点可以使用较少的功率直接和盟主交互信令而不需次次与基站进行信令交互。通过建立用户业务触发的机制，系统的吞吐量得到了进一步的提升。

附图说明

图1是认知网络用户结盟场景拓扑示意图。

图2是本发明通信盟结盟过程的流程图。

图3是认知次用户分别在不结盟、只结盟情况下系统吞吐量随时间的变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，在通信结盟的拓扑结构方案设计中，本发明将GSM的蜂窝式网络架构经过变换后引入到设计方案中，提出了基于RSSI(Received Signal Strength Indication，接收信号强度指示)能量值检测的类蜂窝式拓扑结构，它不同于传统的以地理位置范围作为蜂窝大小选择原则的构架，而是将RSSI能量值的大小作为蜂窝大小的主要结盟判断依据。这个准则可以解决目前基于距离结盟所产生的不足，而且，获取RSSI值不需要增加较大的计算量和额外的硬件，应用成本较低。

RSSI是基站(BS)或者盟主侧的指标。本发明选择4QAM(4Quadrature AmplitudeModulation，二进制正交振幅调制)作为认知次用户间通信的信道编码方式。

K元QAM的错误概率为：

$>P_K=1-{(1-P_{\sqrt{K}})}^2---\left(1\right)$>

其中，$>P_{\sqrt{K}}=2(1-\frac{1}{\sqrt{K}})Q\left(\sqrt{\frac{3}{K-1}\frac{E_b}{N_0}}\right)---\left(2\right)$>

$>\frac{E_b}{N_0}=\frac{P_s}{N_0·B}=\frac{\overline{\mathrm{RSSI}}·8192}{{\bar{\sigma }}^2}---\left(3\right)$>

其中B为传输信号带宽(Hz)，P_s为发送信号功率，为平均信道噪声功率，N₀为单边带环境热噪声功率谱密度，E_b代表发送一个比特的能量，公式(3)中的数字8192代表每秒钟采样8192次。

在满足不同业务对误码率要求的条件下，可以求得在此信道特定高斯噪声的情况下所需要的接收端的能量值，从而确定RSSI的能量下限如下：

假设某种业务所能容忍的最大误码率为P_Kmax，则通过上述公式(1)、(2)、(3)可求得RSSI能量的下限为：

$>{\overline{\mathrm{RSSI}}}_{\min }=\frac{1}{24576}{Q}^{-1}{\left(\frac{1-\sqrt{1-P_{K\max }}}{2(1-\frac{1}{\sqrt{K}})}\right)}^2·(K-1)·N_0·B·{\bar{\sigma }}^2---\left(4\right)$>

将系统参数：N₀＝4.1×10^-21W/Hz，K＝4，B＝1_MHz带入第(3)式，通过查询大X值的Q(X)函数表，可得其次，综合考虑终端电池的使用时间寿命和对周围环境的干扰以及人体的影响，我们将终端的最大功率定为50mW，由此我们得到

在通信结盟的拓扑结构设计中，我们创新的将GSM的蜂窝式网络架构经过变换后引入到设计中，提出了基于RSSI能量值检测的类蜂窝式拓扑结构，它不同于传统的以地理位置范围作为蜂窝大小选择原则的构架，它是将RSSI能量值的大小作为蜂窝大小的主要判断依据。通过前面在满足通信结盟后信噪比和误码率达到相应要求的前提下得到的RSSI值的下限将类比成蜂窝小区半径R来确定可以加入该小区的认知次用户，即：在每个类蜂窝小区内指定某认知次用户作为盟主，如果某认知次用户想加入该盟并且传给盟主的RSSI值大于RSSI值的下限并且波动方差σ²在系统允许的条件下，则盟主允许其入盟；若RSSI值小于RSSI值的下限则盟主不允许其加入该盟。其次，本联盟的拓扑结构是以认知次用户结成的盟所在的地理位置上最外围的认知次用户直线相连作为结成的盟的边界，盟的形状不固定也不一定为正六边形。这也是不同于传统的GSM蜂窝网络拓扑结构的地方。在不同的地理区域，基站根据类蜂窝式拓扑结构在认知次用户硬件平台的限定下(如功率限定、系统容量等)以系统最优准则选择组建各个通信盟，盟主协调盟内用户，不同区域依照通信吞吐量安放基站控制各通信盟，基站间的工作方式为互同步，通过以上架构来实现网络全地理覆盖。

结合图2所示，本发明的主要流程具体如下：

以某一系统基站BS(认知次用户的管理中心)为中心点，寻找其接收到认知次用户发来的RSSI的均值满足条件(n＝2k，k∈N⁺)并且波动方差σ²在系统允许的条件下的认知次用户，为系统根据自适应选定的通信结盟的结盟范围大小参数，设n取不同的数值时满足条件的认知次用户的集合为M_n，对于每次n的不同取值在M_n中选择建立6n个通信盟，每个通信盟先由基站初始化指定一盟主(后期根据盟主更新原则进行变更)。

(1)如果集合的个数|M|之6，则任意选定集合M中的一个认知次用户A，然后A再选择接收到的能量检测值约为的认知次用户B(若有多个，则选择最接近系统值要求的认知次用户)，然后B再选择接收到的能量检测值为的认知次用户C……这样可以找到6个认知次用户，N个通信盟盟成员(包括盟主)的极坐标表示形式为：

$>R=(n{\overline{\mathrm{RSSI}}}_L,\frac{2\mathrm{m\pi }}{3n})$>(n＝2k，m≤3n，n≤N，k，m∈N⁺)          (4-7)

基站端选择这6个认知次用户作为该盟(认知小区)的盟主。如果在相应的位置附近没有对应的节点，则降低对认知次用户达到门限值ε的要求以获得周围更多的可选节点，如果这样依然没有找到可选节点则停止在该节点附件的找寻。由此原因而造成的实际可用|M|＜6的情况按照下面的第二种情况处理。

(2).如果集合的个数|M|＜6，则选择该|M|个认知次用户节点暂时作为该盟(认知小区)的盟主，根据盟的建立和删除准则做相应修改，若两个盟主间值较大，则根据联盟博弈思想取消其中一个认知次用户作为盟主的权利，具体的操作指令由基站端负责决策发出。

如图3所示，是认知次用户分别在不结盟、只结盟情况下系统吞吐量随时间的变化图。由图中可以很明显的看出，结盟后吞吐量要明显地高于不结盟的情况下的吞吐量。