一种认知无线电频谱分配协议评价方法及系统

技术领域

本发明涉及认知无线电领域，特别是涉及一种认知无线电频谱分配协议评价方法及系统。

背景技术

认知无线电技术是一种旨在通过对频谱进行复用，解决无线电频谱资源日趋紧张枯竭问题的技术。其中，频谱分配问题对认知无线电技术的实际应用影响巨大。目前，已经提出了不少频谱分配协议，但是缺少针对频谱分配协议的统一的评价方法。因而，在特定应用场景下，由于不能获得各种分配协议的客观指标，导致了对频谱分配协议的选择缺乏客观依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种认知无线电频谱分配协议评价方法及系统，提高了认知无线电频谱分配协议评价的准确性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种认知无线电频谱分配协议评价方法，所述方法包括：

根据待评价频谱分配协议，获得M个信道分配给N个用户的各分配结果的分配结果概率；

在设定时间内采用所述待评价频谱分配协议进行无线电传输，获取各分配结果的性能指标数据；

根据各分配结果的分配结果概率和各分配结果的性能指标数据计算所述性能指标数据的数学期望。

可选地，所述根据待评价频谱分配协议，获得M个信道分配给N个用户的各分配结果的分配结果概率，具体包括：

根据待评价频谱分配协议构建分配概率树；所述分配概率树有M+1级节点，第0级节点为所述分配概率树的根节点，第0级节点、第1级节点、...、第M-1级节点中各级节点有N个子节点，第M级节点为终节点，各节点均包括当前分配结果矩阵和当前分配结果概率，第k级节点的当前分配结果矩阵表示前k个信道分配结束的分配结果，0≤k≤M，所述当前分配结果矩阵为M行N列的矩阵，所述当前分配结果矩阵的第i行第j列对应的元素表示第i个信道是否分配给第j个用户，1≤i≤M，1≤j≤N，所述当前分配结果概率为所述当前分配结果矩阵对应的分配概率，第M级节点有N

可选地，所述根据各分配结果的分配结果概率和各分配结果的性能指标数据计算所述性能指标数据的数学期望的表达式为

其中，E[f(A

可选地，所述性能指标数据对应的性能指标包括吞吐量、延迟、用户缓存中剩余数据包数量和包传输失败率。

本发明公开了一种认知无线电频谱分配协议评价系统，所述系统包括：

分配结果获取模块，用于根据待评价频谱分配协议，获得M个信道分配给N个用户的各分配结果的分配结果概率；

各性能指标数据获取模块，用于在设定时间内采用所述待评价频谱分配协议进行无线电传输，获取各分配结果的性能指标数据；

性能指标数据的数学期望计算模块，用于根据各分配结果的分配结果概率和各分配结果的性能指标数据计算所述性能指标数据的数学期望。

可选地，所述分配结果获取模块，具体包括：

分配结果获取单元，用于根据待评价频谱分配协议构建分配概率树；所述分配概率树有M+1级节点，第0级节点为所述分配概率树的根节点，第0级节点、第1级节点、...、第M-1级节点中各级节点有N个子节点，第M级节点为终节点，各节点均包括当前分配结果矩阵和当前分配结果概率，第k级节点的当前分配结果矩阵表示前k个信道分配结束的分配结果，0≤k≤M，所述当前分配结果矩阵为M行N列的矩阵，所述当前分配结果矩阵的第i行第j列对应的元素表示第i个信道是否分配给第j个用户，1≤i≤M，1≤j≤N，所述当前分配结果概率为所述当前分配结果矩阵对应的分配概率，第M级节点有N

可选地，所述根据各分配结果的分配结果概率和各分配结果的性能指标数据计算所述性能指标数据的数学期望的表达式为

其中，E[f(A

可选地，所述性能指标数据对应的性能指标包括吞吐量、延迟、用户缓存中剩余数据包数量和包传输失败率。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

一种认知无线电频谱分配协议评价方法及系统，根据各分配结果的分配结果概率和各分配结果的性能指标数据计算所述性能指标数据的数学期望，从而实现对不同频谱分配协议的客观评价，提高了认知无线电频谱分配协议评价的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种认知无线电频谱分配协议评价方法流程示意图；

图2为本发明实施例分配概率树示意图；

图3为本发明实施例数据流程示意图；

图4为本发明一种认知无线电频谱分配协议评价系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种认知无线电频谱分配协议评价方法及系统，提高了认知无线电频谱分配协议评价的准确性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

假设应用场景为M信道N用户的认知无线电系统，当需要评价一个频谱分配协议该系统的性能时：

所述M信道N用户认知无线电系统，是指一种无线通信系统，通信信道为无线通信信道，在逻辑上将信道进行编号，信道的数量为M。在该无线通信系统中，存在具有使用信道的优先权的主用户，当主用户使用一个信道的时候，非主用户不可以使用该信道。存在使用认知无线电技术的次用户，任意信道不被主用户使用时，可使用该信道进行传输。系统可支持的次用户数量是N。

图1为本发明一种认知无线电频谱分配协议评价方法流程示意图，如图1所示，一种认知无线电频谱分配协议评价方法包括以下步骤：

步骤101：根据待评价频谱分配协议，获得M个信道分配给N个用户的各分配结果的分配结果概率。

所述根据待评价频谱分配协议，获得M个信道分配给N个用户的各分配结果的分配结果概率，具体包括：

根据待评价频谱分配协议构建分配概率树，由分配概率树获得分配结果集和分配结果概率向量；所述分配概率树有M+1级节点，第0级节点为所述分配概率树的根节点，第M级节点为终节点，第0级节点、第1级节点、...、第M-1级节点中各级节点有N个子节点，即除终节点外，所有节点都有N个子节点，各节点均包括当前分配结果矩阵A和当前分配结果概率P，第k级节点的当前分配结果矩阵表示前k个信道分配结束的分配结果，0≤k≤M，所述当前分配结果矩阵为M行N列的矩阵，所述当前分配结果矩阵的第i行第j列对应的元素A(i,j)表示第i个信道是否分配给第j个用户，如果是，则A(i,j)＝0，如果不是，则A(i,j)＝1，1≤i≤M，1≤j≤N，所述当前分配结果概率为所述当前分配结果矩阵对应的分配概率，第M级节点有N

根节点的当前分配结果矩阵为M行N列的全零矩阵，当前分配结果概率为1。

处于第k级的节点的第l个子节点的当前分配结果矩阵＝该节点的当前分配结果矩阵+对应的一步分配矩阵。

所述一步分配矩阵是指，在当前分配结果基础上，下一个信道的分配结果。第k级节点的第l个子节点的一步分配矩阵为一个M行N列矩阵，其中，第k+1行第l+1列元素为1，其他元素都为0。

每个节点的第l个子节点的当前分配结果概率＝该节点的当前分配结果概率×(当前分配结果基础上，下一个信道分配给第l个用户的概率)。

所述分配结果集，由分配概率树的所有终结点的当前分配结果矩阵构成。用

所述分配结果概率向量，用V表示，是一个N

其中，v

步骤102：在设定时间内采用所述待评价频谱分配协议进行无线电传输，获取各分配结果的性能指标数据。

在设定时间内采用所述待评价频谱分配协议进行无线电传输，获取各分配结果的性能指标数据，具体包括：

构建M个信道N个用户的认知无线电系统的数学模型；所述数学模型用于模拟采用所述待评价频谱分配协议的所述认知无线电系统。

运行所述数学模型，在设定时间内采用所述待评价频谱分配协议进行无线电传输，获取各分配结果的性能指标数据。

步骤103：根据各分配结果的分配结果概率和各分配结果的性能指标数据计算所述性能指标数据的数学期望。

所述根据各分配结果的分配结果概率和各分配结果的性能指标数据计算所述性能指标数据的数学期望的表达式为

其中，E[f(A

所述性能指标数据对应的性能指标包括吞吐量、延迟、用户缓存中剩余数据包数量和包传输失败率。

本发明提供了一种认知无线电频谱分配协议评价方法，该方法能够将不同的频谱分配协议抽象为统一的数学表达形式，以便将其作为输入，输入到特定应用系统场景的数学模型，计算出不同协议在同一应用场景下的性能指标，从而实现对不同频谱分配协议的客观评价，为在特定应用系统场景下选择最优的频谱分配协议提供客观的依据。

下面以具体实施例进一步说明本发明一种认知无线电频谱分配协议评价方法。

以应用场景为3信道2用户认知无线电系统为例，使用本发明所述评频谱分配协议评价系统对随机分配协议进行评价。

所述3信道2用户认知无线电系统，是指一种无线通信系统，通信信道为无线通信信道，在逻辑上将信道进行编号，信道的数量为3。在该无线通信系统中，存在具有使用信道的优先权的主用户，当主用户使用一个信道的时候，非主用户不可以使用该信道。存在使用认知无线电技术的次用户，任意信道不被主用户使用时，可使用该信道进行传输。3信道2用户认知无线电系统中的2用户指的是系统可支持的次用户数量是2。

所述随机分配协议，是指每次进行信道分配时，一条信道以随机分配的方式分给各用户，即分配给各个用户的概率相同。则在3信道2用户认知无线电系统中，一个信道分配给各个用户的概率各为

Step1：根据待评价频谱分配协议，获得分配概率树。

3信道2用户的分配概率树为4级。每个节点用二元组(A,p)表示，A为当前分配结果矩阵，p为当前分配结果概率。

树的根节点(第0级节点)为N

由根节点(第0级节点)N

其中A

p

因此，

第一级的2个节点分别生出2个子节点N

其中A

p

因此，

同理，第二级的4个节点分别生发出2个子节点，

构成的分配概率树如图2所示。

Step2：由分配概率树获得分配结果集和分配结果概率向量。

将分配概率树的所有终结点的当前分配概率矩阵依次构成分配结果集，得：

分配结果

Step3：为该3信道2用户的认知无线电系统建立数学模型。

假设为该3信道2用户的认知无线电系统建立数学模型，数学模型中参数包括系统中每个用户的缓存大小、信道的状态数和数据包到达模型。

所述缓存是指一名用户信息发送前，用于存储已经产生但尚未传输的数据的空间，单位为数据包。假设1号用户缓存大小为B

所述信道的状态数，是指将每个信道按照其时变特性划分为多个状态，这些状态的总数量。本实例假设3个信道的时变特性相同，都被划分为3个状态，分别用S

所述数据包到达模型，是指每个时隙过程中，用户产生的新的待发送数据包数量。假设每个用户每个时隙都只产生1个新的待发送数据包。

Step4：分别对分配结果集Aset中的每个元素A

假设计算两个性能指标，一个是各个用户缓存中剩余数据包数量，另一个是吞吐量。

1号用户缓存中剩余数据包数量用f

吞吐量＝系统内用户传输数据包的总和，第一个用户传输的数据包数量用f

Step2中已求得Aset，其中第一个元素为

同理，可求出所有A

1号用户缓存中剩余数据包数量的数学期望

同理可得2号用户缓存中剩余数据包数量的数学期望

吞吐量的数学期望：

本发明数据流程如图3所示。

同理可以获得其他频谱分配协议，在该3信道2用户的认知无线电系统上的性能指标，比较不同协议的性能指标表现，有助于为该3信道2用户的认知无线电系统选择符合需求的分配协议。

时隙过程说明如下：

首先，认知无线电系统通过频谱感知来感知主网络用户占用了哪些信道，没有被主网络用户占用的信道可被认知无线电系统分配给认知无线电用户使用。

然后，在频谱感知阶段之后，就是频谱分配阶段，根据信道的状态和用户的状态来把空闲的信道分配给认知无线电用户，分配的准则就是频谱分配协议。具体的分配协议有很多种，例如随机分配；或者按照用户缓存里数据包的数量的多少来分配，优先将信道分配给缓存里数据包多的用户，让他们先占用信道进行传输，以防止数据堵塞。

最后，认知无线电用户使用被分配的信道进行数据传输。用户的缓存里的数据包数量以及数量的变化规律能体现出系统的性能，直接影响用户体验。用户缓存里的数据包被传输出去的同时，会有新的数据包产生并进入认知无线电用户的缓存。

上述过程是循环的，一个循环就是1个时隙。认知无线电用户的行为就是不停的在感知空闲的频谱、分配、传输，再感知、再分配、再传输。

图4为本发明一种认知无线电频谱分配协议评价系统结构示意图，如图4所示，一种认知无线电频谱分配协议评价系统包括：

分配结果获取模块201，用于根据待评价频谱分配协议，获得M个信道分配给N个用户的各分配结果的分配结果概率；

各性能指标数据获取模块202，用于在设定时间内采用所述待评价频谱分配协议进行无线电传输，获取各分配结果的性能指标数据；

性能指标数据的数学期望计算模块203，用于根据各分配结果的分配结果概率和各分配结果的性能指标数据计算所述性能指标数据的数学期望。

所述分配结果获取模块201，具体包括：

分配结果获取单元，用于根据待评价频谱分配协议构建分配概率树；所述分配概率树有M+1级节点，第1级节点为所述分配概率树的根节点，各级节点有N个子节点，各节点均包括当前分配结果矩阵和当前分配结果概率，第k级节点的当前分配结果矩阵表示前k个信道分配结束的分配结果，0≤k≤M，所述当前分配结果矩阵为M行N列的矩阵，所述当前分配结果矩阵的第i行第j列对应的元素表示第i个信道是否分配给第j个用户，1≤i≤M，1≤j≤N，所述当前分配结果概率为所述当前分配结果矩阵对应的分配概率，第M+1级节点有N

所述根据各分配结果的分配结果概率和各分配结果的性能指标数据计算所述性能指标数据的数学期望的表达式为

其中，E[f(A

所述各性能指标数据获取模块202，具体包括：

数学模型构建单元，用于构建M个信道N个用户的认知无线电系统的数学模型；所述数学模型用于模拟采用所述待评价频谱分配协议的所述认知无线电系统；

各分配结果的性能指标数据获取单元，用于运行所述数学模型，在设定时间内采用所述待评价频谱分配协议进行无线电传输，获取各分配结果的性能指标数据。

所述性能指标数据对应的性能指标包括吞吐量、延迟、用户缓存中剩余数据包数量和包传输失败率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。