[发明专利]一种感知时长和资源分配联合优化的方法

说明书

本发明公开了一种感知时长和资源分配联合优化的方法，优化目标为：其中r为数据总速率，τ为感知时隙宽度，X和W分别为用户对各频带的占比矩阵和发射功率矩阵，约束条件为检测和虚警概率、发射功率峰值和均值均受限于预设门限。所述方法首先将优化问题分解为上下两个子层；然后在τ可行区下界附近选取第一二插值点，基于其连线斜率选取第三插值点；其次令插值函数导数为零导出τ最优解最后将τ的最优解代入至下层进行优化，得到X和W的最优化解本发明方法速度优势明显并且精度仍能维持较高水平。

技术领域

本发明涉及一种认知无线电系统感知时长和资源分配联合优化快速运算技术，属于无线通信技术领域。

背景技术

一个交织模式下认知无线电系统的资源分配的完整过程，涉及受检频谱分配、感知时隙配置和接入方案配置(即通常所说的无线资源分配，通常包含信道、调制方式和发射功率三者)的多参数联合优化问题。此类联合优化问题是一个相当复杂的混合优化问题。此外，在每个数据帧周期，系统必须基于感知信道(即授权系统发射端至认知系统检测端)和传输信道(即认知系统发射端至认知系统接收端)的当前状态，对感知时长和无线资源的分配方案予以实时更新，以求达到某项性能之最优，例如，传输速率的最大化。有关该方向的研究成果，尽我们所知，目前报道甚少，仅举数例如下。文献[1](R.Fan,H.Jiang,Q.Guo,andZ.Zhang.Joint Optimal Cooperative Sensing and ResourceAllocation inMultichannel Cognitive Radio Networks[J].IEEE Transactions on VehicularTechnology,2011,60(2):722–729)研究了感知时长和资源分配的联合优化问题，其采用的方法是，各认知用户将检测样本报告协调中心(coordinator)，由其对各信道(亦称频段，下同)是否空闲作出最终判断。然后，每个空闲的授权信道对所有认知用户的通信均开放，然而每个认知用户仅能占用每个信道的部分频带，即采用频分复用(frequency divisionmultiple access,FDMA)接入模式。其优化参数为感知时隙宽度(亦称感知时长，下同)、各个认知用户对空闲信道的频域占用比重及其发射功率，优化目标是数据速率最大化，优化方法是双层优化,其中底层是各用户对各信道频域占比及其功率分配的凸优化问题，一般采用经典凸优化方法(例如内点法)求解，而上层是关于感知时隙宽度配置的优化问题，其目标函数重构成包含两个变量的连续的单调函数，是一个非凸的优化问题，采用polyblock优化方法求解；文献[2](C.Zhao and K.Kwak,“Joint sensing time and powerallocation incooperatively cognitive networks,”IEEE Commun.Lett.,vol.14,no.2,pp.163–165,Feb.2010)研究了类似联合优化问题，然而其优化目标是包含中继站的无线认知网的吞吐率最大化，优化参数是感知时隙宽度及信道和发射功率分配，且仅限于二用户，其采用的中继模式也仅限于放大转发(amplify and forward,AF)模式；文献[3](G.Scutari,J.Pang.Joint Sensing and Power Allocation in Nonconvex CognitiveRadio Games:Nash Equilibria and Distributed Algorithm[J].IEEETrans.Inf.Thoery,vol.59,no.7,pp.4626–4661.)也研究了类似的联合优化问题，然而其优化目标是认知用户竞争性地寻求自身数据速率的最大化，属于分布式优化问题，优化参数是感知时隙宽度、检测门限和发射功率分配，优化方法采用博弈论，其从理论上证明了该问题下Nash均衡点的存在性和唯一性；文献[4](S.Chatterjee,S.P.Maity,andT.Acharya.Energy Efficient Cognitive Radio System for JointSpectrum Sensingand Data Transmission[J].IEEE Journal on Emerging and Selected Topics inCircuits and Systems,2014,4(3):292-300)研究了基于多中继的无线认知系统的能效最大化问题，其优化参数是检测样本数(等于感知时长与信号采样率的乘积)、中继站个数及其信道和功率分配。