专利名称：一种认知无线电系统中混合并行标准的频谱分配方法
技术领域：
本发明涉及频谱分配方法，具体涉及一种认知无线电系统中混合并行标准的频谱分配方法。
背景技术：
基于图论着色理论的频谱分配模型在移动蜂窝通信中已经用于分析小区的频率规划和指配，是一种相对成熟的模型。在认知无线电系统中，由于是择机使用授权用户的频谱，认知无线电用户的可用频谱受到授权用户工作状态、位置和覆盖范围的影响，具有空时变化的特性。因此，在认知无线电系统中采用图论着色模型进行频谱分配分析，需要对频谱分配的约束条件，分配目标等进行必要的修订。由于并行方法是把原有的拓扑结构图分解为多个子图，然后在这些子图上进行独立的频谱分配，各子图之间不进行信息的交换，所以每个子图在分配的时候无法考虑到其他子图的分配情况，无法利用到已分配频谱的信息， 这是并行方法公平性差的根本原因。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有并行方法在分配频谱时，每次分配频谱时，没有利用到其他子图上的已分配的频谱信息，导致并行方法公平性差的问题。一种认知无线电系统中混合并行标准的频谱分配方法包括下述步骤步骤一、绘制认知无线电系统的拓扑图；步骤二、把拓扑图分解为N个子图，N为总频谱数；步骤三、对未分配频谱的Mg个子图进行频谱分配，其中，N ^ Mg, Mg为第g轮分配时的子图数，I彡g彡M;针对一个待分配的频谱m,对Mg个子图中的Μ8*β个子图使用垂直并行标准获得频谱m所在的Mg* β个子图中的每个认知用户的标号值，并将频谱m分配给对应标号值最大的认知用户，其中，β为垂直并行系数，O ^ β ^ I，其中对Mg* β取整；同时，针对所述待分配的频谱m，对其余Mg* (I-β )个子图使用水平并行标准获得频谱m所在的Mg* (I- β )个子图中的每个认知用户的标号值，并将频谱m分配给对应标号值最大的认知用户，其中对Mg* (I-β)取整；步骤四、去掉拓扑图中已分配完成的频谱，更新已分配矩阵；步骤五、判断频谱分配是否完毕，判断为是，则执行步骤六；判断为否，则执行步骤 ·
三；
步骤六、结束频谱分配。本发明为一种认知无线电系统中混合并行标准的频谱分配方法，通过利用其他子图上的已分配的频谱信息，达到了在计算标号时各频谱不全部采用相同的标准，减小单轮分配聚集现象的影响，提高系统公平性的目的。从而提出了一种认知无线系统中并行标准的频谱分配方法。传统的并行算法中，在每一轮计算标号时如果使用同一标准，极有可能产生将大量信道分给同一用户的情况，本文称这种现象为单轮分配聚集现象。
图I为认知无线电系统的图论模型图，图2为混合并行标准方法流程图，图3为系统公平性随着α和β的变化情况图，图4为系统公平性随着α的变化情况图，其中曲线 A表示认知用户数为20和频谱数为10时，系统公平性随着水平并行系数α的变化曲线； 曲线B表示认知用户数为10和频谱数为10时，系统公平性随着水平并行系数α的变化曲线；曲线C表示认知用户数为20和频谱数为20时，系统公平性随着水平并行系数α的变化曲线；曲线D表示认知用户数为10和频谱数为20时，系统公平性随着水平并行系数α 的变化曲线，图5为最佳α对频谱数和认知用户数的变化规律图，图6为最佳β对频谱数和认知用户数的变化规律图。
具体实施例方式具体实施方式
一、本发明所述的一种认知无线电系统中混合并行标准的频谱分配方法，它包括下述步骤步骤一、绘制认知无线电系统的拓扑图；步骤二、把拓扑图分解为N个子图，N为总频谱数；步骤三、对未分配频谱的Mg个子图进行频谱分配，其中，N ^ Mg, Mg为第g轮分配时的子图数，I彡g彡M;针对一个待分配的频谱111，对Mg个子图中的Mg* β个子图使用垂直并行标准获得频谱m所在的Mg* β个子图中的每个认知用户的标号值，并将频谱m分配给对应标号值最大的认知用户，其中，对Mg* β取整，β为垂直并行系数,O彡β彡I ;同时，针对所述待分配的频谱m，对其余Mg* (I-β )个子图使用水平并行标准获得频谱m所在的Μ8*(1-β)个子图中的每个认知用户的标号值，并将频谱m分配给对应标号值最大的认知用户，对Mg* (I-β)取整；步骤四、去掉拓扑图中已分配完成的频谱，更新已分配矩阵；步骤五、判断频谱分配是否完毕，判断为是，则执行步骤六；判断为否，则执行步骤 —■ ·
---，步骤六、结束频谱分配。其中步骤四所述的去掉拓扑图中已分配完成的子图，即删除已分配的认知用户对应的频谱，及相邻的一对认知用户之间存在的干扰，更新已分配矩阵，即更新得到频谱分配给认知用户的矩阵。将可用的频谱组成一个频谱池，并将其划分为无交叠的正交频段。假设在一个区域中有I个用户，他们竞争M个频段。每个用户根据自己的几何位置和环境都拥有一个自己的频谱池。认知用户通过频谱感知技术获得他们的环境信息，包括几何位置、发射功率、 可用频谱池及相互干扰信息等。每个用户选择合适的通信频谱，调整传送频率，进而避免干扰到授权用户。这就是一个频谱分配问题，即为每一个用户提供可用的频谱来满足他们的数据传输的要求。频谱分配数学模型是建立在相应的干扰和约束条件之上的。在认知无线电系统的图论着色模型研究中，将认知用户组成的网络拓扑结构抽象成图论模型图。在图中，每一个顶点代表一个认知用户，每一条边表示一对顶点间存在的冲突或者干扰，而用颜色表示频谱资源。频谱分配问题就等价于使系统利用效率最大化的顶点着色问题。如果图中的某两个顶点有一条边连接，则代表两个顶点间存在冲突或者干扰，即假定这两个节点不能同时使用相同的频谱资源。另外，将每一个顶点与一个集合相关联，这个集合代表该顶点所在区域位置可以使用的频谱资源。由于每个顶点地理位置的不同，因而不同顶点所关联的资源集合是不同的。图I是一个认知无线电系统的网络拓扑结构的图论模型图。图中的六个顶点 sul su6代表六个不同的认知用户，四个顶点puA puD代表四个不同的授权用户，且假设各个授权用户使用的授权频段分别是频谱A、频谱B、频谱C和频谱D。虚线圆表示，授权用户工作范围，在此范围内认知用户不能使用授权用户的频段，也就是说认知无线电用户使用授权频段的前提是如果当前频谱被授权用户使用，则为了避免对授权用户的干扰，这个频谱不能被附近的认知用户使用。统一的图论模型由空闲矩阵，效益矩阵，干扰矩阵和分配矩阵描述。空闲频谱是指在某个时间某个空间授权用户未使用的频谱，通常把空闲频谱分成一系列正交的子频谱，频谱间无干扰。由于空间位置以及传输功率等参数的不同，对于不同的认知无线电用户，同一个频谱空闲与否可能不同。比如在某个授权用户使用某个频谱m 时，m对于离授权用户比较近的认知无线电用户可能是无效的，但是对于距离该授权用户足够远的认知无线电用户而言，m是可以视作空闲的。频谱对于认知用户是否空闲用空闲矩阵表示。若同时使用频谱m时两个认知用户之间存在干扰，则它们不可以同时使用频谱m， 认知无线电用户间的干扰用干扰矩阵表示。由于用户所处的环境以及采用的调制编码技术可能不同，不同用户在同一个有效空闲频谱上获得的效益不一样，用户获得的效益用效益矩阵表示。假设分配时间相对于环境变化时间来说是很短的，各矩阵在分配周期内维持不变。各矩阵具体定义如下效益矩阵B =表征认知用户i使用频谱m所带来的效益权重(频谱容量)，I为总用户数，N为总频谱数。将矩阵L与矩阵B相结合，可得出有效频谱的效益Lb
—Ui, m · m} ixn°干扰矩阵集合C= {cijk| Cijk e {0,1}}IXI, Ci,k = I表示认知用户i和认知用户k 在同时使用相同频谱时会产生干扰，当i = k时，Cijk = O。无干扰的频谱分配矩阵A= {a^ Jaijlll e {0,1}} IXN, = I表示频谱m被分配给认知用户i。A必须满足无干扰条件ai m ■ akm = O if C1 k =\,/i,k <I,m <N(I)引入了每个频段的效益，可以得到以最大化频谱效益为目标的最优分配标准 (Max-Sum-Bandwidth, MSB)的表达式，相应地系统达到最大频谱效益的数学表达式变为
权利要求
1.一种认知无线电系统中混合并行标准的频谱分配方法，其特征在于该频谱分配方法包括下述步骤步骤一、绘制认知无线电系统的拓扑图；步骤二、把拓扑图分解为N个子图，N为总频谱数；步骤三、对未分配频谱的Mg个子图进行频谱分配，其中，N ^ Mg, Mg为第g轮分配时的子图数，I彡g彡M;针对一个待分配的频谱m，对Mg个子图中的Mg* β个子图使用垂直并行标准获得频谱 m所在的Μ8*β个子图中的每个认知用户的标号值，并将频谱m分配给对应标号值最大的认知用户，其中，β为垂直并行系数，O彡β彡I，其中对Mg* β取整；同时，针对所述待分配的频谱m，对其余Mg* (I-β )个子图使用水平并行标准获得频谱 m所在的Mg* (I- β )个子图中的每个认知用户的标号值，并将频谱m分配给对应标号值最大的认知用户，其中对Mg* (I-β)取整；步骤四、去掉拓扑图中已分配完成的频谱，更新已分配矩阵；步骤五、判断频谱分配是否完毕，判断为是，则执行步骤六；判断为否，则执行步骤三； 步骤六、结束频谱分配。
2.根据权利要求I所述的一种认知无线电系统中混合并行标准的频谱分配方法，其特征在于步骤三所述的对Μ8*β个子图使用垂直并行标准获得频谱m所在的Μ8*β个子图中的每个认知用户的标号值的过程为步骤三一、将Mg* β * β个子图根据协作式最大化总带宽标准进行频谱分配，在每个子图Gti = (Vtl7Etl)中选择使标号值IabelliI最大的认知用户userIm,将该频谱m分配给使标号值Iabellu最大的认知用户Userlm ；其中，Iabelli,m表示认知用户i使用频谱m的标号值；userlm表示子图Gtl = (Vtl,Etl)中标号值Iabelliim最大的认知用户，·4表示子图Gtl中的认知用户的集合，tl = l，2，"·Μ8*β*β ;其中对Μ8*β*β取整，Etl表示子图Gtl中的相邻的一对认知用户之间存在的干扰的集合；步骤三二、对剩余的Mg* β * (I- β )个子图根据协作式最大化比例公平标准进行频谱分配，在每个子图Gt2 = (Vt2, Et2)中选择使标号值IabeUiJ最大的认知用户user2m,将该频谱m分配给最大的认知用户user2m ；其中，label〗"表示认知用户i使用频谱m的标号值；user2m表示使标号值IabeUi^最大的认知用户严〃I=MgVt2表示子图Gt2中的认知用户的集合，t2 = 1，2，…Μ8*β*(1-β)，其中对Μ8*β*(1-β)取整；Et2表示子图Gt2中的相邻的一对认知用户之间存在的干扰的集合。
3.根据权利要求I所述的一种认知无线电系统中混合并行标准的频谱分配方法，其特征在于步骤三所述的对Mg* (I-β)个子图使用水平并行标准进行频谱分配的方法为步骤三六、对Mg* (I- β ) * α个子图根据协作式最大化总带宽标准进行频谱分配，在每个子图Gtl = (Vtl, Etl)中选择使标号值Iabell^m最大的认知用户Userlm,将该频谱m分配给最大的认知用户Userlm ；其中，Iabelli,m表示认知用户i使用频谱m的标号值；userlm表示子图Gtl = (Vtl,Etl)中标号值Iabelliim最大的认知用户
4.根据权利要求2或3所述的一种认知无线电系统中混合并行标准的频谱分配方法， 其特征在于协作式最大化总带宽标准为
5.根据权利要求2或3所述的一种认知无线电系统中混合并行标准的频谱分配方法， 其特征在于协作式最大化比例公平标准为
全文摘要
一种认知无线电系统中混合并行标准的频谱分配方法，本发明涉及一种认知无线电系统中混合并行标准的频谱分配方法。它是为了解决现有并行方法在分配频谱时，每次分配频谱时，没有利用到其他子图上的已分配的频谱信息，导致并行方法公平性差的问题。本方法是指先将一部分子图采用某一标准分配完毕，然后再将剩余子图采用水平并行标准算法进行分配，即先垂直，后水平的并行方式。垂直并行是指先将一部分子图采用协作式最大化总带宽标准分配完毕，然后再将剩余子图采用协作式最大化比例公平标准进行分配；水平并行是指在每一轮的分配过程中一部分子图采用协作式最大化总带宽标准，其余子图采用协作式最大化比例公平标准。本发明适用于无线网络领域。
文档编号H04W16/10GK102595423SQ20121007826
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月22日 优先权日2012年3月22日
发明者吴海燕, 孙鹏飞, 王孝, 蒋梦雄, 谢玉鹏, 谭学治, 马琳, 魏守明 申请人:哈尔滨工业大学