一種協(xié)作認知網(wǎng)絡中公平且能效高的聯(lián)合資源分配方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種協(xié)作認知網(wǎng)絡中公平且能效高的聯(lián)合資源分配方法，屬于無線通 信技術領域。
【背景技術】
[0002] 隨著無線應用程序和設備的不斷增多，如何滿足日益增長的無線電頻譜需求該個 嚴峻的問題引起了廣泛關注。此外，美國聯(lián)邦通訊委員會（FCC)還報道了目前存在授權頻 譜使用效率很低的問題。
[0003] 為了解決存在的該些問題，近年來，認知無線電（CR)技術逐漸發(fā)展起來。因為它 可W通過允許次要用戶自動感知、獲取主要用戶空閑頻譜且不引進干擾的方式來提高網(wǎng)絡 中頻譜利用效率，該是一口很有前景的技術。該種次要用戶協(xié)助主要用戶達到目標速率，同 時次要用戶也能享用已授權頻譜的網(wǎng)絡即協(xié)作認知網(wǎng)絡。在協(xié)作通信中，如何增強無線網(wǎng) 絡的表現(xiàn)性能（吞吐量）是個亟需解決的問題。因此，人們提出了資源分配的方案來最大 化協(xié)作網(wǎng)絡的吞吐量。
[0004] 最近，文獻中報道了許多與資源分配有關的工作，該些工作都致力于提高整個網(wǎng) 絡系統(tǒng)的能效性，而將未考慮次要用戶之間的公平性。有一部分工作考慮了次要用戶之間 的公平性，但是網(wǎng)絡環(huán)境卻不同。"EfficientResourceAllocationforCo即itiveRadio NetworkswithCooperativeRelays"(基于協(xié)作中繼的認知無線電網(wǎng)絡的有效資源分配） 【IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,vol. 31,no. 11,pp. 2432-2441, Nov. 2013.】一文中討論了在協(xié)作認知網(wǎng)絡中能效較高的資源分配方式，它只注重如何使次 要系統(tǒng)的資源分配更有效率，而忽略了次要用戶之間的公平性。目前，查閱到的資料中，仍 然沒有在協(xié)作認知網(wǎng)絡中分配資源時考慮用戶公平性的先例。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了彌補現(xiàn)有研究存在的不足，本發(fā)明提供了一種協(xié)作認知網(wǎng)絡中公平且能效高 的聯(lián)合資源分配方法。在規(guī)劃最優(yōu)問題時采用了效用函數(shù)，不但可W能效高的分配次要用 戶的資源，還能保證次要用戶間的公平性。
[0006] 本發(fā)明的技術方案如下：
[0007] 一種協(xié)作認知網(wǎng)絡中公平且能效高的聯(lián)合資源分配算法，由W下協(xié)作認知無線電 系統(tǒng)來實現(xiàn)；該系統(tǒng)包括主要系統(tǒng)和次要系統(tǒng)兩部分，主要系統(tǒng)由主要用戶發(fā)射端PT、主 要用戶接收端PR組成，次要系統(tǒng)由N對次要用戶發(fā)射端ST。和次要用戶接收端SR。組成，其 中nGU，表示第n個次要用戶，集合U= {1，2, 3,. . .，N}，次要系統(tǒng)在主要系統(tǒng)運作過程中 作為其中繼，協(xié)助其傳輸信號，中繼模式為DF值ecode-and-Forward);本系統(tǒng)中共N個次要 用戶，1(個子載波，設子載波集合8={1，2,3，...，口，設丫^，丫。^1，丫。，^和丫。^3分別為 分別為主要用戶發(fā)射端對主要用戶接收端、主要用戶發(fā)射端對第n個次要用戶發(fā)射端、第n 個次要用戶發(fā)射端對主要用戶接收端和第n個次要用戶發(fā)射端對第n個次要用戶接收端鏈 路的信道功率增益，其中kGS，表示第k個子載波，nGU，各鏈路對應的信號發(fā)射功率分 別為Pk,。，Pk,。，Pn,k,2和Pn,k,3;該公平且能效高的聯(lián)合資源分配方法的具體步驟如下：
[000引 1)計算主要系統(tǒng)的平均速率
[0009] 第一傳輸階段，主要用戶發(fā)射端通過K個子載波發(fā)射信號至主要用戶接收端，該 時所有的次要用戶發(fā)射端均能監(jiān)聽到信號，每個次要用戶發(fā)射端接收子載波集合表示為 蜂，滿足呢媽=S，其中符號U表示對集合蜂鳴，…，嗎求并集，因此，主要用戶發(fā)射端 至各次要用戶發(fā)射端的平均速率可表示為：
[0010]
【主權項】
1. 一種協(xié)作認知網(wǎng)絡中公平且能效高的聯(lián)合資源分配方法，由以下協(xié)作認知無線電系 統(tǒng)來實現(xiàn)：該系統(tǒng)包括主要系統(tǒng)和次要系統(tǒng)兩部分，主要系統(tǒng)由主要用戶發(fā)射端PT、主要 用戶接收端PR組成，次要系統(tǒng)由N對次要用戶發(fā)射端STn和次要用戶接收端SRn組成，其中 neU，表示第n個次要用戶，集合U= {1，2, 3,...，N}，次要系統(tǒng)在主要系統(tǒng)運作過程中作 為其中繼，協(xié)助其傳輸信號，中繼模式為DF;本系統(tǒng)中共N個次要用戶，K個子載波，設子載 波集合S= {1，2, 3,. . .，K}，設yk，Q、y&U、yn，k，^Ryn，k，3分別為主要用戶發(fā)射2而對主要用 戶接收端、主要用戶發(fā)射端對第n個次要用戶發(fā)射端、第n個次要用戶發(fā)射端對主要用戶接 收端和第n個次要用戶發(fā)射端對第n個次要用戶接收端鏈路的信道功率增益，其中keS， 表不第k個子載波，nGU，各鏈路對應的信號發(fā)射功率分別為pk>(l，pk>(l，pn，k，dPpn，k，3;該方 法的具體步驟如下： 1) 計算主要系統(tǒng)的平均速率 第一傳輸階段，主要用戶發(fā)射端通過K個子載波發(fā)射信號至主要用戶接收端，這時所 有的次要用戶發(fā)射端均能監(jiān)聽到信號，每個次要用戶發(fā)射端接收子載波集合表示為ni，滿 足= '其中符號u表示對集合Q丨，求并集，因此，主要用戶發(fā)射端至各次 要用戶發(fā)射端的平均速率可表示為：
(1) 其中符號E□是對括號中的部分求數(shù)學期望，符號2表示對其上下標所限制的范圍內(nèi) 進行求和； 第二傳輸階段，次要用戶發(fā)射端對接收的信號進行重新編碼并重傳，因此之前分配 的子載波也被打亂重新分配，重新分配后的子載波集合表示為，滿足=^，其中 表示第n個次要用戶發(fā)射端用來給主要用戶接收端傳送信號使用的子 載波集合，而表示剩余的用來給第n個次要用戶接收端傳送信號的子載波集合，設集合 因此，主要用戶接收端處的平均速率可以表示為：
因此，在次要系統(tǒng)協(xié)作之下的主要系統(tǒng)的平均速率可以表示為： RP=min{R1；R2} (3) 其中min{}是對括號中部分取最小值； 2) 計算次要系統(tǒng)的平均速率與次要用戶的平均功率 次要系統(tǒng)的平均速率可以表示為： 次要用戶的平均發(fā)射功率可以表示為： (4) (5) 3) 引入效用函數(shù) 為了能使次要用戶之間分配的資源更公平，我們引入了效用函數(shù)，采用的效用函數(shù)定 義如下：
(6) 其中，g指的是每個次要用戶的平均功率，參數(shù)0彡〇,隨著0的增加，次要用戶之間 的資源分配會變得越來越公平； 4) 確定優(yōu)化問題 以次要用戶平均功率的效用函數(shù)為目標函數(shù)，速率、功率限制條件為約束條件，構造如 下優(yōu)化問題：
其中％1;，1，％1;，2，％ 1;，3表示的是子載波分配，之前在式（1)、（2)、（4)、（5)中，用了集 合D!、Df_Q,)表示子載波分配，為了方便，我們定義了符號an，kl，ank2,an，k3e[〇，1]， 當分eD丨，時，ankl= 1，當hD!時，an，kl=〇 ;當teDf時，an，k，2= 1，當 時，an，k，2 =0 ;當時，an，k，3= 1，當〖時，an，k，3= 〇 ;符號加表示對于所有的n都要滿足 條件；（7)式中的subjectto符號及其后面的式子表示為約束式，subjectto表示為約束 符號，符號minimize表示求最小值符號，（7)式表示在約束式中對主要系統(tǒng)速率、次要系統(tǒng) 速率及次要用戶功率進行限制的條件下，求解目標函數(shù)即符號minimize后的部分的最小 值，該最小化問題在下面的描述中也稱為原問題； 5) 求解優(yōu)化問題 經(jīng)驗證，上述優(yōu)化問題的目標函數(shù)是凸的，因此上述優(yōu)化問題存在唯一的最優(yōu)解，利用 拉格朗日對偶理論，可以建立起原最小化問題即原問題與一個最大化問題即對偶問題之間 的關聯(lián)關系，我們研宄的原問題具有強對偶性，因此可以通過求解對偶問題而得到原問題 的最優(yōu)值，原問題的對偶函數(shù)為：
其中A: = {A,e,y, 6}是對偶因子，其中符號：=表示定義，A，e，y，S表示（7) 中四個限制條件的對偶因子，對偶函數(shù)對應的對偶問題如下： maximize :D(A) (9) subject to: A多0 即在對偶因子A多〇的約束條件下，通過優(yōu)化A求解目標函數(shù)即對偶函數(shù)D(A)的 最大值，已知原問題具有強對偶性，所以通過對偶問題（9)式求得的最優(yōu)值即為原問題的 最優(yōu)值，求解對偶問題最關鍵之處在于求解最優(yōu)的對偶因子A% 的求解過程具體如下： A) 設置初始迭代次數(shù)t= 0,對偶因子初始值A(0)為非負實數(shù)； B) 當?shù)螖?shù)為t時，用A(t)表示當前更新的對偶因子，基于當前對偶因子A(t)求 解對偶函數(shù)公式（8)，得到對應的最優(yōu)次要用戶發(fā)射功率以及最優(yōu)子載波分配 an,k,l!an,t,2 f an,k.i； C) 采用以下4式分別更新4種對偶因子：
其中符號[]+表示□中的部分取非負值，s_A⑴、s_e⑴、s_y⑴、s_Sn(t)表示 相應對偶因子對應的迭代步長，t為迭代次數(shù)； D) 令A#=A(t+1)，若A#滿足預定義的數(shù)據(jù)精度，則輸出最優(yōu)對偶因子A%否則，令 t=t+1，跳轉(zhuǎn)至步驟B)，繼續(xù)迭代，直到滿足預定義的數(shù)據(jù)精度； 6)求得公平且最優(yōu)的次要用戶平均功率 設置效用函數(shù)參數(shù)0的值，并且將得到的最優(yōu)對偶因子起帶入對偶函數(shù)公式 (8)中得到公平且最優(yōu)的次要用戶平均功率戸、
【專利摘要】一種協(xié)作認知網(wǎng)絡中公平且能效高的聯(lián)合資源分配方法，屬于無線通信技術領域。在協(xié)作認知網(wǎng)絡中，次要系統(tǒng)協(xié)助主要系統(tǒng)達到其目標速率，同時次要系統(tǒng)利用空閑子載波傳輸自己的信號。該資源分配方法不但將次要系統(tǒng)的功率分配與子載波分配聯(lián)合起來優(yōu)化分配，達到能效高的目的，且同時可以平衡次要用戶之間的公平性，填補了在協(xié)作認知網(wǎng)絡中資源分配考慮用戶間公平性的空白。
【IPC分類】H04W72-04, H04L5-00
【公開號】CN104702395
【申請?zhí)枴緾N201510135170
【發(fā)明人】馬丕明, 孫程, 馬艷波
【申請人】山東大學
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年3月26日