CN1832613A - 一种认知无线电系统中避免干扰的并行频谱分配方法 - Google Patents

Abstract

一种认知无线电系统中避免干扰的并行频谱分配方法，属于无线通信技术领域，特别涉及CR系统中的频谱分配。包括检测可用的频谱资源、计算用户频谱收益、通过检测相互干扰情况获得干扰矩阵、选择频谱分配的目标准则、计算用户n在频带m所获得的收益r(n，m)、分配频段等步骤。本发明整个频谱分配过程中所有步骤可以同时对M段频谱进行独立的分配操作，可使得整个算法开销降低，并缩短分配周期，有利于实现快速的频谱分配以适应认知无线电系统中可用频谱资源快速时变的特性；同时，可以适应频谱对各用户的差异性，并且可以对各频谱进行独立的检测、效益函数设定和干扰测量等操作，具有很好的灵活性。

Description

一种认知无线电系统中避免干扰的并行频谱分配方法

技术领域

一种认知无线电(Cognitive Radio)系统中避免干扰的并行频谱分配方法，属于无线通信技术领域，特别涉及应用在认知无线电系统中的频谱分配。

背景技术

随着无线应用的不断拓展，频谱资源的缺乏成为无线应用研究过程中不得不面临的问题，但是从一些研究结果可以看到，频谱资源的缺乏更多是由于无线接入技术的利用不合理引起的。现有不同无线通信系统分配频谱的方法主要是基于固定分配方式，即某一无线频谱块分配给某一特定的无线接入网络，然后再把这个无线频谱块分为若干个频谱子块，这些频谱块大小固定，相互之间间隔一个固定大小的保护频段，分配给具有license资格的不同运营商，只有这些运营商的license期满之后才可以分配给其他用户。这种固定分配的方式虽然对于频谱管理非常简单容易，但是存在频谱利用率低的缺点，例如大多数通信网络在设计之初都是基于该网络可能最大的传输流量进行考虑，但是实际情况却是，通信网络并非全天满负荷运行，频谱资源在不同位置不同时间段的利用有所不同，这种静态的频谱分配方式造成了频谱资源的浪费。为了解决这个问题，基于对认知无线电的研究，人们提出一种开放式频谱接入机制。认知无线电系统是一个智能无线通信系统，它能够感知、学习周围环境，通过改变相应的操作参数(比如传输功率、载波频率和调制技术等)，使其内部状态能适应接收到的无线信号的统计性变化，从而完成在任何时间任何地点高可靠性的通信以及对频谱资源的高效利用。利用认知无线电的智能感知能力，开放式频谱接入机制允许未授权用户(次用户)在授权用户(主用户)未使用该频谱资源时，在不对授权用户(主用户)造成干扰的情况下，使用原来分配给授权用户的频谱资源。非授权用户通过使用认知无线电技术实时感知周围的环境，检测授权用户当时未使用的频谱资源放入频谱池中共享。

认知无线电系统中需要考虑两种类型的干扰。一类是非授权用户对授权用户的干扰，这类干扰必须无条件的限制在授权用户可以承受的范围内，可以通过智能感知能力检测授权用户在某段时间未使用的频谱资源，非授权用户只在该时间内使用这些频谱资源。第二类是非授权用户之间的干扰，相互干扰的两个非授权用户在同一个时刻不能够使用同一个频谱。为了解决这两类干扰，并且获得高效频谱利用率，现在已有研究者提出一种基于图论着色理论的择机频谱接入算法——CSGC(color sensitive graph coloring，颜色敏感图论着色)算法，在避免干扰的前提下最大化系统效益。内容详见ZHENG，H.，AND PENG，C.Collaboration andfairness in opportunistic spectrum access.In Proc.40th annual IEEE International Conference onCommunications(ICC)(May 2005)。考虑一个用户数为N(下标从0到N-1)，总频带数为M(下标从0到M-1，各频带相互正交，频带间无干扰)的认知无线电系统，CSGC频谱分配方法的步骤如下(如图1所示)：

步骤1，非授权用户通过认知技术检测授权用户未使用空闲频谱，得到空闲频谱矩阵L＝{l_n，m|l_n，m∈{0，1}}_N×M，l_n，m＝1表示频带m对于用户n是可用的，l_n，m＝0表示不可用。

步骤2，获取效益矩阵B＝{b_n，m}_N×M，b_n，m表征用户n使用频带m所带来的效益权重，如频谱利用率等，在运营者的角度，b_n，m还可以包括经济效益信息，以不同优先级表征，高优先级的b_n，m比低优先级的大。将矩阵L与矩阵B相结合，可得出有效频谱的效益L_B＝{l_n，m·b_n，m}_N×M。

步骤3，获取非授权用户之间的干扰矩阵集合C＝{c_n，k，m|c_n，k，m∈{0，1}}_N×N×M：c_n，k，m＝1表示用户n和用户k在同时使用频带m时会产生干扰，当n＝k时，c_n，n，m＝1-l_n，m，仅由空闲频谱矩阵L决定。

步骤4，选择标号准则。

定义无干扰的频谱分配矩阵为A＝{a_n，m|a_n，m∈{0，1}}_N×M：a_n，m＝1表示频带m被分配给用户n。A必须满足无干扰条件：

            a_n，m·a_k，m＝0 if c_n，k，m＝1，n，k＜N，m＜M    (1)

即表示在频带m上存在相互干扰的两个用户不能被同时分配频带m。

CSGC频谱分配方法把频谱分配问题抽象为一个图G＝(U，E_C，L_B)的着色问题。U是图G的顶点集，表示共享频谱的用户，L_B表示顶点可选颜色集合(list)和权重，E_C是边集，由干扰约束集合C决定，当且仅当c_n，k，m＝1时，两个不同的顶点(用户)u，v∈U之间有一条颜色为m(即频带m)的边。于是满足式(1)条件的无干扰频谱分配对应的着色条件可以描述为：当两个不同顶点间存在颜色m的边的时候这两个顶点不能同时着颜色m(即频带m不能同时分配给这两个顶点所对应的用户)。

满足无干扰条件的A很多，用Λ_N，M表示所有满足条件的无干扰频谱分配矩阵A的集合。根据以上定义，可以得到以最大化频谱效益为目标的最优分配准则的表达式：

$\underset{A\∈{\mathrm{\Λ}}_{N,M}}{\max }\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{n,m}\·b_{n,m}---\left(2\right)$

再根据分配目标准则选择顶点标号规则(labeling rule)，标号大小表征了分配目标和效益权重共同决定的顶点的“价值”，越有“价值”的顶点标号越大。每个标号对应一种颜色，最优着色的算法设计就是先选择最有价值的(标号最大的)顶点进行着色。

CSGC频谱分配方法的目标是避免干扰的条件下最大化频谱利用率，此时b_n，m表征了用户n在频带m上获得的传输速率。在协作和非协作的前提下，相应的标号准则为：

1.CMSB(Collaborative-Max-Sum-Bandwidth，协作最大化总带宽)准则

${\mathrm{label}}_n=\underset{m\∈l_n}{\max }{b}_{n,m}/(D_{n,m}+1)---\left(3\right)$

${\mathrm{color}}_n=\arg \underset{m\∈l_n}{\max }{b}_{n,m}/(D_{n,m}+1)---\left(4\right)$

其中D_n，m表示在频带m与用户n有相互干扰的用户个数，在图G中表现为与顶点n以m色边相连的邻接顶点数。另外定义Nbr(n，m)＝{k|c_k，n，m＝1，0≤k≤N-1，k≠n}，表示在频带m与用户n有干扰的用户的集合，在图G中表现为与顶点n以m色边相连的邻接顶点集，集合Nbr(n，m)元素的个数就是D_n，m。

2.NMSB(Non-collaborative-Max-Sum-Bandwidth，非协作最大化总带宽)准则，标号与对应颜色应为：

${\mathrm{label}}_n=\underset{m\∈l_n}{\max }{b}_{n,m}---\left(5\right)$

${\mathrm{color}}_n=\arg \underset{m\∈l_n}{\max }{b}_{n,m}---\left(6\right)$

步骤5，根据标号准则对图G进行标号。

步骤6，对图G进行着色。

根据步骤5计算出的标号，在所有顶点中搜索满足n^*＝arg max label(n)的顶点n^*，并为其分配颜色(频谱)color(n^*)，对应分配矩阵A^*元素 $a_{n^{*},\mathrm{color}\left(n^{*}\right)}=1.$

步骤7，拓扑更新。

本步骤包括3个子步骤。

1.从顶点n^*的颜色list中删除颜色color(n^*)；

2.找出与n^*以边color(n^*)相连的邻接点Nbr(n^*，color(n^*))，并把color(n^*)从它们的list中删除；

3.删除list为空的顶点。

若拓扑更新后图G为空，则分配结束，得到最优分配矩阵A^*，否则回到步骤5。

以上方法的缺点是：频谱分配方法的执行时间开销随着空闲频谱数的增多而增加，当可用频谱数目增大时，分配时间周期也会相应延长，这使得该频谱分配方法不适应认知无线电中空闲频谱快速时变的要求。由上面的分配过程可知，每一次循环(从步骤5到步骤7)得到一个点对(i，j)，i为该循环阶段图G中最大标号的顶点(用户)，j为分配给i的颜色(频谱)，对应最优分配矩阵A^*中的元素α_i，j＝1，可以看出整个频谱分配方法是一种串行的频谱分配方法，每次只能对一种颜色(频谱)进行分配操作。假设频谱分配方法每次循环操作的时间相同，于是频谱分配方法的开销由总循环次数决定，CSGC频谱分配方法的总循环次数为矩阵A^*的矩阵范数‖A^*‖_m1

$\mathrm{LOOP}={\left|\right|A^{*}\left|\right|}_{m1}=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{i,j}---\left(7\right)$

下面分析次空闲频带数对循环次数的影响。把最优分配矩阵A^*写出如下向量的形式：

则 $\mathrm{LOOP}={\left|\right|A^{*}\left|\right|}_{m1}=\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|a_j\left|\right|}_1$

‖a_j‖₁为a_j的向量范数，‖a_j‖₁表征了复用第j个频带的用户数，根据空闲频谱的定义，至少有一个用户可以使用空闲频谱资源，所以 ${\left|\right|a_j\left|\right|}_1>0$

由以上分析可以得出结论，CSGC频谱分配方法的循环次数将随着空闲频谱数M的增多而增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速的认知无线电系统的并行频谱分配方法。采用该方法，可以同时对每一个频谱进行独立的分配操作，避免了空闲频谱数对频谱分配方法开销的影响，能够在获得CSGC频谱分配方法相同分配效益的前提下，降低频谱分配的开销，缩短了分配时间周期，满足了空闲频谱实时变化的要求。并且由于可以独立对某个频带进行分配，使得管理更加灵活。

本发明所述技术方案为：

一种认知无线电系统中避免干扰的并行频谱分配方法，假定认知无线电系统中非授权用户数为N，射频端可支持的频带F可平均分为M个频段，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1 检测可用的频谱资源

各非授权用户分别对M段频谱进行检测得到M个空闲频谱向量(l₀ l₁…l_m…l_M-2…l_M-1)，l_m＝{l_n，m|l_n，m∈{0，1}}_N×1，0≤n≤N-1，l_n，m＝1表示频带m对于用户n是可用的，l_n，m＝0表示不可用；

步骤2 计算用户频谱收益

为每段频谱设定非授权用户效益函数，得到各个非授权用户在该段频谱上的收益向量：b_m＝(b_n，m)_N×1，0≤n≤N-1，0≤m≤M-1；b_n，m为非授权用户n在频带m上获得的收益；M段频谱共有M个收益向量(b₀ b₁…b_m…b_M-2 b_M-1)；

步骤3  通过分别检测用户在M段频带的相互干扰情况，得到M个干扰矩阵(C₀ C₁…C_m…C_M-2 C_M-1)，C_m＝{c_n，k，m|c_n，k，m∈{0，1}}_N×N，c_n，k，m＝1表示用户n和用户k在同时使用频带m时会产生干扰，c_n，n，m＝1表示频带m对用户n来说是不可用的，初始化时，c_n，n，m＝1-l_n，m；

步骤4 选择频谱分配的目标准则，并确定某个循环阶段用户n使用频带m的目标效益r(n，m)的计算方式；

步骤5 根据目标准则分别计算非授权用户n在频带m所获得的收益r(n，m)；

步骤6 根据步骤5计算出的收益，把频段m分配给满足n^*＝arg max r(n，m)的用户n^*；

定义频谱m对应的目标准则下的最优分配向量a_m＝(a_i，m)，0≤i≤N-1，元素初始值全为零，经过步骤6分配后使 $a_{n^{*},m}=1.$

步骤7干扰矩阵更新

令 $c_{n^{*},n^{*},m}=1,$ 且如果 $c_{n^{*},k,m}=1,$ 则令c_k，k，m＝1，0≤k≤N-1，返回步骤5；当干扰矩阵C_m中所有对角线元素均为1，即c_n，n，m＝1，0≤n≤N-1的时候，对频段m的分配结束，得到分配向量a_m，其元素a_n，m＝1表示频带m分配给用户n使用；

步骤1至步骤7的各个步骤是在M段频带的分配中同时独立进行。

上述技术方案中

所述检测可用的频谱资源的步骤1中，具体频谱资源的监测方法可以是能量检测，匹配滤波检测，周期特性检测等方法。

所述计算用户频谱收益的步骤2中，可以根据不同的效益函数来计算用户的频谱收益，效益函数可以考虑不同的影响因子，比如频谱质量(比如用户信号在该频带的衰落情况，在该频谱上可以获得的传输速率等)，用户本身的优先级(如VIP用户和普通用户)，业务的Qos要求(如实时业务和非实时业务)等。

所述步骤3中检测用户在M个频带的相互干扰情况的具体方法可以是，对集中控制式网络而言，根据中心节点对其他受控节点的覆盖范围进行的设置，如功率控制、扇区划分等，判断哪些用户节点在同时使用哪些频带时存在干扰；对分布式系统而言，可以采用载波侦听等方式进行干扰判断。

所述步骤4的频谱分配的目标准则可以是NMSU准则，也可以是CMSU准则。NMSU准则下r(n，m)＝b_n，m；CMSU准则下r(n，m)＝b_n，m/(D_n，m+1)，D_n，m表示在频带m与用户n有相互干扰的用户个数。需要说明的是，CSGC频谱分配方法中NMSB和CMSB准则分别是NMSU和CMSU准则中的特例，把NMSU和CMSU准则中的效益函数设为只有频谱传输速率的影响因子即为NMSB和CMSB准则。

所述步骤3中计算干扰矩阵过程中，可以仅对允许使用频带m的用户(l_m中l_n，m＝1的用户)进行检测判断。对不允许使用频带m的用户k(对应l_k，m＝0)，在对频谱m进行分配时可以不考虑，于是对C_m中表示与用户k相关的信息的元素可以直接人为赋值，对应C_m中c_n，k，m＝0，c_k，n，m＝0，c_k，k，m＝1，0≤n≤N-1，n≠k。

需要强调的是，本发明并行频谱分配方法可以同时对M段频谱进行独立的分配操作，不需要像CSGC频谱分配方法那样，等到所有频谱均检测完才进行分配，只要对某段频谱的检测完成了就可以进行该段频谱的分配。另外，由于并行频谱分配方法可以同时对M段频谱进行独立的分配操作，可以为每段频谱设定不同的效益函数，增加了分配的灵活性；也不需要对所有用户的频谱收益进行计算，可以只对允许使用频带m的用户(l_m中l_n，m＝1的用户)进行计算，对于l_n，m＝0的用户直接把b_n，m的值赋0。

下面结合本发明技术方案的图论解释与原有CSGC频谱分配方法进行分析比较。

在本发明所述的并行频谱分配方法的干扰矩阵C_m中，当c_k，k，m＝1时把C_m的第k行第k列删除，从而得到一个‖l_m‖₁阶的简化干扰矩阵 ${\tilde{C}}_m={\left\{c_{n,k,m}\right|c_{n,k,m}\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\}\}}_{{\left|\right|l_m\left|\right|}_1\×{\left|\right|l_m\left|\right|}_1},$ 其中‖1_m‖₁为l_m的向量范数。每个简化干扰矩阵 对应一个简单图G_m，表征了各用户在频带m上的关系。

对频带m的分配过程等价于对图G_m的着色过程。在步骤5中计算得出每次循坏阶段的用户的目标收益，其对应的就是每次分配阶段图中各顶点的着色权重；步骤6的图论解释就是选择权重最大的顶点着色；步骤7的干扰矩阵更新对应的图G_m的拓扑更新，定义Nbr(n，m)＝{k|c_k，n，m＝1，0≤k≤N-1，k≠n}，表示在频带m与用户n有干扰的用户的集合，在图G_m中表现为与顶点n以m色边相连的邻接顶点集。拓扑更新就是删除图G_m的顶点n^*、Nbr(n^*，m)以及顶点n^*和Nbr(n^*，m)之间的边。如果图G_m为空，则完成对频谱m的分配，得到最优分配向量a_m，否则转到步骤5。

简化的干扰矩阵

以及图G_m与CSGC频谱分配方法的干扰矩阵集合C以及图G存在下面的关系。

CSGC频谱分配方法中图G的拓扑是由点集和边集确定的，在给定顶点数的情况下，边集决定了图G的拓扑。边集是由干扰矩阵集合C决定的，集合中一共有M个干扰矩阵：C_m＝{c_n，k，m|c_n，k，m∈{0，1}}_N×N(0≤m≤M-1)，每个矩阵对应次用户复用一个频带m时的干扰。由干扰矩阵的定义可知，干扰矩阵中对角线元素只由空闲矩阵决定，C_m中对角线元素c_k，k，m＝1表示频带m对用户k来说不可用，在描述次用户在频带m的干扰时该用户可以不考虑。当c_k，k，m＝1时把C_m的第k行第k列删除，就可以得到一个对角线元素为0的‖l_m‖₁阶0、1二元对称矩阵

由图论的知识我们可以知道，

满足简单标号图的邻接矩阵的条件，每个

唯一对应一个简单标号图，我们可以由

得到以 为邻接矩阵的M个简单标号图(G₀ G₁…G_m…G_M-2 G_M-1)，它们是图G的导出子图，每个子图分别表征了在某个频带上各用户的关系，如子图G_m表征了各用户在频带m上的关系。

本发明的实质是：由于CSGC频谱分配方法中图G是一个复合图，存在重边，着色算法也是较为复杂的带权重的list着色算法。通过对有关矩阵的处理，把图G分解为多个简单图，把list着色简化为对多个简单图的点着色。基于频带正交假设，对某个频带的使用不会对其他频带造成干扰，即对某个子图的颜色分配不会影响到其他子图的颜色分配，因此在整个着色算法过程中，各个子图着色是相互独立的。并行频谱分配方法的基本思想就是同时对M个子图着色，由于各个子图都是简单图，对图G的list着色可以简化为对M个子图的点着色。

并行频谱分配方法同时对M个子图进行着色，每个子图得到的分配结果分别为最优分配矩阵A^*中的一个列向量，子图G_m的循环次数为‖a_m‖₁，所有子图均分配完成的开销为矩阵A^*的列和范数 ${\left|\right|A^{*}\left|\right|}_1=\underset{0\≤j\≤M-1}{\mathrm{Max}}{\left|\right|a_j\left|\right|}_1,$ 小于CSGC频谱分配方法的开销 当所有‖a_m‖₁部相等时，开销可以降低为原来的1/M。

本发明的并行分配方法可以在得到与CSGC频谱分配方法相同的最优分配矩阵A^*的同时，使算法的开销降低为 ${\left|\right|A^{*}\left|\right|}_1=\underset{0\≤j\≤M-1}{\mathrm{Max}}{\left|\right|a_j\left|\right|}_1,$ 与CSGC频谱分配方法相比，大大缩短了分配周期，有利于实现快速的频谱分配以适应认知无线电系统中可用频谱资源快速时变的特性。另外可以看到并行频谱分配方法的开销与频带数M无关，更适用于认知无线电系统中含有大量频谱的频谱池的频谱分配。而且由于并行频谱分配方法中各频谱可以独立进行分配，因此可以适应频谱对各用户的差异性(比如某些用户射频只支持某段频谱，因此其他频谱的分配不需要考虑这些用户)，并且可以对各频谱进行独立的检测、效益函数设定和干扰测量等操作，具有很好的灵活性。

附图说明

图1是CSGC频谱分配方法的工作流程图。

图2是本发明所述的一种认知无线电系统中避免干扰的并行频谱分配方法流程示意图。

图3是具体实施方式中图G₀的拓扑变化图。

图4是CSGC频谱分配方法和本发明的并行频谱分配方法在一个具体实例下的开销对比示意图。

参数设置如下：

假设认知无线电系统中非授权用户的数目为12，即N＝12；频谱数目M从1变到30；空闲矩阵L的第一列的第一个元素为0，其他元素为1，第i列元素是第i-1列元素循环移位。效益矩阵B第一列的元素取值为[1，2，3，…，N-1，N]，第i列元素是第i-1列元素循环移位。干扰矩阵集合C中的各矩阵为随机生成的0、1二元对称矩阵。

图中曲线1是CSGC频谱分配方法在CMSB准则下的开销曲线，曲线2是CSGC频谱分配方法在NMSB准则下的开销曲线。曲线3是本发明的并行频谱分配方法在CMSB准则(即通过把效益函数设置为频谱传输速率而简化的CMSU准则)下的开销曲线，曲线4是本发明的并行频谱分配方法在NMSB准则(即通过把效益函数设置为频谱传输速率而简化的NMSU准则)下的开销曲线，曲线5是并行频谱分配方法的开销上限。可以看到，CSGC频谱分配方法的开销随着M的增加近似呈线性的增加，而本发明的并行频谱分配方法的开销不受M的影响，随着M的增加，并行频谱分配方法的开销近似呈一条水平线。另外可以看到并行频谱分配方法的开销存在上界——用户数N。这是因为分配矩阵A是0、1二元矩阵，并行频谱分配方法的开销 $\underset{0\≤j\≤M-1}{\mathrm{Max}}{\left|\right|a_j\left|\right|}_1=\underset{0\≤j\≤M-1}{\mathrm{Max}}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{i,j}\≤\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}1=N.$ 当M增加到比较大的数目时，并行频谱分配方法的开销明显低于CSGC频谱分配方法的开销。

具体实施方式

本发明的一个具体实例如下所述，参数设定不影响一般性，假设认知无线电系统中非授权用户的数目N＝6，用户用U0-U5表示；频谱数目M＝6，频带用F0-F5表示，每个频带的分配向量分别用a₀ a₁…a₄ a₅表示，a_m＝(a_n，m，0≤n≤5)，a_n，m＝1表示频带Fm被分配给用户Un，初始化时a_m所有元素重置为0。下面详细说明并行频谱分配方法中对频带F0的分配过程。对其他频带的分配同时独立的进行，其操作步骤与频带F0的分配类似。

步骤1：检测哪些次用户允许使用频带F0，得到频带F0的空闲频谱向量。

l₀＝(0，0，1，1，1，1)

元素为0表示对应的用户不允许使用频带F0，元素为1表示对应的用户允许使用频带F0。该向量表示频带F0对用户U2-U5来说是可用的，而对于用户U0和U1是禁止使用的。

步骤2：根据效益函数计算各次用户在频带F0上的收益。

根据步骤1的信息，用户U0和用户U1禁止使用频带F0，因此可以把用户U0和U1在频带F0上获得的收益设为0。系统可以根据不同的效益函数来计算用户的频谱收益，效益函数可以考虑不同的影响因子，比如频谱质量(比如用户信号在该频带的衰落情况，在该频谱上可以获得的传输速率等)，用户本身的优先级(如VIP用户和普通用户)，业务的Qos要求(如实时业务和非实时业务)等等。为简化处理，在此实施方式中只考虑各次用户在频带F0可以获得的传输速率作为收益指标，这些数据可以通过物理层的调制编码方案，信道估计给出的信道质量等得到。对这些数据进行归一化处理，得到各次用户在频带F0上的收益向量为

b₀＝(0，0，3，4，5，6)

步骤3：检测判断各次用户在频带F0的相互干扰情况，得到频带F0的干扰矩阵C₀。

根据步骤1的空闲频谱向量信息，用户U0和U1禁止使用频带F0，对于次用户在频带F0的相互干扰，可以仅对用户U2-U5进行检测判断。对不允许使用频带F0的用户U0和U1进行人为赋值(对应C₀中c_i，k＝0，c_k，i＝0，c_k，k＝1，0≤i≤5，i≠k，k＝0，1)，在实际对频带F0进行分配操作时可以不考虑。干扰矩阵C₀为

$C_0=\left(\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 1& 1& 0\end{array}\right)$

其中c_n，k＝1表示用户Un和用户Uk在同时使用频带F0时会产生干扰，从上面C₀中元素的值可以看出，在频带F0上，用户U2和U3之间，用户U3和U5之间以及用户U4和U5之间存在干扰。

由于用户U0和U1不允许使用频带F0，因此在只考虑有效信息时可以删除C₀的第1，2列和第1，2行得到简化干扰矩阵

${\tilde{C}}_0=\left(\begin{array}{cccc}0& 1& 0& 0\\ 1& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 1\\ 0& 1& 1& 0\end{array}\right)$

是0、1二元对称矩阵，对应一个简单标号图G₀，如附图3-(a)所示。

步骤4：选择目标准则。

并行频谱分配方法中有两种最大化系统总效益的目标准则供选择，一种是NMSU(Non-collaborative-Max-Sum-Utility，非协作最大化总效益)准则，另一种是CMSU(Collaborative-Max-Sum-Utility，协作最大化总效益)准则。定义r(n，m)表示在某个目标准则下某个循环阶段用户Un使用频带Fm带来的目标效益。在NMSU准则下r(n，m)＝b_n，m，在CMSU准则下r(n，m)＝b_n，m/(D_n，m+1)。这里选择CMSU准则。

步骤5：计算目标收益r(n，m)

根据步骤4选择的目标准则以及图G₀的拓扑更新情况计算r(n，m)，在初始循环阶段图G₀各顶点的目标收益为r_2，0＝3，r_3，0＝2，r_4，0＝5，r_5，0＝3，如附图3-(a)所示。

步骤6：对图G₀进行着色，把颜色0(频谱F0)分配给满足n^*＝arg max r(n，m)的顶点n^*(用户Un^*)。

在第一次循环中，由于r_4，0＝5最大，所以把频谱F0分配给用户U4。因此频带F0的分配向量a₀中对应的元素a_4，0＝1。

步骤7：对图G₀进行拓扑更新，删除图G₀的顶点n^*，Nbr(n^*，0)以及顶点n^*和Nbr(n^*，0)之间的边。如果图G₀为空，则完成对频谱F0的分配，否则转到步骤5，进行下一次循环。

在第一次循环中把频谱F0分配给用户U4，因此拓扑更新就是删除顶点U4，与U4相邻的顶点U6以及U4和U6之间的边，从而得到新的拓扑，如图3-(b)所示。然后返回步骤5进入下一次分配循环。

第二次分配循环的分配结果是把频带F0分配给用户U3，拓扑更新后图G₀为空，从而完成了对频谱F0的分配。最终频带F0的分配向量a₀为

a₀＝(0，0，0，1，1，0)

即把频带F0分配给了用户U3和U4。

对其他频带的分配同时独立的进行，其操作步骤与频带F0的分配类似。其他各频带的相关信息以及分配结果如下：

频带F1：

l₁＝(1，0，0，1，1，1)

b₁＝(6，0，0，4，5，2)

$C_1=\left(\begin{array}{cccccc}0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1\\ 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0\end{array}\right)$

得到分配向量a₁＝(1，0，0，1，0，0)

频带F2：

l₂＝(1，1，0，0，1，1)

b₂＝(6，2，0，0，6，1)

$C_2=\left(\begin{array}{cccccc}0& 0& 0& 0& 1& 1\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 1& 1& 0& 0& 0& 1\\ 1& 0& 0& 0& 1& 0\end{array}\right)$

得到分配向量a₂＝(1，1，0，0，0，0)

频带F3：

l₃＝(1，1，1，0，0，1)

b₃＝(1，3，5，0，0，1)

$C_3=\left(\begin{array}{cccccc}0& 1& 0& 0& 0& 1\\ 1& 0& 1& 0& 0& 1\\ 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 1& 1& 0& 0& 0& 0\end{array}\right)$

得到分配向量a₃＝(1，0，1，0，0，0)

频带F4：

l₄＝(1，1，1，1，0，0)

b₄＝(6，5，2，2，0，0)

$C_4=\left(\begin{array}{cccccc}0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 1& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right)$

得到分配向量a₄＝(1，1，1，0，0，0)

频带F5：

l₅＝(0，1，1，1，1，0)

b₅＝(0，6，5，1，1，0)

$C_5=\left(\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 1& 0\\ 0& 1& 0& 1& 1& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right)$

得到分配向量a₅＝(0，1，0，1，0，0)

当所有频带的分配均完成时，频谱分配方法结束。

Claims (6)

1、一种认知无线电系统中避免干扰的并行频谱分配方法，假定认知无线电系统中非授权用户数为N，射频端可支持的频带F可平均分为M个频段，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1  检测可用的频谱资源

各非授权用户分别对M段频谱进行检测得到M个空闲频谱向量(l₀ l₁…l_m…l_M-2 l_M-1)，l_m＝{l_n，m|l_n，m∈{0，1}}_N×1，0≤n≤N-1，l_n，m＝1表示频带m对于用户n是可用的，l_n，m＝0表示不可用；

步骤2  计算用户频谱收益

为每段频谱设定非授权用户效益函数，得到各个非授权用户在该段频谱上的收益向量： $b_m={\left(b_{n,m}\right)}_{N\×1}$ ，0≤n≤N-1，0≤m≤M-1；b_n，m为非授权用户n在频带m上获得的收益；M段频谱共有M个收益向量(b₀ b₁…b_m…b_M-2 b_M-1)；

步骤3  通过分别检测用户在M段频带的相互干扰情况，得到M个干扰矩阵(C₀ C₁…C_m…C_M-2 C_M-1)，C_m＝{c_n，k，m|c_n，k，m∈{0，1}}N×N，c_n，k，m＝1表示用户n和用户k在同时使用频带m时会产生干扰，c_n，n，m＝1表示频带m对用户n来说是不可用的，初始化时，c_n，n，m＝1-l_n，m；

步骤4  选择频谱分配的目标准则，并确定某个循环阶段用户n使用频带m的目标效益r(n，m)的计算方式；

步骤5  根据目标准则分别计算非授权用户n在频带m所获得的收益r(n，m)；

步骤6  根据步骤5计算出的收益，把频段m分配给满足n^*＝arg max r(n，m)的用户n^*；

步骤7  干扰矩阵更新

令 $c_{n^{*},n^{*},m}=1,$ 且如果 $c_{n^{*},k,m}=1,$ 则令c_k，k，m＝1，0≤k≤N-1，当干扰矩阵C_m中所有对角线元素均为1，即c_n，n，m＝1，0≤n≤N-1的时候，对频段m的分配结束，否则返回步骤5；；

步骤1至步骤7的各个步骤是在M段频带的分配中同时独立进行。

2、根据权利要求1所述的一种认知无线电系统中避免干扰的并行频谱分配方法，其特征是，所述检测可用的频谱资源的步骤1中，具体频谱资源的监测方法可以是能量检测，匹配滤波检测，周期特性检测等方法。

3、根据权利要求1所述的一种认知无线电系统中避免干扰的并行频谱分配方法，其特征是，所述计算用户频谱收益的步骤2中，可以根据不同的效益函数来计算用户的频谱收益，效益函数可以考虑不同的影响因子，比如频谱质量、用户本身的优先级、业务的Qos要求等。

4、根据权利要求1所述的一种认知无线电系统中避免干扰的并行频谱分配方法，其特征是，所述步骤3中检测用户在M个频带的相互干扰情况的具体方法可以是，对集中控制式网络而言，根据中心节点对其他受控节点的覆盖范围进行的设置，如功率控制、扇区划分等，判断哪些用户节点在同时使用哪些频带时存在干扰；对分布式系统而言，可以采用载波侦听等方式进行干扰判断。

5、根据权利要求1所述的一种认知无线电系统中避免干扰的并行频谱分配方法，其特征是，所述步骤4的频谱分配的目标准则可以是NMSU准则，也可以是CMSU准则；NMSU准则下r(n，m)＝b_n，m；CMSU准则下r(n，m)＝b_n，m/(D_n，m+1)，D_n，m表示在频带m与用户n有相互干扰的用户个数。

6、根据权利要求1所述的一种认知无线电系统中避免干扰的并行频谱分配方法，其特征是，所述步骤3中计算干扰矩阵过程中，可以仅对允许使用频带m的用户进行检测判断，对不允许使用频带m的用户k，在对频谱m进行分配时可以不考虑，于是对C_m中表示与用户k相关的信息的元素可以直接人为赋值，对应C_m中c_n，k，m＝0，c_k，n，m＝0，c_k，k，m＝1，0≤n≤N-1，n≠k。

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