[发明专利]认知无线电中基于系统收益的频谱分配方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种认知无线电中基于系统收益进行频谱分配的算法。

背景技术：

目前，各种无线通信技术日新月异，人们对无线通信业务的需求急剧增长，非授权频谱资源越来越紧张，而与此同时，授权频段的资源使用率却非常低。利用认知无线电技术对认知用户进行频谱分配被认为是解决无线频谱利用率低下问题的最佳方案。无线电环境变化迅速，频谱使用情况瞬息万变，这就要求要找到优秀的算法，更快速、更有效的进行动态频谱分配，得到更高的系统收益。目前认知无线电频谱分配算法通常基于图论和博弈论的模型。

图论着色模型是较为常用的频谱分配模型。在图论着色模型中，每一个节点代表一个认知用户(本专利中提到的节点和用户代表概念相同，不再说明)，每一条边表示节点间存在冲突或者干扰，而颜色表示频谱资源。将每一个顶点与一个颜色集合相关联，这个集合就代表该顶点所在区域位置可以使用的频谱。当认知用户对应节点和某工作中授权用户对应节点间距离大于授权用户干扰半径时，为了避免影响授权用户的通信质量，认知用户不能使用该频谱；另外，两个认知用户(节点)距离小于认知用户干扰半径时，这两个节点有边相连，表示节点间存在干扰，不能同时使用同一频谱。

图论着色模型中有多个连通子集。连通子集是这样一种子集：对于拓扑图子集中的任意两点，都存在连通它们的路径。如果一个连通子集不是任何一个连通子集的真子集，那么称这个连通子集是一个极大连通子集。在图论着色模型中，分属于不同极大连通子集的任意节点之间不存在任何影响。各个极大连通子集的频谱分配情况是相互独立的，因而可以并行进行频谱分配。

独立集是指图的顶点集的一个子集，该子集的导出子图不含边。如果一个独立集不是任何一个独立集的真子集，那么称这个独立集是一个极大独立集(MIS)。可以通过以下过程来计算极大独立集：向空集合中加入任一个节点，再添加其他与集合中节点无边相连的节点，循环此过程直到没有新的节点可以加入，则得到一个极大独立集。在认知无线电频谱分配过程的图论模型中，极大独立集中的节点对应的用户没有相互干扰，可以为这些用户同时分配同一段频谱。这样就减少了通信次数，达到了加快频谱分配、降低通信开销的目的。

分配给任意一个节点的每段频谱都会带来一定的收益，系统收益指每段分配给用户的频谱为系统带来收益之和。在图论模型中，频谱带来的收益被抽象为与每个节点的每段频谱对应的数值。实际环境中，系统收益是一个泛指的概念，它可以代指吞吐量、信息传递速率、经济利益等指标。针对频谱收益的差异进行频谱分配，可以提高系统容量、改善认知无线电系统的总收益，从而充分发挥认知无线电的优越性。

人们常将线性规划原理用于算法优化，线性规划问题定义为：

minf(X)＝C^TX                             (1)

满足约束条件

AX≤B

X≥0                                     (2)

其中A＝{a_m，n}_M×N，B＝(b₁，b₂，…b_n)^T，X＝(x₁，x₂，…x_n)^T，C＝{C_n，m}_N×M。其具体参数由具体问题决定，与本专利中频谱分配过程所使用的相同符号表示不同的含义。

发明内容

本发明为了降低系统通信开销，解决现有算法忽视频谱收益差异造成系统总收益较低的问题，提出了一种认知无线电中基于系统收益的频谱分配方法。

本发明所述的认知无线电中基于系统收益的频谱分配方法的过程为：

步骤一、依据频谱感知结果对拓扑图进行初始化；

步骤二、将初始化后的拓扑图划分为多个连通分支，对每个连通分支，计算出该连通分支中的所有极大独立集；

步骤三、选择一个连通分支；

步骤四、选择该连通分支中的一个极大独立集；

步骤五、逐一为极大独立集中的每个节点分配频谱；

步骤六、判断该连通分支中的所有极大独立集是否都完成得频谱分配，如果判断结果为否，则选则该连通分支中的另一个未分配频谱的极大独立集，并返回执行步骤五；如果判断结果为是，则执行步骤七；