认知无线电系统中的资源分配设备和方法
【专利摘要】本发明公开了认知无线电系统中的资源分配设备和方法。一种认知无线电系统中的资源分配设备，包括：信息获得装置，被配置用于获得主系统在传输资源上的干扰阈值，该干扰阈值反映所述主系统在该传输资源上能够容忍的干扰功率水平；以及功率分配装置，被配置用于将所述干扰阈值分割为多个干扰单元，计算多个次系统中的每一个在获得每一干扰单元时的性能提升值，并将与该干扰单元对应的传输功率量分配给与最大的性能提升值对应的次系统，其中，每一次系统在获得干扰单元时的性能提升值反映当将该次系统在所述传输资源上的传输功率增加与该干扰单元对应的量时能够得到的系统性能上的提升。
【专利说明】认知无线电系统中的资源分配设备和方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及认知无线电领域，具体而言，涉及认知无线电系统中的资源分配设备和方法。
【背景技术】
[0002]在认知无线电(CognitiveRadio, CR)的场景下，次系统(Secondary System, SS)需要共享主系统(Primary System, PS)的传输资源。如何避免此系统对主系统造成有害干扰是该领域的一个热点问题。
[0003]例如，次系统可以检测主系统未在使用的空闲传输资源(如频谱空洞或空闲时隙等)，并利用这些空闲的传输资源进行次系统的通信传输。这种机制可称为上覆(Overlay)模式。这种模式可以最大程度地减小次系统对主系统的干扰。作为另外一种资源共享机制，提出次系统与主系统共同使用相同的传输资源(如相同的频段)的共享机制，从而进一步提高频谱利用率。这种机制可称为下垫(Underlay)模式。在下垫模式下，认知无线电系统的资源分配需要考虑次系统对主系统的干扰，即存在对于主系统的干扰约束条件。
【发明内容】
[0004]本公开的一些实施例提供了一种资源分配设备和方法，所提供的资源分配设备和方法能够在认知无线电系统包括多个次系统的应用场景下有效地为各个次系统分配传输资源。
[0005]在下文中给出关于本公开的简要概述，以便提供关于本公开的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本公开的穷举性概述。它并不是意图确定本公开的关键或重要部分，也不是意图限定本公开的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
[0006]根据本公开的一个方面，提供了一种认知无线电系统中的资源分配设备，该资源分配设备可以包括:信息获得装置，被配置用于获得主系统在传输资源上的干扰阈值，该干扰阈值反映所述主系统在该传输资源上能够容忍的干扰功率水平；以及功率分配装置，被配置用于将所述干扰阈值分割为多个干扰单元，计算多个次系统中的每一个在获得每一干扰单元时的性能提升值，并将与该干扰单元对应的传输功率量分配给与最大的性能提升值对应的次系统，其中，每一次系统在获得干扰单元时的性能提升值反映当将该次系统在所述传输资源上的传输功率增加与该干扰单元对应的量时能够得到的系统性能上的提升。
[0007]根据本公开的另一方面，提供了一种认知无线电系统中的资源分配方法，该资源分配方法可以包括:获得主系统在传输资源上的干扰阈值，该干扰阈值反映所述主系统在该传输资源上能够容忍的干扰功率水平；将所述干扰阈值分为多个干扰单元；以及计算多个次系统中的每一个在获得每一干扰单元时的性能提升值，并将与该干扰单元对应的传输功率量分配给与最大的性能提升值对应的次系统，其中，每一个次系统在获得干扰单元时的性能提升值反映当将该次系统在所述传输资源上的传输功率增加与该干扰单元对应的量时所述认知无线电系统的系统性能上的提升。
[0008]另外，本公开还提供用于实现上述方法的计算机程序。
[0009]此外，本公开也提供至少计算机可读介质形式的计算机程序产品，其上记录有用于实现上述方法的计算机程序代码。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]参照下面结合附图对本公开实施例的说明，会更加容易地理解本公开的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本公开的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。 [0011]图1是示出根据本公开的一个实施例的资源分配方法的示意性流程图；
[0012]图2是示出根据本公开的另一实施例的资源分配方法的示意性流程图；
[0013]图3是示出估计认知无线电系统的性能提升值的方法的一个具体实施例的示意性流程图；
[0014]图4是示出确定分割数量值的方法的一个具体实施例的示意性流程图；
[0015]图5是示出在不同的分割数量值下系统性能误差值的上限的中断概率的曲线的示意图；
[0016]图6是示出调整或优化分割数量值的一个示例的示意性流程图；
[0017]图7是示出根据本公开的另一实施例的资源分配方法的示意性流程图；
[0018]图8是示出在次系统内的次用户之间分配传输资源的方法的一个示例的示意性流程图；
[0019]图9是示出认知无线电场景的一个示例的示意图；
[0020]图10是示出在图9所示的认知无线电场景下信道状态信息的示意图；
[0021]图11是示出根据本公开的一个实施例的资源分配设备的结构的示意性框图；
[0022]图12是示出根据本公开的另一实施例的资源分配设备的结构的示意性框图；以及
[0023]图13是示出根据本公开的另一实施例的资源分配设备的结构的示意性框图。【具体实施方式】
[0024]下面参照附图来说明本公开的实施例。在本公开的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本公开无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。
[0025]本公开的一些实施例提供了一种资源分配设备和方法，所提供的资源分配设备和方法能够在认知无线电系统包括多个次系统的应用场景下有效地在多个次系统之间分配传输资源。
[0026]图9是示出认知无线电系统包括多个次系统的应用场景的一个示例的示意图。
[0027]如图9所示，在该认知无线电的场景中，存在M个次系统(M > I):SSp SS2、…、SSM。主系统包括主基站(Primary Base Station, PBS)和多个(如nPU个，nPU≥I)主用户(Primary User,PU)。每个次系统包括次基站(Secondary Base Station, SBS)和多个(如 K个，K≥I)次用户(Secondary User，SU)。在图9中，Rps表示主系统的小区半径，且Rss表示次系统的小区半径分别。图中所示的场景中还存在频谱协调器(用三角形表示)。该频谱协调器与每个次系统连接，用于整个认知无线电系统的数据融合和决策。
[0028]本公开中提及的传输资源可以是通信系统中用于信息传输的任何时频资源，如载波、子载波或时隙等。例如，在正交频分多址(OFDMA)系统中，所述传输资源可以是子载波。又如，在时分多址(TDMA)系统中，所述传输资源可以是时隙。又如，在频分多址(FDMA)系统中，所述传输资源可以是载波。此外，本公开中提及的通信系统并不局限于上述OFDMA或TDMA系统，还可以是其他类型的通信系统，这里不一一列举。
[0029]下文中，结合附图来描述根据公开的一些实施例。
[0030]图1是示出根据一个实施例的资源分配方法的示意性流程图。该资源分配方法针对包括多个次系统的认知无线电场景，其中，针对分配给次系统的传输资源，为各个次系统分配在所述传输资源上的传输功率。
[0031]在认知无线电系统存在多个次系统的情况下，不同次系统内的次用户可同时使用相同的传输资源。因此，需要这种情况下的功率分配问题。如本领域的技术人员所知的，该功率分配问题是一个非凸的优化问题。本实施例提供了一种在这种情况下进行传输资源功率分配的方法。
[0032]如图1所示，该资源分配方法可以包括步骤102、104、106和108。
[0033]首先，在步骤102，获得主系统在传输资源上的干扰阈值。所述干扰阈值反映主系统在该传输资源上能够容忍的最大干扰功率水平。
[0034]该干扰阈值可以预先存储在认知无线电系统的例如频谱协调器中，如存储在频谱协调器的存储装置中。认知无线电系统可以根据主系统采用的通信标准或协议等来确定所述干扰阈值，这里不作详述。
[0035]然后，在步骤104，将所述干扰阈值分割成多份。这里，每一份可称作一个干扰单元。
[0036]可以将干扰阈值平均分配成多个干扰单元，也可以将干扰阈值分成彼此不等的多个干扰单元，这里不作限定。
[0037]干扰单元的个数(下文也称为分割数量值)可以是一个预定的经验值，也可以是预先确定的一个统计学习值。另外，在资源分配过程中，还可以根据分配结果对分割数量值进行调整或优化。例如，可以参考下文中给出的确定或调整分割数量值的一些具体实施例。这里不作详述。
[0038]然后，在后续的步骤中将每一个干扰单元分配给各个次系统。
[0039]具体地，在步骤106，计算每一个次系统在获得某一干扰单元时的性能提升值。该性能提升值可以反映当将该次系统在所述传输资源上的传输功率增加与该干扰单元对应的量时认知无线电系统的系统性能上的提升。
[0040]这里所述的系统性能可以包括系统容量或者系统吞吐量。或者，还可以采用反映系统性能的其他参数，这里不作限定，也不一一列举。
[0041]相应地，可以采用任何适当的方法来计算所述性能提升值，例如，采用下文中将参考图2-3等描述的方法，这里不一一列举。应理解，本公开并不局限于在此所述的计算性能提升值的方法的实施例和示例。[0042]通过步骤106的处理，计算得到分别与多个次系统中的每一个对应的多个性能提升值。然后，在步骤108中，选择与最大的性能提升值对应的次系统，并将与该干扰单元对应的传输功率量分配给该次系统。
[0043]步骤106和108可以反复执行多次，直到将所有的干扰单元都分配给次系统。
[0044]利用上述资源分配方法，能够在存在多个次系统的情况下，有效地分配多个次系统在传输资源的传输功率。由于采用了将干扰阈值分割成有限份数的方法，因此，可以大大减小计算的复杂度，从而提高资源分配的效率。另外，由于每一个干扰单元被分配给能够带来最大系统性能提升的次系统，因此，能够优化系统的整体性能。同时还能够满足主系统对干扰抑制的需求。
[0045]上述以及下文中将描述的资源分配方法可以由认知无线电系统中的频谱协调器来执行。频谱协调器将相应分配方案反馈到各个次系统，如次基站。各个次用户可以通过控制信道从相应次基站中获得分配方案。
[0046]图2示出了根据另一具体实施例的资源分配方法。
[0047]如图2所示，该资源分配方法可以包括步骤202、204、206和208以及210。
[0048]步骤202和204与上文描述的步骤102和104相似，这里不再重复。
[0049]在步骤210中，可以获取认知无线电系统的信道状态信息。注意，在其他实施例或示例中，该步骤210还可以在步骤202或步骤204之前进行。
[0050]这里所述的信道状态信息可以包括反映所述主系统与次系统之间的信道状态的信息，还可以包括反映多个次系统之间的信道状态的信息。
[0051]作为一个具体示例，这里所述的信道状态信息可以包括以下参数中的一个或更多个:次系统中的次基站到该次系统中的次用户在所述传输资源上的接入信道增益、次系统中的次基站到其他次系统中的次用户在所述传输资源上的干扰信道增益、次系统中的次基站到主系统中的主基站在所述传输资源上的接入信道增益、主系统中的主基站到次系统中的次用户在所述传输资源上的干扰信道增益。
[0052]图10示出了在图9所示的应用场景下信道状态信息的分布示意图。信道状态信息既包括各次系统SS对主基站PBS的干扰的信息，还包括各个次系统SS之间的相互干扰的信息和/或主系统对次系统的干扰的信息。在图10中，表不SbSm到SSm中的SUk在传输资源η上的接入信道增益表不SBSi到SSm中的SUk在传输资源η上的干扰信道增益,Mjbs-表示SBSm到PBS在传输资源η上的干扰信道增益，并且表示I3U到SSm中的SUk在子载波η上的干扰信道增益。
[0053]应理解，本公开并不局限于上文列举的信道状态信息的实施例和示例。本领域的技术人员可以理解，在实际应用中，可以根据需要而采用反映认知无线电系统的信道状态的任何适当的参数信息，这里不一一列举。
[0054]可以采用任何适当的方法来获得所述信道状态信息。
[0055]作为一个具体示例，在主系统与次系统不存在交互的情况下，反映所述主系统与次系统之间的信道状态的信息可以由次系统中的次用户和/或次基站通过信道估计或盲检测来获得，并发送给频谱协调器。例如，在主系统的下行，次基站测量主基站到自己的信道状态信息，并把这个测量结果传输到频谱协调器。作为另一具体示例，在主系统与次系统不存在交互的情况下，可以在主系统的小区中布置传感器网络，该传感器网络可以包括设置在小区中不同位置处的多个传感器。该传感器网络检测或估计主系统与次系统之间的信道状态，并将相关信息发送给频谱协调器。作为另一具体示例，在主系统与次系统存在交互的情况下，可以由主系统向频谱协调器反馈所述反映所述主系统与次系统之间的信道状态的信息。
[0056]反映多个次系统之间的信道状态的信息可以由频谱协调器根据各个次系统(如次基站)反馈的信道状态来获得。作为一个具体示例，在次系统的下行中，由次用户来测量相应次基站到自己的信道状态信息，并在次系统的上行信道中反馈给相应的次基站，由次基站反馈给频谱协调器。
[0057]然后，在步骤208中，根据所述信道状态信息来估计次系统在获得干扰单元时该次系统的系统性能的提升幅度。该提升幅度可以作为所述性能提升值。
[0058]作为一个具体示例，假设存在M个次系统(M > I) =SS1, SS2,...、SSm,…、SSM。m=l, 2，…，Μ。假设主系统在传输资源η上的干扰阈值为Ith，且该干扰阈值被平均分割成L份，如下式所示:
[0059]10 = Ith/L(l)
[0060]I。表示一个干扰单元的大小。
[0061]可以采用下式来计算将第I (I = 1，2，…，L)份干扰单元分配给次系统SSm时该次系统SSni的系统性能的提升幅度:
[0062]
【权利要求】
1.一种认知无线电系统中的资源分配设备，包括: 信息获得装置，被配置用于获得主系统在传输资源上的干扰阈值，该干扰阈值反映所述主系统在该传输资源上能够容忍的干扰功率水平；以及 功率分配装置，被配置用于将所述干扰阈值分割为多个干扰单元，计算多个次系统中的每一个在获得每一干扰单元时的性能提升值，并将与该干扰单元对应的传输功率量分配给与最大的性能提升值对应的次系统，其中，每一次系统在获得干扰单元时的性能提升值反映当将该次系统在所述传输资源上的传输功率增加与该干扰单元对应的量时能够得到的系统性能上的提升。
2.根据权利要求1所述的资源分配设备，其中，所述信息获得装置还被配置用于获取信道状态信息，该信道状态信息包括反映所述主系统与次系统之间的信道状态的信息和反映多个次系统之间的信道状态的信息，并且 其中，所述功率分配装置被配置为通过以下来计算所述性能提升值:根据所述信道状态信息来估计该次系统在获得该干扰单元时该次系统的系统性能的提升幅度。
3.根据权利要求1或2所述的资源分配设备，其中，所述功率分配装置被配置用于: 估计该次系统在所述传输资源上的传输功率增加与该干扰单元对应的量时对所述多个次系统中的其他次系统的干扰导致的系统性能损失值； 根据所估计的系统性能损失值以及该次系统在获得该干扰单元时该次系统的系统性能的提升幅度，来估计所述性能提升值。
4.根据权利要求1所述的资源分配设备，还包括分割数量确定装置，该分割数量确定装置被配置 为确定将所述干扰阈值分割成多少干扰单元，作为分割数量值。
5.根据权利要求4所述的资源分配设备，其中，所述分割数量确定装置被配置为通过以下来确定所述分割数量值: 选择多个训练分割数量值，并统计在采用各个训练分割数量值来分割所述干扰阈值时多个次系统的系统性能与最优系统性能之间的性能误差值； 根据所统计的性能误差值，统计在多个训练分割数量值下的性能误差值的上限的中断概率；以及 根据所述中断概率来确定满足预定概率阈值的分割数量值。
6.根据权利要求4所述的资源分配设备，其中，所述分割数量确定装置被配置为通过以下来调整所述分割数量值: 估计多个次系统中的每一个在获得每一干扰单元时的的系统性能与最优系统性能之间的性能误差值；以及 根据该性能误差值与预定的性能误差阈值之间的差别来调整分割数量值。
7.根据权利要求1所述的资源分配设备，其中，所述系统性能包括系统吞吐量或系统容量。
8.根据权利要求2所述的资源分配设备，其中，所述信道状态信息包括:次系统中的次基站到该次系统中的次用户在所述传输资源上的接入信道增益、次系统中的次基站到其他次系统中的次用户在所述传输资源上的干扰信道增益、次系统中的次基站到主系统中的主基站在所述传输资源上的接入信道增益以及主系统中的主基站到次系统中的次用户在所述传输资源上的干扰信道增益中的一个或更多个。
9.根据权利要求2所述的资源分配设备，还包括: 传输资源分配装置，被配置用于根据所述信道状态信息为每一次系统中的次用户分配传输资源。
10.根据权利要求9所述的资源分配设备，其中，所述传输资源分配装置被配置为:按照比例公平的准则为每一次系统中的次用户分配传输资源。
11.一种认知无线电系统中的资源分配方法，包括: 获得主系统在传输资源上的干扰阈值，该干扰阈值反映所述主系统在该传输资源上能够容忍的干扰功率水平； 将所述干扰阈值分为多个干扰单元；以及 计算多个次系统 中的每一个在获得每一干扰单元时的性能提升值，并将与该干扰单元对应的传输功率量分配给与最大的性能提升值对应的次系统，其中，每一个次系统在获得干扰单元时的性能提升值反映当将该次系统在所述传输资源上的传输功率增加与该干扰单元对应的量时所述认知无线电系统的系统性能上的提升。
12.根据权利要求11所述的资源分配方法，还包括: 获取信道状态信息，该信道状态信息包括反映所述主系统与次系统之间的信道状态的信息和反映多个次系统之间的信道状态的信息，并且 其中，计算次系统获得干扰单元时的性能提升值包括: 根据所述信道状态信息来估计该次系统在获得该干扰单元时该次系统的系统性能的提升幅度。
13.根据权利要求11或12所述的资源分配方法，其中，计算次系统获得干扰单元时的性能提升值还包括: 估计该次系统在所述传输资源上的传输功率增加与该干扰单元对应的量时对所述多个次系统中的其他次系统的干扰导致的系统性能损失值； 根据所估计的系统性能损失值以及该次系统在获得该干扰单元时该次系统的系统性能的提升幅度，来估计所述性能提升值。
14.根据权利要求11所述的资源分配方法，还包括:确定将所述干扰阈值分割成多少干扰单元，作为分割数量值。
15.根据权利要求14所述的资源分配方法，其中，确定所述分割数量值包括: 选择多个训练分割数量值，并统计在采用各个训练分割数量值来分割所述干扰阈值时多个次系统的系统性能与最优系统性能之间的性能误差值； 根据所统计的性能误差值，统计在多个训练分割数量值下的性能误差值的上限的中断概率；以及 根据所述中断概率来确定满足预定概率阈值的分割数量值。
16.根据权利要求14所述的资源分配方法，还包括: 估计多个次系统中的每一个在获得每一干扰单元时的系统性能与最优系统性能之间的性能误差值；以及 根据该性能误差值与预定的性能误差阈值之间的差别来调整分割数量值。
17.根据权利要求11所述的资源分配方法，其中，所述系统性能包括系统吞吐量或系统容量。
18.根据权利要求12所述的资源分配方法，其中，所述信道状态信息包括:次系统中的次基站到该次系统中的次用户在所述传输资源上的接入信道增益、次系统中的次基站到其他次系统中的次用户在所述传输资源上的干扰信道增益、次系统中的次基站到主系统中的主基站在所述传输资源上的接入信道增益以及主系统中的主基站到次系统中的次用户在所述传输资源上的干扰信道增益中的一个或更多个。
19.根据权利要求12所述的资源分配方法，还包括: 根据所述信道状态信息为每一次系统中的次用户分配传输资源。
20.根据权利要求19所述的资源分配方法，其中，为每一次系统中的次用户分配传输资源包括: 将与所述干扰阈值对应的传输功率量平均分配给多个次系统；以及 按照比例公平的准则为每一次系统中的次用户分配传输资源。
【文档编号】H04W72/04GK103716886SQ201210376022
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年9月29日 优先权日:2012年9月29日
【发明者】吴龙军, 陈巍, 曹志刚, 郭欣 申请人:索尼公司, 清华大学