一种基于信道状态表示的动态频谱共享方法和系统.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201110101049.2

申请日:

2011.04.21

公开号:

CN102752758A

公开日:

2012.10.24

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情:

授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H04W 16/10申请日:20110421|||公开

IPC分类号:

H04W16/10(2009.01)I; H04W16/14(2009.01)I; H04W16/22(2009.01)I

主分类号:

H04W16/10

申请人:

中兴通讯股份有限公司

发明人:

唐万斌; 喻火根; 韩艳峰; 周栋; 李岩; 刘星; 任龙涛; 苗婷

地址:

518057 广东省深圳市南山区高新技术产业园科技南路中兴通讯大厦法务部

优先权:

专利代理机构:

北京派特恩知识产权代理事务所(普通合伙) 11270

代理人:

张颖玲;程立民

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内容摘要

本发明公开了一种基于信道状态表示的动态频谱共享方法,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;本发明同时还公开了一种基于信道状态表示的动态频谱共享系统,通过本发明的方案,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。

权利要求书

1.一种基于信道状态表示的动态频谱共享方法,其特征在于,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。2.根据权利要求1所述的动态频谱共享方法,其特征在于,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′。3.根据权利要求1所述的动态频谱共享方法,其特征在于,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″。4.根据权利要求1所述的动态频谱共享方法,其特征在于,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。5.根据权利要求2所述的动态频谱共享方法,其特征在于,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。6.根据权利要求2所述的动态频谱共享方法,其特征在于,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7.根据权利要求3所述的动态频谱共享方法,其特征在于,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。8.根据权利要求7所述的动态频谱共享方法,其特征在于,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9.根据权利要求4所述的动态频谱共享方法,其特征在于,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。10.一种基于信道状态表示的动态频谱共享系统,其特征在于,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。

说明书

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

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

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

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。

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1、(10)申请公布号 CN 102752758 A (43)申请公布日 2012.10.24 C N 1 0 2 7 5 2 7 5 8 A *CN102752758A* (21)申请号 201110101049.2 (22)申请日 2011.04.21 H04W 16/10(2009.01) H04W 16/14(2009.01) H04W 16/22(2009.01) (71)申请人中兴通讯股份有限公司 地址 518057 广东省深圳市南山区高新技术 产业园科技南路中兴通讯大厦法务部 (72)发明人唐万斌 喻火根 韩艳峰 周栋 李岩 刘星 任龙涛 苗婷 (74)专利代理机构北京派特恩知识产权。

2、代理事 务所(普通合伙) 11270 代理人张颖玲 程立民 (54) 发明名称 一种基于信道状态表示的动态频谱共享方法 和系统 (57) 摘要 本发明公开了一种基于信道状态表示的动态 频谱共享方法,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;本发明同时还公开了一种基于信道状态表示 的动态频谱共享系统,通过本发明的方案,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。

3、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。 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书11页 附图1页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 11 页 附图 1 页 1/2页 2 1.一种基于信道状态表示的动态频谱共享方法,其特征在于,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。 2.根据权利要求1所述的动态频谱共享。

4、方法,其特征在于,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。 3.根据权利要求1所述的动态频谱共享方法,其特征在于,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。 4.根据权利要求1所述的动态频谱共享方法,其特征在于,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。

5、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。 5.根据权利要求2所述的动态频谱共享方法,其特征在于,所述Q 1 中的元素值 为: 其中,N为信道个数,S i ,S j S,i(1,2.2 N ),j(1,2.2 N ),S为主系统的状态 空间,k i 为S i 中X的个数,假设主用户按泊松过程到达,到达率为 1 ,主用户服务时间服从 负指数分布,服务强度为 1 。 6.根据权利要求2所述的动态频谱共享方法,其特征在于,所述Q 2 中的元素值 为: 其中,S i ,S j S,i(1,2.2 N ),j(1,2.2 N ),S为主系统的状态空间,k 。

6、i 为S i 中 X的个数,的值取决于主系统的调度算法,满足 7.根据权利要求3所述的动态频谱共享方法,其特征在于,所述Q 1 中的元素 为: 其中,i(1,2.2 N ),j(1,2.2 N );S i S j 表示主系统从状态S i 转移到状态S j ; 权 利 要 求 书CN 102752758 A 2/2页 3 为在主用户不发生变化时,只有次用户使用S i 状态中空闲信道的状态转移概率矩阵; 表示起始状态为S i 状态中的X取0和2的所有可能状态S i ,终止状态为S j 状态中的 X取0和2的所有可能状态S j 的状态矩阵。 8.根据权利要求7所述的动态频谱共享方法,其特征在于,所述。

7、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 9.根据权利要求4所述的动态频谱共享方法,其特征在于,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。 10.一种基于信道状态表示的动态频谱共享系统,其特征在于,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。

8、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。 权 利 要 求 书CN 102752758 A 1/11页 4 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 0001 本发明涉及无线通信系统中动态频谱共享技。

9、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 0002 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。 0003 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。

10、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 0004 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。 0005 为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的: 0006 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: 0007 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。

11、 能,再根据所述次用户的通信性能确定次用户的接入策略。 0008 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。 0009 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。 0010 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。

12、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。 0011 上述方案中,所述Q 1 中的元素值为: 0012 说 明 书CN 102752758 A 2/11页 5 0013 其中,N为信道个数,S i ,S j S,i(1,2.2 N ),j(1,2.2 N ),S为主系统的 状态空间,k i 为S i 中X的个数,假设主用户按泊松过程到达,到达率为 1 ,主用户服务时间 服从负指数分布,服务强度为 1 。 0014 上述方案中,所述Q 2 中的元素值为: 0015 0016 其中,S i ,S j S,i(1,2.2 N ),j(1,2.2 N ),S。

13、为主系统的状态空间,k i 为 S i 中X的个数,的值取决于主系统的调度算法,满足 0017 上述方案中,所述Q 1 中的元素为: 0018 0019 其中,i(1,2.2 N ),j(1,2.2 N );SiS j 表示主系统从状态S i 转移到状 态S j ;为在主用户不发生变化时,只有次用户使用S i 状态中空闲信道的状态转移概率矩 阵;表示起始状态为S i 状态中的X取0和2的所有可能状态S i ,终止状态为S j 状态 中的X取0和2的所有可能状态S j 的状态矩阵。 0020 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: 0021。

14、 0022 对应的Q 2 的元素值为: 0023 说 明 书CN 102752758 A 3/11页 6 0024 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 0025 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。 0026 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。

15、统接入模块;其中, 0027 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; 0028 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; 0029 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; 0030 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; 0031 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。 0032 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。

16、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 0033 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; 0034 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。

17、结构示意图。 具体实施方式 0035 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。 0036 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。 说 明 书CN 102752758 A 4/11页 7 0037 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: 0038 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; 0039 本步骤中,假设各信道。

18、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; 0040 具体的,假设系统中存在N个信道,令X i (t)(i1,2,.N)表示主系统中第i个 信道的占用情况,若X i (t)X,则表示信道i未被主用户占用;若X i (t)1,则表示信道 i被主用户占用。过程(X 1 (t),X 2 (t),.,X N (t)为一个N维马尔可夫过程,其状态空间S (n 1 ,n 2 ,.,n N )|n 1 ,n 2 ,.n N X,1。显然,主系统状态转。

19、移矩阵Q共存在2 N 种状 态。假设X状态记为0,则2 N 种状态可看成2 N 个二进制数,在状态空间S中这2 N 个二进制 数以从小到大的顺序排列。以N3为例,S(S 1 ,S 2 ,.,S 8 )。其中S 1 (X,X,X),S 2 (X,X,1),S 3 (X,1,X),S 4 (X,1,1),S 5 (1,X,X),S 6 (1,X,1),S 7 (1,1,X),S 8 (1,1,1)。 0041 当信道数为N时,Q 1 为: 0042 0043 其中,Q 1 的元素值表示主系统从状态S i 转变为S j 的转移速率,这里S i , S j S。 0044 假设S i 中X的个数为k 。

20、i ,为主用户可用信道数目,则主用户数目为N-k i 。定义信 道状态比较公式为:对S i 和S j 进行对比,当N个信道的对 比结果中只有X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: 0045 0046 其中,假设主用户按泊松过程到达,到达率为 1 ,主用户服务时间服从负指数分 布,服务强度为 1 。 说 明 书CN 102752758 A 5/11页 8 0047 下面以N3为例,Q 1 为: 0048 0049 当信道数为N时,。

21、Q 2 为: 0050 0051 其中,根据的对比结果,得到Q 2 的元素值的表达式为: 0052 0053 其中,k i 为S i 中X的个数,的值取决于主系统的调度算法,满足 0054 下面以N3为例,Q 2 为: 0055 说 明 书CN 102752758 A 6/11页 9 0056 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 。 0057 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; 0058 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。

22、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。 0059 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S i 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S i 对应了多个次系统状态,即:若 主系统状态S i 包含X的数目为k i ,则该状态中包含种次系统状态。令S i 。

23、表示对应于主 系统状态S i 的次系统状态,假设X2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N3为例,取第二个主系 统状态S 2 XX1,则该状态中2 2 种次系统状态为:(001,021,201,221); 0060 以Q 1 中的元素表示主系统状态从S i 转变为S j 的业务矩阵,矩阵大小 为对S i 和S j 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S i 和S j 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。

24、不可能情况。根 据的对比结果,得到表达式为: 0061 0062 其中,i(1,2.2 N ),j(1,2.2 N );S i S j 表示主系统从状态S i 转移到状 态S j ;为在主用户不发生变化时,只有次用户使用S i 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 说 明 书CN 102752758 A 7/11页 10 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。

25、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: 0063 0064 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 2 ,次用户 服务时间服从负指数分布,服务强度为 2 。 0065 信道数为N时,为: 0066 0067 上述中,的大小为其表示起始状态为S i 状态中的X取0和2的所有可 能状态S i ,终止状态为S j 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: 0068 0069 其中M表示S i 状态中空闲信道的个数。 0070 信道数为N时,为: 0071 说 明 书CN 102752758 A 10 8/11页。

26、 11 0072 下面以信道数N3为例,主系统由状态XX1转移到状态X11时,计算得到Q 1 为: 0073 0074 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。 0075 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。

27、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: 0076 0077 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 0078 在信道数为N时,对应的Q 2 为: 0079 说 明 书CN 102752758 A 11 9/11页 12 0080 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: 0081 0082 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 0083 在信道数为N时,对应的Q 2 为: 0084 0085 根据上述获得的Q 1 和Q 2 ,得到次。

28、系统的状态转移矩阵Q:Q Q 1 Q 2 。 0086 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; 0087 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。 0088 这里,用表示S i S j 状态转移时的Q的合成子矩阵,q表示主系统状态转移 说 明 书CN 102752758 A 12 10/11页 13 矩阵Q中的元素,则为: 0089 0090 其中,I表示单位矩阵。 0091 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; 0092 具体的,根。

29、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: 0093 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。

30、在可用信道时的稳 态概率。 0094 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P drop 、中断概率P block 和切换概率P handoff 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,P drop 为当前的次用户阻塞概率,为预定义 的次用户阻塞概率,P block 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 1 和 1 以及次系统参数 2 ,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 2 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 2 的中断概率曲线,中断。

31、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 2 对次用户通信中 断的影响。 0095 次系统可通过调整次用户呼叫到达率 2 ,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 2 进行控制。如果当前时刻则次系统减少次用户呼叫到达率 2 ,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 2 ,使 增加次用户呼叫到达率 2 后的次系统满足 0096 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。

32、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; 0097 0098 其中,和是全0和全1的列向量。 0099 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, 说 明 书CN 102752758 A 13 11/11页 14 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, 0100 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; 0101 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。

33、行建模; 0102 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; 0103 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; 0104 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。 0105 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; 0106 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。

34、Q 2 得到次系统的状态转移矩阵 Q; 0107 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; 0108 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; 0109 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。 0110 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。 说 明 书CN 102752758 A 14 1/1页 15 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102752758 A 15 。

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