一種認知無線電系統中基於有效容量的資源分配方法
2023-05-13 17:30:36 5
一種認知無線電系統中基於有效容量的資源分配方法
【專利摘要】本發明提供一種認知無線電系統中基於有效容量的資源分配方法：認知無線電系統中的認知用戶對信道進行感知，根據感知結果確定認知用戶的傳輸方案，根據所述傳輸方案得到認知無線電系統中的有效容量，並在平均功率受限的條件下，對所述有效容量進行優化，通過運用梯度下降法求解優化問題的對偶問題，得到最優的功率分配策略，本發明與傳統的等功率方案進行相比，使得系統的性能得到提升，以及使得系統的QoS的保障能力得到提高，在多信道情景下既能夠為認知用戶提供可靠QoS保障，又能夠提高系統的頻譜利用率。
【專利說明】一種認知無線電系統中基於有效容量的資源分配方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於無線通信領域中認知無線電系統的資源分配方案設計，涉及一種認知無線電系統中基於有效容量的資源分配方法。
【背景技術】
[0002]由於各種新型業務的興起，如電話視頻會議、智能業務等，頻譜資源成為一種緊缺資源。近幾年出現的鏈路自適應技術、多天線技術等雖然能提高頻譜利用率，但是研究表明，一些授權頻段，尤其是信號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，在不同區域和不同時段能有效利用空閒的授權頻段，認知無線電受到越來越多的關注。認知無線電的基本思想是在不對授權用戶產生有害幹擾的前提下，認知用戶擇機接入授權頻段進行數據傳輸。認知無線電是一種智能頻譜共享技術，被認為是解決頻譜資源緊缺、提高頻譜利用率的有效途徑。
[0003]在無線通信系統中，有效保障用戶的服務質量(QoS)有非常重要的意義。但是由於無線信道的衰落特性和突發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，只能提供統計意義上的QoS。在認知無線電系統中，由於認知用戶的發射功率是取決於授權用戶是否佔用頻段傳輸數據，這樣就增加了保障認知用戶的QoS的難度。現有的認知無線電系統中保障認知用戶的QoS的技術，比如頻譜決策、頻譜轉移等，都是定性的以認知用戶的通信是否被中斷來衡量認知用戶的QoS是否得到保障。頻譜轉移可以分為被動式頻譜轉移和主動式頻譜轉移:被動式頻譜轉移是指在授權用戶需要進行通信時，認知用戶就必須退出該授權頻段，重新進行頻譜感知，接入到其他空閒頻段，被動式頻譜轉移會造成認知用戶通信的暫時中斷，導致QoS指標惡化；主動式頻譜轉移是指認知用戶在通信的同時不斷進行頻譜感知，一旦授權用戶出現，就立即轉移到其他空閒頻段上繼續通信，從而實現無縫轉移，這種方法雖然保障了認知用戶的QoS，但是極大的增加了信令和網絡開銷。
[0004]現有技術中提出了一種定量的分析無線衰落通信系統中用戶的統計QoS保障的方案，其利用有效容量的概念，通過具體的QoS指標，例如時延違約率，來研究用戶統計QoS保障的問題，以及無線通信系統中用戶對任意QoS要求的時延業務的服務能力的問題。
[0005]現有的無線通信系統中的資源分配算法大都不考慮時延QoS要求或者只考慮非常嚴格和非常寬鬆的QoS要求的情況。因此，研究能夠為無線通信系統提供不同要求的QoS保障的資源分配算法是非常有意義的。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在於提供一種認知無線電系統中基於有效容量的資源分配方法。
[0007]為達到上述目的，本發明採用了以下技術方案。
[0008]第一步，認知無線電系統中的認知用戶對信道進行感知，判斷是否有授權用戶正在使用信道，若檢測到有授權用戶使用信道，則認知用戶不接入授權信道進行通信；若檢測到沒有授權用戶使用信道，則認知用戶可以接入授權頻段進行通信；
[0009]第二步，根據第一步的感知結果確定認知用戶的傳輸方案:若感知結果為授權用戶正在使用信道，為了避免認知用戶對授權用戶產生有害幹擾，此時認知用戶不進行數據傳輸，即此時認知用戶的發射功率和傳輸速率為O ;若感知結果為授權用戶不使用信道，則認知用戶接入頻段，以較大的發射功率和傳輸速率進行數據傳輸；
[0010]第三步，根據所述傳輸方案得到認知無線電系統中的有效容量，並在平均功率受限的條件下，對所述有效容量進行優化，通過運用梯度下降法求解原優化問題的對偶問題，得到最優的功率分配策略。
[0011]所述第一步具體包括以下步驟:
[0012]考慮一個認知無線電系統，該系統含有一個認知用戶，M個子信道，M ^ 2，信道模型為瑞利衰落信道且為塊衰落，M個子信道獨立進行信道感知，互不幹擾，認知無線電系統中的幀長為T，每一幀的前N長時間認知用戶進行信道感知，根據奈曼皮爾遜準則將信道感知建模為假設檢驗問題，並且根據信道被授權用戶佔用的先驗概率，結合虛警概率和檢測概率得到22M種可能出現的狀態的概率表達式。
[0013]所述第二步中，認知用戶根據第一步得到的感知結果選擇相應的傳輸方案，若感知結果為授權用戶不使用信道，則認知用戶接入頻段，同時，確定相應的功率分配策略函數以及瞬時傳輸速率，並在剩下的T-N長時間內進行數據傳輸，認知無線電系統中的幀長為T，每一幀的前N長時間認知用 戶進行信道感知。
[0014]所述第三步中的有效容量表示為:
[0015]
【權利要求】
1.一種認知無線電系統中基於有效容量的資源分配方法，其特徵在於:包括以下步驟: 第一步，認知無線電系統中的認知用戶對信道進行感知，判斷是否有授權用戶正在使用信道； 第二步，根據第一步的感知結果確定認知用戶的傳輸方案:若感知結果為授權用戶正在使用信道，此時認知用戶不進行數據傳輸，認知用戶的發射功率和傳輸速率為O ;若感知結果為授權用戶不使用信道，則認知用戶接入頻段，進行數據傳輸； 第三步，根據所述傳輸方案得到認知無線電系統中的有效容量，並在平均功率受限的條件下，對所述有效容量進行優化，通過運用梯度下降法求解優化問題的對偶問題，得到最優的功率分配策略。
2.根據權利要求1所述一種認知無線電系統中基於有效容量的資源分配方法，其特徵在於: 認知無線電系統含有一個認知用戶，M個子信道，M ^ 2，信道模型為瑞利衰落信道且為塊衰落，M個子信道獨立進行信道感知，互不幹擾，認知無線電系統中的幀長為T，每一幀的前N長時間認知用戶進行信道感知，根據奈曼皮爾遜準則將信道感知建模為假設檢驗問題，並且根據信道被授權用戶佔用的先驗概率，結合虛警概率和檢測概率得到22M種可能出現的狀態的概率表達式。
3.根據權利要求1所述一種認知無線電系統中基於有效容量的資源分配方法，其特徵在於:所述第二步中，認知用戶根據第一步得到的感知結果選擇相應的傳輸方案，若感知結果為授權用戶不使用信道，則認知用戶接入頻段，同時，確定相應的功率分配策略函數以及瞬時傳輸速率，並在T-N長時間內進行數據傳輸,認知無線電系統中的幀長為T,每一幀的前N長時間認知用戶進行信道感知。
4.根據權利要求1所述一種認知無線電系統中基於有效容量的資源分配方法，其特徵在於:所述第三步中的有效容量表示為:
5.根據權利要求1所述一種認知無線電系統中基於有效容量的資源分配方法，其特徵在於:當子信道數為2時，有效容量的優化方法包括以下步驟:將優化問題建模為在系統平均功率受限的條件下最大化系統的有效容量，具體表示為:
6.根據權利要求5所述一種認知無線電系統中基於有效容量的資源分配方法，其特徵在於:利用梯度下降法求解對偶問題包括以下具體步驟: 步驟1:初始化設置: 令迭代次數t = 1，並設置對偶函數的初始值D(°)以及拉格朗日乘子的初始值λ to); 步驟2:更新優化變量:
【文檔編號】H04W16/14GK103997743SQ201410191077
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月7日 優先權日:2014年5月7日
【發明者】呂剛明, 張培, 李國兵, 張國梅 申請人:西安交通大學