[发明专利]一种基于多用户多信道感知的频谱共享能量消耗优化方法

摘要

本发明请求保护一种基于多用户多信道感知的频谱共享的能量消耗优化方法，针对多个次用户与主用户同时共享多个信道的认知多址接入系统，次用户能够同时感知和接入多个主用户信道并把对主用户的干扰设计成为一个约束条件。为了减少能量消耗，对感知时间、信道以及功率进行合理的分配。在该方案中，所建立的初始优化问题为非凸整型组合分式规划问题，为了得到最优的感知时间，信道及功率分配，对其进行凸松弛并进一步转化为一个含参数的线性问题，从而得到一种最小化能量消耗的算法。通过改变次用户数目，信道数目，干扰功率门限值以及主用户占用信道概率来评估此方案的性能。相对于多用户多信道的机会频谱接入，该方案能够使系统的能量消耗更少。

主权项

1.一种基于多用户多信道感知的频谱共享能量消耗优化方法，所述多用户多信道感知处于认知多址接入系统中，其特征在于，包括以下步骤：101、在认知多址接入系统中，获取τ、Θ、P⁽⁰⁾及P⁽¹⁾，其中τ表示次用户的感知时间，Θ表示信道分配矩阵，P⁽⁰⁾和P⁽¹⁾表示功率分配矩阵，利用η(τ,Φ,P⁽⁰⁾,P⁽¹⁾)表示认知多址接入系统中次用户的能量消耗：η(τ,Θ,P⁽⁰⁾,P⁽¹⁾)＝E(τ,P⁽⁰⁾,P⁽¹⁾)/C(τ,Θ,P⁽⁰⁾,P⁽¹⁾)；C(τ,Θ,P⁽⁰⁾,P⁽¹⁾)表示一个帧周期的平均发送的数据，E(τ,P⁽⁰⁾,P⁽¹⁾)表示一个帧周期的平均能量消耗，Θ表示信道分配矩阵，步骤101具体包括：步骤一、该方案的系统由K个次用户和N个主用户信道组成，并且K个次用户能够同时接入这N个主用户信道，即构成一个认知多址接入系统；由于次用户在接入主用户信道之前会进行频谱感知，因此次用户的一个数据帧周期就包含感知时间和数据传输时间；数据帧周期和感知时间分别用T和τ表示，那么一个帧周期内次用户的数据传输时间就为T‑τ；步骤二、K个次用户根据不同的信道感知结果来分配不同的功率在N个主用户信道上进行传输；如果检测到第n个信道空闲，1≤n≤N，次用户k将采用较高功率的P_n,k(0)进行发送数据，1≤k≤K，否则采用相对较低功率的P_n,k(1)发送数据；假设信道为平坦衰落，对于信道n，主用户发射机与次用户k接收机之间，次用户k发射机与次用户k接收机之间，次用户k发射机与主用户接收机之间的信道功率增益分别表示为且具有遍历性和平稳性；次用户接收端的噪声服从零均值，方差为σ²的独立同分布的循环对称复高斯分布；根据信道检测结果的二元性，第n个信道的虚警概率表示为其中，τ为感知时间，γ_n为次用户接收机在信道n上接收到的信噪比(SNR)，f_s表示抽样频率，表示次用户在信道n的检测概率；步骤三、为了避免不同次用户之间的干扰，在一个数据帧周期内，每个信道最多只能分配给一个次用户，而每个次用户可以同时在多个信道上发送数据；用θ_n,k∈{1,0}表示信道分配指示符；当信道n分配给次用户k时，θ_n,k为1，否则为0；信道分配矩阵其满足步骤四、系统中的能量消耗包括发送信号功率、电路功率，一个数据帧周期内的功率消耗为其中，ζ为功率放大器(PA)的转换效率，ξ为功率放大器的峰均比(PAR)，P_c为电路功率；由于频谱感知是非理想的，因此，基于频谱感知的结果和主用户在每个信道的实际状态，次用户分别有4种不同的瞬时传输速率；用传输速率r的第一个下标表示主用户的实际状态，第二个下标表示次用户的判决结果；当次用户成功检测到主用户的空闲状态时第k个次用户在信道n的速率为当次用户没能检测到主用户的空闲状态时第k个次用户在信道n的速率为当次用户没能检测到主用户的占用状态时第k个次用户在信道n的速率为当次用户成功检测到主用户的占用状态时第k个次用户在信道n的速率为其中，P_p,n为主用户在信道n的发送信号功率，σ²＝N₀BN_f为接收机端的噪声；N₀为单边功率谱密度，B为信道带宽，N_f为噪声系数；步骤五、次用户k在信道n上的平均吞吐量为其中，这里，H_0,n为主用户在信道n的空闲概率，H_1,n为主用户占用信道n的概率；由式(9)可以得到次用户k在N个信道上，一个帧周期内的平均发送的数据那么K个次用户在N个信道上，一个帧周期的平均发送的数据就为其中，E[·]表示期望运算，和为功率分配矩阵；次用户k在信道n的平均功率消耗为因此，次用户k在N个信道上，一个帧周期的平均能量消耗为其中，P_sens为感知功率；K个次用户在N个信道上，一个帧周期的平均能量消耗为由于次用户受到自身的功率预算限制，考虑平均发送功率约束是十分必要的；其约束条件可以表示为其中，P_m表示次用户的最大平均发送功率；认知无线电系统中，保证主用户的服务质量具有最高优先级，需要考虑次用户对主用户的干扰；根据前面的分析，次用户k的平均干扰功率约束可以表示为其中，P_L为主用户在信道n上能够容忍的最大平均干扰功率；综上所述，能量消耗优化问题可以表述为102、对步骤101的次用户的能量消耗η(τ,Φ,P⁽⁰⁾,P⁽¹⁾)进行凸松弛并转化为一个含参数λ的线性问题，即函数F(λ)，具体包括：由于θ_n,k∈{1,0}，导致能量消耗优化问题是一个非凸整型组合分式规划问题；为了求得最优解，对式(18)进行凸松弛，把离散的转化为连续的其满足因此，式(5)(6)(7)(8)的速率表达式修改为上式中的μ_n,k可以理解为一个信道上的频谱共享，为了符号统一，用代替式(18)中的E；因此，式(18)就转化为由于感知时间τ在(0,T)范围内，可以采用一维的穷举搜索来获得最佳感知时间，其表示为然后，最优的信道及功率分配U^*、P^(0)*和P^(1)*表示为对于U、P⁽⁰⁾、P⁽¹⁾,式(24)是一个非线性分式规划问题；利用分式规划理论，引入一个参数λ，将其转化为一个含参数的线性问题，得到下面这个函数这里，τ被当成一个常量；定义103、通过二分法及凸优化法求得函数F(λ)的最小值λ^*，即次用户能量消耗的最小值，完成能量消耗优化，具体包括：根据Dinkelbach的关于非线性分式规划的研究，当且仅当那么式(24)和式(27)的关系为证明如下，充分性：当时，必要性：当时，证明完毕；也就是说，λ^*为式(24)的解，即最小值，且在(U^*,P^(0)*,P^(1)*)处取得；下面，将介绍如何求解λ^*；首先，证明F(λ)是一个关于λ的单调递减函数；设λ₁<λ₂，因此，F(λ)是一个关于λ的单调递减函数；在一个包含λ*的区间[λ_min,λ_max]内，采用二分法来找出λ*；算法如下：第一步：确定区间[λ_min,λ_max]，验证F(λ_min)·F(λ_max)<0，给定精确度ε；第二步：λ＝(λ_min+λ_max)/2；第三步：采用凸优化技术，求解式(27)，并计算出F(λ)；第四步：1)若F(λ)＝0，则λ＝λ^*；2)若F(λ_min)·F(λ)<0，则令λ_max＝λ；3)若F(λ)·F(λ_max)<0，则令λ_min＝λ；第五步：判断是否达到精确度：若|λ_min‑λ_max|<ε，则得到λ*，否则重复第二步到第四步；参数ε是预先设定的一个极小值，只要确定了λ*，那么也将获得对应的最优信道及功率配置。