协同传输能量收集认知无线电网络最佳资源分配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种协同传输能量收集认知无线电网络最佳资源分配方法，解决现有认知无线电资源分配策略无法满足能量收集需求和保证次级用户之间公平性的问题。实现步骤是：设置目标参数；初始化次级用户参数；次级用户参数迭代计算；次级用户感知时间迭代条件判断；得到最佳次级用户参数；完成协同传输能量收集绿色认知无线电网络的最佳资源分配。本发明专利技术在保证能量收集器的最小能量收集需求以及给次级用户提供更好的公平性的情况下，能快速获得最大公平性的信道分配、最佳感知时间和最佳功率分配；利用能量收集器对认知基站发送的射频信号能量收集，能量循环利用，提高使用效率；本发明专利技术计算复杂度低，具有工程化应用的前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线通信
，涉及频谱感知共享保证公平性的最佳资源分配方案，具体是一种协同传输能量收集认知无线电网络最佳资源分配方法，用于无线通信的资源分配。
技术介绍
近年来，移动设备数和人们对通信数据率的需求急剧地增长，使得有限的频谱资源日益拥挤。根据美国联邦通信委员会的统计资料，2012年到2015年，移动设备用户数从40.8亿增长到45.5亿。与此同时，自2009年到2014年，现有的蜂窝基站的数据业务量平均增长了12.5倍。另据欧洲联盟委员会第七架构规划(FP7)资料，预测到2020年，移动用户数将增长至76亿，每个用户平均每年需要的数据量从2012年的10GB增长至2020年的82GB。另一方面，为了满足更多的移动设备及更高的数据量需求，由通信和信息技术消耗的能量和释放的CO2量越来越多，导致温室效应变得更加严重。根据现有的数据显示，2013年，全球通信与信息技术消耗的能量占全年消耗的总能量的10％，释放的CO2量占全年CO2释放量的4％。据预测至2020年，由通信与信息技术释放的CO2量将增至全年CO2释放量的8％。为了缓解全球温室效应问题，中国政府致力于推进加强节能，提高能效工作。在哥本哈根全球气候大会上，中国政府作出庄严承诺：争取到2020年中国单位GDP二氧化碳排放将比2005年下降40％到45％。在2016年3月份，国家发改委颁布了“十三五”发展规划，明确提出了建立天地一体化信息网络的目标。在此背景下，兑现单位GDP二氧化碳排放量的目标面临严峻挑战。因此，未来通信网络需要解决“连续广域覆盖”、“热点高容量”、“低时延高可靠性”和“低功耗大连接”四大基本问题。作为解决频谱稀缺问题和降低温室效应有效技术之一，能量收集绿色认知无线电致力于高效利用能量的同时，在次级用户(也称之为非授权用户)对主用户(也称之为授权用户)造成的干扰在主用户可容忍的范围内，允许次级用户接入主用户频段进行信息传输。在能量收集绿色认知无线电网络中，最佳的资源分配方案既能在有限的功率下提供次级用户更高的传输率，又能更好地保护主用户传输质量。而且，在能量收集绿色认知无线电网络中，最佳资源分配方案可以降低网络的铺设成本，在获得经济绿色认知无线电网络的同时减少温室气体的排放。同时，最佳资源分配方案能在提供次级用户更好的用户体验的同时，满足能量收集器的能量收集需求。因此，在能量收集绿色认知无线电网络中，设计最佳的资源分配方案尤为重要。现有的最佳资源分配策略主要针对以下两种机制进行设计：1)机会频谱接入机制。机会频谱接入机制的思想是，次级用户在检测到主用户不存在情况下，次级用户使用主用户频段进行传输。在该机制下，次级用户需要准确快速的对主用户频段进行检测。由于现有的频谱感知技术不能达到完全准确的检测效果，当主用户不存在，但次级用户误判主用户存在时，次级用户会放弃使用该频段以保护主用户；而当主用户存在，但次级用户误判主用户不存在时，次级用户使用主用户频段进行传输，将对主用户产生干扰。因此最佳功率分配策略的设计在该机制中不仅能起到保护主用户的作用，而且能提供次级用户最大传输速率。2)频谱共享机制。在频谱共享机制下，次级用户和主用户共享同一个频段，次级用户不需要对主用户状态进行检测。在该机制下，为了保证主用户的服务质量，次级用户需要最佳设计其发送功率。由于在频谱共享机制下，频谱效率更高且次级用户能获得更好的服务质量，因此在频谱共享机制下，设计最佳功率分配策略更为重要。在传统的认知无线电下，现有的资源分配方法(1：S.Wang,Z.H.Zhou,M.Ge,andC.Wang,“Resourceallocationforheterogeneouscognitiveradionetworkswithimperfectspectrumsensing”IEEEJ.Sel.AreasCommun.,vol.31,no.3,pp.464-475,Mar.2013.2：H.Zhang,J.Chun,X.Mao,andH.Chen,“Interference-limitedresourceoptimizationincognitiveradiofemtocellswithfairnessandimperfectspectrumsensing”IEEETrans.Veh.Technol.,vol.65,no.3,pp.1761-1771,Mar.2016.)是在给定的约束条件下，根据信道条件，通过调整信道分配及次级用户发送功率，达到使得次级用户获得最大容量的目标。此功率分配方法，只与约束条件、次级用户发送端到次级用户接收端、次级用户发送端到主用户接收端、主用户发送端到次级用户接收端的信道增益、主用户发送功率、次级用户接收端的噪声功率有关，而与能量收集需求无关。这种功率分配方法，由于没有考虑到能量收集器的能量收集需求和频谱感知性能的影响，使得其无法适用于能量收集绿色认知无线电网络。现有的基于两种机制设计的最佳资源分配策略：机会频谱接入机制不仅要检测主用户的状态，而且在检测过程中还有可能出现判断错误，导致频谱资源浪费或对主用户的传输造成干扰；频谱共享机制，没有考虑到能量收集器的能量收集需求和频谱感知性能的影响，造成能量浪费。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种使次级用户更加公平，能量循环利用的基于频谱感知共享的适用于能量收集认知无线电网络的最佳资源分配方法，以满足能量收集器的能量需求，保证用户之间的公平性及最大化次级用户间最小吞吐量。为实现上述目的，本专利技术采用了如下的技术方案：本专利技术是一种协同传输能量收集绿色认知无线电网络最佳资源分配方法，运行在有认知基站、网络、认知用户构成的通信系统中，认知用户有主用户和次级用户，主用户至少有一个，次级用户至少有一个，主用户与次级用户均可作为目标，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据绿色认知无线电网络能量收集需求进行目标参数设置，认知用户根据绿色认知无线电网络设计目标设置目标检测概率帧长T，认知基站最大传输功率Pth，认知基站主用户最大可容忍的干扰功率PI,i>0，能量收集器的最小能量收集需求(2)初始化次级用户参数，包括次级用户感知时间τ，参与次级用户迭代计算的迭代次数n,参与次级用户迭代计算的参数有信道空闲时次级用户发送功率信道传输信息时次级用户发送功率和信道分配初始化后迭代次数n＝0；(3)次级用户参数迭代计算，计算次级用户发送功率信道分配次级用户间最小吞吐量Γn，其中为信道指示，取值为0或1，0表示信道处于空闲状态，1表示信道处于通信状态，下标i为主用户序号，m为次级用户序号，n为迭代次数；(4)迭代条件判断，对经过迭代后得到的次级用户感知时间τn进行判断，如果τn小于等于T，n加1，τ加1，返回步骤3继续迭代；反之，即τn大于T，执行步骤5；(5)当次级用户感知时间τn大于T时，开始对得到的n个次级用户间所有吞吐量Γn进行比较，取其中最大的Γn值，作为次级用户之间最小吞吐量Γ，得到最佳次级用户参数；(6)完成在保证能量收集器的最小能量收集需求的同时给次级用户提供更好的公平性的协同传输能量收集认知无线电网络的最佳资源分配。本专利技术是基于协同传输的可用于能量收集绿色认知无本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种协同传输能量收集绿色认知无线电网络最佳资源分配方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据绿色认知无线电网络能量收集需求进行目标参数设置，认知用户根据绿色认知无线电网络设计目标设置目标检测概率帧长T，认知基站最大传输功率Pth，认知基站主用户最大可容忍的干扰功率PI,i>0，能量收集器的最小能量收集需求θk>0；(2)初始化次级用户参数，包括次级用户感知时间τ，参与次级用户迭代计算的迭代次数n,参与次级用户迭代计算的参数有信道空闲时次级用户发送功率信道传输信息时次级用户发送功率和信道分配初始化后迭代次数n＝0；(3)次级用户参数迭代计算，计算次级用户发送功率信道分配次级用户间最小吞吐量Γn，其中为信道指示，取值为0或1，0表示信道处于空闲状态，1表示信道处于通信状态，下标i为主用户序号，m为次级用户序号，n为迭代次数；(4)迭代条件判断，对经过迭代后得到的次级用户感知时间τn进行判断，如果τn小于等于T，n加1，τ加1，返回步骤3继续迭代；反之，即τn大于T，执行步骤5；(5)当次级用户感知时间τn大于T时，开始对得到的n个次级用户间所有吞吐量Γn进行比较，取其中最大的Γn值，作为次级用户之间最小吞吐量Γ，得到最佳次级用户参数；(6)完成在保证能量收集器的最小能量收集需求的同时给次级用户提供更好的公平性的协同传输能量收集绿色认知无线电的最佳资源分配。...

【技术特征摘要】
1.一种协同传输能量收集绿色认知无线电网络最佳资源分配方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据绿色认知无线电网络能量收集需求进行目标参数设置，认知用户根据绿色认知无线电网络设计目标设置目标检测概率帧长T，认知基站最大传输功率Pth，认知基站主用户最大可容忍的干扰功率PI,i>0，能量收集器的最小能量收集需求θk>0；(2)初始化次级用户参数，包括次级用户感知时间τ，参与次级用户迭代计算的迭代次数n,参与次级用户迭代计算的参数有信道空闲时次级用户发送功率信道传输信息时次级用户发送功率和信道分配初始化后迭代次数n＝0；(3)次级用户参数迭代计算，计算次级用户发送功率信道分配次级用户间最小吞吐量Γn，其中为信道指示，取值为0或1，0表示信道处于空闲状态，1表示信道处于通信状态，下标i为主用户序号，m为次级用户序号，n为迭代次数；(4)迭代条件判断，对经过迭代后得到的次级用户感知时间τn进行判断，如果τn小于等于T，n加1，τ加1，返回步骤3继续迭代；反之，即τn大于T，执行步骤5；(5)当次级用户感知时间τn大于T时，开始对得到的n个次级用户间所有吞吐量Γn进行比较，取其中最大的Γn值，作为次级用户之间最小吞吐量Γ，得到最佳次级用户参数；(6)完成在保证能量收集器的最小能量收集需求的同时给次级用户提供更好的公平性的协同传输能量收集绿色认知无线电的最佳资源分配。2.根据权利要求1所述的协同传输能量收集绿色认知无线电最佳资源分配方法，其特征在于，其中步骤(1)中的最小能量收集需求θk需满足：主用户最大可容忍的干扰功率PI,i约束条件为：认知基站最大传输功率Pth约束为：式中，信道分配约束ρi,m为：θk为第k个能量收集器最小收集能量需求、PI,i为认知基站对第i个主用户最大可容忍的干扰功率，Pth为认知基站最大传输功率。3.根据权利要求1所述的协同传输能量收集绿色认知无线电最佳资源分配方法，其特征在于，其中步骤(3)中的具体迭代计算包括有：(3.1)计算在次级用户给定感知时间τn时的次级用户发送功率计算包括：其中，ζ为能量转换因子，gi,m为认知基站在第i个信道给第m个次级用户发送信息的信道功率增益，hi,k为第k个能量收集器在第i个信道采集能量的信道功率增益，zi,m为主基站在第i个信道传输信息对第m个次级用户造成的干扰的信道功率增益，qi认知基站在第i个信道传输信息对主用户造成的干扰的信道功率增益，PiPU为主基站给第i个主用户接收机发送信息的恒定发送功率，表示第m个次级用户接收端的噪声方差，为...

【专利技术属性】
技术研发人员：司江勃，屈小芳，李赞，刘伯阳，翟文超，梁琳琳，黄海燕，宁奔，王健欢，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61