一种认知无线电中基于分组博弈交换以及优化功率控制的频谱资源配置方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及认知无线电网络领域，尤其是一种认知无线电中基于分组博弈交换W 及优化功率控制的频谱资源配置方法。
【背景技术】
[0002] 移动设备日益智能化的同时，移动数据流量爆炸式增长，可用频谱资源的有限性 与日益增长的移动数据流量需求之间的矛盾愈发突出。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（PrimaiT User-PU)未能够被充分利用的授权频谱资源，使得非 授权用户（Seconda巧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。由于DSA技术灵活变通，可W作为传统网络的补充，应用场景广 泛，具有相当光明的场景。然而，在DSA实现频谱共享的同时，PU服务于SUs的过程中必然相 应地产生干扰，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 使得PU与SU积极地参与到频谱共享的交易中，在保证PUW及SU提出的QoS需求的同时，通过 干扰管理W及有效的资源分配方案最大化PUW服务SU为代价得到的净收益的高效优化方 法是有意义的。
【发明内容】
[0003] 为了克服现有动态频谱接入方式的无法保证频谱共享能够优化DSA网络中的频谱 资源配置的不足，本发明考虑包括PUs与SUs之间W及不同SUs之间的两部分干扰，提出了一 种在PUsW及SUs的QoS得到保障的同时，通过最大化PU的净收益W实现最优化的功率控制 方法，所提出的功率控制方法具有两层结构，在降低了计算复杂度的同时提高了该方法的 有效性W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] -种认知无线电中基于分组博弈交换W及优化功率控制的频谱资源配置方法，其 特征在于:所述配置方法包括W下步骤：
[0006] (1)在认知无线电网络中，通过授权用户PUs和非授权用户SUs的发送功率控制，在 考虑包括PUs与SUs之间W及不同SUs之间的两部分干扰的同时，保证PUs的服务质量QoS的 情况下最大化PUs的净收益的优化问题描述为如下所示的非凸性优化问题：
[OOK]其中，控制变量为{社e{〇，l}}，如站制'W及細訂巧补就，二{l，2,…，巧表示所有 授权用户PUs的集合，S = {1，2<…，巧表示的是所有非授权用户SUs的集合；
[0014] 在问题Pl中，各个参数定义如下：
[0015] 护:PU k共享自有频谱时的边际功率损耗所对应的价格系数；
[0016] 破PU k服务SU S时收取的边际流量价格；
[0017] 游;SU S接入PU k时获得吞吐量，表示为'
Vs Ft? W表示带宽；
[001引 辦;PU k的吞吐量，表示为
[0019] 雌刪PU k的吞吐量要求；
[0020] 的";：SU S的吞吐量要求；
[002。 PoSpu k的发送功率；
[002^ P0k'min:pU k的最小发送功率消拖
[0023] qsS SU S在接入PU k时的发送功率；
[0024] n:背景噪声功率；
[0025] 岛為：接入PU k的洲S其洲S-Tx发送端与BS之间的信道功率增益，洲S-Tx表示SUs 的发送端；
[00%]巧心，PU k-Tx与BS之间的信道功率增益，PU k-Tx表示PU k的发送端；
[0027] 施:接入PU k的洲S其发送端洲S-Tx与接收端洲S-Rx之间的信道功率增益， S化-Rx表示SUs的接收端；
[002引 9^.:;PU k-Tx与接入PU k的接收端SU s-fcc之间的信道功率增益；
[0029] 5?;接入PU k的洲S中的发送端洲S-Tx j与接收端洲S-Rx S之间的信道功率 益；
[0030] 4: SU S与PU k之间连接状态的标志变量，;嫂=1则表示洲S与PU k相互连接； 诗=0測表示SU S与PU k断开；
[0031] 皆"邸";PU的发送功率上限；
[003^ Qrx; SU的最大发送功率上限；
[0033] 辦:辅助变量，具体形式表示为，W表示带宽；
[0034] Qk:接入PU k的SUs的集合；
[0035] (2)问题Pl的分层;根据问题Pl的特性将问题其分解成为两个子层：问题(P1-底 层)与问题(P1-顶层）；问题(P1-底层)解决的是底层的功率分配问题，在PU k接入的SUs集 合给定的条件下优化各个用户的功率分配；问题(P1-顶层)在问题(P1-底层)的解给出的条 件下进一步对接入用户的选择进行优化；
[0036] 问题(P1-底层）：
[0044] 受约束于：Sfc就 < 1, VS E S
[0045] 分层问题中的集合定义：
[0046] Qk:接入PUs的SUs的集合，即撕=衫色沒帖二1,5巨命},Wc巨化；
[0047] Q K+1:未被选择接入口11 1^的用户=括 e = 0,￥k e %};
[004引其中，需要保证每个SU仅选择一个PU进行接入，即=&化;化相Vfc *
[0049] 用诏W及构战k表示问题(P1-底层）的最优解，即对于PU k及其接入SUs而言 最优化的功率分配方案，用〇1<^表示问题。1-顶层）的最优解，即对于?1] 1^而言最优化的用 户接入选择集合；
[0050] (3)采用接入用户选择及功率分配联合控制方法对问题(P1-顶层)进行接入用户 集的优化，即求取最优集合Q 过程如下：
[0051 ]步骤3.1:接入用户选择及功率分配联合控制方法的初始化设置;设置未被选择接 入PU k的非授权用户集〇%+1 = S，设置接入PU k的非授权用户集= 0，设置问题(P1-顶 层)的最优解Vk=0，即PU k能够获得的最大收益；
[0化2] 步骤3.2:定义融合规则与分离规则;将#用于定义分组数，即{化,，和，...，〇(,}臣^， 其中1 <《< K + 1;融合规则：如果蜀-=1 C(A) < C(uj=i %)，则令枠1,化，…,馬}为 {uj=] dj};分离规则:如果怎(u!=i巧）< 蜀=1巧巧)，'则令扣)=1巧}为掛1，馬,...，〇^;
[0化3]步骤3.3:判断当前状态下两种规则的可执行性;通过当前巧巧）的值与当前最优 值Vk相对比，当融合规则与分离规则均不能够使得PU k的收益更大时，跳转至步骤3.7，否 则顺序执行步骤3.4;
[0化4] 步骤3.4:BS随机选择一个PU k，:k G光，PU k随机选择融合或分离，融合则执行步 骤3.5，分离则跳转执行步骤3.6;
[005引步骤3.5:融合规则的执行；当％+1羊0时，BS随机选择一个洲ZE Q K+1，将SU Z从 Q K + 1中剔除并加入集合Q K，即化|01二化'二n/(U{z}，求解当自U PU k的收値 每如果e;r(riK) >Vk，则将其设定为当前最大收益，& =旬搏K):，当前最优用户最优 集二Hk,发送信号让BS知晓PU k接入SU Z，％+1 =恥+1，返回步骤3.3;
[0化6] 步骤3.6:分离规则的执行；当也单0肘，PU随机选择一个洲Z e Q K，将洲Z从Q K 中剔除并加入集合Q K+1，即如=求解当自UPU k的收値Ck(D.,();如果Cfc(Qy)〉&，. 则将其设定为当前最大收益：K =成(；馬〇,当前最优用户最优集Ok = Hk,发送信号让BS 接入SU Z，=巧K + ]. U树，返回步骤3.3;
[0057]步骤3.7:结束，输出问题(P1-顶层）的最优解；问题Pl的最大函数值即为忘口C吟， 最优化的用户接入集选择即为Q K。
[005引2、如权利要求1所述的一种认知无线电中基于分组博弈交换W及优化功率控制的 频谱资源配置方法，其特征在于:所述步骤3.5，3.6中，PU k的收益的求解需要用到 问题(P1-底层)的最优解说'W及求解步骤如下：
[0059] 步骤4.1:根据条件從靴9/么煤n"X|Vs巨^,且錯< P^m渡，对问题(P1-底层)进 行可行性判断；
[0060] 步骤4.2:根据问题特性，通过可行的充分条件：
[00W] max{:说心n,梦(} <姑含加〇{户..站'max)得到问题进一步缩小PU k的发送功率的 可行域说；
[00创步骤4.3:进行初始化设置:将PU k的发送功率械初始化max扣严"，公乎对于PU k 而言进行频谱共享的收益Fk气刀始化为0,并且将捜索步长A设置为一个非常小的值；
[0063] 步骤4.4:如果PU k的发送功率说> min伊k,…由于在该区域不存在更优的 解，则算法终止，跳转至步骤4.8，否则，继续进行步骤4.5;
[0064] 步骤4.5:给定PU k的传输功率茲的情况下通过单调性优化的方法求解当前接入 的SU S的最优化的传输功率巧，相应求PU k当前最大收益F(说），对应每(Gk);
[0065] 步骤4.6:判断F(说）-pk(说-是否大于当前捜索到的PU k的最大收益 Fk*,若成立，则设置PU k当前最优传输功率說二棘，即将其作为当前最优的PU的发送功率， 否则将SUs当前的最优化传输功率记作約Uk;
[0066] 步骤4.7 :更新PU k的最大收益Fk*为F(始）-|3'((说-P严n)，更新始=茲+入， 返回步骤4.4;
[0067] 步骤4.8:输出实现最优化配置时PU k的发送功率说'二巧，SUs的发送功率 齡二祕W及PU k通过服务SUs所获得的最大净收益护，结束。
[0068] 3、如权利要求2所述的一种认知无线电中基于分组博弈交换W及优化功率控制的 频谱资源配置方法，其特征在于：所述步骤4.1所使用条件(C3):弓/ <脚'",Vse如，且 統空皆m抵，求解过程如下；
[0069] 将公式
中的Pl用約訂36?.代换，从而将该不等 式重新表示成如下的一组线性约束：
[0071 ] , Vs, j e %,且S 辛 j
[0072]用Mk表示一个Sk X Sk矩阵，Sk表示Q冲SUs的总数，Mk中的项表示如下：
[0074] 此外，还需定义skx 1维的向量uk，uk中的每一项表示为
[0076]令向量沪表示洲S能够满足上述线性约束条件的传输功率的集合;记条件（Cl): ^^谷心-巧雌施