專利名稱：一種認(rèn)知無線電系統(tǒng)中基于效用函數(shù)的分布式功率控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種認(rèn)知無線電(Cognitive Radio)系統(tǒng)中基于效用函數(shù)的分布式功率控制方法，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及應(yīng)用在認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的功率控制。

背景技術(shù)：
隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，目前無線應(yīng)用不斷拓展，頻譜資源的缺乏已成為無線應(yīng)用研究過程中不得不面臨的問題。當(dāng)前的頻譜管理策略是基于靜態(tài)控制的模型。管理機(jī)構(gòu)將可用頻譜資源劃分成固定、非重疊的頻譜塊，并通過保護(hù)頻帶進(jìn)行分割，將這些頻譜塊以獨占(exclusive)的方式分配給不同的服務(wù)和技術(shù)，例如移動通信運營商、廣播電視、軍事和公共安全部門。但大量的測量數(shù)據(jù)表明，當(dāng)前的頻譜管理策略導(dǎo)致了很低的頻譜利用率。
為了解決上述頻譜利用率低下的問題，近年來，一種稱為認(rèn)知無線電(Cognitive Radio，CR)的新的頻譜使用模式正逐漸受到人們的關(guān)注。認(rèn)知無線電的基本思想是在不對擁有頻譜的主用戶(Primary User，PU)產(chǎn)生有害干擾的前提下，認(rèn)知無線電用戶(Cognitive RadioUser，CRU)通過擇機(jī)(opportunistic)的方式接入主用戶的空閑頻段，以提高頻譜利用效率。認(rèn)知無線電是一個智能無線通信系統(tǒng)。它能夠感知外界環(huán)境，并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)，通過實時改變某些操作參數(shù)(比如傳輸功率、載波頻率和調(diào)制技術(shù)等)，使其適應(yīng)接收到的無線信號的統(tǒng)計性變化，從而實現(xiàn)任何時間任何地點的高度可靠通信以及對頻譜資源的有效利用 功率控制是認(rèn)知無線電研究中的一個核心問題，它不僅需要實現(xiàn)對主用戶的保護(hù)，也需要提供對認(rèn)知用戶的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)保證。然而，這兩個目的在很大程度上是相互矛盾的。因此，從這個角度出發(fā)，我們認(rèn)為一個適用于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的良好的功率控制方案首先應(yīng)是一個性能良好并能滿足以上兩個條件的折中方案。其次，考慮到實際應(yīng)用方面的問題，功率控制方案應(yīng)當(dāng)能夠滿足現(xiàn)有業(yè)務(wù)的需要并且具有易于實現(xiàn)性。
通過對現(xiàn)有功率控制方案的研究，我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有功率控制方案可以粗略地分為兩大類一是適用于集中式場景下的功率控制策略，二是適用于分布式場景下的功率控制策略。認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，頻譜資源的利用是在不對PUs產(chǎn)生有害干擾前提下進(jìn)行的，分布式功率控制憑借其靈活的控制性和對主用戶有害干擾的更易避免性，受到了較多研究者的青睞。一些研究者參考傳統(tǒng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)中功率控制的方法，從集中式策略入手，再將集中式策略轉(zhuǎn)換成分布式策略，但大多數(shù)的功率控制策略是以博弈論為基礎(chǔ)出發(fā)考慮。雖然這些方案的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)一樣，但也存在著不同的地方。它們或是以滿足信干噪比為目的，或是以提高傳輸速率為目的，或是以保護(hù)PUs為目的。然而，在現(xiàn)有的方案中，我們沒有發(fā)現(xiàn)任何一個能滿足上述矛盾要求、適用于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的良好的功率控制方案。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種更加靈活和實用的分布式功率控制方案。此方案將結(jié)合接入控制策略。首先，本方案是一種既滿足了對PUs保護(hù)又支持了CRUs的QoS的折中的方案。其次，它能滿足現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的需要。此外，此方案基于非合作式的博弈論，即，它只需要各個CRU自行調(diào)節(jié)其發(fā)射功率，因此避免了傳統(tǒng)分布式功率控制需要大量信息交互的弊端。在本發(fā)明的最后(具體實施方案)，我們給出了實現(xiàn)此方案的相應(yīng)的協(xié)議流程。本發(fā)明考慮的是大區(qū)域的分布式認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的功率控制方案，系統(tǒng)模型如圖1所示。
認(rèn)知無線電功率控制的兩個最基本的要求是實現(xiàn)對PUs的保護(hù)(保證CRUs對PUs的干擾不會超過PUs能承受的干擾范圍)和提供對CRUs的QoS支持。一般來講，QoS的好壞與信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)的滿足與否有較大的關(guān)系。因此，本發(fā)明將非授權(quán)用戶i接收端獲得的信干噪比γi能達(dá)到QoS要求的SINR，γd，作為目的之一 公式(1)是表示無線通信系統(tǒng)中SINR要求的通用模型。一些研究為了滿足這樣一個“hard”SINR，提出了下面的功率更新方法 當(dāng)存在一個合適的功率分配使得任意接入用戶i的SINR滿足γi≥γd時，式(2)能保證功率收斂。但若上述條件不成立，公式(2)的方法會導(dǎo)致功率不收斂。
此外，本發(fā)明假設(shè)在進(jìn)行功率控制之前，我們已經(jīng)得到了PUs能承受的最小干擾，PT，則對PUs的保護(hù)可以表示為 本方案的增益函數(shù)G(i)表示CRUi的SINR要求，利用代價函數(shù)C(i)表示對PUs的保護(hù)。這樣，每個想接入本系統(tǒng)的CRU都擁有了一個效用函數(shù)U(i)＝G(i)-C(i)。各個允許接入本網(wǎng)絡(luò)的CRUs以不相互合作的方式，自行調(diào)整各自的發(fā)射功率以最大化U(i)。
直接由公式(1)的SINR要求，增益函數(shù)表示如下 上式要求γi≥γd以使函數(shù)有意義。其中，λi是一個可調(diào)參數(shù)。
基于對PUs的保護(hù)，代價函數(shù)C(i)由兩部分組成一是PUs受到的干擾程度大小，二是對CRUs的功率消耗的控制。與背景技術(shù)中提到的研究不同，我們用下式表示對PUs的干擾 這是一個歸一化了的關(guān)于功率的函數(shù)，并且相對于背景技術(shù)中提到的研究，上式更易于進(jìn)行對PUs的保護(hù)(只需確保0＜inf(i)＜1即可)。則代價函數(shù)可表示為 令則整個式(6)可以看成是對CRUi功率消耗的測量，其中Wi控制著這種消耗的大小。令當(dāng)比率Ri增加時，Wi減小。這說明了只要對PUs的保護(hù)是確定了的，我們會適當(dāng)增加CRUs的發(fā)射功率來滿足它們的SINR要求。我們希望以這種方式能找到一種既滿足了對PUs保護(hù)又支持了CRUs的QoS的折中的方案。注意到pi是γi的函數(shù)，令結(jié)合公式(4)和公式(6)，本方案的效用函數(shù)如下 則功率控制問題就可被詳細(xì)描述為尋找到一組功率向量P＝[p1，p2…pN]，使得對于所有合適的CRUs有下面的問題成立 值得注意的是，公式(8)考慮的問題使得本發(fā)明的功率控制比背景技術(shù)中所提研究的功率控制復(fù)雜許多。此外，它“soften”了用戶的SINR要求，而本發(fā)明考慮的仍是“hard SINR”。令pi*是對CRUi而言的局部最優(yōu)值，則 其中， 令則最優(yōu)解為 相應(yīng)的功率分配為 因此，CRUi根據(jù)以下原則更新其在第k+1步的發(fā)射功率pi*(k+1) 可以清楚地看到上式與式(2)具有相同的形式，因此，功率不收斂的問題同樣會出現(xiàn)在我們所提出的功控系統(tǒng)中。因此，本發(fā)明結(jié)合接入控制來拒絕不受歡迎的CRUs以解決收斂問題。
現(xiàn)在的問題是以什么樣的標(biāo)準(zhǔn)判斷一個CRUi是否是受歡迎的或是允許接入的，換句話說，如何找到一個合適的γi*以滿足式(8)中的所有條件。圖2畫出了以γi為變量的G(i)和C(i)的曲線。通過調(diào)整參數(shù)βi，我們得到了三條不同的C(i)的曲線，即curve 2，curve 3，and curve4，它們分別和G(i)相離，相切和相交。當(dāng)時，如果G(i)和C(i)相切，則令相應(yīng)的 [性質(zhì)1]對任一想接入本系統(tǒng)的CRUi而言，若其則認(rèn)為此認(rèn)知用戶是受歡迎的。
證明如圖2所示，當(dāng)G(i)和C(i)相切時，存在一個γi滿足式(8)的前三個條件。
令并使G(i)和C(i)相切是式(8)成立的極端情況，即，在這種情況下，式(8)中的所有等號都成立，則我們得到 從下式 我們得到 因此當(dāng)G(i)和C(i)相切時，若就存在一個合適的γi。由圖2可知，當(dāng)時，G(i)和C(i)相交(因為C′(i)＞G′(i)，所以C(i)的增長速度比G(i)快)。因此，pi·gi一定會比remainderi小。這樣，式(8)的后三個條件都滿足了。由于在閉區(qū)間上肯定會存在一個最優(yōu)的γi使第一個條件最大化。因此，在區(qū)間[γil，γit]上存在一個合適的γi(γil表示左交點對應(yīng)的SINR)。
但是當(dāng)時，curve 4與G(i)相離，則U(i)肯定為負(fù)，因此在這種情況下不存在一個合適的γi。
[性質(zhì)2]當(dāng)時，令有 證明為使成立，有兩個條件必須滿足 當(dāng)時，我們得到駐點βis 當(dāng)時，我們得到 將式(19)帶入式(20)，得到 由于因此上式中的不等號成立。結(jié)合式(14)，就能得到式(17)。
反向的證明與上面是類似的，在這里就忽略了。
令pi，phmax表示發(fā)射機(jī)允許的物理最大發(fā)射功率，其相應(yīng)的SINR為γi，phmax，則γi的最大值γimax為 有了以上兩個性質(zhì)作為理論基礎(chǔ)，下面我們給出本發(fā)明中的算法的步驟——基于效用函數(shù)的分布式功率控制(Utility based Power Controljointing withAdmission Control，UPCAC) 步驟1 更新Intfi(k)，gi(k)，和hii(k)，計算αi(k)，βi(k)和βit(k)。如果至步驟2；否則，至步驟4； 步驟2 令與γimax(k)相應(yīng)的功率為pimax(k+1)，與γd對應(yīng)的功率為pimin(k+1)。若至步驟3；否則，至步驟4； 步驟3 在閉區(qū)間[pimin(k+1)，pimax(k+1)]上找到最優(yōu)點pi*(k+1)以最大化U(i)，至步驟5； 步驟4 pi*(k+1)＝0，U(i)(k+1)＝0； 步驟5令k←k+1，至步驟1。
若一個想接入本網(wǎng)絡(luò)的CRU的最終的功率非零，則認(rèn)為此CRU是受歡迎的并且允許接入本網(wǎng)絡(luò)。由于在UPCAC中，我們保證了0＜inf(i)＜1，因此我們確保了對主用戶的保護(hù)。這是本發(fā)明與背景技術(shù)中所提研究的另一個不同之處。
UPCAC的收斂性分析 一些研究者提出了一個稱作標(biāo)準(zhǔn)功率控制的架構(gòu)(a standard power control framework)。在此架構(gòu)下的任意一種功率控制都能達(dá)到包括收斂性在內(nèi)的許多優(yōu)良的性質(zhì)。一個功率控制P(k+1)＝Γ(P(k))如果滿足下面三個條件，則被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的 ●非負(fù)性Γ(P)＞0； ●單調(diào)性若P′＞P，Γ(P′)＞Γ(P)； ●可伸縮性對任意η＞1，ηΓ(P)＞Γ(ηP)； 此外，研究者還證明了在標(biāo)準(zhǔn)功率控制的架構(gòu)下，如果存在一個穩(wěn)定點，此點肯定是唯一的。并且無論初始功率向量如何，它們最終都會收斂到此穩(wěn)定點。式(2)就是標(biāo)準(zhǔn)功率控制的一個典型例子。
[性質(zhì)3]UPCAC是標(biāo)準(zhǔn)功率控制。
證明由式(11)和式(13)，可得到 令

由于因此f-1(x)是一個關(guān)于x的減函數(shù)。當(dāng)P′＞P時，有Intf′＞Intf，于是所以即f-1(x)是一個關(guān)于功率的增函數(shù)。因而Γ(P′)＞Γ(P)，單調(diào)性得證。
對任意的η＞1，當(dāng)P變成ηP時，根據(jù)單調(diào)性有 因此，可伸縮性可得證 綜上，UPCAC是一個標(biāo)準(zhǔn)功率控制，因此，UPCAC下的功率是收斂的。
滿足不同業(yè)務(wù)要求的能力 一個具有實際意義的功率控制方案應(yīng)當(dāng)能夠滿足網(wǎng)絡(luò)中不同業(yè)務(wù)的要求，下面討論UPCAC在這方面的適應(yīng)性。現(xiàn)今大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)中典型的服務(wù)可以分為語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，它們分別是實時業(yè)務(wù)和非實時業(yè)務(wù)。
使用語音業(yè)務(wù)的用戶期望有較低的延遲，但是他能容忍一些錯誤，因此，語音用戶要求的是較低的SINR，并且不希望被輕易的拒絕接入。UPCAC通過調(diào)節(jié)參數(shù)γd就能夠滿足這些要求。當(dāng)γd減小時，αi也隨之減小，因此βit增加，而βi減小。這樣的話，語音用戶便能較容易的接入網(wǎng)絡(luò)并達(dá)到其SINR。
使用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的用戶的容錯性很低，但它能容忍一些延遲，因此，他要求的是較高的SINR，并且相比語音業(yè)務(wù)，他對于拒絕接入網(wǎng)絡(luò)具有較強的容忍性。在UPCAC中，當(dāng)γd增大時，αi也隨之增大，因此βit減小，而βi增加。這便造成用戶較難于接入網(wǎng)絡(luò)，但一旦接入，它便能獲得較高的SINR。
這樣看上去，似乎相對于數(shù)據(jù)用戶，語音用戶在UPCAC中獲得了接入網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)先權(quán)。但這正是由他們不同的需求導(dǎo)致的結(jié)果。因此，UPCAC能夠很好地滿足不同業(yè)務(wù)要求。
本發(fā)明提出的基于效用函數(shù)的分布式認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的功率控制方案與原有的基于博弈論的功率控制方案相比有以下幾個優(yōu)點 ●以博弈論為數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，通過對增益函數(shù)和代價函數(shù)幾何性能的分析，合理地設(shè)置了效用函數(shù)的參數(shù)，使得所提算法既能實現(xiàn)對主用的保護(hù)，又能滿足認(rèn)知用戶的QoS要求。
●通過對參數(shù)取值的設(shè)計，功率控制算法與接入控制巧妙地結(jié)合在一起，從而解決了在分布式功率控制中的功率收斂問題。此外，仿真結(jié)果顯示，算法能帶來較為理想的接入率。
●本發(fā)明所提算法能夠靈活地適應(yīng)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)多業(yè)務(wù)的要求。以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語音業(yè)務(wù)為例，UPCAC能夠較好地達(dá)到業(yè)務(wù)要求。
●仿真結(jié)果(圖9)顯示本發(fā)明所提算法能夠達(dá)到較高的頻譜利用率，這也正是所有認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)期望的一個目標(biāo)。
●除了分布式的功率控制算法外，本發(fā)明還設(shè)計了與算法想適應(yīng)的分布式功率控制協(xié)議，增強了算法的實用性。若把公共控制信道看成是分布式認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中用戶之間傳遞信息數(shù)據(jù)的一種方式，則無論是在多信道分配的網(wǎng)絡(luò)中還是在單信道網(wǎng)絡(luò)中，此協(xié)議都能靈活地運用其中。詳細(xì)的分布式功率控制協(xié)議將在具體實施方案中闡述。



圖1是本方案考慮的大區(qū)域的分布式認(rèn)知無線電系統(tǒng)模型。
圖2是曲線G(i)和C(i)的示意圖。
圖3是POWER_ALLOC幀的幀結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是認(rèn)知用戶功率的收斂性能驗證示意圖。
圖5是在10對CRUs的仿真場景下用戶CRU_1，CRU_2和CRU_5功率的變化情況。
圖6是不同業(yè)務(wù)要求下的認(rèn)知用戶接入率的比較。
圖7是在5對CRUs的仿真場景下CRUs的SINR變化圖。
圖8是語音業(yè)務(wù)下的不同場景的接入率比較圖。
圖9是語音業(yè)務(wù)下的不同場景的頻譜效率比較圖。
參數(shù)設(shè)置如下 我們考慮一個200m×200m的區(qū)域。此區(qū)域內(nèi)的所有元素都均勻分布。我們分別在三種場景下對UPCAC的性能進(jìn)行了分析比較。這三種場景分別為5對CRUs收發(fā)機(jī)，10對CRUs收發(fā)機(jī)和20對CRUs收發(fā)機(jī)。由于UPCAC考慮的是大區(qū)域環(huán)境下，因此，本仿真中的干擾限制考慮得較低，PT＝-30dBm。此外，假設(shè)功率步長為2mW，發(fā)射機(jī)的物理最大功率為20mW，設(shè)置λi的范圍為150～300，信道帶寬為6MHz。對于語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的參數(shù)設(shè)置為語音業(yè)務(wù)的SINR為7dB，速率為32kb/s；數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的SINR為15dB，速率為144kb/s。
圖4驗證了UPCAC的收斂性和各個CRU的最終功率?？梢钥闯?，當(dāng)仿真場景為5對CRUs時，所有CRUs都能接入網(wǎng)絡(luò)，它們的功率在4次迭代后收斂并且最終的功率都小于他們發(fā)射機(jī)的物理最大發(fā)射功率20mW。但是，由于認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)是資源受限的，隨著CRUs數(shù)目的增長，一些CRUs可能不能接入網(wǎng)絡(luò)，功率也可能不收斂。圖5給出了10對CRUs場景下的仿真圖，圖中給出了發(fā)射機(jī)CRU_1，CRU_2和CRU_5功率的變化情況?？梢钥吹?，CRU_1和CRU_5的功率一直沒有收斂直到CRU_1的功率變成0。這說明，CRU_1和CRU_5是相互影響的，UPCAC從其中選擇了一個合適的用戶保證了它的收斂。
圖6、圖7分析了UPCAC在單個場景下的性能。以5對CRUs的場景為例分析單個場景下的性能。圖6給出了在不同QoS要求(語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù))下的接入率。從圖中可以看出，語音用戶的接入率高于數(shù)據(jù)用戶的接入率，這是因為語音用戶要求的是要低的SINR；此外，語音用戶的功率收斂時間比數(shù)據(jù)用戶短，這是因為語音用戶要求低時延。圖7給出了在只承載語音業(yè)務(wù)的情況下，各個CRU的SINR變化情況?？梢?，當(dāng)用戶的功率收斂時，它們的SINR也收斂了，并且最終的SINR都高于目標(biāo)SINR。
圖8、圖9分析了不同場景下UPCAC的性能，著重分析CRUs的數(shù)目對接入率和頻譜效率的影響。為了確保可比性，我們使所有CRUs都只承載語音業(yè)務(wù)。圖8比較了不同場景下的接入率。從圖中可以看出，CRUs的數(shù)目越少，能達(dá)到的接入率就越高，所需要的收斂時間也越短。此結(jié)果在資源受限的環(huán)境下是合理的。圖9地提高研究了在不同場景下的頻譜效率。此圖的結(jié)果與圖8的結(jié)果看似矛盾。但是，它們并不沖突，反而說明UPCAC能夠成功地根據(jù)用戶的QoS要求提高頻譜效率，特別是在接入率比較低的情況下。這也正是認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)所追求的目標(biāo)之一。

具體實施例方式 本發(fā)明假設(shè)在確定各個認(rèn)知用戶在各個信道上的功率之前，小區(qū)中的公共控制信道已經(jīng)建立，并且信道分配也已經(jīng)完成。
為了保證UPCAC的收斂性，一次只能有一個CRU進(jìn)行策略選擇。我們采用一些研究中的方法來確定每次由哪個CRU來進(jìn)行策略選擇——每個CRU能夠成功進(jìn)行策略選擇的概率為PS＝1/N。
本發(fā)明引入一個新的幀(POWER_ALLOC)來宣布進(jìn)行策略選擇的CRU的功率改變。此幀中包含了對上一個使用同一個信道的CRU發(fā)出的POWER_ALLOC幀的確認(rèn)。圖3給出了一個可能的POWER_ALLOC的結(jié)構(gòu)。
協(xié)議步驟 步驟1將所有CRUs可使用的信道上的初始發(fā)射功率置零； 步驟2進(jìn)行伯努利試驗，概率為PS。若結(jié)果為0，監(jiān)聽公共控制信道，break；若結(jié)果為1，轉(zhuǎn)至步驟3； 步驟3 根據(jù)Intfi和remainderi計算最佳功率。POWER_ALLOC的最后一個包設(shè)置包域“done”為1，表示此CRU的功率宣布已經(jīng)結(jié)束，其它CRUs可以繼續(xù)發(fā)送它們的幀。包域“power_change”此用戶這一次策略選擇后的功率值與上次相比是否改變，并且記載了改變后的具體的數(shù)值； 步驟4每個收到了POWER_ALLOC幀的CRU用戶都更新他們可使用的信道上的Intfi和remainderi； 步驟5 如果所有用戶的信息都表明大家在自己可使用的信道上的功率值在一段時間內(nèi)都沒有再改變，則UPCAC完成，數(shù)據(jù)包的傳輸開始。
權(quán)利要求
1、一種認(rèn)知無線電(Cognitive Radio)系統(tǒng)中基于效用函數(shù)的分布式功率控制方法，其特征在于
認(rèn)知無線電功率控制的兩個最基本的要求是實現(xiàn)對PUs的保護(hù)(保證CRUs對PUs的干擾不會超過PUs能承受的干擾范圍)和提供對CRUs的QoS支持。一般來講，QoS的好壞與SINR的滿足與否有較大的關(guān)系。本方案的增益函數(shù)G(i)表示CRUi的SINR要求——CRUi接收端獲得的信干噪比(SINR)γi要達(dá)到QoS要求的信干噪比γd
此外，利用代價函數(shù)C(i)表示對PUs的保護(hù)——本發(fā)明假設(shè)在進(jìn)行功率控制之前，我們已經(jīng)得到了PUs能承受的最小干擾，PT，則對PUs的保護(hù)可以表示為
這樣，每個想接入本系統(tǒng)的CRU都擁有了一個效用函數(shù)U(i)＝G(i)-C(i)。
直接由公式(1)的SINR要求，增益函數(shù)表示如下
上式要求γi≥γd以使函數(shù)有意義。其中，λi是一個可調(diào)參數(shù)。
代價函數(shù)可表示為
pi可以表示為γi的函數(shù)，結(jié)合公式(3)和公式(4)，本發(fā)明的效用函數(shù)如下
則功率控制問題就可被詳細(xì)描述為尋找到一組功率向量P＝[p1，p2…pN]，使得對于所有合適的CRUs有下面的問題成立
令pi*是對CRUi而言的局部最優(yōu)值，則
其中，
令則最優(yōu)解為
相應(yīng)的功率分配為
因此，CRUi根據(jù)以下原則更新其在第k+1步的發(fā)射功率pi*(k+1)
然而，一些研究結(jié)果表明公式(11)的形式表明，當(dāng)存在一個合適的功率分配使得任意接入用戶i的SINR滿足γi≥γd時，式(11)能保證功率收斂。但若上述條件不成立，公式(11)的方法會導(dǎo)致功率不收斂。因此，本發(fā)明結(jié)合接入控制來拒絕不受歡迎的CRUs以解決收斂問題。
現(xiàn)在的問題是以什么樣的標(biāo)準(zhǔn)判斷一個CRUi是否是受歡迎的或是允許接入的，換句話說，如何找到一個合適的γi*以滿足式(6)中的所有條件。通過調(diào)整參數(shù)βi，會有三種不同的C(i)的曲線，它們分別和G(i)相離，相切和相交。當(dāng)時，如果G(i)和C(i)相切，則令相應(yīng)的
[性質(zhì)1]對任一想接入本系統(tǒng)的CRUi而言，若其則認(rèn)為此認(rèn)知用戶是受歡迎的。
[性質(zhì)2]當(dāng)時，令有
令pi，phmax表示發(fā)射機(jī)允許的物理最大發(fā)射功率，其相應(yīng)的SINR為γi，phmax，則γi的最大值γimax為
有了以上兩個性質(zhì)作為理論基礎(chǔ)，下面我們給出本發(fā)明中的算法的步驟——基于效用函數(shù)的分布式功率控制(UPCAC，Utility based Power Control jointing with Admission Control)
步驟1更新Intfi(k)，gi(k)，
和hii(k)，計算αi(k)，βi(k)和βit(k)。如果至步驟2；否則，至步驟4；
步驟2令與γimax(k)相應(yīng)的功率為pimax(k+1)，與γd對應(yīng)的功率為pimin(k+1)。若至步驟3；否則，至步驟4；
步驟3在閉區(qū)間[pimin(k+1)，pimax(k+1)]上找到最優(yōu)點pi*(k+1)以最大化U(i)，至步驟5；
步驟4pi*(k+1)＝0，U(i)(k+1)＝0；
步驟5令k←k+1，至步驟1。
若一個想接入本網(wǎng)絡(luò)的CRU的最終的功率非零，則認(rèn)為此CRU是受歡迎的并且允許接入本網(wǎng)絡(luò)。由于在UPCAC中，我們保證了0＜inf(i)＜1，因此我們確保了對主用戶的保護(hù)。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認(rèn)知無線電系統(tǒng)中基于效用函數(shù)的分布式功率控制方法，其特征是，對于性質(zhì)1和性質(zhì)2都可以通過數(shù)學(xué)證明得到，證明如下
性質(zhì)1的證明
證明顯然，當(dāng)G(i)和C(i)相切時，存在一個γi滿足式(6)的前三個條件。
令并使G(i)和C(i)相切是式(6)成立的極端情況，即，
在這種情況下，式(6)中的所有等號都成立，則我們得到
從下式
我們得到
因此當(dāng)G(i)和C(i)相切時，若就存在一個合適的γi。當(dāng)時，G(i)和C(i)相交(因為C′(i)＞G′(i)，所以C(i)的增長速度比G(i)快)。因此，pi·gi一定會比remainderi小。這樣，式(6)的后三個條件都滿足了。由于在閉區(qū)間上肯定會存在一個最優(yōu)的γi使第一個條件最大化。因此，在區(qū)間[γil，γit]上存在一個合適的γi(γil表示左交點對應(yīng)的SINR)。
但是當(dāng)時，C(i)與G(i)相離，則U(i)肯定為負(fù)，因此在這種情況下不存在一個合適的γi。
性質(zhì)2的證明
證明為使成立，有兩個條件必須滿足
當(dāng)時，我們得到駐點βis
當(dāng)時，我們得到
將式(18)帶入式(19)，得到
由于因此上式中的不等號成立。結(jié)合式(14)，就能得到式(12)。
反向的證明與上面是類似的，在這里就忽略了。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認(rèn)知無線電系統(tǒng)中基于效用函數(shù)的分布式功率控制方法，其特征是，基于對PUs的保護(hù)，代價函數(shù)C(i)由兩部分組成一是PUs受到的干擾程度大小，二是對CRUs的功率消耗的控制。下式表示對PUs的干擾
這是一個歸一化了的關(guān)于功率的函數(shù)，并且相對于已有研究，上式更易于進(jìn)行對PUs的保護(hù)(只需確保0＜inf(i)＜1即可)。則代價函數(shù)可表示為
令則整個式(22)可以看成是對CRUi功率消耗的測量，其中Wi控制著這種消耗的大小。令當(dāng)比率Ri增加時，Wi減小。這說明了只要對PUs的保護(hù)是確定了的，我們會適當(dāng)增加CRUs的發(fā)射功率來滿足它們的SINR要求。我們希望以這種方式能找到一種既滿足了對PUs保護(hù)又支持了CRUs的QoS的折中的方案。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認(rèn)知無線電系統(tǒng)中基于效用函數(shù)的分布式功率控制方法，其特征是，根據(jù)性質(zhì)1和性質(zhì)2，巧妙地設(shè)置了效用函數(shù)的參數(shù)，將功率控制算法與接入控制巧妙地結(jié)合在一起，從而解決了在分布式功率控制中的功率收斂問題。同時，也保證了對主用戶的保護(hù)，滿足了CRUs的QoS要求。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認(rèn)知無線電系統(tǒng)中基于效用函數(shù)的分布式功率控制方法，其特征是，通過調(diào)整參數(shù)，能夠靈活地適應(yīng)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)多業(yè)務(wù)的要求。以現(xiàn)今大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)中典型的服務(wù)——語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(它們分別是實時業(yè)務(wù)和非實時業(yè)務(wù))為例。
使用語音業(yè)務(wù)的用戶期望有較低的延遲，但是他能容忍一些錯誤，因此，語音用戶要求的是較低的SINR，并且不希望被輕易的拒絕接入。本發(fā)明通過調(diào)節(jié)參數(shù)γd就能夠滿足這些要求。當(dāng)γd減小時，ai也隨之減小，因此βit增加，而βi減小。這樣的話，語音用戶便能較容易的接入網(wǎng)絡(luò)并達(dá)到其SINR。
使用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的用戶的容錯性很低，但它能容忍一些延遲，因此，他要求的是較高的SINR，并且相比語音業(yè)務(wù)，他對于拒絕接入網(wǎng)絡(luò)具有較強的容忍性。在本發(fā)明中，當(dāng)γd增大時，ai也隨之增大，因此βit減小，而βi增加。這便造成用戶較難于接入網(wǎng)絡(luò)，但一旦接入，它便能獲得較高的SINR。
這樣看上去，似乎相對于數(shù)據(jù)用戶，語音用戶在UPCAC中獲得了接入網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)先權(quán)。但這正是由他們不同的需求導(dǎo)致的結(jié)果。因此，本發(fā)明能夠很好地滿足不同業(yè)務(wù)要求。
6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認(rèn)知無線電系統(tǒng)中基于效用函數(shù)的分布式功率控制方法，其特征是，能夠通過數(shù)學(xué)方法證明到本發(fā)明所提的功率控制方案能夠使功率收斂。證明如下
一些研究者提出了一個稱作標(biāo)準(zhǔn)功率控制的架構(gòu)(a standard power control framework)。在此架構(gòu)下的任意一種功率控制都能達(dá)到包括收斂性在內(nèi)的許多優(yōu)良的性質(zhì)。一個功率控制P(k+1)＝Г(P(k))如果滿足下面三個條件，則被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的
●非負(fù)性Г(P)＞0；
●單調(diào)性若P′＞P，Г(P′)＞Г(P)；
●可伸縮性對任意η＞1，ηГ(P)＞Г(ηP)；
此外，研究者還證明了在標(biāo)準(zhǔn)功率控制的架構(gòu)下，如果存在一個穩(wěn)定點，此點肯定是唯一的。并且無論初始功率向量如何，它們最終都會收斂到此穩(wěn)定點。
下面證明本發(fā)明所提功率控制方案是標(biāo)準(zhǔn)功率控制。
證明由式(9)和式(11)，可得到
令
由于因此f-1(x)是一個關(guān)于x的減函數(shù)。
當(dāng)P′＞P時，有Intf′＞Intf，于是x|P′＜x|P，所以f-1(x)|P′＞f-1(x)|P，即f-1(x)是一個關(guān)于功率的增函數(shù)。因而Г(P′)＞Г(P)，單調(diào)性得證。
對任意的η＞1，當(dāng)P變成ηP時，根據(jù)單調(diào)性有
因此，可伸縮性可得證
綜上，UPCAC是一個標(biāo)準(zhǔn)功率控制，因此，UPCAC下的功率是收斂的。
7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認(rèn)知無線電系統(tǒng)中基于效用函數(shù)的分布式功率控制方法，其特征是，本發(fā)明還設(shè)計了與算法想適應(yīng)的幀格式分布式功率控制協(xié)議，增強了算法的實用性。
本發(fā)明假設(shè)在確定各個認(rèn)知用戶在各個信道上的功率之前，小區(qū)中的公共控制信道已經(jīng)建立，并且信道分配也已經(jīng)完成。
為了保證功率的收斂性，一次只能有一個CRU進(jìn)行策略選擇。我們采用一些研究中所提的方法來確定每次由哪個CRU來進(jìn)行策略選擇——每個CRU能夠成功進(jìn)行策略選擇的概率為PS＝1/N。
本發(fā)明引入一個新的幀(POWER_ALLOC)來宣布進(jìn)行策略選擇的CRU的功率改變。此幀中包含了對上一個使用同一個信道的CRU發(fā)出的POWER_ALLOC幀的確認(rèn)。POWER_ALLOC幀包括了字段“CRU_ID”和“Power Information”。“Power Information”包含了該CRU在各個可使用信道上的功率情況，具體地包括了“Power_change”，“ACK to the lastframe which uses the same channel”和“Done”。
協(xié)議步驟
步驟1將所有CRUs可使用的信道上的初始發(fā)射功率置零；
步驟2進(jìn)行伯努利試驗，概率為PS。若結(jié)果為0，監(jiān)聽公共控制信道，break；若結(jié)果為1，轉(zhuǎn)至步驟3；
步驟3根據(jù)Intfi和remainderi計算最佳功率。POWER_ALLOC的最后一個包設(shè)置包域“done”為1，表示此CRU的功率宣布已經(jīng)結(jié)束，其它CRUs可以繼續(xù)發(fā)送它們的幀。包域“power_change”此用戶這一次策略選擇后的功率值與上次相比是否改變，并且記載了改變后的具體的數(shù)值；
步驟4每個收到了POWER_ALLOC幀的CRU用戶都更新他們可使用的信道上的intfi和remainderi；
步驟5如果所有用戶的信息都表明大家在自己可使用的信道上的功率值在一段時間內(nèi)都沒有再改變，則功率控制完成，數(shù)據(jù)包的傳輸開始。
全文摘要
一種認(rèn)知無線電(Cognitive Radio)系統(tǒng)中基于效用函數(shù)的分布式功率控制方法，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及應(yīng)用在認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的功率控制。本發(fā)明是一種既滿足了對主用戶的保護(hù)又支持了認(rèn)知用戶的服務(wù)質(zhì)量要求的折中方案。此方案基于非合作式的博弈論，即，它只需要各個CRU自行調(diào)節(jié)其發(fā)射功率，因此避免了傳統(tǒng)分布式功率控制需要大量信息交互的弊端。通過分析效用函數(shù)的幾何特性，巧妙地設(shè)置了效用函數(shù)的參數(shù)，同時結(jié)合接入控制，保證了功率的收斂。同時，通過調(diào)整參數(shù)，能夠適應(yīng)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的需要。此外，我們設(shè)計了與功率控制方法相適應(yīng)的幀結(jié)構(gòu)和協(xié)議流程，它們可以適用于任意分布式認(rèn)知無線電系統(tǒng)下，因而具有較強的實用性。
文檔編號H04B7/005GK101626260SQ20081004549
公開日2010年1月13日 申請日期2008年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月8日
發(fā)明者車越嶺, 劼 陳, 軍 王, 唐萬斌 申請人:電子科技大學(xué)