用户发送端到主用户接收端信道功率增益，hps为主用户发送端到次级用户接收端信道功 率增益，Pni为主用户恒定发送功率，表示次级用户接收端的噪声方差，nnl为次级用户 第Π -1次迭代获得的能效，[· ]+表示取O和?之中较大者，即若?为负值，则取0,若?为 正值，则取·。
[0049] 根据每次衰落状态下的发送功率的计算表达式，可以看到每次衰落状态的发送功 率能自适应的根据信道状态情况调整发送功率，从而能达到在各种衰落状态下，平均能效 最佳；
[0050] (3. 2)次级用户根据平均发送功率约束条件4?和平均干扰功率约束条件
j通过subgradient迭代算法经k次迭代，计算出平均发送功率约束对应的 拉格朗日乘子？和平均干扰功率约束对应的拉格朗日乘子μ k:
[0053] 其中^和€分别为次级用户最大平均发送功率约束和次级用户对主用户最大平
均干扰功率约束，E{ ·}表示对?求数学期望。最大平均发送功率约束和最大平均干扰功 率约束条件的宽松，对迭代停止所需步数具有较大的影响，当最大平均发送功率约束和最 大平均干扰功率约束越宽松时，迭代停止所需步数较少，反之，迭代停止所需步数较大；
[0054] (3.3)根据计算出的拉格朗日乘子？和μ k，计算发送功率:
[0056] (3.4)判断每次迭代计算出的拉格朗日乘子？和μ 1'是否满足迭代终止条件，若 满足则执行步骤（3. 5)，否则返回步骤（3. 2)，迭代终止条件为：
[0058] (3.5)次级用户分别计算第η次迭代能效函数仁（1〇和第η次迭代能效τΓ:
[0061] 其中Pe为固定电路消耗功率，能效函数能反应每单位焦耳功率下次级用户获得的 历态容量，即在信道各种衰落条件下用户获得能效的数学期望，从而体现次级用户的平均 能效。从能效计算表达式可以看出，能效的最大化，不等于传统认知无线电下，历态容量最 大化，因此传统认知无线电下历态容量最大化下的最佳发送功率，不能保证次级用户获得 最大能效；
[0062] (3.6)次级用户对能效函数fnU)进行判决：如果|fnU) I彡ξ，则第η次的发 送功率攻为次级用户能效最佳发送功率Ρ，能效 <即为次级用户获得的最大能效η ;反 之，判断迭代次数是否达到最大迭代次数η < Ν，如果达到最大迭代次数，则此时的发送功 率6为次级用户能效最佳发送功率ρ，能效ηη为次级用户获得的最大能效η ;否则，继续 迭代，直至满足迭代终止约束条件。
[0063] 最大迭代次数的选择，可以根据次级用户需要达到的容错误差大小进行选择，如 果次级用户需要的容错误差很小，则最大迭代次数选择大些，否则，次级用户可以选择相对 小一些的最大迭代次数，从而能快速的得到能效及功率发送策略。
[0064] 本发明的性能效果可以通过以下仿真进一步说明：
[0065] Α、仿真条件
[0066] 次级用户发送端功率放大因子P和电路固定功率消耗Pe分别设置为0.2和0.05 瓦，次级用户接收到噪声方差设置为0. 01，主用户传输功率Pni设置为60毫瓦，拉格朗日迭 代步长tptjP设置为0.1，容错误差ξ, ξ D |2都设置为0.0001，信道实现次数为100000， gss、gsp和h ps为瑞利信道下功率增益，服从指数分布，均值分别设置为1、〇. 5和0. 5,平均干 扰功率约束设置为〇毫瓦到100毫瓦。
[0067] 仿真1和仿真2的平均发送功率约束设置150毫瓦。仿真3的平均发送功率设置 为150晕瓦和100晕瓦，平均干扰功率设置为50晕瓦和10晕瓦。
[0068] B、仿真内容
[0069] 仿真1 :对采用本发明和传统基于频谱共享机制下的最佳功率分配方法，次级用 户获得的最大能效进行对比，结果如图2所示。图2中"能量有效性最大化"表示本发明在 150毫瓦的平均发送功率约束条件下，在不同平均干扰功率约束条件下，次级用户获得的最 大能效；"历态容量最大化"表示采用传统基于频谱共享机制最佳功率分配方法，在150毫 瓦的平均发送功率约束条件下和不同干扰功率约束条件下，次级用户获得的最大能效。
[0070] 仿真2 :将采用本发明和传统基于频谱共享机制下的最佳功率分配方法，次级用 户获得的历态容量进行对比，结果如图3所示。图3中"能量有效性最大化"表示本发明在 150毫瓦的平均发送功率约束条件下和不同干扰功率约束条件下，次级用户获得的历态容 量，"历态容量最大化"表示采用传统基于频谱共享机制最佳功率分配方法，在150毫瓦的平 均发送功率约束条件下和不同干扰功率约束条件下，次级用户获得的历态容量。
[0071] 仿真3 :本发明在不同约束条件下对迭代停止所需的步数进行对比，结果如图4所 示。图4中"平均发送功率为0. 15瓦，平均干扰功率为0. 05瓦"表示采用本发明在平均发 送功率约束为150毫瓦，平均干扰功率为50毫瓦约束条件下，次级用户每次迭代所获得的 能效，"平均发送功率为0. 1瓦，平均干扰功率为0. 01瓦"表示采用本发明在平均发送功率 约束为100毫瓦，平均干扰功率为10毫瓦约束条件下，次级用户每次迭代所获得的能效。
[0072] C、仿真结果
[0073] 由图2可得，在平均干扰功率和平均发送功率约束条件下，现有的基于频谱共享 最佳功率分配方法不能保证次级用户获得最大能效，而本发明能保证次级用户获得最大能 效。而且，与平均发送功率约束条件相比，平均干扰功率约束条件宽松，即平均干扰功率不 起约束作用时，次级用户获得的最大能效取决于平均发送功率。
[0074] 由图3可得，虽然本发明不能保证次级用户获得最大的传输速率，但能保证次级 用户获得最大的能效。
[0075] 由图4可得，不管次级用户受到的平均干扰功率约束或者平均发送功率约束多 大，本发明能很快的达到收敛效果，只要迭代很少的步数次级用户就能获得最大的能效和 在最大能效下的最佳发送功率。
[0076] 综合上述仿真结果和分析，本发明所提出的基于频谱共享能效最佳功率分配方 法，能使得次级用户获得最大的能效，而且迭代停止所需步数少，复杂度低，这使得该发明 在实际中能更好的得到应用。
【主权项】
1. 一种基于频谱共享能效最佳功率分配方法，包括如下步骤： (1) 次级用户根据所需要的容错误差、拉格朗日迭代效果及最大需要迭代次数，设置能 效函数容错误差I>0,最大迭代次数N，平均发送功率约束对应的收敛误差L>0,平均 干扰功率约束对应的收敛误差12> 〇,平均发送功率约束对应的拉格朗日乘子迭代步长t: > 〇,平均干扰功率约束对应的拉格朗日乘子迭代步长t2> 0 ; (2) 次级用户初始化能效n=〇,平均发送功率约束对应的拉格朗日乘子T=T。，平 均干扰功率约束对应的拉格朗日乘子y=y。，次级用户发送功率Pn和能效n"的迭代次 数n= 0 ; (3) 次级用户迭代计算最佳发送功率P: (3. 1)次级用户计算每次衰落状态下的发送功率Pn;其中p为功率放大因子，gss为次级用户发送端到接收端信道功率增益，gsp为次级用 户发送端到主用户接收端信道功率增益，hps为主用户发送端到次级用户接收端信道功率增 益，Pm为主用户恒定发送功率，< 表示次级用户接收端的噪声方差，nnl为次级用户第n-1 次迭代获得的能效，[? ]+表示取0和?之中较大者，即若?为负值，则取0,若?为正值，则 取* ; (3.2) 次级用户根据平均发送功率约束条件和平均干扰功率约束条件通过 subgradient迭代算法经k次迭代，计算出平均发送功率约束对应的拉格朗日乘子，和平 均干扰功率约束对应的拉格朗日乘子yk; (3.3) 根据计算出的拉格朗日乘子？和yk，计算发送功率if:(3.4) 判断每次迭代计算出的拉格朗日乘子，和y14是否满足迭代终止条件，若满足 则执行步骤（3. 5)，否则返回步骤（3. 2)，迭代终止条件为：(3.5) 次级用户分别计算第n次迭代能效函数仁（1〇和第n次迭代能效nn:其中匕为固定电路消耗功率； (3.6) 次级用户对能效函数fn(n)进行判决：如果|fnU)|彡I，则第n次的发送功 率if为次级用户能效最佳发送功率P，能效nnW为次级用户获得的最大能效n;反之，判 断迭代次数是否达到最大迭代次数n彡N，如果达到最大迭代次数，则此时的发送功率if 为次级用户能效最佳发送功率P，能效nn为次级用户获得的最大能效n;否则，继续迭代， 直至满足迭代终止约束条件。2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤（3. 2)中的平均发送功率约束条件为： 瓦，平均干扰功率约束条件为勾&其中，石和I分别为次级用户最 大平均发送功率约束和次级用户对主用户最大平均干扰功率约束，#为第k次计算拉格朗 日乘子后的发送功率，E{ ?}表示对?求数学期望。3. 根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤（3. 2)通过subgradient迭代算法经k 次迭代，计算出平均发送功率约束对应的拉格朗日乘子t平均干扰功率约束对应的拉 格朗日乘子yk，通过下式计算：其中，巧和^分别为次级用户最大平均发送功率约束和次级用户对主用户最大平均 干扰功率约束，E{ ?}表示对?求数学期望，^为平均发送功率约束对应的拉格朗日乘子迭 代步长，t2为平均干扰功率约束对应的拉格朗日乘子迭代步长。
【专利摘要】本发明公开了一种基于频谱共享能效最大的功率分配方法，解决现有认知无线电功率分配方法无法获得能效最大化问题。其实现步骤是：1.设置参数并对其初始化；2.求出满足平均发送功率约束条件的拉格朗日乘子τ和满足平均干扰功率约束条件的拉格朗日乘子μ；3.根据所述乘子τ和μ计算第n次迭代后的发送功率Pn；4.分别计算在发送功率为Pn时的能效函数fn(η)和能效ηn；5.对能效函数fn(η)进行判决，如果满足迭代停止条件，则得到最佳能效和最佳能效下的最佳发送功率，否则继续循环，直到满足条件或者达到最大迭代次数，得到此时的最佳能效和最佳发送功率。本发明具有能效最大化，迭代停止所需步数少，易于实现的优点，可用于无线通信。
【IPC分类】H04W72/04, H04W72/08, H04W52/34
【公开号】CN105101383
【申请号】CN201510344689
【发明人】李赞, 周福辉, 唐烨, 关磊, 郝本健, 熊天意, 胡伟龙, 齐佩汉, 司江勃, 刘伯阳, 杨鼎
【申请人】西安电子科技大学
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年6月19日