CN106131857B - 一种基于契约的带宽和功率联合优化协作频谱共享方法 - Google Patents

Abstract

一种基于契约的带宽和功率联合优化协作频谱共享方法，在该方法中，授权用户和认知用户按照契约进行协作。能正确解码授权用户信号的认知用户根据自己的信道、功率、功率消耗代价和速率等条件设计自己的类型，并告诉授权用户。授权用户根据认知用户提供的类型给其设计相应的契约。认知用户根据授权用户提供的契约进行通信，在第二个时隙用部分带宽发送自己的信号到认知用户接收端，然后利用剩余的带宽帮助转发授权用户的信号到授权用户接收端。本发明有效解决博弈论方法中资源分配计算复杂度高的问题，有效避免认知用户可能存在的欺骗现象，并有助于提升用户效用。

Description

一种基于契约的带宽和功率联合优化协作频谱共享方法

技术领域

本发明属于无线通信领域中的认知无线电网络通信技术领域，尤其是一种协作频谱共享策略。

背景技术

随着无线服务和无线应用传输数据的需求快速增长，有限的频谱资源显得愈加稀缺。传统的静态频谱管理方式和频谱分配策略使得不同带宽的利用率差异很大。频谱测量数据显示：部分的授权频谱往往处于空闲状态。在传统机制下，将特定的带宽分配给特定的系统；即使在该带宽没有被使用时，非授权用户也不得使用。认知无线电被看作是一种有效提高频谱利用率的技术。认知用户可以通过频谱感知，伺机接入无线频谱，克服时间、空间上的限制，有效提高频谱利用率。

认知用户都是自私且理性的，在没有激励的情况下，他们不愿意消耗自身功率帮助转发授权用户的信息。这就意味着授权用户需要提供一些补偿来激励他们。现有三种较常用的补偿激励机制：基于资源交换、货币交换和信誉交换。在资源交换机制中，授权用户收到来自认知用户的帮助，同时提供自己的资源作为奖励，如频谱接入时间等。基于货币交换的补偿机制有两种形式：定价和竞拍。基于信誉交换的补偿机制则考虑用户的长期性能，是一种有记忆的补偿机制。博弈论经常被用来解决这些补偿激励机制中的资源分配问题。然而利用博弈论进行资源分配的计算复杂度很高而且其使用的假设不一定合理。

发明内容

为了克服现有基于博弈论的协作频谱共享方法的资源分配计算复杂度较高、认知用户可能存在欺骗现象的不足，解决资源分配计算复杂度高和假设不合理的问题。本发明提供一种有效降低资源分配计算复杂度、避免认知用户可能存在欺骗现象的基于契约的带宽和功率联合优化协作频谱共享方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于契约的带宽和功率联合优化协作频谱共享方法，无线电通信系统中包括一个授权用户PU和M个认知用户SUs，每个用户都有一对发送端和接收端；授权用户拥有授权频带，授权用户周围的认知用户都试图利用可能的传输机会接入授权系统的频谱发送自己的信息；授权用户从中选择一部分或全部认知用户来帮助自己转发信息并提升效益，所述基于契约的带宽和功率联合优化协作频谱共享方法包括以下步骤：

1)授权用户广播信号给周围的认知用户，能正确解码授权用户信号的认知用户被选为候选接入用户，ψ＝{ST_k,k＝1,2,...,N}，这些候选认知用户根据自己的信道、功率、功率消耗代价和速率等条件设计自己的类型θ_k，并告诉授权用户；

2)授权用户根据每个认知用户提供的类型θ_k给其设计相应的契约，契约中包括认知用户ST_k可用于传输自己信息的带宽b_k和授权用户接收端PR收到的来自ST_k的中继功率p_k；

3)认知用户根据授权用户提供的契约进行通信；在第一个时隙，授权用户发送信号给授权用户接收端和候选认知用户ST_k,k∈ψ；在第二个时隙，候选认知用户ST_k,k∈ψ用部分带宽b_k发送自己的信号到接收端SR_k，然后利用剩余的带宽帮助转发授权用户的信号到PR。

授权用户和认知用户之间的契约设计问题建模为：

满足以下条件

其中U_PU和分别表示认知用户接入授权用户频谱后，授权用户和认知用户ST_k获得的效用：

其中n₀表示噪声功率谱密度；b_k和p_k分别表示ST_k传输自己信息的带宽和授权用户接收端PR收到的来自ST_k的中继功率；R_d和θ_k分别表示没有认知用户接入时授权用户在直传链路PT→PR的直传速率和ST_k的类型：

R_d＝log(1+SNR_PT,PR) (5)

其中SNR_PT,PR表示PT到PR的信噪比，R_k和p_sk分别表示ST_k发送自己信号到SR_k的速率和功率，C_k表示ST_k单位功率消耗的代价，h_k表示ST_k到PR的信道增益；

通过求解得到最优的契约是在当授权用户只选择类型最高θ_K所对应的认知用户ST_k接入自己的频谱时，所取得的效用是最大的，即此时对应的最优b_K和p_K：

其中W(x)是朗伯函数，即f(w)＝w*exp(w)的反函数，W(x)表示y*exp(y)＝z的解。

进一步，所述步骤3)中，认知用户ST_K通过两个时隙解码转发协作方式接入授权用户的频谱；

在第一时隙，PT用全部带宽发送信号给PR和候选认知用户ST_k，PT→PR链路的速率为：

在第二个时隙，候选认知用户ST_k,k∈ψ用部分带宽b_k发送自己的信号到接收端SR_k，同时利用剩余的带宽帮助转发授权用户的信号到PR。授权用户经过两个时隙后获得的速率为：

本发明的技术构思为：由于利用博弈论进行资源分配的计算复杂度很高而且其使用的假设不一定合理，使得原本就稀缺的频谱资源得不到有效的管理与分配。本专利方法中，认知用户通过契约的方式接入授权频谱，避免了认知用户可能存在的欺骗问题；同时有效降低资源分配的计算复杂度。

本发明的有益效果主要表现在：(1)采用计算复杂度低的契约方式解决协作频谱共享过程中的资源分配问题；(2)避免认知用户可能存在的欺骗现象。

附图说明

图1是本发明方法的系统模型配置图

图2是本发明方法的最优带宽b_k分配随着认知用户的最高类型θ_k的变化图；

图3为授权用户在不同带宽分配方式下所得效用随着直传速率R_d的变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种基于契约的带宽和功率联合优化协作频谱共享方法，是基于现有的无线电通信系统实现的。该系统中包含一个授权用户和多个认知用户。每个用户都有一对发送端和接收端。授权用户拥有授权频带，授权用户周围的认知用户都试图利用可能的传输机会接入授权系统的频谱发送自己的信息。授权用户可以从中选择一部分或全部认知用户来帮助自己转发信息、提升效益。

本实施方式的方法中，授权用户广播信号给周围的认知用户，能正确解码授权用户信号的认知用户被选为候选接入用户，ψ＝{ST_k,k＝1,2,...,N}，这些候选认知用户根据自己的信道、功率、功率消耗代价和速率等条件设计自己的类型θ_k，并告诉授权用户。授权用户根据每个认知用户提供的类型θ_k给其设计相应的契约，契约中包括认知用户ST_k可用于传输自己信息的带宽b_k和授权用户接收端PR收到的来自ST_k的中继功率p_k。认知用户根据授权用户提供的契约进行通信。在第一个时隙，授权用户发送信号给授权用户接收端和候选认知用户ST_k,k∈ψ。在第二个时隙，候选认知用户ST_k,k∈ψ用部分带宽b_k发送自己的信号到接收端SR_k，然后利用剩余的带宽帮助转发授权用户的信号到PR。

本实施方式中认知用户接入授权用户频谱后授权用户和认知用户获得的效用可以通过如下方法获得：

候选认知用户ST_k,k∈ψ通过两个时隙译码转发的方式接入授权频谱。在第一时隙，PT用全部带宽发送信号给PR和候选认知用户ST_k，PT→PR链路的速率为：

在第二个时隙，候选认知用户ST_k,k∈ψ用部分带宽b_k发送自己的信号到接收端SR_k，同时利用剩余的带宽帮助转发授权用户的信号到PR。授权用户经过两个时隙后获得的速率为：

授权用户和认知用户获得的效用可以表示为：

授权用户和认知用户之间的契约设计问题建模为：

满足以下条件

通过求解可以得到最优的契约是在当授权用户只选择类型最高θ_K所对应的认知用户ST_k接入自己的频谱时，所取得的效用是最大的，即此时对应的最优b_K和p_K：

本实施例的基于契约的带宽和功率联合优化协作频谱共享方法，能够有效降低资源分配的计算复杂度且避免认知用户可能存在的欺骗问题。

本实施的频谱共享方法中，在第二个时隙，候选认知用户ST_k,k∈ψ接受授权用户提供的契约，用部分带宽b_k发送自己的信号到接收端SR_k，同时利用剩余的带宽帮助转发授权用户的信号到PR，能够有效降低计资源分配的计算复杂度且避免认知用户可能存在的欺骗问题。

图2中显示了本发明中带宽分配和认知用户最高类型θ_K的关系。最优带宽b_K随着θ_K的增大而单调递减。当θ_K足够大的时候，授权用户只要分配较少的带宽就能得到足够的中继功率。

本实施例的频谱共享方法在保证认知用户个体理性的条件下，提升了授权用户的性能。图3中显示了使用本发明和使用直接传输、等分带宽方法中授权用户的效用，可以看出采用本发明的协作频谱共享方法后，不仅授权用户的效用得到提升，认知用户也能够接入相应的频谱以传输自己的信息。

Claims (2)

1.一种基于契约的带宽和功率联合优化协作频谱共享方法，无线电通信系统中包括一个授权用户PU和M个认知用户SUs，每个用户都有一对发送端和接收端；授权用户拥有授权频带，授权用户周围的认知用户都试图利用可能的传输机会接入授权系统的频谱发送自己的信息；授权用户从中选择一部分或全部认知用户来帮助自己转发信息并提升效益，其特征在于：所述基于契约的带宽和功率联合优化协作频谱共享方法包括以下步骤：

1)授权用户广播信号给周围的认知用户，能正确解码授权用户信号的认知用户被选为候选接入用户，ψ＝{ST_k,k＝1,2,...,N}，这些候选接入用户根据自己的信道、功率、功率消耗代价和速率等条件设计自己的类型θ_k，并告诉授权用户；

2)授权用户根据每个候选接入用户提供的类型θ_k给其设计相应的契约，契约中包括认知用户ST_k可用于传输自己信息的带宽b_k和授权用户接收端PR收到的来自ST_k的中继功率p_k；

3)认知用户根据授权用户提供的契约进行通信；在第一个时隙，授权用户发送信号给授权用户接收端和候选接入用户ST_k,k∈ψ；在第二个时隙，候选接入用户ST_k,k∈ψ用部分带宽b_k发送自己的信号到接收端SR_k，然后利用剩余的带宽帮助转发授权用户的信号到PR；

授权用户和认知用户之间的契约设计问题建模为：

满足以下条件

其中U_PU和分别表示认知用户接入授权用户频谱后，授权用户和认知用户ST_k获得的效用：

其中n₀表示噪声功率谱密度；b_k和p_k分别表示ST_k传输自己信息的带宽和授权用户接收端PR收到的来自ST_k的中继功率；R_d和θ_k分别表示没有认知用户接入时授权用户在直传链路PT→PR的直传速率和ST_k的类型：

R_d＝log(1+SNR_PT,PR) (5)

其中SNR_PT,PR表示PT到PR的信噪比，R_k和p_sk分别表示ST_k发送自己信号到SR_k的速率和功率，C_k表示ST_k单位功率消耗的代价，h_k表示ST_k到PR的信道增益；

通过求解得到最优的契约是在当授权用户只选择类型最高θ_K所对应的候选接入用户ST_k接入自己的频谱时，所取得的效用是最大的，即此时对应的最优b_K和p_K：

其中W(x)是朗伯函数，即f(w)＝w*exp(w)的反函数，W(x)表示y*exp(y)＝z的解。

2.如权利要求1所述的一种基于契约的带宽和功率联合优化协作频谱共享方法，其特征在于：所述步骤3)中，候选接入用户ST_K通过两个时隙解码转发协作方式接入授权用户的频谱；

在第一时隙，PT用全部带宽发送信号给PR和候选接入用户ST_k，PT→PR链路的速率为：

在第二个时隙，候选接入用户ST_k,k∈ψ用部分带宽b_k发送自己的信号到接收端SR_k，同时利用剩余的带宽帮助转发授权用户的信号到PR，授权用户经过两个时隙后获得的速率为：