本發(fā)明涉及一種認知無線電網(wǎng)絡(luò)中多信道功率帶寬聯(lián)合分配方法，屬于認知無線電技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著無線通信領(lǐng)域不斷的演進，公眾對無線通信的要求也是日益增高，建設(shè)智慧城市、智能地球更是將對于網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的需求推到了極致。但是，通信行業(yè)一直被頻譜資源有限和頻譜需求增長之間的不匹配所困擾。然而，頻譜的使用卻存在不均勻占用的問題。比如一些非授權(quán)頻段——工業(yè)、科學和醫(yī)用等頻段內(nèi)擁擠現(xiàn)象尤為明顯；相反，例如在電視模擬轉(zhuǎn)數(shù)字之后所空閑出來uhf頻段，其中一些授權(quán)頻譜在多達85％的時間內(nèi)未被有效使用?？梢婌o態(tài)分配頻率資源的政策和動態(tài)無線接入的需求之間的矛盾是無線通信亟待解決的主要問題。

為了在頻譜資源稀缺的情況下，克服頻率資源固化分配所帶來的困難，滿足無線通信動態(tài)接入日益增長的需求，需要研究在保證擁有頻譜使用權(quán)的主用戶可正常使用的前提下，未被分配頻譜的次級用戶如何選擇合適的頻譜資源進行通信的認知無線電系統(tǒng)動態(tài)頻譜接入技術(shù)。其中，相較于需先進行頻譜感知的頻譜填充模式，在頻譜襯墊模型中避免了因漏檢事件而產(chǎn)生錯誤感知的后果，防止了次級用戶搶占主用戶信道的可能，并減少了次級用戶因主用戶的使用行為而發(fā)生的信道切換或中斷通信。在次級用戶產(chǎn)生的干擾受控的情況下，頻譜襯墊模式可與主用戶同時使用相同頻譜，通過較寬的頻帶資源進行通信。

申請?zhí)?01210394839.9的專利文件公開了“認知無線電中保證通信連續(xù)性的信道和功率聯(lián)合分配方法”。該方法通過認知基站進行感知信道狀態(tài)信息，根據(jù)次級用戶的請求，在不同階段，通過聯(lián)合分配信道和功率為有需要的次級用戶提供具有連續(xù)性的通信；但是其中涉及優(yōu)化信道和功率分配矩陣問題，若采用數(shù)值算法進行求解，在子信道較多的情況下會帶來較高的復(fù)雜度。

申請?zhí)?01510794460.0的專利文件公開了“一種基于ofdm的認知無線電網(wǎng)絡(luò)中資源分配方法”。該方法適用于認知用戶和子載波數(shù)量較大的情況，其將優(yōu)化問題分解成子載波優(yōu)化問題和功率優(yōu)化問題兩個問題，分別采用啟發(fā)式算法和迭代算法求解；但其中直接假設(shè)主次用戶之間的信道增益已知的確定性變量，未考慮其實際測量該的難易程度以及準確程度。

ieeetransactionsonvehiculartechnology期刊2012年61卷8期中的robustworst-caseinterferencecontrolinunderlaycognitiveradionetworks一文中研究了在頻譜襯墊模式下的魯棒最壞干擾控制問題。文中考慮了干擾信道增益估計誤差，從軟干擾約束角度利用機會約束方法對問題進行轉(zhuǎn)化，并利用類注水法進行求解，實現(xiàn)了在魯棒性和最優(yōu)性的平衡；然而，因缺少從長時的信道統(tǒng)計特性進行考慮，所以即使考慮了估計誤差，仍需要實時對于信道進行估計，增加了能量消耗。

上述已有的認知無線電資源分配技術(shù)分別考慮了連續(xù)通信下的信道分配，多用戶的擴展以及估計誤差下的魯棒性與最優(yōu)性的平衡，雖然在信道狀態(tài)信息是瞬時變量的情況下可實現(xiàn)最大化系統(tǒng)吞吐量，然而在非合作的主次用戶之間得到實時估計的信道容量并不現(xiàn)實。故本發(fā)明致力于解決上述資源分配技術(shù)中對于實時干擾信道增益的依賴，將干擾信道狀態(tài)看作一個不斷變化的隨機過程，同時考慮到了干擾信道中信道增益的分布不易獲得的情況，采用其一、二階矩信息來刻畫對于主用戶干擾的約束條件，相應(yīng)的利用遍歷容量來描述統(tǒng)計意義上的信道容量。相比于傳統(tǒng)的數(shù)值求解優(yōu)化問題的方法，本發(fā)明通過給出計算解析解的方法而具有較低的計算復(fù)雜度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有功率帶寬聯(lián)合分配技術(shù)中存在的依賴干擾信道增益的實時信息和功率帶寬聯(lián)合優(yōu)化復(fù)雜度高的問題，提出了一種認知無線電網(wǎng)絡(luò)中多信道功率帶寬聯(lián)合分配方法。

本發(fā)明所依托的認知無線電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括一個具有授權(quán)頻譜的主用戶以及一對需要傳輸信息的次級用戶；

其中，次級用戶又包括次級用戶發(fā)送端和次級用戶接收端；對于次級用戶發(fā)送端，其包含信道狀態(tài)測量模塊、功率帶寬決策模塊、信息傳輸模塊；本發(fā)明所依托的認知無線電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各組成模塊的連接關(guān)系如下：

信道狀態(tài)測量模塊和功率帶寬決策模塊相連，功率帶寬決策模塊與信息傳輸模塊相連；

本發(fā)明所依托的認知無線電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各組成模塊的功能如下：

信道狀態(tài)測量模塊的功能是通過次級用戶之間的信令交互獲得傳輸信道的信道增益，同時利用通過歷史數(shù)據(jù)估算得到干擾信道的統(tǒng)計信息；功率帶寬決策模塊的功能是通過求解含有功率、帶寬和干擾約束的優(yōu)化問題得到最優(yōu)的資源分配方案以實現(xiàn)最大遍歷容量；信息傳輸模塊的功能是執(zhí)行所得的資源分配方案，向次級用戶接收端發(fā)送傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

次級用戶采用頻譜襯墊模式動態(tài)接入主用戶的頻譜；主用戶的可用頻譜可被劃分為n個子信道，其組成了集合并且每個子信道的帶寬均在一個相干帶寬內(nèi)且為w；發(fā)射方的次級用戶可以通過ofdm中的子載波分配，以一定比例占用每個信道，實現(xiàn)同時在n個信道下傳輸；這里對于信道xn為占用該信道帶寬的比例，xn∈[0，1]；信道的狀態(tài)在相干時間內(nèi)是穩(wěn)定的，且信道之間的增益是獨立同分布的；次級用戶的整個通信過程會包含著多個相干時間，并且次級用戶的通信時長可以涵蓋遍歷過程；

本發(fā)明涉及一種認知無線電網(wǎng)絡(luò)中多信道功率帶寬聯(lián)合分配方法，具體包括以下步驟：

步驟1：次級用戶發(fā)送端設(shè)定發(fā)射功率限制和帶寬約束，具體為：

次級用戶發(fā)送端根據(jù)自身的設(shè)備限制，確定在通信時間內(nèi)的發(fā)射功率約束p^lt；

次級用戶發(fā)送端在信道n上的傳輸功率為pn，總的傳輸功率的上界為p^lt；因此，pn需滿足如下公式(1)的限制條件：

其中，n的變化范圍是從1到n，表示在通信時長內(nèi)的期望，n個信道上總傳輸功率的期望需小于上界p^lt；由于在認知無線電網(wǎng)絡(luò)中可能存在其他對的次級用戶發(fā)送端和次級用戶接收端，故對于一對次級用戶可占用頻譜帶寬比例xn需要滿足如下公式(2)的約束：

其中，n的變化范圍是從1到n，b≤1；

步驟2：次級用戶發(fā)送端在信道狀態(tài)測量模塊中通過與次級用戶接收端的信令交互和對歷史數(shù)據(jù)的估算獲得信道狀態(tài)信息；

其中，信道狀態(tài)信息包括次級用戶發(fā)送端與次級用戶接收端之間傳輸信道增益，記為gn和次級用戶發(fā)送端與主用戶之間干擾信道增益ln的統(tǒng)計信息；獲得信道狀態(tài)信息又包括如下步驟：

步驟2.1在每個相干時間開始處，次級用戶發(fā)送端通過與次級用戶接收端的信令交互獲得傳輸信道n的增益gn；

步驟2.2次級用戶發(fā)送端通過歷史數(shù)據(jù)估算得到與主用戶之間干擾信道增益ln的均值和方差；

其中，均值為干擾信道增益ln的一階矩信息，記為μn，方差為干擾信道增益ln的二階矩信息，記為∑n；

因為主用戶和次級用戶并非合作關(guān)系，缺乏像次級用戶發(fā)送端和次級用戶接收端之間有效的信令交互機制，故實時獲得兩者之間的干擾信道增益ln較為困難，所以，次級用戶發(fā)送端需依賴歷史數(shù)據(jù)估算干擾信道增益的一階矩和二階矩；

步驟3：次級用戶發(fā)送端設(shè)定軟干擾約束，具體為：

在一個相干時間中，認知無線電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)限制了次級用戶發(fā)送端對主用戶的干擾需要滿足如下公式(3)的約束：

其中，為主用戶所能容忍最大干擾功率門限；pr(·)表示括號內(nèi)式子成立的概率，inf表示式子的下界；f(ln)為ln概率密度分布，為滿足均值μn和方差∑n的所有l(wèi)n概率密度分布集合，即ε為干擾中斷概率，取值范圍在(0，1)；滿足公式(3)可使聯(lián)合分配方法具有魯棒性，且符合干擾信道增益ln為隨機變量特點；

通過chebyshev-cantelli不等式可將公式(3)變成如下公式(4)的解析形式：

步驟4：次級用戶發(fā)送端在功率帶寬決策模塊中引入拉格朗日乘子，聯(lián)合分配功率和帶寬實現(xiàn)平均傳輸速率最大化，具體為：

根據(jù)信道狀態(tài)信息，次級用戶發(fā)送端求解一個具有帶寬約束、通信時間內(nèi)功率約束和相干時間內(nèi)干擾約束的最大化在n個信道上遍歷容量的優(yōu)化問題來進行通信，目標函數(shù)及其約束條件如下公式(5)所示：

將公式(5)中的原問題轉(zhuǎn)化為拉格朗日對偶函數(shù)后，具體求解可分為兩層進行，包括如下子步驟：

步驟4.1：在上層問題中，通過隨機子梯度方法更新第t+1個相干時間中的拉格朗日乘子λ，更新過程如下公式(6)所示：

其中，a(t)代表在更新拉格朗日乘子λ(t+1)時的步長，為正數(shù)；(x)+表示max(x，0)；

步驟4.2：在下層問題中，因原問題為凸問題可進行進一步簡化，在固定拉格朗日乘子，求解以下問題如下公式(7)所示：

步驟5：次級用戶發(fā)送端利用解析方法求解問題在固定拉格朗日乘子情況下的最優(yōu)解，包括如下子步驟：

步驟5.1：對于n個信道上的傳輸信道增益gn從大到小進行排序；可表示為

步驟5.2：結(jié)合干擾約束依次判斷信道的功率分配，找到使得成立的最小信道標號j，即為在信道標號j上分配的最優(yōu)發(fā)射功率可表示為公式(8)如下所示：

其中由公式(7)中對目標函數(shù)關(guān)于pn求導，令導數(shù)為0所得；

步驟5.3：計算第t+1個相干時間中最優(yōu)的功率分配；對于其功率分配如公式(9)所示：

對于功率分配如公式(10)所示：

對于功率

步驟5.4：計算第t+1個相干時間中最優(yōu)的帶寬分配；對于其帶寬分配如公式(11)所示：

步驟5.5：計算第t+1個相干時間中在n個信道上最大的總傳輸容量，其表達式如公式(12)所示：

步驟5.6：在第t+1個相干時間中，按照上述求解出的功率和帶寬進行傳輸；

步驟6：判斷是否完成次級用戶發(fā)送端與次級用戶接收端之間的通信；若未完成通信，則返回步驟2，繼續(xù)進行下一個相干時間的信道狀態(tài)信息檢測；若已完成通信，則計算出遍歷容量；

至此，從步驟1到步驟6，完成了一種認知無線電網(wǎng)絡(luò)中多信道功率帶寬聯(lián)合分配方法。

有益效果

一種認知無線電網(wǎng)絡(luò)中多信道功率帶寬聯(lián)合分配方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果：

1.本發(fā)明所述方法不依賴實時獲得的ln信息，考慮了僅已知次級用戶與主用戶之間信道增益的統(tǒng)計信息，更符合實際情況；

2.本發(fā)明所述方法以最大化次級用戶的遍歷傳輸容量為目標，是從這個整個通信過程的角度出發(fā)，結(jié)合信道的統(tǒng)計特性，得到頻率和帶寬的最優(yōu)聯(lián)合分配策略；

3.本發(fā)明所述方法考慮了問題的魯棒性，使得次級用戶在信道可能的最差條件下也保護主用戶的正常使用；

4.本發(fā)明所述方法與傳統(tǒng)通過一步步迭代而獲得全局最優(yōu)解的數(shù)值算法相比，本發(fā)明中涉及的方法可通過解析的形式求解出全局最優(yōu)解，具有較低的復(fù)雜度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種認知無線電網(wǎng)絡(luò)中多信道功率帶寬聯(lián)合分配方法的系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明一種認知無線電網(wǎng)絡(luò)中多信道功率帶寬聯(lián)合分配方法的方法流程圖；

圖3為本發(fā)明一種認知無線電網(wǎng)絡(luò)中多信道功率帶寬聯(lián)合分配方法的與傳統(tǒng)數(shù)值方法的遍歷容量比較圖；

圖4為本發(fā)明一種認知無線電網(wǎng)絡(luò)中多信道功率帶寬聯(lián)合分配方法的與傳統(tǒng)數(shù)值方法的計算復(fù)雜度比較圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明和詳細描述。

實施例1

本實施例進一步詳細敘述了本發(fā)明所述方法的步驟。

圖1是一種認知無線電網(wǎng)絡(luò)中多信道功率帶寬聯(lián)合分配方法的系統(tǒng)示意圖，如圖1所示，考慮認知無線電網(wǎng)絡(luò)中有一個主用戶和一對次級用戶收發(fā)端的情況，次級用戶通過采用頻譜襯墊方式接入主用戶的頻段中。假設(shè)主用戶的授權(quán)頻段可分為n個子信道，每個子信道n的帶寬為w，次級用戶的發(fā)送端在信道n上的傳輸功率為pn，為所占用的帶寬比例xn。同時在信道n上，次級用戶發(fā)送端與次級用戶接收端的傳輸信道增益gn，與主用戶之間干擾信道增益ln。

圖2是本發(fā)明一種認知無線電網(wǎng)絡(luò)中多信道功率帶寬聯(lián)合分配方法的方法流程圖，如圖2所示，包括以下步驟：

1、次級用戶發(fā)送端根據(jù)發(fā)射機設(shè)備的限制，確定在通信時間內(nèi)的平均n個信道總發(fā)射功率約束p^lt。并考慮在認知無線電網(wǎng)絡(luò)中可能存在其他次級用戶使用頻譜的需求，限制一對次級用戶在n個信道上的總占用帶寬的比例不大于b。

2、次級用戶發(fā)送端通過與次級用戶接收端的信令交互獲得傳輸信道n的增益gn，而并依賴有限的歷史數(shù)據(jù)估算得到與主用戶之間干擾信道增益ln的均值μn和方差∑n。在本實施例中，考慮自由空間路徑損耗模型，且路徑損耗指數(shù)設(shè)置為3，陰影衰落假定為對數(shù)正態(tài)分布，標準差為8db，小尺度衰落為瑞利分布。通過隨機生成100次干擾信道增益ln的結(jié)果作為歷史數(shù)據(jù)，計算出每個信道上的干擾信道增益的均值和方差，使得在接下來的步驟中不依賴實時獲得的ln信息。

3、次級用戶需根據(jù)ln的一階矩和二階矩在每一個子信道上滿足對主用戶的干擾小于對應(yīng)的門限在本實施例中，將設(shè)置為10^-15w以限制次級用戶發(fā)送端對于主用戶的干擾。

4、對于一個具有帶寬約束、通信時間內(nèi)功率約束和相干時間內(nèi)干擾約束的最大化遍歷容量的優(yōu)化問題，進行分層考慮：

(1)在上層問題中，通過公式(6)更新t+1個相干時間中的拉格朗日乘子，在本實施例中取λ(0)＝1，

(2)在下層問題中，固定拉格朗日乘子，求解一個簡化的優(yōu)化問題。

5、最優(yōu)的功率帶寬分配策略可通過如下解析方法獲得，其中可包括子步驟：

(1)對于n個信道上的信道增益gn從大到小進行排序?？杀硎緸?imgfile="bda0001279865030000066.gif"wi="448"he="56"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>

(2)找到使得不等式成立的最小信道標號j。即其中為在信道標號j上分配的最優(yōu)發(fā)射功率可表示如公式(8)所示。

(3)計算第t+1個相干時間中最優(yōu)的功率分配。根據(jù)公式(9)和公式(10)可分別對于情況下的最優(yōu)功率進行求解；而在情況下，功率

(4)計算第t+1個相干時間中最優(yōu)的帶寬分配。根據(jù)公式(11)可對最優(yōu)帶寬進行求解。

(5)計算第t+1個相干時間中在n個信道上最大的總傳輸信息速率。可根據(jù)公式(11)進行求解。

6、判斷是否完成次級用戶發(fā)送端與次級用戶接收端之間的通信；若未完成通信，則返回2，繼續(xù)進行下一個相干時間的信道狀態(tài)信息檢測；若已完成通信，則計算出遍歷容量；

圖3是本發(fā)明實施例中取信道個數(shù)n＝10,總占用的帶寬比例上限b取0.5，干擾中斷概率ε為0.1，主用戶所能容忍最大干擾功率門限都取為10^-15w，總傳輸功率上界p^lt分別取0、1、2、4、6、8、10、12和14w時，隨橫坐標的變化，比較了本發(fā)明方法與傳統(tǒng)數(shù)值方法在1000個相干時間內(nèi)的遍歷容量的差異。從圖3中可以看出，本發(fā)明方法與傳統(tǒng)數(shù)值方法相同的遍歷容量，表明了本發(fā)明方法可達到最優(yōu)分配的結(jié)果。

圖4是本發(fā)明實施例中總占用的帶寬比例上限b取0.5，干擾中斷概率ε為0.1，主用戶所能容忍最大干擾功率門限都取為10^-15w，總傳輸功率上界p^lt取10w時，隨橫坐標信道個數(shù)n從4以4為間隔變化到20，比較了本發(fā)明方法與傳統(tǒng)數(shù)值方法在1000個相干時間內(nèi)的計算復(fù)雜度的差異。從圖4中可以看出，本發(fā)明方法相比與傳統(tǒng)數(shù)值方法有較低的復(fù)雜度，隨信道個數(shù)的變化小，而傳統(tǒng)數(shù)值算法受信道個數(shù)影響較為明顯。

為了說明本發(fā)明的內(nèi)容及實施方法，本說明書給出了相關(guān)的具體實施例。在實施例中引入細節(jié)的目的不是限制權(quán)利要求書的范圍，而是幫助理解本發(fā)明所述方法。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解：在不脫離本發(fā)明及其所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，對最佳實施例步驟的各種修改、變化或替換都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于最佳實施例及附圖所公開的內(nèi)容。