CN104768231B - 一种认知无线电目标信道序列设计方法 - Google Patents

Abstract

一种认知无线电目标信道序列设计方法，本发明涉及认知无线电目标信道序列设计方法。本发明是要解决认知无线电中认知用户主动式频谱切换时目标信道序列设计中没有能量效率的问题，而提出的一种认知无线电目标信道序列设计方法。该方法是通过1、表示最小感知时间τ_min(k)；2、得到认知用户在c_i‑1＝c_i和c_i‑1≠c_i时间期望；3、将和进行推导；4、计算认知用户经历i次中断后总的吞吐量Ε[R_i]；5、计算认知用户在目标信道c_i上的和J_loss(c_i‑1,c_i)6、推导出关于能效最优问题C^*(c₀)等步骤实现的。本发明应用于认知无线电目标信道序列设计领域。

Description

一种认知无线电目标信道序列设计方法

技术领域

本发明涉及目标信道序列设计方法特别涉及一种认知无线电目标信道序列设计方法。

背景技术

在认知无线电通信系统中，认知用户通过频谱检测获取授权信道信息，从而使用处于空闲状态的信道。但是，当授权用户出现时，认知用户需要毫无条件的退出该信道，此时将发生信道的切换，即频谱切换。目前，在认知无线电研究领域中，频谱切换主要分为三种方式：主动式频谱切换，被动式频谱切换，混合式频谱切换。主动式频谱切换是指认知用户在发生频谱切换时无需进行频谱检测，而是根据目标信道序列依次接入信道，从而提高频谱切换性能，保证认知用户的通信质量。在已有的目标信道序列设计方案中，主要考虑认知用户的有效速率和切换时延，并没有能量效率从而浪费能量，即单位比特数据所消耗的能量值。然而随着无线设备的智能化和小型化，能量有效性参数越来越重要。

发明内容

本发明的目的是为了解决了认知无线电中认知用户主动式频谱切换时目标信道序列设计中没有能量效率的问题，而提出的一种认知无线电目标信道序列设计方法。

上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：

步骤一、假设认知无线电系统为时隙系统，在给定虚警概率和检测概率的条件下，信道k满足条件的最小感知时间τ_min(k)表示如下：

其中，Q^-1(·)为函数的逆函数；γ_k为认知用户接收端所接收信号的信噪比；f_s为认知用户抽样频率；x为高斯分布中与均值的距离；x为函数自变量，e为指数基底，t为积分变量；

步骤二、假设认知无线电系统中存在N条信道即信道集合表示为每个认知用户在认知无线电系统中都有固定的初始信道；选取认知无线电系统中任意认知用户Θ为研究对象；认知用户Θ经历i次中断后的目标信道为则：

其中，Ε[d(c_i-1,c_i)]表示认知用户经历i次中断所产生的时延期望；表示认知用户在c_i-1＝c_i情况下目标信道c_i上等待的时间期望；分别表示认知用户在c_i-1≠c_i情况下目标信道c_i上等待的时间期望；t_s表示认知用户频谱切换的时长；

步骤三、：根据强占式续传优先权M/G/1排队理论将和推导出如下结论：

其中，L为认知用户能够承受的最多中断次数；表示未经历中断的认知用户在信道c_i上的到达率；表示未经历中断的认知用户在信道c_i上的服务时长分布；表示授权用户在信道c_i上的到达率；表示授权用户在信道c_i上的服务时长分布；分别表示经历i次中断的认知用户在信道c_i上的到达率；分别表示经历i次中断的认知用户在信道c_i上的服务时长分布；

步骤四、根据步骤一中最小感知时间τ_min(k)计算公式得到τ_min(c_i)，在此基础上计算认知用户经历i次中断后总的吞吐量Ε[R_i]；

步骤五、根据步骤一得到的τ_min(k)以及步骤三得到的计算认知用户在目标信道c_i上频谱检测的能量消耗数据传输的能量消耗和认知用户从目标信道c_i-1切换到c_i所造成的能量损耗J_loss(c_i-1,c_i)

步骤六、根据Ε[R_i]、以及J_loss(c_i-1,c_i)推导出关于能效最优问题C^*(c₀)，表示如下：

其中，C(c₀)＝(c₀,c₁,c₂,…,c_L)表示初始信道为c₀的一个目标信道序列；表示所有可能的目标信道序列空间，L为表示认知用户中断的次数；Pr{l＝i}为认知用户在整个数据传输过程发生i次频谱切换的概率；即完成了一种认知无线电目标信道序列设计方法。

发明效果

本发明从能量有效性角度出发，建立多个认知用户、多次频谱切换场景下单位比特消耗能量的优化问题。

认知无线电系统中基于最优能效的目标信道序列设计方法，涉及一种目标信道序列设计方法，它为了解决认知无线电系统中认知用户进行主动式频谱切换时目标信道序列设计的问题。本发明采用强占式续传优先权M/G/1排队理论描述认知无线电通信系统频谱切换模型即无线电系统中认知用户切换行为，，对认知无线电系统中多个认知用户、多次频谱切换进行建模与分析。然后在此基础上，推导出切换时延以及服务时长分布；并推导出认知用户在完成通信过程中每两次频谱切换之间获得的吞吐量和能量消耗，从而建立以最优能效为优化目标的优化问题。最后，将该优化问题转化为多阶决策问题，从而采用动态规划算法获得最优目标信道序列。本发明提出的基于最优能效的目标信道序列设计方法能够为认知用户主动式频谱切换提供目标信道序列，同时降低认知用户单位比特数据消耗的能量，解决了认知无线电中认知用户主动式频谱切换时目标信道序列设计问题，为认知用户选择频谱切换信道提供了依据，提高能量效率，从而提高频谱切换性能。与此同时，提高了认知终端的续航能力，从而优化认知用户频谱切换的效益。本发明适用于认知无线电系统中。

附图说明

图1具体实施方式一提出的认知无线电系统基于强占式续传优先权M/G/1排队理论的频谱切换模型示意图；

图2具体实施方式一提出的频谱切换延时示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式的一种认知无线电目标信道序列设计方法，具体是按照以下步骤制备的：

步骤一、假设认知无线电系统为时隙系统，为了保证授权用户通信质量，认知用户在每个时隙开始时进行带内频谱感知；在给定虚警概率和检测概率的条件下(给定虚警概率和检测概率的条件是指虚警概率和检测概率给定某一个值，这两个值根据不同的环境和通信系统而不同)，信道k满足条件的最小感知时间τ_min(k)表示如下：

其中，Q^-1(·)为函数的逆函数；γ_k为认知用户接收端所接收信号的信噪比；f_s为认知用户抽样频率；x为高斯分布中与均值的距离；x为函数自变量，e为指数基底，t为积分变量；

步骤二、在认知无线电系统中，采用强占式续传优先权M/G/1排队理论对认知无线电系统进行建模与分析；假设认知无线电系统中存在N条信道即信道集合表示为为了均衡各个信道的负载，每个认知用户在认知无线电系统中都有固定的初始信道；由于认知无线电系统中认知用户等级和接入机会无差异性，选取认知无线电系统中任意认知用户Θ为研究对象；认知用户Θ经历i次中断后的目标信道为则：

其中，Ε[d(c_i-1,c_i)]表示认知用户经历i次中断所产生的时延期望；表示认知用户在c_i-1＝c_i情况下目标信道c_i上等待的时间期望；分别表示认知用户在c_i-1≠c_i情况下目标信道c_i上等待的时间期望；t_s表示认知用户频谱切换的时长；

步骤三、：根据强占式续传优先权M/G/1排队理论将和推导出如下结论：

其中，L为认知用户能够承受的最多中断次数；表示未经历中断的认知用户在信道c_i上的到达率；表示未经历中断的认知用户在信道c_i上的服务时长分布；表示授权用户在信道c_i上的到达率；表示授权用户在信道c_i上的服务时长分布；分别表示经历i次中断的认知用户在信道c_i上的到达率；分别表示经历i次中断的认知用户在信道c_i上的服务时长分布；

步骤四、根据步骤一中最小感知时间τ_min(k)计算公式得到τ_min(c_i)，在此基础上计算认知用户经历i次中断后总的吞吐量Ε[R_i]；

步骤五、根据步骤一得到的τ_min(k)以及步骤三得到的计算认知用户在目标信道c_i上频谱检测的能量消耗数据传输的能量消耗和认知用户从目标信道c_i-1切换到c_i所造成的能量损耗J_loss(c_i-1,c_i)

步骤六、将能效优化问题(即在频谱切换过程中选择能效最好的信道)转化为一个多阶决策问题，利用动态规划算法将多阶决策问题求解出最优目标信道序列C^*(c₀)即根据Ε[R_i]、以及J_loss(c_i-1,c_i)推导出关于能效最优问题C^*(c₀)，表示如下：

其中，C(c₀)＝(c₀,c₁,c₂,…,c_L)表示初始信道为c₀的一个目标信道序列；表示所有可能的目标信道序列空间，L为表示认知用户中断的次数；Pr{l＝i}为认知用户在整个数据传输过程发生i次频谱切换的概率；即完成了一种认知无线电目标信道序列设计方法。

本实施方式效果：

本实施方式从能量有效性角度出发，建立多个认知用户、多次频谱切换场景下单位比特消耗能量的优化问题。

认知无线电系统中基于最优能效的目标信道序列设计方法，涉及一种目标信道序列设计方法，它为了解决认知无线电系统中认知用户进行主动式频谱切换时目标信道序列设计的问题。本实施方式采用强占式续传优先权M/G/1排队理论描述认知无线电通信系统频谱切换模型即无线电系统中认知用户切换行为，，对认知无线电系统中多个认知用户、多次频谱切换进行建模与分析。然后在此基础上，推导出切换时延以及服务时长分布；并推导出认知用户在完成通信过程中每两次频谱切换之间获得的吞吐量和能量消耗，从而建立以最优能效为优化目标的优化问题。最后，将该优化问题转化为多阶决策问题，从而采用动态规划算法获得最优目标信道序列。本实施方式提出的基于最优能效的目标信道序列设计方法能够为认知用户主动式频谱切换提供目标信道序列，同时降低认知用户单位比特数据消耗的能量，解决了认知无线电中认知用户主动式频谱切换时目标信道序列设计问题，为认知用户选择频谱切换信道提供了依据，提高能量效率，从而提高频谱切换性能。与此同时，提高了认知终端的续航能力，从而优化认知用户频谱切换的效益。本实施方式适用于认知无线电系统中。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中给定虚警概率和检测概率具体为：

采用能量感知算法，设表示信道k检测结果为空闲,表示信道k检测结果为繁忙，因此信道k的虚警概率P_f,k和检测概率P_d,k表示为：

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中认知无线电系统中存在N条信道的每条信道中有高优先级和低优先级两种队列，授权用户进入高优先级队列，认知用户进入低优先级队列，相同优先级队列中的用户遵守先到先服务原则。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤四中根据步骤一中最小感知时间τ_min(k)计算公式得到τ_min(c_i)，在此基础上计算认知用户经历i次中断后总的吞吐量Ε[R_i]的具体过程为：

其中，为目标信道c_i上认知用户接收端信号信噪比；T为每个时隙的长度，为一固定值；Γ＝-ln(1.5BER)1.5表示频谱间隙；BER为误码率；特别地，在初始信道上c₀为认知用户Θ的初始信道；表示未经历中断的认知用户Θ在信道c₀上的服务时长分布，表示的期望；B为每个信道的带宽；

(2)根据Ε[r(c_j)]计算认知用户经历i次中断后总的吞吐量为：

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤五中根据步骤一得到的τ_min(k)以及步骤三得到的计算认知用户在目标信道c_i上频谱检测的能量消耗数据传输的能量消耗和认知用户从目标信道c_i-1切换到c_i所造成的能量损耗J_loss(c_i-1,c_i)的具体过程为：

(1)计算认知用户从目标信道c_i-1切换到c_i所造成的能量损耗J_loss(c_i-1,c_i)，如下：

其中，P_ha为认知用户进行频谱切换时的切换功率；P_id为认知用户处于等待状态的待机功率；

(2)在目标信道c_i上的发射功率用P_tr来表示，则用于数据传输的能量消耗为

(3)设P_se为认知用户的检测功率，为认知用户在目标信道c_i上频谱检测的能量消耗，表示如下：

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

Claims (5)

1.一种认知无线电目标信道序列设计方法，其特征在于一种认知无线电目标信道序列设计方法具体是按照以下步骤进行的：

步骤一、假设认知无线电系统为时隙系统，在给定虚警概率和检测概率的条件下，信道k满足条件的最小感知时间τ_min(k)表示如下：

其中，Q^-1(·)为函数的逆函数；γ_k为认知用户接收端所接收信号的信噪比；f_s为认知用户抽样频率；x为高斯分布中与均值的距离；x为函数自变量，e为指数基底，t为积分变量；

步骤二、假设认知无线电系统中存在N条信道即信道集合表示为每个认知用户在认知无线电系统中都有固定的初始信道；选取认知无线电系统中任意认知用户Θ为研究对象；认知用户Θ经历i次中断后的目标信道为则：

其中，Ε[d(c_i-1,c_i)]表示认知用户经历i次中断所产生的时延期望；表示认知用户在c_i-1＝c_i情况下目标信道c_i上等待的时间期望；分别表示认知用户在c_i-1≠c_i情况下目标信道c_i上等待的时间期望；t_s表示认知用户频谱切换的时长；

步骤三、：根据强占式续传优先权M/G/1排队理论将和推导出如下结论：

其中，L为认知用户能够承受的最多中断次数；表示授权用户在信道c_i上的到达率；表示授权用户在信道c_i上的服务时长分布；分别表示经历i次中断的认知用户在信道c_i上的到达率；分别表示经历i次中断的认知用户在信道c_i上的服务时长分布；

步骤四、根据步骤一中最小感知时间τ_min(k)计算公式得到τ_min(c_i)，在此基础上计算认知用户经历i次中断后总的吞吐量Ε[R_i]；

步骤五、根据步骤一得到的τ_min(k)以及步骤三得到的计算认知用户在目标信道c_i上频谱检测的能量消耗数据传输的能量消耗和认知用户从目标信道c_i-1切换到c_i所造成的能量损耗J_loss(c_i-1,c_i)；

步骤六、根据Ε[R_i]、以及J_loss(c_i-1,c_i)推导出关于能效最优问题C^*(c₀)，表示如下：

其中，C(c₀)＝(c₀,c₁,c₂,…,c_L)表示初始信道为c₀的一个目标信道序列；表示所有可能的目标信道序列空间，Pr{l＝i}为认知用户在整个数据传输过程发生i次频谱切换的概率，i＝1,2,3...，L；即完成了一种认知无线电目标信道序列设计方法。

2.根据权利要求1所述一种认知无线电目标信道序列设计方法，其特征在于：步骤一中给定虚警概率和检测概率具体为：

采用能量感知算法，设表示信道k检测结果为空闲,表示信道k检测结果为繁忙，因此信道k的虚警概率P_f,k和检测概率P_d,k表示为：

3.根据权利要求1所述一种认知无线电目标信道序列设计方法，其特征在于：步骤二中认知无线电系统中存在N条信道的每条信道中有高优先级和低优先级两种队列，授权用户进入高优先级队列，认知用户进入低优先级队列，相同优先级队列中的用户遵守先到先服务原则。

4.根据权利要求1所述一种认知无线电目标信道序列设计方法，其特征在于：步骤四中根据步骤一中最小感知时间τ_min(k)计算公式得到τ_min(c_i)，在此基础上计算认知用户经历i次中断后总的吞吐量Ε[R_i]的具体过程为：

其中，为目标信道c_i上认知用户接收端信号信噪比；T为每个时隙的长度，为一固定值；Γ＝-ln(1.5BER)/1.5表示频谱间隙；BER为误码率；特别地，在初始信道上c₀为认知用户Θ的初始信道；表示未经历中断的认知用户Θ在信道c₀上的服务时长分布，表示的期望；B为每个信道的带宽；

(2)根据Ε[r(c_j)]计算认知用户经历i次中断后总的吞吐量为：

5.根据权利要求1所述一种认知无线电目标信道序列设计方法，其特征在于：步骤五中根据步骤一得到的τ_min(k)以及步骤三得到的计算认知用户在目标信道c_i上频谱检测的能量消耗数据传输的能量消耗和认知用户从目标信道c_i-1切换到c_i所造成的能量损耗J_loss(c_i-1,c_i)的具体过程为：

(1)计算认知用户从目标信道c_i-1切换到c_i所造成的能量损耗J_loss(c_i-1,c_i)，如下：

其中，P_ha为认知用户进行频谱切换时的切换功率；P_id为认知用户处于等待状态的待机功率；

(2)在目标信道c_i上的发射功率用P_tr来表示，则用于数据传输的能量消耗为

(3)设P_se为认知用户的检测功率，为认知用户在目标信道c_i上频谱检测的能量消耗，表示如下：