CN104065426A - 认知无线电中基于主用户估测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基于主用户估测的合作共享方法，包括步骤：多个频谱拥有者和多个次级用户构成认知无线电网络，为主用户分配备选的二级用户合作对象；主用户PU估测次级用户最低类型，并根据类型提出合作协议；次级用户根据协议选择合作的主用户，并反馈给主用户；主用户更新合作协议直到受益最大化。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

认知无线电中基于主用户估测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 cognitiveradio 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。

根据本发明提供的一种认知无线电中基于主用户估测的频谱合作共享方法，包括如下步骤：

步骤一，多个主用户PU和多个次级用户SU构成认知无线电网络；

步骤二，首先进行信道检测：每个主用户的发射器PR_k检测自身到每个二级用户中继发射器ST_m之间的信道增益H_nm和自身直连的信道增益H_n；每个SU检测自身到相应主用户接收器PR_n之间的信道增益H_mn和自身直连的信道增益H_m；信道检测完成后，每个主用户PU和次级用户SU只知道自己本身的信道情况；

然后，每个主用户PU估测各个次级用户SU的最低类型并根据最低类型提出合作协议其中，p^(n,l)为主用户接收机在合作通信中由次级用户中继接收到的功率，为SU通过合作获得的传输时间；

步骤三，每个次级用户SU接收到来自不同主用户PU的合作协议，并从这些合作协议中选择使自己收益最大的协议，将选择结果反馈给各个主用户PU；

步骤四，重复步骤二和步骤三，直到步骤二和步骤三所构成算法收敛；主用户PU与确定合作的次级用户SU按照合作协议进行合作通信。

优选地，在步骤一中，所述认识无线电网络的网络接入协议特征是每个时段分为两部分：一部分是用于PU传输的合作阶段部分T_n，另一部分是用于SU的传输阶段部分

在不知道主用户且不知道次级用户的具体信息的情况时，在合作阶段部分T_n，PU首先将数据以广播形式发送给相应的接收机和中继的SU，然后接收到数据的中继的SU将数据中继给相应的PU接收机，PU接收机接收到的功率为p^(n,m)；

在用于SU的传输阶段部分中继的SU按照网络接入协议规定的时间传输数据；其他SU不得接入频谱；SU为PU中继所作出的贡献是SU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，且在接下来的传输阶段只能使用该PU提供的频谱资源；

其中，对合作阶段部分T_n，在第一个0.5T_n的时段部分中，对某个PU，记为PU_n，PU_n的发射器PT_n向主用户接收器PR_n和中继的二级用户发射器ST_m传输数据，这时PR_n获得的数据率为

$\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{dir}}^{\left(n\right)}=\log (1+{\mathrm{SNR}}_{{\mathrm{PT}}_n,{\mathrm{PR}}_n})\\ =\log (1+\frac{p_n{H}_n^2}{{\mathrm{\σ}}^2})\end{array}$ 式一

其中p_n表示PT_n的发射功率，H_n表示PT_n与PR_n之间的信道参数，σ²表示噪声功率，表示PT_n与PR_n之间的信噪比；

在余下的0.5T_n的时段部分中，ST_m向PR_n传输数据；这该余下的0.5T_n的时段部分PR_n获得的数据率为

$\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{relay}}^{(n,m)}=\log (1+{\mathrm{SNR}}_{{\mathrm{ST}}_m,{\mathrm{PR}}_n})\\ =\log (1+\frac{p^{(n,m)}}{{\mathrm{\σ}}^2})\end{array}$ 式二

其中，p^(n,m)是负责为主用户中继传输的二级用户的发射器ST_i在合作阶段为PU服务而消耗的功率，表示ST_i与PR_n之间的信噪比。

优选地，所述第二步中，主用户PU估测SU的最低类型的方法是：

首先，次级用户SU的类型是按照如下方法定义的：

考虑PU的合作通信收益等于合作获得的数据速率与不合作直连的数据速率之差，即

${\mathrm{\π}}_n^{(n,m)}=\frac{T_n(R_{\mathrm{dir}}^{\left(n\right)}+R_{\mathrm{relay}}^{(n,m)})}{2(T_n+t^{(n,m)})}-R_{\mathrm{dir}}^{\left(n\right)}$ 式三

其中，t^(n,m)表示网络接入协议中的次级用户传输时间；

仅当该合作通信收益大于零时，合作通信的条件才成立，即需要满足H_nm＞H_n，其中，H_nm表示主用户与次级用户之间的信道参数，H_n表示主用户自身通信的信道参数；与此同时，SU的合作通信收益由两部分组成，分别是正的在分配时间内获得的通信收益和负的帮助PU通信和自身通信的能量损耗；用下式表示：

${\tilde{u}}_n^{(n,m)}=I\{H_{\mathrm{nm}}>H_n\}{t}^{(n,m)}\log (1+\frac{p_m{H}_m^2}{{\mathrm{\σ}}^2})-C_m(\frac{T_n{p}^{(n,m)}}{2H_{\mathrm{mn}}^2}+t^{(n,m)}{p}_m)$ 式四

其中I{·}是指示函数，C_m表示SU_m对单位能耗的敏感程度，p_m是SU_m自身通信的功耗，表示SU的合作通信收益，H_nm表示主用户与次级用户之间的信道参数，t^(n,m)表示网络接入协议中的次级用户传输时间，H_mn表示主用户与次级用户之间的信道参数，H_m表示主用户自身通信的信道参数，SU_m表示参与中继传输的次级用户；将式四进行归一化，乘上归一化因子得到的收益函数为

$u_m^{(n,m)}:=\frac{2H_{\mathrm{mn}}^2\·{\tilde{u}}_m^{(n,m)}}{C_m{T}_n}=t^{(n,m)}{\mathrm{\θ}}_m^{(n,m)}-p^{(n,m)}$ 式五

其中，表示经归一化后的SU的合作通信收益，运算符号:＝表示定义为，T_n表示帧的总时间，p^(n,m)表示网络接入协议规定的主用户接收到的中继信号功率；

表示次级用户SU的类型，具体定义为

${\mathrm{\θ}}_m^{(n,m)}=I\{H_{\mathrm{nm}}>H_n\}\frac{2H_{\mathrm{mn}}^2(\log (1+\frac{p_m{H}_m^2}{{\mathrm{\σ}}^2})-C_m{p}_m)}{C_m{T}_n}$ 式六

进一步地，主用户PU首先将初始估测值设为0，如果反馈收到的满足条件的合作的SU的个数大于1，则在每次重新估计次级用户类型时，在估测值上增加一个极小的正数δ，直到只有一个合作的SU为止，其中，所述满足条件是指满足式七：

$u_m^{(n,m)}\≥0$ 式七

其中，表示经归一化后的SU的合作通信收益。

优选地，所述第二步中，提出合作协议的方法是，通过估测的次级用户最低类型，建立最优化问题，即式八，目标是最大化主用户从次级用户那里得来的收益，通过求导解该问题得到合作协议；

$\begin{array}{c}\underset{\left\{(p^{(n,m)},t_m^{(n,m)})\right\}}{\max }{\mathrm{\π}}_n^{(n,m)}=\frac{T_n(R_{\mathrm{dir}}^{\left(n\right)}+R_{\mathrm{relay}}^{(n,m)})}{2(T_n+t^{(n,m)})}\\ \mathrm{subjectto}{u}_m^{(n,m)}=o_m^{(n,m)}\end{array}$ 式八

其中，表示主用户分给参与合作的次级用户的收益，的具体形式由式五给出，类型为估测值p^(n,m)表示网络接入协议规定的主用户接收到的中继信号功率，表示网络接入协议中的次级用户传输时间，表示优化的目标参数，即网络接入协议参数，表示主用户的收益；

求导解该问题得到最优合作协议：在确定合作协议时，先将主用户分给参与合作的次级用户的收益设为一个正值，如果满足要求的合作的SU个数大于1，再逐步减小，直到合作的SU个数为1；如果降为0后满足要求的合作的SU个数仍大于1，此时在开始调整估测类型值

优选地，所述第三步中，次级用户SU选择合作的主用户PU的方法是，依照式五，次级用户SU根据自己的类型计算得出最适合自己的合作协议也就是选择是自己收益最大的合作协议，并反馈给主用户，主用户根据反馈结果重新估测次级用户类型

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

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、单个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

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的多个PU和多个SU构成认知无线电网络示意图。

图2为PU与SU频谱合作共享的帧结构。

图3为算法迭代的过程。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

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。

(a)首先PU确定与其合作的一个SU，并确定合作协议。在合作阶段，在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)和协议中的次级用户发射器(ST_S)传输数据；

(b)在合作阶段中余下的的时段部分中，ST_S向PR_k传输数据并保证PR_k接收到的信号功率为p^(n,m)；

(c)租赁阶段内，协议中的次级用户SU_S按照协议接入信道进行通信，通信时间为

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。区域中同时有3个SU，每个PU和SU的发射机PT_k和ST_S随机分布在区域内，相应的接收机PR_k和SR_S则随机分布在对应发射机的周围。仅考虑大尺度信道衰落，信道参数与距离成反比关系。噪声功率σ²＝1，迭代估计次级用户类型时，迭代因子δ＝0.01。

本实施例包括如下具体步骤：

步骤一，两个主用户PU和三个二级用户SU构成认知无线电网络。

每个时段分为两部分：用于PU传输的合作阶段部分T_n，以及用于SU的传输阶段部分在合作阶段，PU首先将数据以广播形式发送给相应的接收机和中继的SU，然后接收到数据的SU将数据中继给相应的接收机，接收到的功率为p^(n,m)。在SU的传输阶段部分中继的SU按照协议规定的时间传输数据。其他SU不得接入频谱。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，且在接下来的传输阶段只能使用该PU提供的频谱资源。

步骤二，主用户PU估测次级用户SU类型并根据类型提出合作协议

将初始估测值设为0，通过解式八的最优化问题得到该估测下的使PU收益最大的传输协议将合作协议发送给相关的SU。

步骤三，次级用户SU收到来自不同主用户的合作协议，并从其中选择使自己收益最大的协议将结果反馈给主用户。主用户根据反馈结果重新估测次级用户类型

次级用户SU收到协议后，通过式五根据自己的类型计算得出最适合自己合作协议将结果报知给PU。

步骤四，重复步骤二和步骤三，直到算法收敛，得到最终的通信协议。PU与确定合作的SU按照合作协议进行合作通信。

如果PU收到的合作的SU个数大于1，则每次在估测值上增加一个极小的正数δ，重新设计合作协议发送给SU。重复此步骤直到只有一个合作的SU为止，PU给出的合作协议不再变化，然后PU与确定合作的SU按照合作协议进行合作通信。

图3展示了算法迭代的过程，即PU的收益变化路径，算法开始时PU给出的SU的合作收益大于0，在算法动态调整过程中，SU的收益收敛到0，然后经过PU对SU类型的重新估测，最终算法收敛。当算法收敛后，PU收益不再变化。图3中，EstimatedSUs表示估计类型的SU，SU₁、SU₂表示实际情境下的两个次级用户。

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 (5)

1.一种认知无线电中基于主用户估测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和多个次级用户SU构成认知无线电网络；

步骤二，首先进行信道检测：每个主用户的发射器PR_k检测自身到每个二级用户中继发射器ST_m之间的信道增益H_nm和自身直连的信道增益H_n；每个SU检测自身到相应主用户接收器PR_n之间的信道增益H_mn和自身直连的信道增益H_m；信道检测完成后，每个主用户PU和次级用户SU只知道自己本身的信道情况；

然后，每个主用户PU估测各个次级用户SU的最低类型并根据最低类型提出合作协议其中，p^(n,l)为主用户接收机在合作通信中由次级用户中继接收到的功率，为SU通过合作获得的传输时间；

步骤三，每个次级用户SU接收到来自不同主用户PU的合作协议，并从这些合作协议中选择使自己收益最大的协议，将选择结果反馈给各个主用户PU；

步骤四，重复步骤二和步骤三，直到步骤二和步骤三所构成算法收敛；主用户PU与确定合作的次级用户SU按照合作协议进行合作通信。

2.根据权利要求1所述的认知无线电中基于主用户估测的频谱合作共享方法，其特征是，在步骤一中，所述认识无线电网络的网络接入协议特征是每个时段分为两部分：一部分是用于PU传输的合作阶段部分T_n，另一部分是用于SU的传输阶段部分

在不知道主用户且不知道次级用户的具体信息的情况时，在合作阶段部分T_n，PU首先将数据以广播形式发送给相应的接收机和中继的SU，然后接收到数据的中继的SU将数据中继给相应的PU接收机，PU接收机接收到的功率为p^(n,m)；

在用于SU的传输阶段部分中继的SU按照网络接入协议规定的时间传输数据；其他SU不得接入频谱；SU为PU中继所作出的贡献是SU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，且在接下来的传输阶段只能使用该PU提供的频谱资源；

其中，对合作阶段部分T_n，在第一个0.5T_n的时段部分中，对某个PU，记为PU_n，PU_n的发射器PT_n向主用户接收器PR_n和中继的二级用户发射器ST_m传输数据，这时PR_n获得的数据率为

式一

其中p_n表示PT_n的发射功率，H_n表示PT_n与PR_n之间的信道参数，σ²表示噪声功率，表示PT_n与PR_n之间的信噪比；

在余下的0.5T_n的时段部分中，ST_m向PR_n传输数据；这该余下的0.5T_n的时段部分PR_n获得的数据率为

式二

其中，p^(n,m)是负责为主用户中继传输的二级用户的发射器ST_i在合作阶段为PU服务而消耗的功率，表示ST_i与PR_n之间的信噪比。

3.根据权利要求2所述的认知无线电中基于主用户估测的频谱合作共享方法，其特征是，所述第二步中，主用户PU估测SU的最低类型的方法是：

首先，次级用户SU的类型是按照如下方法定义的：

考虑PU的合作通信收益等于合作获得的数据速率与不合作直连的数据速率之差，即

式三

其中，t^(n,m)表示网络接入协议中的次级用户传输时间；

仅当该合作通信收益大于零时，合作通信的条件才成立，即需要满足H_nm＞H_n，其中，H_nm表示主用户与次级用户之间的信道参数，H_n表示主用户自身通信的信道参数；与此同时，SU的合作通信收益由两部分组成，分别是正的在分配时间内获得的通信收益和负的帮助PU通信和自身通信的能量损耗；用下式表示：

式四

其中I{·}是指示函数，C_m表示SU_m对单位能耗的敏感程度，p_m是SU_m自身通信的功耗， 表示SU的合作通信收益，H_nm表示主用户与次级用户之间的信道参数，t^(n,m)表示 网络接入协议中的次级用户传输时间，H_mn表示主用户与次级用户之间的信道参数，H_m表示主用户自身通信的信道参数，SU_m表示参与中继传输的次级用户；将式四进行归一化，乘上归一化因子得到的收益函数为

式五

其中，表示经归一化后的SU的合作通信收益，运算符号:＝表示定义为，T_n表示帧的总时间，p^(n,m)表示网络接入协议规定的主用户接收到的中继信号功率；

表示次级用户SU的类型，具体定义为

式六

进一步地，主用户PU首先将初始估测值设为0，如果反馈收到的满足条件的合作的SU的个数大于1，则在每次重新估计次级用户类型时，在估测值上增加一个极小的正数δ，直到只有一个合作的SU为止，其中，所述满足条件是指满足式七：

式七

其中，表示经归一化后的SU的合作通信收益。

4.根据权利要求3所述的认知无线电中基于主用户估测的频谱合作共享方法，其特征是，所述第二步中，提出合作协议的方法是，通过估测的次级用户最低类型，建立最优化问题，即式八，目标是最大化主用户从次级用户那里得来的收益，通过求导解该问题得到合作协议；

式八

其中，表示主用户分给参与合作的次级用户的收益，的具体形式由式五给出，类型为估测值p^(n,m)表示网络接入协议规定的主用户接收到的中继信号功率，表示网络接入协议中的次级用户传输时间，表示优化的目标参数，即网络接入协议参数，表示主用户的收益；

求导解该问题得到最优合作协议：在确定合作协议时，先将主用户分给参与合作的 次级用户的收益设为一个正值，如果满足要求的合作的SU个数大于1，再逐步减小，直到合作的SU个数为1；如果降为0后满足要求的合作的SU个数仍大于1，此时在开始调整估测类型值。

5.根据权利要求4所述的认知无线电中基于主用户估测的频谱合作共享方法，其特征是，所述第三步中，次级用户SU选择合作的主用户PU的方法是，依照式五，次级用户SU根据自己的类型计算得出最适合自己的合作协议也就是选择是自己收益最大的合作协议，并反馈给主用户，主用户根据反馈结果重新估测次级用户类型。