CN102438313A - 一种基于认知无线电通信盟的调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于认知无线电通信盟的调度方法，属于认知无线电技术领域。本发明将最大化系统的吞吐量作为通信盟模型的求解目标；通过基于离散随机逼近的通信盟频谱调度算法并联合注水算法共同求解该通信盟模型，并且定义了通信盟盟内和盟间的接入方式和通信协议，规范了入盟、退盟、盟主更新原则，达到通信盟的频谱调度。本发明实现频谱资源的公平高效利用，实现资源分配的帕累托最优，提升认知网络通信性能，最大限度的提高系统吞吐量，并明显地提高频谱利用率。

Description

一种基于认知无线电通信盟的调度方法

技术领域

本发明涉及一种基于认知无线电通信盟的调度方法，属于认知无线电技术领域。

背景技术

随着社会的不断发展和科技的日新月异以及物联网的飞速普及，无线频谱资源却越来越紧张。在这种背景下，认知无线电(Cognitive Radio，CR)技术应运而生，CR技术通过在时间和空间上充分利用空闲的频谱资源，从而可以有效的缓解或解决上述频谱资源紧张的情况。

认知无线电又被称为智能无线电，它以灵活、智能、可重配置为显著特征，通过感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，有目的地实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波频率和调制技术等)，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计变化，从而实现任何时间、任何地点的高可靠通信以及对异构网络环境有限的无线频谱资源进行高效地利用。认知无线电的核心思想就是通过频谱感知(Spectrum Sensing)和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配(DSA：dynamic spectrum allocation)和频谱共享(Spectrum Sharing)。

认知无线电对无线电灵活的频谱池提供一种机制，这种方法能扩展通常应用的可用带宽。认知无线电概念的出现推进了智能无线电技术在个人移动通信领域的发展。

为实现频谱资源的有效利用，需要在主、次用户之间或次用户之间进行可用频谱调度，研究相应的调度算法使得认知用户可以动态的选择可用频段和时槽，提高频谱资源利用率。通过对主用户的频谱感知和时变衰落信道的估计，认知用户可以充分利用这种频谱机会实现频谱机会调度。调度利用时变的信道状况和主用户产生的时频空穴，在给定时间内调度具有最好信道状况的用户或用户子集实现有效的传输，从而实现优化的系统性能并满足各种QoS限制(如公平性、最大速率性能的保证、最小时延等)。尽管机会调度机制在蜂窝网络的框架下已被广泛研究，但由于主用户的时变特性产生了时变的可用频谱，不同于以往的蜂窝网，所以基于认知无线电的频谱机会调度成为新的研究热点。

目前，该领域研究集中在认知无线电中心式可变速率链路调度问题，通过图论模型、线性规划和跨层方法实现了频谱资源的公平有效调度。提出了两种最优化策略：随机化最优频谱调度和确定化最优频谱调度，来解决认知无线Mesh网中的最优化频谱调度问题。通过整数线性规划研究了多跳无线网络中认知无线电MAC层调度问题，通过启发式算法得到最优调度。在认知无线电多跳网络中，通过混合整数非线性规划(MINLP)研究了多跳节点之间的可用频谱调度问题。提出了一种新的次最优化方法解决了MINLP问题，实现了多跳认知无线电网络中频谱资源的最优分配和有效调度。

在分布式环境下，认知用户感知主用户的存在和相应的空闲频谱信道的增益，通过控制信道交换感知、干扰等信息，在每个时槽选择最适合的用户子集和信道进行传输，公平、有效的利用可用频谱资源。

目前一种可行的功率分配方法是将测量到的主用户接收机信号的本地信噪比(SNR，signal to Noise Ratio)近似为认知用户与主用户间的距离，从而相应地调整认知用户的发射功率。此外，Clemens等人提出了一种相对智能的功率分配策略，可将博弈论和遗传算法相结合，即采用两用户重复博弈理论建模，借助遗传算法来搜索策略空间。这些方法可实现在保证主用户不受有害干扰的前提下“贪婪”地增加认知用户的发射功率。

对于既存在合作又存在竞争的多址CR系统，为避免多用户的冲突问题，分布式功率控制的研究更为重要。多址CR系统的发射功率受到给定的干扰温度和可用频谱空洞数量这两种网络资源的限制。到目前为止，一般主要应用信息论和博弈论来解决其功率控制的难题。多用户CR系统的功率控制问题首先可以看作是一个博弈论问题。若不考虑竞争现象，则可看作纯合作博弈，这样该问题就简化为一个最优控制理论问题。但是，这种简化没有考虑到各种影响决策因素之间的互动作用，限制了博弈论的应用范围。因此用博弈论方法研究的功率控制问题最终被归结为一个非合作博弈，目前主流的方法是采用Markov对策进行分析解决。实现功率控制的另一种方法是基于信息论的迭代注水法，分析表明迭代注水法更适用于多用户环境。

离散随机逼近优化(Stochastic Approximation，SA)简称SA算法。随机逼近问题是求解未知函数极值的一类随机优化问题。它不同于传统非线性规划问题的地方在于目标函数的不确定性和未知性，这也是随机逼近问题的难点所在。随机逼近问题的上述特点，使得原有的传统的优化算法对于求解随机逼近问题不再有效。正因如此，新的求解这类问题的算法的设计也就显得尤为必要。我们把求解这类问题的算法统称为随机逼近算法。当一个系统受到的随机干扰不能忽略时，可称它为随机系统，这时系统的输入和输出数据都可能是随机数据。从某些实际用途出发，如估计系统的某些参数，寻求系统的某种优化值或对系统作控制、预报等，都需要从不断得到的输入输出数据构造递推算法。算法的一般形式为：

θ_k+1＝θ_k-γ_kf(θ_k，y_k+1，ε_k+1)

其中，{θ_k}是被算法递推更新的序列，是欲求值的逐次逼近，{y_k}是对系统状态或输入输出数据的在线观察序列，{ε_k}是随机干扰序列，其值不能单独观测。f(·，·，…，·)是上述变量信息的函数。虽然自变量ε_k的值未知，但f(θ_k，y_k+1，ε_k+1)的值可以得到，它为修正下一步的参数估计带来新的信息，所以又称它为算法的动态信息序列，而{μ_k}是算法的增益序列，又称为步长因子。通常{γ_k}满足{γ_k}＞0，∑γ_k＝∞，∑γ_k ²＜∞。只有当欲求的参数有较强的时变特性时才有例外。

随机逼近算法就是满足上式形式的一种具体算法，它在寻找函数极值问题中有非常重要的应用，可以直接利用量测数据，建立逼近算法寻找函数极值。随机逼近算法具有算法结构简单、不需要对系统模型有先验知识和对量测噪声有比较好的处理效果等优点。

设未知函数g(θ)：R^P →R^p，零点为θ^*，即g(θ^*)＝0。若θ_k是在k时刻对θ^*的估计，在θ_k时g(·)的量测值为：

y_k+1＝g(θ_k)+ε_k+1

其中{ε_k}是量测误差序列，它和g(·)都是不可精确观测的，g(·)称为回归函数。如何利用已知的数据序列{θ_k}和{y_k}，来构造一种算法去逼近回归函数的根θ^*，这就是随机逼近问题。在随机系统的估计、预报、控制和优化中，问题常常归结为随机逼近。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对当前固定频谱分配带来的频谱资源紧缺的矛盾，提供一种基于认知无线电通信盟的调度方法，采用离散随机逼近优化算法实现频谱资源的分配，联合注水算法进行了认知次用户的功率分配，同时定义了通信联盟盟内和盟间的接入方式和通信协议。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于认知无线电通信盟的调度方法，包括盟内用户通信调度方法、盟间用户通信调度方法、频谱调度方法、功率分配方法；

I、盟内用户通信调度方法是采用盟内通信协议使欲进行通信的两个盟内认知次用户协商，具体方法包括无中继请求的调度方法、有中继请求的调度方法，其中：

I-A，无中继请求的调度方法步骤如下：

①当接受通信请求的认知次用户所处的信道容量未饱和，则基站为欲进行通信的两个认知次用户分配通信时隙：

当两个认知次用户成功建立通信，则盟主更新通信盟列表并通过广播帧广播；

当两个认知次用户无法建立通信，则执行有中继请求的调度方法；

②当接受通信请求的认知次用户所处的信道容量已饱和，则由盟主向基站申请空闲频点，然后由基站通知盟主为欲进行通信的两个认知次用户在空闲频点分配通信时隙：

当两个认知次用户成功建立通信，则盟主、基站分别更新通信盟列表并通过广播帧广播；

当两个认知次用户无法建立通信，则执行有中继请求的调度方法；

③当接受通信请求的认知次用户不接受通信发起方的通信请求，则判断两个认知次用户通信失败；

I-B，有中继请求的调度方法步骤如下：

i，当有其他认知次用户在广播频段收到欲进行通信的两个认知次用户的广播帧，该用户在广播频点发通告告知所在盟的盟主；当盟主收到多个认知次用户发来的信息，根据中继选择算法选择最优的认知次用户作为中继节点，并通知该中继节点；如果超时没有收到该中继节点的应答信息，告知通信双方无法通信；

ii，当盟主没有收到其他认知次用户在广播频段的响应，则盟主根据自身是否达到通信量门限值确定是否作为通信双方的中继节点：

当结果为是，则选定某一时隙并通知通信双方进行通信；同时将新建立的通信链路加入通信盟列表中，在下一帧广播帧广播；

当结果为否，则告知通信双方无法通信；

II、盟间用户通信调度方法分为采用盟间认知次用户中继的多频带分时隙联盟博弈方法、采用基站中继的多频带分时隙联盟博弈方法，具体如下：

II-A，采用盟间认知次用户中继的多频带分时隙联盟博弈方法，具体如下：

有通信请求的两个认知次用户告知各自所在盟的盟主，然后由各自的盟主通知基站，基站通过中继选择算法获取这两个认知次用户的一个或者多个盟间认知次用户作为盟间中继节点集：

a)当接受通信请求的认知次用户、盟间中继节点所处的信道容量未饱和，则基站为欲进行通信的两个认知次用户分配通信时隙：同时由通信双方各自的盟主分配时隙，更新通信盟列表，并在广播帧告知通信双方及中继节点；

b)当接受通信请求的认知次用户所处的信道容量已饱和，不可以继续接受通信请求，则判定通信双方通信失败；

c)当接受通信请求的认知次用户所处的信道容量饱和，则基站为其在空闲频点分配工作时隙，由盟主更新通信盟列表然后通过广播帧广播；

d)如果中继节点不可以继续接受通信请求，则基站通过查询通信盟管理列表查找中继节点的替代中继节点，更新通信盟列表然后通过广播帧广播；

II-B，采用基站中继的多频带分时隙联盟博弈方法，具体如下：

当基站通过排序所有能作为中继的节点后发现自己作为中继的通信效率最高时，通知通信双方，并通过协商确定与通信双方的通信频点和时隙；

当接受通信请求的认知次用户所处的信道容量未饱和，由盟主为其分配时隙，并更新通信盟列表，同时在广播帧告知通信双方；

当接受通信请求的认知次用户不接受通信请求，则判断通信双方呼叫失败；

当接受通信请求的认知次用户所处的信道容量饱和，则基站为其在空闲频点分配工作时隙，同时更新通信盟列表后通过广播帧广播；

当基站不可以继续接受通信请求，则判断通信双方通信失败；

当通信双方在通信过程中超过规定的门限时间，通信一方没有收到来自另一方发送的数据或者相应的响应，通过尝试重连后仍然失败，则判定通信结束，通过广播频点向基站发送通信结束通知；

III、频谱调度方法是根据离散随机逼近优化算法进行，具体过程如下：

a，初始化：设

随机选择传输模式I^(m)并初始化设定概率向量P，根据随机逼近算法，定义初始随机选择的频谱的概率为1，在数值上反应为：

即：若(X，Y)为I^(m)中元素为1的坐标集合，表达式为(X，Y)＝I^-1(m)(1)；然后对集合(X，Y)在P矩阵的相对应的位置置1，即P[(X，Y)]＝1；

b，采样和赋值：给定I^(m)，计算对应的φ(m，I^(m))，均匀的选择另一个候选的计算对应的

c，接受：如果

则设定

否则设定

d，采用自适应滤波器用于更新动态信息序列：

通过p(m+1)＝p(m)+μ[I(m+1)-p(m)]，0＜μ＜1更新状态占用概率；

e，在当前迭代更新最优解的估计：如果

则设定

否则设定

f，设

返回步骤b，直至n到达给定迭代逼近次数或达到给定运算时间时，算法结束；

IV，功率分配步骤是采用注水算法进行，具体步骤如下：

第一步，采用拉格朗日乘子法求解最大化系统的吞吐量：

第二步，对于任一通信盟，求得其联盟函数为：

其中，

代表盟内通信功率门限值，T代表最终可以被分配的信道的个数，

为相应的信道噪声，|S|代表联盟S的认知次用户个数；

第三步，由盟主控制，根据第一、第二步的结果对盟内进行功率分配，其中限制条件如下：

其中，P_lj是该盟内认知次用户l使用信道j时的发送功率，

代表该盟所拥有的最大发送功率门限值，P_l代表盟内每个认知次用户的功率，

代表终端所能拥有的最大功率；

第四步，当盟主发现链路信道质量太差，则对该信道不分配功率，予以关闭；并重新调整信号功率分配，直至信道j上的发送能量P_j不出现负值。

进一步的，本发明的一种基于认知无线电通信盟的调度方法，所述中继选择算法如下：

A、将通信发起方接收中继节点的RSSI、通信接受方接收中继节点的RSSI以及中继节点的流量分别加权作为系数：

$W_c=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{RSSI}}_A}+\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{RSSI}}_B}+\mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{R},\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;}=1(\stackrel{\&OverBar;}{R}<R_{\max },\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{RSSI}}_A}>{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{RSSI}}}_{\min },\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{RSSI}}_B}>{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{RSSI}}}_{\min })\\ \begin{array}{cc}0& (\stackrel{\&OverBar;}{R}>R_{\max },\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{RSSI}}_A}<{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{RSSI}}}_{\min },\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{RSSI}}_B}<{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{RSSI}}}_{\min })\end{array}\end{array}\right.$

其中：α，β，γ为加权的权值，R为中继节点的速率，R_max代表中继节点的最大速率，

代表系统接收信号强度指示均值的最小值，

代表代表通信发起方接收中继节点的信号强度检测均值，

代表通信接受方接收中继节点的信号强度检测均值，

代表中继节点的速率均值，当中继节点的流量超过最大值，则置系数W_c为0；

B、判断系数W_c，取在门限范围内系数W_c值最大的认知次用户作为中继节点，如果系数W_c为0，则表明该认知次用户不能作为中继节点。

进一步的，本发明的一种基于认知无线电通信盟的调度方法，还包括入盟方法、退盟方法、盟主更新方法，具体为：

入盟方法：对于包含联盟或者个体用户集合(S₁，S₂，S₃……S_k)的通信盟有欲入盟的用户S_k+1，当满足下列条件时，允许用户S_k+1入盟：

$\left\{\begin{array}{c}\&Exists;S_i\&Subset;S,\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{RSSI}}_i}>{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{RSSI}}}_{\min }\\ \underset{j=1}{\overset{k+1}{\mathrm{\&Sigma;}}}v\left(S_j\right)<v\left(U_{j=1}^{k+1}{S}_j\right)\\ v\left(S_{k+1}\right)<v\left({S^1}_{k+1}\right)\\ v\left(U_{j=1}^k{S}_j\right)<v\left(U_{j=1}^{k+1}{S}_j\right)\end{array}\right.$

其中，

代表欲入盟的用户S_k+1的接收信号强度指示均值，

代表系统接收信号强度指示均值的最小值；

代表原通信盟、欲入盟的用户在不联盟时效益和，

代表欲入盟的用户S_k+1入盟后新通信盟的效益和；v(S_k+1)代表欲入盟的用户S_k+1在入盟前的效益，

代表欲入盟的用户S_k+1入盟后的预期效益；代表原通信盟联盟的效益和；

退盟方法：对于包含联盟或者个体用户集合(S₁，S₂，S₃……S_k)的通信盟有欲退盟的用户S_j，当满足以下条件时，允许用户S_j退出原通信盟：

$\left\{\begin{array}{c}\&Exists;S_j\&Subset;S,\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{RSSI}}_j}<{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{RSSI}}}_{\min }\\ \underset{i=1,i\&NotEqual;j}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}v\left(S_i\right)>v\left(U_{j=1}^k{S}_j\right)\\ v\left({S^1}_j\right)>v\left(S_j\right)\end{array}\right.$

其中，

代表欲退盟的用户S_j的接收信号强度指示均值，

代表系统接收信号强度指示均值的最小值；v(S_j)代表欲退盟的用户S_j的效益，v(S_i)代表欲退盟的用户S_j退出通信盟后通信盟成员的效益，

代表原通信盟联盟的效益和，v(S¹ _j)代表欲退盟的用户S_j退盟后自己的预期效益；

盟主更新方法：系统设定时间段T，每隔T时间，盟内各用户依次顺序收集各个盟成员的RSSI值并计算总和

选择总和最大的认知次用户作为新盟主，并广播通知各个盟内成员。

进一步的，本发明的一种基于认知无线电通信盟的调度方法，还包括通信盟的定时更新通告验证步骤，具体为：

系统开始运行前，由基站与各通信盟盟主协商定时更新机制，所述定时更新机制包括定时更新时间周期、更新内容和更新帧格式；

当定时更新机制协商好后，由各通信盟中的盟主按照定时更新机制定时发送更新报告：

当基站收到通信盟盟主的定时更新报告后，对通信盟列表进行维护；

当某一通信盟盟主在门限时间内没有发送定时更新报告，则由基站撤销该通信盟，同时更新通信盟列表、置更新标志位，并删除基站中该通信盟的用户信息。

本发明采用以上技术方案具有以下技术效果：

本发明设计了节点间的通信盟调度机制，根据效用函数-联盟速率之和最大化、联盟公平性、联盟功率消耗之和最小化等原则，构建并实现认知网络中通信节点间交互的动态模型，提供了通信盟的通信协议、接入方式、功率控制的流程，形成不同用户的行为联盟并有效地分配频谱。本发明使有限频谱得到公平高效的利用，实现资源分配的帕累托最优，提升了认知网络通信性能，最大限度的提高系统吞吐量，并明显地提高频谱利用率。

附图说明

图1是认知网络用户结盟场景拓扑示意图。

图2是本发明通信盟调度的流程图。

图3是认知次用户分别在不联盟、联盟、联盟并采用注水算法三种情况下系统吞吐量随时间的变化图。

图4是采用离散随即逼近算法时，认知次用户分别在不联盟、联盟、联盟并采用注水算法三种情况下系统吞吐量变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

首先如图1所示，在通信结盟的拓扑结构，它是基于RSSI能量值检测的类蜂窝式拓扑结构，它不同于传统的以地理位置范围作为蜂窝大小选择原则的构架，它是将RSSI能量值的大小作为蜂窝大小的主要判断依据。通过满足通信结盟后信噪比和误码率达到相应要求的前提下得到的RSSI值的下限

将

类比成蜂窝小区半径R来确定可以加入该小区的认知次用户，即：在每个类蜂窝小区内指定某认知次用户作为盟主，如果某认知次用户想加入该盟并且传给盟主的RSSI值大于RSSI值的下限

并且波动方差σ²在系统允许的条件下，则盟主允许其入盟；若RSSI值小于RSSI值的下限

则盟主不允许其加入该盟。

其次，本联盟的拓扑结构是以认知次用户结成的盟所在的地理位置上最外围的认知次用户直线相连作为结成的盟的边界，盟的形状不固定也不一定为正六边形。这也是不同于传统的GSM蜂窝网络拓扑结构的地方。在不同的地理区域，基站根据类蜂窝式拓扑结构在认知次用户硬件平台的限定下(如功率限定、系统容量等)以系统最优准则选择组建各个通信盟，盟主协调盟内用户，不同区域依照通信吞吐量安放基站控制各通信盟，基站间的工作方式为互同步，通过以上架构来实现网络全地理覆盖。

如图2所示，本发明的通信盟调度的流程图，具体流程如下：

一、选择合理的盟内、盟间接入方式：

1、盟成员的接入方式：为分布式盟主控制的单频带分时隙方式，其中又分为盟主受通信业务触发机制下的动态时隙分配和各个认知用户通过抢占竞争时隙来实现通信。

盟内所有认知用户均在同一频点的信道上分时通信(TDMA形式)，且由各认知次用户根据各盟主发送的广播监测控制信息协调具体的频点时隙分配问题。在盟内通信的系统中每个帧包含N个时隙用来传输具体信息，称之为信息单元，每帧还有帧头同步单元和帧尾的保护比特单元以实现信息的可靠传输，信息单元具体由多少时隙组成由盟主根据该盟的各个成员对通信量和通信的实时性要求的博弈结果来决定。具体的博弈过程由盟主和各盟成员协商完成。

一旦通过感知盟检测到有主用户(假设占用频点f1)到达则基站通过广播帧通知所有盟的所有认知用户离开频点f1，然后基站通过查询各盟盟主传送来的盟成员信息矩阵(包括：盟成员ID号、状态、通信频点时隙、通信速率等)获取认知用户的通信信息，再运用随机逼近频谱调度算法为正在通信的认知用户分配新频点，并通过ID号定点广播的形式通知通信中的认知次用户使其在重新分配的频点上继续进行通信(如某用户从f2频点切换到f3频点通信)，具体的时隙分配依然由各盟盟主分配。

盟内采用这种机制的好处在于设备的硬件复杂度较低，所有认知用户的软硬件设备均可以用同一设备来实现，通过盟主对认知用户的协调和信令信道的中转来实现切换。基站端以广播的形式通知各个盟主以及所有的盟成员信令信息和频点切换信息等，盟主具体分配每个盟内成员使用本盟使用频点的哪个时隙(由博弈结果决定)。各盟成员不和基站直接沟通而由各盟成员和各盟盟主通信，各盟盟主再通知基站的方式。这种方式的好处在于避免多认知用户在同一广播频点上与基站端进行通信产生的同频干扰，由于盟内各认知次用户的距离相对较近，所以如果同时在广播频点上通信则同频干扰将非常严重。

具体的时隙分配可分两种形式：

(1).盟主受通信业务触发机制下的动态时隙分配

众所周知，不同的通信业务对通信速率的要求是不一样的。这里选定比较有特点的三类通信业务：FTP文件传输、语音信息传输和短消息传输，按照系统要求，分别假设它们传输所需要的速率为：FTP文件传输v₁，语音信息传输v₂，短消息传输v₃。假设由若干时隙组成的每一帧的持续时间为T，需要FTP文件传输的认知用户对为n₁，语音信息传输为n₂，短信信息传输为n₃。若每对用户在每一帧中都分得时隙，则每对认知用户分配到的时间长度为：

$t_1=\frac{v_1}{n_1\&CenterDot;v_1+n_2\&CenterDot;v_2+n_3\&CenterDot;v_3}\&CenterDot;T$

(假设该对用户正在传输FTP文件)

(2).各个认知用户通过抢占竞争时隙来实现通信

这种方式具体的实现方法源自WiFi系统，当其中一对用户在某个时隙内通信完毕，下一时刻利用退避机制抢占下一时隙，本发明将CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access withCollision Avoidance)机制进行优化后引入到这个系统中。

改进型的CSMA/CA算法的基本思路是，在CSMA/CA基本方案的基础上，当退避计数器TIMER减少到0的时候并不是立即发送数据包，发送站点在向接收站点发送数据包之前，发送一个请求发送RTS(Ready To Send)帧，以申请对介质的占用，当接收站点收到RTS信号后，立即后回应一个准许发送CTS(Clear To send)帧，告知对方已准备好接收数据。双方在成功交换RTS/CTS信号(即完成握手)后才开始真正的数据传递，保证了多个互不可见的发送站点同时向同一接收站点发送信号时，实际只能是收到接收站点回应CTS帧的那个站点能够进行发送，避免了冲突发生。即使有冲突发生，也只是在发送RTS帧时，这种情况下，由于收不到接收站点的CTS消息，就认为信道中发生碰撞，根据二进制指数重新产生随机数重新进行CSMA/CA。

2、盟主的接入方式：为分布式基站控制的多频带分时隙形式。

在基于类蜂窝拓扑结构的认知无线电系统中设立基站(BS)，由基站来负责将认知次用户联盟所感知的频谱信息汇总处理，并将频谱资源信息按照不同的要求分类排序维护。通过通信盟协议，基站和各盟盟主通过信息交互完成频谱分配博弈实现基站对需要通信的通信盟的频谱资源分配，每个盟按照对通信的要求和频谱的质量可获得少则几个时隙多则几个频点的频谱资源。具体频谱分配博弈算法如下：基站将实时的频谱资源进行分类告知所有盟的盟主，各盟盟主收集所在盟所有盟成员的通信请求，按照通信请求的通信量的要求和周围其他盟主选择频谱后对自己的干扰程度选择合适的频谱，如果盟内对通信量的要求有变化或者周围干扰程度有变化则继续执行选择频谱算法。

3、盟内通信协议

认知次用户A通过盟内广播信道向本盟盟主发送与认知次用户B的通信请求。盟主根据接收广播信道的帧信令域的内容判断，获知是来自认知次用户A与认知次用户B通信建立请求，通过查询本盟的成员管理列表判断认知次用户A和认知次用户B是否在一个通信盟内，如果是则使用盟内通信协议与认知次用户A和认知次用户B协商；如果不是则使用盟间通信协议与认知次用户A和认知次用户B协商。

(1).无中继请求的通信盟建立请求

a)如果认知次用户B可以继续接受通信请求，认知次用户B所处的信道fi容量未饱和，则基站为认知次用户A与认知次用户B分配他们所在的盟的某时隙，如果认知次用户A和认知次用户B已经成功建立了链接，则盟主更新通信盟列表并通过广播帧广播；

b)如果认知次用户B可以继续接受通信请求，认知次用户B所处的信道fi容量未饱和，则基站为认知次用户A与认知次用户B分配其所在盟的某时隙，如果认知次用户接受盟主分配的通信资源，但还是无法与对端建立链接，则继续执行有中继请求的通信盟建立请求协议；

c)如果认知次用户B可以继续接受通信请求、认知次用户B所处在的信道fi容量饱和，则盟主向基站申请新的频点，如果有空闲频点fj，则基站通知盟主为认知次用户A和认知次用户B在fj分配工作时隙，盟主、基站分别更新通信盟列表然后通过广播帧广播；如果认知次用户接受基站分配的通信资源，但还是无法与对端建立链接，则继续执行有中继请求的通信盟建立请求协议；

d)如果认知次用户B不能继续接受通信请求，则判断认知次用户A、认知次用户B通信失败；

步骤(2).有中继请求的通信盟建立请求

a)如果此时有用户在广播频段能收到认知次用户A和认知次用户B的广播帧，也在广播频点发一通告告知所在盟的盟主，如果盟主收到多个认知次用户发来的信息，根据中继选择算法选择最优的用户作为中继；

所述中继选择算法如下：

将认知次用户A接收中继节点的RSSI和认知次用户接收中继节点B的RSSI和中继节点的流量分别加权作为系数：

$W_c=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{RSSI}}_A}+\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{RSSI}}_B}+\mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{R},\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;}=1(\stackrel{\&OverBar;}{R}<R_{\max },\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{RSSI}}_A}>{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{RSSI}}}_{\min },\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{RSSI}}_B}>{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{RSSI}}}_{\min })\\ \begin{array}{cc}0& (\stackrel{\&OverBar;}{R}>R_{\max },\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{RSSI}}_A}<{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{RSSI}}}_{\min },\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{RSSI}}_B}<{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{RSSI}}}_{\min })\end{array}\end{array}\right.$

其中α，β，γ为加权的权值，R为中继节点的速率，如果中继节点的流量超过最大值，则置系数W_c为0；

判断系数W_c，取在门限范围内系数W_c值最大的作为中继，如果系数W_c为0，则表明该节点不可能作为中继节点；

b)如果盟主此时没有收到其他用户在广播频段的响应，盟主就会根据自身是否达到通信量门限值信息确定是否作为认知次用户A和认知次用户B的中继，如果不做中继，则告知认知次用户A和认知次用户B无法通信；如果作为中继则选定某一时隙并通知认知次用户A和认知次用户B进行通信；

将新建立的通信链路加入通信盟列表中，在下一帧广播帧广播；如果超时没有收到中继节点的中继应答的信息，则无法建立中继，宣判通信失败；

4、盟间通信协议

盟间接入步骤具体如下：

(1).采用盟间认知次用户中继的多频带分时隙联盟博弈形式

盟间认知次用户或者次用户集合C与认知次用户A协商好通信的时隙和频点，在保证能与A通信的同时与认知次用户B协商好其通信的时隙和频点，双方协商完毕后由中继节点C通知基站和所在盟的盟主更新通信盟列表并通过广播帧广播；

具体的步骤为：有通信请求的A、B用户告知所在盟的盟主，盟主通知基站，基站通过中继选择算法获取认知次用户A和认知次用户B间的一个或者多个盟间认知次用户作为盟间中继节点集C；

a)若认知次用户B、C可以继续接受通信请求，认知次用户B、C所处的信道容量未饱和。盟主分配时隙，更新通信盟列表，同时在广播帧告知认知次用户A、认知次用户B和C；

b)如果认知次用户B不可以继续接受通信请求，则判断认知次用户A、认知次用户B通信失败；

c)如果认知次用户B、C可以继续接受通信请求、认知次用户B所处在的信道fi容量饱和、如果有空闲频点fj，则基站为认知次用户B在fj分配工作时隙，盟主更新通信盟列表然后通过广播帧广播。如果C不可以继续接受通信请求，则基站通过查询通信盟管理列表查找C的替代中继节点，更新通信盟列表然后通过广播帧广播；

(2).采用基站中继的多频带分时隙联盟博弈形式

当基站通过排序所有能作为中继的节点后发现自己作为中继的通信效率更高时，通知认知次用户A和B，并通过协商确定与A和B的通信频点和时隙；

a)若认知次用户B可以继续接受通信请求，认知次用户B所处的信道容量未饱和。盟主为其分配时隙，更新通信盟列表，同时在广播帧告知认知次用户A、认知次用户B；

b)如果认知次用户B不可以继续接受通信请求，则判断认知次用户A、认知次用户B呼叫失败；

c)如果认知次用户B可以继续接受通信请求、认知次用户B所处在的信道fi容量饱和、如果有空闲频点fj，则基站为认知次用户B在fj分配工作时隙，更新通信盟列表然后通过广播帧广播；

d)如果基站不可以继续接受通信请求，则判断认知次用户A、认知次用户B通信失败；如果认知次用户A与认知次用户B在通信过程中，超过规定的门限时间，某一端没有收到来自另一端发送的数据或者相应的响应，通过尝试重连后无果后则判定通信结束。调用通信结束子程序，跳到广播频点，向基站发送通信结束通知；

5、通信盟的定时更新通告

系统开始运行前基站与各盟主协商具体的定时更新机制，包括定时更新时间周期T_update、更新内容和更新帧格式等等。机制协商好后，各通信盟中的盟主定时T_update发送更新报告，基站收到通信盟主的定时更新报告后对通信盟列表进行维护，如果某一通信盟盟主再门限时间内没有发送定时更新报告则撤销此通信盟，更新通信盟列表，置更新标志位，删除基站中用户信息。

基于以上的分析建立了含中继的多频带分时隙通信模型，在这个模型下多个认知次用户能够实现高效率的通信，基本通信方式分为点到点的直接通信或者是经过中继进行转接的间接通信，通过能体现结盟优劣的评价算法的研究与应用，整个通信联盟的总吞吐量和频谱利用率得到大幅提高，认知次用户的信噪扰比也相应增加。

三、基于离散随机逼近优化算法的频谱调度方法。

在通信盟系统中对通信所需的信噪比有要求，在信噪比很大且盟功率恒定的情况下，再加上每个感知到的频段信道的状况可能不同但是信道带宽相同和对系统实时性和算法时间复杂度的考虑，可以对吞吐量的表达式近似简化得：

$T_{\ln }=\frac{\left|S\right|}{\mathrm{In}{\mathrm{\&sigma;}}_{\ln }}\&CenterDot;n=\mathrm{1,2},L,N,l=\mathrm{1,2}L,L$

通过基站内收集的有关信道质量和占用频度的统计信息，频谱预测和实际感知相结合来判定选择主用户出现概率最小的信道或者具有最佳传输特性的空闲信道，以实现最佳的利用频谱目的，保证高效数据传输业务(短信、文件及语音等业务)的通信QoS。

这里，将T_ln作为联盟l中使用频点n所获得的分数，分数越高代表频谱级别越高，使用该频点时通信效率越高。

在该频谱调度算法中，使用T_l单元向量来表示一个盟l内所有|T_ln|(i＝1，2，L，n)个可能的传输频点的得分，假设整个系统有L个联盟，则整个系统各个盟的频点得分可表达为{T₁，T₂，...，T_|L|}。其中T_l表示一个|T_ln|×1向量，每个盟主在每次频谱调度之初将自己的统计结果T_l上报给基站。在每次各盟主上报数据后，频谱调度算法更新基站端|T_ln|×1向量T(l)＝[T(l，1)，T(l，2)，...，T(l，N)]^T，然后将以上所有可能的可选频点(除去主用户占用频点)进行排列组合。若t时刻可以感知到N个可用信道，该链路就有N+1种传输选择，即{0(不传输)，1(选择感知信道1传输)，...，N(选择感知信道N传输)}，因此对于L个联盟共有(N+1)^L种传输选择模式，其中也包含了所有链路全部不传输的模式。在其中考虑所有链路共享同一频段，并没有具体考虑主用户随机到达的信道分配问题，因此本发明提出一种离散随机逼近算法解决该问题。

本发明的离散随机逼近算法过程如下：

(1)初始化：设

随机选择传输模式I^(m)并初始化设定概率向量P，根据随机逼近算法，定义初始随机选择的频谱的概率为1，在数值上反应为：

即：若(X，Y)为I^(m)中元素为1的坐标集合，表达式为(X，Y)＝I^-1(m)(1)。然后对集合(X，Y)在P矩阵的相对应的位置置1，即P[(X，Y)]＝1。

(2)采样和赋值：给定I^(m)，计算对应的φ(m，I^(m))，均匀的选择另一个候选的

计算对应的

(3)接受：如果

则设定

否则设定

(4)采用自适应滤波器用于更新动态信息序列：

通过p(m+1)＝p(m)+μ[I(m+1)-p(m)]，0＜μ＜1更新状态占用概率；

(5)在当前迭代更新最优解的估计：如果

则设定

否则设定

(6)设

返回步骤(2)，直至n到达给定迭代逼近次数或达到给定运算时间时算法结束。

四、根据注水法进行功率分配

将整个盟所具有的功率总和

进行合理的分配使得整个盟的吞吐量达到最大，采用拉格朗日乘子法并运用注水算法对功率进行合理分配后得到盟S_i所能具有的最大吞吐量C_s，具体方法如下：

对于选定的每一个盟S_i来说，其盟成员数N_i＝|S_i|(包括盟主)，假设即将组建的每个盟S_i所具有的通信功率门限值为在这个系统中门限值

正比于盟成员个数N_i和每个次用户的功率门限

设比例系数为k，则：

任意两个盟成员间组成的高斯加性信道j的噪声均值为0、方差为

则噪声功率为

假设两两用户通信，由排列组合知识可得盟S_i中的可能的信道组合个数为：

考虑将结盟的吞吐量作为联盟函数求其最值，并根据本发明提出的入盟和退盟原则进行动态的盟结构变换以使联盟函数值最大。具体措施如下：由每个盟主控制，将整个盟所具有的功率总和

进行合理的分配使得整个盟的吞吐量达到最大，吞吐量的表达式为：

$C=\max I(X;Y)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{2}\log (1+\frac{P_{\mathrm{lj}}H}{{\mathrm{\&sigma;}}_j^2})---(4-8)$

其中

是加性高斯信道j的噪声方差，P_lj是认知次用户l使用信道j时的发送功率，

是认知次用户l使用信道j时所获得的吞吐量。考虑自由空间信道模型(FreeSpace Propagation Model)的传输函数：

$H=\frac{G_t{G}_r{\mathrm{\&lambda;}}^2}{{\left(4\mathrm{\&pi;}\right)}^2{d}^{2}L}---(4-9)$

其中G_t是发送天线增益，G_r是接收天线增益，d是T-R收发机间的距离，L是与传输无关的系统衰落因子(L≥1)，λ是载波波长，天线增益与天线的有效孔径A_e有关：

其中有效孔径A_e还和天线的物理尺寸有关。

盟内进行功率分配时的限制条件如下：

其中第一个限制条件是联盟内所有认知次用户所有的发送功率要小于本结盟所拥有的最大门限值，第二个限制条件是每个认知次用户的功率要小于终端所能拥有的最大功率。此时问题变为在式(4-10)的约束条件下，求吞吐量的最大值。但是我们发现这样将通信盟所能具有的总功率分配到具体的盟内认知次用户，再由认知次用户将功率分配到该认知次用户发送所占用的每条通信链路的角度来求解每条链路的信道吞吐量进而求解整个盟的吞吐量的方法较为复杂，所以不妨从信道能量分配的角度来考虑这个问题。

由能量守恒定律得，各认知次用户分配给所有链路的能量之和必然等于所有节点发送的功率总和。这样上述问题就可以变成：盟内所有信道具有的能量之和要小于盟内通信功率门限值，设P_j为信道J上的发送能量，则

所以上述问题变为在满足能量限制条件的前提下，求解

$C=\max I(X;Y)=\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{2}\log (1+\frac{P_j}{{\mathrm{\&sigma;}}_j^2})---(4-11)$

的最大值进而获得每个信道分配的功率。上述问题是一个标准的求解极大值的问题，可以采用拉格朗日乘子法来计算求得，具体的求解步骤如下：

作辅助函数： $f(P_1,P_2,L,P_J)=\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{2}\log (1+\frac{P_j}{{\mathrm{\&sigma;}}_j^2})+\mathrm{\&lambda;}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_j---(4-12)$

令 $\frac{\&PartialD;f(P_1,P_2,L,P_J)}{\&PartialD;P_j}=0,j=\mathrm{1,2},L,J---(4-13)$

解得： $\frac{1}{2}\frac{1}{P_j+{\mathrm{\&sigma;}}_j^2}+\mathrm{\&lambda;}=0,j=\mathrm{1,2},L,J---(4-14)$

$P_j+{\mathrm{\&sigma;}}_j^2=-\frac{1}{2\mathrm{\&lambda;}},j=\mathrm{1,2},L,J---(4-15)$

式(4-15)表示各个认知次用户的发射信号功率与噪声功率之和，即各个认知次用户输出端的功率相等时总吞吐量最大。因此，将认知次用户的输出功率设为常数v，即

把v用所有认知次用户的输出功率叠加的形式表达：

则可以求出：

但是，如果某条链路信道质量太差，致使信道噪声

太大，大于常数v，这样就会使上式求出的P_j为负值，这显然是不可能发生的，所以要放弃对该信道的使用，必须置P_j＝0，对该信道不分配功率，予以关闭。然后重新调整信号功率分配，直至P_j不出现负值。这就是著名的“注水法”原理(曹雪虹，张宗橙.信息论与编码.清华大学出版社，北京，第一版，pp50-57)，将各个信道看成是用来盛水的容器，将信号功率看成水，向容器中倒水，最后的水平面是平的，每个信道中装的水量即是分配的信号功率，所以最终得到盟S_i所能具有的最大的吞吐量为：

这样就可以得到，对于任一通信盟，其联盟函数为：

其中，参数T代表最终可以被分配的信道的个数，为相应的信道噪声，|S|代表联盟S的认知次用户个数。

入盟原则：对于联盟或者个体用户集合(S₁，S₂，S₃……S_k)，当有本联盟外的联盟或者个体S_k+1，满足条件：

$\left\{\begin{array}{c}\&Exists;S_i\&Subset;S,\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{RSSI}}_i}>{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{RSSI}}}_{\min }\\ \underset{j=1}{\overset{k+1}{\mathrm{\&Sigma;}}}v\left(S_j\right)<v\left(U_{j=1}^{k+1}{S}_j\right)\\ v\left(S_{k+1}\right)<v\left({S^1}_{k+1}\right)\\ v\left(U_{j=1}^k{S}_j\right)<v\left(U_{j=1}^{k+1}{S}_j\right)\end{array}\right.---\left(6\right)$

将满足以上条件的这些个体或者联盟与原集合融合为一个大的联盟。

其中式(6)的条件一说明对于某些联盟或者个体用户集合的某个元素，其RSSI达到门限值

式(6)的条件二说明把该集合纳入该联盟的必要条件为，考虑该用户加入该联盟后联盟的收益值要大于所有认知次用户不联盟的情况。

式(6)的条件三说明对于联盟或者个体S_k+1，如果加入联盟成为S¹ _k+1后所有的收益v(S¹ _k+1)要大于自己单干时所获得的收益v(S_k+1)。

式(6)的条件四说明该用户加入该联盟的联盟函数的收益值要大于不加入它的值。

如果有一个盟的盟主想加入另外一个盟，则其必须要退出自己原来的盟，当且仅当该盟主已经成功退出原来的盟并且符合入盟原则的条件下才允许加入新盟。

退盟原则：对于包含某些联盟或者个体用户的集合(S₁，S₂，S₃……S_k)的大联盟

当满足以下条件：

$\left\{\begin{array}{c}\&Exists;S_j\&Subset;S,\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{RSSI}}_j}<{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{RSSI}}}_{\min }\\ \underset{i=1,i\&NotEqual;j}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}v\left(S_i\right)>v\left(U_{j=1}^k{S}_j\right)\\ v\left({S^1}_j\right)>v\left(S_j\right)\end{array}\right.---\left(7\right)$

并且自己此时不做盟主且不作为中继或自己通信时，将大联盟分割成若干小的联盟。

式(7)条件一说明对于某些联盟或者个体用户集合的某个元素，达不到RSSI的门限值这个条件。

式(7)的第二个条件说明该用户退出该联盟的必要条件为：原联盟函数的收益值要小于退出该联盟后联盟函数收益的总和。

式(7)的条件三说明对于联盟或者个体S_j，如果退出盟成为S¹ _j后所有的收益v(S¹ _j)要大于自己在联盟中时所获得的收益v(S_j)。

即使该盟盟主满足退盟原则，但若其自身担任协调盟内通信的职责，则不许该盟盟主退出该盟。

盟主更新原则：系统定时一个时间段T，每隔T时间，盟内各用户(包括盟主)依次顺序收集各个盟成员的RSSI值并计算总和选择总和最大的作为新盟主并广播通知各个盟内成员。这样做的原因是总和最大说明链路传输损失最小，实际用于传输信号的功率较大，根据信道容量公式得到这样可能的系统吞吐量将最大化，有利于系统达到帕累托最优。

如图3所示，为认知次用户分别在不联盟、联盟、联盟并采用注水算法的情况下系统吞吐量随时间的变化图，系统在每种情况下某一短时间段的吞吐量会发生小尺度震荡是由于MATLAB仿真采用的是瑞利信道模型，噪声的随机性使得系统的吞吐量出现变化，但是不影响吞吐量总体趋势的变化。

首先分析各种情况下系统吞吐量随时间的变化。对于图中不联盟的情况，各个认知次用户在通信要求和信道基本没有变化的时候，吞吐量随时间大体保持不变；对于采用联盟策略后的系统来说，吞吐量是随着时间渐进增加，各盟内或盟间较近的成员通过盟内或盟间通信协议互相交互信息，为通信中的终端充当中继，方便通信中的双方较为便捷的通信，图中吞吐量会出现陡然增加的情况，通过分析有两种可能：

(1)原来较远的两认知次用户通知中间的认知次用户作为新的中继取得新的通信机会，原来长距离的信道大衰落消失，功率损失减少，实际传输到对端的功率变大，通信吞吐量提高。

(2)原来较远的两认知次用户由于功率受限不能取得通信，通过盟间通信协议与其间的某一认知次用户协商使其作为通信中继，这样获得了新的系统吞吐量；联盟并采用注水算发后系统的吞吐量又上了一个台阶，这是由于系统对总功率P进行了重新分配，使热噪声

小的分配的功率较多，热噪声

大的分配的功率较少，以上的功率分配是在认知次用户硬件要求的范围之内。

其次在某一时间点分析该图。联盟且采用注水算法的情况下，系统总的吞吐量是最大的，说明了本发明提出的通信结盟的效果是明显的，系统吞吐量是不联盟的时候的3倍左右。

如图4所示，该图显示的是采用离散随机逼近优化法获得的认知次用户分别在不联盟、联盟、联盟并采用注水算法这三种情况下系统的吞吐量的值，从图中可以看出，吞吐量收敛到最优值的速率明显比图3快，这说明了采用随机逼近在对频谱资源进行合理分配时是可行的，效率是比较高的。

Claims (4)

1.一种基于认知无线电通信盟的调度方法，其特征在于：包括盟内用户通信调度方法、盟间用户通信调度方法、频谱调度方法、功率分配方法；

I、盟内用户通信调度方法是采用盟内通信协议使欲进行通信的两个盟内认知次用户协商，具体方法包括无中继请求的调度方法、有中继请求的调度方法，其中：

I-A，无中继请求的调度方法步骤如下：

①当接受通信请求的认知次用户所处的信道容量未饱和，则基站为欲进行通信的两个认知次用户分配通信时隙：

当两个认知次用户成功建立通信，则盟主更新通信盟列表并通过广播帧广播；

当两个认知次用户无法建立通信，则执行有中继请求的调度方法；

②当接受通信请求的认知次用户所处的信道容量已饱和，则由盟主向基站申请空闲频点，然后由基站通知盟主为欲进行通信的两个认知次用户在空闲频点分配通信时隙：

当两个认知次用户成功建立通信，则盟主、基站分别更新通信盟列表并通过广播帧广播；

当两个认知次用户无法建立通信，则执行有中继请求的调度方法；

③当接受通信请求的认知次用户不接受通信发起方的通信请求，则判断两个认知次用户通信失败；

I-B，有中继请求的调度方法步骤如下：

i，当有其他认知次用户在广播频段收到欲进行通信的两个认知次用户的广播帧，该用户在广播频点发通告告知所在盟的盟主；当盟主收到多个认知次用户发来的信息，根据中继选择算法选择最优的认知次用户作为中继节点，并通知该中继节点；如果超时没有收到该中继节点的应答信息，告知通信双方无法通信；

ii，当盟主没有收到其他认知次用户在广播频段的响应，则盟主根据自身是否达到通信量门限值确定是否作为通信双方的中继节点：

当结果为是，则选定某一时隙并通知通信双方进行通信；同时将新建立的通信链路加入通信盟列表中，在下一帧广播帧广播；

当结果为否，则告知通信双方无法通信；

II、盟间用户通信调度方法分为采用盟间认知次用户中继的多频带分时隙联盟博弈方法、采用基站中继的多频带分时隙联盟博弈方法，具体如下：

II-A，采用盟间认知次用户中继的多频带分时隙联盟博弈方法，具体如下：

有通信请求的两个认知次用户告知各自所在盟的盟主，然后由各自的盟主通知基站，基站通过中继选择算法获取这两个认知次用户的一个或者多个盟间认知次用户作为盟间中继节点集： 

a)当接受通信请求的认知次用户、盟间中继节点所处的信道容量未饱和，则基站为欲进行通信的两个认知次用户分配通信时隙：同时由通信双方各自的盟主分配时隙，更新通信盟列表，并在广播帧告知通信双方及中继节点；

b)当接受通信请求的认知次用户所处的信道容量已饱和，不能继续接受通信请求，则判定通信双方通信失败；

c)当接受通信请求的认知次用户所处的信道容量饱和，则基站为其在空闲频点分配工作时隙，由盟主更新通信盟列表然后通过广播帧广播；

d)当中继节点不能继续接受通信请求，则基站通过查询通信盟管理列表查找中继节点的替代中继节点，更新通信盟列表然后通过广播帧广播；

II-B，采用基站中继的多频带分时隙联盟博弈方法，具体如下：

当基站通过排序所有能作为中继的节点后发现自己作为中继的通信效率最高时，通知通信双方，并通过协商确定与通信双方的通信频点和时隙；

当接受通信请求的认知次用户所处的信道容量未饱和，由盟主为其分配时隙，并更新通信盟列表，同时在广播帧告知通信双方；

当接受通信请求的认知次用户不接受通信请求，则判断通信双方呼叫失败；

当接受通信请求的认知次用户所处的信道容量饱和，则基站为其在空闲频点分配工作时隙，同时更新通信盟列表后通过广播帧广播；

当基站不能继续接受通信请求，则判断通信双方通信失败；

当通信双方在通信过程中超过规定的门限时间，通信一方没有收到来自另一方发送的数据或者相应的响应，通过尝试重连后仍然失败，则判定通信结束，通过广播频点向基站发送通信结束通知；

III、频谱调度方法是根据离散随机逼近优化算法进行，具体过程如下：

a，初始化：设 

随机选择传输模式I^(m)并初始化 

设定概率向量P，根据随机逼近算法，定义初始随机选择的频谱的概率为1，在数值上反应为： 

即：若(X，Y)为I^(m)中元素为1的坐标集合，表达式为(X，Y)＝I^-1(m)(1)；然后对集合(X，Y)在P矩阵的相对应的位置置1，即P[(X，Y)]＝1；

b，采样和赋值：给定I^(m)，计算对应的φ(m，I^(m))，均匀的选择另一个候选的 

计算对应的 

c，接受：如果 

则设定 

否则设定 

d，采用自适应滤波器用于更新动态信息序列：

通过p(m+1)＝p(m)+μ[I(m+1)-p(m)]，0＜μ＜1更新状态占用概率；

e，在当前迭代更新最优解的估计：如果 

则设定 

否则设定 

f，设 

返回步骤b，直至n到达给定迭代逼近次数或达到给定运算时间时，算法结束，n为整数；

IV，功率分配步骤是采用注水算法进行，具体步骤如下：

第一步，采用拉格朗日乘子法求解最大化系统的吞吐量：

第二步，对于任一通信盟，求得其联盟函数为：

其中， 

代表盟内通信功率门限值，T代表最终可以被分配的信道的个数， 

为相应的信道噪声，|S|代表联盟S的认知次用户个数；

第三步，由盟主控制，根据第一、第二步的结果对盟内进行功率分配，其中限制条件如下：

其中，P_lj是该盟内认知次用户l使用信道j时的发送功率， 

代表该盟所拥有的最大发送功率门限值，P_l代表盟内每个认知次用户的功率， 

代表终端所能拥有的最大功率；

第四步，当盟主发现链路信道质量太差，则对该信道不分配功率，予以关闭；并重新调整信号功率分配，直至信道j上的发送能量P_j不出现负值。

2.根据权利要求1所述的一种基于认知无线电通信盟的调度方法，其特征在于：所述中 继选择算法如下：

A、将通信发起方接收中继节点的RSSI、通信接受方接收中继节点的RSSI以及中继节点的流量分别加权作为系数：

其中：α，β，γ为加权的权值，R为中继节点的速率，R_max代表中继节点的最大速率， 

代表系统接收信号强度指示均值的最小值， 

代表代表通信发起方接收中继节点的信号强度检测均值， 代表通信接受方接收中继节点的信号强度检测均值， 

代表中继节点的速率均值，当中继节点的流量超过最大值，则置系数W_c为0；

B、判断系数W_c，取在门限范围内系数W_c值最大的认知次用户作为中继节点，当系数W_c为0，则表明该认知次用户不能作为中继节点。

3.根据权利要求1所述的一种基于认知无线电通信盟的调度方法，其特征在于：还包括入盟方法、退盟方法、盟主更新方法，具体为：

入盟方法：对于包含联盟或者个体用户集合(S₁，S₂，S₃……S_k)的通信盟 

有欲入盟的用户S_k+1，当满足下列条件时，允许用户S_k+1入盟：

其中， 

代表欲入盟的用户S_k+1的接收信号强度指示均值， 

代表系统接收信号强度指示均值的最小值； 

代表原通信盟、欲入盟的用户在不联盟时效益和， 

代表欲入盟的用户S_k+1入盟后新通信盟的效益和；v(S_k+1)代表欲入盟的用户S_k+1在入盟前的效益，v(S¹ _k+1)代表欲入盟的用户S_k+1入盟后的预期效益； 

代表原通信盟联盟的效益和；

退盟方法：对于包含联盟或者个体用户集合(S₁，S₂，S₃……S_k)的通信盟 

有欲退盟的用户S_j，当满足以下条件时，允许用户S_j退出原通信盟： 

其中， 

代表欲退盟的用户S_j的接收信号强度指示均值， 

代表系统接收信号强度指示均值的最小值；v(S_j)代表欲退盟的用户S_j的效益，v(S_i)代表欲退盟的用户S_j退出通信盟后通信盟成员的效益， 

代表原通信盟联盟的效益和，v(S¹ _j)代表欲退盟的用户S_j退盟后自己的预期效益；

盟主更新方法：系统设定时间段T，每隔T时间，盟内各用户依次顺序收集各个盟成员的RSSI值并计算总和 

选择总和最大的认知次用户作为新盟主，并广播通知各个盟内成员。

4.根据权利要求1所述的一种基于认知无线电通信盟的调度方法，其特征在于：还包括通信盟的定时更新通告验证步骤，具体为：

系统开始运行前，由基站与各通信盟盟主协商定时更新机制，所述定时更新机制包括定时更新时间周期、更新内容和更新帧格式；

当定时更新机制协商好后，由各通信盟中的盟主按照定时更新机制定时发送更新报告：

当基站收到通信盟盟主的定时更新报告后，对通信盟列表进行维护；

当某一通信盟盟主在门限时间内没有发送定时更新报告，则由基站撤销该通信盟，同时更新通信盟列表、置更新标志位，并删除基站中该通信盟的用户信息。 

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