專利名稱：一種認知無線電系統(tǒng)中垂直并行的頻譜分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種頻譜分配方法，特別涉及一種認知無線電系統(tǒng)中垂直并行的頻譜分配方法。
背景技術(shù)：
由于并行分配方法是把原有的拓撲結(jié)構(gòu)圖分解為多個子圖，然后在這些子圖上進行獨立的頻譜分配，各子圖之間不進行信息的交換，所以每個子圖在分配的時候無法考慮到其他子圖的分配情況，無法利用到已分配頻譜的信息，這是并行分配方法公平性差的根本原因。所以如果使并行分配方法在分配頻譜時，每次分配頻譜都能進行一次子圖間的信息交換，利用到其他子圖上的已分配的頻譜信息，那么方法的公平性將得到改善，這就是對并行分配方法進行改進的思想。這種改進方法是在每個子圖Gm = (Vffl, Effl)中獨立地按照某一標(biāo)準(zhǔn)計算該子圖中各用戶的標(biāo)號 Iabelijm ；該方法的分配標(biāo)準(zhǔn)一共有4種，分別是非協(xié)作式最大化系統(tǒng)總效益標(biāo)準(zhǔn)(匪SB)、 協(xié)作式最大化系統(tǒng)總效益標(biāo)準(zhǔn)(CMSB)、非協(xié)作式最大化系統(tǒng)公平性標(biāo)準(zhǔn)(NMPF)和協(xié)作式最大化系統(tǒng)公平性標(biāo)準(zhǔn)(CMPF)，但是鑒于協(xié)作式標(biāo)準(zhǔn)的性能要好于非協(xié)作式標(biāo)準(zhǔn)，所以只考慮協(xié)作式的2種標(biāo)準(zhǔn)。但是，目前改進的并行分配方法中，在每一輪計算標(biāo)號時如果使用同一標(biāo)準(zhǔn)，存在會使大量頻譜分給同一用戶的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決目前改進的并行分配方法中，在每一輪計算標(biāo)號時使用同一標(biāo)準(zhǔn)，會將大量頻譜分給同一用戶的問題，提出了一種認知無線電系統(tǒng)中垂直并行的頻譜分配方法。本發(fā)明的一種認知無線電系統(tǒng)中垂直并行的頻譜分配方法，它包括如下步驟步驟一根據(jù)認知無線電系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)建立拓撲圖，并對該拓撲圖進行初始化， 隨機設(shè)置M個授權(quán)用戶與I個認知用戶的網(wǎng)絡(luò)拓撲；步驟二 把初始化之后的拓撲圖分解為M個子圖，可分配的頻譜數(shù)量是M個，所有頻譜的集合為Im1, ···，!％}；步驟三在M個子圖中選擇Μ*β個子圖，對所述每個子圖均采用協(xié)作式最大化總帶寬標(biāo)準(zhǔn)進行頻譜分配；步驟四對剩余的Μ*(1_β)個子圖,對所述每個子圖均采用協(xié)作式最大化比例公平標(biāo)準(zhǔn)進行頻譜分配；步驟五分配結(jié)束。本發(fā)明的優(yōu)點在于在分配頻譜的時先將一部分子圖采用協(xié)作式最大化系統(tǒng)總效益標(biāo)準(zhǔn)進行分配頻譜，分配完之后，剩下的子圖采用協(xié)作式最大化比例公平標(biāo)準(zhǔn)進行分配頻譜，用兩種標(biāo)準(zhǔn)的分配降低了會將大量頻譜分給同一用戶的問題。從圖6可以看出，通過采用認知用戶協(xié)作式最大化系統(tǒng)公平性隨著頻譜數(shù)變化的仿真比較證明了本發(fā)明方法的系統(tǒng)公平性好于原來的改進的并行分配方法，降低了會將大量頻譜分給同一用戶的概率。


圖I為本發(fā)明的方法的流程示意圖。圖2為認知無線電系統(tǒng)的圖論模型圖。圖中的六個頂點sul su6代表六個不同的認知用戶，四個頂點PuA puD代表四個不同的授權(quán)用戶，且各個授權(quán)用戶使用的授權(quán)頻段分別是頻譜A、頻譜B、頻譜C和頻譜D。圖3為系統(tǒng)公平性隨著垂直聯(lián)合系數(shù)β的變化曲線，曲線I為認知用戶數(shù)I為10 和頻譜數(shù)M為20時，系統(tǒng)公平性隨著垂直聯(lián)合系數(shù)β的變化曲線。曲線2為認知用戶數(shù) I為20和頻譜數(shù)M為20時，系統(tǒng)公平性隨著垂直聯(lián)合系數(shù)β的變化曲線。曲線3為認知用戶數(shù)I為10和頻譜數(shù)M為10時，系統(tǒng)公平性隨著垂直聯(lián)合系數(shù)β的變化曲線。曲線4 為認知用戶數(shù)I為20和頻譜數(shù)M為10時，系統(tǒng)公平性隨著垂直聯(lián)合系數(shù)β的變化曲線。圖4為多次試驗的得到的β的極值。圖5為最佳β對頻譜數(shù)和認知用戶數(shù)的變化規(guī)律。圖6為系統(tǒng)的公平性隨頻譜數(shù)變化的結(jié)果。曲線5表示采用本發(fā)明的方法認頻譜數(shù)為5至20時的系統(tǒng)公平性曲線，曲線6表示采用現(xiàn)有方法頻譜數(shù)為5至20時的系統(tǒng)公平性曲線。
具體實施例方式具體實施方式
一結(jié)合圖I說明本實施方式，一種認知無線電系統(tǒng)中垂直并行的頻譜分配方法，它包括如下步驟步驟一根據(jù)認知無線電系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)建立拓撲圖，并對該拓撲圖進行初始化， 隨機設(shè)置M個授權(quán)用戶與I個認知用戶的網(wǎng)絡(luò)拓撲；步驟二 把初始化之后的拓撲圖分解為M個子圖，可分配的頻譜數(shù)量是M個，所有頻譜的集合為Im1, ···，!％}；步驟三在M個子圖中選擇Μ* β個子圖，對所述每個子圖均采用協(xié)作式最大化總帶寬標(biāo)準(zhǔn)進行頻譜分配；步驟四對剩余的Μ*(1_β)個子圖,對所述每個子圖均采用協(xié)作式最大化比例公平標(biāo)準(zhǔn)進行頻譜分配；步驟五分配結(jié)束?；趫D論著色理論的頻譜分配模型在移動蜂窩通信中已經(jīng)用于分析小區(qū)的頻率規(guī)劃和指配，是一種相對成熟的模型。在認知無線電系統(tǒng)中，由于是擇機使用授權(quán)用戶的頻譜，認知無線電用戶的可用頻譜受到授權(quán)用戶工作狀態(tài)，位置和覆蓋范圍的影響，具有空時變化的特性。因此，在認知無線電系統(tǒng)中采用圖論著色模型進行頻譜分配分析，需要對頻譜分配的約束條件，分配目標(biāo)等進行必要的修訂?？紤]這樣的情況，可用的頻譜組成一個頻譜池，并將其劃分為無交疊的正交頻段。
6假設(shè)在一個區(qū)域中有I個用戶，他們競爭M個頻段。每個用戶根據(jù)自己的幾何位置和環(huán)境都擁有一個自己的頻譜池。認知用戶通過頻譜感知技術(shù)獲得他們的環(huán)境信息，包括幾何位置、發(fā)射功率、可用頻譜池及相互干擾信息等。每個用戶選擇合適的通信頻帶，調(diào)整傳送頻率，進而避免干擾到授權(quán)用戶。這就是一個頻譜分配問題，即為每一個用戶提供可用的頻譜來滿足他們的數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。頻譜分配數(shù)學(xué)模型有相應(yīng)的干擾和約束條件的。在認知無線電系統(tǒng)的圖論著色模型研究中，將認知用戶組成的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)抽象成圖。在圖中，每一個頂點代表一個認知用戶，每一條邊表示一對頂點間存在的沖突或者干擾，而用顏色表示頻譜資源。頻譜分配問題就等價于使系統(tǒng)利用效率最大化的頂點著色問題。如果圖中的某兩個頂點有一條邊連接， 則代表兩個頂點間存在沖突或者干擾，即假定這兩個節(jié)點不能同時使用相同的頻譜資源。 另外，將每一個頂點與一個集合相關(guān)聯(lián)，這個集合代表該頂點所在區(qū)域位置可以使用的頻譜資源。由于每個頂點地理位置的不同，因而不同頂點所關(guān)聯(lián)的資源集合是不同的。認知無線電系統(tǒng)中認知用戶使用授權(quán)頻段的前提是如果當(dāng)前頻譜被授權(quán)用戶使用，則為了避免對授權(quán)用戶的干擾，這個頻譜不能被附近的認知用戶使用。統(tǒng)一的圖論模型由下面的定義描述?？臻e頻譜是指在某個時間某個空間主用戶未使用的頻譜，通常把空閑頻譜分成一系列正交的子頻帶，頻帶間無干擾。由于空間位置以及傳輸功率等參數(shù)的不同，對于不同的認知無線電用戶，同一個頻帶空閑與否可能不同。比如在某個授權(quán)用戶使用某個頻帶m時， m對于離授權(quán)用戶比較近的認知無線電用戶可能是無效的，但是對于距離該授權(quán)用戶足夠遠的認知無線電用戶而言，m也許是可以視作空閑的。頻譜對于認知用戶是否空閑用空閑矩陣表示。若同時使用頻帶m時兩個認知用戶之間存在干擾，則它們不可以同時使用頻帶 m，認知無線電用戶間的干擾用干擾矩陣表示。由于用戶所處的環(huán)境以及采用的調(diào)制編碼技術(shù)可能不同，不同用戶在同一個有效空閑頻帶上獲得的效益(如最大傳輸速率)可能不一樣，用戶獲得的效益用效益矩陣表示。假設(shè)分配時間相對于環(huán)境變化時間來說是很短的，各矩陣在分配周期內(nèi)維持不變。各矩陣具體定義如下效益矩陣B =表征認知用戶i使用頻帶m所帶來的效益權(quán)重(頻譜容量)，I為用戶數(shù)(下標(biāo)從I到I)，M為總頻帶數(shù)(下標(biāo)從I到M)。將矩陣L與矩陣B相結(jié)合，可得出有效頻譜的效￡fL Lb = Ui,m · bijm}IXMo干擾矩陣集合C= {cijk| cijk e {0,1}}IXI, Ci,k = I表示認知用戶i和認知用戶k 在同時使用相同頻譜時會產(chǎn)生干擾，當(dāng)i = k時，Cijk = O。無干擾的頻譜分配矩陣A= {a^ Jaijlll e {0,1}} IXM, = I表示頻帶m被分配給認知用戶i。A必須滿足無干擾條件aUm · akjm = O if Cijk = I, V/, k < N, m < M(I)引入了每個頻段的效益，可以得到以最大化頻譜效益為目標(biāo)的最優(yōu)分配標(biāo)準(zhǔn) (Max-Sum-Bandwidth, MSB)的表達式，相應(yīng)地系統(tǒng)達到最大頻譜效益的數(shù)學(xué)表達式變?yōu)?br> I MmaxY^aim-bim(2)式中Λ ΙΧΜ—所有滿足條件的無干擾頻譜分配矩陣A的集合。
表達式的物理含義是頻譜分配為系統(tǒng)帶來的最大頻譜效益，效益矩陣通常代表用戶在各個頻帶上所能獲得的傳輸速率。為了比較不同方法的公平性，方法還引入了有關(guān)頻譜分配公平性的度量標(biāo)準(zhǔn)，即最大比例公平性度量(Max-Proportional-Fair, MPF)
權(quán)利要求
1.一種認知無線電系統(tǒng)中垂直并行的頻譜分配方法，其特征在于它包括如下步驟 步驟一根據(jù)認知無線電系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)建立拓撲圖，并對該拓撲圖進行初始化，隨機設(shè)置M個授權(quán)用戶與I個認知用戶的網(wǎng)絡(luò)拓撲；步驟二 把初始化之后的拓撲圖分解為M個子圖，可分配的頻譜數(shù)量是M個，所有頻譜的集合為Im1, ···，!％}；步驟三在M個子圖中選擇Μ*β個子圖，對所述每個子圖均采用協(xié)作式最大化總帶寬標(biāo)準(zhǔn)進行頻譜分配；步驟四對剩余的Μ*(1-β)個子圖，對所述每個子圖均采用協(xié)作式最大化比例公平標(biāo)準(zhǔn)進行頻譜分配；步驟五分配結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種認知無線電系統(tǒng)中垂直并行的頻譜分配方法，其特征在于，所述步驟三中對Μ*β個子圖采用協(xié)作式最大化總帶寬標(biāo)準(zhǔn)進行頻譜分配的過程為步驟三一針對頻譜集合中未分配的頻譜m，采用協(xié)作式最大化總帶寬計算子圖Gk= (Vk, Ek)中每個認知用戶與頻譜m對應(yīng)的標(biāo)號值Iabel^m,選擇使標(biāo)號值Iabeli, m最大的認知用戶Userm =argrrnxlabeli m，并將頻譜m分配給該認知用戶，其中，β為垂直并行系數(shù)，為每一輪計算標(biāo)號的時候使用協(xié)作式最大化總帶寬標(biāo)準(zhǔn)的子圖數(shù)與該輪分配時的總子圖數(shù)之比取值范圍為OS β < I ;Vk為子圖Gk頂點的集合，即認知用戶的集合；Ek為子圖Gk邊的集合，即子圖Gk中的相鄰的一對認知用戶之間存在的干擾的集合；
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種認知無線電系統(tǒng)中垂直并行的頻譜分配方法，其特征在于，所述步驟四中對剩余的Μ*(1-β)個子圖采用協(xié)作式最大化比例公平標(biāo)準(zhǔn)進行頻譜分配的過程為步驟四一針對頻譜集合中未分配的頻譜m，采用協(xié)作式最大化比例公平標(biāo)準(zhǔn)計算子圖Gk = (Vk, Ek)中每個認知用戶與頻譜m對應(yīng)的標(biāo)號值
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種認知無線電系統(tǒng)中垂直并行的頻譜分配方法，其特征在于，采用協(xié)作式最大化總帶寬標(biāo)準(zhǔn)計算標(biāo)號值的方法為
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種認知無線電系統(tǒng)中垂直并行的頻譜分配方法，其特征在于，采用協(xié)作式最大化比例公平標(biāo)準(zhǔn)計算標(biāo)號值的方法為
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種認知無線電系統(tǒng)中垂直并行的頻譜分配方法，其特征在于，垂直并行系數(shù)β的取值根據(jù)認知用戶的數(shù)量I和頻譜的數(shù)量M的值結(jié)合下表來確定
全文摘要
一種認知無線電系統(tǒng)中垂直并行的頻譜分配方法，涉及一種頻譜分配方法，為了解決目前改進的并行分配方法中，在每一輪計算標(biāo)號時使用同一標(biāo)準(zhǔn)，會將大量頻譜分給同一用戶的問題。它包括如下步驟一根據(jù)認知無線系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)建立拓撲圖，并對該拓撲圖進行初始化；二把初始化之后的拓撲圖分解為M個子圖，可分配的頻譜數(shù)量是M個，所有頻譜的集合為{m1，…，mM}；三在M個子圖中選擇M*β個子圖，對所述每個子圖均采用協(xié)作式最大化總帶寬標(biāo)準(zhǔn)進行頻譜分配；四對剩余的M*(1-β)個子圖，對所述每個子圖均采用協(xié)作式最大化比例公平標(biāo)準(zhǔn)進行頻譜分配；五分配結(jié)束。它用于認知無線電系統(tǒng)中頻譜分配。
文檔編號H04W16/10GK102595422SQ201210078228
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月22日
發(fā)明者吳海燕, 孫鵬飛, 李社, 王孝, 蔣夢雄, 謝玉鵬, 譚學(xué)治, 馬琳, 魏守明 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)