一种基于能效和谱效联合优化的认知无线电功率分配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种基于能效和谱效联合优化的认知无线电功率分配方法，属于无线通信资源分配技术领域，包括如下步骤：1、认知用户采用能量感知方法进行频谱感知，得到认知用户的检测概率和虚警概率；2、在认知用户平均发射功率、主用户平均干扰功率和检测概率门限的约束下，建立最大能效和谱效的优化模型P1；3、等价转化最优化模型P1；4、求解最佳功率分配、最大能效和最大谱效，得到最优功率分配和最大能效谱效。本发明专利技术能够在满足认知网络谱效的同时最大化认知用户的能效的情况下进行最优感知时间和最佳功率分配，也可以在满足认知网络能效的同时最大化认知用户的谱效的情况下进行最优的感知时间和最佳的功率分配。

【技术实现步骤摘要】
一种基于能效和谱效联合优化的认知无线电功率分配方法
本专利技术涉及一种感知时间及功率分配联合优化方法，特别是涉及一种基于能效和谱效联合优化的认知无线电功率分配方法，属于无线通信资源分配

技术介绍
无线和移动通信技术的飞速发展，一方面，造成了现有固定频谱资源分配方式下频谱资源短缺的问题，另一方面，导致移动设备消耗的能量快速增加，造成了能源紧缺的问题，根据现有研究报道，信息通信技术每年消耗的能量占每年总能量消耗的2％到10％，因此，随着绿色通信技术的发展，能量效率简称能效，在近年来也引起了人们的关注，由于绿色认知无线电不仅能提高频谱效率简称谱效，而且能最大化系统的能效，成为当前的研究热点，绿色认知无线电作为一种频谱共享技术，能够充分利用主用户空闲的频谱资源，其主要思想是认知用户可以在不影响主用户正常通信的前提下或者在对主用户的干扰在一定的门限之下，以最大能效的方式接入主用户的授权频段进行通信，从而提高认知网络的谱效，而且尽可能最大化认知网络的能效。但是，研究表明，在认知无线电中提高认知网络的能效会降低谱效；同样，提高认知网络的谱效也会降低能效，也就是说能效和谱效不可能同时达到最大，因此，如何设计能效与谱效的折中是一个值得研究的问题；在绿色认知无线电中，由于认知无线电的优先性是保护主用户的服务质量，因此，必须控制认知用户的发射功率，且其传输对主用户的干扰功率也应该在一定的门限之下，因此，在绿色认知无线电中，对认知用户的发射功率进行最佳分配，不仅能很好的保护主用户的服务质量，同时也能在最大化认知用户能效的基础上，获取更高的谱效。因此，如何对认知用户进行功率分配也是一个值得研究的问题。现有的研究大多是单独的提高认知用户能效或者提高认知用户的谱效，并没有考虑能效和谱效的折中优化：StotasS,NallanathanA.提出了一种提高认知无线电频谱效率的功率分配方法，该方法在认知用户最大发射功率和主用户所能容忍的最大干扰功率的约束下，以最大化认知用户的吞吐量(谱效)为目标，实现了认知用户的最佳功率分配，但是这种方法没有考虑认知用户的能效，且其在机会频谱接入模式下进行的功率分配。ParkH,HwangT等人提出了一种基于频谱感知的频谱共享的能效最大的功率分配方法，该方法在认知用户的最大发射功率和主用户的干扰温度的约束下，以最大化认知网络的能效为目标，实现了认知用户的最佳功率分配。但是这种方法没有考虑认知网络的谱效，且其未考虑认知用户感知时间的优化。HuH,ZhangH,LiangYC等人提出了一种同时最大化能效和谱效的方法，该方法以同时最大化认知用户的能效和谱效为目标，设计了最优的认知用户的感知时间，感知门限，感知策略，协作感知的用户数，但是这种方法没有考虑认知用户的功率分配。目前，最佳功率分配策略主要基于以下两种机制进行的：(1)机会频谱接入机制：在机会频谱接入机制下，只有当认知用户检测到主用户空闲时，认知用户才会接入分配给主用户的频谱进行通信，当授权用户重新返回通信时认知用户应立即切换至其他频段进行通信。(2)频谱共享机制：在频谱共享机制下，允许认知用户与主用户同时在授权频谱上进行通信，但前提是认知用户对主用户的干扰低于一定的门限，从主用户的角度来看，认知用户在不降低主用户通信质量的前提下可以和认知用户同时存在；从认知用户的角度来看，为了不给主用户带来过度干扰，认知用户需要控制其发射功率。以上两种频谱接入机制提高认知用户的能效和谱效的程度有限，本方法基于频谱感知的频谱共享机制进行功率分配，在基于频谱感知的频谱共享中，认知用户首先感知主用户信道的状态，根据认知用户的频谱感知的结果来决定其传输功率，如果主用户正在授权频段上通信，则认知用户以较低功率进行数据传输，相反，如果主用户不存在，认知用户以较高的功率传输数据。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是为了提供一种基于频谱感知的频谱共享模式下，以最大化认知用户谱效和能效为目标，进行最优感知时间和最佳功率分配方法，该方法能够在满足认知网络谱效的同时最大化认知用户的能效的情况下进行最优感知时间和最佳功率分配；也可以在满足认知网络能效的同时最大化认知用户的谱效的情况下进行最优的感知时间和最佳的功率分配。本专利技术的目的可以通过采用如下技术方案达到：一种基于能效和谱效联合优化的认知无线电功率分配方法，认知无线电网络包含一对主用户发射机PT和接收机PR，一对认知用户发射机ST和接收机SR，认知用户传输链路与主用户传输链路共享频谱资源，在某个给定的授权信道上，主用户发射机PT向主用户接收机PR发送数据，认知用户发射机ST与认知用户接收机SR进行通信，包括以下步骤：步骤1：认知用户采用能量感知方法进行频谱感知，得到认知用户的检测概率和虚警概率；步骤2：在认知用户平均发射功率、主用户平均干扰功率和检测概率门限的约束下，建立最大能效和谱效的优化模型P1；步骤3：等价转化最优化模型P1；步骤4：求解最佳功率分配、最大能效和最大谱效。进一步的，所述步骤1中，得到认知用户的检测概率如式(1)：得到认知用户的虚警概率如式(2)：其中：τ表示感知时间；fs表示采样频率；η表示判决门限；γ表示认知用户的信噪比。进一步的，所述步骤2中，在认知用户平均发射功率、主用户平均干扰功率和检测概率门限的约束下，建立最大能效和谱效的优化模型P1包括以下步骤：步骤21：认知用户谱效建模认知用户在时隙τ内感知主用户信道状态，根据认知用户的频谱感知结果来决定其传输功率，获得认知用户的谱效模型ηSE，如果主用户正在授权频段上通信，则认知用户以较低的功率Pt(1)在时隙T-τ内进行数据传输，相反，如果主用户不存在，认知用户则以较高的功率Pt(0)在时间T-τ内传输数据；步骤22：认知用户能效建模假设在认知系统中，认知用户进行频谱感知消耗的功率为Ps，Pc表示认知系统固定的电路损耗功率，则根据主用户的实际状态和认知用户的感知结果，获得认知用户的能效建模ηEE；步骤23：建立功率分配的约束条件模型首先，为了避免对主用户造成有害的干扰，设定认知用户对主用户的平均干扰功率门限来保证主用户能正常通信；其次，为了保证认知用户能长时间的工作，设定认知用户的平均最大发射功率限制；最后，设定认知用户的检测概率高于设定的门限值；步骤24：建立最优化模型P1。进一步的，所述步骤21中，假设主用户的传输功率为Pp，那么根据主用户的实际状态和认知用户的感知结果，认知用户在其传输信道上有四种不同的瞬时传输速率，分别如式(3)、(4)、(5)和(6)所示：其中：下标分别代表主用户的实际状态和认知用户的频谱感知结果；当下标代表主用户的实际状态时，1代表主用户信道被占用，0代表主用户信道空闲；当下标代表认知用户的频谱感知结果时，1代表认知用户的感知结果为主用户存在，0代表认知用户感知到主用户不存在；认知用户的谱效模型ηSE为：其中：a0＝P(H0)(1-Pf)；b0＝P(H1)(1-Pd)；a1＝P(H0)Pf；b1＝P(H1)Pd；P(H0)、P(H1)分别代表主用户空闲和繁忙的概率。进一步的，所述步骤22中，获得认知用户的能效建模ηEE为：其中：认知用户消耗的总能量为：其中：Ps为认知用户进行频谱感知消耗的功率，Pc为认知系统的固定的电路损本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于能效和谱效联合优化的认知无线电功率分配方法，认知无线电网络包含一对主用户发射机PT和接收机PR，一对认知用户发射机ST和接收机SR，认知用户传输链路与主用户传输链路共享频谱资源，在某个给定的授权信道上，主用户发射机PT向主用户接收机PR发送数据，认知用户发射机ST与认知用户接收机SR进行通信，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：认知用户采用能量感知方法进行频谱感知，得到认知用户的检测概率和虚警概率；步骤2：在认知用户平均发射功率、主用户平均干扰功率和检测概率门限的约束下，建立最大能效和谱效的优化模型P1；步骤3：等价转化最优化模型P1；步骤4：求解最佳功率分配、最大能效和最大谱效。

【技术特征摘要】
1.一种基于能效和谱效联合优化的认知无线电功率分配方法，认知无线电网络包含一对主用户发射机PT和接收机PR，一对认知用户发射机ST和接收机SR，认知用户传输链路与主用户传输链路共享频谱资源，在某个给定的授权信道上，主用户发射机PT向主用户接收机PR发送数据，认知用户发射机ST与认知用户接收机SR进行通信，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：认知用户采用能量感知方法进行频谱感知，得到认知用户的检测概率和虚警概率；步骤2：在认知用户平均发射功率、主用户平均干扰功率和检测概率门限的约束下，建立最大能效和谱效的优化模型P1；步骤3：等价转化最优化模型P1；步骤4：求解最佳功率分配、最大能效和最大谱效。2.根据权利要求1所述的一种基于能效和谱效联合优化的认知无线电功率分配方法，其特征在于，所述步骤1中，得到认知用户的检测概率如式(1)：得到认知用户的虚警概率如式(2)：其中：τ表示感知时间；fs表示采样频率；η表示判决门限；γ表示认知用户的信噪比。3.根据权利要求2所述的一种基于能效和谱效联合优化的认知无线电功率分配方法，其特征在于，所述步骤2中，在认知用户平均发射功率、主用户平均干扰功率和检测概率门限的约束下，建立最大能效和谱效的优化模型P1包括以下步骤：步骤21：认知用户谱效建模认知用户在时隙τ内感知主用户信道状态，根据认知用户的频谱感知结果来决定其传输功率，获得认知用户的谱效模型ηSE，如果主用户正在授权频段上通信，则认知用户以较低的功率Pt(1)在时隙T-τ内进行数据传输，相反，如果主用户不存在，认知用户则以较高的功率Pt(0)在时间T-τ内传输数据；步骤22：认知用户能效建模假设在认知系统中，认知用户进行频谱感知消耗的功率为Ps，Pc表示认知系统固定的电路损耗功率，则根据主用户的实际状态和认知用户的感知结果，获得认知用户的能效建模ηEE；步骤23：建立功率分配的约束条件模型首先，为了避免对主用户造成有害的干扰，设定认知用户对主用户的平均干扰功率门限来保证主用户能正常通信；其次，为了保证认知用户能长时间的工作，设定认知用户的平均最大发射功率限制；最后，设定认知用户的检测概率高于设定的门限值；步骤24：建立最优化模型P1。4.根据权利要求3所述的一种基于能效和谱效联合优化的认知无线电功率分配方法，其特征在于，所述步骤21中，假设主用户的传输功率为Pp，那么根据主用户的实际状态和认知用户的感知结果，认知用户在其传输信道上有四种不同的瞬时传输速率，分别如式(3)、式(4)、式(5)和式(6)所示：其中：下标分别代表主用户的实际状态和认知用户的频谱感知结果；当下标代表主用户的实际状态时，1代表主用户信道被占用，0代表主用户信道空闲；当下标代表认知用户的频谱感知结果时，1代表认知用户的感知结果为主用户存在，0代表认知用户感知到主用户不存在；认知用户的谱效模型ηSE为：其中：a0＝P(H0)(1-Pf)；b0＝P(H1)(1-Pd)；a1＝P(H0)Pf；b1＝P(H1)Pd；P(H0)、P(H1)分别代表主用户空闲和繁忙的概率。5.根据权利要求4所述的一种基于能效和谱效联合优化的认知无线电功率分配方法，其特征在于，所述步骤22中，获得认知用户的能效建模ηEE为：其中：认知用户消耗的总能量为：Eall＝E{(a1+b1)×[τ(Ps+Pc)+(T-τ)(Pt(0)+Pc)]+(a0+b0)×[τ(Ps+Pc)+(T-τ)(Pt(1)+Pc)]}＝E{τ(Ps+Pc)+(a0+b0)(T-τ)(Pt(0)+Pc)+(a1+b1)(T-τ)(Pt(1)+Pc)}(8)其中：Ps为认知用户进行频谱感知消耗的功率，Pc为认知系统的固定的电路损耗功率。6.根据权利要求5所述的一种基于能效和谱效联合优化的认知无线电功率分配方法，其特征在于，所述步骤23中，设定主用户所能忍受的最大干扰功率为Γ，认知用户对主用户带来的平均干扰功率如式(10)所示：其次，设定认知用户所能发射的最大的...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖淑艳，陶为戈，俞洋，张雷，刘舒祺，王永星，
申请(专利权)人：江苏理工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32