一种合作认知无线网络高能效资源分配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种合作认知无线网络资源分配框架，将PU的授权频谱分为两部分，一部分出让给SU作为专用信道，另一部分用于PU传输，包括PU传输自身数据以及SU中继PU数据，以提高PU的能效。每个SU可以在专用信道上传输自身数据，但功率正比于其中继数据功率。在该模型中，PU和每个SU都应考虑自身策略。各SU选择的中继功率取决于专用信道带宽及其他SU的中继功率，因为其香农容量取决于信道带宽和信干噪比。而PU容量取决于自身传输的信道带宽及各SU的中继功率。增大专用信道带宽会激励SU增大中继功率，却减小了自身传输的信道带宽，PU需选择合适的专用信道带宽以最大化容量。本发明专利技术将该框架建模为一个Stackelberg博弈，研究纳什均衡存在性、唯一性及各用户效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线通信
，特别是一种合作认知无线网络高能效资源分配方法。
技术介绍
认知无线电(CR:CognitiveRadio)是一种提高频谱资源利用率的新技术。作为一种可以感知外部环境的智能通信系统，允许在时域、频域和空域上进行多维的资源共享。在CR网络中，存在两类用户。一类是频谱的授权使用者，即主用户(PU:PrimaryUser)；另一类是试图机会式接入频谱的非授权用户，即次用户(SU:SecondaryUser)。CR的核心思想是：允许次用户接入主用户的授权信道，前提是次用户的通信不能对主用户的通信造成不可容忍的干扰，通过资源共享提高利用率。目前，一些国家的频谱监管部门和国际标准化组织已出台了相应的政策法规和标准规范。如美国联邦通信委员会(FCC:FederalCommunicationsCommission)在2002、2003年相继发布了非授权设备需要具备感知未占用频段的能力以及基于干扰温度的频谱共享规则；英国通信办公室(Ofcom:OfficeofCommunications)发布的英国TVWS(TelevisionWhiteSpace)频段使用规则中强调建立全英TVWS频段数据库，考虑到设备成本，不要求设备具备频谱感知能力。在异构多网融合应用中，基于认知无线电技术，主用户对授权频谱的利用和处理有更大的灵活性。如果主用户PU网络已知当前通信环境中存在次用户SU网络，那么它可以借助次用户SU网络为其提供通信协作，即PU要求SU中继数据，而作为回报，PU会为SU提供部分资源，如时间、频谱等。这种合作频谱共享机制的关键是如何合理地对资源进行划分，并分配给PU和SU。已经有很多学者对此提出了大量方法，如YanYang和HuangJianwei等人采用议价模型来分配传输时隙，考虑SU的能量约束，分析了在单次议价和多次议价中PU的最优议价；Simeone等人分析了一个实例，其中主用户愿意出让部分授权频谱给次用户以获取次用户合作。一方面，主用户想最大化自己的服务质量，具体体现为数据率或中断率，而这取决于合作SU的贡献。另一方面，次用户SU网络利用从主用户PU网络获得的时隙，采用分布式功率控制机制相互竞争，将其模型化为Stackelberg博弈；ZhangJin等人采用了与Simeone等人相近的框架，基于时分多址(TimeDivisionMultipleAccess,TDMA)方式分配租赁时隙，设计了一种独特的效用函数来表征服务质量，并假设SU采用固定功率为PU提供协作中继。为了竞争租赁时隙的传输时间，SU必须支付额外费用，研究了支付博弈均衡以及PU为了最大化自身受益愿意出让的时隙长度。WangHaobing等人提出一种三阶段合作频谱共享机制，SU通过为PU传输多做贡献赚取第三阶段的传输时间，SU的贡献取决于中继传输功率和SU与PU之间的信道增益。受该机制激励，SU愿意在数据率和功率开销之间寻求折中，并设计了一种中继选择算法来剔除中继增益低下的次用户，确保唯一的均衡存在。以上方法存在的不足之处在于：仅专注于时间资源分割，可能导致SU只能在有限时隙内传输自己的数据，对某些需要长时间传输的SU不适用；另外，上述方法大部分没有考虑信息不完全时的情况。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种合作认知无线网络高能效资源分配方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：本专利技术提供的合作认知无线网络高能效资源分配方法，所述认知无线网络包括主用户PU网络和次用户SU网络；所述每个主用户PU和次用户SU均设置有一对收端和发端；所述主用户PU网络利用次用户SU网络为其协作中继；所述次用户SU网络和主用户PU网络采用信道通信；所述信道通信包括主信道和次信道；所述主信道为主用户PU网络的自身通信频谱；所述次信道为主用户PU网络出让给次用户SU网络的通信频谱；包括以下步骤：S1：主用户PU网络设置出让给次用户SU网络的次信道带宽Wα；S2：次用户SU网络根据次信道带宽和各次用户对能量代价的估值按照以下公式计算各次用户为主用户PU中继数据的传输功率：Ax＝b；其中，矩阵A由各次用户之间的信道增益组成，A的第i行j列元素为hs,ij，表示次用户SUi的发端到次用户SUj的收端之间的信道增益；向量b由主用户PU网络出让给次用户SU网络的次信道带宽和各次用户的单位能量成本以及接收到的噪声综合得到；hsp,i表示次用户SUi的发端到主用户PU的收端之间的信道增益；ci表示次用户SUi的单位能量成本；n0表示接收到的噪声功率谱密度；x表示最终得到的各次用户为主用户PU中继数据的最优传输功率与对应的次用户发端到主用户收端信道增益的乘积，即(x1,x2,…,xM)＝(P1*hsp,1,P2*hsp,2,…,PM*hsp,M)T，其中，Pi*是次用户SUi的最优传输功率；S3：求解功率分配博弈获得的最优传输功率作为次用户SU网络为主用户PU网络中继数据的传输功率。进一步，所述功率分配博弈模型按照以下步骤建立：按照以下公式确定三元组G＝(N,S,U)，其中，N＝{PU,SU1,…,SUM本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种合作认知无线网络高能效资源分配方法，所述认知无线网络包括主用户PU网络和次用户SU网络；所述每个主用户PU和次用户SU均设置有一对收端和发端；所述主用户PU网络利用次用户SU网络为协作中继；所述次用户SU网络和主用户PU网络采用信道通信；所述信道通信包括主信道和次信道；所述主信道为主用户PU网络的自身通信频谱；所述次信道为主用户PU网络出让给次用户SU网络的通信频谱；其特征在于：包括以下步骤：S1：主用户PU网络设置出让给次用户SU网络的次信道带宽Wα；S2：次用户SU网络根据次信道带宽和各次用户对能量代价的估值按照以下公式计算各次用户为主用户PU中继数据的传输功率：Ax＝b；其中，矩阵A由各次用户之间的信道增益组成，A的第i行j列元素为hs,ij，表示次用户SUi的发端到次用户SUj的收端之间的信道增益；向量b由主用户PU网络出让给次用户SU网络的次信道带宽和各次用户的单位能量成本以及接收到的噪声综合得到；hsp,i表示次用户SUi的发端到主用户PU的收端之间的信道增益；ci表示次用户SUi的单位能量成本；n0表示接收到的噪声功率谱密度；x表示最终得到的各次用户为主用户PU中继数据的最优传输功率与对应的次用户发端到主用户收端信道增益的乘积，即(x1,x2,…,xM)＝(P1*hsp,1,P2*hsp,2,…,PM*hsp,M)T，其中，Pi*是次用户SUi的最优传输功率；S3：求解功率分配博弈获得的最优传输功率作为次用户SU网络为主用户PU网络中继数据的传输功率。...

【技术特征摘要】
1.一种合作认知无线网络高能效资源分配方法，所述认知无线网络包括主用户PU网络和次用户SU网络；所述每个主用户PU和次用户SU均设置有一对收端和发端；所述主用户PU网络利用次用户SU网络为协作中继；所述次用户SU网络和主用户PU网络采用信道通信；所述信道通信包括主信道和次信道；所述主信道为主用户PU网络的自身通信频谱；所述次信道为主用户PU网络出让给次用户SU网络的通信频谱；其特征在于：包括以下步骤：S1：主用户PU网络设置出让给次用户SU网络的次信道带宽Wα；S2：次用户SU网络根据次信道带宽和各次用户对能量代价的估值按照以下公式计算各次用户为主用户PU中继数据的传输功率：Ax＝b；其中，矩阵A由各次用户之间的信道增益组成，A的第i行j列元素为hs,ij，表示次用户SUi的发端到次用户SUj的收端之间的信道增益；向量b由主用户P...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯文江，姜文浩，应腾达，张博为，刘国岭，代才莉，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50