專利名稱：認(rèn)知容遲網(wǎng)絡(luò)中基于用戶服務(wù)質(zhì)量要求的多資源聯(lián)合分配與優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于信息與通信工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及無線通信系統(tǒng)中的認(rèn)知無線電 (Cognitive Radio,CR)技術(shù)，特別是一種認(rèn)知容遲網(wǎng)絡(luò)中基于認(rèn)知用戶服務(wù)質(zhì)量要求的多用戶多資源聯(lián)合分配與優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
目前，各種無線通信業(yè)務(wù)需求持續(xù)增長，導(dǎo)致無線通信系統(tǒng)對頻譜資源的需求不斷增加，從而使得無線頻譜資源變得越來越稀缺。然而，頻譜測量研究表明，授權(quán)頻譜的使用率卻非常低，導(dǎo)致授權(quán)頻譜空穴浪費嚴(yán)重。為了開發(fā)頻譜資源共享的無線通信系統(tǒng)，從系統(tǒng)級的角度提高頻譜資源的利用效率，認(rèn)知無線電作為一項新興技術(shù)應(yīng)運而生。認(rèn)知無線電(Cognitive Radio，CR)亦稱為感知無線電，它可在不影響主用戶 (Primary Users, PUs)通信的前提下，智能地利用大量空閑頻譜以滿足次用戶(Secondary Users, SUs)即認(rèn)知用戶(Cognitive Users, CUs)的可靠通信，從而提高無線頻譜的利用率，實現(xiàn)頻譜資源共享。認(rèn)知用戶能夠?qū)崟r感知無線通信系統(tǒng)周圍的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，通過對環(huán)境的理解、主動學(xué)習(xí)來動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以適應(yīng)外部環(huán)境的變化。在基于CR技術(shù)的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Radio Network,CRN)中，認(rèn)知用戶利用法定授權(quán)的主用戶(Primary User, PU)暫時未使用的頻段，一旦偵聽到主用戶收發(fā)信機需要通信時，就必須在一定的時間內(nèi)退出該頻段并切換到其它未使用的空閑頻段進行機會通信(交叉共享(overlay sharing)方式)，或者在保障主用戶通信服務(wù)質(zhì)量(QoS)的前提下，降低發(fā)射功率進行協(xié)作式機會傳輸(重疊共享(underlay sharing)方式)，從而避免認(rèn)知用戶對主用戶通信造成干擾。因此，認(rèn)知用戶如何迅速可靠地檢測主用戶頻譜空穴、利用主用戶頻譜空穴進行機會頻譜接入、通過優(yōu)化認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的有限資源進行機會式傳輸，從而實現(xiàn)主次用戶的頻譜共享， 這些都是認(rèn)知無線電中的關(guān)鍵技術(shù)。容遲網(wǎng)絡(luò)(Delay Tolerant Network，DTN)是一種新型的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，泛指由于節(jié)點移動等原因而沒有穩(wěn)定端到端傳輸路徑以及大部分時間處于中斷狀態(tài)的一類網(wǎng)絡(luò)。這一概念最早是由Fall K在國際會議SIGC0MM2003上提出，其應(yīng)用涵蓋了多種通信網(wǎng)絡(luò)，如人群網(wǎng)絡(luò)、車輛網(wǎng)絡(luò)、移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、星際間通信網(wǎng)絡(luò)等等，應(yīng)用場景不同，網(wǎng)絡(luò)使用的路由策略也不同。DTN的特點主要有鏈接的間歇性、可變的延遲、節(jié)點存儲約束、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不斷變化等。研究DTN可以為這些網(wǎng)絡(luò)在拓?fù)鋭討B(tài)變化情況下提供一定QoS保障的服務(wù)，是實現(xiàn)“無處不在的網(wǎng)絡(luò)”的一項關(guān)鍵技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種認(rèn)知容遲網(wǎng)絡(luò)中基于用戶服務(wù)質(zhì)量要求的多資源聯(lián)合分配與優(yōu)化方法，其根據(jù)不同用戶業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量要求采取不同的多資源聯(lián)合分配與優(yōu)化方法， 以實現(xiàn)基于正交頻分復(fù)用的認(rèn)知容遲網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化分配，支持各種服務(wù)質(zhì)量要求的認(rèn)知用戶數(shù)據(jù)傳輸，在高效利用系統(tǒng)資源的同時實現(xiàn)頻譜共享。本發(fā)明采取以下技術(shù)方案認(rèn)知容遲網(wǎng)絡(luò)中基于用戶服務(wù)質(zhì)量要求的多資源聯(lián)合分配與優(yōu)化方法，認(rèn)知容遲網(wǎng)絡(luò)基于正交頻分復(fù)用調(diào)制模型，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中不同用戶的服務(wù)質(zhì)量要求進行用戶分類高服務(wù)質(zhì)量(對傳輸時延要求高)的認(rèn)知用戶(Delay Sensitive Secondary User, DSSU)、 一般服務(wù)質(zhì)量(可容忍一定時延)的認(rèn)知用戶(Delay Tolerant Secondary User，DTSU)， 對于高服務(wù)質(zhì)量認(rèn)知用戶(DSSU)，采用基于余量自適應(yīng)準(zhǔn)則(Margin Adaptation, ΜΑ)的子載波比特聯(lián)合分配，在滿足用戶傳輸業(yè)務(wù)速率要求的同時最小化干擾功率；對于一般服務(wù)質(zhì)量的認(rèn)知用戶(DTSU)，采用基于速率自適應(yīng)準(zhǔn)則(Rate Adaptation, RA)的子載波功率聯(lián)合分配，在滿足用戶總干擾功率受限條件下最大化用戶的傳輸速率。優(yōu)選的，認(rèn)知容遲網(wǎng)絡(luò)中基于用戶服務(wù)質(zhì)量要求的多資源聯(lián)合分配與優(yōu)化方法， 按如下步驟(1)根據(jù)認(rèn)知用戶傳輸業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量要求進行K對認(rèn)知用戶的分類，分為高服務(wù)質(zhì)量認(rèn)知用戶(時延敏感性認(rèn)知用戶，DSSU)與一般服務(wù)質(zhì)量認(rèn)知用戶(時延容忍性認(rèn)知用戶，DTSU)。(2)對Kl對DSSU進行基于MA準(zhǔn)則的多用戶子載波比特聯(lián)合分配，對(K-K1)對 DTSU進行基于RA準(zhǔn)則的多用戶子載波功率聯(lián)合分配。(3)基于MA準(zhǔn)則的多用戶子載波比特聯(lián)合分配流程如下 子載波分配流程1)初始化K1對高服務(wù)質(zhì)量認(rèn)知用戶的子載波與速率；2)尋找子載波η滿足條件|hk,η|彡|hk,j|, j GA1，同時在子載波集合A1= {1,2, LNJ中去除該子載波n，并更新第k個高服務(wù)質(zhì)量認(rèn)知用戶的傳輸速率；3)當(dāng)子載波集合A1興Φ，則a)尋找最佳的高服務(wù)質(zhì)量認(rèn)知用戶k* ；b)對于第k*個用戶，尋找滿足條件|V， *| ^ j e A1的最優(yōu)子載波η* ；c)對于找到的最佳高服務(wù)質(zhì)量認(rèn)知用戶k*和最優(yōu)子載波ιΛ更新其傳輸速率& ；d)直到子載波集合為空集A1 = Φ ；·比特分配流程1)采用二維比特分配算法，在滿足高服務(wù)質(zhì)量認(rèn)知用戶多媒體業(yè)務(wù)傳輸速率的條件下，最小化其干擾功率；2)得到第k個用戶在第η個子載波上的最優(yōu)分配比特bk,n ；3)判斷bk,n，若bk,n非整數(shù)，需要通過取整運算進行比特矯正；4)結(jié)束比特分配；(4)基于RA準(zhǔn)則的多用戶子載波功率聯(lián)合分配流程如下 子載波分配流程1)初始化(K-K1)對一般服務(wù)質(zhì)量認(rèn)知用戶的子載波與速率；2)尋找子載波η滿足條件|hk,η|2彡|hk,J2, j e A2，同時在子載波集合A2 = {1， 2，LN-NJ中去除該子載波n，并更新第k個一般服務(wù)質(zhì)量認(rèn)知用戶的傳輸速率；3)當(dāng)子載波集合A2興Φ，則
a)尋找最佳的一般服務(wù)質(zhì)量認(rèn)知用戶k* ；b)對于第k*個用戶，尋找滿足條件|V， *f 2|響|2, j e A2的最優(yōu)子載波η* ；c)對于找到的最佳的一般服務(wù)質(zhì)量認(rèn)知用戶k*和最優(yōu)子載波ιΛ更新最佳的一般服務(wù)質(zhì)量認(rèn)知用戶的傳輸速率&；d)直到子載波集合為空集A2 = Φ ； 功率分配流程1)采用改進的開關(guān)注水功率分配算法，在滿足一般服務(wù)質(zhì)量認(rèn)知用戶的干擾功率受限條件下，最大化其傳輸速率；2)得到第k個一般服務(wù)質(zhì)量認(rèn)知用戶在第η個子載波上的最優(yōu)分配功率Pkn ；3)判斷Pkn，若Pkn小于零，則功率置零，并刪除對應(yīng)的子載波；若Pkn大于零，即為第η個子載波上分配的最優(yōu)功率；4)結(jié)束功率分配。(一 )認(rèn)知用戶分類與優(yōu)化系統(tǒng)建模本發(fā)明將CRN與DTN結(jié)合，研究基于不同用戶服務(wù)質(zhì)量要求的認(rèn)知DTN中多資源聯(lián)合分配與優(yōu)化方法。在認(rèn)知容遲網(wǎng)絡(luò)中，認(rèn)知用戶傳輸不同的業(yè)務(wù)對通信服務(wù)具有不同的QoS要求。 首先根據(jù)不同認(rèn)知用戶需要傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)，對認(rèn)知DTN中用戶進行分類，時延敏感性認(rèn)知用戶(Delay Sensitive Secondary User，DSSU)通常傳輸高服務(wù)質(zhì)量(對傳輸時延要求高) 業(yè)務(wù)流，如寬帶語音傳輸和實時視頻流等多媒體業(yè)務(wù)等，這類業(yè)務(wù)對延時非常敏感，需要保證業(yè)務(wù)的吞吐量；時延容忍性認(rèn)知用戶(Delay Tolerant Secondary User，DTSU)通常傳輸一般服務(wù)質(zhì)量的業(yè)務(wù)流，如文件傳輸和E-mail等，業(yè)務(wù)的QoS要求相對不高，且用戶對業(yè)務(wù)的延時具有一定的容忍，認(rèn)知用戶可以接受變速率業(yè)務(wù)傳輸。在認(rèn)知容遲網(wǎng)絡(luò)中，一個最重要的問題就是如何智能地分配網(wǎng)絡(luò)資源，支持各種 QoS需求的用戶通信，以高效利用系統(tǒng)資源。假設(shè)采用認(rèn)知OFDM調(diào)制，需要對網(wǎng)絡(luò)中子載波、比特、功率等多種資源進行最優(yōu)分配。這一資源分配的問題通常抽象為一個凸集優(yōu)化問題，本發(fā)明提出了一種動態(tài)多用戶多資源優(yōu)化分配方案。認(rèn)知DTN多用戶接入網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)模型圖如圖2所示。該基于認(rèn)知OFDM的DTN網(wǎng)絡(luò)包括一對PU和K對SU。其中，SU中有K1對DSSU，他們需要固定的傳輸速率Rk，k = 1， 2，LK10 (K-K1)對DTSU對傳輸時延沒有限制，可以用一種盡力而為(Best Effort)的方式進行傳輸。兩類SU由一個認(rèn)知基站(Cognitive Base Station, CBS)進行控制，CBS是一個中央控制器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)融合與信道估計，根據(jù)各SU的信道狀態(tài)信息(Channel State Information, CSI)控制認(rèn)知DTN中各用戶子載波、功率、比特的分配。主用戶發(fā)射機(PUT) 使用授權(quán)頻段和主用戶接收機(PUR)進行通信，同時K個認(rèn)知用戶發(fā)射機(SUT)機會地利用相同頻段與相應(yīng)的認(rèn)知用戶接收機(SUR)進行通信。設(shè)可利用的總信道帶寬為BHz，它被劃分為N個正交子載波。通常，各SUT和PUR之間的信道為干擾鏈路，各SUT和對應(yīng)SUR之間的信道為認(rèn)知鏈路。K個認(rèn)知用戶采取OFDMA方式進行接入。|&,n|2和I hk,n 12分別表示干擾鏈路和認(rèn)知鏈路中第k個用戶在第η個子載波的功率增益。假設(shè)CBS可以實時獲得干擾和認(rèn)知鏈路的信道狀態(tài)信息(CSI)?；贑SI，CBS將不同的子載波分配給具有不同QoS時延要求的用戶DSSU與DTSU，并且通過功率和比特分配算法為不同QoS要求的用戶子載波分配不同的功率和比特。CBS限制的總干擾功率為Pt。tal。將認(rèn)知DTN系統(tǒng)場景模型抽象為圖3所示。
假設(shè)鏈路信道均為瑞利平坦衰落，即子載波相干帶寬大于符號帶寬。定義第k個用戶在第η個子載波上的傳輸速率為= Iog2
l+\hJPK,
(1)其中，Ntl為AWGN單邊功率譜密度。Γ為信噪比間隔，當(dāng)傳輸符號采用MQAM調(diào)制與格雷編碼映射時，Γ =。認(rèn)知DTN中資源分配的目標(biāo)是在總干擾功率受限條件下最優(yōu)化分配子載波、功率和比特，使得在(K-K1)個DTSU傳輸總速率最大的同時，滿足K1個DSSU的業(yè)務(wù)QoS要求。 該優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型可以表示為
K N
s. t.
argmax ^ YjPkJkk
Pk,n^Pk,n 40,1]^=^+1 n=\
.N
Σ PKnrKn = Rk η=\
R1 :R2 :L Ri^ = T1 :r2 :L rK (2)
κ N2
Σ Σ PKn I PKn = ^total, > 0, V夂“
k=\ n=\
={0,1}, =1,2,L ,A^
U=i其中，Pt。tal為總干擾功率容限，P !^取1或0，表示子載波η是否分配給用戶k。 每個子載波只能分配給一個用戶。ht是一組預(yù)先設(shè)定的值，保證DSSU之間的速率公平性。該數(shù)學(xué)模型求解過程涉及到兩類用戶的資源分配問題。根據(jù)認(rèn)知DTN中不同用戶服務(wù)質(zhì)量QoS要求，針對不同優(yōu)化目標(biāo)下的多資源分配問題分別進行求解。對于DSSU，優(yōu)化目標(biāo)是在滿足DSSU速率要求的同時最小化DSSU干擾功率，采用基于余量自適應(yīng)(MA)準(zhǔn)則的多用戶子載波比特聯(lián)合分配。對于DTSU，優(yōu)化目標(biāo)是在總干擾功率的限制條件下最大化 DTSU傳輸速率，采用基于速率自適應(yīng)(RA)準(zhǔn)則的多用戶子載波功率聯(lián)合分配。( 二)DSSU子載波比特聯(lián)合分配首先進行子載波分配，假設(shè)比特數(shù)在子載波間平均分配，比例速率最小的DSSU優(yōu)先選擇子載波。設(shè)Nk為第k個用戶的子載波集合。1)初始化令Nk = Φ，Rk = 0，k = 1，2，LK1，子載波集合 A1 = {1,2, LNj ；2)當(dāng)k= IJiLj1，尋找子載波 η 滿足 |hk,n| 彡 |hk,」|，j e A10 令 Nk = Nk U {η}, A1=Af {η}，更新 Rk = VRtotJN1 ；3)當(dāng) A1 乒 Φ，a)尋找 k* 滿足= IJU1 ；b)對于第k*個用戶，尋找η*滿足|V， *| ^ Ki j e A1 ；
c)對于找到的最佳DSSUk*和最佳子載波ιΛ令 = 。{ '}，、=A1-Inl更新
d)直到 A1 = O0當(dāng)DSSU子載波分配完畢后，進行子載波內(nèi)的比特分配，即確定DSSU各用戶的傳輸功率限。若DSSU采用MQAM進行符號調(diào)制，且在給定誤比特率為Prb，第k個DSSU在第η個子載波上傳輸bk,nbit的傳輸功率限為
權(quán)利要求
1.認(rèn)知容遲網(wǎng)絡(luò)中基于用戶服務(wù)質(zhì)量要求的多資源聯(lián)合分配與優(yōu)化方法，其特征在于基于正交頻分復(fù)用調(diào)制的認(rèn)知容遲網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中不同用戶的服務(wù)質(zhì)量要求進行用戶分類高服務(wù)質(zhì)量的認(rèn)知用戶、一般服務(wù)質(zhì)量的認(rèn)知用戶，對于高服務(wù)質(zhì)量的認(rèn)知用戶，采用基于余量自適應(yīng)準(zhǔn)則的子載波比特聯(lián)合分配，在滿足用戶傳輸業(yè)務(wù)速率要求的同時最小化干擾功率；對于一般服務(wù)質(zhì)量的認(rèn)知用戶，采用基于速率自適應(yīng)準(zhǔn)則的子載波功率聯(lián)合分配，在滿足用戶總干擾功率受限條件下最大化用戶的傳輸速率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的認(rèn)知容遲網(wǎng)絡(luò)中基于用戶服務(wù)質(zhì)量要求的多資源聯(lián)合分配與優(yōu)化方法，其特征是(1)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中不同用戶的服務(wù)質(zhì)量要求，對K對認(rèn)知用戶進行分類高服務(wù)質(zhì)量的認(rèn)知用戶、一般服務(wù)質(zhì)量的認(rèn)知用戶。(2)對1^對高服務(wù)質(zhì)量的認(rèn)知用戶進行基于余量自適應(yīng)準(zhǔn)則的多用戶子載波比特聯(lián)合分配。 子載波分配流程1)初始化K1對高服務(wù)質(zhì)量認(rèn)知用戶的子載波與速率；2)尋找子載波η滿足條件|hk,η|彡|hk,j|,j GA1，同時在子載波集合A1= {1,2, LNJ 中去除該子載波n，并更新第k個高服務(wù)質(zhì)量認(rèn)知用戶的傳輸速率；3)當(dāng)子載波集合A1^Φ，則a)尋找最佳的高服務(wù)質(zhì)量認(rèn)知用戶k*；b)對于第k*個用戶，尋找滿足條件|V， *|^ j e A1的最優(yōu)子載波η* ；c)對于找到的最佳高服務(wù)質(zhì)量認(rèn)知用戶k*和最優(yōu)子載波ιΛ更新其傳輸速率&；d)直到子載波集合為空集A1= Φ ； 比特分配流程1)采用二維比特分配算法，在滿足高服務(wù)質(zhì)量認(rèn)知用戶多媒體業(yè)務(wù)傳輸速率的條件下，最小化其干擾功率；2)得到第k個用戶在第η個子載波上的最優(yōu)分配比特bk,n；3)判斷bk,n，若bk,n非整數(shù)，需要通過取整運算進行比特矯正；4)結(jié)束比特分配；(3)對(K-K1)對一般服務(wù)質(zhì)量的認(rèn)知用戶進行基于速率自適應(yīng)準(zhǔn)則的多用戶子載波功率聯(lián)合分配。 子載波分配流程1)初始化(K-K1)對一般服務(wù)質(zhì)量認(rèn)知用戶的子載波與速率；2)尋找子載波η滿足條件|hk,η|2彡|hk,」2，je A2，同時在子載波集合A2= {1,2, LN-NJ中去除該子載波n，并更新第k個一般服務(wù)質(zhì)量認(rèn)知用戶的傳輸速率；3)當(dāng)子載波集合A2^Φ，則a)尋找最佳的一般服務(wù)質(zhì)量認(rèn)知用戶k*；b)對于第k*個用戶，尋找滿足條件|V， *f> Ivi, j e A2的最優(yōu)子載波η* ；c)對于找到的最佳的一般服務(wù)質(zhì)量認(rèn)知用戶k*和最優(yōu)子載波ιΛ更新最佳的一般服務(wù)質(zhì)量認(rèn)知用戶的傳輸速率&；d)直到子載波集合為空集A2 = Φ ； 功率分配流程1)采用改進的開關(guān)注水功率分配算法，在滿足一般服務(wù)質(zhì)量認(rèn)知用戶的干擾功率受限條件下，最大化其傳輸速率；2)得到第k個一般服務(wù)質(zhì)量認(rèn)知用戶在第η個子載波上的最優(yōu)分配功率Pkn；3)判斷Pkn，若Pkn小于零，則功率置零，并刪除對應(yīng)的子載波；若Pkn大于零，即為第η個子載波上分配的最優(yōu)功率；4)結(jié)束功率分配。
全文摘要
本發(fā)明公開了認(rèn)知容遲網(wǎng)絡(luò)中基于用戶服務(wù)質(zhì)量要求的多資源聯(lián)合分配與優(yōu)化方法，基于正交頻分復(fù)用調(diào)制的認(rèn)知容遲網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中不同用戶的服務(wù)質(zhì)量要求進行用戶分類高服務(wù)質(zhì)量的認(rèn)知用戶、一般服務(wù)質(zhì)量的認(rèn)知用戶。對于高服務(wù)質(zhì)量的認(rèn)知用戶，采用基于余量自適應(yīng)準(zhǔn)則的子載波比特聯(lián)合分配，在滿足用戶傳輸業(yè)務(wù)速率要求的同時最小化干擾功率；對于一般服務(wù)質(zhì)量的認(rèn)知用戶，采用基于速率自適應(yīng)準(zhǔn)則的子載波功率聯(lián)合分配，在滿足用戶總干擾功率受限條件下最大化用戶的傳輸速率。本發(fā)明根據(jù)不同用戶業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量要求采取不同的多資源聯(lián)合分配與優(yōu)化方法，以實現(xiàn)基于正交頻分復(fù)用的認(rèn)知容遲網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化分配，在高效利用系統(tǒng)資源的同時實現(xiàn)頻譜共享。
文檔編號H04W72/08GK102387509SQ20111039213
公開日2012年3月21日 申請日期2011年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月1日
發(fā)明者章堅武, 許曉榮, 黃愛蘋 申請人:杭州電子科技大學(xué)