CN101588213A - 一种认知无线电网络中的频谱分配方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种认知无线电网络中的频谱分配方法及装置。具体包括：首先根据次级用户和空闲频谱数量，创建频谱分配的构建图；然后使移动点在所创建的构建图上进行移动，所述移动点在所述构建图上行走的每一步对应着将空闲频谱分配给次级用户的动作；再根据所述移动点在所述构建图上移动所得到的信息素，获得所述移动点进行移动的状态转移概率规则；其中，所述移动点根据所述状态转移概率规则在所述构建图上移动到下一个状态；当所述移动点在所述构建图上完成一次遍历后，就可以获得表示频谱分配方案的状态转移路径。这样就能够以最小的代价将各个次级用户分配到最匹配的空闲频段上，从而提高了系统的无线频谱利用率。

Description

一种认知无线电网络中的频谱分配方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种认知无线电网络中的频谱分配方法及装置。

背景技术

目前，随着无线通信技术的快速发展，以无线局域网WLAN、微波存取全球互通WiMAX、第三代移动通信3G和长期演进LTE等为代表的无线网络技术不断成熟，除了传统的高速上网、文件下载等业务外，用户对视频电话、手机电视、移动视频监控乃至P2P直播等流媒体业务的需求也不断增加。在目前的无线网络中，无线频谱的分配制度为固定频谱分配，将频谱划分为2个部分：授权频段(Licensed Frequency Band，LFB)和非授权频段(Unlicensed Frequency Band，UFB)。大部分的频谱资源被用来作为授权频段，例如电视广播频段；而无线网络技术使用的非授权频谱资源匮乏，已趋于饱和。

认知无线电(Cognitive radio，CR)被认为是解决无线频谱资源低利用率问题的最佳方案，认知无线电技术具有在不影响其他授权用户即主用用户(primary user)的前提下，智能地利用大量空闲频谱资源并且随时随地、高可靠性通信的潜能。在现有技术中，频谱分配方案大都是将博弈理论(Game Theory)作为动态频谱分配的手段，具体是将合作/非合作博弈理论用到无线资源管理的各个方面中，其中非合作博弈的典型应用就是功率控制、分布式的频谱分配、接纳控制等；合作博弈可以用来进行正交频分复用OFDM中子载波的调度、功率分配等。

按照现有技术的方案，尽管合作/非合作博弈理论在尽量减少信道冲突的情况下能有效提高无线频谱利用率；然而博弈理论要求明确无误的博弈方案条件，这就十分苛刻的直接影响了其灵活适用性，而且博弈理论中的纳什均衡(Nash Equilibrium)解过多，这往往也会导致其解的无效性，从而影响了无线频谱资源的利用率。

发明内容

本发明实施例提供了一种认知无线电网络中的频谱分配方法及装置，能够以最小的代价将各个次级用户分配到最匹配的空闲频段上，从而提高了系统的无线频谱利用率。

本发明实施例提供了一种认知无线电网络中的频谱分配方法，包括：

根据次级用户和空闲频谱数量，创建频谱分配的构建图；

使移动点在所创建的构建图上进行移动，所述移动点在所述构建图上行走的每一步对应着将空闲频谱分配给次级用户的动作；

根据所述移动点在所述构建图上移动所得到的信息素，获得所述移动点进行移动的状态转移概率规则；其中，所述移动点根据所述状态转移概率规则在所述构建图上移动到下一个状态；

当所述移动点在所述构建图上完成一次遍历后，获得表示频谱分配方案的状态转移路径。

所述根据次级用户和空闲频谱数量，创建频谱分配的构建图，具体包括：

将所有次级用户和空闲频谱构成点的集合，并连接任意两点的链路构成边的集合，由所述点的集合和边的集合来创建频谱分配的构建图。

在所述创建频谱分配的构建图之后，所述方法还包括：

所创建的构建图满足预先设定的约束条件；

其中，所述预先设定的约束条件，具体包括：

满足代价最小的频谱分配方案条件： $\min f\left(y\right)=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ij}}{y}_{\mathrm{ij}},$ 其中，f(y)表示可行频谱分配方案的总代价函数；c_ij表示将空闲频谱j分配给次级用户i的代价；y_ij表示空闲频谱j能否分配给次级用户i的表征参数；

其中，y_ij∈{0，1}，(i＝1，...，n，j＝1，...，m)，当空闲频谱j分配给次级用户i时，y_ij的值为1；否则，y_ij的值为0。

所述预先设定的约束条件，还包括：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ij}}{y}_{\mathrm{ij}}\≤a_j,(j=1,...,m)$ 和 $\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{ij}}=1,(i=1,...,n)$

其中，r_ij表示次级用户的频谱需求数；a_j表示每段空闲频谱j所能提供的最大频带宽度；

上述约束条件表示每个次级用户仅能分配一段频谱，而不能多个次级用户共享一段频谱；且每个次级用户的频谱需求不能超过空闲频段的最大频带。

所述根据所述移动点在所述构建图上移动所得到的信息素，获得所述移动点进行移动的状态转移概率规则，具体包括：

将若干移动点随机放到所述构建图中，并在所述移动点移动的同时获得相应的信息素；其中，所述信息素τ_ij表示将空闲频谱j分配给次级用户i的期望度；

根据所得到的信息素τ_ij和启发式信息η_ij，获得所述移动点由当前状态s移动到下一状态s+1的状态转移概率规则p_ij(s，s+1)的表达式为：

$p_{\mathrm{ij}}(s,s+1)=\frac{{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}}^{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{ij}}}^{\mathrm{\β}}}{\underset{j\∈N_j}{\mathrm{\Σ}}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}}^{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{ij}}}^{\mathrm{\β}}}$

其中，α表示信息素的影响因子；β表示启发式信息的影响因子；N_j表示移动点可以选择的移动方向的集合。

当所述移动点在构建图上进行遍历的过程中，通过该移动点预设的禁忌表来控制其移动路线；其中，

所述预设的禁忌表包括：在所述移动点完成一次遍历循环之前，不允许该移动点选择已经访问过的节点。

当所述移动点在构建图上进行遍历的过程中，所述方法还包括：

所述移动点在相应链路上移动所得到的信息素总量不断更新增加。

本发明实施例还提供了一种认知无线电网络中的频谱分配装置，包括：

构建图创建单元，用于根据次级用户和空闲频谱数量，创建频谱分配的构建图；

移动点移动单元，用于使移动点在所创建的构建图上进行移动，所述移动点在所述构建图上行走的每一步对应着将空闲频谱分配给次级用户的动作；

状态转移概率规则获取单元，用于根据所述移动点在所述构建图上移动所得到的信息素，获得所述移动点进行移动的状态转移概率规则；其中，所述移动点根据所述状态转移概率规则在所述构建图上移动到下一个状态；

频谱分配方案获取单元，用于当所述移动点在所述构建图上完成一次遍历后，获得表示频谱分配方案的状态转移路径。

所述装置还包括，约束条件设定单元，用于预先设定所创建的构建图需要满足的约束条件。

所述装置还包括，信息素更新单元，用于当所述移动点在相应链路上移动时，不断更新增加所得到的信息素总量。

由上述所提供的技术方案可以看出，首先根据次级用户和空闲频谱数量，创建频谱分配的构建图；然后使移动点在所创建的构建图上进行移动，所述移动点在所述构建图上行走的每一步对应着将空闲频谱分配给次级用户的动作；再根据所述移动点在所述构建图上移动所得到的信息素，获得所述移动点进行移动的状态转移概率规则；其中，所述移动点根据所述状态转移概率规则在所述构建图上移动到下一个状态；当所述移动点在所述构建图上完成一次遍历后，就可以获得表示频谱分配方案的状态转移路径。这样就能够以最小的代价将各个次级用户分配到最匹配的空闲频段上，从而提高了系统的无线频谱利用率。

附图说明

图1为本发明实施例1所提供方法的流程示意图；

图2为本发明实施例1中频谱分配构建的示意图；

图3为本发明实施例2所提供装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种认知无线电网络中的频谱分配方法及装置。将认知无线电网络中空闲频谱的分配问题构建为基于智能蚁群(移动点)的自适应任务分配模型，在该模型中，认知用户间无需进行任何协作，仅仅凭借移动过程中所获得的信息素和信息素的更新就可以确定最终的频谱分配方案，从而避免了因用户协作导致的冗余开销。

上述所提到的智能蚁群是运用生物群体行为的力量来解决各种生态问题，例如在蚂蚁的群体中，单只蚂蚁的智能不高，但通过感知周围环境信息(信息素)来发现可预见的任务；组成蚁群的每个个体却能表现出复杂的群体智能行为，并最终完成任务，这一现象就被称为分工合作。与此类似，在认知无线电网络中，次级用户同样也具备从当前的无线信道环境中捕捉和感知信息的能力，这样通过本发明实施例所述的基于智能蚁群的新型频谱分配算法，就可以为认知无线电网络中的次级用户提供最优的频谱分配方案，以最小的代价将各个次级用户分配到最匹配的空闲频段上，从而提高了系统的无线频谱利用率。

实施例1：为更好的描述本发明的实施例，现结合附图对本发明的具体实施例进行说明，如图1所示为本发明实施例1所提供方法的流程示意图，所述方法包括：

步骤11：根据次级用户和空闲频谱数量，创建频谱分配的构建图。

在本步骤11中，首先根据次级用户和空闲频谱的集合，以及所有频谱分配方案的集合所构成的链路，来创建频谱分配的构建图。具体可以将所有次级用户和空闲频谱构成点的集合，并连接任意两点的链路构成边的集合，由这些点和线的集合创建频谱分配的构建图。

举例来说，在具体实现过程中，所创建的构建图可以用G_c＝(C，L)来表示，其中C表示次级用户i和空闲频谱j的集合，即C＝I∪J；而L表示所有可能的频谱分配方案(i，j)的集合所构成的链路；由上述点和线的集合就可以创建频谱分配的构建图；在本实施例1中，该构建图是完全连接的。

另外，在创建了构建图之后，该构建图还可以根据使用需要预先设定约束条件，具体来说，若需要满足代价最小的频谱分配方案，则相应的约束条件为：

$\min f\left(y\right)=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ij}}{y}_{\mathrm{ij}}$

上式中，f(y)表示可行频谱分配方案的总代价函数；c_ij表示将空闲频谱j分配给次级用户i的代价；y_ij表示空闲频谱j能否分配给次级用户i的表征参数。

其中，y_ij∈{0，1}，(i＝1，...，n，j＝1，...，m)，具体来说，当空闲频谱j分配给次级用户i时，y_ij的值为1；否则，y_ij的值为0。

另外，该预先设定的约束条件还可以包括：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ij}}{y}_{\mathrm{ij}}\≤a_j,(j=1,...,m);$

和 $\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{ij}}=1,(i=1,...,n)$

上述约束条件中，r_ij表示次级用户的频谱需求数；a_j表示每段空闲频谱j所能提供的最大频带宽度。该约束条件表示每个次级用户仅能分配一段频谱，而不能多个次级用户共享一段频谱；且每个次级用户的频谱需求不能超过空闲频段的最大频带。

步骤12：使移动点在所创建的构建图上进行移动。

在本步骤12中，使移动点在所创建的构建图上进行移动。其中，该移动点在所述构建图上行走的每一步对应着将空闲频谱分配给次级用户的动作。

步骤13：根据移动所得到的信息素，获得所述移动点进行移动的状态转移概率规则。

在本步骤13中，根据移动点在所述构建图上移动所得到的信息素，可以获得所述移动点进行移动的状态转移概率规则；其中，所述移动点根据所述状态转移概率规则在所述构建图上移动到下一个状态。

如图2所示为本发明实施例1中频谱分配构建的示意图，图中：移动点从当前状态移动到下一个状态，图中的S表示移动点的状态，m表示空闲频谱的个数，n表示次级用户的个数；当移动节点从状态0移动到状态m×n时，就会形成m×n条折线的移动路径。

上述状态转移概率规则的获得方法可以通过如下方式来获得，具体来说，将若干移动点随机放到所述构建图中，并在所述移动点移动的同时获得相应的信息素。

其中，所述信息素τ_ij表示将空闲频谱j分配给次级用户i的期望度。在具体实现过程中，该信息素τ_ij计算式为：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}=\frac{a_j}{a_j+r_{\mathrm{ij}}}$

根据上述公式，如果a_j＞＞r_ij，那么空闲频谱j分配给次级用户i的期望度为1；如果a_j＜＜r_ij，那么空闲频谱j分配给次级用户i的期望度为0。

然后，根据所得到的信息素τ_ij和启发式信息η_ij，就可以获得所述移动点由当前状态s移动到下一状态s+1的状态转移概率规则p_ij(s，s+1)：

$p_{\mathrm{ij}}(s,s+1)=\frac{{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}}^{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{ij}}}^{\mathrm{\β}}}{\underset{j\∈N_j}{\mathrm{\Σ}}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}}^{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{ij}}}^{\mathrm{\β}}}$

上式中，α表示信息素的影响因子；β表示启发式信息的影响因子；N_j表示移动点可以选择的移动方向的集合。

另外，当所述移动点在构建图上进行遍历的过程中，所述移动点在相应链路上移动所得到的信息素总量会不断更新增加。

举例来说，当移动点在构建图中移动时，会在其相应的链路上留下信息素，因而当前链路的信息素总量就会不断增加，在具体实现过程中，链路上信息素总量的计算式可以为：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}\←{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}+\underset{1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}},\∀(i,j)\∈L$

上述公式表示信息素τ_ij在移动点移动过程中是不断增加的。

其中，单个移动点在移动过程中所释放的信息素数量Δτ_ij可以定义为如下的模型：

其中，Q表示移动点v经过(i，j)时，在该链路上留下的信息素总量；若不经过(i，j)，则Δτ_ij就为0。

步骤14：当所述移动点在所述构建图上完成一次遍历后，获得表示频谱分配方案的状态转移路径。

在该步骤14中，当移动点在构建图上完成一次遍历后，会形成一个完整的状态转移路径，该状态转移路径就可以用来表示最佳的频谱分配方案，该状态转移路径上每一条转移折线就对应着将空闲频谱分配给次级用户的动作。

另外，当所述移动点在构建图上进行遍历的过程中，还可以通过该移动点预设的禁忌表来控制其移动路线。在具体实现过程中，该预设的禁忌表可以设定成在所述移动点完成一次遍历循环之前，不允许该移动点选择已经访问过的节点。

通过以上技术方案的实施，就可以最小的代价将各个次级用户分配到最匹配的空闲频段上，从而提高了系统的无线频谱利用率。

实施例2：本发明实施例2提供了一种认知无线电网络中的频谱分配装置，如图3所示为本实施例2所提供装置的结构示意图，所述装置包括构建图创建单元、移动点移动单元、状态转移概率规则获取单元和频谱分配方案获取单元，其中：

所述构建图创建单元用于根据次级用户和空闲频谱数量，创建频谱分配的构建图。具体创建的过程如上方法实施例1中所述。

所述移动点移动单元用于使移动点在所创建的构建图上进行移动，所述移动点在所述构建图上行走的每一步对应着将空闲频谱分配给次级用户的动作。

所述状态转移概率规则获取单元用于根据所述移动点在所述构建图上移动所得到的信息素，获得所述移动点进行移动的状态转移概率规则；其中，所述移动点根据所述状态转移概率规则在所述构建图上移动到下一个状态。具体获取的方法见以上方法实施例1中所述。

所述频谱分配方案获取单元用于当所述移动点在所述构建图上完成一次遍历后，获得表示频谱分配方案的状态转移路径。具体获取的方法如以上方法实施例1中所述。

另外，以上所述装置还可包括约束条件设定单元，该约束条件设定单元用于预先设定所创建的构建图需要满足的约束条件。

以上所述装置还可包括信息素更新单元，该信息素更新单元用于当所述移动点在相应链路上移动时，不断更新增加所得到的信息素总量。具体进行更新的过程见以上方法实施例1中所述。

以上所述装置可以集成设置于认知无线电系统中。

值得注意的是，上述装置实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，相应的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

综上所述，本发明实施例能够以最小的代价将各个次级用户分配到最匹配的空闲频段上，从而提高了系统的无线频谱利用率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1、一种认知无线电网络中的频谱分配方法，其特征在于，包括：

根据次级用户和空闲频谱数量，创建频谱分配的构建图；

使移动点在所创建的构建图上进行移动，所述移动点在所述构建图上行走的每一步对应着将空闲频谱分配给次级用户的动作；

根据所述移动点在所述构建图上移动所得到的信息素，获得所述移动点进行移动的状态转移概率规则；其中，所述移动点根据所述状态转移概率规则在所述构建图上移动到下一个状态；

当所述移动点在所述构建图上完成一次遍历后，获得表示频谱分配方案的状态转移路径。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据次级用户和空闲频谱数量，创建频谱分配的构建图，具体包括：

将所有次级用户和空闲频谱构成点的集合，并连接任意两点的链路构成边的集合，由所述点的集合和边的集合来创建频谱分配的构建图。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述创建频谱分配的构建图之后，所述方法还包括：

所创建的构建图满足预先设定的约束条件；

其中，所述预先设定的约束条件，具体包括：

满足代价最小的频谱分配方案条件： $\min f\left(y\right)=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ij}}{y}_{\mathrm{ij}},$ 其中，f(y)表示可行频谱分配方案的总代价函数；c_ij表示将空闲频谱j分配给次级用户i的代价；y_ij表示空闲频谱j能否分配给次级用户i的表征参数；

其中，y_ij∈{0，1}，(i＝1，...，n，j＝1，...，m)，当空闲频谱j分配给次级用户i时，y_ij的值为1；否则，y_ij的值为0。

4、如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述预先设定的约束条件，还包括：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ij}}{y}_{\mathrm{ij}}\≤a_j,\left(\text{j=1,...,m}\right)$ 和 $\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{ij}}=1,(i=1,...,n)$

其中，r_ij表示次级用户的频谱需求数；a_j表示每段空闲频谱j所能提供的最大频带宽度；

上述约束条件表示每个次级用户仅能分配一段频谱，而不能多个次级用户共享一段频谱；且每个次级用户的频谱需求不能超过空闲频段的最大频带。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述移动点在所述构建图上移动所得到的信息素，获得所述移动点进行移动的状态转移概率规则，具体包括：

将若干移动点随机放到所述构建图中，并在所述移动点移动的同时获得相应的信息素；其中，所述信息素τ_ij表示将空闲频谱j分配给次级用户i的期望度；

根据所得到的信息素τ_ij和启发式信息η_ij，获得所述移动点由当前状态s移动到下一状态s+1的状态转移概率规则p_ij(s，s+1)的表达式为：

$p_{\mathrm{ij}}(s,s+1)=\frac{{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}}^{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{ij}}}^{\mathrm{\β}}}{\underset{j\∈N_j}{\mathrm{\Σ}}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}}^{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{ij}}}^{\mathrm{\β}}}$

其中，α表示信息素的影响因子；β表示启发式信息的影响因子；N_j表示移动点可以选择的移动方向的集合。

6、如权利要求1-5其中之一所述的方法，其特征在于，当所述移动点在构建图上进行遍历的过程中，通过该移动点预设的禁忌表来控制其移动路线；其中，

所述预设的禁忌表包括：在所述移动点完成一次遍历循环之前，不允许该移动点选择已经访问过的节点。

7、如权利要求1-5其中之一所述的方法，其特征在于，当所述移动点在构建图上进行遍历的过程中，所述方法还包括：

所述移动点在相应链路上移动所得到的信息素总量不断更新增加。

8、一种认知无线电网络中的频谱分配装置，其特征在于，包括：

构建图创建单元，用于根据次级用户和空闲频谱数量，创建频谱分配的构建图；

移动点移动单元，用于使移动点在所创建的构建图上进行移动，所述移动点在所述构建图上行走的每一步对应着将空闲频谱分配给次级用户的动作；

状态转移概率规则获取单元，用于根据所述移动点在所述构建图上移动所得到的信息素，获得所述移动点进行移动的状态转移概率规则；其中，所述移动点根据所述状态转移概率规则在所述构建图上移动到下一个状态；

频谱分配方案获取单元，用于当所述移动点在所述构建图上完成一次遍历后，获得表示频谱分配方案的状态转移路径。

9、如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括，

约束条件设定单元，用于预先设定所创建的构建图需要满足的约束条件。

10、如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括，

信息素更新单元，用于当所述移动点在相应链路上移动时，不断更新增加所得到的信息素总量。

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