CN102752760B - 认知无线电中的频谱合作共享方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种认知无线电中的多频带共享方法，包括步骤：多个频谱拥有者和多个二级用户构成认知无线电网络，规定网络接入协议；为主用户分配备选的二级用户合作对象；被分配到合作对象的主用户从中选择若干符合条件的二级用户作为最终的合作对象；主用户根据合作对象提供的中继功率的大小决定出租频谱的时长。本发明一方面给予二级用户选择合作与否的权利，另一方面保证了主用户之间的公平性，能够得到频谱合作共享中的稳定的全局次优解答。

Description

认知无线电中的频谱合作共享方法

技术领域

本发明涉及一种通信技术领域的方法，具体是一种认知无线电中的主用户、二级用户频谱合作共享的方法。 

背景技术

一方面随着无线电的广泛使用，频谱的占用使得频谱资源愈加宝贵。另一方面随着不断发展的无线电技术给移动用户提供了更加灵活的接入方式。在认知无线电网络中，一般分为频带拥有者（例如各电信运营商），主用户（PU）和二级用户（SU）。主要用户为授权用户，能够随时地接入信道而不会受到任何干扰。二级用户为非授权用户并没有接入和服务质量保证，但是拥有更大的灵活性选择不同的运营商接入。因此基于认知无线电技术，各电信运营商在频段闲暇时把未被占用的频段提供给二级用户使用。 

近年，人们对认知无线电中的合作机制和博弈机制进行了深入的研究。经对现有技术文献的检索发现，Jin Zhang和Qian Zhang在2009年ACM MobiHoc会议上发表的“Stackelberg game for utility-based cooperative cognitive radio networks”（以效益为基础的合作认知无线电网络的Stackelberg博弈）。该文作者提出了一种合作认知无线电网络（CCRN）的概念。在此方案中，每个主用户PU可以与多个二级用户SU合作共享频谱：PU可以利用SU作为信息传输的中继，而作为回报，帮助中继的SU则获得利用频谱资源以传输自己的数据的机会。 

但是上述技术中没有考虑过SU的中继功率是可变的问题。另外，在他们的工作中，SU利用频谱资源的机会与其中继中为PU做出的贡献是不相关的，而且被PU选定为中继的SU是没有选择合作与否的权利的，即一旦被选中，无论SU愿意与否，它们都被强迫帮助PU中继，这些假设与实际情况不符。 

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种认知无线电中多个主用户PU，多 个二级用户SU之间频谱合作共享的策略。该策略使用博弈模型建模，一方面给予SU选择合作与否的权利，另一方面保证了PU之间的公平性，能够取得频谱合作共享中的稳定的全局次优解答。 

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤： 

步骤一，多个主用户PU和多个二级用户SU构成认知无线电网络，规定网络接入协议。 

N_P个PU和N_S个二级用户SU的系统模型如图1。在这种模式下，每个时段分为两部分：用于PU传输的合作阶段部分α，以及用于SU传输的租赁阶段部分(1-α)。在合作阶段，PU的发射器（PT）可直接向主用户接收器（PR）传输数据；也可以通过SU中继。SU为PU中继所作出的贡献是其在租赁阶段接入PU提供的频谱资源的前提。规定一个SU在同一时段内的合作阶段只能为一个PU作中继，且在接下来的租赁阶段只能使用该PU提供的频谱资源。 

对前一部分的合作阶段，在第一个 的时段部分中，对某个PU（记为PU_k），其发射器（PT_k）向主用户接收器（PR_k）和一个或者多个二级用户发射器（ST_S）传输数据；在余下的 的时段部分中，PT_k、ST_S向PR_k传输数据。对后一部分的租赁阶段，这些二级用户SU_S以时分复用接入（TDMA）的模式接入信道。对其中的某个SU（记为SU_i），其接入信道的时间t_i由它在合作阶段的贡献决定，即 

$t_i=(1-\mathrm{\α})\frac{P_i{G}_{i,P}\left(k\right)G_{P,i}\left(k\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{j\∈S}\left(P_j{G}_{j,P}\left(k\right)G_{P,j}\left(k\right)\right)}$ 式一 

其中，P_i是该二级用户的发射器ST_i在合作阶段为PU服务而消耗的功率，G_P，i是PT与ST_i之间的信道增益，G_i，P是ST_i与PR之间的信道增益。 

步骤二，为主用户PU分配备选的合作阶段中负责中继的二级用户SU，使得SU可以在合作阶段中做出更多的贡献。 

在此步骤中，首先进行信道检测。每个主用户PU_k的发射器PR_k检测自身到每个二级用户中继发射器ST_i之间的信道增益G_i，P(k)，每个ST_i检测自身到相应主用户接收器PR_k之间的信道增益G_P，i(k)，每个SU_i检测传输速率R_i。信道检测完成后， PR_k、ST_i、SU_i会将G_i,P(k)、G_P,i(k)、R_i的值向相应的信道分配协调中心汇报。 

然后，协调中心根据收集到的信道信息G_i,P(k)、G_P,i(k)，给每个PU分配备选的合作阶段中负责中继的SU。 

在此阶段中，协调中心给每个PU分配备选SU的策略是按如下方法进行计算的。 

考虑SU中继对PU通信的贡献。在本方法中，假设采用放大——转发（Amplify-and-Forward）协议，以实现PU和SU之间的合作，即负责转发PU信息的SU先将收到的来自PT的信息放大后，再转发给对应的PR，并假设SU在合作阶段消耗的功率P_i主要是放大信息消耗的功率。 

假设ST_i在合作阶段被选为PU的中继。记PT传输的信号为X，记Y_i为ST_i接收端收到的来自PT的信号，记Z_i为PR接收端收到的来自ST_i的信号，记η_P，i，η_i，P分别PT与ST_i、ST_i与PR通信的高斯噪声，且有η_P,i和η_i,P都符合高斯分布N(0,σ²)，则 

$Y_i=\sqrt{P_0{G}_{P,i}}X+{\mathrm{\η}}_{P,i}$ 式二 

$Z_i=\sqrt{P_i{G}_{i,P}}\frac{Y_i}{\left|Y_i\right|}+{\mathrm{\η}}_{i,P}$ 式三 

将式三代入式四，则有 

$Z_i=\frac{\sqrt{P_i{G}_{i,P}}(\sqrt{P_0{G}_{P,i}}X+{\mathrm{\η}}_{P,i})}{\sqrt{P_0{G}_{P,i}+{\mathrm{\σ}}^2}}+{\mathrm{\η}}_{i,P}$ 式四 

那么，在SU中继通信下，PR接收端处的信噪比为 

${\mathrm{\Γ}}_i=\frac{P_i{P}_0{G}_{i,P}{G}_{P,i}}{{\mathrm{\σ}}^2(P_i{G}_{i,P}+P_0{G}_{P,i}+{\mathrm{\σ}}^2)}$ 式五 

对PUk以及SUi，定义 

式六 

从式六可以看出，对于特定的SUi，它对PUk的贡献与 是正相关的。因此，协调中心会将 作为向PU分配备选SU的准则。具体做法是：记认知无线 电网络中PU的个数为N_P，SU的个数为N_S，记其中的某一个PU为PU_k,k=1,2,…N_P，某一个SU为SU_i,i＝1,2,…N_S；协调中心先收集信道信息，包括主用户PU_k的发射器PT_k到每个二级用户发射器ST_i之间的信道增益G_i,P(k)，每个ST_i到主用户接收器PR_k之间的信道增益G_P,i(k)；然后协调中心从所有PU与所有未被分配的二级用户SU合作时对应的 中找出最大值，将该最大值对应的SU_i分配给对应的PU_k；且当某一个PU_k得到分配的SU_i时，PU_k对应的所有 减去某个参量ε以降低PU_k的优先级；这个过程不断重复直到所有的二级用户SU都被分配到相应的主用户PU。 

步骤三，被分配到二级用户SU的主用户PU从中选择若干符合条件的二级用户SU作为合作对象，不符合条件的二级用户SU被拒绝合作。 

在此步骤中，协调中心根据步骤二的分配结果，向各个PU提供分配的SU的集合，以及在步骤二中收集的，集合中每个SUi的传输速率R_i。 

步骤三中，若SUi要与PUk合作，则SUi需要满足条件 

$B={\mathrm{\Σ}}_{j\∈S}\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_j{G}_{j,P}{G}_{P,j}{R}_j}>\frac{N_0-1}{{\mathrm{\ω}}_i{G}_{i,P}{G}_{P,i}{R}_i}$ 式七 

其中，S是与PUk合作的SU的集合；ω_i是SUi单位传输速率的等价效益；N₀是与PUk合作的SU的个数，即N₀=|S|；R_i是SUi的传输速率。根据香农定理，有 

$R_i={W\log }_2(1+\frac{P_s{G}_i}{{\mathrm{\σ}}^2})$ 式八 

其中，G_i是SUi的信道增益，P_S是SUi的传输功率，σ²是信道噪声功率，W为信道带宽，不失一般性，本方法中，令W=1。 

每一个特定的PUk，其从分配的SU集合中挑选符合条件的合作对象的方法如下：PUk先将被分配到的SU按照ω_iG_i，PG_P，iR_i的值，从大到小排序；对序列中SU，依据其ω_iG_i，PG_P，iR_i从大到小依次取出，将取出的SU作为合作对象的集合，逐次检查是否符合合作条件式七。重复这个过程直到取出某一个SU发现合作对象的集合不再符合条件，则去除最后取出的SU，余下的合作对象集合中的SU作为PU 该时段中的中继助手。 

步骤三中，合作条件是按照如下方法推导的。 

假设PT的传输功率为P₀，PT与PR间的信道增益为G_P，噪声功率为σ²，则在PT与PR直接通信的情况下，PR接收端处的信噪比为 

${\mathrm{\Γ}}_P=\frac{P_0{G}_P}{{\mathrm{\σ}}^2}$

假设网络为能量受限的，根据香农定理，结合式五，得到PU在SU中继协助下的传输速率为 

$R_p={W\log }_2(1+\frac{P_0{G}_P}{{\mathrm{\σ}}^2}+\underset{i\∈S}{\mathrm{\Σ}}\frac{P_i{P}_0{G}_{i,P}{G}_{P,i}}{{\mathrm{\σ}}^2(P_i{G}_{i,P}+P_0{G}_{P,i}+{\mathrm{\σ}}^2)})$ 式十 

其中W为信道带宽，不失一般性，本方法中，令W=1。 

因为每个时段中，PU保留合作阶段部分α作自身数据传输，故PU的效益函数为 

U_P=α·R_P    式十一 

对SU而言，虽然每个SU为PU提供中继服务赚取PU提供的频谱资源，但SU提供中继服务也需要消耗能量，故SUi的效益函数为 

$U_i=(1-\mathrm{\α}){\mathrm{\ω}}_i\frac{P_i{G}_{i,P}{G}_{P,i}}{P_j{G}_{j,P}{G}_{P,j}}{R}_i-\frac{1}{2}{\mathrm{\αP}}_i$ 式十二 

其中，P_i为SUi作为PU中继消耗的功率。该功率由每个SU自己决定。若SU拒绝合作，则P_i=0；其他情况下P_i>0。因此每个SU的效益由自己和其他用户的决策共同决定，而PU的效益也由与其合作的SU决定。在方法中，假设每个用户是自私的，其行动动力为最大化自身效益。所以这是一个博弈问题。 

对PU合作对象集合中的SU的效用函数导数求和，并使和式为零，整理得 

$D=\frac{2(N_0-1)(1-\mathrm{\α})}{\mathrm{\αB}}$ 式十三 

其中 $B={\mathrm{\Σ}}_{j\∈S}\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_j{G}_{j,P}{G}_{P,j}{R}_j}$ 且D=∑_j∈S(P_jG_j,PG_P,j)>0 

式十三代入式十二，得到博弈达到均衡时，每个SU选定的作为PU中继消耗的功率 

$P_i^{*}=\frac{2(N_0-1)(1-\mathrm{\α})}{{\mathrm{\αG}}_{i,P}{G}_{P,i}{B}^2}(B-\frac{N_0-1}{{\mathrm{\ω}}_i{G}_{i,P}{G}_{P,i}{R}_i})$ 式十四 

由于需要满足 故得到合作条件式七。 

步骤四，主用户PU确定合作阶段α的大小。 

在合作对象确定的情况下，各个PU根据式十、式十一，以最大化自身效益函数为准则，计算α^*。具体算法是：α从1逐步递减一个足够小的量δ，并分别计算α对应的效益，得到效益最大化的α^*。 

本发明具有如下有益效果：本发明在存在多个主用户PU，多个二级用户SU的认知无线电网络中，将单个PU、多个SU之间频谱合作共享的问题利用博弈模型建模，并提供一种在多个PU、多个SU之间频谱合作共享的方法，该方法一方面给予二级用户SU选择合作与否的权利，另一方面保证了主用户PU之间的公平性，能够得到频谱合作共享中的稳定的全局次优解答。 

附图说明

图1是本发明的多个PU和多个SU构成认知无线电网络示意图。 

图2是多个PU和多个SU网络拓扑图及合作分配情况. 

图3是SU的数量和二级用户发射机ST_S接收机SR_S之间距离的大小对PU和SU的效益的影响。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 

如图1所示，是本发明的多个PU和多个SU构成认知无线电网络示意图。 

其中，（a）合作阶段中的第一个 的时段部分内，对某个PU（记为PU_k），其发射器（PT_k）向主用户接收器（PR_k）和一个或者多个二级用户发射器（ST_S）传输数据；（b）在合作阶段中余下的 的时段部分中，PT_k、ST_S向PR_k传输数据。；（c）租赁阶段内，这些二级用户SU_S以时分复用接入（TDMA）的模式接入信道。 

如图2所示，多个PU，多个SU构成了认知无线电网络。 

本实施例的环境参数为： 

在给定的边长为1000米的正方形地理区域范围内，存在两个PU，即PU₁、PU₂。两个PU的发射机、接收机的位置分别是PT₁(0,500),PR₁(1000,500),PT₂(500,1000)及PR₂(500,0)。区域中同时有80个SU，每个SU的发射机ST_S随机分布在区域内，相应的SU接收机SR_S则随机分布在对应ST_S的周围。信道衰落指数为2，所有SU的单位传输速率的等价效益ω_i都为10。噪声功率σ²=10^-6，计算PU的α^*时，逐步递减的量δ=10^-4。 

本实施例包括如下具体步骤： 

步骤一，两个频谱拥有者和两个二级用户构成认知无线电网络，规定网络接入协议。 

每个时段分为两部分：用于PU传输的合作阶段部分α，以及用于SU传输的租赁阶段部分(1-α)。在合作阶段，PU的发射器（PT）可直接向主用户接收器（PR）传输数据；也可以通过SU中继。在租赁阶段，这些二级用户SU_S以时分复用接入（TDMA）的模式接入信道（如图1的c）。对其中的某个SU（记为SU_i），其接入信道的时间t_i由它在合作阶段的贡献决定，即式一。 

图2展示了本实施例中PU、SU分布情况。其中，实心大圆(0,500)代表了PT₁，实心正方形(1000,500)代表了PR₁；实心大圆(500,1000)代表了PT₂，实心正方形(500,0)代表了PR₂。其余的圆圈和三角形代表了二级用户发射机ST_S，小点代表了二级用户接收机SR_S，细线代表了ST_S与相应的SR_S的通信关系。 

步骤二，为PU分配备选的合作阶段中负责中继的SU。 

图2展示了一个本实施例的分配例子。其中，圆圈代表了分配给PU₁的二级用户发射机ST_S，三角形代表了分配给PU₂的ST_S。 

步骤三，PU从被分配的SU_S中选择若干符合条件的SU作为合作对象，不符合条件的SU被拒绝合作。 

图2展示了本实施例中，PU选定合作对象的例子。其中，实心圆圈代表了PU₁选定合作的ST_S，实心三角形代表了PU₂选定合作的ST_S。其余空心圆圈和空心三角 形代表了被相应PU拒绝合作的ST_S。 

步骤四，PU确定合作阶段部分α的大小。 

各个PU根据式十、式十一，令α从1逐步递减δ=10^-4，并分别计算α对应的效益，得到效益最大化的α^*。 

至此，本实施例中PU、SU的合作分配及各项参数计算结束。将参数代入式十一、式十二，可计算各个PU、SU的效益。 

通过分别改变SU的数量，和二级用户发射机ST_S接收机SR_S之间距离的环境参数，本实施例中还测试了这两个参量对PU、SU效益的影响。如图3。令SU的数量分别取从10到100之间相隔10的整数，得到PU、SU的效益随横轴变化的曲线。令ST_S与SR_S之间的距离取100米、200米、300米，对应得到了图中以正方形为图标、以圆形为图标和以三角形为图标的曲线。其中，上方的曲线对应了PU的效益，下方的曲线对应了SU的效益。例如图中坐标为（50,2.5）的代表了当SU的数量为50，ST_S与SR_S之间的距离取100米时，SU的平均效益约为2.5。图中的所有效益结果都是通过5000次重复实验得到的结果的平均。 

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。 

Claims (1)

1.一种认知无线电中的频谱合作共享方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，多个主用户PU和多个二级用户SU构成认知无线电网络，规定网络接入协议；

步骤一中的网络接入协议特征是每个时段分为两部分：用于主用户PU传输的合作阶段部分α，以及用于二级用户SU传输的租赁阶段部分(1-α)；在合作阶段，主用户PU的发射器PT直接向主用户接收器PR传输数据，或通过二级用户SU中继；二级用户SU为主用户PU中继所作出的贡献是其在租赁阶段接入主用户PU提供的频谱资源的前提；规定一个二级用户SU在同一时段内的合作阶段只能为一个主用户PU作中继，且在接下来的租赁阶段只能使用该主用户PU提供的频谱资源；

步骤二，为每个主用户PU分配备选的合作阶段中负责中继的二级用户SU；

所述步骤二中，记认知无线电网络中PU的个数为N_P，SU的个数为N_S，记其中的某一个PU为PU_k,k＝1,2,...N_P，某一个SU为SU_i,i＝1,2,...N_S；协调中心先收集信道信息，包括主用户PU_k的发射器PT_k到每个二级用户发射器ST_i之间的信道增益G_i,P(k)，每个ST_i到主用户接收器PR_k之间的信道增益G_P,i(k)；然后协调中心从所有PU与所有未被分配的二级用户SU合作时对应的中找出最大值，将该最大值对应的SU_i分配给对应的PU_k；且当某一个PU_k得到分配的SU_i时，PU_k对应的所有减去某个参量ε以降低PU_k的优先级；这个过程不断重复直到所有的二级用户SU都被分配到相应的主用户PU；

步骤三，被分配到二级用户SU的主用户PU从中选择若干符合条件的二级用户SU作为合作对象，不符合条件的二级用户SU被拒绝合作；

所述步骤三中，主用户PU根据备选合作的二级用户SU，以及集合中每个SU_i的传输速率R_i选定最终合作对象，拒绝不符合条件的二级用户SU；

所述主用户PU确定最终合作对象的条件为：

$B={\mathrm{\Σ}}_{j\∈S}\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_j{G}_{j,P}{G}_{P,j}{R}_j}>\frac{N_0-1}{{\mathrm{\ω}}_i{G}_{i,P}{G}_{P,i}{R}_i};$     式七

其中，S是与PU_k合作的SU的集合；ω_i是SU_i单位传输速率的等价效益；N₀是与PU_k合作的SU的个数，即N₀＝|S|；R_i是SU_i的传输速率；

主用户PU从分配的SU集合中挑选符合条件的合作对象的方法是：

PU_k先将被分配到的SU按照ω_iG_i,PG_P,iR_i的值，从大到小排序；对序列中SU，依据其ω_iG_i,PG_P,iR_i从大到小依次取出，将取出的SU作为合作对象的集合，逐次检查是否符合合作条件式七；

重复这个过程直到取出某一个SU发现合作对象的集合不再符合条件，则去除最后取出的SU，余下的合作对象集合中的SU作为PU该时段中的中继助手。

步骤四，主用户PU确定合作阶段部分α的大小；

主用户PU根据合作对象的二级用户的集合确定合作阶段部分α的大小的方法是，各个PU以最大化自身效益函数为准则，计算α^*；计算α^*的具体算法是：α从1逐步递减一个足够小的量δ，并分别计算α对应的效益，得到效益最大化的α^*。