CN104540178B - 一种认知异构网络联合频谱切换与功率分配方法 - Google Patents

一种认知异构网络联合频谱切换与功率分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种认知异构网络联合频谱切换与功率分配方法，属于无线通信技术领域。该方法针对多个主用户、多个从用户共享频谱的认知异构网络，综合考虑从用户切换时延、排队等待时延、频谱传输特性、业务需求及网络资源状态等因素，在保障从用户QoS需求的同时，基于中断从用户总传输时延最小化及能效最大化准则执行联合频谱切换和功率分配，优化确定各中断从用户频谱切换及目标信道传输功率分配策略，从而实现从用户联合性能优化。

Description

一种认知异构网络联合频谱切换与功率分配方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种认知异构网络联合频谱切换与功率分配方法。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展及用户应用需求的不断增长，各类通信应用对无线频谱的需求日益增加。传统的固定频谱分配方法导致部分频带竞争激烈，频谱资源严重匮乏；同时，部分频段大量已分配的频谱未得到充分使用，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。认知无线电技术可广泛应用于各类异构接入网络环境中，形成认知异构网络。
认知无线电网络中，从用户在不影响主用户正常工作的情况下，可接入授权频谱进行数据传输。若从用户检测到主用户到达或当前信道服务质量下降时，需中断当前信道的传输，等待当前信道恢复可用性，或执行频谱切换，接入其他可用信道继续传输。在存在多个从用户竞争主用户可用频谱的认知异构网络中，如何综合考虑频谱切换时延、等待时延，频谱传输特性以及用户业务需求等因素设计从用户联合频谱切换及功率分配策略，提高网络频谱资源利用率及用户QoS具有重要意义。
近年来，已有研究考虑认知无线网络从用户频谱选择机制。文献[Yoon,Suk-Un,EylemEkici.Voluntary spectrum handoff:a novel approach to spectrummanagementin CRNs.Communications.IEEE ICC 2010.]提出认知用户通过历史信息估计空闲频谱剩余时间列表及各频谱传输需求时长列表，进而确定切换时刻及切换目标频谱。[Li-ChunWang,Chung-Wei Wang,Chung-Ju Chang.Optimal Target Channel Sequence Design forMultiple Spectrum Handoffs in Cognitive Radio Network.IEEE Transactions onCommunications]将认知网络主、从用户接入频谱问题建模为M/G/1排队模型，考虑从用户多次切换，基于队列长度及用户业务特性对切换从用户排队时延、切换时延进行评估，进而选择对应最小累积时延的切换频谱序列。
另外，也有研究考虑认知异构网络多用户信道分配与功率分配机制。如文献[RenchaoXie,Hong Ji,Pengbo Si,Yi Li.Dynamic Channel and Power Allocation inCognitive Radio Networks Supporting Heterogeneous Services.IEEE Globecom2010.]针对动态认知网络环境，考虑从用户异构服务需求，将资源分配问题规划为混合整数规划问题，提出启发式的优化算法和次优化算法来实现动态信道分配。
以上这些研究分别考虑资源分配和频谱切换，但是实际应用场景中授权信道在一段时间内，存在主用户占用的情况，从而造成从用户性能的下降，无法实现真实应用环境中从用户性能优化。另外，现有频谱选择准则大多基于最小切换时延，未综合频谱等待时延以及频谱传输性能，可能导致用户切换目标频谱等待时间过长及传输性能严重受限，无法有效保障用户QoS。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种认知异构网络联合频谱切换与功率分配方法，该方法针对认知异构无线网络被中断的多个从用户持续通信问题，综合考虑频谱切换时延，排队时延、频谱传输特性及能效确定各中断从用户的目标信道及功率，以实现中断从用户总传输时延最小化及总能效最大化。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种认知异构网络联合频谱切换与功率分配方法，认知异构网络中多个主用户分别占用不同主频带进行通信，各主频带划分为多个子信道，每个从用户可占用一个子信道进行通信；若某主频带的主用户发起信息传输，处于对应子信道的从用户需切换至其他信道或在当前信道等待；
该方法具体包括以下步骤：
步骤一：中断从用户切换变量及功率分配变量，分别以xmn，Pmn标识第m个中断从用户切换至第n个目标信道的切换变量及对应的发送功率；
步骤二：根据各中断从用户切换类型计算切换至不同信道对应的切换时延，以标识第m个中断从用户切换至第n个目标信道对应的切换时延；
步骤三：基于主从用户业务特性，建立各网络各信道排队模型，计算各中断从用户在不同信道的等待时延，以标识第m个中断从用户切换至第n个目标信道对应的等待时延；
步骤四：根据中断从用户业务负荷及信道特性计算切换至不同目标信道对应的传输时间，以标识第m个中断从用户切换至第n个目标信道对应的传输时间；
步骤五：根据各中断从用户业务需求确定切换候选信道；
步骤六：根据各中断用户的切换时延、等待时延、传输时间计算其切换至不同目标信道的总传输时延，第m个中断从用户切换至第n个目标信道对应的总传输时延为：
步骤七：根据各子信道特性及中断从用户的传输特性计算从用户的能效，以ηmn标识第m个中断从用户切换至第n个目标信道对应的能效，其中，Rmn为第m个中断从用户切换至第n个目标信道对应的传输速率；
步骤八：调用公式计算各中断用户对应各候选信道总传输时延T及总能效η，基于中断从用户总传输时延最小化及总能效最大化优化确定各中断用户切换信道及传输功率分配策略。
进一步，在步骤一中，定义中断从用户切换变量xmn∈{0,1}，m＝1,2,...,M,n＝1,2,...,N，其中，M为中断用户数，N为系统中所有子信道数目，xmn＝1表示第m个中断从用户切换至第n个子信道，定义Pmn为第m个中断从用户在第n个信道的传输功率。
进一步，在步骤二中，中断从用户可选择驻留当前信道或执行频谱切换；若执行频谱切换，根据切换前后网络类型，切换类型分为网络内切换及网络间切换。
进一步，在步骤三中，基于M/G/1排队模型对网络中各信道进行建模，各信道的排队模型包括高优先级和低优先级两个队列，主、从用户到达时分别进入高、低优先级队列排队；仅当高优先级队列中的用户均结束通信，低优先级队列的用户才可使用频谱资源进行通信，同等优先级队列内遵循先到先服务原则；被中断从用户的优先级较普通从用户高，因此，当被中断从用户切换至目标信道时，将位于目标信道低优先级队列中其他切换从用户之后、普通从用户之前。
进一步，在步骤四中，调用公式计算第m个中断从用户在信道n上的传输速率，其中，Bn表示第n个信道的带宽，hmn表示第m个中断从用户在第n个信道的传输增益，σ2表示信道噪声功率；调用公式计算第m个中断从用户在信道n上的传输时间，其中，Lm表示第m个中断从用户数据包长度。
进一步，在步骤五中，各中断从用户依据业务需求确定切换候选信道具体为从用户选择驻留当前信道或切换至其他信道应满足中断时间低于用户最大可接受时延，且传输速率高于用户最低速率需求；定义第m个中断从用户在信道n上的中断时间若满足则可将信道n作为第m个中断用户的切换候选信道，其中，为第m个中断从用户可接受的最大中断时间，为第m个中断从用户可接受的最小传输速率。
进一步，在步骤六中，调用公式计算第m个从用户在第n个信道的总传输时延。
进一步，在步骤七中，调用公式计算第m个从用户在第n个信道上传输的能效。
进一步，在步骤八中，基于中断从用户总传输时延最小化及总能效最大化准则进行切换目标信道及传输功率联合优化分配，具体步骤包括：
1)调用公式计算各中断用户对应各候选信道总传输时延T，总能效η；
2)基于中断从用户总传输时延最小化准则确定局域频谱切换及功率分配联合优化策略对应最小总传输时延为Tmin；
3)基于中断从用户能效最大化准则确定局域频谱切换及功率分配联合优化策略对应优化最大总能效为ηmax；
4)调用公式其中，α为时延系数，确定对应最小的频谱切换及功率分配联合优化策略为全局最优策略，即：
本发明的有益效果在于：本发明所述方法综合考虑切换时延、排队等待时延、频谱传输特性、从用户业务需求等因素，在保障从用户QoS需求的同时，基于中断从用户总传输时延最小化及总能效最大化准则进行切换目标信道及传输功率联合优化分配，确定各中断从用户频谱切换策略及目标信道传输功率，从而实现从用户联合性能优化。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为一个认知无线网络的场景示意图；
图2为本发明所述方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本发明所述的一种认知异构网络联合频谱切换与功率分配方法，在认知异构网络共同覆盖区域内，基于切换时延，排队时延、传输时间及信道特性，确定中断从用户频谱切换策略及目标信道传输功率，以实现从用户总传输时延及能效的联合优化。
图1为认知异构无线网络覆盖图，图2为基于中断从用户总传输时延最小化及总能效最大化准则联合频谱切换与功率分配方法流程图。
如图所示，本发明所述方法包括以下步骤：
步骤一：定义中断从用户切换变量及功率分配变量，分别以xmn，Pmn标识第m个中断从用户切换至第n个目标信道的切换变量及对应的传输功率；步骤二：根据各中断从用户切换类型计算切换至不同信道对应的切换时延，以标识第m个中断从用户切换至第n个目标信道对应的切换时延；步骤三：基于主从用户业务特性，建立各网络各信道排队模型，计算各中断从用户在不同信道的等待时延，以标识第m个中断从用户切换至第n个目标信道对应的等待时延；步骤四：根据中断从用户业务负荷及信道特性计算切换至不同目标信道对应的传输时间，以标识第m个中断从用户切换至第n个目标信道对应的传输时间；步骤五：根据各中断从用户业务需求确定切换候选信道；步骤六：根据各中断用户的切换时延、等待时延、传输时间计算其切换至不同目标信道的总传输时延，第m个中断从用户切换至第n个目标信道对应的总传输时延为：步骤七：根据各子信道特性及中断从用户的传输特性计算从用户的能效，以ηmn标识第m个中断从用户切换至第n个目标信道对应的能效，其中，Rmn为第m个中断从用户切换至第n个目标信道对应的传输速率；步骤八：调用公式计算各中断用户对应各候选信道总传输时延T及总能效η，基于中断从用户总传输时延最小化及总能效最大化准则进行切换目标信道及传输功率联合优化分配。
具体步骤为：
定义二元用户切换变量xmn∈{0,1}，m＝1,2,...,M,n＝1,2,...,N，其中，M为中断从用户数，N为系统中所有子信道数，xmn＝1表示第m个中断从用户切换至第n个子信道，定义Pmn为第m个中断从用户在第n条信道上的传输功率。假设第m个中断从用户在主用户到达之前接入第m条子信道。
若已接入频谱执行数据传输的多个从用户因主用户到达而被迫中断传输，这些中断从用户可选择驻留当前信道或执行频谱切换。若执行频谱切换，根据切换前后网络类型，切换类型分为网络内切换及网络间切换。网络内切换时延表示为其中表示同步监听持续时间，tsen表示频谱感知时间，tdec表示频谱决策所需时间，tswitch表示从当前频谱切换至目标频谱所需时间，表示切换至目标频谱且执行传输调度同步后重新恢复传输的时间。网络间切换时延表示为其中，trecfg表示异构认知网络间切换时射频收发电路重配置所需时间。
建模主、从用户接入各网络中频谱接受服务过程为M/G/1排队模型，其中，各信道的排队模型包括高优先级和低优先级两个队列，主、从用户到达时分别进入高、低优先级队列排队；仅当高优先级队列中的用户均结束通信，低优先级队列的用户才可使用信道资源进行通信，同等优先级队列内遵循先到先服务原则；被中断从用户的优先级较普通从用户高，因此，当中断从用户切换至目标信道时，将位于目标信道低优先级队列中其他切换从用户之后、普通从用户之前。
中断用户可选择驻留在原信道等待或切换至其他信道。若中断用户选择驻留当前信道等待，即xmn＝1,m＝n，对应等待时延为：其中，分别为第n个信道主用户到达率和服务率，m＝1,2,...,M，n＝1,2,...,N；若被中断从用户选择切换至第n个信道，即xmn＝1,m≠n，对应等待时延为：其中，分别为第n个信道从用户的到达率和服务率，m＝1,2,...,M，n＝1,2,...,N。
中断从用户在各信道的传输速率可由香农公式计算，其中，Bn表示第n个信道的带宽，hmn表示第m个中断从用户在第n个信道的传输增益，σ2表示信道噪声功率。假设第m个中断从用户的剩余信息量为Lm，则第m个中断从用户在第n个子信道的传输时间为：
定义第m个中断从用户在信道n上的中断时间若满足则可将信道n作为第m个中断用户的切换候选信道，其中，为第m个中断从用户可接受的最大中断时间，为第m个中断从用户可接受的最小传输速率。
定义中断从用户总传输时延为从用户被中断传输时刻至从用户在驻留频谱或切换频谱完成数据传输之间时段，即
各中断从用户在不同信道上的能效可表示为：即第m个中断用户在第n条信道上传输的能效。
在本实施例中，考虑由两个认知异构网络(CRN1、CRN2)融合的构成的网络场景，各网络存在多个可用信道、从用户可选择接入任一个网络中的任一信道，具体过程如下：
S1：定义二元用户切换变量xmn∈{0,1}，m＝1,2,...,M,n＝1,2,...,N，其中，M为中断用户数，N为系统中所有子信道数，xmn＝1表示第m个中断从用户切换至第n个子信道，定义Pmn为第m个中断从用户在第n条信道上的传输功率。假设第m个中断从用户在主用户到达之前占用第m条子信道。1≤n≤N1时，信道n是CRN1中的信道，N1+1≤n≤N时，信道n是CRN2中的信道。假设中断从用户在主用户到达前都在网络1中通信，则M≤N1。
S2：若已接入频谱执行数据传输的多个从用户因主用户到达而被迫中断传输，这些中断从用户可选择驻留当前信道或执行频谱切换。若执行频谱切换，根据切换前后网络类型，切换类型分为网络内切换及网络间切换。网络内切换时延表示为其中表示同步监听持续时间，tsen表示频谱感知时间，tdec表示频谱决策所需时间，tswitch表示从当前频谱切换至目标频谱所需时间，表示切换至目标频谱且执行传输调度同步后重新恢复传输的时间。网络间切换时延表示为其中，trecfg表示异构认知网络间切换时射频收发电路重配置所需时间。若中断从用户选择驻留当前信道，即xmn＝1,n＝m，则切换时延若中断从用户执行网络内切换，即xmn＝1,m≠n,1≤n≤N1，则切换时延若中断从用户执行网络间切换，即xmn＝1,N1+1≤n≤N，则切换时延
S3：建立各网络中各子信道的M/G/1排队模型，计算排队时延。从用户被中断时可选择驻留在当前子信道或切换至其他子信道。若选择驻留在原子信道，即xmn＝1,m＝n，则中断从用户在原子信道低优先级队列队首等待，待高优先级队列所有主用户服务均结束后恢复传输，对应等待时延为若从用户选择切换至其他信道，即xmn＝1,m≠n，则中断从用户排列在低优先级队列中其他切换用户之后、普通用户之前，在高优先级队列中的用户和正在服务的主从用户均结束通信后，可执行数据传输，对应等待时延为
S4：根据从用户业务负荷及信道特性，计算传输时间。假设第m个中断从用户剩余数据包长度为Lm，则该用户在第n个子信道通信的传输时间为：采用香农公式计算第m个中断从用户在第n个信道上的传输速率。
S5：根据候选信道判决条件确定第m个中断从用户的切换候选信道。
S6：调用公式计算第m个中断从用户在第n条信道的总传输时延。
S7：调用公式计算第m个从用户在第n条信道通信的能效。
S8：基于中断从用户总传输时延最小化及能效最大化准则进行切换目标信道及传输功率联合优化分配，具体步骤包括：
1)调用公式计算各中断用户对应各候选信道总传输时延T，总能效η；
2)基于中断从用户总传输时延最小化准则确定局域频谱切换及功率分配联合优化策略对应最小总传输时延为Tmin；
3)基于中断从用户能效最大化准则确定局域频谱切换及功率分配联合优化策略对应优化最大总能效为ηmax；
4)调用公式其中，α为时延系数，确定对应最小的频谱切换及功率分配联合优化策略为全局最优策略，即：
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种认知异构网络联合频谱切换与功率分配方法，其特征在于：认知异构网络中多个主用户分别占用不同主频带进行通信，各主频带划分为多个子信道，每个从用户可占用一个子信道进行通信；若某主频带的主用户发起信息传输，处于对应子信道的从用户需切换至其他信道或在当前信道等待；
具体包括以下步骤：
步骤一：中断从用户切换变量及功率分配变量，分别以xmn，Pmn标识第m个中断从用户切换至第n个目标信道的切换变量及对应的发送功率；
步骤二：根据各中断从用户切换类型计算切换至不同信道对应的切换时延，以标识第m个中断从用户切换至第n个目标信道对应的切换时延；
步骤三：基于主从用户业务特性，建立各网络各信道排队模型，计算各中断从用户在不同信道的等待时延，以标识第m个中断从用户切换至第n个目标信道对应的等待时延；
步骤四：根据中断从用户业务负荷及信道特性计算切换至不同目标信道对应的传输时间，以标识第m个中断从用户切换至第n个目标信道对应的传输时间；
步骤五：根据各中断从用户业务需求确定切换候选信道；
步骤六：根据各中断用户的切换时延、等待时延、传输时间计算其切换至不同目标信道的总传输时延，第m个中断从用户切换至第n个目标信道对应的总传输时延为：
步骤七：根据各子信道特性及中断从用户的传输特性计算从用户的能效，以ηmn标识第m个中断从用户切换至第n个目标信道对应的能效，其中，Rmn为第m个中断从用户切换至第n个目标信道对应的传输速率；
步骤八，基于中断从用户总传输时延最小化及总能效最大化准则进行切换目标信道及传输功率联合优化分配，具体步骤包括：
1)调用公式计算各中断用户对应各候选信道总传输时延T，总能效η；
2)基于中断从用户总传输时延最小化准则确定局域频谱切换及功率分配联合优化策略对应最小总传输时延为Tmin；
3)基于中断从用户能效最大化准则确定局域频谱切换及功率分配联合优化策略对应优化最大总能效为ηmax；
4)调用公式其中，α为时延系数，确定对应最小的频谱切换及功率分配联合优化策略为全局最优策略，即：
2.根据权利要求1所述的一种认知异构网络联合频谱切换与功率分配方法，其特征在于：在步骤一中，定义中断从用户切换变量xmn∈{0,1}，m＝1,2,...,M,n＝1,2,...,N，其中，M为中断用户数，N为系统中所有子信道数目，xmn＝1表示第m个中断从用户切换至第n个子信道，定义Pmn为第m个中断从用户在第n个信道的传输功率。
3.根据权利要求1所述的一种认知异构网络联合频谱切换与功率分配方法，其特征在于：在步骤二中，中断从用户可选择驻留当前信道或执行频谱切换；若执行频谱切换，根据切换前后网络类型，切换类型分为网络内切换及网络间切换。
4.根据权利要求1所述的一种认知异构网络联合频谱切换与功率分配方法，其特征在于：在步骤三中，基于M/G/1排队模型对网络中各信道进行建模，各信道的排队模型包括高优先级和低优先级两个队列，主、从用户到达时分别进入高、低优先级队列排队；仅当高优先级队列中的用户均结束通信，低优先级队列的用户才可使用频谱资源进行通信，同等优先级队列内遵循先到先服务原则；被中断从用户的优先级较普通从用户高，因此，当被中断从用户切换至目标信道时，将位于目标信道低优先级队列中其他切换从用户之后、普通从用户之前。
5.根据权利要求1所述的一种认知异构网络联合频谱切换与功率分配方法，其特征在于：在步骤四中，调用公式计算第m个中断从用户在信道n上的传输速率，其中，Bn表示第n个信道的带宽，hmn表示第m个中断从用户在第n个信道的传输增益，σ2表示信道噪声功率；调用公式计算第m个中断从用户在信道n上的传输时间，其中，Lm表示第m个中断从用户数据包长度。
6.根据权利要求1所述的一种认知异构网络联合频谱切换与功率分配方法，其特征在于：在步骤五中，各中断从用户依据业务需求确定切换候选信道具体为从用户选择驻留当前信道或切换至其他信道应满足中断时间低于用户最大可接受时延，且传输速率高于用户最低速率需求；定义第m个中断从用户在信道n上的中断时间若满足则可将信道n作为第m个中断用户的切换候选信道，其中，为第m个中断从用户可接受的最大中断时间，为第m个中断从用户可接受的最小传输速率。
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