一种基于信道状态表示的动态频谱共享方法和系统技术领域
本发明涉及无线通信系统中动态频谱共享技术,尤其涉及一种基于信道状
态表示的动态频谱共享方法和系统。
背景技术
随着无线通信业务的迅猛发展,无线频谱资源变得越来越紧张。然而从现
有的测量数据来看,基于固定频谱分配的现有频谱分配制度有着很低的资源利
用率。为了提高现有频谱的利用率,动态频谱共享的概念应运而生。
将拥有频谱使用权的通信系统称为主系统,未获得频谱使用权,只能以“机
会频谱接入”的方式利用空闲频谱进行通信的通信系统称为次系统。目前已有
的动态频谱共享系统模型假设主系统的用户,以下简称主用户,对每个信道的
使用是完全随机的;次系统的用户,以下简称次用户,在频谱感知的基础上,
对当前空闲信道的使用也是随机的,即每个信道占用的概率也是相同的。这样
不切合实际的假设条件,会使动态频谱共享系统的性能分析和仿真偏差变大,
不利于用户的接入控制。
发明内容
有鉴于此,本发明的主要目的在于提供一种基于信道状态表示的动态频谱
共享方法和系统,使动态频谱共享系统的性能分析和仿真更加准确,减少信道
冲突和切换时延。
为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:
本发明提供的一种基于信道状态表示的动态频谱共享方法,该方法包括:
根据业务特性和调度算法分别对主、次系统的信道状态进行建模;根据主、
次系统各自的模型,对动态频谱共享系统建立统一模型;根据所述统一模型,
获得次用户的通信性能,再根据所述次用户的通信性能确定次用户的接入策略。
上述方案中,所述根据业务特性和调度算法对主系统的信道状态进行建模,
为:根据主系统的业务特性形成业务矩阵Q′1,并根据主系统的调度算法形成调
度矩阵Q′2,将Q′1点乘Q′2得到主系统的状态转移矩阵Q′。
上述方案中,所述根据业务特性和调度算法对次系统的信道状态进行建模,
为:根据次系统的业务特性形成业务矩阵Q″1,并根据次系统的调度算法形成调
度矩阵Q″2,将Q″1点乘Q″2得到次系统的状态转移矩阵Q″。
上述方案中,得到根据主、次系统各自的模型,对动态频谱共享系统建立
统一模型,为:将次系统的状态转移矩阵Q″嵌入到主系统的状态转移矩阵Q′中,
得到动态频谱共享系统的状态转移矩阵Q。
上述方案中,所述Q′1中的元素值为:
其中,N为信道个数,Si,Sj∈S,i∈(1,2...2N),j∈(1,2...2N),S为主系统的状
态空间,ki为Si中X的个数,假设主用户按泊松过程到达,到达率为λ1,主用户
服务时间服从负指数分布,服务强度为μ1。
上述方案中,所述Q′2中的元素值为:
其中,Si,Sj∈S,i∈(1,2...2N),j∈(1,2...2N),S为主系统的状态空间,ki为Si中
X的个数,的值取决于主系统的调度算法,满足
上述方案中,所述Q″1中的元素为:
其中,i∈(1,2...2N),j∈(1,2...2N);Si→Sj表示主系统从状态Si转移到状态Sj;
为在主用户不发生变化时,只有次用户使用Si状态中空闲信道的状态转移概
率矩阵;表示起始状态为Si状态中的X取0和2的所有可能状态S′i,终止
状态为Sj状态中的X取0和2的所有可能状态S′j的状态矩阵。
上述方案中,所述Q″2分为对应的Q″2和对应的Q″2,其中,
对应的Q″2的元素值为:
对应的Q″2的元素值为:
其中,M表示S′i状态中空闲信道的个数;的值取决于调度策略,且满
足
上述方案中,所述根据所述统一模型,获得次用户的通信性能,再根据所
述次用户的通信性能确定次用户的接入策略,为:根据动态频谱共享系统的状
态转移矩阵Q计算稳态概率向量,根据所述稳态概率向量获得次用户的通信性
能,再根据所述次用户的通信性能确定次用户的接入策略。
本发明提供的一种基于信道状态表示的动态频谱共享系统,该系统包括:
主系统建模模块、次系统建模模块、统一模型建立模块、性能分析模块和次系
统接入模块;其中,
所述主系统建模模块,用于根据主系统的业务特性和调度算法对主系统的
信道状态进行建模;
所述次系统建模模块,用于根据次系统的业务特性和调度算法对次系统的
信道状态进行建模;
所述统一模型建立模块,用于根据主、次系统各自的模型,对动态频谱共
享系统建立统一模型;
所述性能分析模块,用于根据统一模型获得次用户的通信性能;
所述次系统接入模块,用于根据所述次用户的通信性能确定次用户的接入
策略。
本发明提供了一种基于信道状态表示的动态频谱共享方法和系统,根据业
务特性和调度算法分别对主、次系统的信道状态进行建模;根据主、次系统各
自的模型,对动态频谱共享系统建立统一模型;根据所述统一模型,获得次用
户的通信性能,再根据所述次用户的通信性能确定次用户的接入策略。如此,
能够为动态频谱共享系统的性能分析和仿真提供更切合实际的条件假设,使动
态频谱共享系统的性能分析和仿真更加准确,有利于动态频谱共享系统提前将
次用户切换到发生切换概率较小的信道,减少冲突和切换时延,并可以根据系
统的性能要求,预测在一段时间内,动态频谱共享系统能够接纳的用户数,为
接入控制提供依据。
附图说明
图1为本发明实现一种基于信道状态表示的动态频谱共享方法的流程示意
图;
图2为本发明实现一种基于信道状态表示的动态频谱共享系统的结构示意
图。
具体实施方式
本发明的基本思想是:根据业务特性和调度算法分别对主、次系统的信道
状态进行建模;根据主、次系统各自的模型,对动态频谱共享系统建立统一模
型;根据所述统一模型,获得次用户的通信性能,再根据所述次用户的通信性
能确定次用户的接入策略。
下面通过附图及具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明实现一种基于信道状态表示的动态频谱共享方法,如图1所示,该
方法包括以下几个步骤:
步骤101:根据主系统的业务特性和调度算法对主系统的信道状态进行建
模;
本步骤中,假设各信道的调度概率相同,根据主系统的业务特性形成业务
矩阵Q′1,并根据主系统的调度算法形成调度矩阵Q′2,将Q′1点乘Q′2得到主系统的
状态转移矩阵Q′;所述主系统的业务特性一般是主用户的到达或离去;
具体的,假设系统中存在N个信道,令Xi(t)(i=1,2,...N)表示主系统中第i个信
道的占用情况,若Xi(t)=X,则表示信道i未被主用户占用;若Xi(t)=1,则表示
信道i被主用户占用。过程(X1(t),X2(t),...,XN(t))为一个N维马尔可夫过程,其状态
空间S={(n1,n2,...,nN)|n1,n2,...nN∈{X,1}}。显然,主系统状态转移矩阵Q′共存在2N种
状态。假设X状态记为0,则2N种状态可看成2N个二进制数,在状态空间S中这
2N个二进制数以从小到大的顺序排列。以N=3为例,S=(S1,S2,...,S8)。其中
S1=(X,X,X),S2=(X,X,1),S3=(X,1,X),S4=(X,1,1),S5=(1,X,X),S6=(1,X,1),
S7=(1,1,X),S8=(1,1,1)。
当信道数为N时,Q′1为:
其中,Q′1的元素值表示主系统从状态Si转变为Sj的转移速率,这里
Si,Sj∈S。
假设Si中X的个数为ki,为主用户可用信道数目,则主用户数目为N-ki。
定义信道状态比较公式为:对Si和Sj进行对比,
当N个信道的对比结果中只有X时,则表示状态Si和Sj是同一状态;当对比结
果中只有一个信道为1时,则说明该信道发生变化;当对比结果中有多于一个
信道为1时,则说明多个信道发生变化,为不可能情况。根据的对比结果,
得到表达式为:
其中,假设主用户按泊松过程到达,到达率为λ1,主用户服务时间服从负
指数分布,服务强度为μ1。
下面以N=3为例,Q′1为:
当信道数为N时,Q′2为:
其中,根据的对比结果,得到Q′2的元素值的表达式为:
其中,ki为Si中X的个数,的值取决于主系统的调度算法,满足
下面以N=3为例,Q′2为:
根据上述获得的Q′1和Q′2,得到主系统的状态转移矩阵Q′:Q′=Q′1·×Q′2。
步骤102:根据次系统的业务特性和调度算法对次系统的信道状态进行建
模;
本步骤中,假设各信道的调度概率相同,根据次系统的业务特性形成业务
矩阵Q″1,并根据次系统的调度算法形成调度矩阵Q″2,将Q″1点乘Q″2得到次系统的
状态转移矩阵Q″;所述次系统的业务特性一般是次用户的到达或离去。
具体的,Q″1是假设各信道的调度概率相同,只考虑次用户的到达或离去而
形成的业务矩阵,Q″2是只考虑次系统调度算法而形成的调度矩阵,其矩阵的大
小是根据当前可用信道的数量变化的。主系统的状态转移矩阵Q′的每个元素对
应着一个次系统的状态转移矩阵Q″。这是由于在主系统中,主系统状态Si中信
道只有X和1两种状态,而在次系统中,X可以进一步取0和2两种状态,因
此主系统状态Si对应了多个次系统状态,即:若主系统状态Si包含X的数目为ki,
则该状态中包含种次系统状态。令S′i表示对应于主系统状态Si的次系统状态,
假设X=2状态记为1,则种序列可看成个二进制数,将该个二进制数以
从小到大的顺序排列得到S′i。这里,以信道数N=3为例,取第二个主系统状态
S2=XX1,则该状态中22种次系统状态为:(001,021,201,221);
以Q″1中的元素表示主系统状态从Si转变为Sj的业务矩阵,矩阵大
小为对Si和Sj进行对比,此时存在三种情况:当N个信道的对
比结果中只有X时,则表示状态Si和Sj是同一状态;当对比结果中只有一个信
道为1时,则说明该信道发生变化;当对比结果中有多于一个信道为1时,则
说明多个信道发生变化,为不可能情况。根据的对比结果,得到表
达式为:
其中,i∈(1,2...2N),j∈(1,2...2N);Si→Sj表示主系统从状态Si转移到状态Sj;
为在主用户不发生变化时,只有次用户使用Si状态中空闲信道的状态转移概
率矩阵,其具体求解过程与主系统状态转移矩阵Q′1类似,包括:定义信道状态
比较公式:按照定义的信道状态比较公式进行
对比,当N个信道的对比结果中只有0,则表示状态S′i和S′j是同一状态;当对
比结果中只有一个信道为2,则说明该信道发生变化;当对比结果中有大于一
个信道为2,则说明为多个信道发生变化,为不可能情况。根据的对比结
果,得到的元素值为:
其中,M表示S′j空闲信道数,假设次用户按泊松过程到达,到达率为λ2,
次用户服务时间服从负指数分布,服务强度为μ2。
信道数为N时,为:
上述中,的大小为其表示起始状态为Si状态中的X取0和2
的所有可能状态S′i,终止状态为Sj状态中的X取0和2的所有可能状态S′j的状
态矩阵。中的元素值定义为:
其中M表示S′i状态中空闲信道的个数。
信道数为N时,为:
下面以信道数N=3为例,主系统由状态XX1转移到状态X11时,计算得
到Q″1为:
对于Q″2的计算,分为对应的Q″2和对应的Q″2,其中,对应的Q″2表
示在主用户没有到达或离去时,次系统的调度矩阵;对应的Q″2表示在主用
户刚好到达次用户正在使用的信道时,次用户切换到其余空闲信道的调度矩阵,
此时,Q″2受限于次系统的调度策略。
在计算对应的Q″2时,定义信道状态比较公式:
按照所述信道状态比较公式进行对比,当N个
信道的对比结果中只有0时,则表示状态S′i和S′j是同一状态;当对比结果中只
有一个信道为2时,则说明该信道发生变化;当对比结果中有大于一个信道为
2时,则说明多个信道发生变化,为不可能情况。根据的对比结果,得到
Q″2的元素值为:
其中,M表示S′i状态中空闲信道的个数;的值取决于调度策略,且满
足
在信道数为N时,对应的Q″2为:
在计算对应的Q″2时,根据的对比结果,得到Q″2的元素值为:
其中M表示S′i状态中空闲信道的个数;的值取决于调度策略,且满足
在信道数为N时,对应的Q″2为:
根据上述获得的Q″1和Q″2,得到次系统的状态转移矩阵Q″:Q″=Q″1·×Q″2。
步骤103:根据主、次系统各自的模型,对动态频谱共享系统建立统一模
型;
具体的,将次系统的状态转移矩阵Q″嵌入到主系统的状态转移矩阵Q′中,
得到动态频谱共享系统的状态转移矩阵Q。
这里,用表示Si→Sj状态转移时的Q的合成子矩阵,q′表示主系统状态
转移矩阵Q′中的元素,则为:
Q S I S J = q ′ I + Q ′ ′ , i = j q ′ Q ′ ′ , i ≠ j ]]>
其中,I表示单位矩阵。
步骤104:根据所述统一模型,获得次用户的通信性能,再根据所述次用
户的通信性能确定次用户的接入策略;
具体的,根据动态频谱共享系统的状态转移矩阵Q计算稳态概率向量,根
据所述稳态概率向量获得次用户的通信性能,再根据所述次用户的通信性能和
次系统的服务等级(GOS:grade-of-service)要求确定次用户的接入策略,所述
次用户的通信性能包括:次用户的阻塞概率、用户中断概率和切换概率等;比
如:
在获得状态转移矩阵Q后,由于状态转移矩阵Q满足马尔可夫性,因此可
以通过状态转移矩阵求解稳态概率向量。对于稳态概率向量,其元素值表示动
态频谱共享系统达到稳态时各状态的平均概率。根据稳态概率向量,可以对系
统的各种性能进行概率值的分析,如:根据稳态概率向量获得阻塞概率,该阻
塞概率即为到达的用户不存在可用信道时的稳态概率。
所述次系统的GOS要求是为了对次用户提供GOS保证,次系统根据次用
户阻塞概率Pdrop、中断概率Pblock和切换概率Phandoff等性能,而定义的次系统的
GOS。如:次系统GOS的一种定义为:其中,Pdrop为
当前的次用户阻塞概率,为预定义的次用户阻塞概率,Pblock为当前的次用户
中断概率,为预定义的次用户中断概率。对于特定的主系统参数λ1和μ1以
及次系统参数μ2,次用户的阻塞概率、中断概率和切换概率等性能可表征为次
系统参数λ2的函数。如:通过稳态概率向量,得到次系统随次用户呼叫到达率λ2
的中断概率曲线,中断概率是单位时间内中断的次用户数与接入系统的次用户
数之比,通过中断概率性能曲线,可以很明显的看到次用户呼叫到达率λ2对次
用户通信中断的影响。
次系统可通过调整次用户呼叫到达率λ2,从而使次系统满足特定的GOS要
求。若次系统GOS的一种定义为:则次系统通过得到的中断概率
性能曲线对次用户呼叫到达率λ2进行控制。如果当前时刻则次系统
减少次用户呼叫到达率λ2,使次系统满足如果当前时刻
则次系统增加次用户呼叫到达率λ2,使增加次用户呼叫到达率λ2后的次系统满
足
本步骤中,由于动态频谱共享系统的状态转移矩阵Q满足马尔可夫性,即
遍历的齐次连续参数马尔科夫过程存在极限稳态分布,且所有状态的稳态概率
之和为1,所以稳态概率向量∏可以由下式求解;
ΠQ = 0 → Π e → = 1 ]]>
其中,和是全0和全1的列向量。
为了实现上述方法,本发明还提供一种基于信道状态表示的动态频谱共享
系统,如图2所示,该系统包括:主系统建模模块21、次系统建模模块22、统
一模型建立模块23、性能分析模块24和次系统接入模块25;其中,
所述主系统建模模块21,用于根据主系统的业务特性和调度算法对主系统
的信道状态进行建模;
所述次系统建模模块22,用于根据次系统的业务特性和调度算法对次系统
的信道状态进行建模;
所述统一模型建立模块23,用于根据主、次系统各自的模型,对动态频谱
共享系统建立统一模型;
所述性能分析模块24,用于根据统一模型获得次用户的通信性能;
所述次系统接入模块25,用于根据所述次用户的通信性能确定次用户的接
入策略。
所述主系统建模模块21,具体用于根据主系统的业务特性形成业务矩阵
Q′1,并根据主系统的调度算法形成调度矩阵Q′2,将Q′1点乘Q′2得到主系统的状态
转移矩阵Q′;
所述次系统建模模块22,具体用于根据次系统的业务特性形成业务矩阵
Q″1,并根据次系统的调度算法形成调度矩阵Q″2,将Q″1点乘Q″2得到次系统的状态
转移矩阵Q″;
所述统一模型建立模块23,具体用于将次系统的状态转移矩阵Q″嵌入到主
系统的状态转移矩阵Q′中,得到动态频谱共享系统的状态转移矩阵Q;
所述性能分析模块24,具体用于根据动态频谱共享系统的状态转移矩阵Q
计算稳态概率向量,根据所述稳态概率向量获得次用户的通信性能;
所述次系统接入模块25,具体用于根据所述次用户的通信性能和次系统的
GOS要求,控制次用户的接入。
以上所述,仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范
围。