异构网络中的频带动态选择和时间调度方法

摘要

异构网络中的频带动态选择和时间调度方法涉及一种在基于认知技术的异构网络系统中在多个主系统频带中动态选择可用频率资源的方法和设备，更具体地讲，涉及一种用于机会频谱接入和频率资源有效利用、兼顾异构网络资源融合和用户业务服务质量(QoS)保证的方法和设备。频带动态选择方法如下：首先，针对不同的主系统特性，定义认知基站CBS附件各个主系统的平均主系统用户检测门限，该门限是现有的检测门限在无线网络传播环境中的平均值，其次，根据以上的平均主系统用户检测门限以及次系统用户的吞吐量需求，定义CBS对各个主系统扫描的有效时间，再次，CBS根据次用户的请求从可用频带列表中选择最佳的主系统频带，选择最佳频带的依据是该频带信道的无线传播特性和信道状态，根据用户预定设备CPE传输吞吐量的中断。

主权项

1.一种异构网络中的频带动态选择和时间调度方法，其特征在于频带动态选择方法如下：首先，针对不同的主系统特性，定义认知基站CBS附件各个主系统的平均主系统用户检测门限，该门限是现有的检测门限在无线网络传播环境中的平均值，即γ_th1＝∫_γγ_th1f_γ(γ)dγ其中，f_γ(γ)表示衰落信道的信道信号噪声比CSNR的概率密度函数，在瑞利的衰落情况下，平均主系统用户检测门限为：${\bar{\gamma }}_{\mathrm{th}1}=4\sqrt{m\bar{\gamma }}{\mathrm{Erfc}}^{-1}\left(2{\bar{P}}_d\right)e^{1/2\bar{\gamma }}\Gamma (\frac{3}{2},\frac{1}{2\bar{\gamma }})+2m\bar{\gamma }{e}^{1/\bar{\gamma }}\Gamma (2,\frac{1}{\bar{\gamma }})$其次，根据以上的平均主系统用户检测门限以及次系统用户的吞吐量需求，定义CBS对各个主系统扫描的有效时间，该时间由以下优化函数得到：$\begin{array}{cc}\max & R=\frac{T-\tau }{T}(1-P_f)C\end{array}$$\begin{array}{cc}s.t.& P_f=\frac{1}{2}\mathrm{Erfc}({\mathrm{Erfc}}^{-1}\left(2{\bar{P}}_d\right)\sqrt{2\bar{\gamma }+1}+\bar{\gamma }\sqrt{m/2})\end{array}$得到的最优的τ_opt就是所要的CBS的有效检测时间，在该时间内CBS完成对其附近主系统的频带检测和扫描，并将结果存于可用频带列表中；再次，CBS根据次用户的请求从可用频带列表中选择最佳的主系统频带，选择最佳频带的依据是该频带信道的无线传播特性和信道状态，根据用户预定设备CPE传输吞吐量的中断，即$P_{\mathrm{out}}=P_r\{\frac{1}{2}\log (1+\gamma )<C\}\le ϵ$的定义，可以求得在给定中断概率ε下保证用户111业务最大传输速率信道信号噪声比门限γ_th2。即保证用户业务质量的CSNR应满足γ_th2≤γ≤γ_th1，在频带动态选择方法中CBS根据γ_th2≤γ≤γ_th1的条件选择用户111的最佳可用频带；时间调度方法的具体实施方案如下：一旦用户111选定某一个可用频带后，就可以通过CBS在该频带上传输信息。由于无线网络传播环境的时变特性以及主系统用户间歇出现的特性，用户111不可能持续地占用该主频带，也不可能一直持续地发送信息数据，此时需要对用户111传输信息数据的时间进行合理有效地调度。为此，在此方法中，本发明定义业务传输的保守时间、预测时间以及后处理时间等。业务传输的保守时间：根据衰落信道的二阶统计特性，本发明定义当前信道的信道信号噪声比γ在区间[γ_th2，γ_th1)平均衰落持续时间为业务传输的保守时间，即：${\bar{\tau }}_{402}=\frac{p({\gamma }_{\mathrm{th}2}\le \gamma <{\bar{\gamma }}_{\mathrm{th}1})}{N_2-N_1}$$N_j=\sqrt{\frac{2\pi {\gamma }_j}{\bar{\gamma }}}{f}_D{e}^{-{\gamma }_j/\bar{\gamma }}$其中，p(γ_th2≤γ＜γ_th1)表示γ落在门限[γ_th2，γ_th1)内的概率，N_j表示衰落信道的电平交叉率，即$N_j=\sqrt{\frac{2\pi {\gamma }_j}{\bar{\gamma }}}{f}_D{e}^{-{\gamma }_j/\bar{\gamma }},$f_D为衰落信道的最大多普勒频率，预测时间：在业务传输的保守时间之外，当前信道的信道状态可能发生变化，这种改变可能是由于无线传播环境的时变特性引起的，也可能是由于主系统的变化引起的，此时需要对当前频带进行重新检测，同时也是对主系统用户的出现进行预测，预测时间既可用于对用户业务传输质量的保护，又可用于对当前频带上主系统用户再度出现的预测；预测时间应为k倍的检测时间，k可从以下定义获得：$P_f=\frac{1}{2}\mathrm{Erfc}\left(\right[\sqrt{2\bar{\gamma }}{\mathrm{Erfc}}^{-1}\left(2{\bar{P}}_d\right)e^{1/\left(2\bar{\gamma }\right)}\Gamma (\frac{3}{2},\frac{1}{2\bar{\gamma }})+\sqrt{\frac{\mathrm{km}}{2}}(\bar{\gamma }{e}^{1/\bar{\gamma }}\Gamma (2,\frac{1}{\bar{\gamma }})-1)\left]\right)\le {\bar{P}}_f$后处理时间：后处理时间主要为频带切换做准备，如果在预测时间中检测到主系统用户的出现，则在后处理时间(T-τ-mm，τ₄₀₂-nnkτ)内完成向CBS发送检测报告消息并请求切换频带，其中参数mm和nn分别表示在一帧中业务传输的保守时间的次数和预测时间的次数；如果在预测时间中没有检测到主系统用户，那么用户111可以继续其业务传输直到完成另一个业务传输的保守时间，这个过程可能要延续到下一个传输帧，整个过程按此程序循环直到CPE需要频带切换为止；以上公式中的符号定义如下：γ：信道信号噪声比CSNR(channel-signal-to-noise ratio)γ_j：第j个信道信号噪声比门限τ_opt：最优检测时间，CBS用于检测主系统的有效检测时间的最优值f_γ(γ)：衰落信道的信道信号噪声比CSNR的概率密度函数γ：衰落信道的平均信道信号噪声比γ_th：信道信号噪声比门限γ_th1：认知基站CBS各个主系统的平均主系统用户检测门限γ_th2：在给定中断概率下保证用户业务最大传输速率的平均信道信号噪声比门限m：系统的时间带宽积τ：衰落信道的信道信号噪声比的平均衰落持续时间P_d：对主系统检测的检测概率P_d：对主系统检测的期望检测概率P_f：对主系统检测的虚警概率P_f：对主系统检测的期望虚警概率C：次系统用户的理论吞吐量R：次系统用户的可达到吞吐量ε：次系统用户传输的目标中断概率T：一个帧长的传输时间，单位秒τ：一帧内的检测时间，单位秒τ₄₀₂：一帧内业务传输的保守时间P_out：次系统用户传输的中断概率N_j：衰落信道电平穿越信道信号噪声比门限γ_j的电平交叉率f_D：衰落信道的最大多普勒频率Erfc()：差错函数，$\mathrm{Erfc}\left(x\right)=\frac{2}{\sqrt{\pi }}{\int }_x^{\infty }{e}^{-t^2}\mathrm{dt}$Erfc^-1()：差错函数的逆函数Γ()：Gamma函数P()：概率密度函数P_r{}：概率计算函数mm：一帧业务传输中包含的保守时间的次数nn：一帧业务传输中包含的预测时间的次数k：定义预测时间的系数