CN103024886B - 宽带认知无线电中感知时间和子载波功率联合分配的方法 - Google Patents

Abstract

宽带认知无线电中感知时间和子载波功率联合分配的方法，涉及一种宽带认知无线电中感知时间和子载波功率的分配方法。它为了在保证认知无线电各子载波的检测性能和总功率满足约束的前提下，实现合理分配感知时间和子载波功率，从而提高认知无线电的总传输速率。其方法：求得各子载波的总传输速率，设计关于感知时间和子载波功率向量的双变量优化问题，并将其分解为两个单变量子优化问题，交替优化两个子优化问题直到感知时间和子载波功率向量均达到收敛。本发明适用于宽带认知无线电中感知时间和子载波功率联合分配。

Description

宽带认知无线电中感知时间和子载波功率联合分配的方法

技术领域

本发明涉及一种宽带认知无线电中感知时间和子载波功率的分配方法。

背景技术

随着通信技术的快速、持续的发展，现有的频谱资源已无法满足人们对通信服务日益增长的需求，急需越来越多的频谱资源满足现行通信高带宽、高速率以及高质量业务的需要。当前国际上都采用政府授权的静态频谱分配原则，即所有的可用频段都被分配给授权的通信服务，为了避免对授权用户的通信产生干扰，其它非授权用户不能够接入授权用户使用的频段，这使得对有限频谱资源的使用大打折扣。认知无线电作为一种智能的无线电技术，于20世纪末被Joseph Mitola博士提出来以促进频谱资源的有效利用。通过频谱感知和环境适应，认知无线电能够有效地利用空闲频谱并且对授权用户无干扰地进行通信。认知无线电必须持续地感知周围的频谱环境，并且需要准确、可靠地检测授权用户是否出现在空闲频谱中，一旦检测到授权用户重新使用空闲频谱，认知无线电必须暂时停止使用频段。认知无线电提出了一种动态使用频谱的理念，解决了目前的静态频谱分配策略所带来的频谱利用率低的问题，极大地提高了现有频谱资源的使用率。

目前诸如时分同步码分多址(TD-SCDMA)，宽带码分多址(WCDMA)和3G长期演进(LTE)等宽带无线通信技术已经普及人们的日常生活，因此认知无线电的发展潮流也是要面向宽带通信，提高用户的速率和通信质量，从语言、视频和多媒体等各个方面满足用户的通信需求。宽带认知无线电的设计如图1所示。认知无线电采用正交频分复用(OFDM)调制方式，能够利用授权用户未使用的子载波传输数据。认知无线电通过动态调整可用的子载波上的功率，能够最大限度地利用频谱资源。

认知无线电在通信之前必须感知授权用户是否存在，即实行“先听后传”的策略。一种基于“先听后传”的周期性多载波感知策略如图2所示，如果感知到授权用户存在认知无线电可以进行数据传输，否则认知无线电必须暂停传输避免对授权用户产生干扰。能量检测是认知无线电最常使用的频谱感知方法，它检测性能准确，执行效率高并且不需要授权用户的任何先验信息。能量检测首先在感知时间内对接收信号采样，然后将采样值平方并累加获得信号的能量统计值，最后将能量统计值与预先设定的门限作比较，如果统计值大于门限判定授权用户存在，否则判定信道空闲可用。能量检测通过虚警概率和检测概率两个指标来衡量。检测概率反映了认知无线电干扰授权用户的水平，检测概率越大对授权用户的干扰越小。虚警概率反映的是认知无线电的频谱利用率，虚警概率越大认知无线电的频谱利用率越低。能量检测的虚警概率P_f和检测概率P_d分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_f==Q\left((\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\σ}}_n^2}-1)\sqrt{\mathrm{\τ}{f}_s}\right)\\ P_d==Q\left((\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\σ}}_n^2}-\mathrm{\γ}-1)\sqrt{\frac{{\mathrm{\τf}}_s}{2\mathrm{\γ}+1}}\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：λ为感知门限，为噪声方差，τ为感知时间，f_s为采样频率，γ为接收信噪比。函数：

$Q\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{\∫}_x^{+\∞}{e}^{-\frac{x^2}{2}}\mathrm{dx}.$

现有的认知无线电参数分配是单一的分配方案，要么仅对感知时间进行优化分配，例如新加坡南洋理工大学Liang Yingchang教授等提出的感知吞吐量折中方案，该方案感知性能好，但是功率使用效率低；要么仅对子载波功率进行优化分配，例如OFDM常用的注水算法，该方案功率使用效率高，但是没有兼顾检测性能。

发明内容

本发明是为了在保证认知无线电各子载波的检测性能和总功率满足约束的前提下，实现合理分配感知时间和子载波功率，从而提高认知无线电的总传输速率，而提出一种宽带认知无线电中感知时间和子载波功率联合分配的方法。

宽带认知无线电中感知时间和子载波功率联合分配的方法，它由以下步骤实现：

步骤一、采用公式：

$C(\mathrm{\τ},\{p_1,p_2,,,p_L\left\}\right)=\frac{T-\mathrm{\τ}}{T}(\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}(1-P_{f,i})\log (1+\frac{p_i{h}_i^2}{{\mathrm{\σ}}_n^2})+\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}(1-P_{d,i})\log (1+\frac{p_i{h}_i^2}{{\mathrm{\σ}}_n^2(1+{\mathrm{\γ}}_i)}))$

求取认知无线电在各子载波上的总传输速率C(т，{p₁，p₂，，，p_L})；

式中：L为子载波个数，T为感知周期，i＝1，2，...，L，L为正整数；P_f，i为子载波i的虚警概率；P_d，i为子载波i的检测概率，p_i为认知无线电子载波i的发射功率，γ_i为子载波i的接收信噪比，h_i为子载波i的信道增益；

步骤二、根据公式：

$\underset{\mathrm{\τ},\{p_1,p_2,,,p_L\}}{\max }C(\mathrm{\τ},\{p_1,p_2,,,p_L\left\}\right)$

$s.t.\left(a\right)\left\{\begin{array}{c}{P}_{f,i}\≤\mathrm{\α}\\ P_{d,i}\≥\mathrm{\β}\end{array}\right.,i=\mathrm{1,2},...,L$

(b)0≤т≤T

$\left(c\right)\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\≤p_{\max },p_i\≥0$

获得感知时间和子载波功率联合分配的优化函数

式中：α是虚警概率的约束值；β是检测概率的约束值，p_max是最大总功率；

步骤三、根据公式：

$\underset{\mathrm{\τ}}{\max }C\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{T-\mathrm{\τ}}{T}(\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}(1-Q({\mathrm{\ξ}}_i+{\mathrm{\γ}}_i\sqrt{{\mathrm{\τf}}_s}))r_i^0+\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}(1-\mathrm{\β})r_i^1)$

s.t.max(v₁，v₂，...v_L)≤т≤T

获得感知时间т的子优化函数

式中：

$r_i^0=\log (1+\frac{p_i{h}_i^2}{{\mathrm{\σ}}_n^2}),$ $r_i^1=\log (1+\frac{p_i{h}_i^2}{{\mathrm{\σ}}_n^2(1+{\mathrm{\γ}}_i)})$

${\mathrm{\ξ}}_i=Q^{-1}\left(\mathrm{\β}\right)\sqrt{{2\mathrm{\γ}}_i+1},$ $v_i=\frac{(Q^{-1}\left(\mathrm{\α}\right)-{\mathrm{\ξ}}_i)}{{\mathrm{\γ}}_i^2{f}_s};$

并根据公式：

$s.t.\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\≤p_{\max },p_i\≥0$

获得载波功率向量{p₁，p₂，，，p_L}的子优化函数

式中：

步骤四、将最优子载波功率代入步骤三获得的感知时间т的子优化函数获得最优感知时间解т^*；

其中：最优子载波功率的初值通过公式：

$p_i^{*}=p_{\max }/L$

获得；

步骤五、将步骤四获得的最优感知时间т^*代入步骤三获得的载波功率向量{p₁，p₂，，，p_L}的子优化函数获得最优的子载波功率解

步骤六、判断步骤四获得的最优的感知时间解т^*和步骤五获得的最优的子载波功率解是否均达到收敛，如果判断结果为否，则返回执行步骤四；如果判断结果为是，则将该最优的感知时间解т^*和子载波功率解作为宽带认知无线电中感知时间和子载波功率联合分配的结果，完成宽带认知无线电中感知时间和子载波功率联合分配。

步骤三中感知时间т的求解方法为：

步骤A、求函数C(т)关于感知时间т的导数以及v₁，v₂，...v_L中的最大值v_max，并且令т_min＝v_max和т_max＝T；

步骤B、判断是否为如果判断结果为是，则最优感知时间т＝v_max，完成求解；如果判断结果为否，则执行步骤C；

步骤C、并令т′＝(т_max+т_min)/2；

步骤D、判断是否为如果判断结果为是，则т_min＝т′；如果判断结果为否，则т_max＝т′；

步骤E、判断是否为|т_max-т_min|≤10^-3，如果判断结果为否，则返回执行步骤C；

如果判断结果为是，则最优感知时间为：т^*＝(т_max+т_min)/2，完成求解。

步骤五中获得最优的子载波功率解表示为：

式中：(.)⁺表示max(.，0)，λ是拉格朗日乘子；通过将上式代入：

$\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i^{*}=p_{\max }$

获得λ。

步骤二中所述感知时间和子载波功率联合分配的目标函数的约束条件包括：各子载波的虚警概率和检测概率的约束、感知时间的约束和各子载波总功率的约束。

本发明是一种宽带认知无线电中感知时间和子载波功率联合分配的方法，它通过交替地优化感知时间和子载波功率，使得认知无线电各子载波获得的总速率最大，实现大幅度提高认知无线电的总传输速率。同时本发明还能够保障认知无线电在每个子载波的单独检测性能，包括虚警概率和检测概率，以及认知无线电总的发射功率的要求。

附图说明

图1是背景技术中所述的宽带认知无线电的基本结构示意图；图2是背景技术中所述的基于“先听后传”的周期性多载波感知传输策略的原理示意图；图3是本发明具体实施方式一的流程示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图3说明本具体实施方式，宽带认知无线电中感知时间和子载波功率联合分配的方法，它由以下步骤实现：

步骤一、求取认知无线电在各子载波上的总传输速率为：

$C(\mathrm{\τ},\{p_1,p_2,,,p_L\left\}\right)=\frac{T-\mathrm{\τ}}{T}(\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}(1-P_{f,i})\log (1+\frac{p_i{h}_i^2}{{\mathrm{\σ}}_n^2})+\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}(1-P_{d,i})\log (1+\frac{p_i{h}_i^2}{{\mathrm{\σ}}_n^2(1+{\mathrm{\γ}}_i)}))---\left(2\right)$

式中：L为子载波个数，T为感知周期，i＝1，2，...，L，L为正整数；P_f，i为子载波i的虚警概率；P_d，i为子载波i的检测概率，p_i为认知无线电子载波i的发射功率，γ_i为子载波i的接收信噪比，h_i为子载波i的信道增益；

步骤二、设计优化问题：目标函数为最大化认知无线电总的传输速率，约束条件包括：(a)各子载波的虚警概率和检测概率的约束；(b)感知时间的约束；(c)各子载波总功率的约束。联合分配的优化问题表示为：

$\underset{\mathrm{\τ},\{p_1,p_2,,,p_L\}}{\max }C(\mathrm{\τ},\{p_1,p_2,,,p_L\left\}\right)$

$s.t.\left(a\right)\left\{\begin{array}{c}{P}_{f,i}\≤\mathrm{\α}\\ P_{d,i}\≥\mathrm{\β}\end{array}\right.,i=\mathrm{1,2},...,L$

(b)0≤т≤T

$\left(c\right)\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\≤p_{\max },p_i\≥0---\left(3\right)$

其中α和β是虚警概率和检测概率的约束，p_max是最大总功率。

步骤三、将关于感知时间和子载波功率向量的双变量联合优化问题分解为两个分别关于感知时间和子载波功率向量的单变量子优化问题。当向量{p₁，p₂，，，p_L}固定，关于感知时间т的子优化问题为：

$\underset{\mathrm{\τ}}{\max }C\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{T-\mathrm{\τ}}{T}(\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}(1-Q({\mathrm{\ξ}}_i+{\mathrm{\γ}}_i\sqrt{{\mathrm{\τf}}_s}))r_i^0+\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}(1-\mathrm{\β})r_i^1)$

s.t.max(v₁，v₂，...v_L)≤т≤T    (4)

其中：

$r_i^0=\log (1+\frac{p_i{h}_i^2}{{\mathrm{\σ}}_n^2}),$ $r_i^1=\log (1+\frac{p_i{h}_i^2}{{\mathrm{\σ}}_n^2(1+{\mathrm{\γ}}_i)})$

${\mathrm{\ξ}}_i=Q^{-1}\left(\mathrm{\β}\right)\sqrt{{2\mathrm{\γ}}_i+1},$ $v_i=\frac{(Q^{-1}\left(\mathrm{\α}\right)-{\mathrm{\ξ}}_i)}{{\mathrm{\γ}}_i^2{f}_s}$

当感知时间т给定，关于子载波功率向量{p₁，p₂，，，p_L}的子优化问题表示为

$s.t.\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\≤p_{\max },p_i\≥0---\left(5\right)$

其中

步骤四、将求得的最优子载波功率(初次计算)代入关于感知时间的子优化问题(4)，求得最优的感知时间解。最优т的求解方法为：

(1)：求函数C(т)关于т的导数以及v₁，v₂，...v_L中的最大值v_max，并且令т_min＝v_max和т_max＝T；

(2)：如果最优感知时间т^*＝v_max，算法结束。

(3)：令т′＝(т_max+т_min)/2；

(4)：如果т_min＝т′，否则如果т_max＝т′；

(5)：重复(3)和(4)直到|т_max-т_min|≤10^-3；

(6)：最优т^*＝(т_max+т_min)/2。

步骤五、将求得的最优感知时间т^*代入关于子载波功率的子优化问题(5)，求得最优的子载波功率解通过采用拉格朗日乘子算法，表示为

其中(.)⁺表示max(.，0)，λ是拉格朗日乘子；通过将式(6)带入 $\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i^{*}=p_{\max }$ 获得λ。

步骤六、交替地迭代执行步骤4和步骤5直到感知时间和子载波功率向量均达到收敛，即：t次迭代和t+1次迭代获得的解满足|т^(t+1)-т^(t)|≤10^-3以及 $\sqrt{{\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}|p_i^{(t+1)}-p_i^{\left(t\right)}|}^2}\≤{10}^{-3}.$

本发明提出了宽带认知无线电感知时间和子载波功率的联合分配，提出的分配方法旨在提高认知无线电的频谱利用率和保证认知无线电对授权用户产生较低的干扰。本发明的主要思路是通过感知时间和子载波功率的联合分配，认知无线电能够在所有的子载波上获得最大的总传输速率，同时确保每个子载波的虚警概率和检测概率，以及认知无线电的总发射功率在预先给定的约束之内。

Claims (4)

1.宽带认知无线电中感知时间和子载波功率联合分配的方法，其特征是：它由以下步骤实现：

步骤一、采用公式：

$C(\mathrm{\τ},\{p_1,p_2,,,p_L\left\}\right)=\frac{T-\mathrm{\τ}}{T}(\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}(1-P_{f,i})\log (1+\frac{p_i{h}_i^2}{{\mathrm{\σ}}_n^2})+\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}(1-P_{d,i})\log (1+\frac{p_i{h}_i^2}{{\mathrm{\σ}}_n^2(1+{\mathrm{\γ}}_i)}))$

求取认知无线电在各子载波上的总传输速率C(τ,{p₁,p₂,,,p_L})；

式中：L为子载波个数，T为感知周期，i＝1，2，...，L，L为正整数；P_f,i为子载波i的虚警概率；P_d,i为子载波i的检测概率，p_i为认知无线电子载波i的发射功率，γ_i为子载波i的接收信噪比，h_i为子载波i的信道增益，为噪声方差；

步骤二、根据公式：

$\underset{\mathrm{\τ},\{p_1,p_2,,,p_L\}}{\max }C(\mathrm{\τ},\{p_1,p_2,,,p_L\left\}\right)$

$s.t.\left(a\right)\left\{\begin{array}{c}{P}_{f,i}\≤\mathrm{\α}\\ P_{d,i}\≥\mathrm{\β}\end{array}\right.,i=\mathrm{1,2},...,L$

(b)0≤τ≤T

$\left(c\right)\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\≤p_{\max },p_i\≥0$

获得感知时间和子载波功率联合分配的优化函数C(τ,{p₁,p₂,,,p_L})；

式中：α是虚警概率的约束值；β是检测概率的约束值，p_max是最大总功率；

步骤三、根据公式：

$\underset{\mathrm{\τ}}{\max }C\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{T-\mathrm{\τ}}{T}(\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}(1-Q({\mathrm{\ξ}}_i+{\mathrm{\γ}}_i\sqrt{\mathrm{\τ}{f}_s})){r_i}^0+\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}(1-\mathrm{\β}){r_i}^1)$

s.t. max(v₁，v₂，...v_L)≤τ≤T

获得的感知时间τ的子优化函数

式中：f_s为采样频率；

${r_i}^0=\log (1+\frac{p_i{h}_i^2}{{\mathrm{\σ}}_n^2}),{r_i}^1=\log (1+\frac{p_i{h}_i^2}{{\mathrm{\σ}}_n^2(1+{\mathrm{\γ}}_i)});$

${\mathrm{\ξ}}_i=Q^{-1}\left(\mathrm{\β}\right)\sqrt{{2\mathrm{\γ}}_i+1},v_i=\frac{(Q^{-1}\left(\mathrm{\α}\right)-{\mathrm{\ξ}}_i)}{{\mathrm{\γ}}_i^2{f}_s};$

并根据公式：

$s.t.\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\≤p_{\max },p_i\≥0$

获得载波功率向量{p₁,p₂,,,p_L}的子优化函数C({p₁,p₂,,,p_L})；

式中：

步骤四、将最优子载波功率代入步骤三获得的感知时间τ的子优化函数获得最优感知时间解τ^*；

其中：最优子载波功率的初值通过公式：

$p_i^{*}=p_{\max }/L$

获得；

步骤五、将步骤四获得的最优感知时间τ^*代入步骤三获得的载波功率向量{p₁,p₂,,,p_L}的子优化函数C({p₁,p₂,,,p_L})，获得最优的子载波功率解

步骤六、判断步骤四获得的最优的感知时间解τ^*和步骤五获得的最优的子载波功率解是否均达到收敛，如果判断结果为否，则返回执行步骤四；如果判断结果为是，则将该最优的感知时间解τ^*和子载波功率解作为宽带认知无线电中感知时间和子载波功率联合分配的结果，完成宽带认知无线电中感知时间和子载波功率联合分配。

2.根据权利要求1所述的宽带认知无线电中感知时间和子载波功率联合分配的方法，其特征在于步骤三中感知时间τ的求解方法为：

步骤A、求函数C(τ)关于感知时间τ的导数以及v₁,v₂,...v_L中的最大值v_max，并且令τ_min＝v_max和τ_max＝T；

步骤B、判断是否为如果判断结果为是，则最优感知时间τ^*＝v_max，完成求解；如果判断结果为否，则执行步骤C；

步骤C、并令τ′＝(τ_max+τ_min)/2；

步骤D、判断是否为如果判断结果为是，则τ_min＝τ′；如果判断结果为否，则τ_max＝τ′；

步骤E、判断是否为|τ_max-τ_min|≤10^-3，如果判断结果为否，则返回执行步骤C；如果判断结果为是，则最优感知时间为：τ^*＝(τ_max+τ_min)/2，完成求解。

3.根据权利要求1所述的宽带认知无线电中感知时间和子载波功率联合分配的方法，其特征在于步骤五中获得最优的子载波功率解表示为：

式中：(.)⁺表示max(.,0)，λ是拉格朗日乘子；通过将上式代入：

$\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i^{*}=p_{\max }$

获得λ。

4.根据权利要求1所述的宽带认知无线电中感知时间和子载波功率联合分配的方法，其特征在于步骤二中所述感知时间和子载波功率联合分配的目标函数C(τ,{p₁,p₂,,,p_L})的约束条件包括：各子载波的虚警概率和检测概率的约束、感知时间的约束和各子载波总功率的约束。