一种基于改进型稳定婚姻算法的频谱分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及认知无线电中的频谱分配技术，能够基于改进型稳定婚姻算法动态地 完成频谱分配，实现认知用户与频谱空桐时频域的最优匹配，最大化频谱利用率。
【背景技术】
[0002] 可用频谱的有限性和频谱资源的低利用率催生了一种新的通信方式。利用现有频 谱，研究人员提出了开放式频谱管理的思想。当前日益稀缺的频谱资源已成为制约无线通 信业务迅速发展的重要因素，无线频谱资源共享分配技术已成为新一代无线移动通信的核 屯、技术。频谱分配技术是认知无线电网络中的重要技术，通过对拥挤的认知系统分配频谱 空桐，充分利用了不可再生的频谱资源，频谱资源的稀缺和利用率低下等问题得到了有效 解决。
[0003] 如图1所示，认知无线电网络中，动态频谱分配实现认知用户对授权用户的频谱空 桐的利用。在管理机构指派给授权用户的频谱中，把某时某地未被授权用户使用的频率定 义为频谱空桐。目前，基于网络结构的频谱分配方案主要有两大类:集中式频谱分配方案和 分布式频谱分配方案。所谓集中式是指网络中的各认知用户都把自己的频谱检测结果汇聚 到集中控制单元，控制单元可W是基站，由控制单元进行频谱分配。分布式结构下，通过各 节点竞争或者局部协商方式获取资源。分布式的频谱资源分配方案适合在分布式网络中应 用，各个节点间是平等的，每个节点都参与频谱资源分配，实际上是竞争频谱。
[0004] 分布式频谱分配模型主要有两种:基于定价拍卖理论的频谱分配模型和机会式频 谱分配模型。基于定价拍卖理论的频谱分配模型中，认知用户是投标者，中屯、频谱管理器充 当竞拍人，它W最大化网络的收益为目标，按照"赢家决策"的原则将频谱空桐分配给认知 用户，同时可W提高系统效益。基于定价拍卖的频谱分配模型根据不同的网络效用需要来 确定自身的目标函数，即确定赢家胜出的规则。但该方法需要合理的执行时间和计算开销， 大量的运算集中在投标者和拍卖人身上。机会式频谱分配技术要求认知用户能够周期性地 扫描频谱，监测可W获得的频谱空桐资源，然后认知用户可W使用运些频谱空桐进行通信。 机会式频谱通信的主要特点是频谱空桐随着时间不断变化，运对调制的选择提出了很高的 要求。能够适应运种特点的调制方式大致有两种。一种是动态调频技术，另一种是正交频分 复用（OFDM)技术。认知用户可用的频谱空桐可能位于很宽的频谱范围并且不连续，所W正 交频分复用技术由于其高效和灵活性成为最佳的候选方案。但正交频分复用技术存在自身 固有的问题，如高峰均比问题等。此外，认知用户应用正交频分复用技术时，子载波间隔和 符号间隔必须和频谱空桐的带宽和时域持续时间相匹配。
[0005] 集中式频谱分配模型主要有两种:基于频谱池的频谱分配模型和基于干扰溫度的 频谱分配模型。基于干扰溫度的频谱分配模型中，干扰溫度的准确测量需要感知用户对授 权用户系统进行准确的定位。只要感知用户造成的干扰溫度不超过干扰溫度口限，感知用 户通过调整自己的参数如发射功率、调制方式等，就可W使用运个频段中的频谱空桐。在干 扰溫度机制中，通过接收机端的干扰溫度来量化和管理无线通信环境中的干扰源，干扰溫 度用来表征认知用户在共享频段内对授权用户接收机产生的干扰功率和授权接收机处的 系统噪声功率之和，类似于热噪声功率可W用等效噪声溫度来描述。但是基于干扰溫度的 频谱分配方法不能保证对授权用户系统的有力保护，特别是处于边缘接收的授权用户接收 机很容易受到认知用户的干扰。接收机检测实现的最大困难在于如何有效地测量干扰溫 度。有效的干扰溫度测量要求认知用户测量其对所有可能主接收机造成的干扰，目前还没 有实际可行的方法解决运一问题。
[0006] 基于频谱池的频谱分配技术中，是把不同频谱所有者掌控的频谱资源融合在一 起，形成一个公共的池，在授权用户空闲时，其他认知用户可W临时租赁使用该频谱资源， 而授权用户不需做出任何改变。频谱池需要对原系统的频率使用情况有高度的感知，将认 知用户定期检测的结果进行记录，W便能够有效利用原系统空闲的频率资源。有业务请求 到来时，用户从资源池中随机选择频谱空桐进行通信。该资源池的大小取决于具体的业务 需求，同时受限于系统硬件的支持能力。频谱池在实现时会遇到许多问题，如频谱池的建 立、干扰的产生和抑制、切换和调度等。频谱池的建立分为=步:首先认知用户感知频谱使 用情况，然后认知用户将感知得到的信息发送给基站或接入点(AP,Access Point)，基站或 AP根据运些感知信息分析得到可用的空闲频段，从而形成频谱池，最后基站或AP将频谱池 信息进行广播。在认知无线电中应用频谱池系统可W有效提高系统的频谱利用率，从而提 高整个无线网络的业务承载能力。虽然在频谱池的建立和使用时会有一些需要注意的问 题，如频谱环境的探测、频谱池的使用策略等。现在运些问题都有了一定的解决方案，使频 谱池的概念得到了更好的应用。
[0007] 总之，现有的频谱空桐分配技术只是随机式地把认知用户能够用的频段分配给认 知用户或者简单地按照一定的规则分配，没有考虑分配后的使用情况，很多分配方案即使 不合理也进行了分配，既没有满足业务需求，也没有发挥频谱空桐应有的效率，实际上也是 对频谱资源的浪费。
【发明内容】
[000引本发明针对目前频谱空桐分配不合理的情况，提出了一种基于改进型稳定婚姻算 法的动态频谱分配方法，通过利用多元的先验信息计算优先级偏好度，实现认知系统接入 的时频域匹配，提升频谱效率。
[0009] 本发明提供的基于改进型稳定婚姻算法的频谱分配方法，设有M个认知用户和N个 频谱空桐，M和N均为正整数;具体实现包括如下步骤200~208。
[0010] 步骤200,进行初始化，更新频谱池中的频谱空桐，更新认知用户的对频谱空桐的 请求。
[0011] 步骤201，建立认知用户对频谱空桐的偏好优先级模型W及频谱空桐对认知用户 的偏好优先级模型，并分别计算出各认知用户对各频谱空桐的偏好优先级，W及各频谱空 桐对各认知用户的偏好优先级。
[0012] 建立认知用户对频谱空桐的偏好优先级模型，具体是：
[0013] A，设第i个认知用户SUi对各频谱空桐的频域偏好优先级表示为向量 巧";1，府2，'..，放W)，其中，0如k 1非卽;判断频谱池中第k个频谱空桐甜k的信道容量是 否小于认知用户SUi所需信道容量，若是，设置中的mk为0;若否，计算甜k与SUi的信道容量 差值;根据信道容量差值设定频谱空桐的优先级，差值越小，频域偏好优先级越高，若信道 容量差值相同，则频域偏好优先级相同；
[0014] B，设洲拥全部频谱空桐的时域偏好优先级表示为向量召< N，1 < k < N;设频谱空桐甜k的预估时长为，认知用户洲i所需时长为，则置弓i中的fk
为： fk越小则对频谱空桐的时域偏好优先级越高； 々
[0015] C，综合频域和时域上的优先级向量，S化对各频谱空桐的偏好优先级表示为向量 PR, ':
[0016] PR^ =Pi-^Qi
[0017] 向量远^中的元素分别代表认知用户SU对N个频谱空桐的偏好优先级。
[0018] 建立频谱空桐对认知用户的偏好优先级模型，具体是:设S化对全部认知用户的偏 好优先级表示为向量哀…，％)，其中m(l y含M)根据如下公式来确定：
[0020] m越小，对认知用户SUi的偏好优先级越高;A是认知用户切换和等待的加权，〇<入 。；马巧为认知用户SUi所需时长，写瑪为频段空桐細k的时长，Cw,为认知用户SUi所需信道 容量，C碼为频段空桐甜k的信道容量;化为认知用户业务通信的路径损耗;a、e和（1-a-e)分 别是对时长、信道容量和损耗的加权。
[0021] 步骤202,对未配对认知用户SUj,如果下一偏好优先级的频谱空桐甜k优先级不为 0，发出配对请求，执行步骤203，否则执行步骤206;
[0022] 步骤203，判断频谱空桐S化是否有接入请求，如果有，执行步骤204b，否则执行步 骤204a;
[0023] 步骤204a，等待下一次的配对请求，下一步执行步骤207;
[0024] 步骤204b，判断频谱空桐甜k对新到的认知用户洲J的偏好优先级是否高于频谱空 桐S H k对当前配对的认知用户S U i的偏好优先级，如是，执行步骤2 0化b ;否则，执行步骤 20f5t>a;
[0025] 步骤20加 b，频谱空桐S化接受新认知用户SUj的请求，拒绝之前的配对用户SUi，下 一步执行步骤207;
[0026] 步骤20加 a，频谱空桐細k拒绝新认知用户SUj的请求，维持与用户洲i的配对，下一 步执行步骤207;
[0027] 步骤206,本轮没有信道容量匹配的频谱空桐，该认知用户准备进入下一轮配对， 执行步骤208;
[0028] 步骤207，判断本轮是否配对完成，如是，则执行步骤208;如不是，执行步骤202;
[0029] 步骤208,本次频谱分配工作结束，即将初始化进入下次分配。
[0030]本发明从授权系统的先验信息和频谱池结果出发，分析认知系统的需求，在现有 的频谱池和先验信息的基础上，提出了一种基于稳定婚姻算法的动态频谱分配方法。授权 系统将自身先验信息和将授权接收频率告知认知系统，认知系统