一种基于无线网络接收端缓存的信道复用方法与流程

本发明涉及信息工程领域，尤其是涉及一种基于无线网络接收端缓存的信道复用方法。

背景技术：

传统网络容量的提升主要动力之一是不断新增的频谱资源。然而随着频谱资源越来越稀缺，且网络容量需求越来越高，不能再依赖于新增频谱的方式提升网络容量。需要不断提升现有频谱的利用率，提升频谱效率以提升网络性能，克服频谱瓶颈。基于频谱认知的频谱接入接入技术可以实现频谱复用，有效利用空闲信道，有效提升频谱效率。频谱认知可分为带内(underlay)和带外(overlay)频谱认知两类。在带内频谱认知中，在保证初级用户的信号质量前提下，次级用户和初级用户可以同时接入相同信道。在带外频谱认知中，初级用户分配给一部分信道给次级用户使用，次级用户和初级用户所接入的信道相互正交。

此外，以往网络性能的提升主要是两方面动力，一方面是上面所提的新增频谱的接入，另一方面是新的空口技术的进步(如MIMO技术，新的调制解调技术等)。然而，随着无线通信技术的发展，上面两方面已遇到瓶颈，网络性能的提升需要新的动力来源。网络与信息技术的结合是未来网络发展趋势。现有和未来网络是多媒体内容驱动的社交网络，不同于传统话务网，多媒体数据传输是现有和未来无线网络的主要目的。多媒体内容本身具有一定属性，用户行为特点也有规律可挖掘。如，一段时间内，尽管无线网络流量巨大，但是大部分用户关注的是一小部分比较流行的内容。即，大部分的网络流量是用来传输一小部分流行的内容的。业务内容的传输具有冗余性和重复性，一段时间内，巨量的冗余容量被重复性传输。而且，根据摩尔定律，网络设备和用户终端的计算和存储能力将不断提高，用户和网络拥有大量的存储计算资源。因此研究人员提出了缓存技术，缓存技术的引入，会对网络架构和网络协议带来巨大改变，是网络架构的部署和网络协议的制定更加灵活，可扩展性变强。

关于无线频谱认知通信，研究人员做了很多工作，提出很多有意义的应用场景，分析了相应的理论性能。诸如蜂窝下的基于认知空闲蜂窝信道的次级用户通信；基于频谱认知的自组织网络等。然而，传统的无线认知技术并没能够充分利用业务和用户行为属性，还未从缓存技术出发进行相关频谱认知接入技术的设计。

缓存技术的引入，可为无线频谱认知网络的架构部署和通信协议的制定等方面带来改变。通信与信息技术的结合，充分挖掘业务层属性和用户行为特点，利用网络设备和用户终端的丰富的计算存储资源，进行基于缓存技术的频谱认知接入网络的设计，一方面可以用用廉价丰富的计算存储资源换取昂贵稀缺的频谱资源，另一方面可进一步提高频谱效率，提升网络性能。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种增加频谱复用率、廉价丰富的基于无线网络接收端缓存的信道复用方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于无线网络接收端缓存的信道复用方法，包括以下步骤：

1)无线网络中的初级接收端通过缓存机制将业务内容存储在初级接收端缓存中；

2)初级发送点获取其覆盖范围内的初级接收端所缓存的业务内容情况；

3)当次级发送点接收到次级接收端的请求后，通过频谱感知的方法判断周围相关初级发送点上的初级信道是否被占用，即不可利用，若是，则进行步骤4)，若否，则将未被占用的初级信道作为次级发送点的可用信道，并进行步骤5)；

4)次级发送点与周围相关初级发送点在被占用的初级信道上要发送的信息进行互通，并据此判断该被占用的初级信道是否可以作为次级发送点的可用信道，若是，则进行步骤5)，若否，则返回步骤3)；

5)次级发送点通过可用信道向次级接收端发送信息。

判断该被占用的初级信道是否可以作为次级发送点的可用信道的方法为：

若次级发送点在周围相关初级发送点在该被占用的初级信道上要发送的信息与对应的初级接收端已经被缓存的业务内容相同，或次级发送点在该被占用的初级信道上要发送的信息与初级发送点在该被占用的初级信道上要发送的信息相同，则判定该初级信道作为次级发送点的可用信道。

当次级发送点在周围相关初级发送点在该被占用的初级信道上要发送的信息与对应的初级接收端已经被缓存的业务内容相同时，所述的步骤5)还包括以下步骤：

51)初级接收端获取自身与次级基站间的信道信息CSI，并将初级接收端已缓存的业务内容作为边信息，对来自次级发送点发送的干扰信号进行干扰消除。

当次级发送点在该被占用的初级信道上要发送的信息与初级发送点在该被占用的初级信道上要发送的信息相同时，所述的步骤5)还包括以下步骤：

52)初级接收端获取自身与次级基站间的信道信息CSI，并对来自初级发送点和次级发送点的信号进行叠加处理，实现信号增强。

当次级接收端也为带有缓存功能的接收端，且其缓存的业务内容与初级发送点发送的信息相同时，所述的步骤5)还包括以下步骤：

53)次级接收端获取自身与初级基站间的信道信息CSI，并将次级接收端自身已缓存的业务内容信息作为边信息，对来自初级发送点发送的干扰信号进行干扰消除。

所述的步骤3)中，判断周围相关初级发送点上的初级信道信息资源是否充足的方法为：

次级发送点感知所有信道接收到的能量大小，若能量高于设定阙值，则判定此信道已被占用。

所述的步骤4)中，次级发送点与周围相关初级发送点在被占用的初级信道上要发送的信息进行互通的方式为：

初级发送点和次级发送点通过对业务内容进行命名标号的方式或额外信令的方式进行互通。

初级接收端通过以下方式判断次级发送点所发送的信息与自身本地已缓存信息相同，还是与初级发送点发送的信息相同：

初级发送点向初级接收端多发送一个bit位，0表示次级发送点所发送的信息是初级接收端自身本地已缓存信息，1表示次级发送点发送的信息与初级发送点发送的信息相同。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明充分挖掘业务属性和用户行为特点，基于接收端缓存进行智能高效的频谱认知接入，提高频谱利用率。

2、利用用户终端和网络设备所拥有的廉价丰富的存储计算资源来提升网络性能。以廉价丰富的存储计算资源换取昂贵稀缺的无线频谱资源。

3、通过接收端缓存可进行干扰抵消，增加频谱的复用率。

4、通过次级发送点和初级发送点统一对发送信息进行命名标记，可以进行信号增强，增加频谱的复用率。

附图说明

图1为简化的频谱认知网络拓扑模型。

图2为次级信息发送站点时隙。

图3为本发明的方法流程图。

图4为实施例1中的网络结构示意图。

图5为实施例2中的网络结构示意图。

图6为实施例3中的网络结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

在无线网络中，无线频谱资源是影响网络性能的重要因素。无线频谱认知技术是提高频谱效率的有效途径。然而传统的频谱认知技术未能充分利用现存网络中丰富的计算和存储资源，未能结合业务内容属性和用户行为特点实现信息和通信技术的智能高效结合。在进频谱认知技术设计时，需要将业务层和用户社交特点考虑进去，实现跨层设计，充分挖掘网络潜能实现网络性能的提升。针对该问题，本发明提出一种基于无线网络接收端缓存的信道复用方法，同时实现干扰消除和信号增强。

如图1所示，图中有两个基站(本发明不限于基站，可以是各类型信息发送站点，也不限于站点数目)，基站1,2。其中基站1为初级信息发送站点，即网络中频谱资源拥有者。基站2为次级信息发送站点，基站2需要通过频谱认知来借用初级信息发送站点的频谱资源。两个用户终端(本发明不限于用户终端，可以是各类型的信息接收端，如上行链路中接收信息的基站等)，一个为初级接收端，即被基站1所覆盖，另一个为次级接收端，即被基站2所覆盖。两个用户终端都拥有一定的缓存能力(或者其中初级用户终端拥有缓存能力，次级用户终端无缓存能力；或者初级用户终端拥有缓存能力，次级用户终端有缓存能力但并不愿意或者没有进行缓存；还有其他情况等；此图只做示例)。根据一定的网络性能目标(例如最大化网络容量，最大化频谱效率、能量效率等)，各个用户终端根据相应的缓存策略存储了一定的业务内容。如图中，初级用户终端缓存了业务内容2,3,4；次级用户终端缓存了业务内容1。

在基站2向其接收端发送信息时如需接入初级基站1的信道，需要满足一定的先决条件(如相应的初级基站1的信道空闲未被占用，再如次级基站2发送的信号对初级接收端的干扰小于一定的阙值)，即需要确保次级基站2的接入不会对初级基站1的服务质量产生恶劣影响。为了便于理解，我们选取一种情况进行解释。考虑当次级基站2发送的信号对初级接收端的干扰较小时，次级基站2才能接入此信道向其用户发送信息。传统意义上来说，当基站2欲给次级接收端发送业务内容，若其对初级接收端的干扰较大时(初级接收端也要接收来自初级基站1的信息)，基站2不能接入初级信道。但是，当初级基站1通过初级信道向初级接收端发送内容信息1时，若次级基站欲向次级接收端发送的内容信息(如内容信息2)已缓存在初级接收端时，且如果从次级基站2到初级接收端的信道状态信息CSI通过信道估计等方法可完美获取，拥有缓存能力的初级接收端可以利用本地已缓存的业务内容2作为边信息，将来自基站1的干扰信号进行消除。即拥有缓存能力的初级用户可以将来自次级基站2的强度很大的干扰信号变弱，此时即使次级基站2和初级基站1共同接入初级信道，次级基站2对初级基站1的服务质量并不会产生恶劣影响，次级基站2依然可以接入初级信道。可知，利用接收端的缓存能力，可以进一步提高频谱效率，实现了以廉价丰富的存储计算资源来换取昂贵稀缺的频谱资源的目的。

同样的，当信道信息CSI已知时，当次级基站和初级基站同时发相同业务内容时，如初级基站1向初级用户发送业务内容1，次级基站2向次级用户也发送业务内容1时，传统意义上次级基站2发送信号对初级用户为干扰，其实可以用来作为有用信号叠加在初级用户接收到的来自初级基站1的信号，进行信号增强。因此在此情形下，次级基站也可以与初级基站同时接入初级信道。

如图3所示，本发明采用的技术方案包括如下步骤：

步骤1：以一定缓存机制将业务内容存储在初级接收端，缓存机制决定了在什么时间，以何种方式，将什么内容，以怎样的形式，缓存在哪些接收端。时间上可以是网络空闲时刻，或者是业务服务时刻。方式可以通过高效的广播/多播，或者用户接收信息的同时将信息缓存。内容可以是比较流行的关注度高的，也可以是最近请求的。形式可以是整个业务内容，可以是业务内容片段，或者多个内容的编码组合。缓存在哪些接收端应该可根据具体目标而定，如以最大化频谱效率、最大化网络容量为目标等。

步骤2：初级基站处通过有效机制获取(本发明不限于基站，可以是其他各类型的信息发送站点)其覆盖范围内的初级接收端所缓存的业务内容情况。初级基站通过初级信道向初级用户发送信息。

步骤3：当次级基站接收到次级用户请求，通过传统的频谱感知方法感知周围可利用的初级信道。若感知到周围可利用初级信道资源充足，跳转到步骤5；否则，跳转到步骤4，感知某一信道接收到的能量大小，若能量高于一阙值，便判定此信道已被占用

步骤4：次级基站与周围相关初级基站互通各自在相应信道(相应信道指，在步骤3中感知的相应的不可利用的初级信道)要发送的信息。若次级基站在相应信道要发送的信息在相应初级用户处已缓存，或是次级基站在相应信道要发送的信息与初级信道要发送信息相同，这些初级信道对于次级基站也为可用信道，并跳转到步骤5，互通方式可以为，次级基站和初级基站统一对业务内容进行命名标记，传输业务标号以互通各自要传输信息。次级基站和初级基站可以通过额外信令等有效方式进行互通。

步骤5：次级基站在可用信道(对于未经过步骤4的次级基站可用信道包含：步骤3中感知的可利用信道。对于经过步骤4的次级基站可用信道包含：步骤3中感知的可利用信道和步骤4中的可用信道)向次级用户发送信息。

步骤6：初级用户获取与步骤4中次级基站间的信道信息CSI。若步骤4中的次级基站所发送的信息是初级用户自己本地已缓存信息，则初级用户在步骤6利用本地已缓存的业务内容作为边信息和信道信息CSI，对来自次级基站的干扰信号进行干扰消除。若步骤4中的次级基站所发送的信息是和初级基站发送的相同的信息，则初级用户在步骤6利用信道信息CSI，对来自次级基站和初级基站的信号进行叠加等处理，进行信号增强。

初级用户分辨次级基站所发送的信息是自己本地已缓存信息，还是和初级基站发送的相同的信息，的方式可以为：初级基站向初级用户多发一个bit位，0表示次级基站所发送的信息是初级用户自己本地已缓存信息，1表示次级基站所发送的信息是和初级基站发送的相同的信息。另外，初级用户获取与步骤4中次级基站间的信道信息CSI也可在其他步骤中以合适的方式获取。

如图2所示，将初级信息发送站点的时隙分为3个子时隙作为次级信息发送站点的操作时隙，

其中T₁＜＜T₃，T₂＜＜T₃。次级信息发送站点分别在子时隙T₁，T₂，T₃完成步骤3,4,5的相关操作。次级信息发送站点在向次级用户传输信息的时间长度为T₃，而初级信息发送站点向初级用户传输信息的时间长度为T₁+T₂+T₃＝T。

实施例1：

如图4，所示有两个基站(不限于基站，可以是各类型的信息发送站点)，基站1和2，基站1为初级基站，基站2为次级基站。两个接收端(用户终端)，其中一个用户终端有缓存能力为初级用户，被初级基站1所覆盖。另一个用户无缓存能力，为次级用户，被次级基站2覆盖。经过本发明步骤1，初级用户终端已缓存了业务内容1,2,3。且通过步骤2，基站已获取初级用户已缓存的内容情况。在步骤3中，若次级基站感知到的周围可利用的初级信道不充足，次级基站需要按照步骤4与初级基站通过有效方式互通各自要发送的信息(互通方式例如可以通过统一的业务内容命名标记来实现，次级基站和初级基站通过互换内容标号来确定对方所要发送和正在发送的信息)。当初级基站1向初级用户发送内容4，同时次级基站2向次级用户发送内容2。按照步骤4，次级基站获知向次级用户所要发送的内容信息2已经缓存在初级用户端，则次级基站和初级基站可以同时利用初级基站的信道分别向次级用户和初级用户发送内容信息2和内容信息4。则初级用户的接收信息可表示为：

$y_p=\sqrt{P}{d}_{1,1}^{-\frac{\mathrm{\β}}{2}}{h}_{1,1}{x}_4+\sqrt{P}{d}_{2,1}^{-\frac{\mathrm{\β}}{2}}{h}_{2,1}{x}_2+n_0$

其中，P为发送功率，d_i,j和h_i,j(i,j∈{1,2})分别是相应基站和用户间的距离和信道衰落，β≥2是路径损耗因子，x_i(i＝2,4)是相应的单位功率的发送信号，n₀为功率为σ²的高斯加性白噪声。

我们考虑在本发明步骤6中，初级用户能够获取准确的CSI信道状态信息因此，初级用户基于边信息即本地缓存的业务内容(x₂)和CSI信息可以消除干扰项因此，初级用户接收内容4时的SINR为：

${\mathrm{SINR}}_p=\frac{P{\left|h_{1,1}\right|}^2{d}_{1,1}^{-\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\σ}}^2}$

次级用户接收到的信号可表示为：

$y_2=\sqrt{P}{d}_{2,2}^{-\frac{\mathrm{\β}}{2}}{h}_{2,2}{x}_2+\sqrt{P}{d}_{1,2}^{-\frac{\mathrm{\β}}{2}}{h}_{1,2}{x}_4+n_0$

因此，非可缓存用户接收信号SINR为

${\mathrm{SINR}}_s=\frac{P{\left|h_{2,2}\right|}^2{d}_{2,2}^{-\mathrm{\β}}}{P{\left|h_{1,2}\right|}^2{d}_{1,2}^{-\mathrm{\β}}+{\mathrm{\σ}}^2}$

因此在相应的初级信道上，同时传输的信息总量为

C_c＝Blog₂(1+SINR_p)+Blog₂(1+SINR_s)

其中B为初级信道带宽。而在传统非缓存网络中，在相应的初级信道上，次级用户和初级用户并不能同时传输，只能初级用户传输信息。则传输信息总量为：

C_o＝Blog₂(1+SINR_p)

比较C_o和C_c可知，基于接收端缓存进行智能的频谱感知接入，可以有效提高网络有效容量，提高频谱效率。

实施例2：

如图5所示，更理想的情况是，若次级用户终端也有缓存能力，且已缓存了初级基站所要向初级用户发送的信息，图中的次级用户缓存了内容信息4。次级基站和初级基站同时利用初级基站的信道分别向次级用户和初级用户发送内容信息2和内容信息4时，初级用户和次级用户接收端SINR分别为：

${\mathrm{SINR}}_p=\frac{P{\left|h_{1,1}\right|}^2{d}_{1,1}^{-\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\σ}}^2}$

${\mathrm{SINR}}_u=\frac{P{\left|h_{2,2}\right|}^2{d}_{2,2}^{-\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\σ}}^2}$

由上式可知，此时次级基站和初级基站间的信息传输互不影响，能够得到更优的系统性能，进一步提升网络有效传输容量，进一步提高频谱利用率。

实施例3：

如图6所示,当次级基站与初级基站要发送的信息相同时，如同时发送内容信息4，次级基站和初级基站可以同时分别向次级用户和初级用户发送信息。初级用户和次级用户接收端SINR分别为：

${\mathrm{SINR}}_c=\frac{P{\left|h_{1,1}\right|}^2{d}_{1,1}^{-\mathrm{\β}}+P{\left|h_{2,1}\right|}^2{d}_{2,1}^{-\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\σ}}^2}$

${\mathrm{SINR}}_u=\frac{P{\left|h_{2,2}\right|}^2{d}_{2,2}^{-\mathrm{\β}}+P{\left|h_{1,2}\right|}^2{d}_{1,2}^{-\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\σ}}^2}$

由上式可知，此时次级基站和初级基站间的信息传输相互协作增强，能够得到更优的系统性能，进一步提升网络有效传输容量，进一步提高频谱利用率。

本发明不限于接收端缓存，若在信息发送站点(如基于发射端缓存)，当次级信息发送点要发送的信息已在初级发送站点处缓存，初级发送站点可利用已缓存的次级发送站点要发送的信息、次级发送站点与初级接收端间的CSI、要发送给初级接收端的数据信息进行信号处理，将处理后的信号发送给初级接收端。当初级接收端同时接收到来自初级发送站点处理后的信息和次级发送站点发来的干扰信息，若初级接收端的服务质量并未恶化，次级信息发送站点也可以利用初级信道向次级接收端发送信息，以上情况也能利用本发明中所提方法和思想，也属于本发明的保护点。