[发明专利]一种面向认知无线电网络的跨层干扰受限的功率分配方法

权利要求书

1.一种面向认知无线电网络的跨层干扰受限的功率分配方法，其特征在于该方法主要包括如下步骤：

第1、下垫式频谱共享的认知无线电网络模型结构的构建：

第1.1、建立传输功率模型P_k，m，l，P_k，m，l表示第l个子载波上分配的第k个小区内第m个次用户的功率；则系统总传输功率P_tot表示为

式中M、L分别表示次用户的总个数和子载波的总个数，ξ表示功率放大器漏极效率的倒数，P_c表示电路的功率消耗；

第1.2、建立算法的干扰温度限模型；方法如下，权重向量由V＝[V₀，V₁]表示，干扰温度限制由主基站发送端对次用户接收端的干扰和不同小区的次基站发送端对次用户接收端的干扰两部分组成；不同小区的次基站发送端对次用户接收端的干扰温度表示如下：

式中，P_{k，m′，l'}表示第l’个子载波上分配的第k个小区内第m′个次用户的功率；G_{k，m′，l'}表示在第l’个子载波内第k个次基站与第m′个次用户之间的信道增益；相应地，主基站发送端对次用户接收端的干扰温度表示如下：

式中，P_k，p，l'表示第l’个子载波上分配的第k个小区内第p个次用户的功率；G_k，p，l'表示在第l’个子载波内主基站和第k个次基站内的第p个次用户之间的信道增益；综上所述，第l个子载波上的第k个小区第m个次用户的干扰温度I_k，m，l如下式所示

第1.3、建立信干噪比与传输速率模型；方法如下，定义第k个小区内的第m个次用户发送端的信干噪比ψ_k，m，l表示如下：

式中N₀表示一个子载波内的热噪声，G_k，m，l表示第l个子载波上第k个小区的次基站与该小区内第m个次用户之间的信道增益；根据香农定理，系统的总数据传输速率R_tot表示为

式中B/L表示一个子载波内的传输带宽，B是信道带宽，L是子载波的总个数；

第1.4、建立时延模型；方法如下，引入虚拟队列的概念，将MAC协议中多用户争用信道F_k导致的额外分组时延转化为在信道F_k对应的虚拟队列Q_k中的排队时延W_k，这样就能够使用排队论中的相关公式加以计算；最终将物理队列Q_jk的分组服务时间修正为分组传输时间与虚拟队列排队时间之和；虚拟队列的输入分组流是整个小区所有用户分配在信道F_k上的传输速率的叠加，视为泊松过程，

虚拟队列Q_k是一个逻辑概念，在物理上并不存在；Q_k中的分组在物理上分散在各个SU中等待被发送，虚拟队列服务时间就是该分组的传输时间，而服务端的分组处理速率就是各个SU在信道F_k上的分组发送速率，虽然在物理上，Q_k中的分组将被不同的SU的发射机发送，但某一时刻只能有一个发射机接入Q_k对应的信道，等效为Q_k中只有一个速率可变的服务者；

在M/G/1排队系统中，假定第l个子载波上的第k个小区第m个次用户的服务时间为X_k，m，l，X_k，m，l是独立同分布的，并且与到达间隔相互独立；第k个小区的服务时间的均值和二阶矩为：

式中E[X_i，m，l]表示第l个子载波上的第i个小区第m个次用户的期望服务时间；

根据P-K公式所述，M/G/1排队系统一个小区内的平均等待时间为

由上述P-K公式得该系统一个小区内的平均时延为

式中为到达速率与服务速率之比，反映了系统的繁忙程度；当增加时，系统稳态时的用户数将随之增加；当趋于1时，系统稳态时的用户数将趋于无穷；如果则系统将来不及服务，必然会导致系统中的用户数趋于无穷大；

第2、目标函数问题转换：

第2.1、说明原目标函数为非凸函数，不能用凸优化方法求解；

第2.2、将原目标函数转化成凹函数除以凸函数的形式；

第3、算法设计：

第3.1、优化问题的确定，将第2步转换后的分数形式的目标函数利用Dinkelbach方法转化为多项式形式，非线性分式规划问题max{R_tot/P_tot}等价转化为max{R_tot-γP_tot}形式；

第3.2、根据凸优化理论，引入拉格朗日乘子λ₁和λ₂，建立优化问题的拉格朗日函数；

第3.3、引入拉格朗日对偶方法，通过相对于原问题而言计算复杂度相对较低的对偶问题的最优解求得原问题的最优解；

第3.4、采用次梯度算法替代梯度算法，迭代求得对偶问题的最优解。