机会频谱共享系统中信道容量分析方法.pdf

机会频谱共享系统中信道容量分析方法基本思想是分析次用户信号干扰噪声比(SINR)，并以此分析次用户信道容量与传统信道容量的不同，确定机会频谱共享系统中影响次用户信道容量的主要因素。分析次用户信号干扰噪声比SINR，并以此分析次用户信道容量与传统信道容量的不同，确定机会频谱共享系统中影响次用户信道容量的主要因素；在机会频谱共享系统中，次用户设计其传输帧长、检测时间以及进行效用函数设计时，都需要考虑次用户信道容量，在设计初期，次用户需要在带外进行相应的理论分析，并存储在表格中，该表格内容随着授权用户、授权信道、次用户移动因素的变化而变化。为机会频谱共享系统提供了物理层和MAC层关键技术设计的理论分析基础和依据。

1.  一种机会频谱共享系统中信道容量分析方法，其特征在于分析次用户信号干扰噪声比SINR，并以此分析次用户信道容量与传统信道容量的不同，确定机会频谱共享系统中影响次用户信道容量的主要因素；在机会频谱共享系统中，次用户设计其传输帧长、检测时间以及进行效用函数设计时，都需要考虑次用户信道容量，在设计初期，次用户需要在带外进行相应的理论分析，并存储在表格中，该表格内容随着授权用户、授权信道、次用户移动因素的变化而变化，具体方法为：
步骤一：在进行参数设计之前，首先进行对主用户的距离检测，次用户检测距离D，并判断主次用户之间的距离，若次用户在主用户干扰距离范围内，此时，次用户退出对该主用户信道的检测，之后寻找其它授权信道；若次用户在主用户干扰距离范围外，次用户继续进行环境检测；
步骤二：环境检测，包括检测在授权信道上传输信息时信道的传输环境，确定授权信道的衰落特性以及信道的衰落类型；
步骤三：进行次用户发送端对主用户发送端、接收端以及次用户接收端位置信息的检测，同时次用户通过历史数据预测或者侦听主用户的广播信息获得主用户对授权信道占用的特性信息β1；
步骤四：在获得以上参数之后，进行理论容量的计算和分析，次用户计算衰落信道条件下，未发生碰撞时可达到吞吐量的一个平均容量界值，该值的计算是对授权信道衰落特性、主次用户功率以及位置信息、以及主用户对授权信道使用特性等信息参数进行综合分析后得到。该平均容量界值是包含次用户传输帧长等设计参数在内的函数表达式；
步骤五：根据平均容量界值表达式，一方面可以在次用户传输参数，如帧长、检测时间固定的情况下，分析授权信道传输特性对次用户传输性能的影响，为次用户在多个授权信道之间选择最优信道提供依据；另一方面可以在给定授权信道条件下，优化次用户的传输参数；
步骤六：以得到的平均容量界值表达式为效用函数，通过最优化准则获取所需要的设计参数；如果参数为次用户传输帧长和检测时间长度，根据最优化准则，以最大化平均容量界值为目标得到所需参数的最优值；
步骤七：将结果报告给次用户发送端和接收端，进行数据的传输和同步。
在次用户理论分析阶段，次用户发送端需要在带外建立相应的表格存储信息，并且该信息随着授权信道衰落特性、主次用户功率以及位置信息、以及主用户对授权信道使用特性等信息参数的改变而进行实时更新。

机会频谱共享系统中信道容量分析方法
技术领域
本发明通常涉及一种分析认知网络中机会频谱共享系统的认知用户(次用户)信道容量的新策略。该策略提供分析信道容量的理论基础，以及次用户设计传输参数的理论依据，并作为优化机会频谱共享系统性能的理论指标。该方案的基本思想是分析次用户信号干扰噪声比(SINR)，并以此分析次用户信道容量与传统信道容量的不同，确定机会频谱共享系统中影响次用户信道容量的主要因素。
背景技术
1948年，现代数字通信的奠基人香农在信道编码定理中指出，只要随机编码的码长足够大，就可以进行无限逼近信道容量C的通信并使错误概率任意小。自香农之后，人们不懈地向逼近信道容量的方向努力。并产生了计算信道容量的香农(Shannon)信道容量公式。香农公式表明的是当信号与信道加性高斯白噪声的平均功率给定时，在具有一定频带宽度的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。
然而，无线通信技术发展至今，通信信道和通信环境已经远远超出香农时代的想象。现在的认知网络和认知通信使得通信信道更加复杂多变。除了传统的广播信道、多元接入信道，还出现了中继信道、干扰信道等信道类型。随着信道复杂度的增加，简单的香农公式已经不能涵盖决定通信容量的各种因素。尤其在认知网络中，由于各种频谱共享技术的出现，主次用户之间或共存于同一个信道中，或交替出现在同一个信道中，更增加了信道的时变性和随机性。因此，进一步分析共享或者共存通信情况下的信道容量，是分析和改进认知网络技术和性能的理论基础和依据。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种机会频谱共享系统中信道容量分析方法，用来作为认知用户(次用户)设计传输参数的理论依据，分析信道容量的理论基础，并作为优化机会频谱共享系统性能的理论指标。该理论基础，至少基本上解决上述问题和/或缺点，并至少提供下面的优点。因此，本发明提供一种分析和改进认知网络技术和性能的理论基础和依据。
技术方案：本发的一种机会频谱共享系统中信道容量分析方法明基于以上考虑，首先分析机会频谱共享系统中次用户信号干扰噪声比(SINR)的变化特性。其次分析机会频谱共享系统中授权信道对次用户SINR的影响。最后将得出的机会频谱共享系统中次用户信道容量用于实际应用设计中。
分析次用户信号干扰噪声比SINR，并以此分析次用户信道容量与传统信道容量的不同，确定机会频谱共享系统中影响次用户信道容量的主要因素；在机会频谱共享系统中，次用户设计其传输帧长、检测时间以及进行效用函数设计时，都需要考虑次用户信道容量，在设计初期，次用户需要在带外进行相应的理论分析，并存储在表格中，该表格内容随着授权用户、授权信道、次用户移动因素的变化而变化，具体方法为：
步骤一：在进行参数设计之前，首先进行对主用户的距离检测，次用户检测距离D，并判断主次用户之间的距离，若次用户在主用户干扰距离范围内，此时，次用户退出对该主用户信道的检测，之后寻找其它授权信道；若次用户在主用户干扰距离范围外，次用户继续进行环境检测；
步骤二：环境检测，包括检测在授权信道上传输信息时信道的传输环境，确定授权信道的衰落特性以及信道的衰落类型；
步骤三：进行次用户发送端对主用户发送端、接收端以及次用户接收端位置信息的检测，同时次用户通过历史数据预测或者侦听主用户的广播信息获得主用户对授权信道占用的特性信息β₁；
步骤四：在获得以上参数之后，进行理论容量的计算和分析，次用户计算衰落信道条件下，未发生碰撞时可达到吞吐量的一个平均容量界值，该值的计算是对授权信道衰落特性、主次用户功率以及位置信息、以及主用户对授权信道使用特性等信息参数进行综合分析后得到。该平均容量界值是包含次用户传输帧长等设计参数在内的函数表达式；
步骤五：根据平均容量界值表达式，一方面可以在次用户传输参数，如帧长、检测时间固定的情况下，分析授权信道传输特性对次用户传输性能的影响，为次用户在多个授权信道之间选择最优信道提供依据；另一方面可以在给定授权信道条件下，优化次用户的传输参数；
步骤六：以得到的平均容量界值表达式为效用函数，通过最优化准则获取所需要的设计参数；如果参数为次用户传输帧长和检测时间长度，根据最优化准则，以最大化平均容量界值为目标得到所需参数的最优值；
步骤七：将结果报告给次用户发送端和接收端，进行数据的传输和同步。
在次用户理论分析阶段，次用户发送端需要在带外建立相应的表格存储信息，并且该信息随着授权信道衰落特性、主次用户功率以及位置信息、以及主用户对授权信道使用特性等信息参数的改变而进行实时更新。
有益效果：实验结果证明，该容量理论融合了影响次用户传输速率和传输质量以及次用户对主用户干扰的各种主要因素，为机会频谱共享系统提供了物理层和MAC层关键技术设计的理论分析基础和依据。
附图说明
通过下面结合附图并进行的详细描述，本发明的上述和其它目的、特点和优点将变得更加清楚，其中；
图1示出了主次用户占用授权信道以及检测授权信道的帧结构案例。
图2示出了机会频谱共享系统中主次用户位置案例。
图3示出了本发明容量理论指导实际案例设计的流程图。
具体实施方式
首先，这里定义的术语定义如下：
SINR：次用户的信号干扰噪声比
γ：SINR
β₀：主用户占用信道的平均持续时间
β₁：主用户释放信道的平均持续时间
t：主用户由占用信道到释放信道所用的时间
tt：主用户由释放信道到占用信道所用的时间
i：次用户对主用户的检测时间
T：次用户的帧长
T_i：次用户i的帧长
P₀：主用户在次用户接收端的接收功率
P_s：次用户在次用户接收端的接收功率
P_t0：主用户发送端的发送功率
P_ts：次用户发送端的发送功率
P_th：主用户接收端可容忍的干扰功率门限
γ_th：主用户接收端可容忍的SINR门限
N：系统当前次用户数目
N₀：AWGN功率
N_j：SINR电平穿越SINR门限γ_j的电平交叉率
P()：概率密度函数
f()：指数分布函数
B：授权信道的信道带宽
α：路径衰减因子
γ_c(T，τ，P_s，P₀)：与主用户发生碰撞时次用户的瞬时SINR
与主用户发生碰撞时次用户的平均SINR
γ_nc(T，τ，P_s，P₀)：未与主用户发生碰撞时次用户的瞬时SINR
未与主用户发生碰撞时次用户的平均SINR
未与主用户发生碰撞时次用户可达到吞吐量的平均最低界
f_D：衰落信道的最大多普勒频率
衰落信道的平均SINR
r_pp：主用户发送端到主用户接收端的距离
h_pp：主用户发送端到主用户接收端的无线传输信道衰落因子
r_ps：主用户发送端到次用户接收端的距离
h_ps：主用户发送端到次用户接收端的无线传输信道衰落因子
r_ss：次用户发送端到次用户接收端的距离
h_ss：次用户发送端到次用户接收端的无线传输信道衰落因子
r_sp：次用户发送端到主用户接收端的距离
h_sp：次用户发送端到主用户接收端的无线传输信道衰落因子
D：主用户发送端到次用户发送端的距离为。
机会频谱共享系统中认知用户信道容量理论分析如下：
1.主用户对信道容量的影响：
参照图1，主用户对授权信道的占用符合指数开-关流量模型。该模型中主用户占用信道，即开的平均持续时间为β₀。主用户不占用信道，即关的平均持续时间为β_i，主用户由占用信道到释放信道所用的时间为t，其服从指数分布。假设次用户帧长为T，接入授权信道之前i毫秒时间用于对主用户信道的检测。当检测到主用户不存在时，在T-i时间内传输次用户数据，在传输数据过程中，主用户会随时出现，此时主次用户会发生碰撞而使次用户的数据包完全丢失。帧长T既决定了次用户传输数据长度(次用户吞吐量)又决定了次用户对主用户检测的频率(碰撞概率)。在T时间内，当主用户出现时，次用户的SINR表示为

因为t服从如下指数分布
f(t)=1β0exp(-tβ0)dt]]>
此时，发生碰撞时的平均SINR表示为



该SINR对应次用户在发生碰撞时可达到吞吐量的一个平均容量界值，即

同样地，在T时间内，主用户不出现时，次用户的SINR表示为

tt服从如下指数分布
f(tt)=1β1exp(-ttβ1)dtt]]>
此时，没有发生碰撞时的平均SINR表示为


该SINR对应次用户在未发生碰撞时可达到吞吐量的一个平均容量界值，即

可见，次用户的SINR以及相应的信道容量是由次用户传输帧长T、检测时间长度i、次用户接收端接收到的主用户功率P₀以及次用户功率P_s共同决定的。
2.授权信道对主用户的影响
参照图2，对于主用户而言，其发送端周围存在一个由其最大可允许的干扰功率决定的以主用户发送端为圆心以d_p为半径的保护区域。对于次用户而言，其发送端同样存在一个由其最大可允许的干扰功率决定的以次用户发送端为圆心以d_s为半径的保护区域。
若D＜d_p+d_s，即次用户发送端进入主用户的保护区域则对主用户发送端产生干扰，另一方面，如果主用户在次用户接收端的功率大于次用户可容忍的范围，次用户的传输质量也会下降，此时，主次用户发生碰撞。次用户接收端接收功率的关系式为
P0=Pt0rpsα]]>
Ps=Ptsrssα]]>
考虑到信道衰落因子，进一步分析次用户接收端接收到的SINR，得到在T时间内，当主用户出现时，次用户的瞬时SINR表示为

此时，发生碰撞时的平均SINR表示为



该SINR对应次用户在发生碰撞时可达到信道容量的平均容量界值表示为

在T时间内，主用户不出现时，次用户的瞬时SINR表示为
rnc(.)=hss2PtsrssαttN0B(T-τ)]]>
此时，没有发生碰撞时的平均SINR表示为


该SINR对应次用户在未发生碰撞时可达到吞吐量的一个平均容量界值，即

最终，次用户在Rayleigh衰落信道条件下，未发生碰撞时可达到吞吐量的一个平均容量界值表示式为

并且，在主用户接收端存在
Pt0/rppαPts/rspα≤Pth]]>
下面将参照附图在这里描述本发明的优先实施例。在下面的说明书中由于已知功能和结构在不必要的细节使本发明模糊，因此不再描述它们。
参照图3，本发明在图2应用环境中理论指导次用户传输策略的具体实施方式为：
步骤310：距离检测。次用户检测距离D，并在步骤312中判断主次用户发送端之间的距离，若D＜d_p+d_s，表明次用户在主用户干扰距离范围内，此时，次用户退出对该主用户信道的检测，在步骤328中寻找其它授权信道。若D≥d_p+d_s，表明次用户在主用户干扰距离范围外，进入步骤314。
步骤314：环境检测。次用户检测在授权信道上传输时信道的传输环境，确定授权信道的衰落特性，并进入步骤316
步骤316：位置信息检测。次用户检测位置信息，包括r_pp、r_ps、r_ss、r_sp。
步骤318：信道占用状况检测。次用户获取主用户占用信道特性信息β_i
步骤320：理论容量计算。次用户计算衰落信道条件下，未发生碰撞时可达到吞吐量的一个平均容量界值。如果次用户使用授权信道的传输特性为Rayleigh衰落信道，则最低界的表达式为

步骤322：获取设计参数。在此，参数为次用户传输帧长。根据优化策略

设计次用户最优传输帧长和检测时间长度，并将结果在步骤324中报告次用户发送端和接收端。
步骤310至步骤324为次用户理论分析阶段，在次用户端可以在带外建立相应的表格存储信息，并且该信息在步骤326中实时更新过程，包括对当前授权信道以及其它授权信道的相关信息更新。