認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中面向授權(quán)用戶安全傳輸?shù)墓β史峙浞椒?br>【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中面向授權(quán)用戶安全傳輸?shù)墓β史峙浞椒?。根?jù)信道占用狀況及感知結(jié)果，系統(tǒng)有四種狀態(tài)。在每一種狀態(tài)，計(jì)算了認(rèn)知用戶的傳輸速率及授權(quán)用戶的安全傳輸速率及其安全中斷概率。在授權(quán)用戶安全中斷概率的約束下，最大化認(rèn)知用戶的平均傳輸速率，得到每一種系統(tǒng)狀態(tài)的功率分配。與對(duì)比方案相比，所提方案可以提高了認(rèn)知用戶的傳輸速率，同時(shí)保證授權(quán)用戶的安全傳輸。
【專利說(shuō)明】
認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中面向授權(quán)用戶安全傳輸?shù)墓β史峙浞椒?br>技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及認(rèn)知用戶功率分配及授權(quán)用戶安全傳輸方案 設(shè)計(jì)，具體涉及一種認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中面向授權(quán)用戶安全傳輸?shù)墓β史峙浞椒ā?br>【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無(wú)線設(shè)備及無(wú)線傳輸需求的增加，可用無(wú)線頻譜資源越來(lái)越短缺。然而傳統(tǒng) 的固定頻譜分配方案沒(méi)有考慮到用戶在空間和時(shí)間上使用頻譜的差異，造成了頻譜資源的 浪費(fèi)。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)允許沒(méi)有授權(quán)頻譜的認(rèn)知用戶使用空閑或未被充分利用的無(wú)線頻譜 資源，從而提高頻譜利用率。
[0003] 在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，認(rèn)知用戶采用頻譜感知的方法獲得頻譜機(jī)會(huì)。但是由于感 知錯(cuò)誤的存在，認(rèn)知用戶的性能受到了很大的影響?？紤]到認(rèn)知用戶的傳輸也可以干擾到 授權(quán)用戶的竊聽(tīng)端，保護(hù)了授權(quán)用戶的安全傳輸。因而，授權(quán)用戶可以允許一定概率的感知 錯(cuò)誤存在，來(lái)?yè)Q取認(rèn)知用戶的協(xié)助安全傳輸。通過(guò)最優(yōu)的分配認(rèn)知用戶的功率，授權(quán)用戶的 安全性能得到保證，并且認(rèn)知用戶的傳輸速率得以提升。
[0004] 通過(guò)認(rèn)知用戶的協(xié)助，授權(quán)用戶安全性能得到保證。因而授權(quán)用戶允許一定的感 知錯(cuò)誤概率的存在，因此相對(duì)于已有方案，認(rèn)知用戶的傳輸速率得以提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中面向授權(quán)用戶安全傳輸?shù)墓β史峙?方法，該方法能有效提高認(rèn)知用戶的傳輸速率，同時(shí)保證授權(quán)用戶的安全傳輸。
[0006] 本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0007] 認(rèn)知用戶采用Overlay方案接入信道，在授權(quán)用戶安全中斷概率約束下，最優(yōu)的分 配功率，具體實(shí)施步驟如下：
[0008] 1)認(rèn)知用戶首先對(duì)信道進(jìn)行感知，根據(jù)感知結(jié)果，得到四種系統(tǒng)狀態(tài)；
[0009] 2)針對(duì)每一種系統(tǒng)狀態(tài)，計(jì)算授權(quán)用戶的安全速率和認(rèn)知用戶的傳輸速率，根據(jù) 四種系統(tǒng)狀態(tài)分析，得到認(rèn)知用戶的平均傳輸速率以及授權(quán)用戶的安全平均安全中斷概 率；
[0010] 3)在授權(quán)用戶平均安全中斷概率的約束下，最優(yōu)分配認(rèn)知用戶傳輸功率以最大化 認(rèn)知用戶的平均傳輸速率并得到相應(yīng)的優(yōu)化問(wèn)題，針對(duì)此優(yōu)化問(wèn)題，采用對(duì)偶分解的算法 進(jìn)行求解并得到最優(yōu)的傳輸功率；
[0011]認(rèn)知用戶首先對(duì)信道進(jìn)行感知，根據(jù)感知結(jié)果，得到四種系統(tǒng)狀態(tài)，具體實(shí)施步驟 如下：
[0012]采用能量檢測(cè)方法對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，其虛警概率及檢測(cè)概率為：
[0014] 其中
，Y為接收信噪比，fs為采樣頻率，e為檢測(cè)門限，〇 2 = 1 為噪聲方差，根據(jù)感知結(jié)果和信道狀態(tài)使用情況，系統(tǒng)共有四種狀態(tài)，分別為:頻譜空閑且 檢測(cè)為空閑;頻譜占用但檢測(cè)為空閑;頻譜空閑但檢測(cè)為占用;頻譜占用且檢測(cè)為占用；
[0015] 針對(duì)每一種系統(tǒng)狀態(tài)，計(jì)算授權(quán)用戶的安全速率和認(rèn)知用戶的傳輸速率，根據(jù)四 種系統(tǒng)狀態(tài)分析，得到認(rèn)知用戶的平均傳輸速率以及授權(quán)用戶的安全平均安全中斷概率， 具體實(shí)施步驟如下：
[0016] 1)狀態(tài)0:信道空閑且檢測(cè)空閑，其概率為
[0017] P〇 = P(Ho)(l-pf)
[0018]其中Ho表示此時(shí)信道為空閑，P (Ho)表示信道空閑的概率，此時(shí)認(rèn)知用戶接入網(wǎng)絡(luò) 獲得的傳輸速率為
[0019] =(r-r)log: (l +
[0020] 其中；^u)表示認(rèn)知用戶在狀態(tài)0的傳輸功率，gsa表示認(rèn)知用戶發(fā)送端到接收端的信 道功率增益，此時(shí)授權(quán)用戶的安全速率為零；
[0021] 2)狀態(tài)1:信道占用但檢測(cè)為空閑，其概率為：
[0022] Pi = P(Hi)(l-pd)
[0023]其中壓表示此時(shí)信道為空閑，P(ft)表示信道空閑的概率，此時(shí)的傳輸速率為：
[0025]其中表示認(rèn)知用戶在狀態(tài)1的傳輸功率，gta表示授權(quán)用戶發(fā)送端到認(rèn)知用戶接 收端的信道功率增益，Pb為授權(quán)用戶的發(fā)射功率;此時(shí)認(rèn)知用戶的傳輸也將干擾授權(quán)用戶 的竊聽(tīng)端，此時(shí)授權(quán)用戶的安全速率為：
[0027] 其中g(shù)tr表示授權(quán)用戶發(fā)送端到接收端的信道功率增益，gt(5表示授權(quán)用戶發(fā)送端 到竊聽(tīng)端的信道功率增益，g se表示認(rèn)知用戶發(fā)送端到竊聽(tīng)端的信道功率增益，gsr表示認(rèn)知 用戶發(fā)送端到授權(quán)用戶接收端的信道功率增益，T為一幀長(zhǎng)度；
[0028] 3)信道空閑，但檢測(cè)為占用，其概率為：
[0029] P2 = P(Ho)pf
[0030]此時(shí)，認(rèn)知用戶傳輸獲得速率為：
[0031] /?：：i-(r-r)log,(l + -i；/^!) ' \ /
[0032] 其中乂2)表示認(rèn)知用戶在狀態(tài)2的傳輸功率，此時(shí)授權(quán)用戶的安全速率為零；
[0033] 4)信道占用且檢測(cè)為占用:其概率為：
[0034] P3 = P(Hi)pd
[0035]此時(shí)，認(rèn)知用戶的傳輸速率為：
[0037]其中表示認(rèn)知用戶在狀態(tài)2的傳輸功率，此時(shí)授權(quán)用戶的安全傳輸速率為：
[0039]認(rèn)知用戶的平均傳輸速率為： Rs = E ( R^P,, + R[2)P-, + R[3)P3)
[0040] ' V 1 ' / :-廣 / -E(A1：'!))P0+E(/?I，1)^ + E(A>n)/>+E(/?I；,)/>
[0041] 其中E( ?)表示期望操作，在認(rèn)知用戶的干擾下，授權(quán)用戶的平均安全中斷概率 為：
[0042] C' =1; /?" )/? + Pr(4M S
[0043] 在授權(quán)用戶平均安全中斷概率的約束下，最優(yōu)分配認(rèn)知用戶傳輸功率以最大化認(rèn) 知用戶的平均傳輸速率并得到相應(yīng)的優(yōu)化問(wèn)題;針對(duì)此優(yōu)化問(wèn)題，采用對(duì)偶分解的算法進(jìn) 行求解并得到最優(yōu)的傳輸功率，具體實(shí)施步驟如下：
[0044] 在授權(quán)用戶平均安全中斷概率的約束下，最大化認(rèn)知用戶的傳輸速率，得到以下 優(yōu)化問(wèn)題：
[0045] P1: ,max ^ p) 1,2,3 d,
[0046] S.tJ P^'e < Pav, 0 < p[i] <Ps,i^
[0047] 其中Pth為最大安全中斷概率約束，Pav為認(rèn)知用戶的平均功率約束，P s為認(rèn)知用戶 的最大傳輸功率，cr為認(rèn)知用戶的平均傳輸功率：
[0049] 對(duì)于P1的求解，引入指示函數(shù)：
[0050] 滬(/^) = |°'1;^'
[_]中:"卜丨;，
[0052]其中Rse。為目標(biāo)安全速率，此外，由于感知時(shí)間長(zhǎng)度相比于傳輸時(shí)間長(zhǎng)度太短，因 此，忽略授權(quán)用戶在感知時(shí)間內(nèi)的傳輸，因此可以得到
[0054] 則問(wèn)題P1可以轉(zhuǎn)化為問(wèn)題P2 P2: max R
[0055] ' I=u,1,2,3
[0056] ^；；，8<^.,
[0057] 對(duì)于問(wèn)題P2,采用對(duì)偶分解求解，其拉格朗日對(duì)偶函數(shù)為：
[0058] L(A"，X"，f'，#) = /?、++. _(+:°))^(+:"))句
[0059]因此，優(yōu)化問(wèn)題P2變?yōu)椋?br>[0060] ^0,1,2,3'
[0061] />,/ = 0,1,2,3,
[0062] 其對(duì)偶問(wèn)題為：
[0063] P4:niinG(i,//)
[0064] s.t.A,ti>〇
[0065] P3可以分解為四個(gè)問(wèn)題，對(duì)于，1和，1可以從拉格朗日對(duì)偶函數(shù)的導(dǎo)數(shù)得到為：
[0067] 從而得到
[0069]對(duì)于/^，其分解的優(yōu)化問(wèn)題為
[0071] 由于供(,)是由^和RseJ夬定，根據(jù)^ 解的情況分析#，設(shè)
[0072] ^(^1,)2+5pf)+C = 0
[0073] 其中_^ = 2爭(zhēng)，并且
[0074] < "=(卜.i)(g、，+ g. J + (vg二v - gM,g,, ) G C = v(l + ^)-(1+見(jiàn)川
[0075] 2)當(dāng)方程沒(méi)有根時(shí)：
[0076]優(yōu)化問(wèn)題為：
可以得到最優(yōu)解為
[0080] 2)當(dāng)方程有兩個(gè)根時(shí)，并設(shè)兩個(gè)根為令P6的一階導(dǎo)數(shù)等于0,可以得到
[0082] g/f K
/卜：當(dāng)#- S OS W)+ < 且/(P!" >/(〇，此時(shí)最優(yōu)的功率 且/(/1+) >/(Pf)，此時(shí)最優(yōu)傳輸功率為，=，+，如/(廣>，此時(shí)最優(yōu)的傳 輸功率為# =pf ,如果，此時(shí)最優(yōu)的傳輸功率為#Up#，如 果;f - <PS，此時(shí)最優(yōu)的傳輸功率為# =0:;
[0083] h ) W1)- < 0 < P S p!1)4 :當(dāng) />f)- S P < K1|+ < 或者廠:1卜 < 0 < P5 < /?!n* S pf"， 此時(shí)最優(yōu)的功率為# =巧，如果d11、0 < K1：)、戶，/)+，此時(shí)最優(yōu)傳輸功率為# ， 如果if- ，此時(shí)最優(yōu)的傳輸功率為# = 0:
[0084] DOsg1)- <戶廣：當(dāng)0<ps(1)一 < p:U+ </?:"* 或0S/)!1 卜 5：乃< </>⑴+ ,此時(shí) 最優(yōu)的功率為，如果(XW11 </T s e <wllf，此時(shí)最優(yōu)傳輸功率為# =⑴*，如果 0 < #* g < #+且/(/)5) > /(/f -)，此時(shí)最優(yōu)的傳輸功率為，=if*;如果 /(，)</(# j，此時(shí)最優(yōu)的傳輸功率為義1=，；
[0085] j)〇S/^ < pp ￡、巧；當(dāng)〇9?》_ <pf1+ /'⑷，此時(shí)最優(yōu)的功率為 乂11 = /)1 ;如果/代），則最優(yōu)傳輸功率為，=之，如果0句)丨丨丨-< 且/p!ii+)>/((i)i，此時(shí)最優(yōu)傳輸功率為#=#%如/pr卜/krp此時(shí)最優(yōu)的傳 輸功率為#如果0 4%，:此時(shí)最優(yōu)的傳輸功率為;f = ，如 果〇< /)fk /?fh < pf+ ^且/ > /p!.1，此時(shí)最優(yōu)的傳輸功率為#=y1" ：如果 ，則最優(yōu)傳輸功率為#=#_;
[0086] k) pf)_ < A?+ 當(dāng)#- < W1M <0<巧 ，此時(shí)最優(yōu)的功率為# = g，如 果d1卜< 0 <5^ ,此時(shí)最優(yōu)傳輸功率為#1 = #)+，如果/f)- < K1|+ S < 0 <巧 或d1)+ < 0 <: Ps，此時(shí)最優(yōu)的傳輸功率為；^二爾
[0087] 1) .0 < /?!"- < 11 :.當(dāng) 0 < €< />:"- < 卜 < /7:1"， 0 < /^ S />{"- < /?f /?f)+ 或 0<€<此時(shí)最優(yōu)的功率為e，如果0句;f Se</f%此時(shí) 最優(yōu)傳輸功率為/彳1、/1%
[0088] 同理，可以得到的最優(yōu)功率分配。
[0089] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：
[0090] 本發(fā)明公開(kāi)的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中面向授權(quán)用戶安全傳輸?shù)墓β史峙浞椒ā８鶕?jù)信道 占用狀況及感知結(jié)果，系統(tǒng)有四種狀態(tài)。在每一種狀態(tài)，計(jì)算了認(rèn)知用戶的傳輸速率及授權(quán) 用戶的安全傳輸速率及其安全中斷概率。在授權(quán)用戶安全中斷概率的約束下，最大化認(rèn)知 用戶的平均傳輸速率，得到每一種系統(tǒng)狀態(tài)的功率分配。與對(duì)比方案相比，所提方案可以提 高了認(rèn)知用戶的傳輸速率，同時(shí)保證授權(quán)用戶的安全傳輸。
【附圖說(shuō)明】
[0091 ]圖1為本發(fā)明/^且/>/化)時(shí)功率分配圖示；
[0092]圖2為本發(fā)明;且/^!1)+>/(〇時(shí)功率分配圖示；
[0093]圖3為本發(fā)明認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)傳輸模型；
[0094]圖4為本發(fā)明認(rèn)知用戶的平均傳輸速率仿真圖。
【具體實(shí)施方式】
[0095]下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而 不是限定。
[0096] 本發(fā)明考慮一個(gè)Overlay網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。授權(quán)用戶網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)授權(quán)用戶發(fā)送端 (PT)和授權(quán)用戶接收端(PR)組成，同時(shí)授權(quán)用戶面臨一個(gè)竊聽(tīng)端(EV)的竊聽(tīng)威脅。認(rèn)知用 戶由認(rèn)知發(fā)送端(SN)與認(rèn)知接收端(AN)組成。認(rèn)知用戶采用Overlay方式接入網(wǎng)絡(luò)。認(rèn)知用 戶對(duì)頻譜占用情況進(jìn)行感知，從而確定發(fā)送功率。由于感知錯(cuò)誤的存在，認(rèn)知用戶的傳輸會(huì) 干擾到授權(quán)用戶的傳輸?？紤]到認(rèn)知用戶的傳輸也可以干擾授權(quán)用戶的竊聽(tīng)端，因而，授權(quán) 用戶可以允許一定概率的感知錯(cuò)誤存在來(lái)?yè)Q取認(rèn)知用戶的協(xié)作。
[0097] 假設(shè)認(rèn)知用戶網(wǎng)絡(luò)與授權(quán)用戶網(wǎng)絡(luò)是同步的，并且兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)都經(jīng)歷了獨(dú)立平穩(wěn)的 瑞利衰落，即：在每一幀內(nèi)，信道狀態(tài)保持不變，而在不同的幀間，信道狀態(tài)獨(dú)立變化。PT- PR，PT-EV PT-SN，PT-AN，SN-PR，SN-EV及SN-AN的信道功率增益為gtr，gte，gts，gta， g sr，gse和gsa。由于這些信道經(jīng)歷了瑞利衰落，因此這此變量服從指數(shù)分布，并且其參數(shù)分別 為
。假設(shè)系統(tǒng)中的噪聲為循環(huán)高斯白噪聲并且服 從零均值單位方差的高斯分布。授權(quán)用戶的傳輸功率為PP并且其中斷速率為RP。認(rèn)知用戶的 最大傳輸功率為Ps并且其目標(biāo)速率為Rs。
[0098]認(rèn)知用戶采用Overlay方案接入信道，在授權(quán)用戶安全中斷概率約束下，根據(jù)頻譜 感知結(jié)果，最優(yōu)的分配功率。
[0099] 根據(jù)授權(quán)用戶實(shí)際信道使用情況及頻譜感知結(jié)果，系統(tǒng)共有四種狀態(tài)，分別為:頻 譜空閑且檢測(cè)為空閑;頻譜占用但檢測(cè)為空閑;頻譜空閑但檢測(cè)為占用;頻譜占用且檢測(cè)為 占用。
[0100] 采用能量檢測(cè)方法，其虛警概率及檢測(cè)概率為：
[0102] 其中
，Y為接收信噪比，fs為采樣頻率，e為檢測(cè)門限，〇 2 = 1 為噪聲方差。
[0103] 對(duì)于四種系統(tǒng)狀態(tài)，其分析如下：
[0104] 1)狀態(tài)0:信道空閑且檢測(cè)空閑，其概率為
[0105] P〇 = P(Ho)(l-pf)
[0106]其中Ho表示此時(shí)信道為空閑，P (Ho)表示信道空閑的概率。此時(shí)認(rèn)知用戶接入網(wǎng)絡(luò) 獲得的傳輸速率為
[0107] R[l)] -(7，-r)log:(l + ^!；//，，))
[0108] 其中表示認(rèn)知用戶在狀態(tài)0的傳輸功率，gsa表示認(rèn)知用戶發(fā)送端到接收端的信 道功率增益。此時(shí)授權(quán)用戶的安全速率為零。
[0109] 2)狀態(tài)1:信道占用但檢測(cè)為空閑，其概率為：
[0110] Pi = P(Hi)(l-pd)
[0111] 其中壓表示此時(shí)信道為空閑，P(ft)表示信道空閑的概率。此時(shí)的傳輸速率為：
[0113]其中表示認(rèn)知用戶在狀態(tài)1的傳輸功率，gta表示授權(quán)用戶發(fā)送端到認(rèn)知用戶接 收端的信道功率增益，Pb為授權(quán)用戶的發(fā)射功率。此時(shí)認(rèn)知用戶的傳輸也將干擾授權(quán)用戶 的竊聽(tīng)端，此時(shí)授權(quán)用戶的安全速率為：
[0115] 其中g(shù)tr表示授權(quán)用戶發(fā)送端到接收端的信道功率增益，gte5表示授權(quán)用戶發(fā)送端 到竊聽(tīng)端的信道功率增益，g se表示認(rèn)知用戶發(fā)送端到竊聽(tīng)端的信道功率增益，gsr表示認(rèn)知 用戶發(fā)送端到授權(quán)用戶接收端的信道功率增益，T為一幀長(zhǎng)度。
[0116] 3)信道空閑，但檢測(cè)為占用，其概率為：
[0117] p2 = p(H〇)pf
[0118] 此時(shí)，認(rèn)知用戶傳輸獲得速率為：
[0119] /?J2) ={T ~r)：l〇g2 (l + gv/jpf' ]
[0120] 其中表示認(rèn)知用戶在狀態(tài)2的傳輸功率。此時(shí)授權(quán)用戶的安全速率為零。
[0121 ] 4)信道占用且檢測(cè)為占用:其概率為：
[0122] P3 = P(Hi)pd
[0123]此時(shí)，認(rèn)知用戶的傳輸速率為：
[0125]其中/?廣表示認(rèn)知用戶在狀態(tài)2的傳輸功率。此時(shí)授權(quán)用戶的安全傳輸速率為：
[0127] 根據(jù)四種系統(tǒng)狀態(tài)性能分析，認(rèn)知用戶的平均傳輸速率為： A =-E (/?'|1!;6 卜/?⑴G 十片)
[0128] V ； =E (<,)!) A + E (/?⑴)/] + E (<2!) g 十 E (
[0129] 其中E( ?)表示期望操作。在認(rèn)知用戶的干擾下，授權(quán)用戶的平均安全中斷概率 為：
[0130] C' = + Pf_(尺~心,)/)s
[0131] 在授權(quán)用戶安全中斷概率的約束下，最大化認(rèn)知用戶的傳輸速率，得到以下優(yōu)化 問(wèn)題： rni〇〇i PI: max /?c
[0132] ^i^〇,U3 "
[0133] s.t.< PJe < Puv, ;0<p(；] <P^4 = %\,2,^
[0134] 其中Pth為最大安全中斷概率約束，Pav為認(rèn)知用戶的平均功率約束，P s為認(rèn)知用戶 的最大傳輸功率，為認(rèn)知用戶的平均傳輸功率：
[0136]對(duì)于P1的求解，引入指示函數(shù)
[。137] +H，《，
[。138] = %，
[0139]其中Rse。為目標(biāo)安全速率。此外，由于感知時(shí)間長(zhǎng)度相比于傳輸時(shí)間長(zhǎng)度太短，忽 略在感知時(shí)間的傳輸，因此可以得到
[0141] 則問(wèn)題P1可以轉(zhuǎn)化為問(wèn)題P2 P2 : max R
[0142] 1 z-=0.1、2v3'
[0143] SJp：；e<Plv, <p,/=o,i,a,3,
[0144]對(duì)于問(wèn)題P2，采用對(duì)偶分解求解，其拉格朗日對(duì)偶函數(shù)為：
[0145] L(/y^/y^/y/'\ //；；))^/?(+/：(^-(^(/7!l!))^
[0146] 因此，優(yōu)化問(wèn)題P2變?yōu)椋?br>[0147] p3: max L{p^,p{；},p[3),pl4))j /=0,lv25
[0148] .v./.0</?：，,<jp,/=0,l,2,3,
[0149] 其對(duì)偶問(wèn)題為：
[0150] P4:niinG(2,//)
[0151] s.t.A,ii>〇
[0152] P3可以分解為四個(gè)問(wèn)題，對(duì)于，哺乂21可以從拉格朗日對(duì)偶函數(shù)的導(dǎo)數(shù)得到為：
[0154]根據(jù)KKT條件，可以得到功率分配為
[0156]對(duì)于乂"，其分解的優(yōu)化問(wèn)題為
[0158] 由于是由^和!^決定，可以根據(jù)^ = /^(的解的情況得到if。設(shè)
[0159] +W+C = 0
[0160] 其中v = 2^，并且 1令)"，
[0161] iKugJ+On-n, C4(l+私名)-(1+孓,巧）
[0162] 3)當(dāng)方程沒(méi)有根時(shí)：
[0163] 優(yōu)化問(wèn)題為：
，為了得到最優(yōu)解，可以得到
[0167]其最優(yōu)解為
[0169] 2)當(dāng)方程有兩個(gè)根時(shí)，并設(shè)兩個(gè)根為^?_和乂1|+。令P6的一階導(dǎo)數(shù)等于0,可以得到
[0171] 令卜/^!11卜有六種情況。
[0172] a) g1)-別名 p)1|+ :當(dāng)pf1- S S 且/(Z1|+) > /(巧），此時(shí)最優(yōu)的 功率為;如圖i所示；如果/(/f+p/W)，則最優(yōu)傳輸功率為# =P，如圖2所 示。如果，此時(shí)最優(yōu)傳輸功率為義11 = ，如 ，此時(shí)最優(yōu)的傳輸功率為#=/^ ,如果<€ ,此時(shí) 最優(yōu)的傳輸功率為y = i?f。如果此時(shí)最優(yōu)的傳輸功率為 /:1 =-0 C
[0173] b ) pf)- S d1|+ ??當(dāng) W1)- S 〇 < 乃5； 41)+ < 反⑴* 或者 pf)飛 0 S € < P!ir < p!1)+， 此時(shí)最優(yōu)的功率為/f =巧。如果# <0< ，此時(shí)最優(yōu)傳輸功率為# =/T。 如果#-<0s/>f，此時(shí)最優(yōu)的傳輸功率為/> = 0。
[0174] </K ;當(dāng)OSpf1- 2P < /?，或，此時(shí) 最優(yōu)的功率為# = 如果0句f 5；乃< /|+，此時(shí)最優(yōu)傳輸功率為gw =⑴*。如果 0< '玄巧c 且/(Z ) > /(d11 )，此時(shí)最優(yōu)的傳輸功率為戶丨1) = />f)%如果 ?/(召!1丨）（/(戶;"），此時(shí)最優(yōu)的傳輸功率為p:'1)二/?:'1)-。
[0175] d) 0 丨…< K1+ 5^ :當(dāng)0 < /卜< /)+ S d)1K且/ (KIH) > /⑷，此時(shí)最優(yōu)的功率 為/^ = aw+ I如果./(^!1|+^./(O'則最優(yōu)傳輸功率為/?丨"=尸。如果os/tf1- </^,1>f </^仝Ps 且，此時(shí)最優(yōu)傳輸功率為，如此時(shí)最優(yōu)的 傳輸功率為;。如果〇</>-，此時(shí)最優(yōu)的傳輸功率為/>=；^。 如果且，此時(shí)最優(yōu)的傳輸功率為#=#r;如果 ，則最優(yōu)傳輸功率為=/f、
[0176] e) pf)- <《0 <乃；當(dāng)W11- < W1)+ < 0 <巧< W1"，此時(shí)最優(yōu)的功率為W1)=乃。如 果#- < W1)+ S 0 < 巧，此時(shí)最優(yōu)傳輸功率為rf) = d0*必如果#- < dn+ s 〇〈巧 或，-< pfh o < e，此時(shí)最優(yōu)的傳輸功率為# = o。
[0177] f ) 〇 < A 4~ :當(dāng) 〇 < Ps "1)- < # < #)% 〇 < W1 卜 < ^ 0 <巧< pw < /< d1)+此時(shí)最優(yōu)的功率為# = € 0如果0 Ku- < <+，此時(shí) 最優(yōu)傳輸功率為夕11
[0178] 同理，可以得到/f1的最優(yōu)功率分配。
[0179] 仿真實(shí)驗(yàn)：
[0180] 在仿真中，認(rèn)知用戶的平均功率約束及最大功率設(shè)為10dB和15dB，T設(shè)為100ms。 [0181]此外，參見(jiàn)圖4,本發(fā)明也將仿真Overlay方案作為所提方案的對(duì)比，并得到了認(rèn)知 用戶平均傳輸速率隨頻譜空閑概率的變化情況。隨著頻譜空閑概率的增大，認(rèn)知用戶平均 傳輸速率將增大。其原因?yàn)椋^大的頻譜空閑概率意味著有更多無(wú)干擾的頻譜接入機(jī)會(huì)，因 此認(rèn)知用戶的傳輸速率將會(huì)增大。隨著感知時(shí)間的增大，頻譜感知的準(zhǔn)確度將會(huì)提高，但是 認(rèn)知用戶的傳輸時(shí)間將會(huì)變短。由于授權(quán)用戶允許一定的感知錯(cuò)誤存在，因此傳輸時(shí)間變 短對(duì)系統(tǒng)的影響更大，用戶的傳輸速率將會(huì)下降。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中面向授權(quán)用戶安全傳輸?shù)墓β史峙浞椒ǎ涮卣髟谟?，認(rèn)知用 戶采用Overlay方案接入信道，在授權(quán)用戶安全中斷概率約束下，最優(yōu)的分配功率，具體實(shí) 施步驟如下： 1) 認(rèn)知用戶首先對(duì)信道進(jìn)行感知，根據(jù)感知結(jié)果，得到四種系統(tǒng)狀態(tài)； 2) 針對(duì)每一種系統(tǒng)狀態(tài)，計(jì)算授權(quán)用戶的安全速率和認(rèn)知用戶的傳輸速率，根據(jù)四種 系統(tǒng)狀態(tài)分析，得到認(rèn)知用戶的平均傳輸速率以及授權(quán)用戶的安全平均安全中斷概率； 3) 在授權(quán)用戶平均安全中斷概率的約束下，最優(yōu)分配認(rèn)知用戶傳輸功率以最大化認(rèn)知 用戶的平均傳輸速率并得到相應(yīng)的優(yōu)化問(wèn)題，針對(duì)此優(yōu)化問(wèn)題，采用對(duì)偶分解的算法進(jìn)行 求解并得到最優(yōu)的傳輸功率。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中面向授權(quán)用戶安全傳輸?shù)墓β史峙浞?法，其特征在于，認(rèn)知用戶首先對(duì)信道進(jìn)行感知，根據(jù)感知結(jié)果，得到四種系統(tǒng)狀態(tài)，具體實(shí) 施步驟如下： 采用能量檢測(cè)方法對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，其虛警概率及檢測(cè)概率為：其牛γ為接收信噪比，fs為采樣頻率，ε為檢測(cè)門限，0 2 = 1為噪聲 方差，根據(jù)感知結(jié)果和信道狀態(tài)使用情況，系統(tǒng)共有四種狀態(tài)，分別為:頻譜空閑且檢測(cè)為 空閑;頻譜占用但檢測(cè)為空閑;頻譜空閑但檢測(cè)為占用;頻譜占用且檢測(cè)為占用。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中面向授權(quán)用戶安全傳輸?shù)墓β史峙浞?法，其特征在于，針對(duì)每一種系統(tǒng)狀態(tài)，計(jì)算授權(quán)用戶的安全速率和認(rèn)知用戶的傳輸速率， 根據(jù)四種系統(tǒng)狀態(tài)分析，得到認(rèn)知用戶的平均傳輸速率以及授權(quán)用戶的安全平均安全中斷 概率，具體實(shí)施步驟如下： 1) 狀態(tài)〇:信道空閑且檢測(cè)空閑，其概率為 Po = P(H〇)(l-pf) 其中Ho表示此時(shí)信道為空閑，P(Ho)表示信道空閑的概率，此時(shí)認(rèn)知用戶接入網(wǎng)絡(luò)獲得 的傳輸速率為其中g(shù)Q)表示認(rèn)知用戶在狀態(tài)〇的傳輸功率，gsa表示認(rèn)知用戶發(fā)送端到接收端的信道功 率增益，此時(shí)授權(quán)用戶的安全速率為零； 2) 狀態(tài)1:信道占用但檢測(cè)為空閑，其概率為： Pi = P(Hi)(l-pd) 其中出表示此時(shí)信道為空閑，P(H〇表示信道空閑的概率，此時(shí)的傳輸速率為：其中pP表示認(rèn)知用戶在狀態(tài)1的傳輸功率，gta表示授權(quán)用戶發(fā)送端到認(rèn)知用戶接收端 的信道功率增益，pb為授權(quán)用戶的發(fā)射功率;此時(shí)認(rèn)知用戶的傳輸也將干擾授權(quán)用戶的竊 聽(tīng)端，此時(shí)授權(quán)用戶的安全速率為：其中g(shù)tr表示授權(quán)用戶發(fā)送端到接收端的信道功率增益，gte表示授權(quán)用戶發(fā)送端到竊聽(tīng) 端的信道功率增益，gse表示認(rèn)知用戶發(fā)送端到竊聽(tīng)端的信道功率增益，gsr表示認(rèn)知用戶發(fā) 送端到授權(quán)用戶接收端的信道功率增益，T為一幀長(zhǎng)度； 3 )信道空閑，但檢測(cè)為占用，其概率為： P2 = P(H〇)pf 此時(shí)，認(rèn)知用戶傳輸獲得速率為：其中表示認(rèn)知用戶在狀態(tài)2的傳輸功率，此時(shí)授權(quán)用戶的安全速率為零； 4)信道占用且檢測(cè)為占用:其概率為： P3 = P(Hi)pd 此時(shí)，認(rèn)知用戶的傳輸速率為：其中表示認(rèn)知用戶在狀態(tài)2的傳輸功率，此時(shí)授權(quán)用戶的安全傳輸速率為： V Vy. \ 心? 'i. y / 認(rèn)知用戶的平均傳輸速率為： \ " \ " / *\ ^ \ ^ ^ 其中E( ·)表示期望操作，在認(rèn)知用戶的干擾下，授權(quán)用戶的平均安全中斷概率為：4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中面向授權(quán)用戶安全傳輸?shù)墓β史峙浞?法，其特征在于，在授權(quán)用戶平均安全中斷概率的約束下，最優(yōu)分配認(rèn)知用戶傳輸功率以最 大化認(rèn)知用戶的平均傳輸速率并得到相應(yīng)的優(yōu)化問(wèn)題;針對(duì)此優(yōu)化問(wèn)題，采用對(duì)偶分解的 算法進(jìn)行求解并得到最優(yōu)的傳輸功率，具體實(shí)施步驟如下： 在授權(quán)用戶平均安全中斷概率的約束下，最大化認(rèn)知用戶的傳輸速率，得到以下優(yōu)化 問(wèn)題：其中Pth為最大安全中斷概率約束，pav為認(rèn)知用戶的平均功率約束，Ps為認(rèn)知用戶的最 大傳輸功率，if:為認(rèn)知用戶的平均傳輸功率：對(duì)于P1的求解，引入指示函數(shù)：其中Rsec為目標(biāo)安全速率，此外，由于感知時(shí)間長(zhǎng)度相比于傳輸時(shí)間長(zhǎng)度太短，因此，忽 略授權(quán)用戶在感知時(shí)間內(nèi)的傳輸，因此可以得到 L ^ V ~\ - Ονν?-Χ?' j J 則問(wèn)題P1可以轉(zhuǎn)化為問(wèn)題P2對(duì)于問(wèn)題P2，采用對(duì)偶分解求解，其拉格朗日對(duì)偶函數(shù)為： 、 / \ \ \·? ? \ \· .，} j 、 因此，優(yōu)化問(wèn)題P2變?yōu)椋? 其對(duì)偶問(wèn)題為：s.t ·λ，μ>0 P3可以分解為四個(gè)問(wèn)題，對(duì)于和;^可以從拉格朗日對(duì)偶函數(shù)的導(dǎo)數(shù)得到為： 從而得到I 、一 .純 j 對(duì)于if1，其分解的優(yōu)化問(wèn)題為由于是由^和決定，根據(jù)J = L解的情況分析#，設(shè) 其中y = 2爭(zhēng)，并且1)當(dāng)方程沒(méi)有根時(shí)： 優(yōu)化問(wèn)題為：設(shè)，可以得到最優(yōu)解為2)當(dāng)方程有兩個(gè)根時(shí)，并設(shè)兩個(gè)根為d~和，令P6的一階導(dǎo)數(shù)等于Ο，可以得到a )，- <；0q :當(dāng) W)- S# 且 /(P:1)+) >/W )，此時(shí)最優(yōu)的功率為 # = ;如果/^Γ>/(€)，則最優(yōu)傳輸功率為，=6，如果q 且/(#)>/(/^)，此時(shí)最優(yōu)傳輸功率為#=尸:1)+，如/(/>: 1|+)</(凡(1)*)，此時(shí)最優(yōu)的傳 輸功率為，，如果^〇<pf </>s，此時(shí)最優(yōu)的傳輸功率為# ，如 果0 < S，此時(shí)最優(yōu)的傳輸功率為/1 b) p:1)- < 0 < A(1|+ :當(dāng)/^-SOS ΡΛ 5； ⑴+ < pfΓ 或者 W1 )? 5； f S ,+，此時(shí)最 優(yōu)的功率為# ，如果，此時(shí)最優(yōu)傳輸功率為# ，如果 pf)- < ，此時(shí)最優(yōu)的傳輸功率為/^ =〇::;. C) 0 S Z1)- s e < Κ1)+ :當(dāng)0 S X1)- S 巧 < 4η+ < /)*或0 S K1)- S 巧 < 尸⑴、；?!1)+，此時(shí)最優(yōu) 的功率為，=6，如果〇句^<忍 <，〃，此時(shí)最優(yōu)傳輸功率為# = (1) *，如果 〇 < ^ 且/ 4死(1)1，此時(shí)最優(yōu)的傳輸功率為#=；^;如果 /(/^)義/?(嚴(yán))，此時(shí)最優(yōu)的傳輸功率為/)=/)-;: d ) 0 <#?- < #丨+ ￡6 :當(dāng)0 < /1+ q 且> ./κ)，此時(shí)最優(yōu)的功率為 = ;如果/(#')< /(Ρ;)，則最優(yōu)傳輸功率為# = S，如果〇 ^丨"-< 且/Wn+)>/i⑴今此時(shí)最優(yōu)傳輸功率為#=/Γ，如/W1)+X/r)，此時(shí)最優(yōu)的傳 輸功率為Z1 = /^M%如果，.此時(shí)最優(yōu)的傳輸功率為= i^.irf，如 果〇<κ<#)+ 且，此時(shí)最優(yōu)的傳輸功率為，= 如果 ，則最優(yōu)傳輸功率為#; e ) W1 h < K11 k :當(dāng)ii)- < W1H < 〇 < ^ < ，此時(shí)最優(yōu)的功率為# =乃，如果 #- < d11+ S 0</|+ ，此時(shí)最優(yōu)傳輸功率為，如果/f - < d1)+ qfsocf或 S尸# <，+ < 0 <乃，此時(shí)最優(yōu)的傳輸功率為，=0 ; f ) 〇 < 巧 s W1 卜 < Η1). ·* 當(dāng) 〇 <: C s pf)- < 41)+ < W1)*， ο < 乃；s + 或 ο <乃< &(1V < )+此時(shí)最優(yōu)的功率為Z = P，如果0 k P < pf)+，此時(shí) 最優(yōu)傳輸功率為 同理，得到g3)的最優(yōu)功率分配。
【文檔編號(hào)】H04W72/04GK105959939SQ201610415462
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年6月13日
【發(fā)明人】任品毅, 王大偉, 杜清河, 孫黎, 王熠晨
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)