CN102368854A - 一种基于反馈控制信息的认知无线电网络频谱共享方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于反馈控制信息的认知无线电网络频谱共享方法：初始化认知无线电网络中的通信传输参数，根据授权用户的中断概率限制近似等效得到不同认知用户的中断概率约束条件，并初始化各认知用户功率。观测授权用户在时间t内发生中断的次数n，更新估计的观测中断概率，更新调整因子，计算改进的功率分配策略，检测循环终止条件是否满足，不满足返回上述步骤，满足则终止。本发明利用最优化理论与授权用户的反馈控制信息建立认知无线电网络的频谱共享模型，保证授权用户通信的中断概率低于设定水平，便于认知用户通过授权用户反馈控制信息的观测，迭代求解自身功率分配策略。

Description

一种基于反馈控制信息的认知无线电网络频谱共享方法

技术领域

本发明涉及的是认知无线电网络频谱共享技术领域。

背景技术

认知无线电技术作为一种解决现有频谱资源紧缺，提高频谱利用率的技术成为近年来通信领域的研究热点。认知无线电的概念最初由J.Mitola于1999年提出，突出学习与推理能力及人工智能技术在认知无线电系统的应用，使无线终端能够感知无线环境的变化，并通过学习自适应地调整自身的通信参数以适应无线环境的变化。由于认知无线电系统灵活的调整能力，被引入到空闲授权频谱资源的“二次利用”问题中，允许认知用户在不影响授权用户通信质量的条件下接入空闲频谱资源，满足认知用户的通信需求并为授权用户带来一定经济收益。认知无线电网络的频谱共享方式主要可分为机会式频谱共享与覆盖式频谱共享。在机会式频谱共享方式中，认知用户通过授权频谱资源的感知寻找空闲的频谱资源，利用处于空闲状态的授权频谱资源完成自身通信目标。在覆盖式的频谱共享方式中，认知用户与授权用户占用相同的频谱资源，认知用户需要控制其传输功率，以避免对授权用户造成有害干扰。覆盖式的频谱共享方式由于其对授权用户通信质量的有效保护被广泛讨论，但现有的频谱共享模型多集中于授权用户状态的检测及认知用户的功率分配问题上。由于缺少认知用户与授权用户间信息的交互及无线通信环境中的噪声影响，认知用户的信息传输易影响授权用户的通信质量。因此，基于反馈控制信息的认知无线电网络的频谱共享可以更好地确保授权用户的通信质量。反馈控制信息的应用也体现在现阶段广泛采用的通信系统中，如CDMA的反馈功率控制，WiFi中的ACK/NCK反馈等。反馈控制信息作为有效衡量认知用户信息传输对授权用户通信质量影响的重要标志在认知无线电网络频谱共享中应用具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供能够更好地保证授权用户的通信质量的一种基于反馈控制信息的认知无线电网络频谱共享方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于反馈控制信息的认知无线电网络频谱共享方法，其特征是：

(1)初始化认知无线电网络中的通信传输参数，根据授权用户的中断概率限制近似等效得到不同认知用户的中断概率约束条件，并初始化各认知用户发射功率为授权用户接收机处环境噪声水平：

设授权用户发射机的传输功率为P₀，授权用户接收机处的噪声功率为N₀，授权用户可承受的最小信干比为γ^th，授权用户可承受的中断概率η，在无认知用户共享授权频谱资源时，授权用户的初始中断概率η₀，认知用户的最大传输功率为P^max，当授权用户接收机信干比小于可承受信干比η时授权用户通信可能发生中断，设参与频谱共享的认知用户数为M，认知用户发射机到授权用户接收机的有效路径损耗为h_i(i＝1，2，...，M)可以被授权用户接收机准确估计，授权用户发射机到授权用户接收机间的随机噪声G₀及各认知用户发射机到授权用户接收机间的噪声G_i服从独立的零均值单位方差的指数分布，认知用户接收机处的环境噪声为N_i，认知用户的发射功率为P_i，

为各认知用户的功率分配策略的集合，若认知用户的通信目标为确定合理的功率分配策略最大化系统传输速率且满足不对授权用户造成有害影响的约束条件，则认知无线电网络频谱共享模型及授权用户中断概率约束条件可被化简为：

式中s.t.代表须满足的约束条件，

利用松弛优化方法可将认知无线电网络的授权用户中断概率约束条件近似等效为各认知用户的中断概率，可得改进的认知无线电网络的频谱共享模型：

式中取

为等效的各认知用户中断概率约束条件，

迭代求解认知用户功率分配策略过程中，各认知用户的初始化功率分配策略为环境噪声的水平N₀，各认知用户初始的功率迭代调整因子

其中

(2)根据授权用户的反馈控制信息，观测授权用户在时间t内发生中断的次数n；

(3)根据累计观测的授权用户反馈控制信息更新估计的观测中断概率η^observe：

式中t为已观测的时隙个数，T为设定观测时隙的长度；

(4)根据认知用户自身功率与其对应的中断概率约束条件，及授权用户可承受的中断概率η₀与观测中断概率η^observe更新调整因子：

式中

为第k个时隙认知用户i的调整因子，α及σ分别为两部分调整因子的迭代步长；

(5)计算改进的功率分配策略：

根据等效的各认知用户的中断概率约束条件，建立改进的认知无线电网络的频谱共享模型的拉格朗日函数L_i(P_i，λ_i)：

根据L_i(P_i，λ_i)及其导数可求解得到认知用户的功率分配策略，得到其中第k+1时刻的功率分配策略

考虑到认知用户的功率分配策略须满足条件0}P_i}P^max，故这里取认知用户的功率分配策略

(6)检测认知用户对授权用户的观测时隙是否大于设定的最大时隙判断循环是否中止，如果不满足则返回步骤(2)，如果满足则终止。

本发明的优势在于：本发明利用最优化理论与授权用户的反馈控制信息建立认知无线电网络的频谱共享模型，保证授权用户通信的中断概率低于设定水平。同时，利用松弛优化方法将系统的中断概率约束近似等效为不同认知用户的中断概率约束条件，便于认知用户通过授权用户反馈控制信息的观测，迭代求解自身功率分配策略。本发明可被推广应用到其他授权用户通信衡量约束条件的问题中，能够更好地保证授权用户的通信质量。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为改进频谱共享方法的授权用户中断概率性能；

图3为不同认知用户数条件下授权用户的平均中断概率；

图4为不同认知用户数条件下迭代求解时授权用户中断概率方差；

图5为不同认知用户数条件下认知用户的传输速率。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～5，本发明分为以下步骤：

本发明的目的是这样实现的：

(1.1)初始化认知无线电网络中的通信传输参数，根据授权用户的中断概率限制近似等效得到不同认知用户的中断概率约束条件，并初始化各认知用户功率。

(1.2)根据授权用户的反馈控制信息，观测授权用户在时间t内发生中断的次数n。

(1.3)根据累计观测的授权用户反馈控制信息更新估计的观测中断概率。

(1.4)根据认知用户自身功率与其对应的中断概率约束条件，及授权用户可承受的中断概率与观测中断概率更新调整因子。

(1.5)计算改进的功率分配策略。

(1.6)检测循环终止条件是否满足，不满足返回步骤(1.2)。

具体为：

(1)初始化认知无线电网络中的通信传输参数，根据授权用户的中断概率限制近似等效得到不同认知用户的中断概率约束条件，并初始化各认知用户发射功率为授权用户接收机处环境噪声水平。

设授权用户发射机的传输功率P₀＝33dB，授权用户接收机处的噪声功率N₀＝-100dB，授权用户可承受的最小信干比为γ^th＝6。设授权用户可承受的中断概率η＝0.1，在无认知用户共享授权频谱资源时，授权用户的初始中断概率η₀＝0.01，认知用户的最大传输功率p^max＝30dBm。当授权用户接收机信干比小于可承受信干比η时授权用户通信可能发生中断。设参与频谱共享的认知用户数为M，认知用户发射机到授权用户接收机的有效路径损耗为h_i(i＝1，2，...，M)可以被授权用户接收机准确估计，授权用户发射机到授权用户接收机间的随机噪声G₀及各认知用户发射机到授权用户接收机间的噪声G_i服从独立的零均值单位方差的指数分布，认知用户接收机处的环境噪声为N_i，认知用户的发射功率为P_i，

为各认知用户的功率分配策略的集合。若认知用户的通信目标为确定合理的功率分配策略最大化系统传输速率且满足不对授权用户造成有害影响的约束条件，则认知无线电网络频谱共享模型及授权用户中断概率约束条件可被化简为

式中s.t.代表须满足的约束条件，

利用松弛优化方法可将认知无线电网络的授权用户中断概率约束条件近似等效为各认知用户的中断概率，可得改进的认知无线电网络的频谱共享模型

(2)

式中取

为等效的各认知用户中断概率约束条件。

迭代求解认知用户功率分配策略过程中，各认知用户的初始化功率分配策略为环境噪声的水平N₀，各认知用户初始的功率迭代调整因子

其中

(2)根据授权用户的反馈控制信息，观测授权用户在时间t内发生中断的次数n。

授权用户允许认知用户在不影响其通信质量的条件下接入授权频谱资源，授权用户在其反馈控制信道传输1-bit的控制信息用于描述认知用户的信息传输对其通信质量的影响。本发明采用授权用户通信中断概率描述授权用户的通信质量，当认知用户的信息传输影响授权用户通信时，授权用户接收机在其反馈控制信道传输比特“1”；当认知用户的信息影响不影响授权用户的通信质量时，授权用户在其反馈控制信道传输比特“0”。设授权用户按时隙传输反馈控制信息，t为认知用户观测授权用户反馈控制信息总时隙长度，n为授权用户发生中断的次数，即t个时隙内反馈控制信息为比特“1”的次数。

(3)根据累计观测的授权用户反馈控制信息更新估计的观测中断概率η^observe

式中t为已观测的时隙个数，T为设定观测时隙的长度。为了避免观测中断概率为0的情况对后续计算的影响，定义未观测到授权用户反馈信息中断时的概率为很小的值，本发明中取1/T。

(4)根据认知用户自身功率与其对应的中断概率约束条件，及授权用户可承受的中断概率η₀与观测中断概率η^observe更新调整因子。

本发明中调整因子的更新被划分为两部分，其中一部分为授权用户的中断概率是否满足约束条件，另一部分为各认知用户的功率分配策略是否满足等效的各认知用户的中断概率约束条件。

式中

为第k个时隙认知用户i的调整因子，α及σ分别为两部分调整因子的迭代步长，本发明中取α＝2，σ＝10。

(5)计算改进的功率分配策略。

根据等效的各认知用户的中断概率约束条件，可建立式(2)的拉格朗日函数L_i(P_i，λ_i)

根据拉格朗日L_i(P_i，λ_i)及其导数可求解得到认知用户的功率分配策略，可得其中第k+1时刻的功率分配策略

考虑到认知用户的功率分配策略须满足条件0}P_i}p^max，故这里取认知用户的功率分配策略

(6)检测循环终止条件是否满足，不满足返回步骤2。

本发明选取认知用户对授权用户的观测时隙是否大于设定的最大时隙判断循环是否中止，如果不满足返回步骤2，直到循环中止。附图2至附图5均为采用本发明中的频谱共享方法性能的衡量，及与传统频谱共享方法的性能的比较。

图2为基于授权用户反馈控制信息的改进频谱共享方法与传统频谱共享方法中授权用户中断概率的仿真分析，其中认知用户数M＝3，认知用户发射机到授权用户接收机的有效路径损耗b＝[0.3568 0.0197 0.4432]×10^-3。由图2可知改进的频谱共享方法与传统频谱共享方法均可以迭代求解满足授权用户中断概率约束条件的功率分配策略，与传统的频谱共享方法相比，改进的频谱共享方法具有更好的收敛特性。

图3为不同认知用户数时，在准确的信道估计信息及有误差的信道估计信息条件下基于授权用户反馈控制信息的改进频谱共享方法与传统频谱共享方法中授权用户平均中断概率的仿真分析。从图3可知，改进的频谱共享方法可以获得更准确的授权用户中断概率约束。

图4为不同认知用户数时，在准确的信道估计信息及有误差的信道估计信息条件下基于授权用户反馈控制信息的改进频谱共享方法与传统频谱共享方法中授权用户中断概率波动程序仿真分析。从图4可知改进的频谱共享方法在不同条件下相对于传统方法具有更小的授权用户中断概率变化特性。

图5为上述不同条件下认知用户传输速率的仿真分析。从图5可知，改进的频谱共享方法可获得与传统方法相近的传输速率。

在覆盖式共享方案的认知无线电网络中，不影响授权用户通信质量的功率分配策略是认知无线电网络频谱共享技术的重点。本发明所提出的认知无线电网络频谱共享方法可在不减少认知用户传输速率的条件下改善对授权用户通信质量的影响。

Claims (1)

1.一种基于反馈控制信息的认知无线电网络频谱共享方法，其特征是：

(1)初始化认知无线电网络中的通信传输参数，根据授权用户的中断概率限制近似等效得到不同认知用户的中断概率约束条件，并初始化各认知用户发射功率为授权用户接收机处环境噪声水平：

设授权用户发射机的传输功率为P₀，授权用户接收机处的噪声功率为N₀，授权用户可承受的最小信干比为γ^th，授权用户可承受的中断概率η，在无认知用户共享授权频谱资源时，授权用户的初始中断概率η₀，认知用户的最大传输功率为P^max，当授权用户接收机信干比小于可承受信干比η时授权用户通信可能发生中断，设参与频谱共享的认知用户数为M，认知用户发射机到授权用户接收机的有效路径损耗为h_i(i＝1，2，...，M)可以被授权用户接收机准确估计，授权用户发射机到授权用户接收机间的随机噪声G₀及各认知用户发射机到授权用户接收机间的噪声G_i服从独立的零均值单位方差的指数分布，认知用户接收机处的环境噪声为N_i，认知用户的发射功率为P_i，P＝[P₁，P₂，·P_M]为各认知用户的功率分配策略的集合，若认知用户的通信目标为确定合理的功率分配策略最大化系统传输速率且满足不对授权用户造成有害影响的约束条件，则认知无线电网络频谱共享模型及授权用户中断概率约束条件可被化简为：

$\underset{P}{\max }\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\log (1+\frac{h_i{P}_i}{N_i})$

$s.t.\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Pi;}}}(1+b_i{P}_i)<\mathrm{\&mu;},$

0≤P≤P^max

式中s.t.代表须满足的约束条件，b_i＝G_iγ^th/P₀G₀，μ＝(1-η₀)/(1-η)，

利用松弛优化方法可将认知无线电网络的授权用户中断概率约束条件近似等效为各认知用户的中断概率，可得改进的认知无线电网络的频谱共享模型：

$\underset{P}{\max }\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\log (1+\frac{h_i{P}_i}{N_i})$

s.t.1+b_iP_i＜μ_i，

$\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&mu;}}_i\&le;\mathrm{\&mu;}$

0≤P≤P^max

式中取为等效的各认知用户中断概率约束条件，

迭代求解认知用户功率分配策略过程中，各认知用户的初始化功率分配策略为环境噪声的水平N₀，各认知用户初始的功率迭代调整因子

其中b＝[b₁，b₂，·b_M]；

(2)根据授权用户的反馈控制信息，观测授权用户在时间t内发生中断的次数n；

(3)根据累计观测的授权用户反馈控制信息更新估计的观测中断概率η^observe：

${\mathrm{\&eta;}}^{\mathrm{observe}}=\left\{\begin{array}{cc}1/T& \mathrm{ifn}=0\\ n/t& \mathrm{else}\end{array}\right.,$

式中t为已观测的时隙个数，T为设定观测时隙的长度；

(4)根据认知用户自身功率与其对应的中断概率约束条件，及授权用户可承受的中断概率η₀与观测中断概率η^observe更新调整因子：

${\mathrm{\&lambda;}}_i^{k+1}={\mathrm{\&lambda;}}_i^k+\mathrm{\&alpha;}(\log \left({\mathrm{\&eta;}}^{\mathrm{observe}}\right)-\log \mathrm{\&eta;})+\mathrm{\&sigma;}(\log (1+b_i{P}_i)-\log {\mathrm{\&eta;}}_i)$

式中

为第k个时隙认知用户i的调整因子，α及σ分别为两部分调整因子的迭代步长；

(5)计算改进的功率分配策略：

根据等效的各认知用户的中断概率约束条件，建立改进的认知无线电网络的频谱共享模型的拉格朗日函数L_i(P_i，λ_i)：

$L_i(P_i,{\mathrm{\&lambda;}}_i)=\log (1+\frac{h_i{P}_i}{N_0+P_0{G}_i})-{\mathrm{\&lambda;}}_i(\log (1+b_i{P}_i)-{\log \mathrm{\&mu;}}_i)$

$s.t.\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&mu;}}_i\&le;\mathrm{\&mu;}$

0≤P≤P^max

根据L_i(P_i，λ_i)及其导数可求解得到认知用户的功率分配策略，得到其中第K+1时刻的功率分配策略

$P_i^{k+1}=\frac{h_i-{\mathrm{\&lambda;}}_i^k{b}_i(N_0+P_0{G}_i)}{({\mathrm{\&lambda;}}_i^k-1)h_i{b}_i}$

考虑到认知用户的功率分配策略须满足条件0≤P_i≤P^max，故这里取认知用户的功率分配策略

$P_i^{k+1}=\max (0,\min (P^{\max },\frac{h_i-{\mathrm{\&lambda;}}_i^k{b}_i(N_0+P_0{G}_i)}{({\mathrm{\&lambda;}}_i^k-1)h_i{b}_i}))$

(6)检测认知用户对授权用户的观测时隙是否大于设定的最大时隙判断循环是否中止，如果不满足则返回步骤(2)，如果满足则终止。

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