面向蜂窝通信网络的低功耗多信道频谱感知方法及其系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种面向蜂窝通信网络的低功耗多信道频谱感知方法及其系统，该方法包括：步骤一，信道管理实体选择共享频谱，并将该共享频谱划分为多个信道；步骤二，信道管理实体在频域将各信道划分为多个信道簇，当频谱感知时对不同信道簇中的信道采用异步静默期，对同一信道簇中的信道采用同步静默期；步骤三，在静默期期间，认知用户终端根据认知基站的控制完成对应当前小区内的频谱感知操作，并将感知结果汇报给认知基站，由认知基站对感知结果整合后汇报给信道管理实体；以及步骤四，信道管理实体根据整合后的感知结果，更新当前所有信道在各个小区的状态信息，并反馈给认知基站。本发明减少了系统进行频频感知的次数，从而降低了功耗。
【专利说明】面向蜂窝通信网络的低功耗多信道频谱感知方法及其系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及认知无线电网络，特别是涉及在基于认知无线电的蜂窝通信网络中进行低功耗多信道频谱感知的方法和系统。
【背景技术】
[0002]随着无线通信的数据传输速率的提高，对于频谱资源的需求在不断增加，而固定的频谱分配政策导致某些频段在时间和空间上利用率不高。认知无线电(CognitiveRadio, CR)的提出目的在于通过对当前无线电环境的感知，从时间和空间上重新利用空闲的频谱，解决当前无线通信网络中频谱资源紧张和频谱资源利用率低下的问题，主要研究如何在不影响授权用户正常通信的基础上，机会式地利用空闲频谱进行通信，满足认知用户的业务需要和提高频谱利用率。
[0003]在CR系统中，提供共享频谱资源的用户为授权用户(Primary User，PU)，其所在的系统为授权系统，机会式地利用共享频谱中空闲频谱资源的用户为认知用户(CognitiveUser，CU)，其所在的系统为认知系统(CR系统)。共享频谱是指在固定的频谱分配政策中分配给授权系统使用，而同时其它系统不允许使用的频谱，空闲频谱也即频谱空洞，是授权用户未使用的可以被CU使用的频谱资源。为了保护授权用户和有效利用空闲频谱，CR系统需要对信道进行感知，以检测授权用户是否在该信道上出现，感知是由认知基站(CognitiveBase Station, CBS)和⑶合作完成的，检测结果的汇总和频谱分配由CBS或者其它实体完成。
[0004]当CBS和⑶对相应的信道感知时，工作在该信道上的⑶需要保持一段时间的静默，以保证CU的通信不会对感知结果造成影响，这段时间称为静默期。静默期按实现方式可以分为两种:同步静默期和异步静默期，在同步静默期中，在同一时间CR系统中的所有CU都停止发送数据，CR系统完成对所有信道的检测；在异步静默期中，不同信道的静默期可以在不同时刻，每次检测部分信道，⑶只需在检测的信道上停止传输数据，在其它信道上可继续传输数据。
[0005]为了完成蜂窝网络中多信道的频谱感知，现有CR技术中，CR系统为系统中不同工作信道的分配不同的静默期即采用异步静默期的方法，CBS和CU都具有信道检测的功能，在给定的静默期对相应的信道分别进行检测，工作在此信道上的CBS和CU暂时停止在该信道上传输数据，未工作在此信道上的CBS和⑶只需要对该信道进行检测。检测结束后⑶将感知结果发送给所属CBS，然后CR系统根据检测结果更新当前信道的状态信息和信道分配信息。
[0006]在现有的技术方案中，当每个信道处于静默期时，网络中的CBS和⑶需要对该信道进行检测，由于检测时产生大量的功耗，相对于传统无线通信网络而言，认知无线电网络的功耗会大大增加，这不仅增加了系统的运营成本，也会使得CU能够持续工作时间减少。同时在对信道进行频谱感知时没有考虑各个小区的实际情况来判断是否在该小区需要执行相应的频谱感知，以减少系统的检测次数以降低能耗。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种面向蜂窝通信网络的低功耗多信道频谱感知方法及其系统，用于通过在认知无线电系统中充分利用共享频频以尽可能避免对授权用户干扰，并减少系统进行频频感知的次数，降低CU和CBS的功耗。
[0008]为了实现上述目的，本发明提供一种面向蜂窝通信网络的低功耗多信道频谱感知方法，其特征在于，包括:
[0009]步骤一，信道管理实体选择当前认知无线电系统所使用的共享频谱，并将该共享频谱划分为多个信道；
[0010]步骤二，信道管理实体在频域将各信道划分为多个信道簇，当频谱感知时对不同信道簇中的信道采用异步静默期，对同一信道簇中的信道采用同步静默期；
[0011]步骤三，在静默期期间，认知用户终端根据认知基站的控制完成对应当前小区内的频谱感知操作，并将感知结果汇报给认知基站，由认知基站对感知结果整合后汇报给信道管理实体；以及
[0012]步骤四，信道管理实体根据整合后的感知结果，更新当前所有信道在各个小区的状态信息，并反馈给认知基站。
[0013]所述的低功耗多信道频谱感知方法，其中，所述步骤一中，包括:
[0014]所述信道管理实体根据信道的状态将信道划分为工作信道、备用信道和不可用信道。
[0015]所述的低功耗多信道频谱感知方法，其中，所述步骤三中，包括:
[0016]所述认知基站根据当前小区的工作信道、备用信道和业务量情况在在静默期期间按需部署小区内的频谱感知操作。
[0017]所述的低功耗多信道频谱感知方法，其中，所述步骤三中，包括:
[0018]所述认知基站根据当前小区的负荷状况判断当前小区是否需要进行频谱感知操作，若需要进行频谱感知操作，则向当前小区内的认知用户终端发送执行频谱感知操作的信令，若不需要进行频谱感知操作，则通知当前小区内的认知用户终端不进行频谱感知操作。
[0019]所述的低功耗多信道频谱感知方法，其中，所述步骤三中，包括:
[0020]当需要进行频谱感知的信道簇包含当前小区的工作信道或备用信道，则对该小区需要进行频谱感知操作，则通知当前小区内的认知用户终端在静默期时对工作信道或备用信道进行检测；或
[0021]当需要进行频谱感知的信道簇中不包含当前小区的工作信道和备用信道，则根据当前小区的负荷状况决定是否进行频谱感知操作:
[0022]a、当前工作信道满足小区的业务需求且备用信道较多时，则不需要进行频谱感知操作；
[0023]b、当前工作信道不足，但备用信道较多时，当前小区不需要进行频谱感知操作，根据需要将部分备用信道转为工作信道；
[0024]C、当工作信道和备用信道较少，但小区的业务量不大时，当前小区不需要进行频谱感知操作，否则需要进行频谱感知操作，并向信道管理实体上报资源申请，若没有申请到足够资源，则在下一次继续进行频谱感知操作或当连续多次频谱感知无法获得新的资源时，由信道管理实体终止小区资源申请。
[0025]为了实现上述目的，本发明还提供一种面向蜂窝通信网络的低功耗多信道频谱感知系统，其特征在于，包括:信道管理实体、认知基站及所服务的认知用户终端；
[0026]信道管理实体，用于选择当前认知无线电系统所使用的共享频谱，并将该共享频谱划分为多个信道，在频域将各信道划分为多个信道簇，当频谱感知时对不同信道簇中的信道采用异步静默期，对同一信道簇中的信道采用同步静默期，根据认知基站汇总的感知结果，更新当前所有信道在各个小区的状态信息，并反馈给认知基站；
[0027]认知用户终端，用于根据认知基站的控制完成对应当前小区内的频谱感知操作，并将感知结果汇报给认知基站；
[0028]认知基站，负责小区内共享频谱资源的使用，对感知结果整合后汇报给信道管理实体。
[0029]所述的低功耗多信道频谱感知系统，其中，所述信道管理实体根据信道的状态将信道划分为工作信道、备用信道和不可用信道。
[0030]所述的低功耗多信道频谱感知系统，其中，所述认知基站根据当前小区的工作信道、备用信道和业务量情况在在静默期期间按需部署小区内的频谱感知操作。
[0031]所述的低功耗多信道频谱感知系统，其中，所述认知基站根据当前小区的负荷状况判断当前小区是否需要进行频谱感知操作，若需要进行频谱感知操作，则向当前小区内的认知用户终端发送执行频谱感知的信令，若不需要进行频谱感知操作，则通知当前小区内的认知用户终端不进行频谱感知操作。
[0032]所述的低功耗多信道频谱感知系统，其中，所述认知基站还用于:
[0033]当需要进行频谱感知的信道簇包含当前小区的工作信道或备用信道，则对该小区需要进行频谱感知操作，则通知当前小区内的认知用户终端在静默期时对工作信道或备用信道进行检测；或
[0034]当需要进行频谱感知的信道簇中不包含当前小区的工作信道和备用信道，则根据当前小区的负荷状况决定是否进行频谱感知操作:
[0035]a、当前工作信道满足小区的业务需求且备用信道较多时，则不需要进行频谱感知操作；
[0036]b、当前工作信道不足，但备用信道较多时，当前小区不需要进行频谱感知操作，根据需要将部分备用信道转为工作信道；
[0037]C、当工作信道和备用信道较少，但小区的业务量不大时，当前小区不需要进行频谱感知操作，否则需要进行频谱感知操作，并向信道管理实体上报资源申请，若没有申请到足够资源，则在下一次继续进行频谱感知操作或当连续多次频谱感知无法获得新的资源时，由信道管理实体终止小区资源申请。
[0038]与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于:
[0039]本发明提供了一种面向认知无线电蜂窝通信网络的低功耗多信道频谱感知的方法和系统，其根据信道状态进行分类，并根据小区负荷的具体情况，结合不同类型的信道数量，判断是否需要进行频谱感知操作，减少频谱感知次数以降低功耗。【专利附图】
【附图说明】
[0040]图1是本发明面向蜂窝通信网络的低功耗多信道频谱感知方法整体流程图；
[0041]图2是本发明面向蜂窝通信网络的低功耗多信道频谱感知系统整体结构图；
[0042]图3是本发明子信道和信道簇的划分示意图；
[0043]图4是本发明多信道簇的静默期机制；
[0044]图5是本发明单个信道簇中各信道的静默期机制；
[0045]图6是本发明一实施例中多信道频谱检测的方法流程图；
[0046]图7是本发明一实施例中小区分布示意图；
[0047]图8是本发明一实施例中信道簇中包含小区工作信道和备用信道时的频谱检测方法流程图；
[0048]图9是本发明一实施例中小区资源不足时的频谱检测方法流程图。
【具体实施方式】
[0049]以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
[0050]如图1所示，是本发明面向蜂窝通信网络的低功耗多信道频谱感知方法整体流程图，该流程包括:
[0051]步骤101，信道管理实体10选择当前系统所使用的共享频谱，并将共享频谱划分为若干信道，根据信道的状态划分为工作信道、备用信道和不可用信道。
[0052]步骤102，信道管理实体10将信道划分为若干信道簇，频谱感知时不同信道簇中的信道采用异步静默期，同一信道簇中的信道采用同步静默期。
[0053]步骤103，在静默期期间，由CBS30及其所服务的⑶30完成其小区内的频谱感知操作，感知完成后⑶20汇报给CBS30，CBS30对感知结果整合后汇报给信道管理实体10。
[0054]步骤104，信道管理实体10根据汇总的感知结果，更新当前所有信道在各个小区的状态信息，同时反馈给各个CBS30。
[0055]如图2所示，是本发明面向蜂窝通信网络的低功耗多信道频谱感知系统整体结构图。该系统200包括:信道管理实体10、CU20、CBS30。
[0056]信道管理实体10，负责选择当前系统所使用的共享频谱，将共享频谱划分为若干子信道，根据信道的状态划分为工作信道、备用信道和不可用信道，在频域将子信道划分为若干信道簇，频谱感知时不同信道簇中的信道采用异步静默期，同一信道簇中的信道采用同步静默期；根据汇总的感知结果，更新当前所有信道在各个小区的状态信息，同时反馈给各个CBS30。
[0057]⑶20，用于根据CBS30的静默期机制对信道进行频谱感知操作，并将结果汇报给CBS30。
[0058]CBS30,负责小区内共享频谱资源的使用，CBS30和⑶20对其小区内的频谱感知操作，感知完成后⑶20汇报给CBS30，CBS30对感知结果整合后汇报给信道管理实体10。
[0059]在本发明中，信道管理实体10将子信道划分为若干信道簇，频谱感知不同信道簇中的信道采用异步默期，同一信道簇中的信道采用同步静默期；CBS30根据当前小区工作信道、备用信道和小区业务量的情况，在静默期时按需部署小区内的频谱感知操作，以实现在认知无线电系统中充分利用共享频谱，在尽可能避免对授权用户干扰的同时，减少系统进行频谱感知的次数，降低⑶20和CBS30的功耗。
[0060]如图3所示，是本发明子信道和信道簇的划分示意图；图4是本发明多信道簇的静默期机制；图5是本发明单个信道簇中各信道的静默期机制；图6是本发明一实施例中多信道频谱检测的方法流程图。
[0061]在图3中，共享频谱是信道管理实体为系统选择使用的频段，按照系统带宽划分为I?12个子信道并分为若干信道簇，同时由于授权用户的不确定性，在不同时刻共享频谱中授权用户出现的位置不同。
[0062]在图4中，描述了多信道簇的静默期机制，包括静默期、汇报期和传输期，静默期为基站和终端对频谱进行检测的时段，汇报期为基站和终端汇报和处理感知结果的时段，传输期为基站和终端正常数据收发的时段，不同信道簇的静默期位置处于不同的时刻，因此汇报期和传输期往后也顺移，同时对于备用信道和不可用信道而言，传输期是没有数据传输的。
[0063]在图5中，描述了单个信道簇中各信道的静默期机制，其与图4中的含义类似，同时在该图单个信道簇内各个信道的静默期是在相同的时刻。
[0064]如图6所示，本发明实例中提供的方法中，至少包含以下内容:
[0065]步骤601，信道管理实体10将当前认知无线电系统使用的共享频谱划分为若干子信道，同时根据授权用户是否出现以及授权用户出现时信道在小区是否被CBS30使用将信道分类为工作信道、备用信道和不可用信道。
[0066]工作信道为当前小区所正在使用的信道；备用信道为分配给当前小区但未被当前小区使用的信道，当在频谱退让场景或小区负荷较重时转变为工作信道，当小区负荷较轻时，备用信道可以被当前小区释放以供其他小区使用；不可用信道指除工作信道和备用信道以外的信道，因此这一部分信道在CBS备用信道不足时可以由CBS30向信道管理实体10申请，其状态在小区中将由不可用状态变为备用状态，当工作信道上出现授权用户时，其状态变为不可用信道，当由于授权用户出现而导致工作信道不可用时以及当前小区业务量增多时所使用的工作信道不能满足业务需求等条件时，备用信道变为工作信道。信道在小区的状态也取决于信道在相邻小区的状态，如小区I中信道A为工作信道，则在相邻小区2中信道A为不可用状态，且不管此时授权用户是否在信道A上出现，只有在小区2中没有其它任何可用信道时，信道A才能变为工作信道。
[0067]此部分中信道的划分在CR系统选定共享频谱时完成。
[0068]步骤602，信道管理实体10将信道以簇为单位划分为若干信道簇，并按照信道簇的序号由低到高的顺序为信道簇分配静默期，不同信道簇中的信道采用异步静默期，同一信道簇中的信道采用同步静默期。
[0069]划分信道簇的目的之一在于便于进行静默期的配置，单个信道簇中所包含的信道数与信道的带宽和设备每次所能检测的频谱带宽有关，分配静默期时必须保证在某信道簇再次处于静默期时，其它所有的信道簇必须被检测过。因此属于同一个信道簇中的各个信道的静默期会处于同一时刻，即采用的是同步静默期；不同信道簇采用异步静默期机制，如图3、4、5所示。
[0070]步骤603，在某一个信道簇静默期之前，CBS30会根据当前小区的负荷状况判断当前小区是否需要进行频谱感知操作，需要进行频谱感知的CBS30向小区内的CU30发送执行频谱感知的信令，不需要进行频谱感知的CBS30则通知小区内的CU30不进行频谱感知，该信令包括是否进行频谱感知以及需要感知的信道。
[0071]具体为:在静默期时若需要进行感知的信道簇包含CBS30的工作信道或备用信道，则该小区需要进行频谱感知操作，CBS30则通知小区内的⑶30在静默期时对工作信道或备用信道进行检测，若信道簇中还有其它信道，则CBS30根据小区的负荷状况判断是否对其它信道进行检测。
[0072]若需要进行感知的信道簇中不包含当前小区的工作信道和备用信道，则CBS30根据当前小区的负荷状况决定是否进行频谱感知操作，情况分为:
[0073](I).当前工作信道满足小区的业务需求且备用信道较多时，则不需要进行频谱感知操作，则CBS30通知小区内的CU30不进行频谱感知，在汇报时CBS30向信道管理实体10汇报当前小区没有进行频谱感知操作，并可根据情况释放部分备用信道；
[0074](2).当前工作信道不足，但是备用信道较多时，当前小区也不需要进行频谱感知操作，则根据需要将部分备用信道转为工作信道；
[0075](3).当工作信道和备用信道都较少，但是小区的业务量不是很大时，当前小区不需要进行频谱感知操作，否则需要进行频谱感知操作，并向信道管理实体10上报资源申请，若没有申请得到足够资源，则在下一次继续进行所述操作或者当连续多次频谱感知也无法获得新的资源时，由信道管理实体10终止小区资源申请，终止一段时间后再允许其进行资源申请；
[0076](4).还有一种特殊情况，信道必须在一定时间T内被小区进行检测一次，以更新信道在小区中的状态。如假设信道A在小区I中持续时间T内没有被检测过，则在下一次其所在的信道簇处于静默期时，小区I需要对信道A进行检测。
[0077]为了对上述几种情况的衡量，定义当前小区的工作信道数为N，备用信道数为M，当前小区需要传输的业务量为S，工作信道N的信道容量为Cn(n = 1，...，N)，Cmin为Cn中的最小值，Plow> Phigh为一段时间T内小区频谱资源的平均使用率，用于衡量小区负荷状况，Plmt为衡量小区负荷较轻的门限值，PhighS衡量小区负荷较重的门限值，可以分为:
[0078](I)当
【权利要求】
1.一种面向蜂窝通信网络的低功耗多信道频谱感知方法，其特征在于，包括: 步骤一，信道管理实体选择当前认知无线电系统所使用的共享频谱，并将该共享频谱划分为多个信道； 步骤二，信道管理实体在频域将各信道划分为多个信道簇，当频谱感知时对不同信道簇中的信道采用异步静默期，对同一信道簇中的信道采用同步静默期； 步骤三，在静默期期间，认知用户终端根据认知基站的控制完成对应当前小区内的频谱感知操作，并将感知结果汇报给认知基站，由认知基站对感知结果整合后汇报给信道管理实体； 步骤四，信道管理实体根据整合后的感知结果，更新当前所有信道在各个小区的状态信息，并反馈给认知基站。
2.根据权利要求1所述的低功耗多信道频谱感知方法，其特征在于，所述步骤一中，包括: 所述信道管理实体根据信道的状态将信道划分为工作信道、备用信道和不可用信道。
3.根据权利要求1或2所述的低功耗多信道频谱感知方法，其特征在于，所述步骤三中，包括: 所述认知基站根据当前小区的工作信道、备用信道和业务量情况在在静默期期间按需部署小区内的频谱感知操作。
4.根据权利要.求3所述的低功耗多信道频谱感知方法，其特征在于，所述步骤三中，包括: 所述认知基站根据当前小区的负荷状况判断当前小区是否需要进行频谱感知操作，若需要进行频谱感知操作，则向当前小区内的认知用户终端发送执行频谱感知操作的信令，若不需要进行频谱感知操作，则通知当前小区内的认知用户终端不进行频谱感知操作。
5.根据权利要求4所述的低功耗多信道频谱感知方法，其特征在于，所述步骤三中，包括: 当需要进行频谱感知的信道簇包含当前小区的工作信道或备用信道，则对该小区需要进行频谱感知操作，则通知当前小区内的认知用户终端在静默期时对工作信道或备用信道进行检测；或 当需要进行频谱感知的信道簇中不包含当前小区的工作信道和备用信道，则根据当前小区的负荷状况决定是否进行频谱感知操作: a、当前工作信道满足小区的业务需求且备用信道较多时，则不需要进行频谱感知操作； b、当前工作信道不足，但备用信道较多时，当前小区不需要进行频谱感知操作，根据需要将部分备用信道转为工作信道； C、当工作信道和备用信道较少，但小区的业务量不大时，当前小区不需要进行频谱感知操作，否则需要进行频谱感知操作，并向信道管理实体上报资源申请，若没有申请到足够资源，则在下一次继续进行频谱感知操作或当连续多次频谱感知无法获得新的资源时，由信道管理实体终止小区资源申请。
6.一种面向蜂窝通信网络的低功耗多信道频谱感知系统，其特征在于，包括:信道管理实体、认知基站及所服务的认知用户终端；信道管理实体，用于选择当前认知无线电系统所使用的共享频谱，并将该共享频谱划分为多个信道，在频域将各信道划分为多个信道簇，当频谱感知时对不同信道簇中的信道采用异步静默期，对同一信道簇中的信道采用同步静默期，根据认知基站汇总的感知结果，更新当前所有信道在各个小区的状态信息，并反馈给认知基站； 认知用户终端，用于根据认知基站的控制完成对应当前小区内的频谱感知操作，并将感知结果汇报给认知基站； 认知基站，负责小区内共享频谱资源的使用，对感知结果整合后汇报给信道管理实体。
7.根据权利要求6所述的低功耗多信道频谱感知系统，其特征在于，所述信道管理实体根据信道的状态将信道划分为工作信道、备用信道和不可用信道。
8.根据权利要求6或7所述的 低功耗多信道频谱感知系统，其特征在于，所述认知基站根据当前小区的工作信道、备用信道和业务量情况在在静默期期间按需部署小区内的频谱感知操作。
9.根据权利要求8所述的低功耗多信道频谱感知系统，其特征在于，所述认知基站根据当前小区的负荷状况判断当前小区是否需要进行频谱感知操作，若需要进行频谱感知操作，则向当前小区内的认知用户终端发送执行频谱感知的信令，若不需要进行频谱感知操作，则通知当前小区内的认知用户终端不进行频谱感知操作。
10.根据权利要求9所述的低功耗多信道频谱感知系统，其特征在于，所述认知基站还用于: 当需要进行频谱感知的信道簇包含当前小区的工作信道或备用信道，则对该小区需要进行频谱感知操作，则通知当前小区内的认知用户终端在静默期时对工作信道或备用信道进行检测；或 当需要进行频谱感知的信道簇中不包含当前小区的工作信道和备用信道，则根据当前小区的负荷状况决定是否进行频谱感知操作: a、当前工作信道满足小区的业务需求且备用信道较多时，则不需要进行频谱感知操作； b、当前工作信道不足，但备用信道较多时，当前小区不需要进行频谱感知操作，根据需要将部分备用信道转为工作信道； C、当工作信道和备用信道较少，但小区的业务量不大时，当前小区不需要进行频谱感知操作，否则需要进行频谱感知操作，并向信道管理实体上报资源申请，若没有申请到足够资源，则在下一次继续进行频谱感知操作或当连续多次频谱感知无法获得新的资源时，由信道管理实体终止小区资源申请。
【文档编号】H04B17/00GK103476037SQ201310395408
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月3日 优先权日:2013年9月3日
【发明者】周一青, 沈志举, 刘玲, 黄伊 申请人:中国科学院计算技术研究所