一种基于全双工技术的认知无线电协议制造技术

本发明专利技术涉及一种基于全双工的认知无线电协议，本协议可以在限制未授权用户与授权用户的碰撞率的条件下，有效地增加未授权用户的频谱利用率。未授权用户配置两根天线，其中一根天线持续进行频谱探测，并在每个时隙末做出判决；另一根天线在判决结果为授权用户不活跃时开始传输，否则退避。未授权用户可根据自身是否活跃、以及自身传输功率自适应地调整判决门限，以提高探测准确性。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术属于无线通信领域，具体涉及一种基于全双工技术的认知无线电协议，可以有效提高频谱利用率。
技术介绍
：近年来人们对无线通信业务需求的急剧增长，使原本稀缺的无线频谱资源变得更加紧张。而与此同时，传统的静态频谱分配方式却存在频谱利用率低下，频谱使用不均衡等问题。认知无线电作为下一代无线通信的研究热点技术之一，为提高无线频谱资源的利用率提供了一个具有广泛前景的解决方案。认知无线电是无线移动通信领域的一种革命性技术，未授权的无线用户利用此技术可以智能地感知、搜索周围可用的频谱资源，而后进行动态的频谱接入，从而提高通信系统的容量和频谱利用率。目前，未授权用户通过认知无线电技术接入频谱主要通过underlay和overlay两种方式：underlay方式下，未授权用户可随时接入授权频谱，但需保证其对授权用户的干扰在给定噪声门限以下，故未授权用户的传输功率收到严格限制；overlay方式下，未授权用户的传输功率不受限，但其只能在授权用户未使用某一信道时(出现频谱空洞时)才可接入，对授权用户的检测在此方式下是必要的。在传统overlay方式的认知无线电协议中，未授权用户以一定时间间隔检测信道上是否有活跃的授权用户，如果未检测到，则传输一定时间的数据，而后停止数据传输，重新检测。这可被看作是半双工模式。它对于未授权用户的硬件基础没有特殊要求，但却必然导致传输的不连续性以及探测的不连续性。传输的不连续性造成频谱空洞的浪费；探测的不连续性则一方面使得未授权用户无法灵敏地检测到授权用户的状态变化，从而增加未授权用户可能干扰授权用户的时间；另一方面，若多个同步的未授权用户以同样的协议接入同一信道，则其无法检测到自身与其他未授权用户的碰撞，从而导致未授权用户潜在的无效传输时间激增。因此，传统的协议中，为保障对授权用户的干扰在可接受范围内，同时提高自身传输效率，未授权用户需在传输时间和探测时间长度上做出权衡：若探测时间过短，则其对授权用户的检测准确率不够高，干扰授权用户风险增大；若连续传输时间过长，则其在很长时间内都无法探测授权用户是否接入，使得碰撞时间增长；若探测时间过长，则其可用的传输时间就会变短，造成频谱资源浪费、自身传输效率降低。故在传统协议中，准确的探测和高效的频谱利用率不可兼得。
技术实现思路
：本专利技术提出了一种overlay方式下的新的认知无线电协议。它利用全双工技术实现同时同频的信道探测和传输，从而可以克服传统协议下探测和传输的不连续性，实现实时的对信道状态的探测和接入，有效地缩减了与授权用户冲撞的时间期望，并提高了频谱的利用率。具体协议如下：1)未授权用户的传输和探测分为连续定长的小时隙(如图2中secondaryslot所示)，时隙长度根据授权用户到未授权用户的信道状况及自身对频谱的采样率等参数确定，以保证未授权用户利用一个时隙内探测到的信号，可得到对授权用户的足够可靠的估计。2)未授权用户在每个时隙结束时综合该时隙采样信号，对授权用户是否活跃进行判定，其判定结果决定下一个时隙中未授权用户是否接入频谱。3)无论一个时隙内未授权用户是否接入频谱，其均保持对目标频谱进行连续采样。4)未授权用户对频谱的检测使用能量检测方式，即在每个时隙结束时，未授权用户计算该时隙内的平均接收功率M，并将其与选定的门限值进行比较，若平均功率高于门限，则判定授权用户在当前时隙中占用信道，否则判定授权用户当前时隙未占用信道。5)未授权用户将根据自身的接入与否以及自身的传输自适应地改变判决策略，选择不同的判决门限。上述协议1)中，时隙长度的设定存在一个最优解，其取值与授权用户与未授权用户之间的信道状况有关，直观而言，若信道状况较好，则其只需较短的时间即可足够准确地判断授权用户是否在使用目标信道，而若此时将时隙设定得较长，则其检测准确率没有明显提高，检测灵敏度却有明显下降；同理，若信道状况较差，而时隙设定得较短，则未授权用户对信道的检测不够可靠，与授权用户的碰撞概率及频谱资源浪费概率均会上升。上述协议2)中，未授权用户可使用多种方法对一个时隙内的采样信号进行综合，如可使用匹配滤波(matchedfilter)、能量检测(energydetector)、循环平稳特征检测(cyclostationaryfeaturedetector)等。本专利技术中性能分析过程使用的是能量检测，具体实现见协议4)。上述协议5)中，由于自干扰至今无法完全消除，未授权用户传输时，其自身传输信号将对探测产生一定影响；而其保持静默时则没有这种影响。因此，未授权用户需要根据自身是否传输调整判决门限(如图3所示，其中M指一个时隙内的平均功率)。直观而言，若某一时隙内未授权用户在传输，则其判定授权用户正在使用信道的门限应比其未传输时高。附图说明：图1是本专利技术所讨论的系统模型示意图。图2是本专利技术中具体协议的示意图。图3是本专利技术中未授权用户以能量检测方式探测信道的流程图。图4是本专利技术中未授权用户对频谱空洞的利用情况与未授权用户与授权用户的碰撞概率之间的关系，及其与传统半双工协议的比较图。图5是本专利技术协议下与传统半双工协议下未授权网络吞吐量的比较图。具体实施方式本专利技术的具体实施如图2和图3所示，它与
技术实现思路
中的协议完全对应。图2为整体协议的示意图；图3为未授权用户对授权用户的活跃性进行检测的示意图。1)考虑图1所示系统，其中包含一个授权用户(PU)，两个未授权用户(SU1和SU2)，其中SU1有需要发送给SU2的数据包。未授权用户配置两根天线，支持全双工收发模式。2)SU1利用一根天线(Ant1)对目标信道进行连续采样，其采样频率为fs，每个时隙长度为τ(见图2中SU'sSensing一行)。在每个时隙末，SU1综合该时隙中的采样信号并作出频谱是否被占用的判决。若SU1判定此时授权用户正在占用信道，则其在下一时隙中保持静默；反之，下一时隙中SU1利用另一天线Ant2向SU2传输数据(见图2中SU'sTransmission一行，其中小圆圈表示检测结果)。3)未授权用户对授权用户的检测使用能量检测方式，即未授权用户将一个时隙内接收到的平均能量作为检验统计量M，并与某一门限值ε比较。若某一时隙内未授权用户接收到的平均能量高于门限值，则判定此时授权用户正在占用信道；反之，则判定授权用户此时未占用信道。由于自干扰的影响，未授权用户在自身传输时接收到的平均功率比自身静默时的大。因此，为了优化检测性能，未授权用户需要根据自身活动选择相应的判决门限，如图3所示，若某一时隙内未授权用户使用了频谱，则选择较大的门限值ε1，否则选择较小的值ε0。4)将授权用户与未授权用户的频谱碰撞率作为系统限制条件，其中频谱碰撞率定义为若假设授权用户的活跃、空闲时间分布符合参数为μ、ν的泊松分布，且限制未授权用户在活跃及不活跃时具有相同的漏报概率(漏报即在频谱上存在活跃的授权用户时，未授权用户判定其不存在)，则其漏报概率限制应为Pm＝Pc-ν/2。5)限制漏报概率Pm后，未授权用户的能量检测门限由如下两公式确定：ϵ0=(Q-1(1-Pm)N+1)(1+γs)ρu2;]]>ϵ1=(Q-1(1-Pm)N+1)(1+γs+γi)&sigma本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于全双工的认知无线协议，其特征是，未授权用户对频谱探测和接入步骤包括：1)未授权用户配备两根天线，可进行全双工通信；2)未授权用户使用一根天线进行连续的频谱探测，并在每一时隙末做出判决；3)当频谱探测结果为频谱上无活跃的授权用户时，未授权用户使用另一根天线进行传输；

【技术特征摘要】
1.一种基于全双工的认知无线协议，其特征是，未授权用户对频谱探测和接入步骤包括：1)未授权用户配备两根天线，可进行全双工通信；2)未授权用户使用一根天线进行连续的频谱探测，并在每一时隙末做出判决；3)当频谱探测结果为频谱上无活跃的授权用户时，未授权用户使用另一根天线进行传输；2.如权利要求1步骤1)所述的全双工通信，其特征在于，一个通信节点可同时同频进行接收和发送，然而接收端将接收到一部分发送的信号(自干扰)，导致其目标接收信号质量变差。3.如权利要求1步骤2)所述的频谱探测，是指未授权用户探测频谱上是否有活跃的授权用户，其特征是，未授权用户使用能量检测为探测方式，以时隙为单位，在每个时隙末综合整个时隙的探测信号，将其平均功率与预设的判决门限对比，若高于判决门限则判定频谱上有活跃的授权用户，否则判定频谱上无活跃的授权用户。且无论未授权用户活跃与否，其均保持对目标频谱进行采样。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：廖昀，王天宇，宋令阳，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11