專利名稱：一種認知無線電系統(tǒng)中混合并行標準的頻譜分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及頻譜分配方法，具體涉及一種認知無線電系統(tǒng)中混合并行標準的頻譜分配方法。
背景技術(shù)：
基于圖論著色理論的頻譜分配模型在移動蜂窩通信中已經(jīng)用于分析小區(qū)的頻率規(guī)劃和指配，是一種相對成熟的模型。在認知無線電系統(tǒng)中，由于是擇機使用授權(quán)用戶的頻譜，認知無線電用戶的可用頻譜受到授權(quán)用戶工作狀態(tài)、位置和覆蓋范圍的影響，具有空時變化的特性。因此，在認知無線電系統(tǒng)中采用圖論著色模型進行頻譜分配分析，需要對頻譜分配的約束條件，分配目標等進行必要的修訂。由于并行方法是把原有的拓撲結(jié)構(gòu)圖分解為多個子圖，然后在這些子圖上進行獨立的頻譜分配，各子圖之間不進行信息的交換，所以每個子圖在分配的時候無法考慮到其他子圖的分配情況，無法利用到已分配頻譜的信息， 這是并行方法公平性差的根本原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有并行方法在分配頻譜時，每次分配頻譜時，沒有利用到其他子圖上的已分配的頻譜信息，導(dǎo)致并行方法公平性差的問題。一種認知無線電系統(tǒng)中混合并行標準的頻譜分配方法包括下述步驟步驟一、繪制認知無線電系統(tǒng)的拓撲圖；步驟二、把拓撲圖分解為N個子圖，N為總頻譜數(shù)；步驟三、對未分配頻譜的Mg個子圖進行頻譜分配，其中，N ^ Mg, Mg為第g輪分配時的子圖數(shù)，I彡g彡M;針對一個待分配的頻譜m,對Mg個子圖中的Μ8*β個子圖使用垂直并行標準獲得頻譜m所在的Mg* β個子圖中的每個認知用戶的標號值，并將頻譜m分配給對應(yīng)標號值最大的認知用戶，其中，β為垂直并行系數(shù)，O ^ β ^ I，其中對Mg* β取整；同時，針對所述待分配的頻譜m，對其余Mg* (I-β )個子圖使用水平并行標準獲得頻譜m所在的Mg* (I- β )個子圖中的每個認知用戶的標號值，并將頻譜m分配給對應(yīng)標號值最大的認知用戶，其中對Mg* (I-β)取整；步驟四、去掉拓撲圖中已分配完成的頻譜，更新已分配矩陣；步驟五、判斷頻譜分配是否完畢，判斷為是，則執(zhí)行步驟六；判斷為否，則執(zhí)行步驟 ·
三；
步驟六、結(jié)束頻譜分配。本發(fā)明為一種認知無線電系統(tǒng)中混合并行標準的頻譜分配方法，通過利用其他子圖上的已分配的頻譜信息，達到了在計算標號時各頻譜不全部采用相同的標準，減小單輪分配聚集現(xiàn)象的影響，提高系統(tǒng)公平性的目的。從而提出了一種認知無線系統(tǒng)中并行標準的頻譜分配方法。傳統(tǒng)的并行算法中，在每一輪計算標號時如果使用同一標準，極有可能產(chǎn)生將大量信道分給同一用戶的情況，本文稱這種現(xiàn)象為單輪分配聚集現(xiàn)象。


圖I為認知無線電系統(tǒng)的圖論模型圖，圖2為混合并行標準方法流程圖，圖3為系統(tǒng)公平性隨著α和β的變化情況圖，圖4為系統(tǒng)公平性隨著α的變化情況圖，其中曲線 A表示認知用戶數(shù)為20和頻譜數(shù)為10時，系統(tǒng)公平性隨著水平并行系數(shù)α的變化曲線； 曲線B表示認知用戶數(shù)為10和頻譜數(shù)為10時，系統(tǒng)公平性隨著水平并行系數(shù)α的變化曲線；曲線C表示認知用戶數(shù)為20和頻譜數(shù)為20時，系統(tǒng)公平性隨著水平并行系數(shù)α的變化曲線；曲線D表示認知用戶數(shù)為10和頻譜數(shù)為20時，系統(tǒng)公平性隨著水平并行系數(shù)α 的變化曲線，圖5為最佳α對頻譜數(shù)和認知用戶數(shù)的變化規(guī)律圖，圖6為最佳β對頻譜數(shù)和認知用戶數(shù)的變化規(guī)律圖。
具體實施例方式具體實施方式
一、本發(fā)明所述的一種認知無線電系統(tǒng)中混合并行標準的頻譜分配方法，它包括下述步驟步驟一、繪制認知無線電系統(tǒng)的拓撲圖；步驟二、把拓撲圖分解為N個子圖，N為總頻譜數(shù)；步驟三、對未分配頻譜的Mg個子圖進行頻譜分配，其中，N ^ Mg, Mg為第g輪分配時的子圖數(shù)，I彡g彡M;針對一個待分配的頻譜111，對Mg個子圖中的Mg* β個子圖使用垂直并行標準獲得頻譜m所在的Mg* β個子圖中的每個認知用戶的標號值，并將頻譜m分配給對應(yīng)標號值最大的認知用戶，其中，對Mg* β取整，β為垂直并行系數(shù),O彡β彡I ;同時，針對所述待分配的頻譜m，對其余Mg* (I-β )個子圖使用水平并行標準獲得頻譜m所在的Μ8*(1-β)個子圖中的每個認知用戶的標號值，并將頻譜m分配給對應(yīng)標號值最大的認知用戶，對Mg* (I-β)取整；步驟四、去掉拓撲圖中已分配完成的頻譜，更新已分配矩陣；步驟五、判斷頻譜分配是否完畢，判斷為是，則執(zhí)行步驟六；判斷為否，則執(zhí)行步驟 —■ ·
---，步驟六、結(jié)束頻譜分配。其中步驟四所述的去掉拓撲圖中已分配完成的子圖，即刪除已分配的認知用戶對應(yīng)的頻譜，及相鄰的一對認知用戶之間存在的干擾，更新已分配矩陣，即更新得到頻譜分配給認知用戶的矩陣。將可用的頻譜組成一個頻譜池，并將其劃分為無交疊的正交頻段。假設(shè)在一個區(qū)域中有I個用戶，他們競爭M個頻段。每個用戶根據(jù)自己的幾何位置和環(huán)境都擁有一個自己的頻譜池。認知用戶通過頻譜感知技術(shù)獲得他們的環(huán)境信息，包括幾何位置、發(fā)射功率、 可用頻譜池及相互干擾信息等。每個用戶選擇合適的通信頻譜，調(diào)整傳送頻率，進而避免干擾到授權(quán)用戶。這就是一個頻譜分配問題，即為每一個用戶提供可用的頻譜來滿足他們的數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。頻譜分配數(shù)學(xué)模型是建立在相應(yīng)的干擾和約束條件之上的。在認知無線電系統(tǒng)的圖論著色模型研究中，將認知用戶組成的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)抽象成圖論模型圖。在圖中，每一個頂點代表一個認知用戶，每一條邊表示一對頂點間存在的沖突或者干擾，而用顏色表示頻譜資源。頻譜分配問題就等價于使系統(tǒng)利用效率最大化的頂點著色問題。如果圖中的某兩個頂點有一條邊連接，則代表兩個頂點間存在沖突或者干擾，即假定這兩個節(jié)點不能同時使用相同的頻譜資源。另外，將每一個頂點與一個集合相關(guān)聯(lián)，這個集合代表該頂點所在區(qū)域位置可以使用的頻譜資源。由于每個頂點地理位置的不同，因而不同頂點所關(guān)聯(lián)的資源集合是不同的。圖I是一個認知無線電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的圖論模型圖。圖中的六個頂點 sul su6代表六個不同的認知用戶，四個頂點puA puD代表四個不同的授權(quán)用戶，且假設(shè)各個授權(quán)用戶使用的授權(quán)頻段分別是頻譜A、頻譜B、頻譜C和頻譜D。虛線圓表示，授權(quán)用戶工作范圍，在此范圍內(nèi)認知用戶不能使用授權(quán)用戶的頻段，也就是說認知無線電用戶使用授權(quán)頻段的前提是如果當前頻譜被授權(quán)用戶使用，則為了避免對授權(quán)用戶的干擾，這個頻譜不能被附近的認知用戶使用。統(tǒng)一的圖論模型由空閑矩陣，效益矩陣，干擾矩陣和分配矩陣描述?？臻e頻譜是指在某個時間某個空間授權(quán)用戶未使用的頻譜，通常把空閑頻譜分成一系列正交的子頻譜，頻譜間無干擾。由于空間位置以及傳輸功率等參數(shù)的不同，對于不同的認知無線電用戶，同一個頻譜空閑與否可能不同。比如在某個授權(quán)用戶使用某個頻譜m 時，m對于離授權(quán)用戶比較近的認知無線電用戶可能是無效的，但是對于距離該授權(quán)用戶足夠遠的認知無線電用戶而言，m是可以視作空閑的。頻譜對于認知用戶是否空閑用空閑矩陣表示。若同時使用頻譜m時兩個認知用戶之間存在干擾，則它們不可以同時使用頻譜m， 認知無線電用戶間的干擾用干擾矩陣表示。由于用戶所處的環(huán)境以及采用的調(diào)制編碼技術(shù)可能不同，不同用戶在同一個有效空閑頻譜上獲得的效益不一樣，用戶獲得的效益用效益矩陣表示。假設(shè)分配時間相對于環(huán)境變化時間來說是很短的，各矩陣在分配周期內(nèi)維持不變。各矩陣具體定義如下效益矩陣B =表征認知用戶i使用頻譜m所帶來的效益權(quán)重(頻譜容量)，I為總用戶數(shù)，N為總頻譜數(shù)。將矩陣L與矩陣B相結(jié)合，可得出有效頻譜的效益Lb
—Ui, m · m} ixn°干擾矩陣集合C= {cijk| Cijk e {0,1}}IXI, Ci,k = I表示認知用戶i和認知用戶k 在同時使用相同頻譜時會產(chǎn)生干擾，當i = k時，Cijk = O。無干擾的頻譜分配矩陣A= {a^ Jaijlll e {0,1}} IXN, = I表示頻譜m被分配給認知用戶i。A必須滿足無干擾條件ai m ■ akm = O if C1 k =\,/i,k <I,m <N(I)引入了每個頻段的效益，可以得到以最大化頻譜效益為目標的最優(yōu)分配標準 (Max-Sum-Bandwidth, MSB)的表達式，相應(yīng)地系統(tǒng)達到最大頻譜效益的數(shù)學(xué)表達式變?yōu)?br>
權(quán)利要求
1.一種認知無線電系統(tǒng)中混合并行標準的頻譜分配方法，其特征在于該頻譜分配方法包括下述步驟步驟一、繪制認知無線電系統(tǒng)的拓撲圖；步驟二、把拓撲圖分解為N個子圖，N為總頻譜數(shù)；步驟三、對未分配頻譜的Mg個子圖進行頻譜分配，其中，N ^ Mg, Mg為第g輪分配時的子圖數(shù)，I彡g彡M;針對一個待分配的頻譜m，對Mg個子圖中的Mg* β個子圖使用垂直并行標準獲得頻譜 m所在的Μ8*β個子圖中的每個認知用戶的標號值，并將頻譜m分配給對應(yīng)標號值最大的認知用戶，其中，β為垂直并行系數(shù)，O彡β彡I，其中對Mg* β取整；同時，針對所述待分配的頻譜m，對其余Mg* (I-β )個子圖使用水平并行標準獲得頻譜 m所在的Mg* (I- β )個子圖中的每個認知用戶的標號值，并將頻譜m分配給對應(yīng)標號值最大的認知用戶，其中對Mg* (I-β)取整；步驟四、去掉拓撲圖中已分配完成的頻譜，更新已分配矩陣；步驟五、判斷頻譜分配是否完畢，判斷為是，則執(zhí)行步驟六；判斷為否，則執(zhí)行步驟三； 步驟六、結(jié)束頻譜分配。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種認知無線電系統(tǒng)中混合并行標準的頻譜分配方法，其特征在于步驟三所述的對Μ8*β個子圖使用垂直并行標準獲得頻譜m所在的Μ8*β個子圖中的每個認知用戶的標號值的過程為步驟三一、將Mg* β * β個子圖根據(jù)協(xié)作式最大化總帶寬標準進行頻譜分配，在每個子圖Gti = (Vtl7Etl)中選擇使標號值IabelliI最大的認知用戶userIm,將該頻譜m分配給使標號值Iabellu最大的認知用戶Userlm ；其中，Iabelli,m表示認知用戶i使用頻譜m的標號值；userlm表示子圖Gtl = (Vtl,Etl)中標號值Iabelliim最大的認知用戶，·4表示子圖Gtl中的認知用戶的集合，tl = l，2，"·Μ8*β*β ;其中對Μ8*β*β取整，Etl表示子圖Gtl中的相鄰的一對認知用戶之間存在的干擾的集合；步驟三二、對剩余的Mg* β * (I- β )個子圖根據(jù)協(xié)作式最大化比例公平標準進行頻譜分配，在每個子圖Gt2 = (Vt2, Et2)中選擇使標號值IabeUiJ最大的認知用戶user2m,將該頻譜m分配給最大的認知用戶user2m ；其中，label〗"表示認知用戶i使用頻譜m的標號值；user2m表示使標號值IabeUi^最大的認知用戶嚴〃I=MgVt2表示子圖Gt2中的認知用戶的集合，t2 = 1，2，…Μ8*β*(1-β)，其中對Μ8*β*(1-β)取整；Et2表示子圖Gt2中的相鄰的一對認知用戶之間存在的干擾的集合。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種認知無線電系統(tǒng)中混合并行標準的頻譜分配方法，其特征在于步驟三所述的對Mg* (I-β)個子圖使用水平并行標準進行頻譜分配的方法為步驟三六、對Mg* (I- β ) * α個子圖根據(jù)協(xié)作式最大化總帶寬標準進行頻譜分配，在每個子圖Gtl = (Vtl, Etl)中選擇使標號值Iabell^m最大的認知用戶Userlm,將該頻譜m分配給最大的認知用戶Userlm ；其中，Iabelli,m表示認知用戶i使用頻譜m的標號值；userlm表示子圖Gtl = (Vtl,Etl)中標號值Iabelliim最大的認知用戶
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種認知無線電系統(tǒng)中混合并行標準的頻譜分配方法， 其特征在于協(xié)作式最大化總帶寬標準為
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種認知無線電系統(tǒng)中混合并行標準的頻譜分配方法， 其特征在于協(xié)作式最大化比例公平標準為
全文摘要
一種認知無線電系統(tǒng)中混合并行標準的頻譜分配方法，本發(fā)明涉及一種認知無線電系統(tǒng)中混合并行標準的頻譜分配方法。它是為了解決現(xiàn)有并行方法在分配頻譜時，每次分配頻譜時，沒有利用到其他子圖上的已分配的頻譜信息，導(dǎo)致并行方法公平性差的問題。本方法是指先將一部分子圖采用某一標準分配完畢，然后再將剩余子圖采用水平并行標準算法進行分配，即先垂直，后水平的并行方式。垂直并行是指先將一部分子圖采用協(xié)作式最大化總帶寬標準分配完畢，然后再將剩余子圖采用協(xié)作式最大化比例公平標準進行分配；水平并行是指在每一輪的分配過程中一部分子圖采用協(xié)作式最大化總帶寬標準，其余子圖采用協(xié)作式最大化比例公平標準。本發(fā)明適用于無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。
文檔編號H04W16/10GK102595423SQ20121007826
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月22日
發(fā)明者吳海燕, 孫鵬飛, 王孝, 蔣夢雄, 謝玉鵬, 譚學(xué)治, 馬琳, 魏守明 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)