CN101730214A - 多载波认知无线链路中功率谱轮廓生成及步进式功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多载波认知无线链路中功率谱轮廓生成及步进式功率控制方法。在认知无线网络中待接入的认知用户通过频谱感知获得频谱被使用情况，并计算各个子载波上的功率分配系数，生成发送功率谱轮廓。认知用户接收端根据当前检测到信号的信干噪比和自身门限要求，反馈功率控制信息，发送端根据反馈的功率控制信息逐步调整发送功率。采用本发明的步进式功率控制方法可以在满足主用户干扰约束下，使认知用户有效地机会接入和利用频谱，提高无线频谱利用率。另外采用本发明中提出基于功率谱轮廓特征的功率分配方式，可以在保证主用户干扰受限条件下，提高认知用户接入的信道容量。

Description

多载波认知无线链路中功率谱轮廓生成及步进式功率控制方法

技术领域

本发明涉及智能无线传输技术，尤其涉及一种多载波认知无线链路中功率谱轮廓生成及步进式功率控制方法。

背景技术

无线频谱作为一种有限自然资源被人类开发利用，但由于频谱分配管理的不合理导致可用的宽带连续谱资源日益匮乏。FCC统计结果表明，全球5GHz以下频谱被划分为成许多独立频段，而这些频段的平均使用率不足3％～5％，这意味着有限的频谱资源未被合理充分的开发利用。而认知无线电的提出被认为是解决频谱共享，提高频谱利用率的最有效合理的方法。在认知无线网络中，主用户和认知用户共存，共享无线频谱，主用户为无线频谱的授权用户，按需占用频谱；而认知用户为无线频谱的非授权用户，以机会式接入空闲频谱的方式占用频谱。OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)正交频率复用技术是一种多载波的无线通信技术，OFDM是认知无线电物理层理想的调制方式，OFDM具有频谱利用率高、子载波分配方式灵活，高效快速傅立叶变换的特点。本发明中认知用户采用OFDM调制方式，以子载波为单位进行信道接入和功率分配。

由于在认知无线网络中主用户和认知用户同时共存，必然导致主用户和认知用户间干扰的存在。认知用户必须合理控制、自适应地更新接入功率来抑制对主用户造成的干扰，保证主用户链路的正常通信同时提高认知用户的接入信道容量。因此合理的接入功率分配方式和自适应功率调整策略都是要研究的重点，本发明以主用户干扰门限为约束，通过反馈信息步进式调整认知用户的接入功率。此外本发明提出了一种基于功率谱轮廓特征的功率分配方式，在对主用户干扰较大的近处子载波上分配的较小功率，而在对主用户干扰较小的远处子载波上分配较大功率，相对于按照传统的注水法则的平均功率分配方式，采用本专利中提出的基于功率谱轮廓特征的功率分配方式可以对主用户的干扰受限的条件下获得更大的接入信道容量。

发明内容

本发明的目的是为了解决认知无线网络中，认知用户在对主用户干扰受限约束下，如何合理的通过功率分配和自适应的功率调节手段提高接入信道容量和频谱利用率的问题。提供一种多载波认知无线链路中功率谱轮廓生成及步进式功率控制方法。

多载波认知无线链路中功率谱轮廓生成及步进式功率控制方法包括如下步骤：

1)对于待接入的认知用户进行初始化通过频谱感知获得无线频谱被使用情况和空闲状态，并根据活动频带和接入子载波的位置计算接入频带上功率谱轮廓特征系数{K₁，K₂...K_i...K_N}，其中，K_i为认知用户接入子载波i上的功率分配系数；i为认知用户接入子载波标号，认知用户接入子载波总数目为N；

2)接入认知用户初始化总功率P＝P(0)，P(0)为满足主用户干扰约束的值，然后按功率谱轮廓特征系数分配各个子载波上承载功率，功率分配的计算公式如下：

$P_i=P\frac{K_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i}$

其中，P为接入用户总功率；P_i为接入认知用户子载波i上的分配功率；

3)认知用户接收端检测当前信号的信干噪比γ_k和自身门限γ，如果检测到γ_k≥δγ，δ＞1，δ为功率调整的步长，认知用户接收端检测信号功率大于自身门限γ，反馈功率控制信息″-1″，发送端功率缩小一个步长δ；如果检测到γ_k＜δ^-1γ，认知用户接收端检测信号功率小于自身门限γ，反馈功率控制信息″+1″，发送端功率扩大一个步长δ；如果检测到δ^-1γ≤γ_k＜δγ，认知用户接收端确认用户功率被锁定，则反馈功率控制信息″0″，发送端保持当前功率维持通信链路；信干噪比γ_k定义为信号功率与用户间干扰和噪声干扰之比，信干噪比γ_k的计算公式如下：

${\mathrm{\γ}}_k=\frac{G\·P\left(k\right)}{J+{\mathrm{\σ}}_w^2}$

其中，G为认知用户发送端与接收端之间的信道增益；P(k)为认知用户第k次调整后的发送功率；同时记J为认知用户检测到的用户间干扰功率和；σ_w ²为噪声功率；

4)认知用户发送端根据功率控制反馈信息，按如下过程自适应功率控制，当反馈信息为″-1″时：

P(k)＝δ^-1P(k)

当反馈信息为″+1″时：

P(k+1)＝δP(k)

当反馈信息为″0″时：

P(k+1)＝P(k)

其中，δ为功率调整的步长；P(k)和P(k+1)分别为认知用户第k次和第k+1次功率调整后的功率；

5)重复步骤3)～步骤4)使得认知用户持续更新发送功率，锁定发送功率在门限范围内，直到认知用户断开链路，退出网络。

所述的步骤1)为：

1)认知用户接入之前首先对无线频谱进行侦听和感知，获得无线频谱的被使用情况和各个子载波的空闲状态；

2)接入用户根据建链分配的信道，按如下公式估计各接入子载波功率分量将会对主用户活动频带造成的干扰噪声：

$I_i=T_s\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{d_{i,k}-\frac{B_m}{2}}{\overset{d_{i,k}+\frac{B_m}{2}}{\∫}}{\left(\frac{\sin \left(\mathrm{\πf}{T}_s\right)}{\mathrm{\π}{\mathrm{fT}}_s}\right)}^2\mathrm{df}$

其中，I_i表示认知用户子载波i上单位功率对于主用户造成的干扰；T_s为OFDM符号间隔；m为被使用的无线频带簇标号，m＝1，2...M，假设已被占用的无线频带共有M簇，每一簇的带宽为B_m；d_i，m为认知用户子载波i与被占用的频带簇k之间的距离；

3)根据干扰噪声值计算接入用户在建链各个子载波上的功率分配系数，并计算功率谱轮廓特征序列{K₁，K₂...K_i...K_N}，i为认知用户分配的子载波标号，N为认知用户接入子载波总数目，K_i为认知用户子载波i上功率分配系数，其中K_i计算公式如下：

K_i＝1/I_i

4)采用功率谱轮廓特征序列分配接入功率，直到感知检测到频谱活动状态改变，或者数据链路断开，其中，当主用户活动状态改变或者认知用户需要重新接入时都要重复以上步骤1)～步骤3)，以获得接入功率谱轮廓特征系数。

步骤3)中所述的认知用户接收端的门限γ按如下公式获得：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}=\min \{\frac{I_{\mathrm{th}}\·\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i}{N\·J\·{\mathrm{\δ}}^2},\mathrm{SINR}\}$

其中，I_th为主要户干扰门限要求；N为认知用户接入子载波总数目；δ为认知用户功率调整的步长；J为认知用户接收端在接入子载波上检测到的干扰信号平均功率；SINR为认知用户接收端为了能正确译码要求的接收信号信干噪比门限。

本发明给出了一种认知无线网络中，主用户干扰门限约束下的认知用户基于功率谱轮廓特征的功率分配方式和通过反馈控制信息的步进式功率控制技术。不仅有效的抑制了认知用户的接入带来的对主用户的干扰，提高了频谱的利用率，同时更优化的功率分配方式提高了认知用户的接入信道容量。

附图说明

图1是本发明提出的认知用户接入功率控制流程；

图2是本发明认知用户感知的频谱空闲状态；

图3是根据本发明得到的认知用户接入功率谱轮廓特征；

图4是基于功率谱轮廓的功率分配方式和步进式功率控制示意；

图5是本发明的认知用户自适应步进式功率控制结果；

图6是本发明的功率分配方法和平均功率分配方法所获得信道容量对比。

具体实施方式

下面根据附图以及一个例子对本发明做一个详细的描述。

1.一种多载波认知无线链路中功率谱轮廓生成及步进式功率控制方法，其特征在于包括如下步骤：

1)对于待接入的认知用户进行初始化通过频谱感知获得无线频谱被使用情况和空闲状态，并根据活动频带和接入子载波的位置计算接入频带上功率谱轮廓特征系数{K₁，K₂...K_i...K_N}，其中，K_i为认知用户接入子载波i上的功率分配系数；i为认知用户接入子载波标号，认知用户接入子载波总数目为N；

2)接入认知用户初始化总功率P＝P(0)，P(0)为满足主用户干扰约束的值，然后按功率谱轮廓特征系数分配各个子载波上承载功率，功率分配的计算公式如下：

$P_i=P\frac{K_i}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i}$

其中，P为接入用户总功率；P_i为接入认知用户子载波i上的分配功率；

3)认知用户接收端检测当前信号的信干噪比γ_k和自身门限γ，如果检测到γ_k≥δγ，δ＞1，δ为功率调整的步长，认知用户接收端检测信号功率大于自身门限γ，反馈功率控制信息″-1″，发送端功率缩小一个步长δ；如果检测到γ_k＜δ^-1γ，认知用户接收端检测信号功率小于自身门限γ，反馈功率控制信息″+1″，发送端功率扩大一个步长δ；如果检测到δ^-1γ≤γ_k＜δγ，认知用户接收端确认用户功率被锁定，则反馈功率控制信息″0″，发送端保持当前功率维持通信链路；信干噪比γ_k定义为信号功率与用户间干扰和噪声干扰之比，信干噪比γ_k的计算公式如下：

${\mathrm{\γ}}_k=\frac{G\·P\left(k\right)}{J+{\mathrm{\σ}}_w^2}$

其中，G为认知用户发送端与接收端之间的信道增益；P(k)为认知用户第k次调整后的发送功率；同时记J为认知用户检测到的用户间干扰功率和；σ_w ²为噪声功率；

4)认知用户发送端根据功率控制反馈信息，按如下过程自适应功率控制，

当反馈信息为″-1″时：

P(k)＝δ^-1P(k)

当反馈信息为″+1″时：

P(k+1)＝δP(k)

当反馈信息为″0″时：

P(k+1)＝P(k)

其中，δ为功率调整的步长；P(k)和P(k+1)分别为认知用户第k次和第k+1次功率调整后的功率；

5)重复步骤3)～步骤4)使得认知用户持续更新发送功率，锁定发送功率在门限范围内，直到认知用户断开链路，退出网络。

2.根据权利要求1所述的一种多载波认知无线链路中功率谱轮廓生成及步进式功率控制方法，其特征在于所述的步骤1)为：

1)认知用户接入之前首先对无线频谱进行侦听和感知，获得无线频谱的被使用情况和各个子载波的空闲状态；

2)接入用户根据建链分配的信道，按如下公式估计各接入子载波功率分量将会对主用户活动频带造成的干扰噪声：

$I_i=T_s\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{d_{i,k}-\frac{B_m}{2}}{\overset{d_{i,k}+\frac{B_m}{2}}{\∫}}{\left(\frac{\sin \left(\mathrm{\πf}{T}_s\right)}{\mathrm{\π}{\mathrm{fT}}_s}\right)}^2\mathrm{df}$

其中，I_i表示认知用户子载波i上单位功率对于主用户造成的干扰；T_s为OFDM符号间隔；m为被使用的无线频带簇标号，m＝1，2...M，假设已被占用的无线频带共有M簇，每一簇的带宽为B_m；d_i，m为认知用户子载波i与被占用的频带簇k之间的距离；

3)根据干扰噪声值计算接入用户在建链各个子载波上的功率分配系数，并计算功率谱轮廓特征序列{K₁，K₂...K_i...K_N}，i为认知用户分配的子载波标号，N为认知用户接入子载波总数目，K_i为认知用户子载波i上功率分配系数，其中K_i计算公式如下：

K_i＝1/I_i

4)采用功率谱轮廓特征序列分配接入功率，直到感知检测到频谱活动状态改变，或者数据链路断开，其中，当主用户活动状态改变或者认知用户需要重新接入时都要重复以上步骤1)～步骤3)，以获得接入功率谱轮廓特征系数。

3.根据权利1要求所述的一种多载波认知无线链路中功率谱轮廓生成及步进式功率控制方法，其特征在于步骤3)中所述的认知用户接收端的门限γ按如下公式获得：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}=\min \{\frac{I_{\mathrm{th}}\·\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i}{N\·J\·{\mathrm{\δ}}^2},\mathrm{SINR}\}$

其中，I_th为主要户干扰门限要求；N为认知用户接入子载波总数目；δ为认知用户功率调整的步长；J为认知用户接收端在接入子载波上检测到的干扰信号平均功率；SINR为认知用户接收端为了能正确译码要求的接收信号信干噪比门限。

实施例

1)如图1认知用户接入功率控制流程示意图所示，待接入的认知用户首先通过频谱感知获得主用户的活动情况和无线频谱的空闲状态。假设认知用户采用N_fft＝256点FFT变换，子载波间隔Δf＝0.3125MHz，OFDM符号间隔T_s＝4μs。认知用户感知到的频谱空闲情况如图2所示，感知频谱内存在带宽分别为B1＝2MHz、B2＝5MHz的两段活动频谱，假设认知用户选取两段活动频带之间的空闲频谱如图2所示的N＝16个子载波为接入频带。认知用户按如下公式估计各接入子载波功率分量将会对活动频谱造成的干扰噪声：

$I_i=T_s\{\underset{d_{i,1}-\frac{B_2}{2}}{\overset{d_{i,1}+\frac{B_1}{2}}{\∫}}{\left(\frac{\sin \left(\mathrm{\π}{\mathrm{fT}}_s\right)}{\mathrm{\π}{\mathrm{fT}}_s}\right)}^2\mathrm{df}+\underset{d_{i,2}-\frac{B_2}{2}}{\overset{d_{i,2}+\frac{B_2}{2}}{\∫}}{\left(\frac{\sin \left(\mathrm{\π}{\mathrm{fT}}_s\right)}{\mathrm{\π}{\mathrm{fT}}_s}\right)}^2\mathrm{df}\}$

其中，I_i表示子载波i上单位功率对于主用户造成的干扰；T_s为OFDM符号间隔；两段活动频谱带宽分别为B1、B2；d_i，1，d_i，2分别为子载波i与活动频带Band1，Band2之间的中心距。对于认知用户接入子载波i＝1，2，...N上的干扰噪声{I₁，I₂，...I_i...I_N}＝{0.0700，0.0215，0.0137，0.0097，0.0072，0.0061，0.0058，0.0056，0.0058，0.0062，0.0068，0.0081，0.0109，0.0155，0.0238，0.0728}，根据如下公式：

K_i＝1/I_i

计算得每个子载波上的功率分配系数：

{K₁，K₂...K_i...K_N}＝{14.2927，46.4282，72.7672，103.4870，138.4540，164.1369，172.5410，178.3604，173.7710，161.2918，146.0414，122.7694，91.7980，64.5910，42.0788，13.7448}，如图3所示得到认知用户接入功率谱轮廓特征。

2)接入用户初始化功率P(0)，并按功率谱轮廓特征系数分配各个子载波上承载功率大小，具体功率分配方式按如下公式计算：

$P_i=P\frac{K_i}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i}$

如图4所示认知用户根据功率谱轮廓特征系数进行功率分配，并通过反馈的功率控制信息步进式调整发送功率。假设认知用户对主用户干扰门限I_th＝0.125×10^-6W，认知用户接收端误码率要求信号的信干噪比门限为SINR＝12，接收端检测到干扰信号平均功率J＝1×10^-6W，功率调整步长δ＝1.3，因此认知用户接收端的信号门限γ根据如下公式计算得：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}=\min \{\frac{I_{\mathrm{th}}\·\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i}{N\·J\·{\mathrm{\δ}}^2},\mathrm{SINR}\}=7.89$

3)认知用户接收端检测当前信号信干噪比γ_k和自身门限要求γ。如果检测到γ_k≥δγ(功率调整步长δ为1.3)认知用户接收端检测信号功率过大，反馈功率控制信息″-1″，要求发送端功率缩小一个步长δ；如果检测到γ_k＜δ^-1γ，认知用户接收端检测信号功率过小，反馈功率控制信息″+1″，要求发送端功率扩大一个步长δ；如果检测到δ^-1γ≤γ_k＜δγ，认知用户接收端确认用户功率被锁定，则反馈功率控制信息″0″，要求发送端保持当前功率维持通信链路；

4)认知用户发送端根据功率控制反馈信息，按如下过程自适应功率控制，

当反馈信息为″-1″时：

P(k+1)＝δ^-1P(k)

当反馈信息为″+1″时：

P(k+1)＝δP(k)

当反馈信息为″0″时：

P(k+1)＝P(k)

其中，δ为功率调整的步长；P(k)和P(k+1)分别为认知用户第k次和第k+1次功率调整后的功率大小；

5)重复步骤3)～4)使得认知用户持续更新发送功率，锁定发送功率使得接收机收到的信号信干噪比在门限δ^-1γ≤γ_k＜δγ范围内。直到认知用户断开链路，退出网络。

图5给出了认知用户功率调整的过程，可以看出认知用户在初始功率P(0)接入下通过反馈信号的调节步进式提高发送功率，经过反馈迭代调整，可以明显看到认知用户接收端最终将信号信干噪比锁定在门限6.07≤γ_k＜10.26之内。本发明中所述的步进式功率控制及采用门限控制接收机信干噪比的方法得以体现。

图6给出了认知用户在主用户干扰门限约束下的两种功率分配方式：(i)采用本发明中提出的基于功率谱轮廓特征的功率分配方式；(ii)采用传统注水法则的平均功率分配方式；图6对比中可以看到，在对主用户干扰低于门限要求的约束下，采用本发明提出的基于功率谱轮廓特征的功率分配方式，比传统功率分配方式明显提高了认知用户的接入信道容量。本发明的优势得以体现。

Claims (3)

1.一种多载波认知无线链路中功率谱轮廓生成及步进式功率控制方法，其特征在于包括如下步骤：

1)对于待接入的认知用户进行初始化通过频谱感知获得无线频谱被使用情况和空闲状态，并根据活动频带和接入子载波的位置计算接入频带上功率谱轮廓特征系数{K₁，K₂...K_i...K_N}，其中，K_i为认知用户接入子载波i上的功率分配系数；i为认知用户接入子载波标号，认知用户接入子载波总数目为N；

2)接入认知用户初始化总功率P＝P(0)，P(0)为满足主用户干扰约束的值，然后按功率谱轮廓特征系数分配各个子载波上承载功率，功率分配的计算公式如下：

$P_i=P\frac{K_i}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i}$

其中，P为接入用户总功率；P_i为接入认知用户子载波i上的分配功率；

3)认知用户接收端检测当前信号的信干噪比γ_k和自身门限γ，如果检测到γ_k≥δγ，δ＞1，δ为功率调整的步长，认知用户接收端检测信号功率大于自身门限γ，反馈功率控制信息″-1″，发送端功率缩小一个步长δ；如果检测到γ_k＜δ^-1γ，认知用户接收端检测信号功率小于自身门限γ，反馈功率控制信息″+1″，发送端功率扩大一个步长δ；如果检测到δ^-1γ≤γ_k＜δγ，认知用户接收端确认用户功率被锁定，则反馈功率控制信息″0″，发送端保持当前功率维持通信链路；信干噪比γ_k定义为信号功率与用户间干扰和噪声干扰之比，信干噪比γ_k的计算公式如下：

${\mathrm{\γ}}_k=\frac{G\·P\left(k\right)}{J+{\mathrm{\σ}}_w^2}$

其中，G为认知用户发送端与接收端之间的信道增益；P(k)为认知用户第k次调整后的发送功率；同时记J为认知用户检测到的用户间干扰功率和；σ_w ²为噪声功率；

4)认知用户发送端根据功率控制反馈信息，按如下过程自适应功率控制，当反馈信息为″-1″时：

P(k)＝δ^-1P(k)

当反馈信息为″+1″时：

P(k+1)＝δP(k)

当反馈信息为″0″时：

P(k+1)＝P(k)

其中，δ为功率调整的步长；P(k)和P(k+1)分别为认知用户第k次和第k+1次功率调整后的功率；

5)重复步骤3)～步骤4)使得认知用户持续更新发送功率，锁定发送功率在门限范围内，直到认知用户断开链路，退出网络。

2.根据权利要求1所述的一种多载波认知无线链路中功率谱轮廓生成及步进式功率控制方法，其特征在于所述的步骤1)为：

1)认知用户接入之前首先对无线频谱进行侦听和感知，获得无线频谱的被使用情况和各个子载波的空闲状态；

2)接入用户根据建链分配的信道，按如下公式估计各接入子载波功率分量将会对主用户活动频带造成的干扰噪声：

$I_i=T_s\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{d_{i,k}-\frac{B_m}{2}}{\overset{d_{i,k}+\frac{B_m}{2}}{\∫}}{\left(\frac{\sin \left(\mathrm{\πf}{T}_s\right)}{\mathrm{\πf}{T}_s}\right)}^2\mathrm{df}$

其中，I_i表示认知用户子载波i上单位功率对于主用户造成的干扰；T_s为OFDM符号间隔；m为被使用的无线频带簇标号，m＝1，2...M，假设已被占用的无线频带共有M簇，每一簇的带宽为B_m；d_i，m为认知用户子载波i与被占用的频带簇k之间的距离；

3)根据干扰噪声值计算接入用户在建链各个子载波上的功率分配系数，并计算功率谱轮廓特征序列{K₁，K₂...K_i...K_N}，i为认知用户分配的子载波标号，N为认知用户接入子载波总数目，K_i为认知用户子载波i上功率分配系数，其中K_i计算公式如下：

K_i＝1/I_i

4)采用功率谱轮廓特征序列分配接入功率，直到感知检测到频谱活动状态改变，或者数据链路断开，其中，当主用户活动状态改变或者认知用户需要重新接入时都要重复以上步骤1)～步骤3)，以获得接入功率谱轮廓特征系数。

3.根据权利1要求所述的一种多载波认知无线链路中功率谱轮廓生成及步进式功率控制方法，其特征在于步骤3)中所述的认知用户接收端的门限γ按如下公式获得：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}=\min \{\frac{I_{\mathrm{th}}\·\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i}{N\·\stackrel{\‾}{J}\·{\mathrm{\δ}}^2},\mathrm{SINR}\}$

其中，I_th为主要户干扰门限要求；N为认知用户接入子载波总数目；δ为认知用户功率调整的步长；J为认知用户接收端在接入子载波上检测到的干扰信号平均功率；SINR为认知用户接收端为了能正确译码要求的接收信号信干噪比门限。

Images