專利名稱：認知無線電中基于異構用戶高效節(jié)能的合作感知調度方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種通信技術領域的方法，具體是一種認知無線電中基于異構用戶、高效節(jié)能的合作感知調度方法。
背景技術：
一方面隨著無線電的廣泛使用，頻譜的占用使得頻譜資源愈加寶貴。另一方面隨著不斷發(fā)展的無線電技術給移動用戶提供了更加靈活的接入方式。在認知無線電網(wǎng)絡中，有兩種用戶類型主用戶(PU)和二級用戶(SU)。主用戶為授權用戶，能夠隨時地接入信道而不會受到任何干擾。二級用戶為非授權用戶并沒有接入和服務質量保證，但是擁有更大的靈活性選擇不同的運營商接入。因此基于認知無線電技術，二級用戶可以在電信運營商的頻段閑暇時，使用未被占用的頻段。為了保證主用戶PU的服務質量，二級用戶SU需要在接入前感知頻段的使用狀況，以便做出接入頻段與否的決定。在探測感知時，多個二級用戶SU可以合作起來、共同分享感知結果，以提高探測感知的準確率。近年，人們對認知無線電中的合作感知機制進行了深入的研究。經(jīng)對現(xiàn)有技術文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，Walid Saad, Zhu Han等在2009年IEEE INF0C0M會議上發(fā)表的 uCoalitional Games for Distributed Collaborative Spectrum Sensing in CognitiveRadio Networks”(認知無線電網(wǎng)絡中分布式頻譜感知的合作博弈)。該文將認知無線電中的合作感知以合作博弈模型建模，提出一種有效的無線頻譜合作感知的有效研究手段。另外 C. Song, Q. Zhang 在 2010 年 IEEE ICC 會議上發(fā)表的 “Cooperative Spectrum Sensingwith Multi-Channel Coordination in Cognitive Radio Networks”(認知無線電網(wǎng)絡中多信道協(xié)調合作頻譜感知)。該文提出了一種異構主用戶PU、異構二級用戶SU中求解最佳合作感知策略的方法。但是，以上方案都只考慮了預期頻譜機會作為收益，沒有考慮合作探測中的能耗問題。經(jīng)檢索還發(fā)現(xiàn)，Xiangxia Sun等在2012年IEEE INF0C0M會議上發(fā)表的“Energy-efficient Cooperative Sensing Scheduling for Heterogeneous ChannelAccess in Cognitive Radio”(認知無線電中異構信道接入的高效節(jié)能合作感知調度)。該文提出了異構主用戶PU、同構二級用戶SU下，并且考慮能耗高效和感知準確率的最優(yōu)合作感知調度方案。但是，該文僅考慮了同構二級用戶SU下的最優(yōu)策略，而在實際中，二級用戶SU的感知能力、感知能耗等性質往往是不一樣的。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術的不足，提供了一種認知無線電中基于異構用戶、高效節(jié)能的合作感知調度方法。該方法使用非線性規(guī)劃問題模型建模，一方面考慮到異構主用戶PU、異構二級用戶SU的實際條件，另一方面考慮到能耗高效性和感知準確性的折衷，能夠使用較短時間和較少計算，取得頻譜合作感知調度中的穩(wěn)定的全局次優(yōu)解答。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種認知無線電中基于異構用戶高效節(jié)能的合作感知調度方法，包括如下步驟步驟一，多個主用戶I3U和多個二級用戶SU構成認知無線電網(wǎng)絡，基站BS收集、交流PU、SU的參數(shù)信息，其中，所述主用戶PU為異構主用戶，所述二級用戶SU為異構二級用戶；步驟二，合作感知調度方案的初始化，即按照優(yōu)化初始化方法初始化合作感知調
度方案；步驟三，根據(jù)優(yōu)化最大化的原則調整合作感知調度方案，即在初始化合作感知調度方案的基礎上，根據(jù)系統(tǒng)具體情況，選擇按照集中調整法或多寡頭調整法調整合作感知調度方案；具體地，·若網(wǎng)絡中基站之間為合作關系，服從統(tǒng)一調度，則按照集中調整法調整合作感知調度方案；若網(wǎng)絡中基站之間為競爭關系，需要協(xié)商以達成一致的合作感知調度方案，則按照多寡頭調整法調整合作感知調度方案；步驟四，步驟三迭代直到調整后的合作感知調度方案相對調整前的合作感知調度方案無變化。優(yōu)選地，第二步中，使用非線性規(guī)劃問題模型建模，即在一個有N個PU和M個SU組成的認知無線電網(wǎng)絡中，每個SU在調度方案中只有N+1種狀態(tài)對于每個SU，安排該SU在合作感知階段不進行感知，或者安排該SU感知探測N個PU中的其中一個。優(yōu)選地，在第二步中，優(yōu)化初始化合作感知調度方案的方法為對于每個SU，在忽略各主用戶PU準入機制的情況下，假設只有該SU參加感知，為該SU選定一個可令總效用最大化的PU作為初始的合作感知安排。優(yōu)選地，在第三步中，集中調整法調整合作感知調度方案的方法為由基站BS作為中心基站以一次調整一個SU的選擇的方式，對每個SU從當前選擇調整到其他可行選擇，形成了新的調度方案；通過計算新的調度方案的總效用，選出總效用增加最多的方案代替當前方案作為新的有效方案。優(yōu)選地，在第三步中，多寡頭調整法調整合作感知調度方案的方法為基站之間相互通知初始化的合作感知調度方案；一個BS代表一個PU參與到調度計劃的協(xié)商中，在每輪迭代之前，代表PU的BS將會首先進行隨機排序，BS按隨機順序進行調整；每個BS對于SU的選擇的調整權力有限；代表PUn的BS只能將那些在當前方案中< =吼的SUm的選擇調整為= φ{)，即對那些在當前方案中狀態(tài)為感知該BS代表的PU的SU，BS可將其選擇調整為不感知；代表PUn的BS只能將那些在當前方案中4=%的SUm的選擇調整為之=φ即對那些在當前方案中狀態(tài)不感知的SU，代表PUn的BS可將其選擇調整為感知PUn ；其中，PUn表示所有N個主用戶中的任意一個特定的主用戶(n e {1，2，· · ·，N})，SUm表示所有M個二級用戶中的任意一個特定的二級用戶(m={l, 2，. . .，M} ),dm表示SUm的當前選擇，d/表示方案調整后SUm的選擇表示SU在合作階段不進行感知, 表示SU在合作階段感知PUn。優(yōu)選地，在第三步中，集中調整法、多寡頭調整法的調整方案的另一個條件為若所有新的調度方案都不能在當前方案的基礎上增加調度總效益，只要在不減少調度總效益的原則上，BS會將某個SUm的選擇從不感知的％調整為感知某個PUn的吼。
優(yōu)選地，在每輪迭代之前，代表I3U的SU將會首先進行隨機排序，BS按隨機順序進行調整。本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括如下步驟步驟一，多個主用戶和多個二級用戶構成認知無線電網(wǎng)絡，一個或者多個基站收集網(wǎng)絡信息。當采用集中調度算法時，基站只有一個，該基站作為唯一的中心基站負責調度；采用多寡頭調度算法時，有多個基站，每個基站代表一個I3U進行調度。
N個PU和M個SU的系統(tǒng)模型如圖I。在這種模式下，由BS統(tǒng)一調配合作感知的安排。PU異構，體現(xiàn)在每個都有不同的發(fā)射功率σ〗、空閑概率P。、信道容量C、準入機制。其中，準入機制是為保證PU的服務質量，即使SU探測到為閑暇，但感知結果的準確率需要達到一定的門限值λ，才能允許SU接入相應頻段，以盡量減少SU對PU造成干擾的機制。SU異構，體現(xiàn)在每個SU對于不同的I3U的檢測成功概率Pd、虛警概率Pf、感知耗能Φ是不一樣的。其中，對特定的某個主用戶PUn (n e {1，2，...，N})，和特定的某個二級用戶SUm (me {1,2,..., Μ})，檢測成功概率Pd (m, η)為當PUn繁忙時，SUm成功檢測PUn為繁忙的概率；虛警概率Pf (m，η)為當PUn閑暇時，SUm檢測PUn為繁忙的概率；感知耗能Φ s(m，η)為SUm探測PUn狀態(tài)的耗能。每個SU同時最多只能探測感知一個TO。記共同合作探測PUn的一組SU為口 = \m Tnij,...,mj ,其中k表示了共有k個SU共同感知PUn。那么，該組SU合作感知的探測結果的檢測成功概率Pd(n, Ωη)、虛警概率Pf (η, Ω η)、感知能耗E (η，Ωη)分別為(". Ω·)=卜 Π [卜 (m.")]式一「I [卜/)(吼州式二WW= Σ 命(/w，")式三
眠QnO共同探測PUn的一組SU Ωη的收益為離，—伙如]^(〃幾叫.式四
[O其他其中λ n是PUn對探測結果準確率的門限要求，P。(η)為PUn空閑概率，C (η)為PUn
信道容量。共同探測PUn的一組SUQn的效用為該組的收益與該組感知耗能之比，即_6] y^^式五
meL\對于一個合作感知的調度安排ΩΗΩ” Ω2，..，Ων}，其總效用為"沿)=乙"(〃只,)式六
η-Λ在調度準備階段，基站BS首先收集這些PU、SU的參數(shù)信息；若網(wǎng)絡中存在多個BS,基站之間將會互相交流這些信息。
步驟二，使用優(yōu)化初始化方法，初始化次級用戶SU合作感知調度方案。 由于每個SU同時最多只能探測感知一個PU，因此在一個N個PU和M個SU組成的認知無線電網(wǎng)絡中，每個SU在調度方案中只有N+1種狀態(tài)對于每個SU，可以安排該SU在合作感知階段不進行感知，或者安排該SU感知探測N個PU中的其中一個。記這N+1種選擇為SU的選擇集合Ψ = {%屬，…展},其中％表示SU在合作階段不進行感知，％表示SU在合作階段感知PUn。采用優(yōu)化初始化的方法，基站BS則對于每個二級用戶SUm(m e {1，2，. . .，M})選定一個最優(yōu)的PU，作為初始調度方案Ωω的安排。具體做法是，對于每個SU，在忽略各主用戶準入機制的情況下，假設只有該SU參加感知，選定一個可令總效用最大化的ro ;gp，為該SUm選定感知PUn，令式
權利要求
1.一種認知無線電中基于異構用戶高效節(jié)能的合作感知調度方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟一，多個主用戶PU和多個二級用戶SU構成認知無線電網(wǎng)絡，基站BS收集、交流PU.su的參數(shù)信息，其中，所述主用戶為異構主用戶，所述二級用戶SU為異構二級用戶； 步驟二，合作感知調度方案的初始化，即按照優(yōu)化初始化方法初始化合作感知調度方案； 步驟三，根據(jù)優(yōu)化最大化的原則調整合作感知調度方案，即在初始化合作感知調度方案的基礎上，根據(jù)系統(tǒng)具體情況，選擇按照集中調整法或多寡頭調整法調整合作感知調度方案；具體地，若網(wǎng)絡中基站之間為合作關系，服從統(tǒng)一調度，則按照集中調整法調整合作感知調度方案；若網(wǎng)絡中基站之間為競爭關系，需要協(xié)商以達成一致的合作感知調度方案，則按照多寡頭調整法調整合作感知調度方案； 步驟四，步驟三迭代直到調整后的合作感知調度方案相對調整前的合作感知調度方案無變化。
2.根據(jù)權利要求I所述的認知無線電中基于異構用戶高效節(jié)能的合作感知調度方法，其特征是，第二步中，使用非線性規(guī)劃問題模型建模，即在一個有N個PU和M個SU組成的認知無線電網(wǎng)絡中，每個SU在調度方案中只有N+1種狀態(tài)對于每個SU，安排該SU在合作感知階段不進行感知，或者安排該SU感知探測N個PU中的其中一個。
3.根據(jù)權利要求2所述的認知無線電中基于異構用戶高效節(jié)能的合作感知調度方法，其特征是，在第二步中，優(yōu)化初始化合作感知調度方案的方法為對于每個SU，在忽略各主用戶準入機制的情況下，假設只有該SU參加感知，為該SU選定一個可令總效用最大化的PU作為初始的合作感知安排。
4.根據(jù)權利要求I所述的認知無線電中基于異構用戶高效節(jié)能的合作感知調度方法，其特征是，在第三步中，集中調整法調整合作感知調度方案的方法為由基站BS作為中心基站以一次調整一個SU的選擇的方式，對每個SU從當前選擇調整到其他可行選擇，形成了新的調度方案；通過計算新的調度方案的總效用，選出總效用增加最多的方案代替當前方案作為新的有效方案。
5.根據(jù)權利要求I所述的認知無線電中基于異構用戶高效節(jié)能的合作感知調度方法，其特征是，在第三步中，多寡頭調整法調整合作感知調度方案的方法為 基站之間相互通知初始化的合作感知調度方案； 一個BS代表一個I3U參與到調度計劃的協(xié)商中，在每輪迭代之前，代表I3U的BS將會首先進行隨機排序，BS按隨機順序進行調整； 每個BS對于SU的選擇的調整權力有限； 代表PUn的BS只能將那些在當前方案中之的SUm的選擇調整為<；=% ,即對那些在當前方案中狀態(tài)為感知該BS代表的PU的SU，BS可將其選擇調整為不感知； 代表PUn的BS只能將那些在當前方案中4 = 的SUm的選擇調整為<'= > ，即對那些在當前方案中狀態(tài)不感知的SU，代表PUn的BS可將其選擇調整為感知PUn ； 其中，PUn表示所有N個主用戶中的任意一個特定的主用戶(n e {1，2，...，N} )，SUm表示所有M個二級用戶中的任意一個特定的二級用戶(m={l，2，. . .，M} ), id,,,表示SUm的當前選擇，d/表示方案調整后SUm的選擇，乳表示SU在合作階段不進行感知，乳表示SU在合作階段感知PUn。
6.根據(jù)權利要求4或5所述的認知無線電中基于異構用戶高效節(jié)能的合作感知調度方法，其特征是，在第三步中，集中調整法、多寡頭調整法的調整方案的另一個條件為若所有新的調度方案都不能在當前方案的基礎上增加調度總效益，只要在不減少調度總效益的原則上，BS會將某個SUm的選擇從不感知的乳調整為感知某個PUn的％。
7.根據(jù)權利要求6所述的認知無線電中基于異構用戶高效節(jié)能的合作感知調度方法，其特征是，在每輪迭代之前，代表PU的SU將會首先進行隨機排序，BS按隨機順序進行調整。
全文摘要
本發(fā)明提供一種認知無線電中基于異構用戶高效節(jié)能的合作感知調度方法。包括主要步驟多個主用戶和多個二級用戶構成認知無線電網(wǎng)絡，基站收集網(wǎng)絡參數(shù)信息；合作感知調度方案的初始化，即按照優(yōu)化初始化方法初始化合作方案；根據(jù)優(yōu)化最大化的原則調整合作感知調度方案，即在初始化方案的基礎上，根據(jù)系統(tǒng)具體情況，按照集中調整法或多寡頭調整法調整合作方案；調整迭代直到調整后的合作方案相對調整前合作方案無變化。本發(fā)明一方面考慮到異構主用戶PU、異構二級用戶SU的實際條件，另一方面考慮到能耗高效性和感知準確性的折衷，所提供的算法能夠使用較短時間和較少計算，取得頻譜合作感知調度中的穩(wěn)定的全局次優(yōu)解答。
文檔編號H04W72/12GK102905381SQ201210359558
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月24日 優(yōu)先權日2012年9月24日
發(fā)明者黃新, 馮心欣, 邱航, 孫高飛, 田曉華, 楊峰, 王新兵 申請人:上海交通大學