專利名稱：一種認知無線電系統(tǒng)中基于公平性的功率和信道聯(lián)合分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種認知無線電(Cognitive Radio)系統(tǒng)中基于公平性的功率和信道聯(lián)合分配方法，屬于 無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及應(yīng)用在認知無線電系統(tǒng)中的功率和信道的聯(lián)合分配。
背景技術(shù)：
隨著無線應(yīng)用的不斷拓展，頻譜資源的缺乏成為無線應(yīng)用研究過程中不得不面臨的問題， 但是從一些研究結(jié)果可以看到，頻譜資源的缺乏更多是由于無線接入技術(shù)的利用不合理引起 的。當前的頻譜管理策略是基于靜態(tài)控制的模型。管理機構(gòu)將可用頻譜資源劃分成固定、非 重疊的頻譜塊，并通過保護頻帶進行分割，將這些頻譜塊以獨占(exclusive)的方式分配給 不同的服務(wù)和技術(shù)，例如移動通信運營商、廣播電視、軍事和公共安全部門。但大量的測 量數(shù)據(jù)表明，當前的頻譜管理策略導(dǎo)致了很低的頻譜利用率。以美國為例，在3GHz以下， 已分配頻譜的利用率隨時間和地理位置的變化從15%到85%，整體的平均利用率僅有大約 30%。為了解決這個頻譜利用率低下的問題，近年來， 一種稱為認知無線電(Cognitive Radio， CR)的頻譜使用模式正逐漸受到人們的關(guān)注。認知無線電系統(tǒng)是一個智能無線通信系統(tǒng)，它 能夠感知、學(xué)習(xí)周圍環(huán)境，通過改變相應(yīng)的操作參數(shù)(比如傳輸功率、載波頻率和調(diào)制技術(shù) 等)，使其內(nèi)部狀態(tài)能適應(yīng)接收到的無線信號的統(tǒng)計性變化，從而完成在任何時間任何地點高 可靠性的通信以及對頻譜資源的高效利用。利用認知無線電的智能感知能力，在不對擁有頻 譜的授權(quán)用戶(主用戶)產(chǎn)生有害干擾的前提下，未授權(quán)用戶(次用戶)可以在授權(quán)用戶(主 用戶)未使用某些頻譜資源時通過擇機(opportunistic)的方式接入主用戶的空閑頻段，以提 高頻譜利用效率。
認知無線電系統(tǒng)中需要考慮兩種類型的干擾。 一類是非授權(quán)用戶對授權(quán)用戶的干擾，這 類干擾必須無條件的限制在授權(quán)用戶可以承受的范圍內(nèi)。第二類是非授權(quán)用戶之間的千擾。 除了這兩個基本要求之外，認知無線電網(wǎng)絡(luò)中的功率控制和信道分配還應(yīng)考慮非授權(quán)用戶的 QoS要求以及他們之間的公平性問題?，F(xiàn)有的方案按其考慮的系統(tǒng)場景不同可以分為兩類 一是適用于分布式場景下的，二是適用于集中式場景下的。分布式場景下的分配策略大多以 博弈論為基礎(chǔ)出發(fā)考慮，也有參考傳統(tǒng)Adhoc網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)計方法，從集中式策略入手，再將 集中式策略轉(zhuǎn)換成分布式策略。雖然分布式的策略較好地匹配了認知用戶檢測的特點，也能 提高用戶的自治性，但由于缺乏管理者，使得所實施的策略需要大量的信息交互。因此，仍 然有大量研究致力于集中式的策略。利用基站豐富的信總，強大的處理能力，同時結(jié)合認知系統(tǒng)中頻譜動態(tài)變化的特征，大量的集中式策略都致力丁研究聯(lián)合分配，特別是功率控制與 信道分配的結(jié)合。其中比較具有代表性的聯(lián)合分配算法是由一些研究者提出的兩階段信道和 功率聯(lián)合分配方案——TPRA (a two-phase resource allocation),在避免干擾的前提卜一提高系 統(tǒng)增益。內(nèi)容詳見Anh Tuan Hoang， Ying-Chang Liang. A Two-Phase Channel and Power Allocation Scheme for Cognitive Radio Networks. In Proc. 17th annual IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC' 06)?？紤]一個總 信道數(shù)為K (下表從0到K-1，各頻帶相互正交，頻帶間無干擾)，總非授權(quán)用戶數(shù)為N(下 標從0到N-l )，小區(qū)數(shù)為B (下標從0到B-l )，授權(quán)用戶數(shù)為M (下標從0到M-l )的認知 無線電系統(tǒng)，TPRA研究多小區(qū)環(huán)境下的下行資源(信道和功率)分配問題。
考慮到對授權(quán)用戶的保護，應(yīng)保證在任意信道上所有非授權(quán)用戶的發(fā)射功率i^之和不超
過授權(quán)用戶能承受的最大干擾？。 rr表示使用信道c的所有授權(quán)用戶集合，g;,表示在信道
c上與非授權(quán)用戶i通信的基站到授權(quán)用戶p的信道增益。艮口
S"g;,s ， V; err,Vce卩,2，…W (1)
考慮非授權(quán)用戶之間的互干擾，應(yīng)保證他們之間的干擾不會引起接收機處的信干噪比^ 低于可解調(diào)的最小信干噪比？
-^-(2)
w。+1:尸〗g:
TPRA的第一個階段是在不同認知小區(qū)的基站間進行功率和信道分配，目的是實現(xiàn)對授 權(quán)用戶的保護和覆蓋盡量多的非授權(quán)用戶?；镜陌l(fā)射功率越大，能覆蓋的認知用戶數(shù)越多， 發(fā)射功率越小，能覆蓋的用戶數(shù)越少，而只有離授權(quán)用戶一定距離的基站才能以較大的功率 發(fā)射。要找出一個折中的方法具有一定的難度。為了完成小區(qū)間的分配，假設(shè)每個基站都既
有只能小功率發(fā)射的信道，也有能大功率發(fā)射的信道，然后按信道條件對基站排序。r^表
示基站b到授權(quán)用戶p的信道增益，令
n*=m^{r;6} (3) 再將各個基站按照rt從小到大的順序排序并按此順序?qū)λ麄冞M行分配。這里包含了個子
步驟確定基站6 應(yīng)該覆蓋到的一個特殊的非授權(quán)用戶/,,。
r:是基站&覆蓋到的并且可以使
用信道C的所有非授權(quán)用戶的集合，則/ 由下式?jīng)Q定
<formula>formula see original document page 9</formula>(4)
按照順序?qū)λ谢緢?zhí)行完步驟1后，就得到非授權(quán)用戶的集合OH.../^，并決定基
站相應(yīng)的下行功率p;;,/^,…/^j 。令m維向量『為
<formula>formula see original document page 9</formula>(5)
m維方陣f為
<formula>formula see original document page 9</formula>
(6)
<formula>formula see original document page 9</formula>(7)
根據(jù)(尸;:,p:;,…pU確定ivx尺維的覆蓋矩陣c， c(/,c)-i表示基站能在信道c上為非授
權(quán)用戶/提供服務(wù)。
TPRA的第二個階段是在小區(qū)內(nèi)對各個非授權(quán)用戶進行分配。為使認知系統(tǒng)的可容納的
非授權(quán)用戶數(shù)盡量地多，在各個非授權(quán)用戶與小區(qū)內(nèi)可使用的信道間建立了對偶圖，并用最 大匹配的方法為盡量多的非授權(quán)用戶分配信道。
以上方法的缺點是1)由于所有的分配工作都由基站完成，隨著可用信道數(shù)的增多，小
區(qū)數(shù)目的增多或者非授權(quán)用戶的增多，算法的執(zhí)行時間開銷也將隨之增加，分配時間周期也
會相應(yīng)延長，這使得該頻譜分配方法不適應(yīng)認知無線電中空閑頻譜快速時變的要求。2)非授 權(quán)用戶的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)要求。設(shè)計認知無線電網(wǎng)絡(luò)應(yīng)考慮的首要條件 就是不對授權(quán)用戶產(chǎn)生其不能承受的干擾，然而這必然會導(dǎo)致非授權(quán)用戶可用資源受限，從 而使得其QoS要求是否能得到滿足成為一個必須考慮的問題。而現(xiàn)有的算法要么沒有考慮此 問題，或是僅將QoS要求簡單地考慮為認知用戶的SINR要求。這顯然是不全面的。3)資源 分配的公平性。比如在上述算法中，若不考慮小區(qū)間資源分配的公平性問題，否則可能會使 一些有緊急業(yè)務(wù)的小區(qū)分配不到資源。以上三個缺點不僅是上述算法存在的，也是大多數(shù)現(xiàn)有算法存在的問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于公平性的認知無線電系統(tǒng)的功率和信道聯(lián)合分配方案。它 考慮的是單個認知無線電小區(qū)內(nèi)的上行資源(功率和信道)分配問題。首先，它保證了非授 權(quán)用戶對授權(quán)用戶的干擾不會超過授權(quán)用戶能承受的干擾范圍。其次，它為非授權(quán)用戶提供 了較高的QoS (速率)保證。再次，它使非授權(quán)用戶間的資源分配達到了較好的公平性。另 外，本方法將一部分繁瑣的分配任務(wù)分給了各個非授權(quán)用戶，各個非授權(quán)用戶可以同時、獨 立地決定自己最終使用的信道以及相應(yīng)的發(fā)射功率，從而降低頻譜分配的開銷，縮短了分配 時間周期，滿足了空閑頻譜實時變化的要求。
本發(fā)明所述技術(shù)方案為
一種認知無線電系統(tǒng)中基于公平性的功率和信道聯(lián)合分配方法，假定認知無線電系統(tǒng)中
非授權(quán)用戶數(shù)為M，射頻端可支持的頻帶F可平均分為N個頻段。為了確保對授權(quán)用戶的保 護，應(yīng)保證授權(quán)用戶在各個信道上受到的干擾應(yīng)不超過它能承受的干擾大小《。非授權(quán)用戶
/在信道j'上的發(fā)射功率大小是， Z,y表示非授權(quán)用戶/在信道y上到能承受的干擾最小的
授權(quán)用戶的路徑增益，則有
2>,A,"; (8)
r表示非授權(quán)用戶/與在信道y上能承受的干擾最小的授權(quán)用戶之間的距離路徑增益，"
為路徑損耗因子，r W(0,/0是一隨機變量，則Z"表示為.-
Z,」=r—"10r/1。 (9)
^表示非授權(quán)用戶/在信道J'上的路徑增益，2 ;^./^表示非授權(quán)用戶f受到的來自其
它非授權(quán)用戶在信道y上的干擾，p^表示接收機處受到的來自授權(quán)用戶的干擾，s為擴頻
增益，^表示背景噪聲。為了能成功建立非授權(quán)用戶與基站之間的通信，接受機處的信干噪 比S/iVi ,,必須超過成功解調(diào)信號所需的最小信干噪比s ，艮p:<formula>formula see original document page 11</formula>
為了說明本發(fā)明對公平性的定義，首先考慮這樣一個問題假設(shè)兩個非授權(quán)用戶m和n， 他們期望獲得的QoS支持分別為Z)2m和，他們實際獲得的QoS支持分別為和。
假設(shè)"0^〈"a，然而由于授權(quán)用戶的影響，頻譜的動態(tài)變化，或者他們之間QoS要求的差 異，使得六0 >=D^ ， ￡>2,,。這樣的分配顯然是不合理的。
i^表示非授權(quán)用戶/期望達到的速率。為了衡量公平性，定義一個歸一化的QoS滿足水 平《.(下標/表示非授權(quán)用戶/):
<formula>formula see original document page 11</formula>(11)
其中，非授權(quán)用戶或得的速率l- S fi*log2(l + 7E————~)，則公平性定
一 一
義為
(I),—'' = 1,2,,..M (12)
A,、
、&
、,w
其中，義是--個預(yù)先給定的公平性程度?？梢姡x越小，能達到的公平性越好。
本方法是一個能同時實現(xiàn)用戶QoS和公平性保證的功率和信道的聯(lián)合分配方案。在一個 集中式的認知無線電網(wǎng)絡(luò)中，分配時不僅需要確保對授權(quán)用戶的保護，還應(yīng)使非授權(quán)用戶之 間的互干擾不超過他們能承受的干擾大小。此外， 一個有實用性的分配方法還應(yīng)考慮公平性 和用戶的QoS。因此，這是一個復(fù)雜的分配任務(wù)，并且在大多數(shù)的情況下，這項工作的效率 取決于用戶采取的分配方案的復(fù)雜程度。為了減小復(fù)雜度，提高算法效率，本方法將分配分 成兩個階段。第一個階段稱為粗分配。這一階段根據(jù)非授權(quán)用戶的QoS要求以及公平性得出 每個非授權(quán)用戶能使用的最大的資源。第二階段稱為精分配，由多個非授權(quán)用戶同時獨立完 成本可以在授權(quán)用戶處串行完成的任務(wù)，這樣就減小了復(fù)雜度，并使得各個非授權(quán)用戶都能 自主地決定自己最終能使用的資源。
第一個階段——粗分配令i f表示非授權(quán)用戶/在第/幀的QoS滿足水平，
/+1 —
0
1
max(2， i f +1
上一幀已滿足且這一幀無要求 上一幀未滿足且這一幀無要求 上一幀已滿足且這一幀有要求
上一幀未滿足且這一幀有耍求
(13)
按照以下歩驟進行粗分配
步驟l確定候選信道集合
非授權(quán)用戶/選取信道條件(化,)最好的信道，這些信道組成非授權(quán)用戶f可以使用的候
選信道集合(^,,.，選取原則為
(14)
步驟2確定最大發(fā)射功率
非授權(quán)用戶! 在候選信道_/上的最大發(fā)射功率為
尸:
IX
(15)
式(15)不僅考慮了非授權(quán)用戶的QoS滿足程度，也考慮了信道狀態(tài)的影響。當 ,增加時， 說明非授權(quán)用戶!'在信道)上的信道條件變好，此時不需要再用原來大小的發(fā)射功率，否則會 增大非授權(quán)用戶/在信道y上對使用信道7的其他非授權(quán)用戶的干擾，也會增加對授權(quán)用戶的
干擾，所以當\增加時，應(yīng)該減小非授權(quán)用戶/在信道y上的發(fā)射功率，反之同理。因此，\ 反比于Ay。此外，上式也體現(xiàn)了對公平性的考慮。非授權(quán)用戶/分配到的最大功率正丄匕-于
即它的QoS滿足水平與所有非授權(quán)用戶QoS滿足水平的和,
下面證明分配不僅確保了對授權(quán)用戶的保護，也避免了非授權(quán)用戶之間的互千擾-
首先，證明分配確保了對授權(quán)用戶的保護:
(16)y《&
&'' (17)
K 7
可見，分配算法能確保對授權(quán)用戶的保護。
令77-p丄+cr2， A: = max(C;)， A/)是同時使用信道/的非授權(quán)用戶的個數(shù)，則當
AMS^--^~r時，有
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因此，分配也能保證認知用戶之間的干擾低于他們能承受的干擾大小。 第二個階段——精分配
在粗分配階段，各個非授權(quán)用戶已經(jīng)得到了可以使用的最大資源。在精分配階段，各個 非授權(quán)用戶致力于在保證QoS要求的同時降低發(fā)射功率，以進一步降低對授權(quán)用戶的干擾。
(18)
+令《=Z /^,/^+7為非授權(quán)用戶/'在信道/±受到的最大干擾，首先各個非授權(quán)用 戶確定他們在各個候選信道上的最小功率-
<formula>formula see original document page 14</formula>
在確定了最小功率后，按照圖1繼續(xù)精分配，其中;^. =0表示非授權(quán)用戶/未分配到^ 道/，步驟如下
歩驟l初始化
各個非授權(quán)用戶都設(shè)置自己在所有候選信道上的功率初值為最大值，艮P:<formula>formula see original document page 14</formula>(19)
步驟2判斷自己已經(jīng)達到的速率是否已經(jīng)滿足了自己的速率要求
若i ,r^i^，轉(zhuǎn)至步驟8;否則，轉(zhuǎn)至歩驟3;
步驟3判斷《,與《^的差值是否在允許的精度范圍內(nèi)
若li^-i^一《,。,，轉(zhuǎn)至步驟8;否則，轉(zhuǎn)至步驟4;
步驟4計算自己的信道狀態(tài)均值:
<formula>formula see original document page 14</formula>
(20)
步驟5計算功率步長Ap
令所有、< ^的信道組成信道集合Cw ，則:——"，y/ecw (21)
步驟6調(diào)整功率-
步驟7判斷是否存在f ，使得& <
若存在，將信道Z上的功率置零，即A-0;若不存在，轉(zhuǎn)至步驟2; 步驟8分配結(jié)束。
上述精分配階段，是在保證了非授權(quán)用戶的QoS的前提下，盡量減小非授權(quán)用戶的功率， 以進一步減小對授權(quán)用戶的干擾。若/^. =0，說明非授權(quán)用戶/為分配到信道y。需要強調(diào)的
是，精分配階段的工作同樣可以由基站完成，但在本方案把這些方案分配給各個非授權(quán)用戶 同時獨立完成，這無疑減小了算法的執(zhí)行時間開銷，縮短了分配時間周期。
與原有的功率和信道分配的聯(lián)合方案相比，本方案存在以下幾個優(yōu)點-
1. 可以根據(jù)非授權(quán)用戶不同的QoS要求為它們分配功率和信道，并能達到較高的QoS 支持程度。
2. 達到了資源分配的公平性。根據(jù)非授權(quán)用戶不同的QoS要求給出了公平性的定義，根 據(jù)此進行了公平心分配，并達到了較好的公平性。
3. 在達到對授權(quán)用戶的保護，QoS要求和公平性后，各個非授權(quán)用戶會盡量降低發(fā)射功 率以進一步減小對授權(quán)用戶的干擾。
4. 本發(fā)明有較好的適應(yīng)性，即使是在較差的認知環(huán)境中(比如，所有信道都已被主用戶 占用)也能有較好的性能。
5. 本發(fā)明將本來可以在基站串行完成的分配任務(wù)分配給了各個非授權(quán)用戶自行獨立同 時完成，從而提高了算法的執(zhí)行效率，縮短了算法的執(zhí)行周期，使得本發(fā)明更適用于無線電 的環(huán)境中。
圖1是本發(fā)明所述的精分配的分配流程圖。圖2是本發(fā)明對非授權(quán)用戶的QoS的支持程度。 圖3是本發(fā)明資源分配的公平程度。
圖4是本發(fā)明中的精分配階段對非授權(quán)用戶的發(fā)射功率的減小的示意圖。
參數(shù)設(shè)置如下
為了更好體現(xiàn)方案的性能，我們假設(shè)認知系統(tǒng)處在很困難的資源使用環(huán)境中。如果算法 能在極端困難的情況下取得好的表現(xiàn)，自然也會在較好的資源使用環(huán)境下達到令人滿意的效 果。這里，資源使用環(huán)境的困難性體現(xiàn)在所有信道都已被授權(quán)用戶占用。
考慮一個360km*180km的矩形區(qū)域，其中有一個半徑為33 km的認知小區(qū)和9個均勻分 布的主用戶。仿真時將授權(quán)用戶考慮為電視用戶，電視用戶的工作頻段為54MHz到 862MHz，按每個信道6M算，共有34個信道。其次，假設(shè)幀長為20ms，認知基站與電視
塔發(fā)射機的距離為60km，可調(diào)參數(shù)a-l，可以容忍的速率誤差《,。,=20^;^，授權(quán)用戶可以
容忍的干擾為-130dBm,電視塔發(fā)射機的最大發(fā)射功率為450kw，認知基站解調(diào)非授權(quán)用戶 的信號所需的信干噪比為7dB。
為了便于性能分析，首先定義三個性能參數(shù)
1) 非授權(quán)用戶QoS要求的支持程度。它定義為平均一幀中QoS要求已滿足的非授權(quán)用 戶的數(shù)目與所有非授權(quán)用戶的數(shù)目之比。
2) 公平性衡量參數(shù)。按照公式(12)對公平性進行衡量。
3) 功率消耗。它由所有非授權(quán)用戶在每一幀中每一個信道上的平均發(fā)射總功率衡量。
圖2，圖3，圖4分別給出了對非授權(quán)用戶的QoS支持程度，資源分配的公平程度，以 及精分配對發(fā)射功率的減小的仿真曲線。圖2反映了本方案對QoS支持的平均程度(平均一 幀)。從圖中可以看出，100個非授權(quán)用戶的場景的QoS支持程度接近100X， 120用戶場景 的QoS支持程度接近卯X。因此算法達到了較高的QoS支持。圖3以100個非授權(quán)用戶的 場景為參考，對方案的資源公平性分配進行了分析。從圖中可見，歸一化后的QoS滿足水平 最好的非授權(quán)用戶與滿足最差的非授權(quán)用戶的歸一化了的速率之差小于0.01，即，達到了較 好的公平性。圖4對精分配之前和之后的功率消耗進行了比較。很容易得出精分配能減小發(fā) 射功率，因而進一步增強了對授權(quán)用戶的保護。
具體實施方式
本方法的具體實施方式
是由認知基站和非授權(quán)用戶配合完成的。假設(shè)在進行功率和信道分 配前，所有信道信息己知。首先由認知基站依次為各個非授權(quán)用戶決定其最大可使用的資源。 具體步驟為1)按照式(14)確定候選信道集合；2)按照式(15)確定在候選信道上的最大功率。
然后，認知基站將p,.,^發(fā)送給各個非授權(quán)用戶。非授權(quán)用戶獲得/^._后，按照一下歩驟得
到自己最后能使用的信道和相應(yīng)的功率1)計算出/^，并得到A一。； 2)最后按照圖1繼 續(xù)進行分配，得到最終的資源。
權(quán)利要求
1、一種認知無線電系統(tǒng)中基于公平性的功率和信道聯(lián)合分配方法，它考慮的是單個認知無線電小區(qū)內(nèi)的上行資源(功率和信道)分配問題。假定認知無線電系統(tǒng)中非授權(quán)用戶數(shù)為M，射頻端可支持的頻帶F可平均分為N個頻段。為了確保對授權(quán)用戶的保護，應(yīng)保證授權(quán)用戶在各個信道上受到的干擾應(yīng)不超過它能承受的干擾大小Pj*。非授權(quán)用戶i在信道j上的發(fā)射功率大小是pij，Zij表示非授權(quán)用戶i在信道j上到能承受的干擾最小的授權(quán)用戶的路徑增益，hij表示非授權(quán)用戶i在信道j上的路徑增益。第一個階段——粗分配令Rif表示非授權(quán)用戶i在第f幀的服務(wù)質(zhì)量(QoS)滿足水平，按照以下步驟進行粗分配步驟1確定候選信道集合非授權(quán)用戶i選取信道條件(hij)最好的信道，這些信道組成非授權(quán)用戶i可以使用的候選信道集合CN′，選取原則為hij＞Zij(2)步驟2確定最大發(fā)射功率非授權(quán)用戶i在候選信道j上的最大發(fā)射功率為<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>p</mi> <mrow><mi>ij</mi><mi>max</mi> </mrow></msub><mo>=</mo><mfrac> <msubsup><mi>R</mi><mi>i</mi><mi>f</mi> </msubsup> <mrow><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>M</mi></munderover><msubsup> <mi>R</mi> <mi>k</mi> <mi>f</mi></msubsup> </mrow></mfrac><mo>·</mo><mfrac> <msubsup><mi>P</mi><mi>j</mi><mo>*</mo> </msubsup> <msub><mi>h</mi><mi>ij</mi> </msub></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>第二個階段——精分配在粗分配階段，各個非授權(quán)用戶已經(jīng)得到了可以使用的最大資源。在精分配階段，各個非授權(quán)用戶致力于在保證QoS要求的同時降低發(fā)射功率，以進一步降低對授權(quán)用戶的干擾。令<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><msubsup> <mi>P</mi> <mi>ij</mi> <mi>d</mi></msubsup><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mi>k</mi><mo>≠</mo><mi>i</mi> </mrow> <mi>M</mi></munderover><msub> <mi>p</mi> <mrow><mi>kj</mi><mi>max</mi> </mrow></msub><msub> <mi>h</mi> <mi>kj</mi></msub><mo>+</mo><mi>η</mi> </mrow>]]></math> id="icf0003" file="A2008100454940003C1.tif" wi="39" he="10" top= "28" left = "31" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>為非授權(quán)用戶i在信道j上受到的最大干擾，首先各個非授權(quán)用戶確定他們在各個候選信道上的最小功率If<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><mfrac> <mrow><msub> <mi>p</mi> <mrow><mi>ij</mi><mi>max</mi> </mrow></msub><msub> <mi>h</mi> <mi>ij</mi></msub> </mrow> <msubsup><mi>P</mi><mi>ij</mi><mi>d</mi> </msubsup></mfrac><mo>></mo><msub> <mi>S</mi> <mi>b</mi></msub> </mrow>]]></math> id="icf0004" file="A2008100454940003C2.tif" wi="22" he="11" top= "55" left = "43" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths><maths id="math0004" num="0004" ><math><![CDATA[ <mrow><mfrac> <mrow><msub> <mi>p</mi> <mrow><mi>ij</mi><mi>min</mi> </mrow></msub><msub> <mi>h</mi> <mi>ij</mi></msub> </mrow> <msubsup><mi>P</mi><mi>ij</mi><mi>d</mi> </msubsup></mfrac><mo>=</mo><msub> <mi>S</mi> <mi>b</mi></msub><mo>⇒</mo><msub> <mi>p</mi> <mrow><mi>ij</mi><mi>min</mi> </mrow></msub><mo>=</mo><msub> <mi>S</mi> <mi>b</mi></msub><mo>·</mo><mfrac> <msubsup><mi>P</mi><mi>ij</mi><mi>d</mi> </msubsup> <msub><mi>h</mi><mi>ij</mi> </msub></mfrac> </mrow>]]></math></maths>elsepijmin＝pijmax在確定了最小功率后，在繼續(xù)按下面的步驟進行精分配，其中pij＝0表示非授權(quán)用戶i未分配到信道j，步驟如下步驟1初始化各個非授權(quán)用戶都設(shè)置自己在所有候選信道上的功率初值為最大值，即Pij＝pijmax(4)步驟2判斷自己已經(jīng)達到的速率是否已經(jīng)滿足了自己的速率要求若Rir≥Rid，轉(zhuǎn)至步驟8；否則，轉(zhuǎn)至步驟3；步驟3判斷Rir與Rid的差值是否在允許的精度范圍Ritol內(nèi)若|Rir-Rid|≤Ritol，轉(zhuǎn)至步驟8；否則，轉(zhuǎn)至步驟4；步驟4計算自己的信道狀態(tài)均值<maths id="math0005" num="0005" ><math><![CDATA[ <mrow><mover> <msub><mi>h</mi><mi>ij</mi> </msub> <mo>‾</mo></mover><mo>=</mo><mfrac> <mrow><munder> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>∈</mo><msub> <mi>C</mi> <msub><msup> <mi>N</mi> <mo>′</mo></msup><mi>i</mi> </msub></msub> </mrow></munder><msub> <mi>h</mi> <mi>ij</mi></msub> </mrow> <msub><mi>N</mi><mi>i</mi> </msub></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>步驟5計算功率步長Δp令所有hij＜<overscore>hij</overscore>的信道組成信道集合Cw，則<maths id="math0006" num="0006" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>Δp</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><munder> <mi>Min</mi> <mi>j</mi></munder><msub> <mi>p</mi> <mi>ij</mi></msub> </mrow> <mi>α</mi></mfrac><mo>,</mo><mo>∀</mo><mi>j</mi><mo>∈</mo><msub> <mi>C</mi> <mi>w</mi></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>步驟6調(diào)整功率pij＝pij-Δp(7)步驟7判斷是否存在t，使得pit＜pijmin若存在，將信道t上的功率置零，即pit＝0；若不存在，轉(zhuǎn)至步驟2；步驟8分配結(jié)束。第一個階段(粗分配)由在基站處理完成的，第二個階段是由各個非授權(quán)用戶同時獨立完成的。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種認知無線電系統(tǒng)中基于公平性的功率和信道聯(lián)合分配方法，其特征是，為了減小現(xiàn)有大多數(shù)認知無線電資源聯(lián)合分配算法存在的算法復(fù)雜度高的問題，提高算法效率，將分配分成兩個階段第一個階段稱為粗分配，這一階段根據(jù)非授權(quán)用戶的QoS要求以及公平性得出每個非授權(quán)用戶能使用的最大的資源；第二階段稱為精分配，由多個非授權(quán)用戶同時獨立完成本可以在授權(quán)用戶處串行完成的任務(wù)。這樣就減小了復(fù)雜度，縮短了分配時間，使得本發(fā)明更適應(yīng)于認知環(huán)境的要求，并使得各個非授權(quán)用戶都能自主地決定自己最終能使用的資源。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種認知無線電系統(tǒng)中基于公平性的功率和信道聯(lián)合分配方法，其特征是，基于非授權(quán)用戶不同的QoS要求對公平性進行了定義。定義如下i ,d表示非授權(quán)用戶/期望達到的速率。為了衡量公平性，定義一個歸一化的QoS滿足水平《(下標/表示非授權(quán)用戶/):<formula>formula see original document page 4</formula>(8)其中，非授權(quán)用戶或得的速率<formula>formula see original document page 4</formula>則公平性定義為<formula>formula see original document page 5</formula>(9)其中，/L是一個預(yù)先給定的公平性程度。可見，義越小，能達到的公平性越好。在權(quán)利要求1中所述的第一個階段(粗分配)，公式(3)體現(xiàn)了對公平性的考慮。非授權(quán)M用戶/分配到的最大功率正比于Wf/^《，即它的QoS滿足水平與所有非授權(quán)用戶QoS滿足水平的和。此外，式(3)還考慮了非授權(quán)用戶的QoS滿足程度和信道狀態(tài)的影響。當 .增加時，說明非授權(quán)用戶/在信道/上的信道條件變好，此時不需要再用原來大小的發(fā)射功率，否則會增大非授權(quán)用戶f在信道/上對使用信道/的其他非授權(quán)用戶的干擾，也會增加對授權(quán)用戶的千擾，所以當/^增加時，應(yīng)該減小非授權(quán)用戶/在信道y上的發(fā)射功率，反之同理。因此，/2,,反比于； ,;，。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種認知無線電系統(tǒng)中基于公平性的功率和信道聯(lián)合分配方法，其特征是，精分配階段是在保證了對授權(quán)用戶的保護和非授權(quán)用戶的QoS的前提下，再盡量減小非授權(quán)用戶的功率，以進一歩減小對授權(quán)用戶的干擾。若;^=0，說明非授權(quán)用戶/為分配到信道y'。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種認知無線電系統(tǒng)中基于公平性的功率和信道聯(lián)合分配方法，其特征是，分配不僅確保了對授權(quán)用戶的保護，也避免了非授權(quán)用戶之間的互干擾。證明如下首先，證明分配確保了對授權(quán)用戶的保護(10)<formula>formula see original document page 5</formula>可見，分配算法能確保對授權(quán)用戶的保護。令7 = />4+^， A = max(C;')，丄(丄2M)是同時使用信道y的非授權(quán)用戶的個數(shù)，則當AMS^——時，有<formula>formula see original document page 6</formula>因此，分配也能保證認知用戶之間的干擾低于他們能承受的干擾大小(12)
全文摘要
一種認知無線電系統(tǒng)中基于公平性的功率和信道聯(lián)合分配方法，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及應(yīng)用在認知無線電系統(tǒng)中的功率和信道的聯(lián)合分配。本發(fā)明是一個能同時滿足對非授權(quán)用戶的服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求和公平性保證以及對授權(quán)用戶保護的功率和信道的聯(lián)合分配方法。根據(jù)非授權(quán)用戶不同的QoS要求，給出了公平性的數(shù)學(xué)定義。同時，為了降低算法開銷，縮短分配周期，本發(fā)明將整個分配過程分為了兩個階段。第一個階段稱為粗分配。這一階段以保護授權(quán)用戶為前提，根據(jù)非授權(quán)用戶的QoS要求以及公平性得出每個非授權(quán)用戶能使用的最大的資源。第二階段稱為精分配，由多個非授權(quán)用戶同時獨立完成本可以在授權(quán)用戶處串行完成的任務(wù)，這樣就減小了復(fù)雜度，有利于實現(xiàn)快速的功率和頻譜分配以適應(yīng)認知無線電系統(tǒng)中可用頻譜資源快速時變的特性，并使得各個非授權(quán)用戶都能自主地決定自己最終能使用的資源。
文檔編號H04W28/16GK101626604SQ20081004549
公開日2010年1月13日 申請日期2008年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月8日
發(fā)明者唐萬斌, 軍 王, 車越嶺, 劼 陳 申請人:電子科技大學(xué)