本發(fā)明涉及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電領(lǐng)域,具體講是一種信道不確定性條件下大規(guī)模用戶(hù)共享信道的功率分配方法。
背景技術(shù):
隨著人與人之間的自由通信需求日益增長(zhǎng),無(wú)線(xiàn)個(gè)人通信被越來(lái)越廣泛地運(yùn)用于交換個(gè)人信息,使得不斷增加的高速無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)需求與無(wú)線(xiàn)頻譜資源的日益緊缺產(chǎn)生了尖銳矛盾,這一基本矛盾促使無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)得到迅猛發(fā)展。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電作為解決這一矛盾的關(guān)鍵技術(shù),具有廣闊的前景。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電就是通過(guò)允許未授權(quán)用戶(hù)以機(jī)會(huì)主義方式利用授權(quán)用戶(hù)的頻譜資源,同時(shí)不影響授權(quán)用戶(hù)的正常通信,使許可頻段得到充分利用。而運(yùn)用認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù),合理分配用戶(hù)功率是主要難題,也是無(wú)線(xiàn)資源分配技術(shù)的研究核心。
當(dāng)前,無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)包括無(wú)線(xiàn)電認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)正逐漸變得越來(lái)越龐大而且愈加復(fù)雜,用戶(hù)數(shù)量也呈指數(shù)迅速增長(zhǎng),傳播信道的時(shí)變和無(wú)線(xiàn)信道的隨機(jī)性質(zhì),這一切都使得通信過(guò)程中已經(jīng)很難回避一些不確定性因素。比如量化誤差,信道估計(jì)誤差,傳輸誤差,同步差錯(cuò),設(shè)備執(zhí)行出錯(cuò)等。一些基于完美發(fā)射機(jī)狀態(tài)信息的傳統(tǒng)功率分配方案過(guò)于理想化,已經(jīng)很難滿(mǎn)足實(shí)際通信要求。很多現(xiàn)有的技術(shù)如基于二分法實(shí)現(xiàn)的注水算法,即使能夠?qū)崿F(xiàn)信道不確定下的吞吐量最大化,也沒(méi)有考慮次用戶(hù)之間的共存,不能完全保證大規(guī)模用戶(hù)的需求和主用戶(hù)的用戶(hù)質(zhì)量。因此,在我們研究的這個(gè)方案中考慮了信道的不確定因素和大規(guī)模用戶(hù),更切合實(shí)際。
在認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中,存在主用戶(hù)和次用戶(hù)。主用戶(hù)占用頻譜資源進(jìn)行通信,次用戶(hù)就以一定的機(jī)會(huì)接入頻譜通信,但不能影響主用戶(hù)正常工作。而主用戶(hù)對(duì)外來(lái)的干擾有一定的承受范圍,即存在干擾閾值,只要在這個(gè)干擾閾值下,主用戶(hù)就能正常通信同時(shí)還能滿(mǎn)足次用戶(hù)工作。用戶(hù)通信一般需要接收機(jī)來(lái)接收信號(hào),發(fā)射機(jī)來(lái)發(fā)送信號(hào)。
然而,這種信道不確定性條件下大規(guī)模用戶(hù)共享信道的功率分配方法在實(shí)際運(yùn)用上,存在著一些挑戰(zhàn):(1)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中,主用戶(hù)會(huì)受到次用戶(hù)發(fā)射信號(hào)的干擾,而主用戶(hù)接收機(jī)與次用戶(hù)的發(fā)射機(jī)之間的信道狀態(tài)信息未知;(2)大規(guī)模的次用戶(hù)接入主用 戶(hù)頻譜資源通信時(shí),互相之間也會(huì)有干擾,這種干擾不可避免;(3)要保證主用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量,必須保證主用戶(hù)所受的干擾在一定的閾值范圍內(nèi)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明解決的問(wèn)題是:認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中,在主用戶(hù)接收機(jī)與次用戶(hù)的發(fā)射機(jī)之間的信道狀態(tài)信息未知、大規(guī)模的次用戶(hù)之間的干擾不可避免且要保證主用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量的條件下,尋求使次用戶(hù)總吞吐量最大化的功率分配方式
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題,本發(fā)明提供一種信道不確定性條件下大規(guī)模用戶(hù)共享信道的功率分配方法,包括以下步驟:
步驟1、獲取各個(gè)用戶(hù)位置信息,計(jì)算各個(gè)次用戶(hù)之間的鏈路損耗;
步驟2、對(duì)各個(gè)次用戶(hù)發(fā)射功率值進(jìn)行初始化,計(jì)算各個(gè)次用戶(hù)之間的相互干擾以及所有次用戶(hù)的吞吐量之和;計(jì)算所有次用戶(hù)的吞吐量之和時(shí),具有以下三個(gè)約束條件:次用戶(hù)的峰值功率約束、次用戶(hù)相互干擾約束、主用戶(hù)所受干擾約束;
步驟3、計(jì)算符合次用戶(hù)峰值功率約束和次用戶(hù)之間的干擾約束的每個(gè)次用戶(hù)鏈路中的最優(yōu)發(fā)射功率;
步驟4、將步驟3獲得的最優(yōu)發(fā)射功率代入主用戶(hù)約束條件進(jìn)行驗(yàn)證,若主用戶(hù)的干擾約束條件成立,則步驟3獲得的最優(yōu)發(fā)射功率就是最合理的發(fā)射功率;若主用戶(hù)的干擾約束條件不成立,否則,需要將所述最優(yōu)發(fā)射功率下降一個(gè)臺(tái)階,然后重新代入主用戶(hù)約束條件進(jìn)行驗(yàn)證,直至找到最合理的發(fā)射功率。
進(jìn)一步,各個(gè)次用戶(hù)之間的鏈路損耗包括大規(guī)模的路徑損耗增益和小規(guī)模的衰減增益。
進(jìn)一步,求取步驟3所述最優(yōu)發(fā)射功率的目標(biāo)函數(shù)及約束條件如式(1)所示:
其中,f0(p)=-tsum,tsum為認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中所有次用戶(hù)的吞吐量之和,c1和c2所示條件分別為次用戶(hù)峰值功率約束和次用戶(hù)之間的干擾約束,
求解目標(biāo)函數(shù)minf0(p)的拉格朗日函數(shù)l(p,λ,ν)如式(2)所示:
式(2)中,p=[p1,...,pi,...pn],pi為第i個(gè)次用戶(hù)的發(fā)射功率,λ=[λ1,...,λi,...λn]和ν=[v1,...,vi,...vn]分別是約束條件的拉格朗日乘子,λi表示第i個(gè)次用戶(hù)對(duì)應(yīng)于次用戶(hù)峰值功率約束條件c1的拉格朗日系數(shù),vi表示第i個(gè)次用戶(hù)對(duì)應(yīng)于次用戶(hù)之間的干擾約束條件c2的拉格朗日系數(shù);拉格朗日對(duì)偶函數(shù)g(λ,ν)如式(3)所示:
inf表示取函數(shù)的下界。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比,其顯著優(yōu)點(diǎn)在于,(1)本發(fā)明基于凸優(yōu)化理論,通過(guò)對(duì)各次級(jí)用戶(hù)功率分配的靈活控制,配合提出了簡(jiǎn)單高效的迭代搜索方法;(2)本發(fā)明考慮的因素更為切合實(shí)際,不僅考慮了各次級(jí)用戶(hù)之間的相互影響,還分析了主用戶(hù)所受的干擾受限,更重要的是結(jié)合實(shí)際場(chǎng)景考慮了次用戶(hù)發(fā)射機(jī)與主用戶(hù)接收機(jī)之間的信道的不確定性;(3)本發(fā)明采用大規(guī)模用戶(hù)來(lái)優(yōu)化發(fā)射功率,使得吞吐量最大化,同時(shí)保證主用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量,在性能上要優(yōu)于一般二分注水的功率分配方法。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明信道不確定性條件下大規(guī)模用戶(hù)共享信道的功率分配方法的流程圖。
圖2為使用本發(fā)明的一種認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)示意圖。
圖3為本發(fā)明與對(duì)比方案的性能對(duì)比圖。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例中臺(tái)階的變化對(duì)吞吐量之和的影響示意圖。
圖5為本發(fā)明實(shí)施例中主用戶(hù)干擾閾值在不同的情況下的中斷概率對(duì)吞吐量之和的影響示意圖。
圖6為本發(fā)明實(shí)施例中不同中斷概率情況下用戶(hù)數(shù)目分別對(duì)平均吞吐量和總吞吐量的影響示意圖。
具體實(shí)施方式
容易理解,依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案,在不變更本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神的情況下,本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員可以想象出本發(fā)明功率分配方法的多種實(shí)施方式。因此,以下具體實(shí)施方式和附圖僅是對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案的示例性說(shuō)明,而不應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明的全部或者視為對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的限制或限定。
本發(fā)明提供的信道不確定性條件下大規(guī)模用戶(hù)共享信道的功率分配新方法,解決的是認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中,主用戶(hù)接收機(jī)與次用戶(hù)的發(fā)射機(jī)之間的信道狀態(tài)信息未知、大規(guī)模的次用戶(hù)之間的干擾不可避免的條件下如何保證主用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量。具體功能是:1)保證主用戶(hù)通信質(zhì)量,正常接收信號(hào);2)協(xié)調(diào)各個(gè)次用戶(hù)鏈路之間的干擾,使之共存;3)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中次用戶(hù)的總吞吐量達(dá)到最大。
如圖1所示,該方法包括以下步驟:步驟1、獲取各個(gè)用戶(hù)位置信息,計(jì)算各個(gè)次用戶(hù)之間的鏈路損耗值;步驟2、對(duì)各個(gè)次用戶(hù)發(fā)射功率值進(jìn)行初始化,計(jì)算各個(gè)次用戶(hù)之間的相互干擾以及所有次用戶(hù)的吞吐量之和;計(jì)算所有次用戶(hù)的吞吐量之和時(shí),具有以下三個(gè)約束條件:次用戶(hù)的峰值功率約束、次用戶(hù)相互干擾約束、主用戶(hù)所受干擾約束;步驟3、計(jì)算符合次用戶(hù)峰值功率約束和次用戶(hù)之間的干擾約束的每個(gè)次用戶(hù)鏈路中的最優(yōu)發(fā)射功率;步驟4、將步驟3獲得的最優(yōu)發(fā)射功率代入主用戶(hù)約束條件進(jìn)行驗(yàn)證,若主用戶(hù)的干擾約束條件成立,則步驟3獲得的最優(yōu)發(fā)射功率就是最合理的發(fā)射功率;若主用戶(hù)的干擾約束條件不成立,否則,需要將所述最優(yōu)發(fā)射功率下降一個(gè)臺(tái)階,然后重新代入主用戶(hù)約束條件進(jìn)行驗(yàn)證,直至找到最合理的發(fā)射功率。
各步驟具體如下:
步驟1.建立信道模型,計(jì)算信道增益。
在本步驟中,目的是得到各個(gè)次用戶(hù)之間的信道增益,方便后續(xù)使用。
各個(gè)次用戶(hù)發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)前,向接入點(diǎn)發(fā)起請(qǐng)求,并上報(bào)位置信息。通過(guò)建立信道增益模型,計(jì)算認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)次用戶(hù)之間的信道增益值。
信道的傳播模型可以建模是由兩個(gè)主要因素組成:大規(guī)模的路徑損耗增益和小規(guī)模的衰減增益。下式可用來(lái)確定某個(gè)次用戶(hù)發(fā)射機(jī)到另一個(gè)次用戶(hù)接收機(jī)的大規(guī)模鏈路損 耗,是grx,tx的db模式:
grx,tx[db]=10*αlog(4πd)+10*αlog(f)-20log(lt*lr)(1)
式中,α表示依賴(lài)具體傳播環(huán)境的鏈路損耗系數(shù),d是發(fā)射用戶(hù)到接收用戶(hù)的距離,單位是米,f是發(fā)射信號(hào)的中心頻率,單位是兆赫茲,lt和lr分別表示發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的高度,單位為米。
信道的衰減增益采用瑞利分布,其建模為:
其中,h1和h2是兩個(gè)獨(dú)立的高斯變量服從n~(0,δ2)的分布。
步驟2.發(fā)射功率初始化,計(jì)算次用戶(hù)之間干擾和吞吐量
在本步驟中,目的是根據(jù)步驟1中得到的信道增益,計(jì)算干擾約束和吞吐量。
本發(fā)明對(duì)各個(gè)次用戶(hù)的發(fā)射功率進(jìn)行初始化,把賦的初始值作為算法迭代的起點(diǎn)。在給定次級(jí)用戶(hù)發(fā)射機(jī)功率之后,可以計(jì)算出各個(gè)次用戶(hù)接收機(jī)處的干擾,這個(gè)干擾是除自己以外的來(lái)自其他次用戶(hù)的干擾。也可以計(jì)算出此時(shí)的各個(gè)次用戶(hù)的吞吐量之和。
首先,次用戶(hù)接收機(jī)的信噪比(snr)為:
其中,
由于在一個(gè)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中次用戶(hù)與主用戶(hù)共享頻段資源,因此存在干擾,那么次用戶(hù)接收機(jī)的信干噪比(sinr)如下:
其中,pigi,i為次用戶(hù)接收機(jī)收到的信號(hào)功率,
那么,該認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中所有次用戶(hù)的吞吐量之和為:
此時(shí)寫(xiě)出次用戶(hù)的峰值功率約束和相互干擾約束:
其中,pmax是次用戶(hù)峰值功率門(mén)限,imax是次用戶(hù)所能承受的干擾閾值,gi,j是第i個(gè)次用戶(hù)發(fā)射機(jī)到第j個(gè)次用戶(hù)接收機(jī)的信道增益,在這里,假設(shè)已知它的瞬時(shí)值。
如果次用戶(hù)對(duì)主用戶(hù)的干擾在一定的閾值內(nèi),次用戶(hù)能與主用戶(hù)共存。假設(shè)這個(gè)閾值為
其中,
整個(gè)次用戶(hù)之間干擾和吞吐量的優(yōu)化問(wèn)題可以寫(xiě)成時(shí)(9)所示,
步驟3.計(jì)算次用戶(hù)鏈路最優(yōu)發(fā)射功率。
在本步驟中,目的是得到除主用戶(hù)干擾約束之外的最優(yōu)功率,這個(gè)功率符合目標(biāo)函數(shù)、次用戶(hù)峰值功率約束和次用戶(hù)之間的干擾約束。
目標(biāo)函數(shù)是次用戶(hù)吞吐量之和的最大化,即
通過(guò)凸優(yōu)化相關(guān)理論,把目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化成兩個(gè)凹函數(shù)之和:
其中u(p)和w(p)都是凹函數(shù):
將函數(shù)w(p)關(guān)于變量pi求導(dǎo),可得梯度:
其中
由于w(p)是凹函數(shù),易求得
如果{pi}是可行解,而且-f0(p(k+1))≥-f0(p(k)),能夠得到
u(p(k+1))-w(p(k+1))≥-f0(p(k+1))≥u(p(k))-w(p(k)),(16)
因此,-f0(p(k))提供了一個(gè)很好的近似下界。要最大化原始目標(biāo)函數(shù),等價(jià)于最大化函數(shù)(14)。
定義f1,i(p)=pi-pmax和
因此,本發(fā)明可以構(gòu)造如式(18)所示的子問(wèn)題,先求得符合目標(biāo)函數(shù)、次用戶(hù)峰值功率約束和次用戶(hù)之間的干擾約束的最優(yōu)功率:
拉格朗日函數(shù)為:
上式中,λ和ν分別是約束條件c1、c2的非負(fù)對(duì)偶變量。拉格朗日對(duì)偶函數(shù)為:
如果這個(gè)拉格朗日函數(shù)沒(méi)有下界,則它的對(duì)偶函數(shù)值為-∞。
下面,分析這個(gè)子問(wèn)題的可行性。當(dāng)且僅當(dāng)下式線(xiàn)性問(wèn)題可行時(shí)這個(gè)子問(wèn)題才可行:
對(duì)應(yīng)的拉格朗日函數(shù):
其中λ′=[λ′1,…,λ′n]≥0,ν′=[v′1,…,v′n]≥0分別表示n個(gè)次用戶(hù)的拉格朗日乘子。其對(duì)偶函數(shù)為:
g′(λ′,ν′)=infl′(p,λ′,ν′)(23)
步驟4.驗(yàn)證主用戶(hù)所受的干擾限制。
在本步驟中,先將主用戶(hù)的干擾約束寫(xiě)出,進(jìn)行適當(dāng)轉(zhuǎn)化和逼近,再將步驟3中得到的最優(yōu)功率帶入驗(yàn)證約束是否成立,若主用戶(hù)的干擾約束成立,則步驟三子問(wèn)題的最優(yōu)功率就是整個(gè)問(wèn)題的最優(yōu)解,否則,需要將子問(wèn)題的最優(yōu)功率下降一個(gè)臺(tái)階,令臺(tái)階值為γ,重復(fù)本步驟,重新代入主用戶(hù)約束條件進(jìn)行驗(yàn)證,若主用戶(hù)的干擾約束成立,則將下降臺(tái)階后的功率作為最合理的發(fā)射功率。另外針對(duì)臺(tái)階變化,判斷其變化對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的影響,目的是為了取得合適的臺(tái)階值。
主用戶(hù)干擾約束的概率模型如下:
令
如何驗(yàn)證主用戶(hù)干擾這個(gè)約束條件呢?x的分布應(yīng)該已知,它是問(wèn)題的關(guān)鍵。為了解決x的分布這個(gè)難題,我們用一種高斯逼近的方法,李雅普諾夫中心極限定理。
定理:如果x1,x2,…,xn相互獨(dú)立,均值e(xk)=μk,方差
和
通過(guò)上面的定理,必須滿(mǎn)足下面的李雅普諾夫條件才可以運(yùn)用這個(gè)定理:
上式中ri是xi的三階中心距,即e[(xi-mi)3],mi和
一般地,在大規(guī)模用戶(hù)下,可以認(rèn)為x是正態(tài)分布的隨機(jī)變量,均值和方差可以近似為:
所以,公式(25)可以寫(xiě)成
fn(·)是均值為m方差為σ2的正態(tài)分布的累積分布函數(shù),
實(shí)施例
本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例如下描述,系統(tǒng)仿真采用matlab軟件。下述實(shí)施例考察本發(fā)明所述信道不確定性條件下大規(guī)模用戶(hù)共享信道的功率分配方法的有效性。
本實(shí)施例中,仿真結(jié)果是通過(guò)1000個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)獲得的,場(chǎng)景均是一個(gè)主用戶(hù)和大規(guī)模的次用戶(hù)的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò),假設(shè)發(fā)送信號(hào)的中心頻率f為700mhz,噪聲功率
如圖3所示,考慮一個(gè)用二分法實(shí)現(xiàn)的注水算法作為對(duì)比算法。假設(shè)次用戶(hù)數(shù)為50個(gè),臺(tái)階γ=0.2,中斷概率ε=0.05。從圖3曲線(xiàn)的趨勢(shì)來(lái)看,不論多少用戶(hù)數(shù),用本方法獲得的吞吐量總是比對(duì)比算法要高。當(dāng)每個(gè)次用戶(hù)發(fā)射機(jī)使用最大功率,總吞吐量也是最大的,同時(shí)強(qiáng)大的干擾限制了主用戶(hù)的工作。另外,由于二分法的精度較低,該對(duì)比算法造成了對(duì)資源很大的浪費(fèi)。
在圖4中,比較了不同臺(tái)階對(duì)系統(tǒng)性能的影響。圖中顯示了總吞吐量的收斂速度與臺(tái)階的值相關(guān),當(dāng)γ變大時(shí)收斂速度變快,而且收斂速度越快,精度越低,誤差就越大。所以γ取值偏小對(duì)優(yōu)化功率有利,通過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證,γ的取值區(qū)間應(yīng)在[0.05,0.25]。
圖5中γ取值0.1,在不同的主用戶(hù)干擾閾值下,隨著中斷概率的變化,中斷概率越大,吞吐量越高,而且主用戶(hù)干擾閾值大的時(shí)候的系統(tǒng)性能比閾值小的時(shí)候情況要好。
圖6表明,在不同中斷概率下,次用戶(hù)的平均吞吐量和總吞吐量隨不同用戶(hù)數(shù)的變化趨勢(shì)。當(dāng)用戶(hù)數(shù)增加時(shí),平均吞吐量在減少而總吞吐量在增加。另一方面,隨著用戶(hù)數(shù)增多,中斷概率為0.2時(shí)越來(lái)越接近中斷概率為0.01的吞吐量。這說(shuō)明,當(dāng)用戶(hù)數(shù)增多到一定程度,主用戶(hù)的干擾約束越來(lái)越松,這時(shí)次用戶(hù)之間的互相干擾起主導(dǎo)作用。反過(guò)來(lái),當(dāng)用戶(hù)數(shù)較少時(shí),主用戶(hù)的干擾約束占主導(dǎo)地位。