[发明专利]一种用于认知无线电网络的信道和功率联合分配方法

摘要

本发明公开了一种用于认知无线电网络的信道和功率联合分配方法。该方法从认知用户的速率要求和用户公平性出发，利用合作博弈中纳什协调解构造目标效用函数，在保证认知用户最小速率要求的前提下，充分考虑了认知用户的公平性及对主用户干扰的避免。通过逐步分析推导，建立了启发性子信道分配算法，该方法不仅具有满足认知用户速率要求的优点，而且充分保证了认知用户的公平性。

主权项

1.一种用于认知无线电网络的信道和功率联合分配方法，包含认知用户信息收集模块、无线电环境检测模块、认知基站信道分配算法功能模块，其中认知基站信道分配算法功能模块又可分为：信息综合处理模块、信道分配处理模块，其特征在于：(a)定义目标效用函数：此项由信息综合处理模块根据信息收集模块和无线电环境检测模块的输出数据完成；效用函数表达式：maxA,PU,U=Πk=1K{ρk,mΣm=1MWlog2[1+γk,m(pk,m)]-Rkmin}---(1)]]>其中A和P分别表示认知用户k的子信道和发射功率分配矩阵，K和M分别表示认知用户和子信道个数，W为子信道的带宽，γ_k，m表示第K个认知用户在子信道m上的信干比(SINR)，表示第K个认知用户的最小速率要求；(b)构造分配矩阵：此项由信道分配处理模块完成；构造两个分配矩阵，矩阵A用来表示子信道的分配，矩阵P用来表示发射功率的分配：A=ρ1,1ρ1,2ρ1,3ρ2,1ρ2,2ρ2,3ρ3,1ρ3,2ρ3,3---(2)]]>P=p1,1p1,2p1,3p2,1p2,2p2,3p3,1p3,2p3,3---(3)]]>(c)约束条件：此项由信道分配处理模块完成；I.每个子信道只能分配给一个认知用户，因此需满足II.每个认知用户受到最大发射功率P^max的约束，因此认知用户在所有子信道上发射功率的总和应满足III.为避免对主用户的干扰，对每个子信道上认知用户的发射功率进行限制，应满足0≤ρk,m·pk,m≤p‾k,m,∀k,m;]]>(d)构造拉格朗日函数：对约束条件下的目标效用函数构造拉格朗日函数：L={Σm=1Mρ1,mWlog2[1+γ1,m(d1,m)ρ1,m]-R1min}]]>×{Σm=1Mρ2,mWlog2[1+γ2,m(d2,m)ρ2,m]-R2min}]]>+Σm=1Mμm(Σk=12ρk,m-1)+Σk=12λk(Σm=1Mdk,m-pmax)---(4)]]>+Σk=12Σm=1Mζk,m(dk,m-p‾k,m)+Σk=12Σm=1Mξk,m(ρk,m-1)]]>-Σk=12Σm=1Mvk,m1pk,m-Σk=12Σk=1Mvk,m2ρk.m]]>上述考虑的两认知用户情况，其中这里μ_m、λ_k、ζ_k，m、ξ_k，m、和为拉格朗日乘子；利用Karush-Kuhn-Tucker对式(4)求偏导得：log2(1+d1,mg1,mρ1,m·N1,mΓ1)-d1,mg1,mρ1,m·N1,mΓ11+d1,mg1,mρ1,m·N1,mΓ1{Σm=1Mρ1,mWlog2[1+d1,mg1,mρ1,m·N1,mΓ1]-R1min}]]>=log2(1+d2,mg2,mρ2,m·N2,mΓ2)-d2,mg2,mρ2,m·N2,mΓ21+d2,mg2,mρ2,m·N2,mΓ2{Σm=1Mρ2,mWlog2[1+d2,mg2,mρ2,m·N2,mΓ2]-R2min}---(5)]]>(e)定义权重因子和子信道分配判断函数：此步骤由信息综合处理模块完成；I.权重因子：σk=1{Σm=1Mρk,mWlog2[1+dk,mgk,mρk,mNk,mΓk]-Rkmin}---(6)]]>=1Rk-Rkmin]]>II.子信道分配判断函数：f(h1,mσ1h2,mσ2)≈log2(h1,mσ1h2,mσ2)+log2(β1σ1β2σ2)---(7)]]>+σ2-σ1]]>(f)认知用户功率控制：此项由信道分配处理模块完成；在确定子信道分配矩阵以后，(1)式定义的目标效用函数优化问题就转化为单个认知用户在功率约束条件下，通过功率控制独立地进行速率最大化，可表示为：maxPUk=Rk,]]>s.t.Σm=1Mdk,m≤Pmax∀k0≤dk,m≤p‾k,m∀k,m---(8)]]>通过信息论的迭代注水算法求得唯一最优解，得到注水位β_k：βk=dk,mρk,m+Ik,m---(9)]]>其中，N_k，m表示由主用户对认知用户k在信道m上造成的干扰功率与背景噪声功率之和；Γ_k＝-ln(5BER_k)/1.5为信噪比差额，BER_k是认知用户k的误比特率要求；(g)算法实施步骤：此项由信道分配处理模块完成；I.两用户算法实施步骤：a)根据最小速率要求初始化子信道分配；计算σ₁、σ₂；b)对子信道排序：根据的值从大到小对子信道排序；c)For j＝1，...，M-1对认知用户1分配子信道1to j，并且用迭代注水算法对所分配信道进行功率控制；对认知用户2分配子信道j+1 to M，并且用迭代注水算法对所分配信道进行功率控制，计算效用函数U；d)选择满足约束条件下，使得U最大的两频段分割，计算A、R₁和R₂；e)更新信道分配；如果U不再随着σ₁和σ₂的更新而增加，迭代结束；否则，对和更新，并转b)II.多用户算法实施步骤：a)初始化信道分配：将所有的子信道分配给认知用户；b)联盟分组：如果用户数是偶数，直接用匈牙利法进行两两分组；否则，创建一个虚拟用户，使得用户数为偶数；系统中任何用户都不与虚拟用户进行资源交换；c)在联盟内进行协调：在所有联盟内使用两用户算法实施步骤进行子信道交换的协调；d)重复b)和a)，直到系统性能不能得到进一步提升为止。