基于中斷概率能效最大的功率分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于中斷概率能效最大的功率分配 方法，可用于綠色認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中次級(jí)用戶能效最大化的功率分配。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無(wú)線和移動(dòng)通信的迅速發(fā)展，日益增長(zhǎng)的無(wú)線頻譜需求與有限的頻譜資源之 間的矛盾已經(jīng)成為當(dāng)前無(wú)線通信行業(yè)的突出矛盾，然而與此同時(shí)，又存在著大量授權(quán)的頻 譜被閑置或者利用率極低的現(xiàn)象。為了改善頻譜利用率低下的現(xiàn)狀，J.Mitola等人提出了 認(rèn)知無(wú)線電的概念，其主要思想是在已授權(quán)的頻段內(nèi)，在不影響主用戶正常通信的前提下， 允許次級(jí)用戶接入到當(dāng)前頻段，從而大幅提高頻譜利用率。為了達(dá)到最大化次級(jí)用戶傳輸 速率并且盡量保護(hù)授權(quán)用戶的目的，次級(jí)用戶必須最佳分配發(fā)送功率，以盡量減小對(duì)授權(quán) 用戶正常通信的干擾，因此認(rèn)知無(wú)線電中的功率分配研究受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。
[0003] 與此同時(shí)，無(wú)處不在的無(wú)線業(yè)務(wù)以及急劇增加的移動(dòng)設(shè)備數(shù)量導(dǎo)致大量的能量消 耗和溫室氣體的排放。綠色通信網(wǎng)絡(luò)是未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不可避免的趨勢(shì)。綠色通信網(wǎng)絡(luò) 的思想是，在最大化網(wǎng)絡(luò)能效的情況下，提供最佳用戶體驗(yàn)。
[0004] 現(xiàn)有的最佳功率分配策略主要針對(duì)以下兩種機(jī)制進(jìn)行設(shè)計(jì)：
[0005] 1)機(jī)會(huì)頻譜接入機(jī)制。機(jī)會(huì)頻譜接入機(jī)制的思想是，次級(jí)用戶在檢測(cè)到主用戶不 存在情況下，次級(jí)用戶使用主用戶頻段進(jìn)行傳輸。在該機(jī)制下，次級(jí)用戶需要準(zhǔn)確快速的對(duì) 主用戶頻段進(jìn)行檢測(cè)。由于現(xiàn)有的頻譜感知技術(shù)不能達(dá)到完全準(zhǔn)確的檢測(cè)效果，當(dāng)主用戶 不存在，但次級(jí)用戶誤判主用戶存在時(shí)，次級(jí)用戶會(huì)放棄使用該頻段以保護(hù)主用戶；而當(dāng)主 用戶存在，但次級(jí)用戶誤判主用戶不存在時(shí)，次級(jí)用戶使用主用戶頻段進(jìn)行傳輸，將對(duì)主用 戶產(chǎn)生干擾。因此最佳功率分配策略的設(shè)計(jì)在該機(jī)制中不僅能起到保護(hù)主用戶的作用，而 且能提供次級(jí)用戶最大傳輸速率。
[0006] 2)頻譜共享機(jī)制。在頻譜共享機(jī)制下，次級(jí)用戶和主用戶共享同一個(gè)頻段，次級(jí)用 戶不需要對(duì)主用戶狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。在該機(jī)制下，為了保證主用戶的服務(wù)質(zhì)量，次級(jí)用戶需要 最佳設(shè)計(jì)其發(fā)送功率。由于在頻譜共享機(jī)制下，頻譜效率更高且次級(jí)用戶能獲得更好的服 務(wù)質(zhì)量，因此在頻譜共享機(jī)制下，設(shè)計(jì)最佳功率分配策略更為重要。
[0007] 在傳統(tǒng)的認(rèn)知無(wú)線電頻譜共享機(jī)制下，現(xiàn)有的功率分配方法（1 :X.Kang，Y. C.Liang,A.Nallanathan,H.K.Garg,R.Zhang,"Optimalpowerallocationforfading channelsincognitiveradionetworks:ergodiccapacityandoutagecapacity''IEEE Trans.WirelessCommun.,vol.8,no.2,pp.940-950,2009.2 ：L.Musavianand S.Aissa，"Capacityandpowerallocationforspectrumsharingcommunicationsin fadingchannels"IEEETrans.WirelessCommun. ,vol. 8,no. 1,pp. 148-156,Jan. 2009.) 這種方法是在給定的約束條件下，根據(jù)信道條件，通過(guò)調(diào)整次級(jí)用戶發(fā)送功率，達(dá)到使得次 級(jí)用戶中斷概率最小化。此功率分配方法，只與約束條件、次級(jí)用戶發(fā)送端到次級(jí)用戶接收 端、次級(jí)用戶發(fā)送端到主用戶接收端、主用戶發(fā)送端到次級(jí)用戶接收端的信道增益、主用戶 發(fā)送功率、次級(jí)用戶接收端的噪聲功率有關(guān)，而與能效和次級(jí)用戶發(fā)送端的功率放大因子 無(wú)關(guān)。這種功率分配方法，由于沒(méi)有考慮到次級(jí)用戶獲得的能效對(duì)功率分配的影響，則不能 保證次級(jí)用戶獲得最大能效，產(chǎn)生大量的額外能量消耗和溫室氣體的排放，造成不必要的 能源浪費(fèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于中斷概率能效最大的 功率分配方法，以提高次級(jí)用戶的能效，減小能源浪費(fèi)。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方法包括如下步驟：
[0010] (1)次級(jí)用戶根據(jù)所需要的容錯(cuò)誤差、拉格朗日迭代效果、希望獲得的中斷容量及 最大需要迭代次數(shù)，設(shè)置能效函數(shù)容錯(cuò)誤差I(lǐng)>0,中斷容量^比特/復(fù)維，最大迭代次數(shù) N，平均發(fā)送功率約束對(duì)應(yīng)的收斂誤差L>0,平均干擾功率約束對(duì)應(yīng)的收斂誤差| 2>〇， 平均發(fā)送功率約束對(duì)應(yīng)的拉格朗日乘子迭代步長(zhǎng)h> 0,平均干擾功率約束對(duì)應(yīng)的拉格朗 日乘子迭代步長(zhǎng)〖2>0;
[0011] (2)次級(jí)用戶初始化能效n= 〇,平均發(fā)送功率約束對(duì)應(yīng)的拉格朗日乘子T= 平均干擾功率約束對(duì)應(yīng)的拉格朗日乘子y= 次級(jí)用戶發(fā)送功率Pn和能效n"的 迭代次數(shù)n= 0 ;
[0012] (3)次級(jí)用戶迭代計(jì)算最佳發(fā)送功率P :
[0013] (3. 1)次級(jí)用戶計(jì)算每次衰落狀態(tài)下滿足次級(jí)用戶中斷容量rs的發(fā)送功率y :
[0014]
[0015] 其中g(shù)ss為次級(jí)用戶發(fā)送端到接收端信道功率增益，hps為主用戶發(fā)送端到次級(jí)用 戶接收端信道功率增益，Pm為主用戶恒定發(fā)送功率，^表示次級(jí)用戶接收端的噪聲方差；
[0016] (3. 2)次級(jí)用戶計(jì)算每次衰落狀態(tài)下的發(fā)送功率Pn:
[0017]
[0018] 其中P為功率放大因子，gsp為次級(jí)用戶發(fā)送端到主用戶接收端信道功率增益， nn1為次級(jí)用戶第n-1次迭代獲得的能效；
[0019] (3. 3)次級(jí)用戶根據(jù)平均發(fā)送功率約束條件和平均干擾功率約束條件 五，.通過(guò)subgradient迭代算法經(jīng)k彡1次迭代，計(jì)算出平均發(fā)送功率約束對(duì) 應(yīng)的拉格朗日乘子？和平均干擾功率約束對(duì)應(yīng)的拉格朗日乘子yk:
[0022] 其中瓦和瓦分別為次級(jí)用戶最大平均發(fā)送功率約束和次級(jí)用戶對(duì)主用戶最大平 均干擾功率約束，E{ ?}表示對(duì)?求數(shù)學(xué)期望；
[0023] (3.4)根據(jù)計(jì)算出的拉格朗日乘子，和yk，計(jì)算發(fā)送功率if:
[0024]
[0025] (3. 5)判斷每次迭代計(jì)算出的拉格朗日乘子，和y14是否滿足迭代終止條件：
，若滿足，則執(zhí)行步驟（3. 6)，否則，返回步 驟（3. 3);
[0026] (3.6)次級(jí)用戶分別計(jì)算第n次迭代能效函數(shù)仁（1〇和第n次迭代能效nn:
[0029] 其中匕為固定電路的消耗功率，尤?丨的計(jì)算表達(dá)式為：
[0030]
[0031](3.7)次級(jí)用戶對(duì)能效函數(shù)fnu)進(jìn)行判決：如果|fn(n)I彡I，則第n次的發(fā) 送功率if為次級(jí)用戶能效最佳發(fā)送功率P，能效nn即為次級(jí)用戶獲得的最大能效n;反 之，判斷迭代次數(shù)是否達(dá)到最大迭代次數(shù)n<N，如果達(dá)到最大迭代次數(shù)，則此時(shí)的發(fā)送功 率$為次級(jí)用戶能效最佳發(fā)送功率p，能效nn為次級(jí)用戶獲得的最大能效n;否則，繼續(xù) 迭代，直至滿足迭代終止約束條件。
[0032] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0033] 1、本發(fā)明在次級(jí)用戶平均發(fā)送功率和平均干擾功率約束條件下，能獲得高于傳統(tǒng) 基于頻譜共享認(rèn)知無(wú)線電最佳發(fā)送功率方法取得的最大能效。
[0034] 2、本發(fā)明能快速獲得最大能效情況下的能效最佳功率分配。
[0035] 3、本發(fā)明能在保證主用戶服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，保證次級(jí)用戶在最大能效情況下的用 戶服務(wù)質(zhì)量。
[0036] 4、本發(fā)明計(jì)算復(fù)雜度低，可以在實(shí)際中廣泛應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0037] 圖1是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0038] 圖2是采用本發(fā)明和現(xiàn)有的兩種發(fā)送功率分配方法，其