專利名稱：認(rèn)知無線電中保證通信連續(xù)性的信道和功率聯(lián)合分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種認(rèn)知無線電中保證通信連續(xù)性的信道和功率聯(lián)合分配方法，屬于無線通信領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無線電頻譜資源是一種珍貴的不可再生資源。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，頻譜資源的短缺成為當(dāng)前通信領(lǐng)域面臨的主要問題之一。一方面，無線局域網(wǎng)、無線個人域網(wǎng)及無線城域網(wǎng)等無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起，使得人們對無線頻譜資源的需求日益增長，頻譜供需的矛盾日益突出；另一方面，許多已分配的頻段在大多數(shù)情況下未被充分利用。美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)在2003年的調(diào)查所提供的數(shù)據(jù)表明，已經(jīng)分配的頻譜的利用率僅為15% 85%。在這種背景下，認(rèn)知無線電技術(shù)應(yīng)運而生。認(rèn)知無線電技術(shù)作為一種智能的動態(tài)頻譜共享技術(shù)，能夠感知無線通信環(huán)境，根據(jù)一定的學(xué)習(xí)和調(diào)度算法，實時自適應(yīng)地改變系統(tǒng)的工作 參數(shù)，動態(tài)檢測和有效利用空閑頻譜，在本質(zhì)上提高頻譜資源利用率、解決頻譜資源短缺問題。在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，由于無線頻譜資源的時間、空間變化特性，以及認(rèn)知用戶移動導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓龋虼藢W(wǎng)絡(luò)中資源(信道、功率等)的分配必須滿足動態(tài)自適應(yīng)的要求。動態(tài)資源分配方法通過周期性地檢測無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境獲取信道狀態(tài)信息，根據(jù)當(dāng)前業(yè)務(wù)的QoS需求，為用戶分配最合適的傳輸信道和傳輸功率，充分提高無線頻譜的利用率和網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。申請?zhí)枮椤?01110274437. O”的專利文件公開了“一種用于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的信道和功率聯(lián)合分配方法”，該方法重點考慮并保證的是認(rèn)知用戶的速率要求和用戶公平性，最終通過合作博弈理論解決分配問題，實現(xiàn)了資源的公平分配。申請?zhí)枮椤?00910034228. I”的專利文件公開了“認(rèn)知無線電中基于干擾溫度的信道與功率聯(lián)合分配方法”，該方法重點考慮的是在授權(quán)用戶干擾溫度限制下，信道和功率資源的公平性分配問題，依據(jù)小區(qū)內(nèi)授權(quán)用戶允許的最大干擾溫度推算出認(rèn)知用戶的可發(fā)送功率，并且引入貧困線來保證各個用戶信道分配的公平性。上述認(rèn)知無線電的信道和功率聯(lián)合分配方法中，雖然考慮到了認(rèn)知用戶對主用戶的干擾以及認(rèn)知用戶的服務(wù)質(zhì)量問題，但這些方法解決的都是在某一種特定的無線電環(huán)境狀態(tài)下的信道和功率資源的分配問題，而沒有考慮多階段的信道和功率聯(lián)合分配問題；并且都沒有考慮認(rèn)知用戶的通信連續(xù)性問題，在這些分配機制下，認(rèn)知用戶在每個頻譜分配階段都要頻繁地切換信道，不僅消耗了能量，還無法保證前后通信的連續(xù)性。因此研究認(rèn)知無線電中保證通信連續(xù)性的信道和功率聯(lián)合分配方法具有十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種認(rèn)知無線電中保證通信連續(xù)性的信道和功率聯(lián)合分配方法，能夠保證認(rèn)知用戶在不同資源分配階段的通信連續(xù)性。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案一種認(rèn)知無線電中保證通信連續(xù)性的信道和功率聯(lián)合分配方法，在集中式結(jié)構(gòu)的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中隨機分布N個認(rèn)知用戶(SU)，在網(wǎng)絡(luò)的中心位置設(shè)置一個認(rèn)知基站(BS)，網(wǎng)絡(luò)中可用頻譜被劃分為M(M > N)個正交的子信道，每個子信道的帶寬均為W，包括以下步驟SI，認(rèn)知用戶周期性地感知無線電環(huán)境，認(rèn)知基站采用一定的合并準(zhǔn)則，對N個認(rèn)知用戶收集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合，通過合作檢測的方法獲取子信道狀態(tài)信息，用向量I={Iml Im ^ {O, 1}}MX1表示,其中，Im = I表示子信道m(xù)被主用戶(PU)占用，Im = O表示子信道m(xù)空閑；“一定的合并準(zhǔn)則”和“合作檢測的方法”均采用公知技術(shù)。S2，認(rèn)知用戶向認(rèn)知基站發(fā)送通信請求，并告知認(rèn)知基站需要傳輸?shù)男畔⒘看笮?單位為比特)，用向量R={Rn|Rn ^ 0}NX1表示，Rn = O表示認(rèn)知用戶η無通信需求，同時,認(rèn)知基站采集每個認(rèn)知用戶的服務(wù)質(zhì)量需求信息，服務(wù)質(zhì)量需求信息用信噪比衡量，用向量
Y= { Y Jnxi 表不；
S3，認(rèn)知基站根據(jù)子信道狀態(tài)信息以及服務(wù)質(zhì)量需求信息，通過求解一個帶有約束條件的最優(yōu)化問題來為認(rèn)知用戶分配初始階段的最優(yōu)的信道和功率資源，認(rèn)知用戶開始進(jìn)行通信；S4，當(dāng)初始階段的通信結(jié)束時，更新子信道狀態(tài)信息和服務(wù)質(zhì)量需求信息，在進(jìn)行下一階段，即第i(i > D階段的信道和功率資源分配前，需完成以下步驟S41，在第i階段的信道和功率資源的分配前，需通過，即式(I)檢測各認(rèn)知用戶是否完成第i_l階段通信；其中表示第i_l階段認(rèn)知用戶η需要傳輸?shù)男畔⒘浚?br> 表示第i_l階段認(rèn)知用戶η的信息傳輸速率，f-1) = ΣC^riog2Cl+) cffl,n =
jK υS 'N0W
rt9
I表示子信道m(xù)分配認(rèn)知用戶η使用，Pffl,η表示認(rèn)知用戶η在子信道m(xù)上的發(fā)送功率，hm，n表示認(rèn)知用戶η在子信道m(xù)上的信道增益，Ntl表示噪聲功率譜密度^表示每個階段中認(rèn)知用戶用于傳輸數(shù)據(jù)的時間；S42，若式(I)成立，則表示認(rèn)知用戶η完成了第i_l階段信息量的傳輸，否則則表示認(rèn)知用戶η沒有完成i-Ι階段信息量的傳輸；S43，判斷未完成通信的認(rèn)知用戶在第i-Ι階段被分配的信道是否在第i階段全部被主用戶占用，如果被占用，則將此認(rèn)知用戶劃入集合Ψ2，否則將其劃入集合W1 ;S44，如果在第i階段有新的認(rèn)知用戶向認(rèn)知基站發(fā)送通信請求，將該認(rèn)知用戶劃入集合Ψ2 ;S5，通過步驟S4得到集合叫1和叫2后，認(rèn)知基站進(jìn)行第i階段的信道和功率的最優(yōu)聯(lián)合分配，其中(I)對于集合W1中的沒有完成第i_l階段通信的認(rèn)知用戶，認(rèn)知基站允許它們繼續(xù)占用第i-ι階段被分配的并且在當(dāng)前階段未被主用戶占用的子信道進(jìn)行通信；(2)假設(shè)在第i-Ι階段分配給集合W1中的用戶并且在當(dāng)前階段未被主用戶占用的子信道的集合為Π，則在步驟S3中所述的最優(yōu)化問題中加入一個限制條件men,ne W1，其中，cm,n = I表示子信道m(xù)分配給認(rèn)知用戶η使用，使其成為第i階段的信道和功率聯(lián)合分配對應(yīng)的最優(yōu)化問題，通過求解加入限制條件后的最優(yōu)化問題，為集合ψ2中的用戶分配最優(yōu)信道，并為集合W1和Ψ2中的用戶分配最優(yōu)功率；此限制條件可以使未完成通信的認(rèn)知用戶在不同分配階段占用相同的信道資源，避免了頻繁的信道切換過程，保證了認(rèn)知用戶在不同分配階段通信的連續(xù)性。S6，完成第i階段的信道和功率的最優(yōu)聯(lián)合分配后，認(rèn)知用戶繼續(xù)周期性地感知周圍無線電環(huán)境，更新子信道狀態(tài)信息以及服務(wù)質(zhì)量需求信息，實現(xiàn)后續(xù)階段的信道和功率資源的最優(yōu)分配。前述的認(rèn)知無線電中保證通信連續(xù)性的信道和功率聯(lián)合分配方法中，認(rèn)知用戶感知無線電環(huán)境的周期由系統(tǒng)協(xié)議確定，在一個周期內(nèi)，認(rèn)知用戶用于感知無線電環(huán)境的時間為τ，用于傳輸數(shù)據(jù)的時間為Τ。前述的認(rèn)知無線電中保證通信連續(xù)性的信道和功率聯(lián)合分配方法中 ，步驟SI中，認(rèn)知基站采取協(xié)作的頻譜感知方法檢測子信道的占用情況，來獲取子信道狀態(tài)信息。假設(shè)認(rèn)知用戶η接收到的信號為yn，協(xié)作頻譜感知方法就是由認(rèn)知基站對各個認(rèn)知用戶接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合，如果采取等增益合并準(zhǔn)則，則認(rèn)知基站獲取的信息為Y = Σ yn ;如果采用加權(quán)合并準(zhǔn)則，則認(rèn)知基站獲取的信息為Y = Σ wnyn，其中wn表示權(quán)重因子，采用協(xié)作頻譜感知方法能提高檢測性能。前述的認(rèn)知無線電中保證通信連續(xù)性的信道和功率聯(lián)合分配方法中，所述步驟S3中的最優(yōu)化問題包括(a)目標(biāo)函數(shù)以最大化系統(tǒng)吞吐量為目標(biāo)函數(shù)，其表達(dá)式為
Λ, Mη \h fmax Y Y cm nW Iog2 (I + Fm'n 1 ηκΗ 1 )
a ft Tl\ sr其中C和P分別表示信道分配矩陣和功率分配矩陣，Cffljn= I表示子信道m(xù)分配給認(rèn)知用戶η使用，pm, η表示認(rèn)知用戶η在子信道m(xù)上的發(fā)送功率，hm，n表示認(rèn)知用戶η在子信道m(xù)上的信道增益，N0表示噪聲功率譜密度；(b)約束條件I.當(dāng)認(rèn)知用戶發(fā)送通信請求時，認(rèn)知基站才為其分配信道，只有空閑的子信道才被用來分配給認(rèn)知用戶使用，并且每個子信道只能被一個認(rèn)知用戶使用，因此需滿足cm,n =
N
O, n e {nIRn = 0}，ym cm,n = 0，m e {m| Im = I},和Xq'" =l,m e {m Im=0}；
，\fn =iII.為了避免對主用戶的干擾，必須對認(rèn)知用戶在各個子信道上的發(fā)送功率進(jìn)行
N、
限制，需滿足Σ^/ν,Ι ,,Ι ^Pm, V 其中，Pm表示主用戶在子信道m(xù)上的干擾功率上限；
fj=\
n 1 III.為了達(dá)到認(rèn)知用戶的服務(wù)質(zhì)量要求，各個認(rèn)知用戶在子信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸
Tc P Ia I:'
時的信噪比需滿足^yn其中，Yn表示保證認(rèn)知用戶η通信服務(wù)質(zhì)量的
N0W —/β，，
最低信噪比要求；因此，信道和功率聯(lián)合分配的最優(yōu)化問題描述為
權(quán)利要求
1.一種認(rèn)知無線電中保證通信連續(xù)性的信道和功率聯(lián)合分配方法，在集中式結(jié)構(gòu)的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中隨機分布N個認(rèn)知用戶，在網(wǎng)絡(luò)的中心位置設(shè)置一個認(rèn)知基站，網(wǎng)絡(luò)中可用頻譜被劃分為M個正交的子信道，其中M > N，每個子信道的帶寬均為W，其特征在于，包括以下步驟 SI，認(rèn)知用戶周期性地感知無線電環(huán)境，認(rèn)知基站對N個認(rèn)知用戶收集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合，獲取子信道狀態(tài)信息，用向量I= Um I Im e {O，1} }MX1表示，其中，Im = I表示子信道m(xù)被主用戶占用，Im = O表示子信道m(xù)空閑； S2，認(rèn)知用戶向認(rèn)知基站發(fā)送通信請求，并告知認(rèn)知基站需要傳輸?shù)男畔⒘看笮?，用向量R={Rn|Rn≤0}NX1表示，Rn = O表示認(rèn)知用戶η無通信需求，同時,認(rèn)知基站采集每個認(rèn)知用戶的服務(wù)質(zhì)量需求信息，服務(wù)質(zhì)量需求信息用信噪比衡量，用向量Υ = {Υη}ΝΧ1表示；S3，認(rèn)知基站根據(jù)子信道狀態(tài)信息以及服務(wù)質(zhì)量需求信息，通過求解一個帶有約束條件的最優(yōu)化問題來為認(rèn)知用戶分配初始階段的最優(yōu)的信道和功率資源，認(rèn)知用戶開始進(jìn)行通信； S4，當(dāng)初始階段的通信結(jié)束時，更新子信道狀態(tài)信息和服務(wù)質(zhì)量需求信息，在進(jìn)行下一階段，即第i階段的信道和功率資源分配前，其中i > 1，需完成以下步驟 S41，在第i階段的信道和功率資源的分配前，需通過
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的認(rèn)知無線電中保證通信連續(xù)性的信道和功率聯(lián)合分配方法，其特征在于認(rèn)知用戶感知無線電環(huán)境的周期由系統(tǒng)協(xié)議確定，在一個周期內(nèi)，認(rèn)知用戶用于感知無線電環(huán)境的時間為τ，用于傳輸數(shù)據(jù)的時間為Τ。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的認(rèn)知無線電中保證通信連續(xù)性的信道和功率聯(lián)合分配方法，其特征在于步驟SI中，認(rèn)知基站采取協(xié)作頻譜感知方法檢測子信道的占用情況，來獲取子信道狀態(tài)信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的認(rèn)知無線電中保證通信連續(xù)性的信道和功率聯(lián)合分配方法，其特征在于，所述步驟S3中的最優(yōu)化問題包括 (a)目標(biāo)函數(shù) 以最大化系統(tǒng)吞吐量為目標(biāo)函數(shù)，其表達(dá)式為
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的認(rèn)知無線電中保證通信連續(xù)性的信道和功率聯(lián)合分配方法，其特征在于在認(rèn)知無線電系統(tǒng)中建立一個固定的控制信道，用于認(rèn)知用戶和認(rèn)知基站進(jìn)行頻譜感知信息和控制信息的交互。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的認(rèn)知無線電中保證通信連續(xù)性的信道和功率聯(lián)合分配方法，其特征在于在每個階段認(rèn)知用戶傳輸數(shù)據(jù)的過程中，如果有新的認(rèn)知用戶提出通信請求，認(rèn)知基站將存儲請求信息，并在下一階段進(jìn)行處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種認(rèn)知無線電中保證通信連續(xù)性的信道和功率聯(lián)合分配方法，包括S1，認(rèn)知用戶周期性地感知無線電環(huán)境，認(rèn)知基站獲取子信道狀態(tài)信息；S2，認(rèn)知用戶向認(rèn)知基站發(fā)送通信請求并告知認(rèn)知基站需要傳輸?shù)男畔⒘看笮?，同時認(rèn)知基站采集認(rèn)知用戶的服務(wù)質(zhì)量需求信息；S3，認(rèn)知基站通過求解最優(yōu)化問題來為認(rèn)知用戶分配初始階段的最優(yōu)信道和功率，認(rèn)知用戶開始通信；S4，初始階段通信結(jié)束時，更新子信道狀態(tài)信息和服務(wù)質(zhì)量需求信息；S5，認(rèn)知基站進(jìn)行第i階段的信道和功率的最優(yōu)聯(lián)合分配；S6，認(rèn)知用戶繼續(xù)周期性地感知周圍無線電環(huán)境，實現(xiàn)后續(xù)階段的信道和功率的最優(yōu)分配。本發(fā)明能保證認(rèn)知用戶在不同資源分配階段的通信連續(xù)性。
文檔編號H04W72/08GK102869018SQ201210394839
公開日2013年1月9日 申請日期2012年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月17日
發(fā)明者劉福來, 郭壽明 申請人:東北大學(xué)秦皇島分校