专利名称：认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法
技术领域：
本发明涉及一种认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法，属于无线通信领域。
背景技术：
无线电频谱资源是一种珍贵的不可再生资源。随着无线通信技术的发展，频谱资源的短缺成为当前通信领域面临的主要问题之一。一方面，无线局域网、无线个人域网及无线城域网等无线网络技术的兴起，使得人们对无线频谱资源的需求日益增长，频谱供需的矛盾日益突出；另一方面，许多已分配的频段在大多数情况下未被充分利用。美国联邦通信委员会(FCC)在2003年的调查所提供的数据表明，已经分配的频谱的利用率仅为15% 85%。在这种背景下，认知无线电技术应运而生。认知无线电技术作为一种智能的动态频谱共享技术，能够感知无线通信环境，根据一定的学习和调度算法，实时自适应地改变系统的工作 参数，动态检测和有效利用空闲频谱，在本质上提高频谱资源利用率、解决频谱资源短缺问题。在认知无线电网络中，由于无线频谱资源的时间、空间变化特性，以及认知用户移动导致网络拓扑变化等，因此对网络中资源(信道、功率等)的分配必须满足动态自适应的要求。动态资源分配方法通过周期性地检测无线网络环境获取信道状态信息，根据当前业务的QoS需求，为用户分配最合适的传输信道和传输功率，充分提高无线频谱的利用率和网络的吞吐量。申请号为“201110274437. O”的专利文件公开了“一种用于认知无线电网络的信道和功率联合分配方法”，该方法重点考虑并保证的是认知用户的速率要求和用户公平性，最终通过合作博弈理论解决分配问题，实现了资源的公平分配。申请号为“200910034228. I”的专利文件公开了“认知无线电中基于干扰温度的信道与功率联合分配方法”，该方法重点考虑的是在授权用户干扰温度限制下，信道和功率资源的公平性分配问题，依据小区内授权用户允许的最大干扰温度推算出认知用户的可发送功率，并且引入贫困线来保证各个用户信道分配的公平性。上述认知无线电的信道和功率联合分配方法中，虽然考虑到了认知用户对主用户的干扰以及认知用户的服务质量问题，但这些方法解决的都是在某一种特定的无线电环境状态下的信道和功率资源的分配问题，而没有考虑多阶段的信道和功率联合分配问题；并且都没有考虑认知用户的通信连续性问题，在这些分配机制下，认知用户在每个频谱分配阶段都要频繁地切换信道，不仅消耗了能量，还无法保证前后通信的连续性。因此研究认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法，能够保证认知用户在不同资源分配阶段的通信连续性。为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案一种认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法，在集中式结构的认知无线电网络中随机分布N个认知用户(SU)，在网络的中心位置设置一个认知基站(BS)，网络中可用频谱被划分为M(M > N)个正交的子信道，每个子信道的带宽均为W，包括以下步骤SI，认知用户周期性地感知无线电环境，认知基站采用一定的合并准则，对N个认知用户收集到的数据信息进行融合，通过合作检测的方法获取子信道状态信息，用向量I={Iml Im ^ {O, 1}}MX1表示,其中，Im = I表示子信道m被主用户(PU)占用，Im = O表示子信道m空闲；“一定的合并准则”和“合作检测的方法”均采用公知技术。S2，认知用户向认知基站发送通信请求，并告知认知基站需要传输的信息量大小(单位为比特)，用向量R={Rn|Rn ^ 0}NX1表示，Rn = O表示认知用户η无通信需求，同时,认知基站采集每个认知用户的服务质量需求信息，服务质量需求信息用信噪比衡量，用向量
Y= { Y Jnxi 表不；
S3，认知基站根据子信道状态信息以及服务质量需求信息，通过求解一个带有约束条件的最优化问题来为认知用户分配初始阶段的最优的信道和功率资源，认知用户开始进行通信；S4，当初始阶段的通信结束时，更新子信道状态信息和服务质量需求信息，在进行下一阶段，即第i(i > D阶段的信道和功率资源分配前，需完成以下步骤S41，在第i阶段的信道和功率资源的分配前，需通过，即式(I)检测各认知用户是否完成第i_l阶段通信；其中表示第i_l阶段认知用户η需要传输的信息量；
表示第i_l阶段认知用户η的信息传输速率，f-1) = ΣC^riog2Cl+) cffl,n =
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I表示子信道m分配认知用户η使用，Pffl,η表示认知用户η在子信道m上的发送功率，hm，n表示认知用户η在子信道m上的信道增益，Ntl表示噪声功率谱密度^表示每个阶段中认知用户用于传输数据的时间；S42，若式(I)成立，则表示认知用户η完成了第i_l阶段信息量的传输，否则则表示认知用户η没有完成i-Ι阶段信息量的传输；S43，判断未完成通信的认知用户在第i-Ι阶段被分配的信道是否在第i阶段全部被主用户占用，如果被占用，则将此认知用户划入集合Ψ2，否则将其划入集合W1 ;S44，如果在第i阶段有新的认知用户向认知基站发送通信请求，将该认知用户划入集合Ψ2 ;S5，通过步骤S4得到集合叫1和叫2后，认知基站进行第i阶段的信道和功率的最优联合分配，其中(I)对于集合W1中的没有完成第i_l阶段通信的认知用户，认知基站允许它们继续占用第i-ι阶段被分配的并且在当前阶段未被主用户占用的子信道进行通信；(2)假设在第i-Ι阶段分配给集合W1中的用户并且在当前阶段未被主用户占用的子信道的集合为Π，则在步骤S3中所述的最优化问题中加入一个限制条件men,ne W1，其中，cm,n = I表示子信道m分配给认知用户η使用，使其成为第i阶段的信道和功率联合分配对应的最优化问题，通过求解加入限制条件后的最优化问题，为集合ψ2中的用户分配最优信道，并为集合W1和Ψ2中的用户分配最优功率；此限制条件可以使未完成通信的认知用户在不同分配阶段占用相同的信道资源，避免了频繁的信道切换过程，保证了认知用户在不同分配阶段通信的连续性。S6，完成第i阶段的信道和功率的最优联合分配后，认知用户继续周期性地感知周围无线电环境，更新子信道状态信息以及服务质量需求信息，实现后续阶段的信道和功率资源的最优分配。前述的认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法中，认知用户感知无线电环境的周期由系统协议确定，在一个周期内，认知用户用于感知无线电环境的时间为τ，用于传输数据的时间为Τ。前述的认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法中 ，步骤SI中，认知基站采取协作的频谱感知方法检测子信道的占用情况，来获取子信道状态信息。假设认知用户η接收到的信号为yn，协作频谱感知方法就是由认知基站对各个认知用户接收到的数据信息进行融合，如果采取等增益合并准则，则认知基站获取的信息为Y = Σ yn ;如果采用加权合并准则，则认知基站获取的信息为Y = Σ wnyn，其中wn表示权重因子，采用协作频谱感知方法能提高检测性能。前述的认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法中，所述步骤S3中的最优化问题包括(a)目标函数以最大化系统吞吐量为目标函数，其表达式为
Λ, Mη \h fmax Y Y cm nW Iog2 (I + Fm'n 1 ηκΗ 1 )
a ft Tl\ sr其中C和P分别表示信道分配矩阵和功率分配矩阵，Cffljn= I表示子信道m分配给认知用户η使用，pm, η表示认知用户η在子信道m上的发送功率，hm，n表示认知用户η在子信道m上的信道增益，N0表示噪声功率谱密度；(b)约束条件I.当认知用户发送通信请求时，认知基站才为其分配信道，只有空闲的子信道才被用来分配给认知用户使用，并且每个子信道只能被一个认知用户使用，因此需满足cm,n =
N
O, n e {nIRn = 0}，ym cm,n = 0，m e {m| Im = I},和Xq'" =l,m e {m Im=0}；
，\fn =iII.为了避免对主用户的干扰，必须对认知用户在各个子信道上的发送功率进行
N、
限制，需满足Σ^/ν,Ι ,,Ι ^Pm, V 其中，Pm表示主用户在子信道m上的干扰功率上限；
fj=\
n 1 III.为了达到认知用户的服务质量要求，各个认知用户在子信道上进行数据传输
Tc P Ia I:'
时的信噪比需满足^yn其中，Yn表示保证认知用户η通信服务质量的
N0W —/β，，
最低信噪比要求；因此，信道和功率联合分配的最优化问题描述为
权利要求
1.一种认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法，在集中式结构的认知无线电网络中随机分布N个认知用户，在网络的中心位置设置一个认知基站，网络中可用频谱被划分为M个正交的子信道，其中M > N，每个子信道的带宽均为W，其特征在于，包括以下步骤 SI，认知用户周期性地感知无线电环境，认知基站对N个认知用户收集的数据信息进行融合，获取子信道状态信息，用向量I= Um I Im e {O，1} }MX1表示，其中，Im = I表示子信道m被主用户占用，Im = O表示子信道m空闲； S2，认知用户向认知基站发送通信请求，并告知认知基站需要传输的信息量大小，用向量R={Rn|Rn≤0}NX1表示，Rn = O表示认知用户η无通信需求，同时,认知基站采集每个认知用户的服务质量需求信息，服务质量需求信息用信噪比衡量，用向量Υ = {Υη}ΝΧ1表示；S3，认知基站根据子信道状态信息以及服务质量需求信息，通过求解一个带有约束条件的最优化问题来为认知用户分配初始阶段的最优的信道和功率资源，认知用户开始进行通信； S4，当初始阶段的通信结束时，更新子信道状态信息和服务质量需求信息，在进行下一阶段，即第i阶段的信道和功率资源分配前，其中i > 1，需完成以下步骤 S41，在第i阶段的信道和功率资源的分配前，需通过
2.根据权利要求I所述的认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法，其特征在于认知用户感知无线电环境的周期由系统协议确定，在一个周期内，认知用户用于感知无线电环境的时间为τ，用于传输数据的时间为Τ。
3.根据权利要求I或2所述的认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法，其特征在于步骤SI中，认知基站采取协作频谱感知方法检测子信道的占用情况，来获取子信道状态信息。
4.根据权利要求3所述的认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法，其特征在于，所述步骤S3中的最优化问题包括 (a)目标函数 以最大化系统吞吐量为目标函数，其表达式为
5.根据权利要求4所述的认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法，其特征在于在认知无线电系统中建立一个固定的控制信道，用于认知用户和认知基站进行频谱感知信息和控制信息的交互。
6.根据权利要求4或5所述的认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法，其特征在于在每个阶段认知用户传输数据的过程中，如果有新的认知用户提出通信请求，认知基站将存储请求信息，并在下一阶段进行处理。
全文摘要
本发明公开了一种认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法，包括S1，认知用户周期性地感知无线电环境，认知基站获取子信道状态信息；S2，认知用户向认知基站发送通信请求并告知认知基站需要传输的信息量大小，同时认知基站采集认知用户的服务质量需求信息；S3，认知基站通过求解最优化问题来为认知用户分配初始阶段的最优信道和功率，认知用户开始通信；S4，初始阶段通信结束时，更新子信道状态信息和服务质量需求信息；S5，认知基站进行第i阶段的信道和功率的最优联合分配；S6，认知用户继续周期性地感知周围无线电环境，实现后续阶段的信道和功率的最优分配。本发明能保证认知用户在不同资源分配阶段的通信连续性。
文档编号H04W72/08GK102869018SQ201210394839
公开日2013年1月9日 申请日期2012年10月17日 优先权日2012年10月17日
发明者刘福来, 郭寿明 申请人:东北大学秦皇岛分校