一种认知无线网络中基于双层单调性优化的功率控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及认知无线电网络中，一种基于双层单调性优化算法而进行的最优功率 控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着移动数据服务的快速增长，可用频谱资源的有限性使得频谱拥塞的问题日益 突出。动态频谱接入（DSA)，作为移动网络中传统的固定频谱分配方法的有效补充，通过智 能化地重复利用未授权系统（Primary System-PS)或是授权用户（Primary User-PU)充分 利用的授权频谱资源，使得非授权用户（Secondary User-SU)能够适时地接入PU的授权频 谱进行数据传输，从而使得频谱利用率得到有效的提升。DSA以其优越性，被认为是一种能 够实现灵活变通的，并且能够响应时下需求的频谱供给方式之典范，前景广阔。然而，DSA网 络中进行频谱共享时，在PU服务于SUs的同时会不可避免的产生干扰，其中包括：1)PU与 SUs之间的同信道干扰2)不同的SUs之间的相互干扰。为了在保障PU的QoS前提下服务 于SUs以获得额外的收益，在设计频谱共享方案的过程中，合理地进行资源分配与干扰管 理是非常有必要的。然而以上所述的干扰往往会使得问题具有非凸优化的问题而变得很难 解决，因而提出一种在保障的QoS同时最大化PU的净收益的有效且高效的优化方法是 有意义的。
【发明内容】
[0003] 为了保证频谱共享能够优化DSA网络中的频谱资源配置，本发明考虑包括PU与 SUs之间以及不同SUs之间的两部分干扰，提出了一种在PU的QoS得到保障的同时，通过 最大化PU的净收益以实现最优化的功率控制方法。所提出的功率控制算法具有两层结构， 在降低了计算复杂度的同时提高了该方法的有效性以及高效性。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0005] -种认知无线网络中基于双层单调性优化的功率控制方法，所述控制方法包括以 下步骤：
[0006] (1)在认知无线电网络中，通过授权用户和非授权用户SUs的发送功率控制，在 考虑包括PU与SUs之间以及不同SUs之间的两部分干扰的同时，保证PU的QoS的情况下 最大化PU的净收益的优化问题描述为如下所示的非凸性优化问题：
[0007] PI ：max2sE Q a s Rs-0 (p〇-p〇min)
[0008]
[0009]
[0010]
[0011]
[0012]
个SUs的吞吐量，
）表示PU的上行链路吞吐量，
}表示的是所有非授权用户（SUs)的集合；
[0013] 在问题P1中，各个参数定义如下：
[0014] a s:对于每个SU s实现的单位吞吐量PU进行收费的边际系数；
[0015] 的边际功率消耗代价，单位为$/Watt;
[0016] Rs:每个SU s的吞吐量；
[0017] p〇:PU的发送功率；
[0018] 的最小传输功率消耗；
[0019] n:背景噪声功率；
[0020] qs: SUs的发送功率；
[0021] gsB: SU-Tx与BS之间的信道功率增益；
[0022] gQB: PU-Tx与BS之间的信道功率增益；
[0023] :每个SU s的吞吐量要求；
[0024] P〇max : 的发送功率上限；
[0025] ; SU的最大传输功率上限；
[0026] gQs: PU-Tx与SU-Rx s之间的信道功率增益；
[0027] gss: SU-Tx s与SU-Rx s之间的信道功率增益；
[0028]gjs: SU-Tx j与SU-Rx s之间的信道功率增益；
[0029] 信道的带宽；
[0030] 参数符号中出现的上标表示参数在优化问题中的最优值；
[0031] (2)用公式
约束条 件中的Rs展开，约束条件的第二项等价于
，其中
题P1的决策变量就转化为Pc以及{q s} SE。，用Pi和分别表示 问题P1的最优解；
[0032] (3)判断问题（P1)的可行性，将公
中的P。 用{qJsE。代换，从而将该不等式重新表示成如下的一组线性约束：
[0033]
[0035] 用M表不一个SXS矩阵，S表不Q中SUs的总数，M中的项表不如下：
[0034]
[0036]
[0037] 此外，还定义SX1的向量u，其中的每一项表示为
[0038]
[0039] 令向量f表示SUs能够满足上述线性约束条件的传输功率的集合；记条件C1 : VS{公以及条件C2 :定义矩阵M的频谱半径，P (M) =max {| A | | A是M的特征值}，满足P (M)〈1 ;如果条件C1与C2能够满足，那么 | (I - 其中I表示SXS的单位矩阵；向量f即（{qs}sE )的每一个元素表示着 每个SU s的最小传输功率，SUs的每一项{ 0 s} sE 均满足要求，进一步从{q s} sE 中推出 PU的最小传输功率狗:=0〇n+1：s, qsdsB,然后得到问题P1可行的充分条件即条件C3 : 分m
[0040] (C3):
[0041] ⑷问题（P1)的垂直分层
[0042] 由于在实现问题P1的优化时总笮
％也就是说，PU在满足了 吞吐量要求的同时无需再消耗更多地传输功率，问题P1垂直分解为两层结构，分别为问题 (P1-底层）与问题（P1-顶层），在底层问题中首先固定HJ的传输功率p。，相应的，底层问 题变为在给定HJ的传输功率p。的情况下优化SUs的传输功率q s;
[0043]
[0044]
[0045]
[0046]
[0047]通过在底层中计算F(p。）的值，将F(p。）的值代入到顶层问题从而优化PU的传输 功率；
[0048] (PI-顶层）
[0049]其中
[0050] (5)判断问题（P1-底层）的可行性
[0051]当p。确定时，为了满足{0s}sE，SUs的功率需要能够满足公式
，vs e n，相当于求解方程
L，用N表示一个SXS矩阵，S表示Q中SUs 的总数，N中的项表示如下：
[0052] V
[0053] 此外，还定义SX 1的向量v与向量w，其中的每一项分别表示为
[0054]
[0055]
[0056] 因而SUs满足其各自的吞吐量需求{0S}SE 的发送功率表示为
[0057]
[0058]当pQ>o时，夺(p〇)中的项是非负的，看出$(p〇) S Qfax时，问题（P1-底 层）是可行的；用（X)s来表示向量X的第S项，将
代入不等;！
則能够进一步明确问题（P1-底层）在Pc满 HQB 足不等式
该不等式的右边表示p。的下界，记 作E，同时，通过将疗(p〇) =(I-N)-Rv+、vp")与扣!^ax}sefis相比较，可求 解Pc的上界，
其中Q max表示SX 1的向量，表示为
将P。的上界记为尹，因而得出问题（P1-底层）可行的 充分条件为
[0059]
[0060] (6)问题（P1-底层）的求解，针对底层问题，采用基于单调性优化的功率控制算 法，过程如下：
[0061] 步骤6. 1 :引入辅助变量非授权用户的信噪比
[0062]
，将底层问题转化为一个关于非授权用户 信噪比ys的单调性优化问题；
[0065] 步骤6. 2 :设置初始最优非授权用户信噪比集合％ = 其中
S，设置当前的迭代次数k = 1 ;
[0066] 步骤6. 3 :针对当前的最优非授权用户信噪比集合％:,，计算集合中所有元素的目 标函数值:Esen%VVlog 2 (1 + #)，记录其中最大的目标函数值对应的点为zk;
[0067] 步骤6. 4 :根据对分法计算原点与zk的连线与沒的交点nf;
[0068] 步骤6. 5 :如_
则算法终止，转至步骤6. 9 ;否则转至步骤 6. 6 ；
[0069] 步骤6. 6 :根据公式g -（一 一 i = 1,2,3,…S计算出S个新的非 授权用户信噪比的可选最优解，其中61是S个相互正交的单位向量；
[0070] 步骤6.7 :利用步骤6. 6中计算出的S个可选最优解代替zk以更新当前的最优非 授权用户信噪比集合，记该集合为Tk+1
[0071] 步骤6. 8 :设置迭代次数k = k+1，进入下一次循环，返回步骤6. 2 ;
[0072] 步骤6. 9:算法终止，退出算法循环，输出非授权用户信噪比最优解{yi}为当前集 合中目标函数值最大的信噪比；
[0073] 步骤6. 10 :根据公j
I置S维向量r，根据公式q>N= (I-N) i计 &SS 算最佳非授权用户发射功率，其中矩P
[0074] 步骤6. 11:根据公无
-算在固定P。的情况下 的底层最优目标函数值供顶层使用；
[0075] (7)阈值Pth的求解，根据问题（P1-底层）的性质，能够发现[￡,用上存在一个特 殊的阈值Pth，当￡彡P c彡P th时，不等式
&才得以成立，因而求解该阈值 Pth能够很大程度上缩小最优解的搜索域，求解过程如下：
[0076] 步骤7. 1 :初始化设置，设置两个接近于0的很小的正数作为允许的计算误差，分 另|J记为n以及e，令^ =朽
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