一種認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合頻譜切換與功率分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合頻譜切換與功率分配 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展及用戶應(yīng)用需求的不斷增長(zhǎng)，各類通信應(yīng)用對(duì)無(wú)線 頻譜的需求日益增加。傳統(tǒng)的固定頻譜分配方法導(dǎo)致部分頻帶競(jìng)爭(zhēng)激烈，頻譜資源嚴(yán)重匱 乏；同時(shí)，部分頻段大量已分配的頻譜未得到充分使用，導(dǎo)致頻譜利用率低下。為有效提高 頻譜資源利用率，緩解頻譜資源匱乏問(wèn)題，采用動(dòng)態(tài)頻譜接入機(jī)制的認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)近年 來(lái)受到廣泛關(guān)注。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)可廣泛應(yīng)用于各類異構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，形成認(rèn)知異構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)。
[0003] 認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，從用戶在不影響主用戶正常工作的情況下，可接入授權(quán)頻譜 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。若從用戶檢測(cè)到主用戶到達(dá)或當(dāng)前信道服務(wù)質(zhì)量下降時(shí)，需中斷當(dāng)前信道 的傳輸，等待當(dāng)前信道恢復(fù)可用性，或執(zhí)行頻譜切換，接入其他可用信道繼續(xù)傳輸。在存在 多個(gè)從用戶競(jìng)爭(zhēng)主用戶可用頻譜的認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，如何綜合考慮頻譜切換時(shí)延、等待時(shí) 延，頻譜傳輸特性以及用戶業(yè)務(wù)需求等因素設(shè)計(jì)從用戶聯(lián)合頻譜切換及功率分配策略，提 高網(wǎng)絡(luò)頻譜資源利用率及用戶Q〇S具有重要意義。
[0004] 近年來(lái)，已有研究考慮認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)從用戶頻譜選擇機(jī)制。文獻(xiàn) [Yoon,Suk-Un,EylemEkici.Voluntaryspectrumhandoff:anovelapproachto spectrummanagementinCRNs.Communications.IEEEICC2010.]提出認(rèn)知用戶通過(guò)歷 史信息估計(jì)空閑頻譜剩余時(shí)間列表及各頻譜傳輸需求時(shí)長(zhǎng)列表，進(jìn)而確定切換時(shí)刻及切換 目標(biāo)步頁(yè)譜。[Li-ChunWang,Chung-ffeiWang,Chung-JuChang.OptimalTargetChannel SequenceDesignforMultipleSpectrumHandoffsinCognitiveRadioNetwork.IEEE TransactionsonCommunications]將認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)主、從用戶接入頻譜問(wèn)題建模為M/G/l排隊(duì) 模型，考慮從用戶多次切換，基于隊(duì)列長(zhǎng)度及用戶業(yè)務(wù)特性對(duì)切換從用戶排隊(duì)時(shí)延、切換時(shí) 延進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而選擇對(duì)應(yīng)最小累積時(shí)延的切換頻譜序列。
[0005] 另外，也有研究考慮認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)多用戶信道分配與功率分配機(jī)制。如文獻(xiàn) [RenchaoXie,HongJi,PengboSi,YiLi.DynamicChannelandPowerAllocationin CognitiveRadioNetworksSupportingHeterogeneousServices.IEEEGlobecom 2010.]針對(duì)動(dòng)態(tài)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，考慮從用戶異構(gòu)服務(wù)需求，將資源分配問(wèn)題規(guī)劃為混合整 數(shù)規(guī)劃問(wèn)題，提出啟發(fā)式的優(yōu)化算法和次優(yōu)化算法來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信道分配。
[0006] 以上這些研究分別考慮資源分配和頻譜切換，但是實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中授權(quán)信道在一 段時(shí)間內(nèi)，存在主用戶占用的情況，從而造成從用戶性能的下降，無(wú)法實(shí)現(xiàn)真實(shí)應(yīng)用環(huán)境中 從用戶性能優(yōu)化。另外，現(xiàn)有頻譜選擇準(zhǔn)則大多基于最小切換時(shí)延，未綜合頻譜等待時(shí)延以 及頻譜傳輸性能，可能導(dǎo)致用戶切換目標(biāo)頻譜等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)及傳輸性能嚴(yán)重受限，無(wú)法有 效保障用戶QoS。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合頻譜切換與功率分配方 法，該方法針對(duì)認(rèn)知異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)被中斷的多個(gè)從用戶持續(xù)通信問(wèn)題，綜合考慮頻譜切換 時(shí)延，排隊(duì)時(shí)延、頻譜傳輸特性及能效確定各中斷從用戶的目標(biāo)信道及功率，以實(shí)現(xiàn)中斷從 用戶總傳輸時(shí)延最小化及總能效最大化。
[0008] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0009] -種認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合頻譜切換與功率分配方法，認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)主用戶分 別占用不同主頻帶進(jìn)行通信，各主頻帶劃分為多個(gè)子信道，每個(gè)從用戶可占用一個(gè)子信道 進(jìn)行通信；若某主頻帶的主用戶發(fā)起信息傳輸，處于對(duì)應(yīng)子信道的從用戶需切換至其他信 道或在當(dāng)前信道等待；
[0010] 該方法具體包括以下步驟：
[0011]步驟一：中斷從用戶切換變量及功率分配變量，分別以Xnm，PjgK第m個(gè)中斷從 用戶切換至第n個(gè)目標(biāo)信道的切換變量及對(duì)應(yīng)的發(fā)送功率；
[0012] 步驟二：根據(jù)各中斷從用戶切換類型計(jì)算切換至不同信道對(duì)應(yīng)的切換時(shí)延，以7^ 標(biāo)識(shí)第m個(gè)中斷從用戶切換至第n個(gè)目標(biāo)信道對(duì)應(yīng)的切換時(shí)延；
[0013] 步驟三：基于主從用戶業(yè)務(wù)特性，建立各網(wǎng)絡(luò)各信道排隊(duì)模型，計(jì)算各中斷從用戶 在不同信道的等待時(shí)延，以Tlf標(biāo)識(shí)第m個(gè)中斷從用戶切換至第n個(gè)目標(biāo)信道對(duì)應(yīng)的等待時(shí) 延；
[0014] 步驟四：根據(jù)中斷從用戶業(yè)務(wù)負(fù)荷及信道特性計(jì)算切換至不同目標(biāo)信道對(duì)應(yīng)的傳 輸時(shí)間，以7T標(biāo)識(shí)第m個(gè)中斷從用戶切換至第n個(gè)目標(biāo)信道對(duì)應(yīng)的傳輸時(shí)間；
[0015] 步驟五：根據(jù)各中斷從用戶業(yè)務(wù)需求確定切換候選信道；
[0016] 步驟六：根據(jù)各中斷用戶的切換時(shí)延、等待時(shí)延、傳輸時(shí)間計(jì)算其切換至不同目 標(biāo)信道的總傳輸時(shí)延，第m個(gè)中斷從用戶切換至第n個(gè)目標(biāo)信道對(duì)應(yīng)的總傳輸時(shí)延為： 1 mn_1 mn ' 1mn Lmn9
[00i7] 步驟七：根據(jù)各子信道特性及中斷從用戶的傳輸特性計(jì)算從用戶的能效，以nmn R 標(biāo)識(shí)第m個(gè)中斷從用戶切換至第n個(gè)目標(biāo)信道對(duì)應(yīng)的能效，^f，其中，Rmn為第m個(gè) mn 中斷從用戶切換至第n個(gè)目標(biāo)信道對(duì)應(yīng)的傳輸速率；
[0018] 步驟八：調(diào)用公式
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合頻譜切換與功率分配方法，其特征在于：認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中多 個(gè)主用戶分別占用不同主頻帶進(jìn)行通信，各主頻帶劃分為多個(gè)子信道，每個(gè)從用戶可占用 一個(gè)子信道進(jìn)行通信；若某主頻帶的主用戶發(fā)起信息傳輸，處于對(duì)應(yīng)子信道的從用戶需切 換至其他信道或在當(dāng)前信道等待； 具體包括以下步驟： 步驟一：中斷從用戶切換變量及功率分配變量，分別以xmn，Pjg識(shí)第m個(gè)中斷從用戶 切換至第η個(gè)目標(biāo)信道的切換變量及對(duì)應(yīng)的發(fā)送功率； 步驟二：根據(jù)各中斷從用戶切換類型計(jì)算切換至不同信道對(duì)應(yīng)的切換時(shí)延，以標(biāo) 識(shí)第m個(gè)中斷從用戶切換至第η個(gè)目標(biāo)信道對(duì)應(yīng)的切換時(shí)延； 步驟三：基于主從用戶業(yè)務(wù)特性，建立各網(wǎng)絡(luò)各信道排隊(duì)模型，計(jì)算各中斷從用戶在不 同信道的等待時(shí)延，以標(biāo)識(shí)第m個(gè)中斷從用戶切換至第η個(gè)目標(biāo)信道對(duì)應(yīng)的等待時(shí)延； 步驟四：根據(jù)中斷從用戶業(yè)務(wù)負(fù)荷及信道特性計(jì)算切換至不同目標(biāo)信道對(duì)應(yīng)的傳輸時(shí) 間，以TT標(biāo)識(shí)第m個(gè)中斷從用戶切換至第η個(gè)目標(biāo)信道對(duì)應(yīng)的傳輸時(shí)間； 步驟五：根據(jù)各中斷從用戶業(yè)務(wù)需求確定切換候選信道； 步驟六：根據(jù)各中斷用戶的切換時(shí)延、等待時(shí)延、傳輸時(shí)間計(jì)算其切換至不同目標(biāo) 信道的總傳輸時(shí)延，第m個(gè)中斷從用戶切換至第η個(gè)目標(biāo)信道對(duì)應(yīng)的總傳輸時(shí)延為：
步驟七：根據(jù)各子信道特性及中斷從用戶的傳輸特性計(jì)算從用戶的能效，以^_標(biāo)識(shí) 第m個(gè)中斷從用戶切換至第η個(gè)目標(biāo)信道對(duì)應(yīng)的能效
其中，Rmn為第m個(gè)中斷 從用戶切換至第η個(gè)目標(biāo)信道對(duì)應(yīng)的傳輸速率； 步驟八：調(diào)用公式
十算各中斷用戶對(duì)應(yīng)各候選信道 總傳輸時(shí)延T及總能效η，基于中斷從用戶總傳輸時(shí)延最小化及總能效最大化優(yōu)化確定各 中斷用戶切換信道及傳輸功率分配策略。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合頻譜切換與功率分配方法，其特征在 于：在步驟一中，定義中斷從用戶切換變量xmne {0，l}，m= 1，2，...，Μ，η= 1，2，...，仏其 中，M為中斷用戶數(shù)，N為系統(tǒng)中所有子信道數(shù)目，Xmn= 1表示第m個(gè)中斷從用戶切換至第 η個(gè)子信道，定義Pnm為第m個(gè)中斷從用戶在第η個(gè)信道的傳輸功率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合頻譜切換與功率分配方法，其特征在 于：在步驟二中，中斷從用戶可選擇駐留當(dāng)前信道或執(zhí)行頻譜切換；若執(zhí)行頻譜切換，根據(jù) 切換前后網(wǎng)絡(luò)類型，切換類型分為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)切換及網(wǎng)絡(luò)間切換。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合頻譜切換與功率分配方法，其特征在 于：在步驟三中，基于Μ/G/l排隊(duì)模型對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各信道進(jìn)行建模，各信道的排隊(duì)模型包括高 優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)兩個(gè)隊(duì)列，主、從用戶到達(dá)時(shí)分別進(jìn)入高、低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列排隊(duì)；僅當(dāng)高優(yōu) 先級(jí)隊(duì)列中的用戶均結(jié)束通信，低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的用戶才可使用頻譜資源進(jìn)行通信，同等優(yōu) 先級(jí)隊(duì)列內(nèi)遵循先到先服務(wù)原則；被中斷從用戶的優(yōu)先級(jí)較普通從用戶高，因此，當(dāng)被中斷 從用戶切換至目標(biāo)信道時(shí)，將位于目標(biāo)信道低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中其他切換從用戶之后、普通從 用戶之前。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合頻譜切換與功率分配方法，其特征在 于：在步驟四中，調(diào)用公另
計(jì)算第m個(gè)中斷從用戶在信道η上的傳 輸速率，其中，Bn表示第η個(gè)信道的帶寬，h _表示第m個(gè)中斷從用戶在第η個(gè)信道的傳輸增 益，σ 2表示信道噪聲功率；調(diào)用公式
計(jì)算第m個(gè)中斷從用戶在信道η上的傳輸時(shí) 間，其中，Lm表示第m個(gè)中斷從用戶數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合頻譜切換與功率分配方法，其特征 在于：在步驟五中，各中斷從用戶依據(jù)業(yè)務(wù)需求確定切換候選信道具體為從用戶選擇駐留 當(dāng)前信道或切換至其他信道應(yīng)滿足中斷時(shí)間低于用戶最大可接受時(shí)延，且傳輸速率高于用 戶最低速率需求;定義第m個(gè)中斷從用戶在信道η上的中斷時(shí)間=IT + 若滿足
，則可將信道η作為第m個(gè)中斷用戶的切換候選信道，其中，: 為第m個(gè)中斷從用戶可接受的最大中斷時(shí)間，ΑΓ"為第m個(gè)中斷從用戶可接受的最小傳輸 速率。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合頻譜切換與功率分配方法，其特征在 于：在步驟六中，調(diào)用公式
4十算第m個(gè)從用戶在第η個(gè)信道的總傳輸 時(shí)延。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合頻譜切換與功率分配方法，其特征在 于：在步驟七中，調(diào)用公式
計(jì)算第m個(gè)從用戶在第η個(gè)信道上傳輸?shù)哪苄А?br>9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合頻譜切換與功率分配方法，其特征在 于：在步驟八中，基于中斷從用戶總傳輸時(shí)延最小化及總能效最大化準(zhǔn)則進(jìn)行切換目標(biāo)信 道及傳輸功率聯(lián)合優(yōu)化分配，具體步驟包括： 1) 調(diào)用公另
計(jì)算各中斷用戶對(duì)應(yīng)各候選信道總傳輸 時(shí)延Τ，總能效η ; 2) 基于中斷從用戶總傳輸時(shí)延最小化準(zhǔn)則確定局域頻譜切換及功率分配聯(lián)合優(yōu)化策 略((〇'0^?乂），對(duì)應(yīng)最小總傳輸時(shí)延為T(mén) min; 3) 基于中斷從用戶能效最大化準(zhǔn)則確定局域頻譜切換及功率分配聯(lián)合優(yōu)化策略
，對(duì)應(yīng)優(yōu)化最大總能效為iTax; 4) 調(diào)用公式少
，其中，α為時(shí)延系數(shù)， 確定對(duì)應(yīng)最小4)的頻譜切換及功率分配聯(lián)合優(yōu)化策略(心,砥）為全局最優(yōu)策略，
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合頻譜切換與功率分配方法，屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域。該方法針對(duì)多個(gè)主用戶、多個(gè)從用戶共享頻譜的認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，綜合考慮從用戶切換時(shí)延、排隊(duì)等待時(shí)延、頻譜傳輸特性、業(yè)務(wù)需求及網(wǎng)絡(luò)資源狀態(tài)等因素，在保障從用戶QoS需求的同時(shí)，基于中斷從用戶總傳輸時(shí)延最小化及能效最大化準(zhǔn)則執(zhí)行聯(lián)合頻譜切換和功率分配，優(yōu)化確定各中斷從用戶頻譜切換及目標(biāo)信道傳輸功率分配策略，從而實(shí)現(xiàn)從用戶聯(lián)合性能優(yōu)化。
【IPC分類】H04W36-26, H04W36-06
【公開(kāi)號(hào)】CN104540178
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510000599
【發(fā)明人】陳前斌, 胡琴, 郭志民, 柴蓉
【申請(qǐng)人】重慶郵電大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年4月22日
【申請(qǐng)日】2015年1月4日