一種協(xié)作認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中保證QoS要求的聯(lián)合資源分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種協(xié)作認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中保證QoS要求的聯(lián)合資源分配方法，屬于無(wú)線通 信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無(wú)線應(yīng)用程序和設(shè)備的不斷增多，如何滿足日益增長(zhǎng)的無(wú)線電頻譜需求這個(gè) 嚴(yán)峻的問(wèn)題引起了廣泛關(guān)注。此外，美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)（FCC)還報(bào)道了目前存在授權(quán)頻 譜使用效率很低的問(wèn)題。
[0003] 在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸中，QoS(服務(wù)質(zhì)量）扮演著重要的角色，有效容量方法是研 究無(wú)線傳輸統(tǒng)計(jì)QoS性能的一種有效技術(shù)。如何做到有限的無(wú)線資源與多媒體業(yè)務(wù)不斷提 高的QoS需求之間的平衡，是目前無(wú)線通信的重點(diǎn)。
[0004] 近年來(lái)，認(rèn)知無(wú)線電（CR)技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)。因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)允許次要用戶自動(dòng) 感知、獲取主要用戶空閑頻譜且不引進(jìn)干擾的方式來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)中頻譜利用效率。這種次要 用戶協(xié)助主要用戶達(dá)到目標(biāo)有效容量，同時(shí)次要用戶也能享用已授權(quán)頻譜的網(wǎng)絡(luò)即協(xié)作認(rèn) 知網(wǎng)絡(luò)。在協(xié)作通信中，如何增強(qiáng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的表現(xiàn)性能（吞吐量）是個(gè)亟需解決的問(wèn)題。因 此，人們提出了資源分配的方案來(lái)最大化協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。
[0005] 最近，文獻(xiàn)中報(bào)道了許多與資源分配有關(guān)的工作，這些工作都致力于提高整個(gè) 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的能效性，而未考慮系統(tǒng)的QoS需求。有一部分工作考慮了系統(tǒng)的QoS需求， 但是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境卻不同。"ResourceAllocationforDelay-SensitiveTrafficover LTE-AdvancedRelayNetworks"(LTE_A中繼網(wǎng)絡(luò)中基于時(shí)延敏感交通的資源分配）【IEEE TransactionsonWirelessCommunications,vol.PP,no. 99,pp. 1-1，2015.]-文中討論了 在LTE-A中繼網(wǎng)絡(luò)中的資源分配方式，同時(shí)考慮了QoS需求，但是該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不是協(xié)作認(rèn)知 網(wǎng)絡(luò)。目前，查閱到的資料中，仍然沒(méi)有在協(xié)作認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中保證QoS要求且聯(lián)合最優(yōu)分配無(wú) 線資源的先例。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種協(xié)作認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中能效高的聯(lián)合 資源分配方法，并且保證了系統(tǒng)的QoS需求。此舉不但能夠最大化地利用授權(quán)頻譜從而增 強(qiáng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的表現(xiàn)性能，而且能夠滿足系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量需求。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0008] -種協(xié)作認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中保證QoS要求的聯(lián)合資源分配方法，由以下協(xié)作認(rèn)知無(wú)線電 系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)：該系統(tǒng)包括主要系統(tǒng)和次要系統(tǒng)兩部分，主要系統(tǒng)包括主要用戶發(fā)射端PT、 主要用戶接收端PR;次要系統(tǒng)包括N個(gè)次要用戶，每個(gè)次要用戶含有一個(gè)次要用戶發(fā)射端 和次要用戶接收端，即次要系統(tǒng)包括N對(duì)次要用戶發(fā)射端STn和次要用戶接收端SRn，其中 nGU，表示第n個(gè)次要用戶，集合U= {1，2, 3,. . .，N}，次要系統(tǒng)在主要系統(tǒng)運(yùn)作過(guò)程中作 為其中繼，協(xié)助其傳輸信號(hào)，中繼模式為DF(Decode-and-Forward)，設(shè)有K個(gè)子載波，子載 波集合S= {1，2, 3,. . .，K}，設(shè)yk,。，yn,k,i，yn,k,2和yn,k,3分別為主要用戶發(fā)射2而對(duì)主要用 戶接收端、主要用戶發(fā)射端對(duì)第n個(gè)次要用戶發(fā)射端、第n個(gè)次要用戶發(fā)射端對(duì)主要用戶接 收端和第n個(gè)次要用戶發(fā)射端對(duì)第n個(gè)次要用戶接收端鏈路的信道功率增益，其中keS， 表示第k個(gè)子載波，nGU，主要用戶發(fā)射端向主要用戶接收端發(fā)射信號(hào)的同時(shí)，所有次要用 戶發(fā)射端均可以監(jiān)聽到該信號(hào)，所以在相同的子載波上消耗的功率相同，因此各鏈路對(duì)應(yīng) 的信號(hào)發(fā)射功率分別為PM，PM，Pn+2和P 該方法的具體步驟如下：
[0009] 1)計(jì)算主要系統(tǒng)用戶的有效容量
[0010] 第一傳輸階段，主要用戶發(fā)射端通過(guò)K個(gè)子載波發(fā)射信號(hào)至主要用戶接收端，這 時(shí)所有的次要用戶發(fā)射端均能監(jiān)聽到信號(hào)，每個(gè)次要用戶發(fā)射端接收子載波集合表示為 K,滿足UlA1, =f,其中符號(hào)u表示對(duì)集合〇;成，…，劣求并集，因此，主要用戶發(fā)射端 至各次要用戶發(fā)射端的平均速率可表示為：
[0011]
tl.)
[0012] 其中Bk表示第k個(gè)子載波的帶寬，符號(hào)E□是對(duì)括號(hào)中的部分求數(shù)學(xué)期望，符號(hào) S表示對(duì)其上下標(biāo)所限制的范圍內(nèi)進(jìn)行求和；
[0013] 第二傳輸階段，次要用戶接收端對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行重新編碼并重傳，因此之前分 配的子載波也被打亂重新分配，重新分配后的子載波集合表示為滿足S，其 中D；：=D^ +Q^Df表示第n個(gè)次要用戶發(fā)射端用來(lái)給主要用戶接收端傳送信號(hào)使用的 子載波集合，而表示剩余的用來(lái)給第n個(gè)次要用戶接收端傳送信號(hào)的子載波集合，設(shè)集 合n= ，因此，次要用戶接收端處的平均速率可以表示為：
[0014]
[0015] 因此，在次要系統(tǒng)協(xié)作之下的主要系統(tǒng)的平均速率可以表示為：
[0016] RP=min{R1;R2} (3)
[0017] 其中min{}是對(duì)括號(hào)中部分取最小值；
[0018]引入QoS指數(shù)0，0的大小表示時(shí)延（服務(wù)質(zhì)量的一項(xiàng)指標(biāo)）的大小，主要系統(tǒng) 用戶的有效容量表示如下：
[0019]
(4)
[0020] 其中，Tf是每幀時(shí)長(zhǎng)；
[0021] 2)計(jì)算次要系統(tǒng)用戶的有效容量與次要用戶的平均發(fā)射功率
[0022] 次要系統(tǒng)的平均速率可以表示為：
[0023]
(B)
[0024]因此，次要系統(tǒng)用戶的有效容量表示為：
[0025]
_(.務(wù)).
[0026] 每個(gè)次要用戶的平均發(fā)射功率可以表示為：
[0027]
(7)
[0028] 3)確定優(yōu)化問(wèn)題
[0029] 以所有次要用戶總平均功率為目標(biāo)函數(shù)，主要系統(tǒng)用戶、次要系統(tǒng)用戶的有效容 量限制條件為約束條件，構(gòu)造如下優(yōu)化問(wèn)題：
[0032]其中an,kil，an,k,2，an,k,3表不的是子載波分配，之前在式⑴、⑵、（5)、（6)、（7) 中，用了集合Qf、Q〖表示子載波分配，為了方便，我們定義了符號(hào)an^，an+2,an 人3G[0, 1]，當(dāng)（eQ),時(shí)，ankl= 1，當(dāng)dQ),時(shí)，ankl= 〇 ;當(dāng)女時(shí)，ank2= 1，當(dāng) 時(shí)，an,k,2= 〇 ;當(dāng)teDf時(shí)，an,k,3= 1，當(dāng) 時(shí)，an,k,3= 〇 ; (8)式中的subject to符號(hào)及其后面的式子表示為約束式，subjectto表示為約束符號(hào)，符號(hào)minimize表示求 最小值符號(hào)，（8)式表示在約束式中對(duì)主要系統(tǒng)用戶有效容量、次要系統(tǒng)用戶有效容量進(jìn)行 限制的條件下，求解目標(biāo)函數(shù)即符號(hào)minimize后的部分的最小值，該最小化問(wèn)題在下面的 描述中也稱為原問(wèn)題；
[0033] 4)求解優(yōu)化問(wèn)題
[0034] 經(jīng)驗(yàn)證，上述優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)是凸的，因此上述優(yōu)化問(wèn)題存在唯一的最優(yōu)解， 利用拉格朗日對(duì)偶理論，可以建立起原最小化問(wèn)題即原問(wèn)題與一個(gè)最大化問(wèn)題即對(duì)偶問(wèn)題 之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，我們研究的原問(wèn)題具有強(qiáng)對(duì)偶性，因此可以通過(guò)求解對(duì)偶問(wèn)題而得到原 問(wèn)題的最優(yōu)值，原問(wèn)題的對(duì)偶函數(shù)為：
[0035]
[0036] 其中A: = {A，e，y}是對(duì)偶因子集合，其中符號(hào)：=表示定義，A，e，y分別 表示公式（8)三個(gè)約束式中的三個(gè)限制條件對(duì)應(yīng)的對(duì)偶因子，對(duì)偶函數(shù)對(duì)應(yīng)的對(duì)偶問(wèn)題如 下：
[0037] maximize:D(A) (10)
[0038] subjectto:A多 〇
[0039] 即在對(duì)偶因子集合A多〇的約束條件下，通過(guò)優(yōu)化A求解目標(biāo)函數(shù)即對(duì)偶函數(shù) D(A)的最大值，已知原問(wèn)題具有強(qiáng)對(duì)偶性，所以通過(guò)對(duì)偶問(wèn)題（10)式求得的最優(yōu)值即為 原問(wèn)題的最優(yōu)值，求解對(duì)偶問(wèn)題最關(guān)鍵之處在于求解最優(yōu)的對(duì)偶因子集合A% 勺求解 過(guò)程具體如下：
[0040] A)設(shè)置初始迭代次數(shù)t= 0,設(shè)置系統(tǒng)QoS要求指數(shù)0為定值，對(duì)偶因子集合初 始值A(chǔ)(〇)為非負(fù)實(shí)數(shù)；
[0041] B)當(dāng)?shù)螖?shù)為t時(shí)，用A(t)表示當(dāng)前更新的對(duì)偶因子，基于當(dāng)前對(duì)偶因子集 合A(t)求解對(duì)偶函數(shù)公式（8)，得到對(duì)應(yīng)的最優(yōu)次要用戶發(fā)射功率以及最優(yōu) > 子載波分配 〇^,1，
[0042] C)采用以下3式分別更新3種對(duì)偶因子：
[0046] 其中符號(hào)[]+表示□中的部分取非負(fù)值，s_X(t)、s_e(t)、S_y(t)表示相應(yīng)對(duì) 偶因子對(duì)應(yīng)的迭代步長(zhǎng)，t為迭代次數(shù)；
[0047] D)令A(yù)$=A(t+1)，若A$滿足預(yù)定義的數(shù)據(jù)精度，則輸出最優(yōu)對(duì)偶因子集合 A%否則，令t=t+1，跳轉(zhuǎn)至步驟B)，繼續(xù)迭代，直到滿足預(yù)定義的數(shù)據(jù)精度；
[0048] 5)求得最優(yōu)的次要用戶平均功率和子載波分配
[0049] 將得到的最優(yōu)對(duì)偶因子集合帶入對(duì)偶函數(shù)公式（8)中得到滿足系統(tǒng)QoS要求 且最優(yōu)的次要用戶總平均功率以及子載波分配情況。
[0050] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0051] 本發(fā)明提供了一種協(xié)作認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中保證QoS要求的聯(lián)合資源分配方法，不但將次 要系統(tǒng)的功率分配與子載波分配聯(lián)合起來(lái)優(yōu)化分配，達(dá)到能效高的目的，且同時(shí)滿足了系 統(tǒng)的QoS(服務(wù)質(zhì)量）需求，填補(bǔ)了在協(xié)作認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中資源分配同時(shí)考慮QoS要求的空白。
【附圖說(shuō)明】
[0052]圖1是本發(fā)明協(xié)作認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0053] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不限于此。
[0054] 實(shí)施例：
[0055] 本發(fā)明實(shí)施例如圖1所示，一種協(xié)作認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中保證QoS要求的聯(lián)合資源分配方 法，由以下協(xié)作認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)：該系統(tǒng)包括主要系統(tǒng)和次要系統(tǒng)兩部分，主要系統(tǒng) 包括主要用戶發(fā)射端PT、主要用戶接收端PR;次要系統(tǒng)包括N個(gè)次要用戶，每個(gè)次要用戶含 有一個(gè)次要用戶發(fā)射端和次要用戶接收端，即次要系統(tǒng)包括N對(duì)次要用戶發(fā)射端51；和次 要用戶接收端SRn，其中nGU，表示第n個(gè)次要用戶，集合U= {1，2,3，...，叫，次要系統(tǒng)在 主要系統(tǒng)運(yùn)作過(guò)程中作為其中繼，協(xié)助其傳輸信號(hào)，中繼模式為DF(Decode-and-Forward)， 設(shè)有K個(gè)子載波，子載波集合S= {1，2,3，...，1(}，設(shè)yM，yn,kil，yn,k,2和y^,3分別為主 要用戶發(fā)射端對(duì)主要用戶接收端、主要用戶發(fā)射端對(duì)第n個(gè)次要用戶發(fā)射端、第n個(gè)次要用 戶發(fā)射端對(duì)主要用戶接收端和第n個(gè)次要用戶發(fā)射端對(duì)第n個(gè)次要用戶接收端鏈路的信道 功率增益，其中keS，表示第k個(gè)子載波，neU，主要用戶發(fā)射端向主要用戶接收端發(fā)射 信號(hào)的同時(shí)，所有次要用戶發(fā)射端均可以監(jiān)聽到該信號(hào)，所以在相同的子載波上消耗的功 率相同，因此各鏈路對(duì)應(yīng)的信號(hào)發(fā)射功率分別為PM，PM，Pnx#P Pniki3;該方法的具體步驟 如下：
[0056] 1)計(jì)算主要系統(tǒng)用戶的有效容量
[0057] 第一傳輸階段，主要用戶發(fā)射端通過(guò)K個(gè)子載波發(fā)射信號(hào)至主要用戶接收端，這 時(shí)所有的次要用戶發(fā)射端均能監(jiān)聽