一種認(rèn)知無線電系統(tǒng)中基于有效容量的資源分配方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種認(rèn)知無線電系統(tǒng)中基于有效容量的資源分配方法：認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的認(rèn)知用戶對信道進(jìn)行感知，根據(jù)感知結(jié)果確定認(rèn)知用戶的傳輸方案，根據(jù)所述傳輸方案得到認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的有效容量，并在平均功率受限的條件下，對所述有效容量進(jìn)行優(yōu)化，通過運(yùn)用梯度下降法求解優(yōu)化問題的對偶問題，得到最優(yōu)的功率分配策略，本發(fā)明與傳統(tǒng)的等功率方案進(jìn)行相比，使得系統(tǒng)的性能得到提升，以及使得系統(tǒng)的QoS的保障能力得到提高，在多信道情景下既能夠?yàn)檎J(rèn)知用戶提供可靠QoS保障，又能夠提高系統(tǒng)的頻譜利用率。
【專利說明】一種認(rèn)知無線電系統(tǒng)中基于有效容量的資源分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域中認(rèn)知無線電系統(tǒng)的資源分配方案設(shè)計(jì)，涉及一種認(rèn)知無線電系統(tǒng)中基于有效容量的資源分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于各種新型業(yè)務(wù)的興起，如電話視頻會(huì)議、智能業(yè)務(wù)等，頻譜資源成為一種緊缺資源。近幾年出現(xiàn)的鏈路自適應(yīng)技術(shù)、多天線技術(shù)等雖然能提高頻譜利用率，但是研究表明，一些授權(quán)頻段，尤其是信號(hào)傳播特性比較好的低頻段頻譜利用率極低。為了提高頻譜利用率，在不同區(qū)域和不同時(shí)段能有效利用空閑的授權(quán)頻段，認(rèn)知無線電受到越來越多的關(guān)注。認(rèn)知無線電的基本思想是在不對授權(quán)用戶產(chǎn)生有害干擾的前提下，認(rèn)知用戶擇機(jī)接入授權(quán)頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。認(rèn)知無線電是一種智能頻譜共享技術(shù)，被認(rèn)為是解決頻譜資源緊缺、提高頻譜利用率的有效途徑。
[0003]在無線通信系統(tǒng)中，有效保障用戶的服務(wù)質(zhì)量(QoS)有非常重要的意義。但是由于無線信道的衰落特性和突發(fā)噪聲等影響使得無線通信無法像有線通信那樣為用戶提供絕對的QoS，只能提供統(tǒng)計(jì)意義上的QoS。在認(rèn)知無線電系統(tǒng)中，由于認(rèn)知用戶的發(fā)射功率是取決于授權(quán)用戶是否占用頻段傳輸數(shù)據(jù)，這樣就增加了保障認(rèn)知用戶的QoS的難度?，F(xiàn)有的認(rèn)知無線電系統(tǒng)中保障認(rèn)知用戶的QoS的技術(shù)，比如頻譜決策、頻譜轉(zhuǎn)移等，都是定性的以認(rèn)知用戶的通信是否被中斷來衡量認(rèn)知用戶的QoS是否得到保障。頻譜轉(zhuǎn)移可以分為被動(dòng)式頻譜轉(zhuǎn)移和主動(dòng)式頻譜轉(zhuǎn)移:被動(dòng)式頻譜轉(zhuǎn)移是指在授權(quán)用戶需要進(jìn)行通信時(shí)，認(rèn)知用戶就必須退出該授權(quán)頻段，重新進(jìn)行頻譜感知，接入到其他空閑頻段，被動(dòng)式頻譜轉(zhuǎn)移會(huì)造成認(rèn)知用戶通信的暫時(shí)中斷，導(dǎo)致QoS指標(biāo)惡化；主動(dòng)式頻譜轉(zhuǎn)移是指認(rèn)知用戶在通信的同時(shí)不斷進(jìn)行頻譜感知，一旦授權(quán)用戶出現(xiàn)，就立即轉(zhuǎn)移到其他空閑頻段上繼續(xù)通信，從而實(shí)現(xiàn)無縫轉(zhuǎn)移，這種方法雖然保障了認(rèn)知用戶的QoS，但是極大的增加了信令和網(wǎng)絡(luò)開銷。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中提出了一種定量的分析無線衰落通信系統(tǒng)中用戶的統(tǒng)計(jì)QoS保障的方案，其利用有效容量的概念，通過具體的QoS指標(biāo)，例如時(shí)延違約率，來研究用戶統(tǒng)計(jì)QoS保障的問題，以及無線通信系統(tǒng)中用戶對任意QoS要求的時(shí)延業(yè)務(wù)的服務(wù)能力的問題。
[0005]現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)中的資源分配算法大都不考慮時(shí)延QoS要求或者只考慮非常嚴(yán)格和非常寬松的QoS要求的情況。因此，研究能夠?yàn)闊o線通信系統(tǒng)提供不同要求的QoS保障的資源分配算法是非常有意義的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種認(rèn)知無線電系統(tǒng)中基于有效容量的資源分配方法。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案。
[0008]第一步，認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的認(rèn)知用戶對信道進(jìn)行感知，判斷是否有授權(quán)用戶正在使用信道，若檢測到有授權(quán)用戶使用信道，則認(rèn)知用戶不接入授權(quán)信道進(jìn)行通信；若檢測到?jīng)]有授權(quán)用戶使用信道，則認(rèn)知用戶可以接入授權(quán)頻段進(jìn)行通信；
[0009]第二步，根據(jù)第一步的感知結(jié)果確定認(rèn)知用戶的傳輸方案:若感知結(jié)果為授權(quán)用戶正在使用信道，為了避免認(rèn)知用戶對授權(quán)用戶產(chǎn)生有害干擾，此時(shí)認(rèn)知用戶不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，即此時(shí)認(rèn)知用戶的發(fā)射功率和傳輸速率為O ;若感知結(jié)果為授權(quán)用戶不使用信道，則認(rèn)知用戶接入頻段，以較大的發(fā)射功率和傳輸速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；
[0010]第三步，根據(jù)所述傳輸方案得到認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的有效容量，并在平均功率受限的條件下，對所述有效容量進(jìn)行優(yōu)化，通過運(yùn)用梯度下降法求解原優(yōu)化問題的對偶問題，得到最優(yōu)的功率分配策略。
[0011]所述第一步具體包括以下步驟:
[0012]考慮一個(gè)認(rèn)知無線電系統(tǒng)，該系統(tǒng)含有一個(gè)認(rèn)知用戶，M個(gè)子信道，M ^ 2，信道模型為瑞利衰落信道且為塊衰落，M個(gè)子信道獨(dú)立進(jìn)行信道感知，互不干擾，認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的幀長為T，每一幀的前N長時(shí)間認(rèn)知用戶進(jìn)行信道感知，根據(jù)奈曼皮爾遜準(zhǔn)則將信道感知建模為假設(shè)檢驗(yàn)問題，并且根據(jù)信道被授權(quán)用戶占用的先驗(yàn)概率，結(jié)合虛警概率和檢測概率得到22M種可能出現(xiàn)的狀態(tài)的概率表達(dá)式。
[0013]所述第二步中，認(rèn)知用戶根據(jù)第一步得到的感知結(jié)果選擇相應(yīng)的傳輸方案，若感知結(jié)果為授權(quán)用戶不使用信道，則認(rèn)知用戶接入頻段，同時(shí)，確定相應(yīng)的功率分配策略函數(shù)以及瞬時(shí)傳輸速率，并在剩下的T-N長時(shí)間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的幀長為T，每一幀的前N長時(shí)間認(rèn)知用 戶進(jìn)行信道感知。
[0014]所述第三步中的有效容量表示為:
[0015]
【權(quán)利要求】
1.一種認(rèn)知無線電系統(tǒng)中基于有效容量的資源分配方法，其特征在于:包括以下步驟: 第一步，認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的認(rèn)知用戶對信道進(jìn)行感知，判斷是否有授權(quán)用戶正在使用信道； 第二步，根據(jù)第一步的感知結(jié)果確定認(rèn)知用戶的傳輸方案:若感知結(jié)果為授權(quán)用戶正在使用信道，此時(shí)認(rèn)知用戶不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，認(rèn)知用戶的發(fā)射功率和傳輸速率為O ;若感知結(jié)果為授權(quán)用戶不使用信道，則認(rèn)知用戶接入頻段，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸； 第三步，根據(jù)所述傳輸方案得到認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的有效容量，并在平均功率受限的條件下，對所述有效容量進(jìn)行優(yōu)化，通過運(yùn)用梯度下降法求解優(yōu)化問題的對偶問題，得到最優(yōu)的功率分配策略。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種認(rèn)知無線電系統(tǒng)中基于有效容量的資源分配方法，其特征在于: 認(rèn)知無線電系統(tǒng)含有一個(gè)認(rèn)知用戶，M個(gè)子信道，M ^ 2，信道模型為瑞利衰落信道且為塊衰落，M個(gè)子信道獨(dú)立進(jìn)行信道感知，互不干擾，認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的幀長為T，每一幀的前N長時(shí)間認(rèn)知用戶進(jìn)行信道感知，根據(jù)奈曼皮爾遜準(zhǔn)則將信道感知建模為假設(shè)檢驗(yàn)問題，并且根據(jù)信道被授權(quán)用戶占用的先驗(yàn)概率，結(jié)合虛警概率和檢測概率得到22M種可能出現(xiàn)的狀態(tài)的概率表達(dá)式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種認(rèn)知無線電系統(tǒng)中基于有效容量的資源分配方法，其特征在于:所述第二步中，認(rèn)知用戶根據(jù)第一步得到的感知結(jié)果選擇相應(yīng)的傳輸方案，若感知結(jié)果為授權(quán)用戶不使用信道，則認(rèn)知用戶接入頻段，同時(shí)，確定相應(yīng)的功率分配策略函數(shù)以及瞬時(shí)傳輸速率，并在T-N長時(shí)間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的幀長為T,每一幀的前N長時(shí)間認(rèn)知用戶進(jìn)行信道感知。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種認(rèn)知無線電系統(tǒng)中基于有效容量的資源分配方法，其特征在于:所述第三步中的有效容量表示為:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種認(rèn)知無線電系統(tǒng)中基于有效容量的資源分配方法，其特征在于:當(dāng)子信道數(shù)為2時(shí)，有效容量的優(yōu)化方法包括以下步驟:將優(yōu)化問題建模為在系統(tǒng)平均功率受限的條件下最大化系統(tǒng)的有效容量，具體表示為:
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種認(rèn)知無線電系統(tǒng)中基于有效容量的資源分配方法，其特征在于:利用梯度下降法求解對偶問題包括以下具體步驟: 步驟1:初始化設(shè)置: 令迭代次數(shù)t = 1，并設(shè)置對偶函數(shù)的初始值D(°)以及拉格朗日乘子的初始值λ to); 步驟2:更新優(yōu)化變量:
【文檔編號(hào)】H04W16/14GK103997743SQ201410191077
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月7日
【發(fā)明者】呂剛明, 張培, 李國兵, 張國梅 申請人:西安交通大學(xué)