基於平均輸出吞吐量的感知無線電系統優化傳輸控制方法

2023-09-17 03:18:25 7

專利名稱：基於平均輸出吞吐量的感知無線電系統優化傳輸控制方法
技術領域：
本發明涉及感知無線電系統，尤其是一種感知無線電系統傳輸控制方法。
背景技術：
隨著無線通信技術的快速發展和無線通信網絡用戶數量的快速增長，無線通信網絡頻譜資源緊缺現象越來越嚴重。在這個情況下，感知無線電技術應運而生並吸引了眾多關注。感知無線電技術通過其頻譜感知功能尋找授權用戶系統(注釋授權用戶專指無線網絡中具有頻率信道固定使用權的用戶)剩餘的頻譜空隙並且加以機會式使用。具體地，感知無線電系統採用「偵聽一使用」模式進行工作。感知無線電系統首先採用頻譜感知功能分析授權用戶信道狀態。如果信道感知結果為空閒，感知用戶便機會式地使用該授權用戶信道；否則，感知用戶便在該授權用戶信道上保持靜默狀態。感知無線電系統能夠實現對授權用戶信道的機會式的二次使用，因而解決了現階段頻譜資源緊缺問題。 同時，感知無線電作為一種新的特殊無線通信技術，其相應傳輸控制方法也至關重要。實際上，感知無線電系統頻譜感知功能往往存在感知誤差，即存在I)漏檢事件給定授權用戶信道真實狀態為繁忙，感知用戶頻譜感知結果為信道空閒(相應的概率用Pmd表示)；2)虛警事件給定授權用戶信道真實狀態為空閒，感知用戶頻譜感知結果為繁忙(相應的概率用Pfa表示)。針對感知無線電「偵聽一接入」的工作特性以及實際存在的感知誤差，感知無線電系統需要相應的傳輸控制方法。但是當前傳輸控制方法存在如下兩個不足i)現行方法以優化感知用戶的各態歷經信道容量作為目標。但是，達到最大各態歷經信道容量對感知用戶並不切實可行。這是因為為了達到最大各態歷經信道容量，感知用戶必須準確地知道授權用戶信道真實狀態(繁忙或空閒)，從而調整其數據傳輸速率與傳輸功率。而因感知誤差的影響，漏檢和虛警事件無法避免。這就意味著感知用戶無法知道授權用戶的真實狀態，因此最大各態歷經信道容量也沒有辦法達到；ii)現行方法要求在感知用戶探測到授權用戶信道狀態為繁忙時，必須保持靜默狀態、不能進行數據發送以避免對授權用戶系統造成幹擾。但是，因為虛警將會使得感知用戶浪費實際可使用頻譜機會。頻繁的虛警事件(如當感知用戶感知準確度較低時)將引起感知無線電系統數據傳輸性能明顯下降。

發明內容
為克服上述兩方面的不足，本發明提供一種新的感知無線電系統傳輸控制方法，其主要特色包括i)以最大化平均輸出吞吐量為目標。平均輸出吞吐量作為衡量感知無線電系統性能指標的優勢在於它不要求感知用戶知道授權用戶的真實狀態。因此，最大化的平均輸出吞吐量對感知無線電系統來說是切實可獲得的；
ii)允許感知用戶根據其頻譜感知準確度和當前感知結果，在保證避免對授權用戶系統造成過大幹擾的前提下使用感知結果為繁忙的授權用戶信道。這樣的優勢在於感知無線電系統可避免因虛警率過高造成的頻譜資源浪費過多現象，提高頻譜利用效率；iii)該方法實現過程簡單、計算複雜度低。本發明解決其技術問題所採用的技術方法問題涉及的網絡場景的描述在所述感知無線電系統中，授權用戶系統擁有一組K={1，2，...,K}信道，並且採用時間槽模型運作；感知用戶與授權用戶系統的時間槽模型保持同步；在每個時隙開始的時候，感知用戶通過頻譜感知探測授權用戶各信道狀態即授權用戶處於信道繁忙狀態或是信道空閒狀態，令Sk=O代表授權用戶信道k處於繁忙狀態，令Sk = I代表授權用戶信道k處於空閒狀態；令^ = O代表感知用戶感知結果為授權用戶信道k處於繁忙；令@ =1代表感知用戶感知結果為授權用戶信道k處於空閒狀態。在存在感知誤差的情況下，P有可能發生。 本發明提出的傳輸控制方法目標是感知用戶根據其感知結果決定其在各信道上的數據傳輸速率傳輸功率安排}/=(U，從而保證感知用戶在所有信道上總平均輸出吞吐量最大化。本發明提出的傳輸控制方法包括如下3點。第I點，使用平均輸出吞吐量作為感知系統目標當感知用戶在授權用戶信道k上頻譜感知結果為P = /&/ = ο，ι)時，感知用戶此時的平均輸出吞吐量」定義為
XkSk]Tf 二 Pr] < log2(l + —k——J ； , k ) \
J J Ii 2 ^+(I-Zkj)YkgIZl其中，具體符號定義如下 :當感知用戶在授權用戶信道k上頻譜感知結果為P = j·時，感知用戶在授權用戶在信道k上採用的數據傳輸速率；Xkj :當感知用戶在授權用戶信道k上頻譜感知結果為P =j·時，感知用戶在授權用戶信道k上採用的數據傳輸功率；Zkj :當感知用戶在授權用戶信道k上頻譜感知結果為P = j時，授權用戶真實狀態%Ζ]，需要特別注意的是#代表一個隨機變量；gkss :授權用戶信道k上，感知用戶發送、接收機之間的信道增益'gkps :授權用戶信
道k上，授權用戶發送機與感知用戶接收機之間的信道增益；Yk :授權用戶信道k上，授權用戶採用的傳輸功率；nk :授權用戶信道k上的背景噪聲功率；感知用戶在授權用戶信道k上的平均輸出吞吐量Γ/可以被視為感知用戶數據傳輸速率和所傳輸數據通過信道並被接收機正確接收的概畢Z間的乘積。平均輸出吞吐量作為感知系統性能衡量標準的特點是把授權用戶真實狀態視為一個等效的後驗隨機變量<，其分布取決於感知用戶的當前感知結果與相應的感知準確度。這樣做法的優勢是即使感知用戶不知道授權用戶信道的真實狀態，平均輸出吞吐量指標對感知無線電系統來說是切實可獲得的。第2點，具體傳輸控制方法感知用戶傳輸控制包括了傳輸速率控制與傳輸功率安排。具體介紹如下I)傳輸速率控制在每個信道k e {1，2，...，K}上，根據頻譜感知結果P=je {0,1}，決定相應的數據傳輸速率{r丨；2)傳輸功率安排在每個信道k e {1，2，..，K}上，根據頻譜感知結果P=Je {0,1},決定數據傳輸功率安排{ ，··.，#}。
感知用戶的目標通過優化傳輸速率{ ，..·，<},_與傳輸功率
，保證最大化感知用戶在所有授權用戶信道上的平均輸出吞吐量
λ_ηΣ κιΣ^ΑΓ/ 』其中< =pr丨P =A代表感知用戶在信道k上獲得感知結果為P =)
的穩態概率。特別地，感知用戶被允許選擇冒進式地使用授權用戶信道，即當P = O時，感知用戶也可使用授權用戶信道k。這樣做的優勢是可以避免感知用戶因虛警率過高而造成的頻譜資源過多浪費、從而提高頻譜利用效率。感知無線電用戶的限制條件因為有限頻譜感知準確度，感知用戶不可避免地將對授權用戶造成幹擾。這樣的幹擾來自兩個方面1)漏檢事件的發生；2)當感知用戶冒進式地使用授權用戶信道。因此，感知無線電系統必須保證避免對授權用戶造成過大的幹擾，
， Ji Jc ^ IiIc
這將通過限制條件}￡ Γ來實現。其中《=pr{i^ = ζ· j P = 丨代表在信道k
上，給定感知用戶感知結果為P =_/的情況下，授權用戶真實狀態為Sk = i的概率。rk代
表授權用戶信道k上所能承受的幹擾容限。gt表示在授權信道k上感知用戶發送機到授權用戶的信道增益。綜合上述目標與限制條件，本發明提出的傳輸方法可以被表述為(方案Fl)
Σ Σπ)τ"= Σ Σ pW^lQg2(i + ,)]
1 k={hl,...,K} ,/=0,11=(1,2,...，K} j=0,lW 十 V Aj )I gps滿足Σ4444 ^ ΓΧ j=o,Ir) > Ο,χ^ > 0,V/,k方案Fl的實現可以通過商用優化軟體，即採用優化軟體求解方案Fl從而獲得感知用戶在各條信道、各頻譜感知結果下的最優數據傳輸速率最優傳輸功率安排丨xf)/=w。感知用戶採用此最優傳輸速率和功率進行數據傳輸便可以保證其在所有授權用戶信道上的總平均輸出吞吐量最大化。第3點，實現算法獲得最優數據傳輸速率{rf，rf}i=(U及最優傳輸功率安排(I* τ K* >
{λ: ,Xj ,...,Xj }J=0,1具體算法包括如下3步。第I步將在所有信道上總平均輸出吞吐量最大化劃分到各單獨信道上進行求解，即分別計算感知用戶在每信道k上的最大輸出吞吐量0%及其相對應的傳輸速率
{d=w和傳輸功率；第2步在各單獨信道上，依據感知準確度枚舉所有可行的傳輸速率一功率安排的選擇。具體選擇有如下四種，分別用Pl，P2，P3和P4表示；選擇Pl = O時，感知用戶選擇不信任其信道感知結果並進行相應的速率與功 率控制；而^ = I時，感知用戶選擇信任其信道感知結果並相應的進行速率與功率控制，選擇Pi的平均輸出吞吐量記為，相應的控制策略記為丨rf；選擇P2 :P = O時，感知用戶選擇不信任其信道感知結果並進行相應的速率與功率控制= I時，感知用戶選擇不信任其信道感知結果並進行相應的速率與功率控制；選擇P2的平均輸出吞吐量記為Ff，相應的控制策略記為丨rf，xf^P2 ；選擇P3 P = O時，感知用戶選擇信任其信道感知結果並進行相應的速率與功率控制= I時，感知用戶選擇信任其信道感知結果並進行相應的速率與功率控制；選擇P3的平均輸出吞吐量記為F=，相應的控制策略記為丨rf ,xf,xf ；選擇P4 p = 0時，感知用戶選擇信任其信道感知結果並進行相應的速率與功率控制；p = I時，感知用戶選擇不信任其信道感知結果並進行相應的速率與功率控制；選擇Ρ4的平均輸出吞吐量記為Γ=，相應的控制策略記為{Of O1^p41根據選擇Pl，P2，P3和P4的結果，信道k上的最大輸出吞吐量為Vk* = nmx{VpkiVvk,νζ,νζ)，而相應的傳輸速率控制與傳輸功率安排為
Yk* rk* k*^ _ c k* k* k* k*x 其中= arg max {Fp:}；
1Γ0，Λ0，Γ1，七 I - VO，Λ0，Γ1 ,Λ1 /pfc 』^=1.2,3,4第3步針對各具體選擇(即選擇Pm，m=l, 2, 3,4)所對應的優化問題，利用該問題特有的幾何特徵來枚舉出最優解所有的可能位置，它們包括可能性Cl :相應的平均輸出吞吐量和控制策略記為和
§rk^γΑ I ·
O,Pm 5 A0,Pm = fl,Pm 5 Λ1,Ρηι i，可能性C2 :相應的平均輸出吞吐量和控制策略記為和
§rk^c2 Yfc^c2 rk,el rk^c2\ ·
0,Pm5/1Pm,可能性C3 :相應的平均輸出吞吐量和控制策略記為和
(rk-c2 rk-c2 rk，c2 Yk^2 \ ·
If0,Pm 5 Λ0,Pm ^liPm 5Al,Pmi，對任意選擇Pm，m=l, 2，3，4，通過枚舉Cl，C2和C3，信道k上所對應的輸出吞吐量可被表述為< =HiaxiF//,i^f，FPte3丨，相對應的傳輸速率控制和傳輸功率安排(rk* Yk* rk* Yk*\ _ (rk,cn k/n k,cn k/ηΛ 其中《 = maX}。
Vo ,Λ0，fl，Λ1 /Pm — VO1Pm^ jtO1Pm^l1Pm 5ALPni/ Jn=L2,3 本發明的技術構思為包括如下兩點i)一個新的感知無線電系統傳輸控制方法。該方法根據感知用戶的頻譜感知結果和頻譜感知準確度來調整感知用戶的數據傳輸速率與傳輸功率安排，該方法的目標是最大化感知用戶在所有信道上的總平均輸出吞吐量；ii) 一個快速算法實現所提出的優化控制方法。該算法，a)利用感知用戶頻譜感知準確度信息枚舉所有4種可能的傳輸速率一傳輸功率安排選擇(包括選擇Pl，P2，P3，P4)；b)對於各速率一功率選擇，利用其所對應優化問題的幾何特性枚舉所有3種可能的最優解
位置(包括可能Cl，C2，C3);通過各種選擇和最優解可能位置間的有限次比較，迅速地計算出感知用戶最大平均輸出吞吐量及相應的最優化數據傳輸速率與傳輸功率安排。本發明的有益效果主要表現在i)實用性強針對頻譜感知誤差，所提出的平均輸出吞吐量性能指標不要求感知用戶知道授權用戶的真實狀態，感知無線電系統用戶只需根據其感知結果和頻譜感知準確度信息，採用所設計的最優傳輸速率與功率安排方法就可切實獲得最大平均輸出吞吐量。ii)頻譜利用效率高本發明所提出的方法允許感知用戶根據感知結果和頻譜感知準確度冒進式地使用授權用戶信道。如前所述，這樣做的優勢是避免當感知系統頻譜檢測虛驚率較高時浪費過多的實際可用的頻譜空隙資源。iii)有效、快速的實現算法本發明所提出的算法利用感知準確度信息以及傳輸速率一傳輸功率間的關係，將各信道上輸出吞吐量最大化問題劃分為四個不同的選擇(P1、P2、P3、P4);對於每個選擇，通過利用該選擇所對應優化問題的特有幾何特性，枚舉三種可能的最優解位置(C1、C2、C3)，從而直接給出輸出吞吐量及相應的傳輸速率與功率控制的解析表達式。然後，通過各種選擇、各可能間有限次比較從而獲得最大輸出吞吐量及相對應的最優傳輸速率與功率控制。因此，本算法執行速度快、複雜度低、避免依賴於商用優化軟體。


圖I是系統模型的示意圖(以授權用戶信道k為例)。圖2是主算法流程圖。圖3是子算法流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。參照圖I 圖3，一種基於平均輸出吞吐量的感知無線電系統優化傳輸控制方法，本發明基於一個通用感知無線電系統(如圖I所示)。授權用戶系統擁有一組K={1，2，...，K}(共K條)信道，並且採用時間槽模型運作。感知用戶與授權用戶系統的時間槽模型保持同步。在每個時隙開始的時候，感知用戶通過頻譜感知探測授權用戶各信道狀態即授權用戶正在佔用信道(信道繁忙)或是授權用戶沒有使用信道(信道空閒)。令Sk=0 (Sk= I)代表授權用戶信道k處於繁忙(空閒)狀態。在實際情況下，感知用戶的頻譜感知存在誤差。令P =G (P=I)代表感知用戶感知結果為授權用戶信道k處於繁忙(空閒)。明顯地，在存在感知誤差的情況下，有可能發生。感知用戶的操作是根據其頻譜感知結果，決定如何優化使用授權用戶信道、同時避免對授權用戶系統造成嚴重幹擾。本發明提出平均輸出吞吐量指標作為感知用戶優化目標，具體如下。當感知用戶
在授權用戶信道k上頻譜感知結果為P= ο，ι)時，感知用戶的平均輸出吞吐量r/
為rf = rf Pri rf
1 } Iink+(I-Zkj)YkSkps^其中，具體符號定義如下 :當感知用戶在授權用戶信道k上頻譜感知結果力& = j·時，感知用戶在授權用戶在信道k上採用的數據傳輸速率；Xkj :當感知用戶在授權用戶信道k上頻譜感知結果力P = j時，感知用戶在授權用戶信道k上採用的數據傳輸功率；Zkj :當感知用戶在授權用戶信道k上頻譜感知結果為P = J·時，授權用戶真實狀態力< 需要特別注意的是<是一個隨機變量；< :授權用戶信道k上，感知用戶發送、接收機之間的信道增益；gkps :授權用戶信道k上，授權用戶發送機與感知用戶接收機之間的信道增益；Yk :授權用戶信道k上，授權用戶採用的傳輸功率；nk :授權用戶信道k上的背景噪聲功率；感知用戶在授權用戶信道k上感知結果為P = /，(./ =〔)，I)時的平均輸出吞吐量
是感知用戶的數據傳輸速率與所發送數據通過信道並被接收機正確接收的概率之間的乘積。感知無電線系統傳輸控制方法本發明的傳輸控制方法包括傳輸速率控制與傳輸功率控制兩個部分。(i)傳輸速率控制在每個信道k e {I, 2,..., K}上，根據頻譜感知結果P=j'e {0,1}，決定相應的數據傳輸速率···，<}；(ii)傳輸功率控制在每個信道k e {1，2，...，K}上，根據頻譜感知結果P=je {0,1}，決定數據傳輸功率{χ .,χ,···，#}。感知無線電系統的目標通過優化傳輸速率{ ,...，<}J=0J與傳輸功率{xK，...，xf}/=w，保證最大化感知用戶在所有授權用戶信道上總平均輸出吞吐量
λ_Σκ>』其中^=Pr{p=j 丨代表感知用戶在信道k上獲得感知結果力ρ=#
穩態概率。感知無線電用戶的限制條件因為存在感知誤差，感知用戶不可避免地將對授權用戶造成幹擾。這種幹擾來自兩個方面(i)漏檢事件的發生；(ii)當感知用戶冒進式地使用授權用戶信道。因此，感知無線電系統必須保證避免對授權用戶造成過大的幹擾，這將通過限制條件1^ / - P來實現。其中《=Pr// = /1P =乃代表在信道k上，
給定感知用戶感知結果為P = y的情況下，授權用戶真實狀態為Sk = i的概率。rk代表授
權用戶信道k上所能承受的幹擾容限。gt代表在授權用戶信道k上感知用戶發送機到授權用戶間的信道增益。上綜合上述目標與限制條件，本發明提出的感知無線電系統傳輸控制方法可以被表述為(方案Fl):
權利要求
1.一種基於平均輸出吞吐量的感知無線電系統優化傳輸控制方法，所述感知系統中，授權用戶系統擁有一組κ={1，2，...,K}信道，並且採用時間槽模型運作；感知用戶與授權用戶系統的時間槽模型保持同步；在每個時隙開始的時候，感知用戶通過頻譜感知探測授權用戶各信道狀態即授權用戶處於信道繁忙狀態或是信道空閒狀態，令Sk=O代表授權用戶信道k處於繁忙狀態，令Sk=I代表授權用戶信道k處於空閒狀態；令0 = O代表感知用戶感知結果為授權用戶信道k處於繁忙；令0 =1代表感知用戶感知結果為授權用戶信道k處於空閒；其特徵在於所述控制方法包括以下步驟 i)各信道平均輸出吞吐量獨立求解將所有授權用戶信道上的總平均輸出吞吐量優化問題劃分到各單獨授權信道上進行、即分別計算各個授權用戶信道k上的最優輸出吞吐量Vk*,及其相對應的傳輸速率控制^=>1與傳輸功率安排{xf ； ii)枚舉所有傳輸速率一功率選擇在各授權用戶信道上，依據感知用戶的感知準確度枚舉所有4種可能的傳輸速率一傳輸功率選擇，四種選擇分別用P1，P2，P3和P4表示，具體如下 選擇Pl = O時，感知用戶選擇不信任其信道感知結果，並進行相應的傳輸速率與功率控制；而？ =1時，感知用戶選擇信任其信道感知結果，並進行相應的傳輸速率與功率控制，選擇Pl的平均輸出吞吐量記為FPt，相應的控制策略記為丨rf ,xf ,rf ,xf )Ρ1; 選擇Ρ2 = G時，感知用戶選擇不信任其信道感知結果，並進行相應的傳輸速率與功率控制= I時，感知用戶選擇不信任其信道感知結果，並進行相應的速率與功率控制；選擇Ρ2的平均輸出吞吐量記為，相應的控制策略記為,Of>P2 ； 選擇P3 = O時，感知用戶選擇信任其信道感知結果，並進行相應的傳輸速率與功率控制= I時，感知用戶選擇信任其信道感知結果，並進行相應的傳輸速率與功率控制；選擇P3的平均輸出吞吐量記為，相應的控制策略記為{/f,U ； 選擇P4 =P =0時，感知用戶選擇信任其信道感知結果，並進行相應的速率與功率控制s < = 時，感知用戶選擇不信任其信道感知結果，並進行相應的傳輸速率與功率控制；選擇Ρ4的平均輸出吞吐量記為g，相應的控制策略記為丨rf,xf}Ρ4 ； 根據選擇Pl，Ρ2，Ρ3和Ρ4的結果，授權用戶信道k上的最優輸出吞吐量為Fk* = max{V^,V^,Vpk；,Vpk4*}，而相應的授權用戶信道k上的控制策略為frk* xk* J* xk*\ - frk* rk* rk* xk*\ 其中ft = argmax{FpAm};Vo ，,1 5*^1 I — Uo，,1 5Λ1 fpm ^=1,23,4 iii)針對任意選擇，枚舉對應最優解的可能位置針對每種選擇所對應的最優化問題，利用該問題特有的幾何特徵枚舉出該問題最優解的所有3種可能位置，它們分別是 可能性Cl :相應的平均輸出吞吐量和控制策略記為F=1和； 可能性C2 :相應的平均輸出吞吐量和控制策略記為Ft2和; 可能性C3 :相應的平均輸出吞吐量和控制策略記為1^5和{<12，"4￡1, ^￡，4￡}對任意選擇Pm，m=l，2，3，4，授權用戶信道k上所對應的輸出吞吐量G = maxiFpAmKnf，Ff3}，而相對應的控制策略
2.如權利要求I所述的基於平均輸出吞吐量的感知無線電系統傳輸控制方法，其特徵在於 選擇Pl的平均輸出吞吐量記為其計算過程為 步驟I. I):用公式(PlCl-X)和公式(PlCl-R)計算用公式
全文摘要
一種基於平均輸出吞吐量的感知無線電系統傳輸控制方法，包括以下步驟i)將總平均輸出吞吐量最優化問題劃分到各授權用戶信道上進行求解；ii)在給定信道上，利用感知用戶頻譜感知準確度信息，枚舉所有4種傳輸速率—功率選擇，通過4種選擇間相互比較獲得在該信道上最優平均輸出吞吐量和相應傳輸策略；iii)針對4種速率—功率選擇中任意一種所對應的優化問題，利用該問題幾何特徵枚舉最優解的所有3種可能位置，並通過比較獲得對應於該種選擇的平均輸出吞吐量和相應的控制策略。本發明採用切實可獲得的平均輸出吞吐量作為優化目標、提高了頻譜利用效率、同時具有較低計算複雜度。
文檔編號H04W16/14GK102724676SQ20121020174
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月18日 優先權日2012年6月18日
發明者華驚宇, 吳遠, 孟利民, 彭宏, 徐志江, 朱瓊華, 錢麗萍 申請人:浙江工業大學