CN103327496B - 考虑次级用户QoS需求的认知网络合作频谱分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种考虑次级用户QoS需求的认知网络合作频谱分配方法，包括：步骤一：授权用户向周围的次级用户广播合作传输请求信息；步骤二：决定参与合作传输的次级用户向授权用户发送应答信息；步骤三：授权用户基于应答信息，计算次级用户的效用等级，效用等级关联于应答信息；步骤四：授权用户根据次级用户的效用等选择合适的合作传输者，授权用户通过广播的方式通知所有合作用户，合作传输阶段合作用户协同授权用户传输；步骤五：协作传输完毕后，合作用户使用分配的网络时隙资源自由传输。本发明通过授权用户广播总的合作传输功率的方式，次级用户就可以计算自己的最优传输功率，次级用户之间不需要交互信息，减少了额外信息的开销。

Description

考虑次级用户QoS需求的认知网络合作频谱分配方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体地涉及一种考虑次级用户QoS需求的认知网络合作频谱分配方法。

背景技术

随着无线网络的快速发展和无线设备的迅速普及，频谱资源变得越来越稀缺。但是，由于历史的原因，频谱资源作为一整块资源分配给了授权用户排他性的使用，导致频谱的使用率十分不均衡。在某些时段或者地区，无线频谱的使用率很低。因此，认知无线电（CR，CognitiveRadio）作为一种新的技术，是一种有望解决无线网络中这一问题的方法。

认知无线电网络中的次级用户通过机会地或动态的接入到已授权频段中并且不影响原本授权用户对网络的使用，从而提高网络的利用率。目前次级用户的接入方式有：第一类是非合作式传输，典型的非合作式传输是动态频谱接入法（DSA，DynamicSpectrumAccess）和机会频谱接入法（OSA，OpportunisticSpectrumAccess）。在这种模式下，次级用户通过监听频谱的使用情况检测可用的频谱资源或者从授权用户的频谱资源市场中购买的方式获得可用频段，从而提高频谱资源的利用率。另一类是合作式传输。在这种模式下，次级用户帮助授权用户进行传输，一方面提高授权用户的传输效率，另一方面节省出额外的频谱资源给次级用户使用。这两类方式都有助于提高频谱资源的利用效率。本发明的认知无线电网络频谱分配方式基于授权用户和次级用户的合作式传输。

虽然授权用户对网络资源具有排他性的使用，但是由于信道衰减、干扰以及多径效应等原因，授权用户的信道条件可能受到较大的影响，从而有必要引入具有较好信道条件的次级用户来进行协作传输。与此同时，次级用户由于期望能够接入到授权频谱中，也有协助授权用户进行传输的动机。授权用户和次级用户的合作传输能够提高授权用户的传输速率以及次级用户的网络接入机会，是一种非常有前景的认知无线电网络部署方式。

在现有技术中，合作式传输多关注于合作传输的方式以及授权用户的总收益，不考虑次级用户的频谱资源需求。然而在实际网络中，每个次级用户根据自身的发送数据类型都有针对频谱资源的QoS需求，如频段上的传输速率、时延等。因此，对于合作式传输中的次级用户而言，如何考虑其QoS需求，同时最大化授权用户的总收益，最终提高频谱利用率成为目前亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出了一种考虑次级用户QoS需求的认知网络合作频谱分配方法，提高授权用户的频谱利用率和次级用户收益。该方法适用于具有多个授权用户、次级用户和一个中心无线接入点的无线网络环境中，具有计算复杂度小，次级用户之间不需要信息交互等优点。

本发明的具体技术方案如下：

一种考虑次级用户QoS需求的认知网络合作频谱分配方法，其特征是在于，包含一个中心基站，M个授权用户，周围有N个需要接入到授权用户网络的次级用户，并且每个j次级用户有自己的最低时隙需求其中1≤j≤N，每个授权用户具有属于自己的一个信道，次级用户通过TDMA的方式接入到授权用户的信道中，使用SlottedALOHA协议作为多用户接入协议，次级用户向授权用户发送自己的时隙需求，授权用户可以从次级用户中选择最多L个次级用户作为合作用户来进行合作传输以提高授权用户的传输速率，传输完毕后授权用户分配部分网络时隙给次级用户，满足或者部分满足次级用户的时隙需求，若部分满足的次级用户能够从分配到的网络时隙资源中收益，其依然参与到合作传输中，具体方法如下：

步骤一：授权用户向周围的次级用户广播合作传输请求信息；

步骤二：决定参与合作传输的次级用户向授权用户发送应答信息，所述应答信息包括：最低时隙需求、用户的网络情况；

步骤三：授权用户基于应答信息，计算次级用户的效用等级，效用等级关联于应答信息；

步骤四：授权用户根据次级用户的效用等级，通过最大化自身收益的方式选择合适的合作用户，授权用户通过广播的方式通知所有合作用户，合作传输阶段合作用户协同授权用户传输；

优选地，所述步骤一中合作传输请求信息包括：授权用户的信道情况、以及过去时期网络时隙分配总量。

优选地，所述步骤二中决定参与合作传输，具体为：次级用户根据自己当前网络信道状况、授权用户的信道情况、过去时期网络时隙分配总量、以及自己的网络需求情况决定是否参加合作传输。

优选地，所述步骤二中的用户的网络情况包括：授权用户与次级用户之间的信道衰减、最低时隙需求、用户单位成功传输数据的收益，以及用户单位不成功传输数据的损失。

优选地，所述授权用户通过下式确定每个次级用户的效用等级X_j，效用等级越高的次级用户的最低时隙需求越容易被满足，

${\mathrm{\χ}}_j=\frac{{\mathrm{\θ}}_j\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}-N+1}{{\widetilde{\mathrm{\ω}}}_j^s{\mathrm{\θ}}_j\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}$

其中为第j个次级用户的最低时隙需求，θ_j＝λ_jR_j为第j个次级用户的网络传输收益，为所有次级用户传输收益的导。

优选地，所述最大化自身收益包括两个步骤：第一个步骤是在给定合作传输用户的条件下，选择最优的时隙分配总量；第二个步骤是选择最优的合作传输用户。

优选地，所述选择最优的合作传输用户包括两个子步骤：用户替换和用户剔除。

优选地，所述用户替换，具体为：

授权用户对次级用户按照他们的效用等级进行降序排序，然后取出前L个次级用户放入候选队列将剩余N-L个用户放入待定队列

授权用户对候选队列和待定队列中的次级用户按照主次用户间的网络质量进行降序排列，将候选队列中网络质量最差的用户和待定队列中网络质量比他好的用户进行替换，计算最优分配时隙总量根据最优分配时隙总量使用下式计算授权用户的收益是否提高，

$u_i^p(\mathrm{\ΣSN}{R}_i,{\mathrm{\ω}}_i^p)=R_{r,i}\left(\mathrm{\ΣSN}{R}_i\right)(1-{\mathrm{\ω}}_i^p)-R_{p,i}$

若收益有所提高，则对该次级用户进行替换；

若收益没有提高，则撤销对该次级用户的替换。

重复上述步骤，将候选队列中的所有次级用户都已经替换或者待定队列中没有次级用户可以用来替换。

优选地，所述用户剔除，具体为：

授权用户对次级用户按照他们的网络质量进行降序排序，然后剔除网络质量最差的次级用户，计算最优分配时隙总量根据最优分配时隙总量计算授权用户的收益是否提高，

若收益有所提高，则对该次级用户进行剔除；

若收益没有提高，则撤销对该次级用户的剔除，

重复上述步骤，直到候选队列中没有次级用户可以剔除。

优选地，其特征在于，所述广播通知合作用户包括：所有合作用户的总合作传输功率。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

通过授权用户广播总的合作传输功率的方式，次级用户就可以计算自己的最优传输功率，次级用户之间不需要交互信息，减少了额外信息的开销。用户通过计算次级用户的效用系数的方式选取最优合作用户，不需要以全局搜索的方式去搜索，降低了计算复杂度。通过考虑次级用户的QoS需求，提高了次级用户的收益，同时通过授权用户和次级用户协作传输的方式，提高了授权频谱的利用率。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明有单个接入点，多个授权用户和多个次级用户共存的认知无线电网络结构示意图；

图3是本发明次级用户需求对授权用户网络吞吐量影响示意图；

图4是本发明次级用户需求对次级用户分配的时隙资源影响示意图；

图5是本发明授权用户状态对次级用户分配的时隙资源影响示意图。

具体实施方式

本发明所提供的考虑次级用户QoS需求的认知网络合作频谱分配方法，包含一个无线接入点AP，M个授权用户PU_i，授权用户有自己的授权频段，1≤i≤M，N个需要接入到授权用户网络的次级用户SU_j，1≤j≤N，其中2≤M≤40，1≤N≤100。一个授权用户具有属于自己的一个信道，使用SlottedALOHA协议作为多用户接入协议，次级用户通过TDMA的方式接入到授权用户的信道中。次级用户向授权用户发送自己的时隙需求，授权用户可以从次级用户中选择最多L个次级用户作为合作用户来进行传输以提高授权用户的传输速率，传输完毕后授权用户分配部分时隙给次级用户，满足或者部分满足次级用户的时隙需求。若部分满足的次级用户能够从分配到的时隙资源中收益，其依然参与到合作传输中。

如图1所示，本发明的步骤如下：

步骤一：授权用户向周围的次级用户广播合作传输请求信息；

步骤二：决定参与合作传输的次级用户向授权用户发送应答信息，所述应答信息包括：最低时隙需求，用户的网络情况；

步骤三：授权用户基于应答信息，计算次级用户的效用等级，效用等级关联于应答信息；

步骤四：授权用户根据次级用户的效用等级，通过最大化自身收益的方式选择合适的合作传输者，授权用户通过广播的方式通知所有合作用户，合作传输阶段合作用户协同授权用户传输；

步骤五：协作传输完毕后，合作用户使用分配的网络时隙资源自由传输。

如图2所示，在实施例所在给定的地理区域范围中，存在一个无线接入点，其覆盖范围为200m，周围随机散布着20个授权用户，每个授权用户都有属于自己的授权频段，且有40个次级用户（图中只标示了6个进行说明，分别是SU₁、SU₂、SU₃、SU₄、SU₅、SU₆），授权用户可以选择其传输覆盖范围内k个次级用户参与合作传输，0≤k≤L，当k＝0时表示授权用户不需要合作传输，直接向无线接入点传输数据。次级用户向周围的授权用户发送自己的网络状况和网络需求，授权用户根据周围次级用户的网络状况和网络需求选择合适的次级用户参与到合作传输，次级用户协助授权用户传输数据，授权用户分配自己的一些网络给次级用户并满足次级用户的网络需求。本实例假设授权用户和次级用户的传输功率P_p和P_s均为100mW，授权用户与次级用户之间的信道衰减γ_ps为2.8。

本实施例包含如下具体步骤：

步骤一：授权用户向覆盖范围内的所有次级用户广播合作传输请求信息。合作传输请求信息包括：授权用户的信道情况，以及时隙分配总量的历史信息；

步骤二：次级用户根据授权用户的发射功率以及接收功率，计算当前信道的衰减参数。根据时隙分配总量的历史信息，以及自己的QoS需求情况决定是否参加合作传输。

次级用户发送给授权用户的状态情况信息包括：授权用户与次级用户之间的信道衰减参数，最低时隙需求，用户单位成功传输数据的收益，以及用户不成功传输单位数据的损失；

步骤三：授权用户基于应答信息，计算次级用户的效用等级χ_j，效用等级关联于应答信息；

步骤四：授权用户根据次级用户的效用等级，通过最大化自身收益的方式选择合作传输者。最大化自身收益包括两个步骤：第一个步骤是在给定合作传输用户的条件下，选择最优的时隙分配总量；第二个步骤是选择最优的合作传输用户。这两个步骤的目的是通过选择最优竞争力的次级用户和给次级创建激烈的竞争环境，来最大化授权用户的收益。选择最优的合作传输用户包含用户替换和用户剔除两个子步骤。授权用户通过广播通知合作传输者，所广播的合作信息包括合作传输者的编号和所有合作用户的总合作传输功率。次级用户根据总合作传输功率计算自己的最优合作传输功率使用该最优合作功率参与授权用户的合作传输；

步骤五：合作传输完毕后，授权用户根据次级用户传输功率的大小，分配相应比例的网络时隙资源给次级用户。次级用户使用分配到的网络时隙资源进行自由传输。

本实施例，步骤四中授权用户通过所知道的次级用户信息，计算得到在均衡状态下的最大收益，表现为每个能够参与合作传输的次级用户对合作传输功率的选择符合授权用户对次级用户的期望。

如图3所示，本实施例中次级用户需求对授权用户吞吐量影响示意图。其中定义ω_s为次级用户对时隙资源的需求，则纵坐标表示在合作传输模式下，授权用户的吞吐量和非合作传输相比提高的倍数。表示授权用户和无线接入点之间的信道衰减。此仿真表明，随着次级用户的最低时隙需求增大，授权用户的吞吐量降低。当授权用户和无线接入点之间信道状况变差时，合作传输更能够更大比例的提高授权用户的传输吞吐量。

如图4所示，本实施例中次级用户需求对次级用户分配的时隙资源影响示意图。其中横坐标为次级用户的最低时隙需求，纵坐标表示次级用户平均分配到的时隙资源数量。L表示授权用户能够选择的最大合作次级用户数量。此仿真表明，随着次级用户最低时隙需求量的上升，每个次级用户能够分配得到的时隙呈现先增后减。当次级用户需求较小时，授权用户的最大合作传输者数量多少对每个合作传输者得到时隙资源没有明显的影响；当次级用户最低时隙需求较大时，增大最大合作传输者数量将降低每个合作传输者得到时隙资源。

如图5所示，本实施例中授权用户信道状况对次级用户分配的时隙资源影响示意图。横坐标表示授权用户的信道衰减，纵坐标表示次级用户平均分配到的时隙资源，γ_s表示次级用户和无线接入点之间的信道衰减。此仿真表明，随着授权用户信道质量变差，次级用户得到的时隙资源将变少，更多的时隙资源使用在授权用户的数据传输中。分配给次级用户的时隙资源比例会趋向一个定值，来保证次级用户具有合作传输的激励。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种考虑次级用户QoS需求的认知网络合作频谱分配方法，其特征在于，包含一个中心基站，M个授权用户，周围有N个需要接入到授权用户网络的次级用户，并且次级用户j有自己的最低时隙需求其中1≤j≤N，每个授权用户具有属于自己的一个信道，次级用户通过TDMA的方式接入到授权用户的信道中，使用SlottedALOHA协议作为多用户接入协议，次级用户向授权用户发送自己的时隙需求，授权用户可以从次级用户中选择最多L个次级用户作为合作用户来进行合作传输以提高授权用户的传输速率，传输完毕后授权用户分配部分网络时隙给次级用户，满足或者部分满足次级用户的时隙需求，若部分满足的次级用户能够从分配到的网络时隙资源中收益，其依然参与到合作传输中，具体方法如下：

步骤一：授权用户向周围的次级用户广播合作传输请求信息；

步骤二：决定参与合作传输的次级用户向授权用户发送应答信息，所述应答信息包括：最低时隙需求、用户的网络情况；

步骤三：授权用户基于应答信息，计算次级用户的效用等级，效用等级关联于应答信息；

步骤四：授权用户根据次级用户的效用等级，通过最大化自身收益的方式选择合适的合作用户，授权用户通过广播的方式通知所有合作用户，合作传输阶段合作用户协同授权用户传输；

步骤五：协作传输完毕后，合作用户使用分配的网络时隙资源自由传输。

2.如权利要求1所述的考虑次级用户QoS需求的认知网络合作频谱分配方法，其特征在于，所述步骤一中合作传输请求信息包括：授权用户的信道情况、以及过去时期网络时隙分配总量。

3.如权利要求1所述的考虑次级用户QoS需求的认知网络合作频谱分配方法，其特征在于，所述步骤二中决定参与合作传输，具体为：次级用户根据自己当前网络信道状况、授权用户的信道情况、过去时期网络时隙分配总量、以及自己的网络需求情况决定是否参加合作传输。

4.如权利要求1所述的考虑次级用户QoS需求的认知网络合作频谱分配方法，其特征在于，所述步骤二中的用户的网络情况包括：授权用户与次级用户之间的信道衰减、用户单位成功传输数据的收益，以及用户单位不成功传输数据的损失。

5.如权利要求1所述的考虑次级用户QoS需求的认知网络合作频谱分配方法，其特征在于，所述最大化自身收益包括两个步骤：第一个步骤是在给定合作传输用户的条件下，选择最优的时隙分配总量；第二个步骤是选择最优的合作传输用户。

6.如权利要求5所述的考虑次级用户QoS需求的认知网络合作频谱分配方法，其特征在于，所述选择最优的合作传输用户包括两个子步骤：用户替换和用户剔除。

7.如权利要求6所述的考虑次级用户QoS需求的认知网络合作频谱分配方法，其特征在于，所述用户剔除，具体为：

授权用户对次级用户按照他们的网络质量进行降序排序，然后剔除网络质量最差的次级用户，计算最优分配时隙总量根据最优分配时隙总量计算授权用户的收益是否提高，

若收益有所提高，则对该次级用户进行剔除；

若收益没有提高，则撤销对该次级用户的剔除，

重复上述步骤，直到候选队列中没有次级用户可以剔除。