一种认知异构网络联合频谱切换与功率分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，涉及一种认知异构网络联合频谱切换与功率分配 方法。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信技术的快速发展及用户应用需求的不断增长，各类通信应用对无线 频谱的需求日益增加。传统的固定频谱分配方法导致部分频带竞争激烈，频谱资源严重匮 乏；同时，部分频段大量已分配的频谱未得到充分使用，导致频谱利用率低下。为有效提高 频谱资源利用率，缓解频谱资源匮乏问题，采用动态频谱接入机制的认知无线电技术近年 来受到广泛关注。认知无线电技术可广泛应用于各类异构接入网络环境中，形成认知异构 网络。
[0003] 认知无线电网络中，从用户在不影响主用户正常工作的情况下，可接入授权频谱 进行数据传输。若从用户检测到主用户到达或当前信道服务质量下降时，需中断当前信道 的传输，等待当前信道恢复可用性，或执行频谱切换，接入其他可用信道继续传输。在存在 多个从用户竞争主用户可用频谱的认知异构网络中，如何综合考虑频谱切换时延、等待时 延，频谱传输特性以及用户业务需求等因素设计从用户联合频谱切换及功率分配策略，提 高网络频谱资源利用率及用户Q〇S具有重要意义。
[0004] 近年来，已有研究考虑认知无线网络从用户频谱选择机制。文献 [Yoon,Suk-Un,EylemEkici.Voluntaryspectrumhandoff:anovelapproachto spectrummanagementinCRNs.Communications.IEEEICC2010.]提出认知用户通过历 史信息估计空闲频谱剩余时间列表及各频谱传输需求时长列表，进而确定切换时刻及切换 目标步页谱。[Li-ChunWang,Chung-ffeiWang,Chung-JuChang.OptimalTargetChannel SequenceDesignforMultipleSpectrumHandoffsinCognitiveRadioNetwork.IEEE TransactionsonCommunications]将认知网络主、从用户接入频谱问题建模为M/G/l排队 模型，考虑从用户多次切换，基于队列长度及用户业务特性对切换从用户排队时延、切换时 延进行评估，进而选择对应最小累积时延的切换频谱序列。
[0005] 另外，也有研究考虑认知异构网络多用户信道分配与功率分配机制。如文献 [RenchaoXie,HongJi,PengboSi,YiLi.DynamicChannelandPowerAllocationin CognitiveRadioNetworksSupportingHeterogeneousServices.IEEEGlobecom 2010.]针对动态认知网络环境，考虑从用户异构服务需求，将资源分配问题规划为混合整 数规划问题，提出启发式的优化算法和次优化算法来实现动态信道分配。
[0006] 以上这些研究分别考虑资源分配和频谱切换，但是实际应用场景中授权信道在一 段时间内，存在主用户占用的情况，从而造成从用户性能的下降，无法实现真实应用环境中 从用户性能优化。另外，现有频谱选择准则大多基于最小切换时延，未综合频谱等待时延以 及频谱传输性能，可能导致用户切换目标频谱等待时间过长及传输性能严重受限，无法有 效保障用户QoS。
【发明内容】
[0007] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种认知异构网络联合频谱切换与功率分配方 法，该方法针对认知异构无线网络被中断的多个从用户持续通信问题，综合考虑频谱切换 时延，排队时延、频谱传输特性及能效确定各中断从用户的目标信道及功率，以实现中断从 用户总传输时延最小化及总能效最大化。
[0008] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0009] -种认知异构网络联合频谱切换与功率分配方法，认知异构网络中多个主用户分 别占用不同主频带进行通信，各主频带划分为多个子信道，每个从用户可占用一个子信道 进行通信；若某主频带的主用户发起信息传输，处于对应子信道的从用户需切换至其他信 道或在当前信道等待；
[0010] 该方法具体包括以下步骤：
[0011]步骤一：中断从用户切换变量及功率分配变量，分别以Xnm，PjgK第m个中断从 用户切换至第n个目标信道的切换变量及对应的发送功率；
[0012] 步骤二：根据各中断从用户切换类型计算切换至不同信道对应的切换时延，以7^ 标识第m个中断从用户切换至第n个目标信道对应的切换时延；
[0013] 步骤三：基于主从用户业务特性，建立各网络各信道排队模型，计算各中断从用户 在不同信道的等待时延，以Tlf标识第m个中断从用户切换至第n个目标信道对应的等待时 延；
[0014] 步骤四：根据中断从用户业务负荷及信道特性计算切换至不同目标信道对应的传 输时间，以7T标识第m个中断从用户切换至第n个目标信道对应的传输时间；
[0015] 步骤五：根据各中断从用户业务需求确定切换候选信道；
[0016] 步骤六：根据各中断用户的切换时延、等待时延、传输时间计算其切换至不同目 标信道的总传输时延，第m个中断从用户切换至第n个目标信道对应的总传输时延为： 1 mn_1 mn ' 1mn Lmn9
[00i7] 步骤七：根据各子信道特性及中断从用户的传输特性计算从用户的能效，以nmn R 标识第m个中断从用户切换至第n个目标信道对应的能效，^f，其中，Rmn为第m个 mn 中断从用户切换至第n个目标信道对应的传输速率；
[0018] 步骤八：调用公式
【主权项】
1. 一种认知异构网络联合频谱切换与功率分配方法，其特征在于：认知异构网络中多 个主用户分别占用不同主频带进行通信，各主频带划分为多个子信道，每个从用户可占用 一个子信道进行通信；若某主频带的主用户发起信息传输，处于对应子信道的从用户需切 换至其他信道或在当前信道等待； 具体包括以下步骤： 步骤一：中断从用户切换变量及功率分配变量，分别以xmn，Pjg识第m个中断从用户 切换至第η个目标信道的切换变量及对应的发送功率； 步骤二：根据各中断从用户切换类型计算切换至不同信道对应的切换时延，以标 识第m个中断从用户切换至第η个目标信道对应的切换时延； 步骤三：基于主从用户业务特性，建立各网络各信道排队模型，计算各中断从用户在不 同信道的等待时延，以标识第m个中断从用户切换至第η个目标信道对应的等待时延； 步骤四：根据中断从用户业务负荷及信道特性计算切换至不同目标信道对应的传输时 间，以TT标识第m个中断从用户切换至第η个目标信道对应的传输时间； 步骤五：根据各中断从用户业务需求确定切换候选信道； 步骤六：根据各中断用户的切换时延、等待时延、传输时间计算其切换至不同目标 信道的总传输时延，第m个中断从用户切换至第η个目标信道对应的总传输时延为：
步骤七：根据各子信道特性及中断从用户的传输特性计算从用户的能效，以^_标识 第m个中断从用户切换至第η个目标信道对应的能效
其中，Rmn为第m个中断 从用户切换至第η个目标信道对应的传输速率； 步骤八：调用公式
十算各中断用户对应各候选信道 总传输时延T及总能效η，基于中断从用户总传输时延最小化及总能效最大化优化确定各 中断用户切换信道及传输功率分配策略。
2. 根据权利要求1所述的一种认知异构网络联合频谱切换与功率分配方法，其特征在 于：在步骤一中，定义中断从用户切换变量xmne {0，l}，m= 1，2，...，Μ，η= 1，2，...，仏其 中，M为中断用户数，N为系统中所有子信道数目，Xmn= 1表示第m个中断从用户切换至第 η个子信道，定义Pnm为第m个中断从用户在第η个信道的传输功率。
3. 根据权利要求1所述的一种认知异构网络联合频谱切换与功率分配方法，其特征在 于：在步骤二中，中断从用户可选择驻留当前信道或执行频谱切换；若执行频谱切换，根据 切换前后网络类型，切换类型分为网络内切换及网络间切换。
4. 根据权利要求1所述的一种认知异构网络联合频谱切换与功率分配方法，其特征在 于：在步骤三中，基于Μ/G/l排队模型对网络中各信道进行建模，各信道的排队模型包括高 优先级和低优先级两个队列，主、从用户到达时分别进入高、低优先级队列排队；仅当高优 先级队列中的用户均结束通信，低优先级队列的用户才可使用频谱资源进行通信，同等优 先级队列内遵循先到先服务原则；被中断从用户的优先级较普通从用户高，因此，当被中断 从用户切换至目标信道时，将位于目标信道低优先级队列中其他切换从用户之后、普通从 用户之前。
5. 根据权利要求1所述的一种认知异构网络联合频谱切换与功率分配方法，其特征在 于：在步骤四中，调用公另
计算第m个中断从用户在信道η上的传 输速率，其中，Bn表示第η个信道的带宽，h _表示第m个中断从用户在第η个信道的传输增 益，σ 2表示信道噪声功率；调用公式
计算第m个中断从用户在信道η上的传输时 间，其中，Lm表示第m个中断从用户数据包长度。
6. 根据权利要求1所述的一种认知异构网络联合频谱切换与功率分配方法，其特征 在于：在步骤五中，各中断从用户依据业务需求确定切换候选信道具体为从用户选择驻留 当前信道或切换至其他信道应满足中断时间低于用户最大可接受时延，且传输速率高于用 户最低速率需求;定义第m个中断从用户在信道η上的中断时间=IT + 若满足
，则可将信道η作为第m个中断用户的切换候选信道，其中，: 为第m个中断从用户可接受的最大中断时间，ΑΓ"为第m个中断从用户可接受的最小传输 速率。
7. 根据权利要求1所述的一种认知异构网络联合频谱切换与功率分配方法，其特征在 于：在步骤六中，调用公式
4十算第m个从用户在第η个信道的总传输 时延。
8. 根据权利要求1所述的一种认知异构网络联合频谱切换与功率分配方法，其特征在 于：在步骤七中，调用公式
计算第m个从用户在第η个信道上传输的能效。
9. 根据权利要求1所述的一种认知异构网络联合频谱切换与功率分配方法，其特征在 于：在步骤八中，基于中断从用户总传输时延最小化及总能效最大化准则进行切换目标信 道及传输功率联合优化分配，具体步骤包括： 1) 调用公另
计算各中断用户对应各候选信道总传输 时延Τ，总能效η ; 2) 基于中断从用户总传输时延最小化准则确定局域频谱切换及功率分配联合优化策 略((〇'0^?乂），对应最小总传输时延为T min; 3) 基于中断从用户能效最大化准则确定局域频谱切换及功率分配联合优化策略
，对应优化最大总能效为iTax; 4) 调用公式少
，其中，α为时延系数， 确定对应最小4)的频谱切换及功率分配联合优化策略(心,砥）为全局最优策略，
【专利摘要】本发明涉及一种认知异构网络联合频谱切换与功率分配方法，属于无线通信技术领域。该方法针对多个主用户、多个从用户共享频谱的认知异构网络，综合考虑从用户切换时延、排队等待时延、频谱传输特性、业务需求及网络资源状态等因素，在保障从用户QoS需求的同时，基于中断从用户总传输时延最小化及能效最大化准则执行联合频谱切换和功率分配，优化确定各中断从用户频谱切换及目标信道传输功率分配策略，从而实现从用户联合性能优化。
【IPC分类】H04W36-26, H04W36-06
【公开号】CN104540178
【申请号】CN201510000599
【发明人】陈前斌, 胡琴, 郭志民, 柴蓉
【申请人】重庆邮电大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2015年1月4日