一种基于在线学习的多用户多信道网络动态频谱接入方法与流程

本发明属于无线数据传输技术领域，具体涉及一种基于在线学习的多用户多信道网络动态频谱接入方法。

背景技术：

由于授权频段的管理饱受频谱利用率低的实际，认知无线电网络作为解决当前频谱效率极低问题的解决方案，受到了工业界和学术界的广泛关注。在认知无线电网络中，次级用户可以接入未被授权用户使用的信道。动态频谱接入允许次级用户确定当前的空闲信道并机会式地使用这些空闲信道。

针对多用户多信道的认知无线电网络，网络中的各信道独立正交，当多个次级用户接入信道时，每个信道仅能够被一个次级用户接入，否则会由于碰撞问题导致传输失败。现有的方法中，次级用户在选择接入传输信道时，一般都是假设信道可用传输时长、传输速率服从相同的统计分布，既不同用户接入不同信道能够获得的收益期望相同。然而，次级用户的传输受到频率、通信距离等因素的影响，其在不同信道上的传输收益动态变化。次级用户每次接入信道时，由于没有各可用信道传输性能的先验知识，或者通过对信道进行探测以估计传输吞吐量的期望，或者根据已有的信息选择某个信道进行数据传输。次级用户在选择接入信道时，如果估计的可用传输时长小于实际可用时长，则造成传输时隙的浪费，而如果估计的可用传输时长大于实际可用时长，授权用户回归将导致次级用户的传输失败。同时，次级用户接入不同信道时，可以达到的传输速率也不同。

总之，现有技术存在的问题是：次级用户选择接入信道的传输性能受频率、通信距离等因素影响而动态变化，假设信道特性服从统计分布规律无法及时反应信道的传输性能，容易造成次级用户传输吞吐量下降。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于在线学习的多用户多信道网络动态频谱接入方法，提高次级用户传输吞吐量。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于在线学习的多用户多信道网络动态频谱接入方法，包括如下步骤：

(10)生成完全二分图：根据次级用户集合ν和网络中可用的正交信道集合k，生成二分图g＝(ν∪k,e)；

(20)次级用户随机排序：由次级用户编号随机生成用户排序o＝{o1,...,on}，其中oj∈{1,...,n}，oj＝i表示次级用户i处在排序的第j位；

(30)次级用户传输速率-传输时长二元组估计：次级用户根据接入信道的传输速率-传输时长二元组的权重，计算传输速率-传输时长二元组的概率分布，并根据该概率分布，估计次级用户可达的传输速率和可用传输时长；

(40)信道选择与数据传输：根据估计的接入信道的传输速率bt和传输时长dt，次级用户估计接入各信道能够获得的吞吐量，并选择使吞吐量最大的信道接入，传输数据；

(50)传输虚拟收益计算：每个次级用户根据数据传输过程中实际的传输速率和可用传输时长，计算在当前选择的信道上获得的归一化传输吞吐量，并根据该归一化吞吐量计算传输虚拟收益；

(60)权重更新：根据传输虚拟收益，计算传输速率-传输时长二元组的权重及权重总和，以作为下一次选择信道接入时估计传输速率和传输时长的权重。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明通过对次级用户每次接入信道时的传输速率和传输时长进行在线学习，并选择接入使次级用户传输吞吐量期望最大的信道，提高次级用户传输吞吐量。

附图说明

图1是本发明基于在线学习的动态频谱接入方法的主流程图。

图2是根据次级用户与可用信道生成完全二分图的示例。

图3是图1中次级用户传输速率-传输时长二元组估计步骤的流程图。

图4是图1中信道选择与数据传输步骤的流程图。

图5是图1中传输虚拟收益计算步骤的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种基于在线学习的多用户多信道网络动态频谱接入方法，包括如下步骤：

(10)生成完全二分图：根据次级用户集合ν和网络中可用的正交信道集合k，生成二分图g＝(ν∪k,e)。其中，ν＝{1,...,n}表示网络中全部次级用户集合，k＝{1,...,k}表示网络中所有可用信道集合，e表示二分图g中的边集合。图2是根据用户和可用信道生成二分图的示例。

(20)次级用户随机排序：网络中的n个次级用户各分配一个序号，定义用户排序为o＝{o1,...,on}，其中oj∈{1,...,n}，oj＝i表示次级用户i处在排序的第j位。

(30)次级用户传输速率-传输时长二元组估计：次级用户根据接入信道的传输速率-传输时长二元组的权重，计算传输速率-传输时长二元组的概率分布，并根据该概率分布，估计次级用户可达的传输速率和可用传输时长；

如图3所示，所述(30)次级用户传输速率-可用传输时长二元组估计步骤包括：

(31)传输速率-传输时长概率分布计算：次级用户第t次接入信道时，传输速率-传输时长二元组的概率分布为，

其中，b表示信道传输速率，d表示次级用户可用的传输时长，ωb,d(t-1)表示次级用户第t-1次接入信道时传输速率-传输时长二元组(b,d)的权重，w(t-1)表示次级用户第t-1次接入信道时传输速率-传输时长二元组的权重总和，bmax表示最大传输速率，dmax表示最大传输时长，参数用来调整利用已知收益的传输速率-传输时长二元组和探测新的传输速率-传输时长二元组之间的折中，nψ＝bmaxdmax，t表示总的迭代轮次，初始化时赋予所有的传输速率-传输时长二元组相同的权重，

(32)传输速率-传输时长估计：次级用户根据所有可能的传输速率-传输时长二元组的概率分布，估计第t次接入信道的传输速率bt和传输时长dt.

(40)信道选择与数据传输：根据估计的接入信道的传输速率bt和传输时长dt，次级用户估计接入各信道能够获得的吞吐量，并选择使吞吐量最大的信道接入，传输数据；

如图4所示，所述(40)信道接入步骤包括：

(41)信道选择：根据用户随机排序o中的顺序，次级用户依次选择使自己传输吞吐量期望最大的信道；

(42)二分图更新：根据次级用户已经选择的信道，在图g中删除相应的用户和其选择的信道，以及所有其他连接该用户及信道的边；

(43)数据传输：各次级用户接入选择的信道，并在该信道上传输数据

(50)传输虚拟收益计算：每个次级用户根据数据传输过程中实际的传输速率和可用传输时长，计算在当前选择的信道上获得的归一化传输吞吐量，并根据该归一化吞吐量计算传输虚拟收益；

每个次数用户都在选择的相应信道上进行数据传输，直到进行下一次传输信道的选择。据此，每个次级用户可以获得实际的传输速率和可用传输时长，并根据实际的传输情况计算归一化传输吞吐量。

如图5所示，所述(50)虚拟收益计算步骤包括：

(51)归一化传输吞吐量计算：次级用户第t次选择信道进行传输时，根据所选信道实际传输时达到的传输速率和可用传输时长，计算归一化传输吞吐量，

b^r表示实际的传输速率，d^r表示实际的传输时长。

(52)传输虚拟收益计算：根据归一化传输吞吐量，按下式计算传输虚拟收益，

参数为误差补偿参数，用于补偿估计传输虚拟收益时的估计误差，且ε∈(0,1)。

(60)权重更新：根据传输虚拟收益，计算传输速率-传输时长二元组的权重及权重总和，以作为下一次选择信道接入时估计传输速率和传输时长的权重。

所述(60)权重更新步骤具体为：

传输速率-传输时长二元组的权重的更新方法为，

其中，为用于控制算法学习速度的学习速度控制参数，而第t次接入信道后传输速率-传输时长二元组的权重总和更新为，

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。