一种基于频谱潜在效益的认知无线电网络频谱分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线网络技术领域，涉及一种基于频谱潜在效益的认知无线电网络频 谱分配方法。
【背景技术】
[0002] 由于次用户之间干扰或共享可能的存在，频谱分配的先后次序直接影响着频谱分 配的最终结果。传统频谱分配算法，基于贪心准则，会优先选择效益值最大的节点分配频 段，由于当前次用户与其他次用户存在同频干扰。因此在未来的分配过程，该频谱就不能分 配给其他次用户。在当前分配过程中，只考虑了当前分配操作带来的系统效益，而忽略了当 前分配操作对未来分配过程中潜在的系统效益损失。
[0003] 本发明基于次用户之间干扰影响情况考虑，参考当前频谱分配阶段对未来分配结 果的频谱效益的潜在损失，提出了一种基于频谱潜在效益的频谱分配方法。算法通过权衡 分配过程中增加的系统效益和损失的潜在系统效益，尽可能使当前分配带来的系统效益增 加，同时减少因分配操作带来的潜在系统效益损失，提高频谱利用率。
[0004] 传统基于图着色模型频谱分配算法中普遍存在系统效益不高的问题。本发明 提出一种基于频谱潜在效益的认知无线电网络频谱分配算法（Spectrum Allocation Algorithm based on the Spectrum of Potential Benefit，PBSA)。相比传统颜色敏感着 色（Color Sensitive Graph Coloring，CSGC)算法，本发明可以有效减少频谱分配过程中 可能带来的潜在系统效益损失，获得更好的系统效益，提高频谱利用率。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于频谱潜在效益的认知无线电网络频谱分配方法， 解决了传统基于图着色模型频谱分配算法中普遍存在系统效益不高的问题。
[0006] 本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：
[0007] 步骤1 :收集频谱可用信息和网络干扰信息及初始化；
[0008] 步骤2 :根据网络中可用频谱情况以及次用户之间的干扰情况可得到网络干扰拓 扑图；对于某一可用频谱的分配过程而言，可将网络干扰拓扑图中其他频谱的可用信息和 次用户干扰情况剔除，只保留该频谱下的次用户干扰关系，就得到相应该频谱下的干扰拓 扑子图；
[0009] 步骤3 :计算次用户分配优先级标签，根据初始化信息计算频谱的潜在系统效益 值和相应各次用户的〈效益，损失〉值，并据此计算相应子分配过程中各次用户分配优先级 标签值；
[0010] 设计频谱分配时的分配优先级标签如下：
[0012] 其中，Iablen表示次用户η在可用频谱m分配时的分配优先级标签值，α、β为权 重调节因子，且α，β e [0, 1]，α+β = 1，当α = 〇,算法退化为仅考虑当前系统收益的 情况，当β =〇时，算法仅考虑可能损失的潜在系统收益，PBn与损失的潜在系统效益的差 值，表示将频谱m分配给次用户η时该频谱下剩余的潜在系统效益；
[0013] 步骤4 :分配频谱；在相应子分配过程中，根据各次用户的优先级标签值，选择标 签值最大的次用户，分配当前可用频谱；
[0014] 步骤5 :更新拓扑结构；删除干扰拓扑子图中与当前分配频谱的次用户存在同频 干扰关系的次用户节点，并在〈收益，损失〉集合中，删除这个冲突的次用户及刚分配频谱 的次用户；
[0015] 步骤6 :当〈收益，损失〉集合为空时，当前子分配过程结束，否则转入步骤3。
[0016] 步骤7 :当子分配过程结束则算法结束，否则转入步骤3。
[0017] 本发明的有益效果是有效减少频谱分配过程中可能带来的潜在系统效益损失，获 得更好的系统效益，提高频谱利用率。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明基于频谱潜在效益的分配算法流程示意图；
[0019] 图2是频谱可用情况和次用户干扰情况示意图；
[0020] 图3是认知无线电网络拓扑情况下抽象得到的认知无线电网络干扰拓扑图；
[0021] 图4是划分子图不例；
[0022] 图5是CRN中次用户数为5时，比较在不同标签权重因子下系统效益和随着可用 频谱数量变化的趋势；
[0023] 图6是网络中次用户数N = 5时，系统效益和随着可用频谱数量变化的趋势图；
[0024] 图7是网络中可用频谱数M = 10时，系统效益和随着次用户数量变化的趋势图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0026] 根据不同频谱下的次用户对于频谱的可使用情况和次用户之间的干扰情况，将原 干扰拓扑图划分成不同频谱下的子图。根据相应的分配优先级标签，计算各个频谱的潜在 系统效益值和不同频谱下次用户的〈收益，损失〉集合。分配以迭代循环的方式进行，在一 次分配循环阶段，计算各次用户的分配优先级标签。选择优先级标签值最大的次用户分配 频谱，并删除〈收益，损失〉集合中已分配的次用户。同时，更新分配图拓扑结构，删除与该 次用户有冲突次用户与当前分配频谱的连线，并将其从〈收益，损失〉集合中删除。当〈收 益，损失〉集合为空时，表示当前频谱已全部分配完成，在分配图中将该频谱删除。更新拓 扑结构后，进入下一次分配循环，当所有可用频谱下的〈收益，损失〉集合都为空（即分配 图为空时），算法结束。
[0027] 本发明算法如图1所示，算法执行分配流程如下：
[0028] 步骤1收集频谱可用信息和网络干扰信息及初始化。
[0029] 由于认知无线电网络的动态特性，频段的可用情况、主用户存在和次用户加入或 退出都是时刻变化的。认知无线电网络通过频谱感知，实时得到网络拓扑和可用频谱的信 息，并动态执行相应频谱分配算法。
[0030] 该步骤中，根据基站收集到次用户的感知结果，及次用户之间的干扰情况等生成 可用频谱矩阵L，次用户干扰矩阵C，效益矩阵B。将频谱分配结果矩阵A置0及其它算法初 始化操作。
[0031] 使用可用频谱矩阵L、次用户干扰矩阵C、效益矩阵B和无干扰频谱分配矩阵A来 描述频谱分配问题。
[0032] (1)可用频谱矩阵L
[0033] L= U IniniG {〇，1}}ΝΧΜ，其中，{1 彡 n 彡 N，1 彡 m 彡 M}，N 为次用户数，M 为 总频段数。可用频谱矩阵L是一个NXM矩阵，表示各个频段对于次用户的可用性。本章中 其可用性由次用户与占用该频段的主用户距离和该主用户干扰覆盖范围决定。I nini= 1时 表示频段m对于次用户η可用，反之，Inim= 0表示不可用。
[0034] (2)次用户干扰矩阵C
[0035] C= {cn,k|cn,kG {〇，1}}ΝΧΝ，其中，{1彡η彡N，1彡k彡Ν}，次用户干扰矩阵C是 一个NX N矩阵，表示在使用相同频段时次用户之间的干扰关系。本文中次用户之间的干 扰由它们之间的距离和干扰覆盖范围决定。Cnik= 1时表示次用户η与次用户k存在干扰 关系，不能分配相同的频段。反之，cn，k=0表示无干扰关系，可以使用同一频段。当n = k 时，记 cn,k= 0。
[0036] (3)效益矩阵B
[0037] B = Ibnini |bn,，0} NXM，效益矩阵B是一个NXM矩阵，\"的值表示将频段m分配 给次用户η使用所带来的效益权重。由于不同次用户采用的发射功率、信号调制技术的不 同，不同次用户使用同一频谱获得的传输效益也不相同。效益值可以是频谱利用率或用户 数据传输率等。当频段m对于次用户η不可用时，的值记为0。
[0038] (4)无干扰的频谱分配矩阵A
[0039] A = {an,m|an,mG {〇, 1}} ΝΧΜ，无干扰的频谱分配矩阵A是一个NXM矩阵，表示频谱 分配的结果，1时表示将频段m分配给次用户η。
[0040] 频谱分配的最终目标是满足相应干扰约束的前提下最大化系统效益：