本发明专利技术公开了一种加权哈夫曼树、主用户信道分配方法和次级用户信道感知方法。加权哈夫曼树是在哈夫曼树的基础上，为所有结点及分支新增了一种权重属性，为所有分支新增了一种占用状态的属性，基于加权哈夫曼树，对主用户信道分配和次级用户的信道感知进行联合优化。对于交织型访问模式下的认知通信系统，本发明专利技术能够在给定带宽损失的约束条件下，最小化次级用户的平均感知次数，提升次级用户的信道感知效率。率。率。
【技术实现步骤摘要】
一种加权哈夫曼树、主用户带宽分配方法和次级用户信道感知方法
[0001]本专利技术涉及无线网络通信领域，具体涉及一种加权哈夫曼树、主用户带宽分配方法和次级用户信道感知方法。
技术介绍
[0002]随着无线通信技术的飞速发展，越来越多的无线设备和应用被广泛使用，人们对频谱的需求越来越多，致使可利用的无线电频谱资源日益紧张，频谱稀缺问题己成为实现无线通信技术可持续发展的瓶颈。美国联邦通信委员会(FCC)对各频段的使用情况进行大量的调查研究发现，由于授权用户在时间和空间上对频谱使用的不连续，使得已经分配的频谱资源总体利用效率仅有15％
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85％.为了解决频谱利用率低下的问题，认知无线电(CR，Cognitive Radio)技术应运而生，已成为下一代网络中提高无线频谱资源利用率的关键技术。在认知无线网络中，拥有授权频谱的用户称为主用户(PU,primary user),而没有授权频谱的用户称为次级用户(SU,secondary user)。
[0003]频谱感知是认知无线网络的关键技术。次级用户(Secondary User，次级用户)需要通过频谱感知算法寻找当前可用的频段中未被主用户(Primary User,主用户)使用频谱空隙(white spaces)，并利用这些空隙来传送数据。由于每次频谱感知操作需要耗费时间和能量，且在感知过程中次级用户需要暂停数据传送，因此，尽可能减少次级用户的感知次数，可以有效降低能耗、提高次级用户的数据吞吐量。
[0004]一般情况下，频谱空隙在整个带宽范围内是随机出现的，我们把次级用户获取频谱的占用状态所需要的平均感知次数(即，平均感知频度)，作为衡量其频谱感知效率的指标。显然，频谱感知效率越高，所消耗的能量就越小、用于数据传送的时间就越多，整个频谱的利用率也越高。因此，如何提高频谱感知效率是认知无线网络通信性能优化的重要目标之一。
[0005]现有的减少频谱感知次数、提高感知效率的方法主要包括：协作式感知、压缩感知、机器学习感知，等。比如：中国专利CN103326797B提出了一种认知网络合作式频谱感知方法，由多个次级用户分工合作，对频谱进行能量检测后将检测数据发送到控制中心，再由控制中心结合已有的权值矩阵以及门限对当前主用户的活动情况做出判断。协作感知主要是在多个次级用户之间开展协作，分担整体的感知任务，从而减少单个次级用户的频谱感知工作量。然而，全部频段所需的总频谱感知工作量并没有根本性的减少。因此，如果以获取频谱占用状况所需的总的感知次数为频谱感知效率的指标，则协作感知并没有使整体的感知效率得到提高。
[0006]专利CN103532645A提出了一种借助压缩感知技术进行频谱感知的新方法，通过降低观测矩阵列向量之间的稀疏度，减少列向量之间的相关性，并联合观测矩阵的自适应性进行整体优化，实现在同等接收操作性能下，降低频谱感知次数。但是，这种方法是以稀疏信号的假设为前提，且稀疏信号重建需要消耗大量计算资源，导致频谱感知所需时间过长。
[0007]专利CN104135327B提出一种基于支持向量机的频谱感知方法，将频谱感知问题建模为信号分类问题，选取了信号协方差矩阵的最大最小特征值之比作为分类特征，利用支持向量机作为分类器，来实现频谱感知。但是在实际使用中，如何选择合适的核函数是一种挑战。
[0008]根据认知无线电的行业规范，次级用户对频谱的访问应该尽可能避免对主用户通信造成影响，由于认知无线网络中可用频谱的时变性、多样性和差异性使得频谱感知存在较高的动态性和复杂性，单纯依赖次级用户的感知操作获得频谱占用状态，往往会导致算法过于复杂。如果主用户与次级用户之间能够有所合作，在充分满足主用户自身带宽需求的前提下，通过优化资源分配策略，对次级用户的频谱感知给予一些配合，则能够显著降低频谱感知的复杂度、提高感知效率。
[0009]常见的主用户与次级用户之间的合作方式主要是基于频谱租赁和频谱共享。主用户具有频谱的所有权，因此可以根据自身的情况将未使用的频谱租借给次级用户使用；作为回报，次级用户协助主用户传输数据。比如：中国专利CN102316465A提出一种认知无线网络中频谱博弈分配方法,次用户检测到空闲频谱后请求租借频谱，频谱管理中心收到次用户的租借请求信息和详细参数信息，调用主用户的博弈算法，确定为次用户提供频谱的主用户。专利CN104270768A提出了一种协作认知无线网络中基于斯塔克伯格博弈的频谱共享方法，将以主用户为主导者，多个非合作的认知发送用户为从属者的两级斯塔克伯格博弈模型引入到频谱共享中，提升次级用户通信的连续性。
[0010]然而，上述频谱租赁和共享机制主要是以改善频带的整体利用率为目标，并没有显著提高次级用户的频谱感知效率；同时，主用户对带宽需求的大小随时间不断变化，如何在满足这种动态变化需求的同时，最大程度地提高频谱整体利用率，仍然是一个挑战。
[0011]本专利技术关注的是如何综合考虑主用户的频谱分配策略和次级用户的频谱感知策略，在充分满足主用户频谱需求的前提下，优化次级用户的频谱感知效率，提升频谱的整体利用率。
技术实现思路
[0012]为了克服现有技术存在的缺点与不足，本专利技术的第一目的是提供一种加权哈夫曼树(Weighted Huffman Tree)；
[0013]第二目的是提供一种基于加权哈夫曼树的认知无线通信的信道划分及分配方法。
[0014]第三目的是提供一种基于加权哈夫曼树的主用户信道分配方法。
[0015]第四目的是提供一种基于加权哈夫曼树的次级用户信道感知方法。
[0016]本专利技术的第一目的采用如下技术方案：
[0017]本专利技术提出一种加权哈夫曼树(Weighted Huffman tree)，优选地，在哈夫曼树(Huffman Tree)的基础上，为所有结点及分支新增了一种权重属性，为所有分支新增了一种占用状态的属性。
[0018]新增的属性满足如下条件：
[0019](a)新增属性独立于结点和分支的原有属性；
[0020](b)根结点和每个中间结点的权重等于其左、右子结点权重之中的最小值；
[0021](c)根结点和每个中间结点的分支权重等于其左、右子结点的权重之差的绝对值。
[0022](d)新增的分支占用状态的取值包括“空闲”和“占用”两种状态。
[0023]进一步地，分别用结点的左分支和右分支来区分“空闲”和“占用”两种状态。不失一般性，本专利技术中统一用结点的左分支代表信道的“空闲”状态，用结点的右分支代表信道的“占用”状态。
[0024]本专利技术第二目的提出一种基于加权哈夫曼树的认知无线信道划分及分配方法，首先将主用户(Primary User)和次级用户(Secondary User)可用的带宽资源划分为一系列子信道；每个信道由若干子信道聚合而成；主用户和次级用户能够使用多个信道完成数据传输；本专利技术中所划分的所有子信道的带宽都相等，都等于固定值。
[0025]不失一般性,本本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种加权哈夫曼树，其特征在于：在哈夫曼树的基础上，为所有结点及分支新增了一种权重属性，为所有分支新增了一种占用状态的属性,新增的属性满足如下条件：(a)新增属性独立于结点和分支的原有属性；(b)根结点和每个中间结点的权重等于其左、右子结点权重之中的最小值；(c)根结点和每个中间结点的左、右分支权重相等，都等于其左、右子结点的权重之差的绝对值；(d)新增的分支占用状态的取值包括“空闲”和“占用”两种状态。2.根据权利要求1所述的加权哈夫曼树，其特征在于，分别用左分支和右分支来区分“空闲”和“占用”两种状态，采用左分支代表信道的“空闲”状态，用右分支代表信道的“占用”状态。3.一种基于权利要求1
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2任一项所述加权哈夫曼树的认知无线信道划分及分配方法，其特征在于，包括如下步骤：首先，将认知无线通信系统可用的频谱资源划分为一系列子信道；每个信道由若干子信道聚合而成；其中的主用户和次级用户能够使用多个信道完成数据传输，假设所划分的子信道带宽相等；在此基础上，将主用户具体的带宽需求针对预设的子信道带宽做离散化，并通过统计获取离散化后的主用户带宽需求的概率分布，把离散化后的主用户带宽需求表示为其占用的子信道个数；然后，把离散化后的主用户带宽需求作为叶子结点的权重属性，将该带宽需求出现的频度作为叶子结点的概率属性，基于该组叶子结点的概率分布，构建加权哈夫曼树，即：根结点和每个中间结点的概率等于左、右子结点概率之和；根结点和每个中间结点的权重等于其左、右子结点权重之中的最小值；根结点和每个中间结点的左、右分支权重相等，且都等于其左、右子结点的权重之差的绝对值。4.根据权利要求3所述的认知无线信道划分及分配方法，其特征在于，所获得的加权哈夫曼树的每个叶子结点代表一个具体的主用户带宽需求，叶子结点的权重代表该主用户带宽需求的取值；叶子结点的总数等于主用户带宽需求所有可能的具体取值的总数；从根结点到该叶子结点的路径代表了叶子结点所代表的主用户带宽需求对应的信道划分及信道分配方案；路径中包含的分支数等于该信道划分方案所包含的信道总数，路径中的每个分支对应一个具体的信道，分支的权重代表该信道的带宽，分支的占用状态代表该信道是否在该信道分配方案中被使用；从根结点到任意一个中间结点的路径，代表该中间结点的所有下属叶子结点共享的部分信道划分及分配方案，该中间结点的权重代表该共享部分为主用户提供的带宽。5.根据权利要求3所述的认知无线信道划分及分配方法，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄松，郑心炜，胡金龙，董守斌，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：
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