一種動態(tài)認知網(wǎng)絡資源分配方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種動態(tài)認知網(wǎng)絡資源分配方法，屬于無線通信【技術領域】。該方法基于主用戶歷史信息和業(yè)務特性預測主用戶授權頻帶占用情況，根據(jù)頻譜預測信息及從用戶業(yè)務需求信息，認知基站執(zhí)行從用戶頻譜及功率聯(lián)合優(yōu)化分配，以實現(xiàn)從用戶聯(lián)合能效最大化及切換次數(shù)最小化。本方法綜合考慮了認知網(wǎng)絡主用戶頻帶占用狀態(tài)，從用戶業(yè)務需求及頻帶間切換所產生的切換代價，基于網(wǎng)絡能效最大化準則執(zhí)行聯(lián)合資源分配，在保障從用戶業(yè)務需求、減少切換導致的性能下降的同時，實現(xiàn)了從用戶聯(lián)合能效優(yōu)化。
【專利說明】一種動態(tài)認知網(wǎng)絡資源分配方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信【技術領域】，涉及一種動態(tài)認知網(wǎng)絡資源分配方法。

【背景技術】
[0002] 隨著無線通信技術的快速發(fā)展及無線應用需求的不斷增長，各類通信應用對無線 頻譜的需求日益增加。傳統(tǒng)的固定頻譜分配方法導致部分頻帶競爭激烈，頻譜資源嚴重匱 乏，同時，部分頻段大量已分配的頻譜未得到充分使用，導致頻譜利用率低下。為有效提高 頻譜資源利用率，緩解頻譜資源匱乏問題，采用動態(tài)頻譜接入機制的認知無線電技術近年 來受到廣泛關注。
[0003] 認知無線電系統(tǒng)采用基于軟件無線電技術的認知無線電終端，能夠動態(tài)感知可用 頻譜，優(yōu)化調整傳輸參數(shù)，執(zhí)行軟硬件重配置，在不影響授權用戶（主用戶）正常通信情況 下動態(tài)、智能接入空閑頻譜，實現(xiàn)未授權用戶（從用戶）的數(shù)據(jù)傳輸。認知無線電技術可有 效實現(xiàn)頻譜資源共享，提高頻譜利用率，解決頻譜資源匱乏的問題。
[0004] 認知無線電網(wǎng)絡中，從用戶通過接入主用戶空閑頻譜或在不影響主用戶正常工作 的情況下與主用戶共享頻譜，可實現(xiàn)其通信需求。在存在多個從用戶競爭接入主用戶可用 頻譜的認知網(wǎng)絡中，如何實現(xiàn)從用戶頻譜及功率分配，在確保不干擾主用戶通信情況下，實 現(xiàn)從用戶的高效頻譜占用，提高網(wǎng)絡頻譜資源利用率及用戶QoS具有重要意義。
[0005] 目前已經有一些研究考慮認知網(wǎng)絡從用戶資源的分配方案，比如針對認知網(wǎng)絡中 從用戶功率分配的機制。該機制首先為各從用戶分配至少一個子信道以保障用戶間的公平 性，繼而為從用戶優(yōu)化功率分配，以最大化網(wǎng)絡容量。還有就是動態(tài)認知無線電網(wǎng)絡中考慮 從用戶異構服務需求的信道和功率分配機制。
[0006] 以上方法僅考慮主用戶授權信道信息確定情況下從用戶信道和功率分配問題，未 考慮實際應用場景中主用戶業(yè)務需求的隨機性，以及因此導致的各信道主用戶到達時間、 業(yè)務持續(xù)時間的不確定性問題，致使從用戶可能因主用戶的到達而被迫中止傳輸或切換至 其他頻譜，導致從用戶業(yè)務傳輸?shù)倪B續(xù)性和綜合性能嚴重受限。


【發(fā)明內容】

[0007] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種動態(tài)認知網(wǎng)絡資源分配方法，該方法綜合 考慮了認知網(wǎng)絡主用戶頻帶占用狀態(tài)，從用戶業(yè)務需求及頻帶間切換所產生的切換代價， 基于網(wǎng)絡能效最大化準則執(zhí)行聯(lián)合資源分配。
[0008] 為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：
[0009] -種動態(tài)認知網(wǎng)絡資源分配方法，在該方法中，認知基站基于網(wǎng)絡能效最大化及 用戶切換次數(shù)最小化準則進行頻譜、時隙及功率聯(lián)合優(yōu)化分配；分別設置了主用戶業(yè)務分 析模塊、歷史信息收集模塊、頻譜狀態(tài)預測模塊、從用戶業(yè)務分析模塊和聯(lián)合資源分配模 塊；所述主用戶業(yè)務分析模塊用于分析主用戶授權頻譜業(yè)務特性，為頻譜狀態(tài)預測模塊提 供輸入?yún)⒖紨?shù)據(jù)；所述歷史信息收集模塊用于收集主用戶占用頻譜歷史信息輸入至頻譜狀 態(tài)預測模塊；所述頻譜狀態(tài)預測模塊用于接收主用戶業(yè)務分析模塊和歷史信息收集模塊的 數(shù)據(jù)，根據(jù)主用戶占用頻譜情況及信道特性，預測主用戶到達時刻及頻帶占用時隙，并輸出 至聯(lián)合資源分配模塊；所述從用戶業(yè)務分析模塊用于分析從用戶業(yè)務特性，輸入至聯(lián)合資 源分配模塊；所述聯(lián)合資源分配模塊用于接收頻譜狀態(tài)預測模塊及從用戶業(yè)務分析模塊的 數(shù)據(jù)，基于聯(lián)合資源分配準則執(zhí)行從用戶頻譜、時隙及功率聯(lián)合分配。
[0010] 進一步，在該方法中，假設各用戶占用某頻譜的一個或多個時隙進行通信，定義優(yōu) 化變量

【權利要求】
1. 一種動態(tài)認知網(wǎng)絡資源分配方法，其特征在于：在該方法中，認知基站基于網(wǎng)絡能 效最大化及用戶切換次數(shù)最小化準則進行頻譜、時隙及功率聯(lián)合優(yōu)化分配；分別設置了主 用戶業(yè)務分析模塊、歷史信息收集模塊、頻譜狀態(tài)預測模塊、從用戶業(yè)務分析模塊和聯(lián)合資 源分配模塊；所述主用戶業(yè)務分析模塊用于分析主用戶授權頻譜業(yè)務特性，為頻譜狀態(tài)預 測模塊提供輸入?yún)⒖紨?shù)據(jù)；所述歷史信息收集模塊用于收集主用戶占用頻譜歷史信息輸入 至頻譜狀態(tài)預測模塊；所述頻譜狀態(tài)預測模塊用于接收主用戶業(yè)務分析模塊和歷史信息收 集模塊的數(shù)據(jù)，根據(jù)主用戶占用頻譜情況及信道特性，預測主用戶到達時刻及頻帶占用時 隙，并輸出至聯(lián)合資源分配模塊；所述從用戶業(yè)務分析模塊用于分析從用戶業(yè)務特性，輸入 至聯(lián)合資源分配模塊；所述聯(lián)合資源分配模塊用于接收頻譜狀態(tài)預測模塊及從用戶業(yè)務分 析模塊的數(shù)據(jù)，基于聯(lián)合資源分配準則執(zhí)行從用戶頻譜、時隙及功率聯(lián)合分配。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種動態(tài)認知網(wǎng)絡資源分配方法，其特征在于：在該方 法中，假設各用戶占用某頻譜的一個或多個時隙進行通信，定義優(yōu)化變量爲Le {0J! f W = l,2，...,iV，《ι = 1,2,...,Μ, ?=1，2，...，Κ,其中，N為網(wǎng)絡中子信道總數(shù)，Μ為資源分配時段的 總時隙數(shù)，Κ為從用戶總數(shù)，濟i =1表示第k個從用戶在時隙m占用第η個子信道進行信 肩、傳輸，=〇表示第k個從用戶在時·隙m未占用第η個子信it ;認知基站為各從用戶優(yōu) 化確定AL，對應從用戶不同時隙最佳頻帶分配策略。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種動態(tài)認知網(wǎng)絡資源分配方法，其特征在于：頻譜狀態(tài)預 測模塊根據(jù)以下公式確定子信道η在第m個時隙的空閑概率：
其中，< 表示主用戶在頻帶η的到達時間，表示主用戶在連續(xù)Μ個時隙內占用頻帶 η的時長，表示第m-Ι個時隙的結束時刻，1Γ表示主用戶在頻帶η的業(yè)務到達率；若 ，其中，κ。為給定門限值，則可預測第m個時隙頻帶η空閑，以? Μ=1表示；若 < r,,，則預測主用戶在時隙m占用頻帶η，以υ ? = 〇表示。
4. 根據(jù)權利要求1所述的一種動態(tài)認知網(wǎng)絡資源分配方法，其特征在于：頻譜狀態(tài)預 測模塊根據(jù)預測得到各頻帶主用戶時隙占用狀態(tài)，若主用戶占用子信道η的某時隙，根據(jù) 公式
得到從用戶k在子信道η上，滿足主用戶SINR門限允許的最大傳 輸功率
表示子信道η上從用戶k與TO接收端之 間的信道增益，<表示子信道η上主用戶與其接收端之間的信道增益，表示主用戶在子 信道η的傳輸功率，Pf表示從用戶k與主用戶共享子信道η時對應的傳輸功率，yf為主用 戶的SINR門限值；根據(jù)公式
得到從用戶k在子信道η上，滿足從用戶 SINR門限允許的最小傳輸功率'其中，hkn表示子信道η上從用戶k與其接收端之間的 信道增益，表示子信道η上TO與從用戶k接收端之間的信道增益，^_為從用戶k的 SINR門限值；若，則從用戶在時隙m可與主用戶共享子信道η,反之，則從用戶k 無法在時隙m與主用戶共享子信道η。
5. 根據(jù)權利要求1所述的一種動態(tài)認知網(wǎng)絡資源分配方法，其特征在于：從用戶業(yè)務 分析模塊用于分析從用戶業(yè)務特性，從用戶資源分配需滿足其業(yè)務量需求，即：
其中，表示從用戶k在子信道η上第m個時隙的傳輸速率，Τ為各時隙長度，Lk為從 用戶k的業(yè)務量需求。
6. 根據(jù)權利要求5所述的一種動態(tài)認知網(wǎng)絡資源分配方法，其特征在于：根據(jù)公式：
確定從用戶k的切換次數(shù)，為避免用戶頻繁切換，設定第k個從用戶資源分配限定條件
其中，表示第k個從用戶可允許的最大切換次數(shù)。
7. 根據(jù)權利要求1所述的一種動態(tài)認知網(wǎng)絡資源分配方法，其特征在于：根據(jù)公式
確定從用戶聯(lián)合能效，其中，
為從用戶聯(lián)合傳輸速率，P為從用戶 聯(lián)合能耗，建模為
*其中，表示第k個從用 戶在子信道η上主用戶空閑時的傳輸功率，If表示從用戶k的電路消耗功率。
8. 根據(jù)權利要求1所述的一種動態(tài)認知網(wǎng)絡資源分配方法，其特征在于：認知基站統(tǒng) 一優(yōu)化分配網(wǎng)絡中各從用戶子信道及時隙資源，以實現(xiàn)認知網(wǎng)絡能效最大化及從用戶切換 次數(shù)最小化；定義從用戶k的子信道及時隙分配矩陣為
，功率分 配矢量為
給定從用戶業(yè)務量、接收 SINR、最小切換次數(shù)限定條件及主用戶SINR限定條件，基于最大能效優(yōu)化準則，可得認知 網(wǎng)絡聯(lián)合子信道、時隙及功率優(yōu)化分配方案，即：
對應從用戶聯(lián)合子信道、時隙及功率優(yōu)化 分配策略。
【文檔編號】H04W72/04GK104093209SQ201410355925
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月24日 優(yōu)先權日:2014年7月24日
【發(fā)明者】柴蓉, 周莉, 陳前斌 申請人:重慶郵電大學