一種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中基于雙層單調(diào)性優(yōu)化的功率控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，一種基于雙層單調(diào)性優(yōu)化算法而進(jìn)行的最優(yōu)功率 控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著移動(dòng)數(shù)據(jù)服務(wù)的快速增長，可用頻譜資源的有限性使得頻譜擁塞的問題日益 突出。動(dòng)態(tài)頻譜接入（DSA)，作為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中傳統(tǒng)的固定頻譜分配方法的有效補(bǔ)充，通過智 能化地重復(fù)利用未授權(quán)系統(tǒng)（Primary System-PS)或是授權(quán)用戶（Primary User-PU)充分 利用的授權(quán)頻譜資源，使得非授權(quán)用戶（Secondary User-SU)能夠適時(shí)地接入PU的授權(quán)頻 譜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而使得頻譜利用率得到有效的提升。DSA以其優(yōu)越性，被認(rèn)為是一種能 夠?qū)崿F(xiàn)靈活變通的，并且能夠響應(yīng)時(shí)下需求的頻譜供給方式之典范，前景廣闊。然而，DSA網(wǎng) 絡(luò)中進(jìn)行頻譜共享時(shí)，在PU服務(wù)于SUs的同時(shí)會不可避免的產(chǎn)生干擾，其中包括：1)PU與 SUs之間的同信道干擾2)不同的SUs之間的相互干擾。為了在保障PU的QoS前提下服務(wù) 于SUs以獲得額外的收益，在設(shè)計(jì)頻譜共享方案的過程中，合理地進(jìn)行資源分配與干擾管 理是非常有必要的。然而以上所述的干擾往往會使得問題具有非凸優(yōu)化的問題而變得很難 解決，因而提出一種在保障的QoS同時(shí)最大化PU的凈收益的有效且高效的優(yōu)化方法是 有意義的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了保證頻譜共享能夠優(yōu)化DSA網(wǎng)絡(luò)中的頻譜資源配置，本發(fā)明考慮包括PU與 SUs之間以及不同SUs之間的兩部分干擾，提出了一種在PU的QoS得到保障的同時(shí)，通過 最大化PU的凈收益以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的功率控制方法。所提出的功率控制算法具有兩層結(jié)構(gòu)， 在降低了計(jì)算復(fù)雜度的同時(shí)提高了該方法的有效性以及高效性。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0005] -種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中基于雙層單調(diào)性優(yōu)化的功率控制方法，所述控制方法包括以 下步驟：
[0006] (1)在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，通過授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶SUs的發(fā)送功率控制，在 考慮包括PU與SUs之間以及不同SUs之間的兩部分干擾的同時(shí)，保證PU的QoS的情況下 最大化PU的凈收益的優(yōu)化問題描述為如下所示的非凸性優(yōu)化問題：
[0007] PI ：max2sE Q a s Rs-0 (p〇-p〇min)
[0008]
[0009]
[0010]
[0011]
[0012]
個(gè)SUs的吞吐量，
）表示PU的上行鏈路吞吐量，
}表示的是所有非授權(quán)用戶（SUs)的集合；
[0013] 在問題P1中，各個(gè)參數(shù)定義如下：
[0014] a s:對于每個(gè)SU s實(shí)現(xiàn)的單位吞吐量PU進(jìn)行收費(fèi)的邊際系數(shù)；
[0015] 的邊際功率消耗代價(jià)，單位為$/Watt;
[0016] Rs:每個(gè)SU s的吞吐量；
[0017] p〇:PU的發(fā)送功率；
[0018] 的最小傳輸功率消耗；
[0019] n:背景噪聲功率；
[0020] qs: SUs的發(fā)送功率；
[0021] gsB: SU-Tx與BS之間的信道功率增益；
[0022] gQB: PU-Tx與BS之間的信道功率增益；
[0023] :每個(gè)SU s的吞吐量要求；
[0024] P〇max : 的發(fā)送功率上限；
[0025] ; SU的最大傳輸功率上限；
[0026] gQs: PU-Tx與SU-Rx s之間的信道功率增益；
[0027] gss: SU-Tx s與SU-Rx s之間的信道功率增益；
[0028]gjs: SU-Tx j與SU-Rx s之間的信道功率增益；
[0029] 信道的帶寬；
[0030] 參數(shù)符號中出現(xiàn)的上標(biāo)表示參數(shù)在優(yōu)化問題中的最優(yōu)值；
[0031] (2)用公式
約束條 件中的Rs展開，約束條件的第二項(xiàng)等價(jià)于
，其中
題P1的決策變量就轉(zhuǎn)化為Pc以及{q s} SE。，用Pi和分別表示 問題P1的最優(yōu)解；
[0032] (3)判斷問題（P1)的可行性，將公
中的P。 用{qJsE。代換，從而將該不等式重新表示成如下的一組線性約束：
[0033]
[0035] 用M表不一個(gè)SXS矩陣，S表不Q中SUs的總數(shù)，M中的項(xiàng)表不如下：
[0034]
[0036]
[0037] 此外，還定義SX1的向量u，其中的每一項(xiàng)表示為
[0038]
[0039] 令向量f表示SUs能夠滿足上述線性約束條件的傳輸功率的集合；記條件C1 : VS{公以及條件C2 :定義矩陣M的頻譜半徑，P (M) =max {| A | | A是M的特征值}，滿足P (M)〈1 ;如果條件C1與C2能夠滿足，那么 | (I - 其中I表示SXS的單位矩陣；向量f即（{qs}sE )的每一個(gè)元素表示著 每個(gè)SU s的最小傳輸功率，SUs的每一項(xiàng){ 0 s} sE 均滿足要求，進(jìn)一步從{q s} sE 中推出 PU的最小傳輸功率狗:=0〇n+1：s, qsdsB,然后得到問題P1可行的充分條件即條件C3 : 分m
[0040] (C3):
[0041] ⑷問題（P1)的垂直分層
[0042] 由于在實(shí)現(xiàn)問題P1的優(yōu)化時(shí)總笮
％也就是說，PU在滿足了 吞吐量要求的同時(shí)無需再消耗更多地傳輸功率，問題P1垂直分解為兩層結(jié)構(gòu)，分別為問題 (P1-底層）與問題（P1-頂層），在底層問題中首先固定HJ的傳輸功率p。，相應(yīng)的，底層問 題變?yōu)樵诮o定HJ的傳輸功率p。的情況下優(yōu)化SUs的傳輸功率q s;
[0043]
[0044]
[0045]
[0046]
[0047]通過在底層中計(jì)算F(p。）的值，將F(p。）的值代入到頂層問題從而優(yōu)化PU的傳輸 功率；
[0048] (PI-頂層）
[0049]其中
[0050] (5)判斷問題（P1-底層）的可行性
[0051]當(dāng)p。確定時(shí)，為了滿足{0s}sE，SUs的功率需要能夠滿足公式
，vs e n，相當(dāng)于求解方程
L，用N表示一個(gè)SXS矩陣，S表示Q中SUs 的總數(shù)，N中的項(xiàng)表示如下：
[0052] V
[0053] 此外，還定義SX 1的向量v與向量w，其中的每一項(xiàng)分別表示為
[0054]
[0055]
[0056] 因而SUs滿足其各自的吞吐量需求{0S}SE 的發(fā)送功率表示為
[0057]
[0058]當(dāng)pQ>o時(shí)，奪(p〇)中的項(xiàng)是非負(fù)的，看出$(p〇) S Qfax時(shí)，問題（P1-底 層）是可行的；用（X)s來表示向量X的第S項(xiàng)，將
代入不等;！
則能夠進(jìn)一步明確問題（P1-底層）在Pc滿 HQB 足不等式
該不等式的右邊表示p。的下界，記 作E，同時(shí)，通過將療(p〇) =(I-N)-Rv+、vp")與扣!^ax}sefis相比較，可求 解Pc的上界，
其中Q max表示SX 1的向量，表示為
將P。的上界記為尹，因而得出問題（P1-底層）可行的 充分條件為
[0059]
[0060] (6)問題（P1-底層）的求解，針對底層問題，采用基于單調(diào)性優(yōu)化的功率控制算 法，過程如下：
[0061] 步驟6. 1 :引入輔助變量非授權(quán)用戶的信噪比
[0062]
，將底層問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)關(guān)于非授權(quán)用戶 信噪比ys的單調(diào)性優(yōu)化問題；
[0065] 步驟6. 2 :設(shè)置初始最優(yōu)非授權(quán)用戶信噪比集合％ = 其中
S，設(shè)置當(dāng)前的迭代次數(shù)k = 1 ;
[0066] 步驟6. 3 :針對當(dāng)前的最優(yōu)非授權(quán)用戶信噪比集合％:,，計(jì)算集合中所有元素的目 標(biāo)函數(shù)值:Esen%VVlog 2 (1 + #)，記錄其中最大的目標(biāo)函數(shù)值對應(yīng)的點(diǎn)為zk;
[0067] 步驟6. 4 :根據(jù)對分法計(jì)算原點(diǎn)與zk的連線與沒的交點(diǎn)nf;
[0068] 步驟6. 5 :如_
則算法終止，轉(zhuǎn)至步驟6. 9 ;否則轉(zhuǎn)至步驟 6. 6 ；
[0069] 步驟6. 6 :根據(jù)公式g -（一 一 i = 1,2,3,…S計(jì)算出S個(gè)新的非 授權(quán)用戶信噪比的可選最優(yōu)解，其中61是S個(gè)相互正交的單位向量；
[0070] 步驟6.7 :利用步驟6. 6中計(jì)算出的S個(gè)可選最優(yōu)解代替zk以更新當(dāng)前的最優(yōu)非 授權(quán)用戶信噪比集合，記該集合為Tk+1
[0071] 步驟6. 8 :設(shè)置迭代次數(shù)k = k+1，進(jìn)入下一次循環(huán)，返回步驟6. 2 ;
[0072] 步驟6. 9:算法終止，退出算法循環(huán)，輸出非授權(quán)用戶信噪比最優(yōu)解{yi}為當(dāng)前集 合中目標(biāo)函數(shù)值最大的信噪比；
[0073] 步驟6. 10 :根據(jù)公j
I置S維向量r，根據(jù)公式q>N= (I-N) i計(jì) &SS 算最佳非授權(quán)用戶發(fā)射功率，其中矩P
[0074] 步驟6. 11:根據(jù)公無
-算在固定P。的情況下 的底層最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值供頂層使用；
[0075] (7)閾值Pth的求解，根據(jù)問題（P1-底層）的性質(zhì)，能夠發(fā)現(xiàn)[￡,用上存在一個(gè)特 殊的閾值Pth，當(dāng)￡彡P(guān) c彡P(guān) th時(shí)，不等式
&才得以成立，因而求解該閾值 Pth能夠很大程度上縮小最優(yōu)解的搜索域，求解過程如下：
[0076] 步驟7. 1 :初始化設(shè)置，設(shè)置兩個(gè)接近于0的很小的正數(shù)作為允許的計(jì)算誤差，分 另|J記為n以及e，令^ =朽
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