CN103997740B - 基于效用优化的认知协作网络联合资源分配方法 - Google Patents

基于效用优化的认知协作网络联合资源分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于效用优化的认知协作网络联合资源分配方法。具体包括：认知无线电网络主、从用户共享频谱资源进行信息传输，各主用户占用相应授权频带进行通信，各从用户对在不干扰主用户通信的情况下，采用直传或协作传输方式进行通信。网络资源调度器接收各从用户业务请求，建模从用户联合效用函数，基于效用最大化准则实现各从用户子信道、发送功率的优化分配及协作中继节点的优化选择。本发明可有效实现认知协作网络频谱资源共享，提高网络整体性能。

Description

基于效用优化的认知协作网络联合资源分配方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是认知协作网络资源分配技术。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，无线设备迅速普及，无线网络在国家经济发展中发挥着越来越重要的作用，并且已渗透到社会的各个领域中。无线技术的飞速发展使得无线网络呈现出高速化、宽带化、异构化等特点，同时也带来了一系列严峻的挑战，其中最为紧迫的即是用户对频谱资源需求的不断增长，导致现有静态分配的认证频带已无法满足用户通信需求。但另一方面，部分已分配认证频带在一些时间或者地区并没有得到充分使用，导致频谱利用率低下。为有效提高频谱资源利用率，缓解频谱资源匮乏问题，采用动态频谱接入机制的认知无线电技术近年来受到广泛关注。
认知无线电系统采用基于软件无线电技术的认知无线电终端，能够动态感知可用频谱，分辨当前网络状态，根据这些状态进行规划、决策和响应，在不影响授权用户(主用户)正常通信情况下动态、智能接入频谱进行数据传输，从而可有效实现频谱资源共享，提高频谱利用率，缓解频谱资源稀缺的问题。
中继协作通信技术通过用户之间的协同传输，可有效提高网络容量和数据传输质量，并降低终端传输功率。认知网络中采用协作通信技术能够使网络中各用户在共享频谱资源的情况下，实现网络性能增强及频谱利用率的提高。认知协作网络中如何结合用户链路特性及业务需求，实现优化子信道、功率分配及中继节点选择是亟待解决的问题。
目前已有认知无线电系统中的资源分配方法设计，如文献[冯志勇，张平，何春，基于中继协作传输的认知无线电系统及其资源分配方法，公开号CN 101895991 B，公开日2013年11月6日]提出一种基于中继协作传输的认知协作系统优化频谱、传输速率分配及中继、路径选择机制，以实现系统有效吞吐量最大化及用户QoS保障。
文献[Liying Li,Xiangwei Zhou,Hongbing Xu,Simplified Relay Selectionand Power Allocation inCooperative Cognitive Radio Systems,IEEE Transactionson Wireless Communications,Vol.10,No.1,Jan 2011]中提出一种联合中继选择和功率分配的方法，在不干扰主用户正常通信的条件下，优化中继选择和功率分配以实现从用户系统吞吐量最大化。
现有研究主要以系统吞吐量最大化为优化目标，未考虑用户能耗，可能导致用户能效较低，对于大量用户，特别是使用能量敏感终端的用户，业务体验将受到严重影响；另外，现有研究较为孤立地考虑认知网络中的中继选择、子信道分配或功率分配问题，未综合考虑多因素的联合优化，无法实现网络整体性能优化。
发明内容
针对现有认知无线网络中频谱、功率分配存在的技术难题，本发明提出一种基于效用优化的认知协作网络联合资源分配方法。认知无线电网络中主、从用户共享频谱资源进行信息传输，各主用户占用相应授权频带进行通信，各从用户对在不干扰主用户通信的情况下，采用直传或者中继协作方式进行通信。网络资源调度器(NRM)接收各从用户业务请求，建模从用户联合效用函数，基于效用最大化准则，实现各从用户子信道、发送功率、协作中继节点的联合优化分配。本发明有效实现认知网络中频谱资源共享，提高整个网络的效用。具体技术方案如下：
一种基于效用优化的认知协作网络联合资源分配方法，在有多个主用户及从用户对的认知协作网络中，从用户对以直传或中继协作方式进行通信，网络资源调度器NRM接收各从用户发送的业务请求消息，根据从用户传输模式、协作中继节点选择、子信道及功率分配，建立从用户变量矩阵X，根据从用户吞吐量确定从用户联合收益函数R(X)，根据节点选择直传通信模式时消耗的功率、节点采用中继协作通信模式的发送功率确定联合成本函数P；建立从用户联合效用函数U(X)＝R(X)-λP；基于效用最大化准则求解联合效用函数最大化的用户变量矩阵X*，获取从用户优化资源分配策略，其中，λ为归一化参数。
所述建立从用户变量矩阵X进一步包括：获取从用户i在子信道m的优化向量 m＝1,2,…,M，，令建立从用户i的优化向量获得从用户变量矩阵X＝[X1,X2,…,XN]T，其中，为二元优化变量，N为从用户数，为节点i为源节点分别选择节点1，2，N进行中继协作的发送功率，为节点1，2，N作为节点i的中继节点与目的节点Di通信时的发送功率，表示第i个源节点占用信道m以直传的通信模式进行通信时消耗的功率，为二元子信道标，表示从用户i占用子信道m传输信息至中继节点N。
从用户联合收益函数R(X)为网络中从用户吞吐量之和，根据公式：计算从用户i的吞吐量Ri，其中，为节点i采用直传模式传输数据时的速率，为节点i采用协作模式传输数据时的速率。所述二元优化变量其中，表示第i个从用户选择直传模式传输信息至其目的端，表示第i个从用户采用中继协作传输模式，NRM基于从用户联合效用最大化准则确定对应各从用户对最优传输模式。NRM为通信链路优化分配传输子信道，若第i个从用户采用直传模式，定义二元子信道标 表示第i个源用户占用子信道m以直传方式与目的节点Di进行通信；若第i个从用户采用中继协作传输模式，定义子信道分配标识 表示从用户i占用子信道m传输信息至中继节点j，中继节点j占用该子信道转发数据至Di；其中，子信道分配标识满足条件： 根据节点i占用子信道m进行数据传输对应的传输速率，调用公式获取节点i采用直传模式传输数据时的速率，其中，根据子信道带宽、从用户i占用子信道m传输数据至目的节点Di对应的发送功率、节点i到Di的信道增益、干扰及噪声功率确定根据节点i占用子信道m通过中继节点j与Di通信对应的传输速率调用公式确定节点i采用协作模式传输数据时的速率。 为节点i采用直传模式传输数据时的速率，表示节点i占用子信道m进行数据传输对应的传输速率，即其中，W为子信道带宽， 为从用户i占用子信道m传输数据至Di对应的发送功率，分别为节点i到Di链路的信道增益、干扰及噪声，其中，分别为 为节点i采用协作模式传输数据时的速率，表示节点i占用子信道m通过中继节点j与Di通信对应的传输速率， 其中， 其中，分别为节点i至节点j链路的信道增益、干扰及噪声功率。
从用户i的功率为其中，Pi D表示第i个源节点选择直传的通信模式时消耗的功率，Pi m表示第i个源节点占用信道m以直传的通信模式进行通信时消耗的功率。Pi Co表示第i个节点采用中继协作通信模式所对应的发送功率，包括作为协作链路的源节点及中继节点所对应的发送功率，即
为避免从用户的通信对主用户产生干扰，主用户接收端的信干噪比应高于给定门限值。若主用户PUi发送至PUj，接收端PUj处的信干噪比应高于给定门限值即为保证各从用户链路(i,j)的正常通信，目的节点j处的信干噪比应高于给定门限值，即
本发明针对认知无线电网络多个从用户和主用户共享频谱进行通信的应用 场景，提出一种基于网络联合效用优化的资源分配方法，建模从用户联合能效函数，基于能效最大化准则，实现各从用户子信道、发送功率、协作中继节点的联合优化分配等。该方法可有效实现认知网络中频谱资源共享，并在满足认知用户业务需求基础上，提高整个网络的效用。
附图说明
图1认知协作网络系统模型图；
图2基于网络联合效用优化的资源分配方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施案例对本发明做进一步详细说明。本发明采用如下技术方案实现：
假设网络覆盖区域内存在K个主用户和N个从用户，每个主用户占用一个授权频带，每个授权频带可划分为多个子信道，假设各个子信道带宽均为W。多组从用户可以在不干扰主用户且不相互干扰的情况下选择占用一个授权子信道进行通信。图1为案例场景图。
图2为本发明提出的基于网络效用优化的认知协作网络联合资源分配方法流程图，具体包括：
S1：各从用户发送业务请求消息至网络资源调度器(NRM)；
S2：NRM定义从用户传输模式变量。NRM定义二元优化变量 其中，表示第i个从用户选择直传模式传输信息至其目的端，表示第i个从用户采用中继协作传输模式。
S3：NRM定义从用户子信道分配标识。定义二元子信道标识 表示第i个源用户占用子信道m以直传方式与目的节点Di进行通信。若第i个从用户采用中继协作传输模式，定义子信道分配标识表示从用户i占用子信道m传输信息至中继节点j，中继节点j占用该子信道转发数据至Di。
子信道分配标识应满足以下条件：每个从用户最多可以分配一个子信道，即且每个源用户最多选择一个中继 节点进行协作传输，每个中继节点最多为一个源节点进行协作转发，即
S4：NRM建立从用户优化变量矩阵。根据从用户的优化向量建立从用户变量矩阵X＝[X1,X2,…,XN]T，i＝1,2,…,N，其中，从用户i的优化向量 根据源节点占用信道进行通信时消耗的功率、二元子信道标识、子信道分配标识建立从用户在子信道的优化向量，根据公式：确定从用户i在子信道m的优化向量，其中，表示第i个源节点占用信道m以直传的通信模式进行通信时消耗的功率，通过求解联合效用函数优化问题，可得最佳从用户优化矩阵X，对应从用户最优传输模式、子信道、功率分配及中继选择方案。
S5：根据从用户吞吐量确定从用户联合收益函数R(X)，根据节点选择直传通信模式时消耗的功率、节点采用中继协作通信模式的发送功率确定联合成本函数P。
从用户联合收益函数为从用户吞吐量之和，根据公式计算从用户联合收益函数，其中，Ri为第i个从用户吞吐量，为节点i采用直传模式传输数据时的速率，表示节点i占用子信道m进行数据传输对应的传输速率，根据子信道带宽W、从用户i占用子信道m传输数据至Di对应的发送功率节点i到Di链路的信道增益干扰及噪声功率根据公式：确定节点i占用子信道m进行数据传输对应的传输速率。其中，分别为 是节点i作为源节点选择中继j协作的发送功率，为节点j作为节点i的中继节点与目的节点Di通信对应的发送功率。为节点i采用协作模式传输数据时的速率，表示节点 i占用子信道m通过中继节点j与Di通信对应的传输速率， 其中，其中，分别为节点i至节点j链路的信道增益、干扰及噪声功率。
根据节点选择直传通信模式时消耗的功率、节点采用中继协作通信模式的发送功率，根据公式计算从用户i的功率，由此获得从用户联合成本函数为其中，表示第i个源节点选择直传通信模式时消耗的功率，表示第i个节点采用中继协作通信模式所对应的发送功率，包括作为协作链路的源节点及中继节点所对应的发送功率，即
S6：根据从用户联合收益函数R(X)和联合成本函数P建立从用户联合效用函数U(X)＝R(X)-λP，其中，λ为归一化参数。
S7：建立主、从用户干扰限制。
若主用户PUi发送信号至从用户PUj，接收端PUj处的信干噪比应高于给定门限值即为保证各从用户链路(i,j)的正常通信，目的节点j处的信干噪应高于给定门限值，即
S8：求解对应联合效用最大化的变量矩阵
NRM根据网络状况求解联合效用函数最大化的用户变量矩阵，可得：其中，若则从用户i应采用直传方式进行通信，否则，从用户i采用协作传输模式进行通信， 表示从用户i占用子信道m以直传模式传输信息至通信对端，Pi m*为从用户对应传输功率值，Pi m*为从用户对应传输功率值，若则表示从用户i不占用子信道m以直传模式传输信息至通信对端，表示从用户i应选择从用户j作为中继节点占用子信道m进行信息传输，为对应从用 户i的最佳传输功率值，为对应中继用户j的最佳传输功率值，若则表示从用户i不选择从用户j作为中继节点并占用子信道m进行信息传输，j＝1,2,…,N，m＝1,2,…,M，从而实现从用户传输模式、子信道、传输功率及中继节点的联合优化确定。

Claims (7)

1.一种基于效用优化的认知协作网络联合资源分配方法，其特征在于：从用户对以直传或中继协作通信模式进行通信，网络资源调度器NRM接收各从用户发送的业务请求消息，根据从用户传输模式、协作中继节点选择、子信道及功率分配，建立从用户变量矩阵X，根据从用户吞吐量确定从用户联合收益函数R(X)，根据节点采用直传通信模式时消耗的功率或节点采用中继协作通信模式时的发送功率确定联合成本函数P；建立从用户联合效用函数U(X)＝R(X)-λP；基于效用最大化准则求解联合效用函数最大化的用户变量矩阵X*，获取从用户优化资源分配策略，其中，λ为归一化参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立从用户变量矩阵X进一步包括：根据公式：确定从用户i在子信道m的优化向量，建立从用户i的优化向量获得从用户变量矩阵X＝[X1,X2,…,XN]T，其中，i＝1,2,…,N，m＝1,2,…,M，为二元优化变量，N为从用户数，为节点i为源节点分别选择节点1，2，N进行中继协作的发送功率，为节点1，2，N作为节点i的中继节点与目的节点Di通信时的发送功率，Pi m表示第i个源节点占用信道m以直传的通信模式进行通信时消耗的功率，为二元子信道标，表示从用户i占用子信道m传输信息至中继节点N。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从用户联合收益函数R(X)为网络中所有从用户吞吐量之和，根据公式：计算从用户i的吞吐量Ri，其中，为节点i采用直传模式传输数据时的速率，为节点i采用协作模式传输数据时的速率,二元优化变量其中，表示第i个从用户选择直传模式传输信息至其目的端，表示第i个从用户采用中继协作传输模式。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据第i个源节点选择直传通信模式时消耗的功率Pi D，第i个节点采用中继协作通信模式时的发送功率Pi co，根据公式计算从用户i的功率，调用公式：获得从用户联合成本函数，为二元优化变量。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述NRM基于从用户联合效用最大化准则确定对应各从用户对最优传输模式。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，NRM为通信链路优化分配传输子信道，若第i个从用户采用直传模式，定义二元子信道标识表示第i个用户占用子信道m以直传方式与目的节点Di进行通信；若第i个从用户采用中继协作传输模式，定义子信道分配标识表示从用户i占用子信道m传输信息至中继节点j，中继节点j占用该子信道转发数据至Di，其中，子信道分配标识满足条件：
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据节点i占用子信道m进行数据传输对应的传输速率，调用公式获取节点i采用直传模式传输数据时的速率，其中，根据子信道带宽、从用户i占用子信道m传输数据至目的节点Di对应的发送功率、节点i到Di的信道增益、干扰及噪声功率确定根据节点i占用子信道m通过中继节点j与Di通信对应的传输速率调用公式确定节点i采用协作模式传输数据时的速率；为二元子信道标，为子信道分配标识。
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