基于中断概率能效最大的功率分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种基于中断概率能效最大的功率分配 方法，可用于绿色认知无线电系统中次级用户能效最大化的功率分配。
【背景技术】
[0002] 随着无线和移动通信的迅速发展，日益增长的无线频谱需求与有限的频谱资源之 间的矛盾已经成为当前无线通信行业的突出矛盾，然而与此同时，又存在着大量授权的频 谱被闲置或者利用率极低的现象。为了改善频谱利用率低下的现状，J.Mitola等人提出了 认知无线电的概念，其主要思想是在已授权的频段内，在不影响主用户正常通信的前提下， 允许次级用户接入到当前频段，从而大幅提高频谱利用率。为了达到最大化次级用户传输 速率并且尽量保护授权用户的目的，次级用户必须最佳分配发送功率，以尽量减小对授权 用户正常通信的干扰，因此认知无线电中的功率分配研究受到了国内外学者的广泛关注。
[0003] 与此同时，无处不在的无线业务以及急剧增加的移动设备数量导致大量的能量消 耗和温室气体的排放。绿色通信网络是未来无线网络设计不可避免的趋势。绿色通信网络 的思想是，在最大化网络能效的情况下，提供最佳用户体验。
[0004] 现有的最佳功率分配策略主要针对以下两种机制进行设计：
[0005] 1)机会频谱接入机制。机会频谱接入机制的思想是，次级用户在检测到主用户不 存在情况下，次级用户使用主用户频段进行传输。在该机制下，次级用户需要准确快速的对 主用户频段进行检测。由于现有的频谱感知技术不能达到完全准确的检测效果，当主用户 不存在，但次级用户误判主用户存在时，次级用户会放弃使用该频段以保护主用户；而当主 用户存在，但次级用户误判主用户不存在时，次级用户使用主用户频段进行传输，将对主用 户产生干扰。因此最佳功率分配策略的设计在该机制中不仅能起到保护主用户的作用，而 且能提供次级用户最大传输速率。
[0006] 2)频谱共享机制。在频谱共享机制下，次级用户和主用户共享同一个频段，次级用 户不需要对主用户状态进行检测。在该机制下，为了保证主用户的服务质量，次级用户需要 最佳设计其发送功率。由于在频谱共享机制下，频谱效率更高且次级用户能获得更好的服 务质量，因此在频谱共享机制下，设计最佳功率分配策略更为重要。
[0007] 在传统的认知无线电频谱共享机制下，现有的功率分配方法（1 :X.Kang，Y. C.Liang,A.Nallanathan,H.K.Garg,R.Zhang,"Optimalpowerallocationforfading channelsincognitiveradionetworks:ergodiccapacityandoutagecapacity''IEEE Trans.WirelessCommun.,vol.8,no.2,pp.940-950,2009.2 ：L.Musavianand S.Aissa，"Capacityandpowerallocationforspectrumsharingcommunicationsin fadingchannels"IEEETrans.WirelessCommun. ,vol. 8,no. 1,pp. 148-156,Jan. 2009.) 这种方法是在给定的约束条件下，根据信道条件，通过调整次级用户发送功率，达到使得次 级用户中断概率最小化。此功率分配方法，只与约束条件、次级用户发送端到次级用户接收 端、次级用户发送端到主用户接收端、主用户发送端到次级用户接收端的信道增益、主用户 发送功率、次级用户接收端的噪声功率有关，而与能效和次级用户发送端的功率放大因子 无关。这种功率分配方法，由于没有考虑到次级用户获得的能效对功率分配的影响，则不能 保证次级用户获得最大能效，产生大量的额外能量消耗和温室气体的排放，造成不必要的 能源浪费。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于中断概率能效最大的 功率分配方法，以提高次级用户的能效，减小能源浪费。
[0009] 为实现上述目的，本发明的技术方法包括如下步骤：
[0010] (1)次级用户根据所需要的容错误差、拉格朗日迭代效果、希望获得的中断容量及 最大需要迭代次数，设置能效函数容错误差I>0,中断容量^比特/复维，最大迭代次数 N，平均发送功率约束对应的收敛误差L>0,平均干扰功率约束对应的收敛误差| 2>〇， 平均发送功率约束对应的拉格朗日乘子迭代步长h> 0,平均干扰功率约束对应的拉格朗 日乘子迭代步长〖2>0;
[0011] (2)次级用户初始化能效n= 〇,平均发送功率约束对应的拉格朗日乘子T= 平均干扰功率约束对应的拉格朗日乘子y= 次级用户发送功率Pn和能效n"的 迭代次数n= 0 ;
[0012] (3)次级用户迭代计算最佳发送功率P :
[0013] (3. 1)次级用户计算每次衰落状态下满足次级用户中断容量rs的发送功率y :
[0014]
[0015] 其中gss为次级用户发送端到接收端信道功率增益，hps为主用户发送端到次级用 户接收端信道功率增益，Pm为主用户恒定发送功率，^表示次级用户接收端的噪声方差；
[0016] (3. 2)次级用户计算每次衰落状态下的发送功率Pn:
[0017]
[0018] 其中P为功率放大因子，gsp为次级用户发送端到主用户接收端信道功率增益， nn1为次级用户第n-1次迭代获得的能效；
[0019] (3. 3)次级用户根据平均发送功率约束条件和平均干扰功率约束条件 五，.通过subgradient迭代算法经k彡1次迭代，计算出平均发送功率约束对 应的拉格朗日乘子？和平均干扰功率约束对应的拉格朗日乘子yk:
[0022] 其中瓦和瓦分别为次级用户最大平均发送功率约束和次级用户对主用户最大平 均干扰功率约束，E{ ?}表示对?求数学期望；
[0023] (3.4)根据计算出的拉格朗日乘子，和yk，计算发送功率if:
[0024]
[0025] (3. 5)判断每次迭代计算出的拉格朗日乘子，和y14是否满足迭代终止条件：
，若满足，则执行步骤（3. 6)，否则，返回步 骤（3. 3);
[0026] (3.6)次级用户分别计算第n次迭代能效函数仁（1〇和第n次迭代能效nn:
[0029] 其中匕为固定电路的消耗功率，尤?丨的计算表达式为：
[0030]
[0031](3.7)次级用户对能效函数fnu)进行判决：如果|fn(n)I彡I，则第n次的发 送功率if为次级用户能效最佳发送功率P，能效nn即为次级用户获得的最大能效n;反 之，判断迭代次数是否达到最大迭代次数n<N，如果达到最大迭代次数，则此时的发送功 率$为次级用户能效最佳发送功率p，能效nn为次级用户获得的最大能效n;否则，继续 迭代，直至满足迭代终止约束条件。
[0032] 本发明具有以下优点：
[0033] 1、本发明在次级用户平均发送功率和平均干扰功率约束条件下，能获得高于传统 基于频谱共享认知无线电最佳发送功率方法取得的最大能效。
[0034] 2、本发明能快速获得最大能效情况下的能效最佳功率分配。
[0035] 3、本发明能在保证主用户服务质量的同时，保证次级用户在最大能效情况下的用 户服务质量。
[0036] 4、本发明计算复杂度低，可以在实际中广泛应用。
【附图说明】
[0037] 图1是本发明的实现流程图；
[0038] 图2是采用本发明和现有的两种发送功率分配方法，其