一種基于頻譜潛在效益的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)頻譜分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于頻譜潛在效益的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)頻 譜分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于次用戶之間干擾或共享可能的存在，頻譜分配的先后次序直接影響著頻譜分 配的最終結(jié)果。傳統(tǒng)頻譜分配算法，基于貪心準(zhǔn)則，會(huì)優(yōu)先選擇效益值最大的節(jié)點(diǎn)分配頻 段，由于當(dāng)前次用戶與其他次用戶存在同頻干擾。因此在未來(lái)的分配過(guò)程，該頻譜就不能分 配給其他次用戶。在當(dāng)前分配過(guò)程中，只考慮了當(dāng)前分配操作帶來(lái)的系統(tǒng)效益，而忽略了當(dāng) 前分配操作對(duì)未來(lái)分配過(guò)程中潛在的系統(tǒng)效益損失。
[0003] 本發(fā)明基于次用戶之間干擾影響情況考慮，參考當(dāng)前頻譜分配階段對(duì)未來(lái)分配結(jié) 果的頻譜效益的潛在損失，提出了一種基于頻譜潛在效益的頻譜分配方法。算法通過(guò)權(quán)衡 分配過(guò)程中增加的系統(tǒng)效益和損失的潛在系統(tǒng)效益，盡可能使當(dāng)前分配帶來(lái)的系統(tǒng)效益增 加，同時(shí)減少因分配操作帶來(lái)的潛在系統(tǒng)效益損失，提高頻譜利用率。
[0004] 傳統(tǒng)基于圖著色模型頻譜分配算法中普遍存在系統(tǒng)效益不高的問(wèn)題。本發(fā)明 提出一種基于頻譜潛在效益的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)頻譜分配算法（Spectrum Allocation Algorithm based on the Spectrum of Potential Benefit，PBSA)。相比傳統(tǒng)顏色敏感著 色（Color Sensitive Graph Coloring，CSGC)算法，本發(fā)明可以有效減少頻譜分配過(guò)程中 可能帶來(lái)的潛在系統(tǒng)效益損失，獲得更好的系統(tǒng)效益，提高頻譜利用率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于頻譜潛在效益的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)頻譜分配方法， 解決了傳統(tǒng)基于圖著色模型頻譜分配算法中普遍存在系統(tǒng)效益不高的問(wèn)題。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是按照以下步驟進(jìn)行：
[0007] 步驟1 :收集頻譜可用信息和網(wǎng)絡(luò)干擾信息及初始化；
[0008] 步驟2 :根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中可用頻譜情況以及次用戶之間的干擾情況可得到網(wǎng)絡(luò)干擾拓 撲圖；對(duì)于某一可用頻譜的分配過(guò)程而言，可將網(wǎng)絡(luò)干擾拓?fù)鋱D中其他頻譜的可用信息和 次用戶干擾情況剔除，只保留該頻譜下的次用戶干擾關(guān)系，就得到相應(yīng)該頻譜下的干擾拓 撲子圖；
[0009] 步驟3 :計(jì)算次用戶分配優(yōu)先級(jí)標(biāo)簽，根據(jù)初始化信息計(jì)算頻譜的潛在系統(tǒng)效益 值和相應(yīng)各次用戶的〈效益，損失〉值，并據(jù)此計(jì)算相應(yīng)子分配過(guò)程中各次用戶分配優(yōu)先級(jí) 標(biāo)簽值；
[0010] 設(shè)計(jì)頻譜分配時(shí)的分配優(yōu)先級(jí)標(biāo)簽如下：
[0012] 其中，Iablen表示次用戶η在可用頻譜m分配時(shí)的分配優(yōu)先級(jí)標(biāo)簽值，α、β為權(quán) 重調(diào)節(jié)因子，且α，β e [0, 1]，α+β = 1，當(dāng)α = 〇,算法退化為僅考慮當(dāng)前系統(tǒng)收益的 情況，當(dāng)β =〇時(shí)，算法僅考慮可能損失的潛在系統(tǒng)收益，PBn與損失的潛在系統(tǒng)效益的差 值，表示將頻譜m分配給次用戶η時(shí)該頻譜下剩余的潛在系統(tǒng)效益；
[0013] 步驟4 :分配頻譜；在相應(yīng)子分配過(guò)程中，根據(jù)各次用戶的優(yōu)先級(jí)標(biāo)簽值，選擇標(biāo) 簽值最大的次用戶，分配當(dāng)前可用頻譜；
[0014] 步驟5 :更新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；刪除干擾拓?fù)渥訄D中與當(dāng)前分配頻譜的次用戶存在同頻 干擾關(guān)系的次用戶節(jié)點(diǎn)，并在〈收益，損失〉集合中，刪除這個(gè)沖突的次用戶及剛分配頻譜 的次用戶；
[0015] 步驟6 :當(dāng)〈收益，損失〉集合為空時(shí)，當(dāng)前子分配過(guò)程結(jié)束，否則轉(zhuǎn)入步驟3。
[0016] 步驟7 :當(dāng)子分配過(guò)程結(jié)束則算法結(jié)束，否則轉(zhuǎn)入步驟3。
[0017] 本發(fā)明的有益效果是有效減少頻譜分配過(guò)程中可能帶來(lái)的潛在系統(tǒng)效益損失，獲 得更好的系統(tǒng)效益，提高頻譜利用率。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1是本發(fā)明基于頻譜潛在效益的分配算法流程示意圖；
[0019] 圖2是頻譜可用情況和次用戶干擾情況示意圖；
[0020] 圖3是認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淝闆r下抽象得到的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)干擾拓?fù)鋱D；
[0021] 圖4是劃分子圖不例；
[0022] 圖5是CRN中次用戶數(shù)為5時(shí)，比較在不同標(biāo)簽權(quán)重因子下系統(tǒng)效益和隨著可用 頻譜數(shù)量變化的趨勢(shì)；
[0023] 圖6是網(wǎng)絡(luò)中次用戶數(shù)N = 5時(shí)，系統(tǒng)效益和隨著可用頻譜數(shù)量變化的趨勢(shì)圖；
[0024] 圖7是網(wǎng)絡(luò)中可用頻譜數(shù)M = 10時(shí)，系統(tǒng)效益和隨著次用戶數(shù)量變化的趨勢(shì)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0026] 根據(jù)不同頻譜下的次用戶對(duì)于頻譜的可使用情況和次用戶之間的干擾情況，將原 干擾拓?fù)鋱D劃分成不同頻譜下的子圖。根據(jù)相應(yīng)的分配優(yōu)先級(jí)標(biāo)簽，計(jì)算各個(gè)頻譜的潛在 系統(tǒng)效益值和不同頻譜下次用戶的〈收益，損失〉集合。分配以迭代循環(huán)的方式進(jìn)行，在一 次分配循環(huán)階段，計(jì)算各次用戶的分配優(yōu)先級(jí)標(biāo)簽。選擇優(yōu)先級(jí)標(biāo)簽值最大的次用戶分配 頻譜，并刪除〈收益，損失〉集合中已分配的次用戶。同時(shí)，更新分配圖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，刪除與該 次用戶有沖突次用戶與當(dāng)前分配頻譜的連線，并將其從〈收益，損失〉集合中刪除。當(dāng)〈收 益，損失〉集合為空時(shí)，表示當(dāng)前頻譜已全部分配完成，在分配圖中將該頻譜刪除。更新拓 撲結(jié)構(gòu)后，進(jìn)入下一次分配循環(huán)，當(dāng)所有可用頻譜下的〈收益，損失〉集合都為空（即分配 圖為空時(shí)），算法結(jié)束。
[0027] 本發(fā)明算法如圖1所示，算法執(zhí)行分配流程如下：
[0028] 步驟1收集頻譜可用信息和網(wǎng)絡(luò)干擾信息及初始化。
[0029] 由于認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性，頻段的可用情況、主用戶存在和次用戶加入或 退出都是時(shí)刻變化的。認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)通過(guò)頻譜感知，實(shí)時(shí)得到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜涂捎妙l譜的信 息，并動(dòng)態(tài)執(zhí)行相應(yīng)頻譜分配算法。
[0030] 該步驟中，根據(jù)基站收集到次用戶的感知結(jié)果，及次用戶之間的干擾情況等生成 可用頻譜矩陣L，次用戶干擾矩陣C，效益矩陣B。將頻譜分配結(jié)果矩陣A置0及其它算法初 始化操作。
[0031] 使用可用頻譜矩陣L、次用戶干擾矩陣C、效益矩陣B和無(wú)干擾頻譜分配矩陣A來(lái) 描述頻譜分配問(wèn)題。
[0032] (1)可用頻譜矩陣L
[0033] L= U IniniG {〇，1}}ΝΧΜ，其中，{1 彡 n 彡 N，1 彡 m 彡 M}，N 為次用戶數(shù)，M 為 總頻段數(shù)。可用頻譜矩陣L是一個(gè)NXM矩陣，表示各個(gè)頻段對(duì)于次用戶的可用性。本章中 其可用性由次用戶與占用該頻段的主用戶距離和該主用戶干擾覆蓋范圍決定。I nini= 1時(shí) 表示頻段m對(duì)于次用戶η可用，反之，Inim= 0表示不可用。
[0034] (2)次用戶干擾矩陣C
[0035] C= {cn,k|cn,kG {〇，1}}ΝΧΝ，其中，{1彡η彡N，1彡k彡Ν}，次用戶干擾矩陣C是 一個(gè)NX N矩陣，表示在使用相同頻段時(shí)次用戶之間的干擾關(guān)系。本文中次用戶之間的干 擾由它們之間的距離和干擾覆蓋范圍決定。Cnik= 1時(shí)表示次用戶η與次用戶k存在干擾 關(guān)系，不能分配相同的頻段。反之，cn，k=0表示無(wú)干擾關(guān)系，可以使用同一頻段。當(dāng)n = k 時(shí)，記 cn,k= 0。
[0036] (3)效益矩陣B
[0037] B = Ibnini |bn,，0} NXM，效益矩陣B是一個(gè)NXM矩陣，\"的值表示將頻段m分配 給次用戶η使用所帶來(lái)的效益權(quán)重。由于不同次用戶采用的發(fā)射功率、信號(hào)調(diào)制技術(shù)的不 同，不同次用戶使用同一頻譜獲得的傳輸效益也不相同。效益值可以是頻譜利用率或用戶 數(shù)據(jù)傳輸率等。當(dāng)頻段m對(duì)于次用戶η不可用時(shí)，的值記為0。
[0038] (4)無(wú)干擾的頻譜分配矩陣A
[0039] A = {an,m|an,mG {〇, 1}} ΝΧΜ，無(wú)干擾的頻譜分配矩陣A是一個(gè)NXM矩陣，表示頻譜 分配的結(jié)果，1時(shí)表示將頻段m分配給次用戶η。
[0040] 頻譜分配的最終目標(biāo)是滿足相應(yīng)干擾約束的前提下最大化系統(tǒng)效益：