CN108924940A - 基于用户优先级及多属性判决的频谱分配和切换方法 - Google Patents

Abstract

为了解决现有资源分配和信道切换方法中不能保证高优先级用户的性能和系统稳定性能的问题，本发明提供一种基于用户优先级及多属性判决的频谱分配和切换方法，涉及认知无线通信技术领域的频谱分配和切换技术。本发明包括：S1、设置信干噪比矩阵，获得信干噪比归一化矩阵SINR；S2、设置信道稳定性矩阵，获得信道稳定性归一化矩阵P_vacant；S3、设置优先级权重矩阵Q；S4、分别设定信干噪比和信道稳定性属性的权重比例w₁和w₂；S5、根据SINR、P_vacant、Q、w₁和w₂，建立带有信道分配矩阵A的优化模型，对优化模型进行求解，获得信道分配矩阵A，根据分配矩阵A进行初始分配信道；S6、根据信道稳定性及优先级由高到低的顺序，为不能继续使用信道的用户分配可以使用的信道，完成信道切换。

Description

基于用户优先级及多属性判决的频谱分配和切换方法

技术领域

本发明涉及认知无线通信技术领域的频谱分配和切换技术，具体涉及一种应用于认知通信系统的保证高优先级用户传输性能和整个系统信道切换性能的信道分配和切换方法。

背景技术

在实际的通信系统和通信场景中，某些频谱资源的使用权利特定授权给了一些用户，然而这些用户并非一直在使用这些频段，导致部分授权频谱资源利用率较低。随着通信领域的发展和人们生活方式的变化，频谱资源日益紧张。作为缓解频谱资源紧张的有效手段，CR技术近年来得到了广泛的发展。认知无线电技术(Cognitive Radio,CR)于1999由Joseph Mitola博士提出，认知无线电技术的中心思想在于，在不干扰主用户正常通信的前提下，认知用户使用主用户授权频段的方式是伺机的，从而提高频谱利用率。认知无线电网络的两个重要技术分别是频谱感知和资源管理。频谱感知技术能够获得周围环境中的频谱状态，包括频谱资源的使用程度以及频谱资源的统计特性，这一部分的研究包括干扰估计技术，信号检测技术，认知区域确定技术以及频谱统计特性分析。资源管理技术通过接收频谱感知的信息，对可用资源进行合理的划分。资源管理需要在最大化认知用户效益的同时，保证不影响主用户的正常工作。大部分信道分配和切换方面的研究集中在地面网络，只有少数的研究关注认知卫星系统。

在现有的研究中，部分学者针对地面认识网络的功率和带宽的分配进行研究。另外，也有对于认知卫星场景中的频谱分配技术的研究。在2015年，有国外学者提出了一种优化频率复用和极化的方法，以最大限度地减少地面FS基站所受到的干扰。也有学者针对混合星地回程网络(HSTB)中的载波分配算法进行研究。信道切换算法主要是基于一些经验公式利用各通信网络的QoS(Quality of Service)参数，包括：负载，时延和数据速率来计算候选信道的效用值。

在资源分配技术和信道切换技术的研究中，只有少量的研究考虑了用户优先级这一约束条件，在现有的通信系统中，绝大部分通信网络都存在不同优先级的用户，保证高优先级用户的性能是保障系统传输性能的关键。并且，现阶段对于信道分配和切换算法的研究中，决策因素较为单一，而资源管理技术应该综合考虑业务的Qos需求、信道的状态和用户的状态，是一个多属性判决的问题。现有信道分配方法未考虑包括信道稳定性等的多属性对分配结果和系统性能的影响，导致高优先级用户分配到更优信道的概率低及各用户信道切换的频率高。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有资源分配和信道切换方法中不能保证高优先级用户的性能和系统稳定性能的问题，本发明提供一种基于用户优先级及多属性判决的频谱分配和切换方法。

本发明的基于用户优先级及多属性判决的频谱分配和切换方法，所述方法包括如下步骤：

S1、设置信干噪比矩阵，对其进行归一化，获得信干噪比归一化矩阵SINR；

S2、设置信道稳定性矩阵，对其进行归一化，获得信道稳定性归一化矩阵P_vacant；

S3、设置优先级权重矩阵Q；

S4、分别设定信干噪比和信道稳定性属性的权重比例：w₁和w₂；

S5、根据SINR、P_vacant、Q、w₁和w₂，建立带有信道分配矩阵A的优化模型，对优化模型进行求解，获得信道分配矩阵A，根据分配矩阵A进行初始分配信道；

S6、根据信道稳定性及优先级由高到低的顺序，为不能继续使用信道的用户分配可以使用的信道，完成信道切换。

优选的是，所述S5中采用图论法对优化模型进行求解，在对优化模型进行求解求解前，需将优化模型中的SINR和P_vacant转化为平衡矩阵为：

当M>N时，在SINR和P_vacant矩阵的最右边虚拟M-N列，构成M×M的矩阵，将新加入的元素置0；

当M<N时，在SINR和P_vacant矩阵的最下边虚拟N-M列，构成N×N的矩阵，并将新加入的元素置0。

优选的是，S5中的优化模型为：

max_ASUM(A⊙Q⊙(w₁SINR+w₂P_vacant))，

A＝(a₁…aN)，n＝1,…N，a_n(m)表示列向量a_n中的第m个元素，

M表示认知用户的数量，N表示初始分配信道的数量。

优选的是，所述S6包括：

S61、根据感知结果，确定当前时段内可以使用的信道集合C和不能继续使用的信道D；

S62、找到资源预留集合与集合D的交集信道，在资源预留集合中去除这些交集信道，然后将集合C并入资源预留集合中；

S63、记录正在使用集合D中信道的认知用户，记为集合S；

S64、根据信道稳定性及优先级由高到低的顺序，为集合S中的用户分配资源预留集合中的信道。

优选的是，所述S1包括：

S11、设置M个认知用户和L个认知信道，其中包括N个初始分配信道和L-N个资源预留信道；

S12、第m个认知用户在使用初始分配信道n时的信干噪比为sinr(m,n)，则M个认知用户使用N个初始分配信道的信干噪比矩阵sinr为：

S13、对sinr进行归一化：

其中，sinr_th＝9.71dB为一门限值，当sinr(m,n)小于该门限值时，用户m不能使用初始分配信道n。

优选的是，所述S2包括：

S21、设置某时间段内初始分配信道n被主用户占用的概率为P_n，则各初始分配信道被主用户占用的概率用向量表示为P＝[P₁,P₂,…,P_N]；

S22、各初始分配信道空闲的概率表示为P′＝[1-P₁,1-P₂,…,1-P_N]，则信道稳定性归一化矩阵为P_vacant：

其中，每列元素取值相同。

优选的是，所述S3包括：S31、K种优先级业务的集合为α＝[α₁,α₂,…,α_K]，其中α₁+α₂+…+α_K＝1，Q_m表示第m个用户的优先级：Q_m＝α_i，i＝1,2…K；

通过设置不同的α_i权重，约束不同优先级的用户分配信道的先后顺序；

S32、设定优先级矩阵Q_m∈[Q₁…Q_M]^T，其中元素Q_m∈R^1×N是含有N个元素的行向量，Q_m(1)＝Q_m(2)＝…＝Q_m(N)＝α_i，优先级权重矩阵Q为：

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

本发明的有益效果在于，本发明通过生成各属性矩阵，优先级矩阵和权重设计，能够根据具体场景的不同，实现信道分配和切换的多属性判决，在保证系统性能的前提下，提高高优先级用户的性能，本发明可以应用到各认知无线电网络中。此外，本发明通过结合信道稳定性这一因素，设计信道稳定性能衡量矩阵，结合设计的方法进行信道分配和切换，能够降低各认知用户尤其是高优先级用户信道切换的频率，保证系统稳定性。

附图说明

图1为应用现有方法和本发明方法时分配到信道的高优先级用户总数的对比图；

图2为应用现有方法和本发明方法时高优先级用户总吞吐量的对比图；

图3为应用现有方法和本发明方法时各优先级用户信道平均切换频率的对比图；

图4为应用现有方法和本发明方法时系统信道平均切换频率的对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本发明的基于用户优先级及多属性判决的频谱分配和切换方法，所述方法包括如下步骤：

S1、设置信干噪比矩阵，对其进行归一化，获得信干噪比归一化矩阵SINR；

S2、设置信道稳定性矩阵，对其进行归一化，获得信道稳定性归一化矩阵P_vacant；

S3、设置优先级权重矩阵Q；

S4、分别设定信干噪比和信道稳定性属性的权重比例：w₁和w₂；

S5、根据SINR、P_vacant、Q、w₁和w₂，建立带有信道分配矩阵A的优化模型，对优化模型进行求解，获得信道分配矩阵A，根据分配矩阵A进行初始分配信道；

S6、根据信道稳定性及优先级由高到低的顺序，为不能继续使用信道的用户分配可以使用的信道，完成信道切换。

本实施方式在初始分配时，同时考虑信干噪比和信道稳定性这两个条件，基于各优先级的权重设定，进行归一化生成分配矩阵，为各认知用户分配信道；在信道切换时，基于各信道的稳定性，结合归一化结果为各优先级用户选择稳定性更好的信道进行切换。

本实施方式通过生成各属性矩阵，优先级矩阵和权重设计，能够根据具体场景的不同，实现信道分配和切换的多属性判决，在保证系统性能的前提下，提高高优先级用户的性能，本实施方式可以应用到各认知无线电网络中。此外，本实施方式通过结合信道稳定性这一因素，设计信道稳定性能衡量矩阵，结合设计的方法进行信道分配和切换，能够降低各认知用户尤其是高优先级用户信道切换的频率，保证系统稳定性。

优选实施例中，本实施方式采用图论法对优化模型进行求解，S5在对优化模型进行求解前，需要将优化模型中的SINR和P_vacant转化为平衡矩阵：

当M>N时，在SINR和P_vacant矩阵的最右边虚拟M-N列，构成M×M的矩阵，将新加入的元素置0；

当M<N时，在SINR和P_vacant矩阵的最下边虚拟N-M列，构成N×N的矩阵，并将新加入的元素置0。

由于图论方法通过迭代找到每行和列相对较大的数值，因此，当某一元素较小时，不会影响分配过程，所以将新加入的元素置0。

本实施方式在对使用图论方法求解优化模型之前，对优化模型进行非平衡矩阵和平衡矩阵之间的转化，保证求取的分配矩阵的精度。

具体实施例：

步骤1、设置信干噪比矩阵，对其进行归一化，具体步骤包括：

步骤11、设置M个认知用户，L个认知信道，为进行信道切换，预留部分信道进行后续信道切换，其他N个信道用于对认知用户进行初始信道分配；

步骤12、第m个认知用户在使用认知信道n时的信干噪比为则M个认知用户使用N个信道的信干噪比矩阵为：

步骤13、对其进行归一化：

其中，m＝1,…M，n＝1,…N，sinr_th＝9.71dB为一门限值，规定当sinr(m,n)小于该值时，用户m不能使用信道n。

步骤2、设置信道稳定性能衡量矩阵，对其进行归一化，具体步骤包括：

步骤21、初始分配信道分配和切换模块通过统计数据可以获得在已知时间内，初始分配信道n被主用户占用的概率，当初始分配信道被主用户占用时，认知用户需要进行信道切换。设置某时间段内初始分配信道n被主用户占用的概率为P_n，则各初始分配信道被主用户占用的概率用向量表示为P＝[P₁,P₂,…,P_N]；

步骤22、各初始分配信道空闲的概率表示为P′＝[1-P₁,1-P₂,…,1-P_N]；则信道稳定性的归一化矩阵可以表示为P_vacant：

其中，每列元素取值相同。

步骤3、设置优先级权重矩阵，其具体步骤包括：

步骤31、设置不同优先级权重。K种优先级业务的集合为α＝[α₁,α₂,…,α_K]，其中α₁+α₂+…+α_K＝1，Q_m表示第m个用户的优先级：Q_m＝α_i，i＝1,2…K；

通过设置不同的α_i权重，约束不同优先级的用户分配信道的先后顺序；

优先级所占权重越大，其对应用户能够分配到信道的概率和分配最优信道的概率也就越大。

步骤32、设置优先级矩阵。设定矩阵Q_m∈[Q₁…Q_M]^T，为优先级矩阵，其中元素Q_m∈R^{1 ×N}是含有N个元素的行向量，Q_m(1)＝Q_m(2)＝…＝Q_m(N)＝α_i，优先级权重矩阵Q为：

步骤4、设定信干噪比和信道稳定性两个属性的权重比例，以决定其在信道分配中的侧重程度。w₁为信干噪比的权重，w₂为信道稳定性的权重。在实时性业务传输系统中，w₂应远高于w₁；在非实时性业务传输系统中，应根据实际环境设置两个参数。

步骤5、确定分配矩阵和优化模型。设定矩阵A＝(a₁…a_N)，为信道分配矩阵，其中元素a_n∈R^M×1是含有M个元素的列向量，当a_n有元素为1时，代表第m个用户分配到第n个初始分配信道，此时，该列其他元素为0。因此，对于每个信道n，有其中a_n(m)表示列向量a_n中的第m个元素：

优化模型是：

max_ASUM(A⊙Q⊙(w₁SINR+w₂P_vacant))其中，

在使用图论方法进行优化模型求解之前，首先要将矩阵转化为平衡矩阵，再采用图论方法进行处理；根据求解后的获得信道分配矩阵A初始分配信道；

步骤6、完成信道的初始分配之后，系统进入信道切换阶段，该阶段的具体步骤如下：

步骤61、更新可用信道集合。根据感知结果，确定当前时段内可以使用和不能继续使用的信道，分别用集合C和D表示，1)找到资源预留集合与D的交集，去除资源预留集合中的这些信道，然后将C并入资源预留集合，2)记录正在使用D中信道的认知用户，记为S；

步骤,62、根据信道稳定性，按照优先级由高到低的顺序，为S中的用户分配资源预留集合中的信道。

本实施例针对认知无线通信网络中，认知用户不同的优先级类型和信道环境等限制条件，设计一种动态信道分配和切换方法，在一定程度上保证系统性能的前提下，增加高优先级用户分配到信道的概率，提高高优先级用户吞吐量，减少系统各用户信道切换的频率，提高系统稳定性。在实施例中，首先基于图论分配原理，生成信干噪比矩阵和信道稳定性能衡量矩阵，并对其进行归一化，根据不同用户的数据传输类型，设置不同的权重组合，对用户进行信道的初始分配，然后根据用户优先级和信道稳定性，进行用户的信道切换，在保证系统性能的前提下，大幅提高高优先级用户的传输性能。

图1为应用本发明时时分配到信道的高优先级用户总数和应用现有方法的对比图。选择优先级权重参数为a₁＝0.6，a₂＝0.3，a₃＝0.1，设置认知用户数为M＝30，认知信道总数N＝30，图1表明，采用现有方法，分配到信道的高优先级用户总数随着可用信道数的增加而增加，现有方法高优先级用户没有优先选择信道的权利。采用本发明方法，可用信道数量不影响高优先级用户分配到信道的概率。

图2为应用本发明的高优先级用户总吞吐量和应用现有方法时的对比图。结合图1的参数，当可用信道不足时，采用现有方法，不能保证高优先级用户优先分配信道，高优先级的地面终端总吞吐量较低。采用本发明时，高优先级用户的总吞吐量保持在4Gbps以上，未受可用信道数量的影响。

图3为应用本发明方法的各优先级用户信道切换频率对比图。设置1秒内每个主用户平均占用信道次数为1至6次，信干噪比和信道稳定性这两个属性的权重比设为1:2。仿真结果表明，随着主用户占用信道次数的增加，系统的信道切换次数增多，使用本发明时，优先级高的用户平均信道切换次数少于低优先级用户的平均信道切换次数。

图4为应用本发明方法的用户平均信道切换性能和现有方法对比图。可以看出本发明方法信道切换频率低于现有方法。说明本发明能够保证高优先级用户的传输稳定性，减少高优先级的信道切换频率，同时，还可以减少整个系统所有用户的信道切换次数，从而提升整个认知系统使用主用户信道的稳定性。

本发明可应用于新一代的卫星通信、地面通信及星地一体化通信中，能够在很大程度上提高频谱资源利用率和解决频谱稀缺的问题，同时仿真结果表明，使用本发明的方法时，系统性能得到保证，高优先级用户分配到信道的概率较现有方法有所提高，各用户的信道切换频率明显下降，通信稳定性得到保证。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (7)

1.基于用户优先级及多属性判决的频谱分配和切换方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、设置信干噪比矩阵，对其进行归一化，获得信干噪比归一化矩阵SINR；

S2、设置信道稳定性矩阵，对其进行归一化，获得信道稳定性归一化矩阵P_vacant；

S3、设置优先级权重矩阵Q；

S4、分别设定信干噪比和信道稳定性属性的权重比例：w₁和w₂；

S5、根据SINR、P_vacant、Q、w₁和w₂，建立带有信道分配矩阵A的优化模型，对优化模型进行求解，获得信道分配矩阵A，根据分配矩阵A进行初始分配信道；

S6、根据信道稳定性及优先级由高到低的顺序，为不能继续使用信道的用户分配可以使用的信道，完成信道切换。

2.根据权利要求1所述的基于用户优先级及多属性判决的频谱分配和切换方法，其特征在于，所述S5中采用图论法对优化模型进行求解，在对优化模型进行求解求解前，需将优化模型中的SINR和P_vacant转化为平衡矩阵为：

当M＞N时，在SINR和P_vacant矩阵的最右边虚拟M-N列，构成M×M的矩阵，将新加入的元素置0；

当M＜N时，在SINR和P_vacant矩阵的最下边虚拟N-M列，构成N×N的矩阵，并将新加入的元素置0。

3.根据权利要求1所述的基于用户优先级及多属性判决的频谱分配和切换方法，其特征在于，S5中的优化模型为：

max_ASUM(A⊙Q⊙(w₁SINR+w₂P_vacant))，

A＝(α₁…a_N)，n＝1，…N，a_n(m)表示列向量a_n中的第m个元素，

M表示认知用户的数量，N表示初始分配信道的数量。

4.根据权利要求1所述的基于用户优先级及多属性判决的频谱分配和切换方法，其特征在于，所述S6包括：

S61、根据感知结果，确定当前时段内可以使用的信道集合C和不能继续使用的信道D；

S62、找到资源预留集合与集合D的交集信道，在资源预留集合中去除这些交集信道，然后将集合C并入资源预留集合中；

S63、记录正在使用集合D中信道的认知用户，记为集合S；

S64、根据信道稳定性及优先级由高到低的顺序，为集合S中的用户分配资源预留集合中的信道。

5.根据权利要求1所述的基于用户优先级及多属性判决的频谱分配和切换方法，其特征在于，所述S1包括：

S11、设置M个认知用户和L个认知信道，其中包括N个初始分配信道和L-N个资源预留信道；

S12、第m个认知用户在使用初始分配信道n时的信干噪比为sinr(m，n)，则M个认知用户使用N个初始分配信道的信干噪比矩阵sinr为：

S13、对sinr进行归一化：

其中，m＝1，...M，n＝1，...N，snr_th＝9.71dB为一门限值，当sinr(m，n)小于该门限值时，用户m不能使用初始分配信道n。

6.根据权利要求1所述的基于用户优先级及多属性判决的频谱分配和切换方法，其特征在于，所述S2包括：

S21、设置某时间段内初始分配信道n被主用户占用的概率为P_n，则各初始分配信道被主用户占用的概率用向量表示为P＝[P₁，P₂，...，P_N]；

S22、各初始分配信道空闲的概率表示为P′＝[1-P₁，1-P₂，...，1-P_N]，则信道稳定性归一化矩阵为P_vacant：

其中，每列元素取值相同。

7.根据权利要求1所述的基于用户优先级及多属性判决的频谱分配和切换方法，其特征在于，

S31、K种优先级业务的集合为α＝[α₁，α₂，...，α_K]，其中α₁+α₂+...+α_K＝1，Q_m表示第m个用户的优先级：Q_m＝α_i，i＝1，2...K；

通过设置不同的α_i权重，约束不同优先级的用户分配信道的先后顺序；

S32、设定优先级矩阵Q_m∈[Q₁…Q_M]^T，其中元素Q_m∈R^1×N是含有N个元素的行向量，Q_m(1)＝Q_m(2)＝…＝Q_m(N)＝α_i，优先级权重矩阵Q为：