一種認(rèn)知無線電中基于分組博弈交換以及優(yōu)化功率控制的頻譜資源配置方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，尤其是一種認(rèn)知無線電中基于分組博弈交換W 及優(yōu)化功率控制的頻譜資源配置方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 移動設(shè)備日益智能化的同時，移動數(shù)據(jù)流量爆炸式增長，可用頻譜資源的有限性 與日益增長的移動數(shù)據(jù)流量需求之間的矛盾愈發(fā)突出。動態(tài)頻譜接入(DSA)，作為移動網(wǎng)絡(luò) 中傳統(tǒng)的固定頻譜分配方法的有效補(bǔ)充，通過智能化地重復(fù)利用未授權(quán)系統(tǒng)（Primary System-PS)或是授權(quán)用戶（PrimaiT User-PU)未能夠被充分利用的授權(quán)頻譜資源，使得非 授權(quán)用戶（Seconda巧User-SU)能夠適時地接入PU的授權(quán)頻譜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而使得頻 譜利用率得到有效的提升。由于DSA技術(shù)靈活變通，可W作為傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，應(yīng)用場景廣 泛，具有相當(dāng)光明的場景。然而，在DSA實(shí)現(xiàn)頻譜共享的同時，PU服務(wù)于SUs的過程中必然相 應(yīng)地產(chǎn)生干擾，其中包括：1)PU與SUs之間的同信道干擾2)不同的SUs之間的相互干擾。為了 使得PU與SU積極地參與到頻譜共享的交易中，在保證PUW及SU提出的QoS需求的同時，通過 干擾管理W及有效的資源分配方案最大化PUW服務(wù)SU為代價得到的凈收益的高效優(yōu)化方 法是有意義的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服現(xiàn)有動態(tài)頻譜接入方式的無法保證頻譜共享能夠優(yōu)化DSA網(wǎng)絡(luò)中的頻譜 資源配置的不足，本發(fā)明考慮包括PUs與SUs之間W及不同SUs之間的兩部分干擾，提出了一 種在PUsW及SUs的QoS得到保障的同時，通過最大化PU的凈收益W實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的功率控制 方法，所提出的功率控制方法具有兩層結(jié)構(gòu)，在降低了計算復(fù)雜度的同時提高了該方法的 有效性W及高效性。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0005] -種認(rèn)知無線電中基于分組博弈交換W及優(yōu)化功率控制的頻譜資源配置方法，其 特征在于:所述配置方法包括W下步驟：
[0006] (1)在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，通過授權(quán)用戶PUs和非授權(quán)用戶SUs的發(fā)送功率控制，在 考慮包括PUs與SUs之間W及不同SUs之間的兩部分干擾的同時，保證PUs的服務(wù)質(zhì)量QoS的 情況下最大化PUs的凈收益的優(yōu)化問題描述為如下所示的非凸性優(yōu)化問題：

[OOK]其中，控制變量為{社e{〇，l}}，如站制'W及細(xì)訂巧補(bǔ)就，二{l，2,…，巧表示所有 授權(quán)用戶PUs的集合，S = {1，2<…，巧表示的是所有非授權(quán)用戶SUs的集合；
[0014] 在問題Pl中，各個參數(shù)定義如下：
[0015] 護(hù):PU k共享自有頻譜時的邊際功率損耗所對應(yīng)的價格系數(shù)；
[0016] 破PU k服務(wù)SU S時收取的邊際流量價格；
[0017] 游;SU S接入PU k時獲得吞吐量，表示為'
Vs Ft? W表示帶寬；
[001引 辦;PU k的吞吐量，表示為
[0019] 雌刪PU k的吞吐量要求；
[0020] 的";：SU S的吞吐量要求；
[002。 PoSpu k的發(fā)送功率；
[002^ P0k'min:pU k的最小發(fā)送功率消拖
[0023] qsS SU S在接入PU k時的發(fā)送功率；
[0024] n:背景噪聲功率；
[0025] 島為：接入PU k的洲S其洲S-Tx發(fā)送端與BS之間的信道功率增益，洲S-Tx表示SUs 的發(fā)送端；
[00%]巧心，PU k-Tx與BS之間的信道功率增益，PU k-Tx表示PU k的發(fā)送端；
[0027] 施:接入PU k的洲S其發(fā)送端洲S-Tx與接收端洲S-Rx之間的信道功率增益， S化-Rx表示SUs的接收端；
[002引 9^.:;PU k-Tx與接入PU k的接收端SU s-fcc之間的信道功率增益；
[0029] 5?;接入PU k的洲S中的發(fā)送端洲S-Tx j與接收端洲S-Rx S之間的信道功率 益；
[0030] 4: SU S與PU k之間連接狀態(tài)的標(biāo)志變量，;嫂=1則表示洲S與PU k相互連接； 詩=0測表示SU S與PU k斷開；
[0031] 皆"邸";PU的發(fā)送功率上限；
[003^ Qrx; SU的最大發(fā)送功率上限；
[0033] 辦:輔助變量，具體形式表示為，W表示帶寬；
[0034] Qk:接入PU k的SUs的集合；
[0035] (2)問題Pl的分層;根據(jù)問題Pl的特性將問題其分解成為兩個子層：問題(P1-底 層)與問題(P1-頂層）；問題(P1-底層)解決的是底層的功率分配問題，在PU k接入的SUs集 合給定的條件下優(yōu)化各個用戶的功率分配；問題(P1-頂層)在問題(P1-底層)的解給出的條 件下進(jìn)一步對接入用戶的選擇進(jìn)行優(yōu)化；
[0036] 問題(P1-底層）：
[0044] 受約束于：Sfc就 < 1, VS E S
[0045] 分層問題中的集合定義：
[0046] Qk:接入PUs的SUs的集合，即撕=衫色沒帖二1,5巨命},Wc巨化；
[0047] Q K+1:未被選擇接入口11 1^的用戶=括 e = 0,￥k e %};
[004引其中，需要保證每個SU僅選擇一個PU進(jìn)行接入，即=&化;化相Vfc *
[0049] 用詔W及構(gòu)戰(zhàn)k表示問題(P1-底層）的最優(yōu)解，即對于PU k及其接入SUs而言 最優(yōu)化的功率分配方案，用〇1<^表示問題。1-頂層）的最優(yōu)解，即對于?1] 1^而言最優(yōu)化的用 戶接入選擇集合；
[0050] (3)采用接入用戶選擇及功率分配聯(lián)合控制方法對問題(P1-頂層)進(jìn)行接入用戶 集的優(yōu)化，即求取最優(yōu)集合Q 過程如下：
[0051 ]步驟3.1:接入用戶選擇及功率分配聯(lián)合控制方法的初始化設(shè)置;設(shè)置未被選擇接 入PU k的非授權(quán)用戶集〇%+1 = S，設(shè)置接入PU k的非授權(quán)用戶集= 0，設(shè)置問題(P1-頂 層)的最優(yōu)解Vk=0，即PU k能夠獲得的最大收益；
[0化2] 步驟3.2:定義融合規(guī)則與分離規(guī)則;將#用于定義分組數(shù)，即{化,，和，...，〇(,}臣^， 其中1 <《< K + 1;融合規(guī)則：如果蜀-=1 C(A) < C(uj=i %)，則令枠1,化，…,馬}為 {uj=] dj};分離規(guī)則:如果怎(u!=i巧）< 蜀=1巧巧)，'則令扣)=1巧}為掛1，馬,...，〇^;
[0化3]步驟3.3:判斷當(dāng)前狀態(tài)下兩種規(guī)則的可執(zhí)行性;通過當(dāng)前巧巧）的值與當(dāng)前最優(yōu) 值Vk相對比，當(dāng)融合規(guī)則與分離規(guī)則均不能夠使得PU k的收益更大時，跳轉(zhuǎn)至步驟3.7，否 則順序執(zhí)行步驟3.4;
[0化4] 步驟3.4:BS隨機(jī)選擇一個PU k，:k G光，PU k隨機(jī)選擇融合或分離，融合則執(zhí)行步 驟3.5，分離則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟3.6;
[005引步驟3.5:融合規(guī)則的執(zhí)行；當(dāng)％+1羊0時，BS隨機(jī)選擇一個洲ZE Q K+1，將SU Z從 Q K + 1中剔除并加入集合Q K，即化|01二化'二n/(U{z}，求解當(dāng)自U PU k的收値 每如果e;r(riK) >Vk，則將其設(shè)定為當(dāng)前最大收益，& =旬搏K):，當(dāng)前最優(yōu)用戶最優(yōu) 集二Hk,發(fā)送信號讓BS知曉PU k接入SU Z，％+1 =恥+1，返回步驟3.3;
[0化6] 步驟3.6:分離規(guī)則的執(zhí)行；當(dāng)也單0肘，PU隨機(jī)選擇一個洲Z e Q K，將洲Z從Q K 中剔除并加入集合Q K+1，即如=求解當(dāng)自UPU k的收値Ck(D.,();如果Cfc(Qy)〉&，. 則將其設(shè)定為當(dāng)前最大收益：K =成(；馬〇,當(dāng)前最優(yōu)用戶最優(yōu)集Ok = Hk,發(fā)送信號讓BS 接入SU Z，=巧K + ]. U樹，返回步驟3.3;
[0057]步驟3.7:結(jié)束，輸出問題(P1-頂層）的最優(yōu)解；問題Pl的最大函數(shù)值即為忘口C吟， 最優(yōu)化的用戶接入集選擇即為Q K。
[005引2、如權(quán)利要求1所述的一種認(rèn)知無線電中基于分組博弈交換W及優(yōu)化功率控制的 頻譜資源配置方法，其特征在于:所述步驟3.5，3.6中，PU k的收益的求解需要用到 問題(P1-底層)的最優(yōu)解說'W及求解步驟如下：
[0059] 步驟4.1:根據(jù)條件從靴9/么煤n"X|Vs巨^,且錯< P^m渡，對問題(P1-底層)進(jìn) 行可行性判斷；
[0060] 步驟4.2:根據(jù)問題特性，通過可行的充分條件：
[00W] max{:說心n,夢(} <姑含加〇{戶..站'max)得到問題進(jìn)一步縮小PU k的發(fā)送功率的 可行域說；
[00創(chuàng)步驟4.3:進(jìn)行初始化設(shè)置:將PU k的發(fā)送功率械初始化max扣嚴(yán)"，公乎對于PU k 而言進(jìn)行頻譜共享的收益Fk氣刀始化為0,并且將捜索步長A設(shè)置為一個非常小的值；
[0063] 步驟4.4:如果PU k的發(fā)送功率說> min伊k,…由于在該區(qū)域不存在更優(yōu)的 解，則算法終止，跳轉(zhuǎn)至步驟4.8，否則，繼續(xù)進(jìn)行步驟4.5;
[0064] 步驟4.5:給定PU k的傳輸功率茲的情況下通過單調(diào)性優(yōu)化的方法求解當(dāng)前接入 的SU S的最優(yōu)化的傳輸功率巧，相應(yīng)求PU k當(dāng)前最大收益F(說），對應(yīng)每(Gk);
[0065] 步驟4.6:判斷F(說）-pk(說-是否大于當(dāng)前捜索到的PU k的最大收益 Fk*,若成立，則設(shè)置PU k當(dāng)前最優(yōu)傳輸功率說二棘，即將其作為當(dāng)前最優(yōu)的PU的發(fā)送功率， 否則將SUs當(dāng)前的最優(yōu)化傳輸功率記作約Uk;
[0066] 步驟4.7 :更新PU k的最大收益Fk*為F(始）-|3'((說-P嚴(yán)n)，更新始=茲+入， 返回步驟4.4;
[0067] 步驟4.8:輸出實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化配置時PU k的發(fā)送功率說'二巧，SUs的發(fā)送功率 齡二祕W及PU k通過服務(wù)SUs所獲得的最大凈收益護(hù)，結(jié)束。
[0068] 3、如權(quán)利要求2所述的一種認(rèn)知無線電中基于分組博弈交換W及優(yōu)化功率控制的 頻譜資源配置方法，其特征在于：所述步驟4.1所使用條件(C3):弓/ <腳'",Vse如，且 統(tǒng)空皆m抵，求解過程如下；
[0069] 將公式
中的Pl用約訂36?.代換，從而將該不等 式重新表示成如下的一組線性約束：
[0071 ] , Vs, j e %,且S 辛 j
[0072]用Mk表示一個Sk X Sk矩陣，Sk表示Q沖SUs的總數(shù)，Mk中的項表示如下：
[0074] 此外，還需定義skx 1維的向量uk，uk中的每一項表示為
[0076]令向量滬表示洲S能夠滿足上述線性約束條件的傳輸功率的集合;記條件（Cl): ^^谷心-巧雌施