[發明專利]一種吞吐量最大化的認知無線電系統

無效

• 申請號: 201010104479.5
• 申請日: 2010-01-29
• 公開（公告）號: CN101800623A
• 公開（公告）日: 2010-08-11
• 發明（設計）人: 曹洋;屈代明;鐘國輝;江濤;王德勝
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H04L1/00
• 分類號: H04L1/00;H04L12/00;H04L7/00;H04N101/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

1.一種吞吐量最大化的認知無線電系統，其特征在于：該系統包括無 線電收發機、檢測器、調度器、傳輸控制器以及數據終端；

無線電收發機使用和主要用戶相同的信道C，無線電收發機采用先聽后 說的數據傳輸方式，將各個時隙分為檢測子時隙和傳輸子時隙，在檢測子 時隙，無線電收發機接收信道C上的無線電信號，并將接收到的信號輸入到 檢測器，在傳輸子時隙，無線電收發機在傳輸控制器的控制下在信道C上發 送數據終端發送緩沖區中的數據包；

檢測器用于對無線電收發機在檢測子時隙接收到的無線電信號進行處 理，判斷是否有主要用戶在信道C上發送數據，即判斷當前主要用戶的工作 狀態是忙或閑，并將判斷結果輸入到調度器；

調度器根據檢測器輸出的判斷結果計算在當前檢測子時隙之后各個傳 輸子時隙無線電收發機應該采用的數據傳輸概率；

傳輸控制器根據當前傳輸子時隙的數據傳輸概率隨機確定無線電收發 機在當前傳輸子時隙是否發送數據終端發送緩沖區中的數據包；

數據終端將待發送的數據處理成數據包輸入到內部的發送緩沖區隊列 中，待無線電收發機從該隊列中取出數據包在信道C上進行傳輸；

所述調度器包括控制模塊、預測模塊、傳輸概率計算模塊和輸出模塊；

控制模塊根據檢測器輸出的當前檢測子時隙主要用戶工作狀態調整調 度器的工作狀態：若當前檢測子時隙上信道C被主要用戶占用，則調度器輸 出當前傳輸子時隙上數據傳輸概率為0；若當前檢測子時隙上信道C未被主 要用戶占用，而前一檢測子時隙上信道C被主要用戶占用，則調度器通過預 測模塊和傳輸概率計算模塊來計算一組未來的傳輸子時隙上的數據傳輸概 率，并輸出當前傳輸子時隙上的數據傳輸概率；若當前檢測子時隙上信道C 未被主要用戶占用，而前一檢測子時隙上信道C也未被主要用戶占用，則調 度器輸出當前傳輸子時隙上數據傳輸概率；

預測模塊基于離散時間隱馬爾科夫模型，根據從控制模塊輸入的信道 狀態歷史來預測主要用戶在未來傳輸子時隙內使用信道C的概率；

傳輸概率計算模塊用于計算未來傳輸子時隙的數據傳輸概率；傳輸概 率計算模塊以次要用戶吞吐量為優化目標，以主要用戶數據包的被碰撞概 率被限制在預設的門限范圍之內為約束條件，構造并求解線性優化方程， 得到一組最優的數據傳輸概率，使得次要用戶吞吐量最大化；

輸出模塊用于儲存傳輸概率計算模塊輸出的一組傳輸概率，并在控制 模塊的控制下輸出當前傳輸子時隙的傳輸概率；

所述控制模塊按照下述規則調整調度器的工作狀態：

用X(k)表示檢測器在第k檢測子時隙判定的信道狀態，則

k為正整數，表示檢測子時隙及傳輸子時隙的序號，假設當前系統處在 第k檢測子時隙；

若X(k)＝1，控制模塊儲存當前檢測結果，向輸出模塊發送信號 “NULL”，即控制輸出模塊輸出在當前傳輸子時隙的數據傳輸概率為0，即 不發送數據；

若X(k)＝0，且X(k-1)＝1，k＞1，說明當前信道C上主要用戶狀態由 “忙”轉變為“閑”，控制模塊儲存當前檢測結果；設從初始時刻1到當前 時刻k檢測子時隙判決的主要用戶狀態組成矢量 Z(k)＝[X(1)，X(2)，..，X(k)]；控制模塊將Z(k)傳送給預測模塊，同時將內部 計數器值j置為0；待傳輸概率計算模塊輸出一個由一組數據傳輸概率組成 的向量Q_k＝[Q_k(0)，Q_k(1)，..，Q_k(S-1)]并存入輸出模塊中；Q_k表示從第k個傳 輸子時隙算起往后一共S個傳輸子時隙上數據傳輸概率組成的向量，S為多 步預測步數，S為整數且2≤S≤100；控制模塊向輸出模塊發送信號“i＝0”， 即控制輸出模塊從內存中取出傳輸概率Q_k(0)并輸出；

若X(k)＝0，且X(k-1)＝0，X(k-2)＝1，k＞2，說明當前信道C上主 要用戶的狀態仍然為“閑”，控制模塊儲存當前檢測結果；在第k-1檢測子 時隙信道C上主要用戶狀態由“忙”轉變為“閑”，故輸出模塊中已存有Q_k-1；

控制模塊內部計數器值j自加1，向輸出模塊發送信號“i＝1”，即控制輸出 模塊輸出傳輸概率Q_k-1(1)；

所述預測模塊采用基于離散時間的隱馬爾科夫模型HMM進行預測，其 流程為：

假設當前系統處在第k檢測子時隙，X(k)＝0，且X(k-1)＝1，則控制 模塊輸出的信道狀態歷史Z(k)到預測模塊；預測模塊采用鮑姆-韋爾奇算 法，訓練最優隱馬爾科夫模型，得到最優隱馬爾科夫模型的參數集合λ；

設U_k(i)表示主要用戶在第k+i傳輸子時隙內使用信道C的概率；V_k(i) 表示信道C從第k檢測子時隙一直到第k+i檢測子時隙都保持空閑的概率； 采用向前-向后算法計算U_k(i)和V_k(i)：

Uk(i)=]]>

Pr(X(k+i+1)=1,Z(k)|λ)Pr(Z(k)|λ),i=0Pr(X(k+1)=0,...,X(k+i)=0,X(k+i+1)=1,Z(k)|λ)Pr(Z(k)|λ),0<i≤S-1]]>

Vk(i)=]]>

Pr(X(k+i+1)=0,Z(k)|λ)Pr(Z(k)|λ),i=0Pr(X(k+1)=0,...,X(k+i)=0,X(k+i+1)=0,Z(k)|λ)Pr(Z(k)|λ),0<i≤S-1]]>

其中，i為預測步數序號，0≤i≤S-1，S為多步預測步數。Pr(·|·)表示 在特定條件下發生某個事件的條件概率，計算完畢后將U_k(i)和V_k(i)的值輸 入到傳輸概率計算模塊；

所述傳輸概率計算模塊按照下述方式計算無線電收發機應該采用的數 據傳輸概率：

假設當前系統處在第k檢測子時隙，預測模塊將U_k(i)和V_k(i)的值輸入 到傳輸概率計算模塊。為了使主要用戶下一次數據包的被碰撞概率D_k被限 制在預設的門限R范圍之內，0≤R≤1，使次要用戶在第k至k+S-1傳輸 子時隙分別按照概率Q_k(0)，...，Q_k(i)，...，Q_k(S-1)進行數據傳輸，0≤i≤S-1， 則需要滿足以下約束：

Dk=Σi=0S-1Uk(i)·Qk(i)≤R]]>

次要用戶在本次空閑區域的歸一化吞吐量的期望值T_k表示為：

Tk=Σi=0S-1Vk(i)·Qk(i)Σi=0S-1Vk(i)]]>

使T_k最大化，求解Q_k(i)；列出線性規劃的規范形式，如下：

Max???T_k

s.t.??D_k≤R

0≤Q_k(i)≤1，i＝0，1，...，S-1

基于離散時間的隱馬爾科夫模型HMM預測出U_k(0)～U_k(S-1)的值和 V_k(0)～V_k(S-1)的值，通過線性規劃的方法，得到使T_k最大化的一組次要用 戶數據傳輸概率Q_k(0)～Q_k(S-1)的值；如果本次空閑區域的長度大于多步 預測步數S，那么Q_k(S-1)之后的次要用戶數據傳輸概率全部當作0處理。