CN108882378A - 一种时间资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种时间资源分配方法，根据短包信息理论的相关公式，得到所述次级用户的错误概率和所述次级用户的传输时延；在保证主用户可靠性通信的条件下，得到次级用户总包长占用时间的最大值；对次级用户的错误概率和次级用户的传输时延进行近似，分析次级用户的错误概率的单调性和次级用户的传输时延的单调性，得到次级用户信息传输包长占用时间的最优值；根据得到的次级用户总包长占用时间的大值和次级用户信息传输包长占用时间的最优值，得到次级用户能量收集包长占用时间的最优值。

Description

一种时间资源分配方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种时间资源分配方法。

背景技术

在无线通信的发展过程中，频谱一直是一种稀缺、宝贵的资源。在5G的发展中，频谱短缺仍然是最大的障碍之一。为了解决频谱短缺问题，频谱共享方案被提出，它指的是在不损害主用户性能的条件下，允许未经许可的次级用户接入分配给主用户的频谱资源。此外，无线能量收集技术由于可以延长无线网络的运行时间受到了越来越多的关注。无线终端可以通过无线能量收集技术收集环境中射频信号的能量。目前，对无线能量收集技术在频谱共享系统中的应用也进行了很多研究。

在5G系统的一些应用中，如自动驾驶、工业自动化以及触觉互联网等，信息通常以短包的形式传输。但是目前的研究中，都是基于长包利用香农容量极限进行的。现有的相关研究已经不能满足发展的要求。

发明内容

为解决上述问题，基于短包信息理论提出一种时间资源分配方法，即在频谱共享系统中利用无线能量收集技术以次级用户的错误概率和时延最小为目标的时间资源分配方法。该方法在保证主用户的可靠性通信的条件下，以次级用户的错误概率和时延最小为目标，得到了次级用户最优时间资源分配。

本发明实施例提供了如下技术方案：

一种时间资源分配方法，所述方法包括：

根据短包信息理论的相关公式，得到所述次级用户的错误概率和所述次级用户的传输时延；

在保证主用户可靠性通信的条件下，得到次级用户总包长占用时间的最大值；

对次级用户的错误概率和次级用户的传输时延进行近似，分析次级用户的错误概率的单调性和次级用户的传输时延的单调性，得到次级用户信息传输包长占用时间的最优值；

根据得到的次级用户总包长占用时间的最大值和次级用户信息传输包长占用时间的最优值，得到次级用户能量收集包长占用时间的最优值。

其中，根据短包信息理论的相关公式，得到次级用户的错误概率和次级用户的传输时延，具体包括：

次级用户的错误概率为

其中C(γ_SR)表示香农容量，γ_SR表示次级用户接收端的信噪比，R_S表示次级用户的信道编码速率，V表示信道散度用来衡量信道相对于确定信道的随机变化，n表示次级用户信息传输包长占用时间；

次级用户的有效传输速率如下：

其中K_S表示次级用户传输的信息奈特数，m表示次级用户能量收集包长占用时间，s表示次级用户总包长占用时间，次级用户总包长占用时间等于次级用户能量收集包长占用时间和次级用户信息传输包长占用时间之和。

根据次级用户的有效传输速率得到次级用户的传输时延为：

其中，在保证主用户可靠性通信的条件下，得到次级用户总包长占用时间的最大值，具体包括：

在主用户最大允许的错误概率ε_P0的条件下得到次级用户的传输功率为：

其中K_P表示主用户传输的信息奈特数，P_PT表示主用户的传输功率，G₄、G₅都表示相应的信道增益，d₄、d₅都表示相应的距离，σ_PR ²表示主用户接收端的高斯白噪声功率，α表示路径损耗指数。

当次级用户的传输功率越大，对主用户的接收端干扰越大，主用户接收端信噪比越小，由主用户接收端信噪比的最小值得到对应次级用户的传输功率的最大值，由于次级用户的传输功率随着总包长占用的时间单调递增，所以当次级用户的传输功率取得最大值时，通过次级用户的传输功率公式就可以得到次级用户总包长占用时间的最大值。

其中，对次级用户的错误概率和次级用户的传输时延进行近似，分析次级用户的错误概率的单调性和次级用户的传输时延的单调性，得到次级用户信息传输包长占用时间的最优值，具体包括：

由于V≤1并且V随着SNR的增大迅速收敛到1，所以通过带入V＝1，得到：

上式中log(.)表示自然对数。令m＝s-n，进一步得到：

上式中其中P_PT表示主用户的传输功率，η表示无线能量收集的转换效率，G₁、G₂都表示相应的信道增益，d₁、d₂都表示相应的距离，σ_SR ²表示次级用户接收端的高斯白噪声功率，I_SR表示主用户的发射端对次级用户接收端的干扰。

同理，得到近似时延为：

令进一步得到f(n)的一阶和二阶导数如下：

通过分析计算，得到当a＞1时，f″(n)＜0，所以f′(n)是单调减函数。

此外，由于s＞＞1、K_S＞＞2得到

而当K_S＜2s·a时，

f′(n)先大于零后小于零并且单调递减，能求得一零点n^*使f′(n)＝0，并且f(n)随着n先单调递增后单调递减，f(n)在n^*处取得最大值。又由于Q函数是单调减函数，得到ε_SR和τ都随着n先单调递减后单调递增，均在n^*处得到最小值，即n^*为信息传输包长占用时间最优值。

其中，由得到的次级用户总包长占用时间的最大值和次级用户信息传输包长占用时间的最优值，得到次级用户能量收集包长占用时间的最优值，具体包括：

用次级用户总包长占用时间的最大值减去次级用户信息传输包长占用时间的最优值，得到次级用户能量收集包长占用时间的最优值。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本申请首先根据短包信息理论得到次级用户的错误概率和传输时延；接着在保证主用户可靠性通信的条件下，得到次级用户最大的总包长占用时间；最后在得到的次级用户最大总包长占用时间下，通过对次级用户的错误概率和次级用户的传输时延的近似和单调性分析，得到次级用户最优的信息传输包长占用的时间，再令次级用户总包长占用时间的最大值减去次级用户信息传输包长占用时间的最优值得到次级用户能量收集包长占用时间的最优值，此时次级用户的错误概率和传输时延都取得最小值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例所提供的时间资源分配方法的流程示意图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，目前的研究中，都是基于长包利用香农容量极限进行的，现有的相关研究已经不能满足发展的要求。

为了解决上述技术问题，本申请基于短包信息理论提出一种时间资源分配方法，即在频谱共享系统中利用无线能量收集技术以次级用户的错误概率和时延最小为目标的时间资源分配方法。该方法在保证主用户的可靠性通信的条件下，以次级用户的错误概率和时延最小为目标，得到了次级用户最优的时间资源分配。

在本发明中，时间的单位是channel use，如信息传输包长占用时间是n个channeluses。其中，还必须要保证主用户的可靠性通信，即错误概率在限制范围内，所以次级用户的传输功率不能过大，以避免对主用户产生有害的干扰。

本发明提供了一种时间资源分配方法，具体的，也可以说是，在频谱共享系统中利用无线能量收集技术以次级用户的错误概率和时延最小为目标的时间资源分配方法，其中，次级用户的总包长占用的时间资源包括能量收集包长占用的时间和次级用户信息传输包长占用的时间。如图1所述，具体方法如下：

第一步，根据短包信息理论的相关公式，得到次级用户的错误概率和次级用户的传输时延。

1)得到次级用户的错误概率如下：

其中C(γ_SR)表示香农容量，γ_SR表示次级用户接收端的SNR(signal-to-noise ratio，信噪比)，R_S表示次级用户的信道编码速率，V表示信道散度用来衡量信道相对于确定信道的随机变化，n表示次级用户信息传输包长占用时间。

2)得到次级用户的传输时延，具体过程如下：

首先，次级用户的有效传输速率如下：

其中K_S表示次级用户传输的信息奈特数，m表示次级用户能量收集包长占用时间，s表示次级用户总包长占用时间，次级用户总包长占用时间等于次级用户能量收集包长占用时间和次级用户信息传输包长占用时间之和。

根据次级用户的有效传输速率得到次级用户的传输时延为：

第二步，在保证主用户可靠性通信的条件下，得到次级用户总包长占用时间的最大值，具体过程如下：

在主用户最大允许的错误概率ε_P0的条件下得到次级用户的传输功率为：

其中K_P表示主用户传输的信息奈特数，P_PT表示主用户的传输功率，G₄、G₅都表示相应的信道增益，d₄、d₅都表示相应的距离，σ_PR ²表示主用户接收端的高斯白噪声功率，α表示路径损耗指数。申请人发现，次级用户的传输功率随着总包长占用时间s单调递增，在主用户的可靠性通信条件下，总包长占用时间不能太长，存在最大值。根据通信原理，次级用户的传输功率越大，相应信息传输时间越短，从而次级用户的时延越小。而当次级用户的传输功率越大，对主用户的接收端干扰越大，即主用户接收端SNR越小，而主用户接收端的由主用户接收端SNR的最小值可以得到对应次级用户传输功率P_ST的最大值，由于次级用户的传输功率随着总包长占用时间s单调递增，所以当次级用户的传输功率取得最大值时，通过次级用户的传输功率公式就可以得到最大的s值。上述这个过程可以通过matlab仿真计算来实现，即通过matlab仿真计算得到对应的最大s值。

第三步，在得到的最大s值下，首先对次级用户的错误概率和次级用户的传输时延进行近似，然后分析次级用户的错误概率的单调性和次级用户的传输时延的单调性，得到次级用户信息传输包长占用时间的最优的值，根据次级用户总包长占用时间的最大值和次级用户信息传输包长占用时间的最优值，得到次级用户能量收集包长占用时间的最优值，具体过程如下：

由于V≤1并且V可以随着SNR的增大迅速收敛到1，所以通过带入V＝1，得到：

上式中log(.)表示自然对数。令m＝s-n，进一步得到：

上式中其中P_PT表示主用户的传输功率，η表示无线能量收集的转换效率，G₁、G₂都表示相应的信道增益，d₁、d₂都表示相应的距离，σ_SR ²表示次级用户接收端的高斯白噪声功率，I_SR表示主用户的发射端对次级用户接收端的干扰。

同理，得到近似时延为：

令进一步得到f(n)的一阶和二阶导数如下：

通过分析计算，得到当a＞1时，f″(n)＜0，所以f′(n)是单调减函数。

此外，由于s＞＞1、K_S＞＞2得到

而当K_S＜2s·a时，

综上，f′(n)先大于零后小于零并且单调递减，所以能求得一零点n^*使f′(n)＝0，并且f(n)随着n先单调递增后单调递减，f(n)在n^*处取得最大值。又由于Q函数是单调减函数，得到ε_SR和τ都随着n先单调递减后单调递增，均在n^*处得到最小值，所以n^*是次级用户信息传输包长占用时间的最优值。再令最大的s减去n^*即可得到最优的能量收集包长占用时间m^*。

综合以上三步，首先根据短包信息理论得到次级用户的错误概率和传输时延；接着在保证主用户可靠性通信的条件下，得到次级用户最大的总包长占用时间；最后在得到的最大总包长占用时间下，通过对次级用户的错误概率和次级用户的传输时延的近似和单调性分析，得到f′(n)＝0对应的点n^*，即最优的信息传输包长占用时间，再令最大总包长占用时间减去最优信息传输包长占用时间得到最优能量收集包长占用时间m^*，此时次级用户的错误概率和传输时延都取得最小值。

本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种时间资源分配方法，其特征在于，所述方法包括：

根据短包信息理论的相关公式，得到所述次级用户的错误概率和所述次级用户的传输时延；

在保证主用户可靠性通信的条件下，得到次级用户总包长占用时间的最大值；

对次级用户的错误概率和次级用户的传输时延进行近似，分析次级用户的错误概率的单调性和次级用户的传输时延的单调性，得到次级用户信息传输包长占用时间的最优值；

根据得到的次级用户总包长占用时间的最大值和次级用户信息传输包长占用时间的最优值，得到次级用户能量收集包长占用时间的最优值。

其中，根据短包信息理论的相关公式，得到次级用户的错误概率和次级用户的传输时延，具体包括：

次级用户的错误概率为

其中C(γ_SR)表示香农容量，γ_SR表示次级用户接收端的信噪比，R_S表示次级用户的信道编码速率，V表示信道散度用来衡量信道相对于确定信道的随机变化，n表示次级用户信息传输包长占用时间；

次级用户的有效传输速率如下：

其中K_S表示次级用户传输的信息奈特数，m表示次级用户能量收集包长占用时间，s表示次级用户总包长占用时间，次级用户总包长占用时间等于次级用户能量收集包长占用时间和次级用户信息传输包长占用时间之和。

根据次级用户的有效传输速率得到次级用户的传输时延为：

其中，在保证主用户可靠性通信的条件下，得到次级用户总包长占用时间的最大值，具体包括：

在主用户最大允许的错误概率ε_P0的条件下得到次级用户的传输功率为：

其中K_P表示主用户传输的信息奈特数，P_PT表示主用户的传输功率，G₄、G₅都表示相应的信道增益，d₄、d₅都表示相应的距离，σ_PR ²表示主用户接收端的高斯白噪声功率，α表示路径损耗指数。

当次级用户的传输功率越大，对主用户的接收端干扰越大，主用户接收端信噪比越小，由主用户接收端信噪比的最小值得到对应次级用户的传输功率的最大值，由于次级用户的传输功率随着总包长占用的时间单调递增，所以当次级用户的传输功率取得最大值时，通过次级用户的传输功率公式就可以得到次级用户总包长占用时间的最大值。

其中，对次级用户的错误概率和次级用户的传输时延进行近似，分析次级用户的错误概率的单调性和次级用户的传输时延的单调性，得到次级用户信息传输包长占用时间的最优值，具体包括：

由于V≤1并且V随着SNR的增大迅速收敛到1，所以通过带入V＝1，得到：

上式中log(.)表示自然对数。令m＝s-n，进一步得到：

上式中其中P_PT表示主用户的传输功率，η表示无线能量收集的转换效率，G₁、G₂都表示相应的信道增益，d₁、d₂都表示相应的距离，σ_SR ²表示次级用户接收端的高斯白噪声功率，I_SR表示主用户的发射端对次级用户接收端的干扰。

同理，得到近似时延为：

令进一步得到f(n)的一阶和二阶导数如下：

通过分析计算，得到当a＞1时，f″(n)＜0，所以f′(n)是单调减函数。

此外，由于s＞＞1、K_S＞＞2得到

而当K_S＜2s·a时，

f′(n)先大于零后小于零并且单调递减，能求得一零点n^*使f′(n)＝0，并且f(n)随着n先单调递增后单调递减，f(n)在n^*处取得最大值。又由于Q函数是单调减函数，得到ε_SR和τ都随着n先单调递减后单调递增，均在n^*处得到最小值，即n^*为信息传输包长占用时间最优值。

其中，由得到的次级用户总包长占用时间的最大值和次级用户信息传输包长占用时间的最优值，得到次级用户能量收集包长占用时间的最优值，具体包括：

用次级用户总包长占用时间的最大值减去次级用户信息传输包长占用时间的最优值，得到次级用户能量收集包长占用时间的最优值。