认知无线电中能效与谱效折衷的子载波比特联合优化方法技术

本发明专利技术公开了一种认知无线电中能效与谱效折衷的子载波比特联合优化方法。本发明专利技术首先考虑数据传输采用多进制相移键控调制方式下，构造认知无线网络的能量效率和频谱效率的加权折衷函数进行系统建模；然后，在各个认知用户信息传输速率公平比的条件下，将子载波分配给每个用户；最后，基于两种经典的比特分配算法为每个认知用户分配比特。此发明专利技术将原有两种单用户经典比特分配算法扩展为多用户子载波比特联合优化分配方法，对比分析了认知无线网络子载波比特分配结果，同时给出了在子载波比特优化分配时的能量效率‑频谱效率折衷关系曲线。本发明专利技术可以有效实现认知无线网络系统能效与谱效的权衡。

【技术实现步骤摘要】
认知无线电中能效与谱效折衷的子载波比特联合优化方法
本专利技术属于信息与通信工程
，提出了认知无线电中能效与谱效折衷的子载波比特联合优化方法。该方法涉及认知无线电网络(CognitiveRadioNetwork，CRN)中能量效率(EnergyEfficiency，EE)与频谱效率(SpectralEfficiency，SE)折衷的资源分配方案，主要为CRN中实现能效与谱效折衷的多认知用户子载波比特联合优化分配方法。
技术介绍
由于现阶段社会资源的紧缺以及节能减排的推广，无线系统中的频谱效率以及能量效率得到了广泛的关注。据联邦通信委员会(FederalCommunicationsCommission，FCC)研究，美国大部分城市的3GHz以下频谱的频谱利用率在15％至85％之间，而整体的平均水平仅为30％左右。为了缓解目前无线系统中频谱资源紧张以及频谱利用率低的问题，认知无线电(CognitiveRadio，CR)技术随之产生。认知无线电技术是一种动态频谱接入技术，是指在不影响主用户(PrimaryUser，PU)性能的前提下允许认知用户接入主用户的频谱的技术，这种技术可以有效的提高频谱利用率。CR的共享接入方式有交叉式(overlay)共享和重叠式(underlay)共享两种。交叉式共享方式只有在SU检测到PU未使用频谱时，才可以接入该PU频谱，若PU重新接入该频谱，SU则立刻让出频谱。重叠式共享方式中需要对PU的干扰设定一个干扰门限值，只需要满足干扰门限要求，SU可以与PU同时共享一段频谱。交叉式共享方式无干扰限制，重叠式共享方式可以一直传输信息，两种方式各有优势，都可以有效缓解频谱资源不足的问题。认知无线电技术使频谱资源得到有效利用后，为了满足绿色通信需求，认知无线网络能量效率的研究也得到广泛研究，能量效率也成为衡量通信系统性能的重要指标之一。对认知无线电网络系统资源的合理分配可以有效提高能量效率，同时满足认知无线电系统中各个用户之间资源共享公平性等需求。目前，CRN的资源分配问题主要有两种准则：裕量自适应(MarginAdaptive,MA)准则和速率自适应(RateAdaptive,RA)准则。(1)MA准则指在给定的传输速率和系统误比特率条件下，根据子信道的增益，对子载波上的比特数进行动态自适应分配，同时调整各子载波上的发射功率，使得需要的总发射功率(或者平均每比特信噪比)最小。(2)RA准则指的是在给定的总发射功率和系统误比特率条件下，实现信道容量(传输速率)最大化。这两个准则构造模型的优化目标都是为了找到一个最佳的功率分配向量，在一定的限制条件下，使得目标函数最优化。资源分配算法的好坏直接关系到系统性能的优劣，评价资源分配的主要技术指标有：频谱效率，能量效率，公平性，反馈开销，传输时延等。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对认知无线网络中频谱占用率较高的情况下，能量效率和频谱效率需同时优化的问题，提出了认知无线电中能效与谱效折衷的子载波比特联合优化方法。本专利技术解决的问题的技术方案包括以下步骤：步骤1、认知无线网络系统建模：在多认知用户、多载波条件下对能效以及谱效进行分析建模，CRN中传输数据调制方式为多进制相移键控(M-aryPhaseShiftKeying,MPSK)调制。在M个认知用户N个子载波的认知无线网络环境下，CRN系统的谱效ηSE表示如下：其中：W为系统带宽，单位为Hz；R为认知无线网络的总信息传输速率，单位为bit/s，即单位时间内传输的比特数。系统能效ηEE表示如下：其中：Pm为第m(1≤m≤M)个认知用户的传输功率；ζ为产生单位传输功率所需的功率放大系数；Pc为系统电路消耗的功率。由于需要对能效和谱效进行折衷取舍，利用一个权重因子ω来建立一个能效与谱效的折衷函数，表示如下：当ω为0时能效最大，谱效对这个折衷函数的影响较小,当ω为1时谱效最大，能效对这个折衷函数的影响较小。MA准则是资源分配方法的主要准则之一，是指在保证系统信息传输速率的条件下最小化系统的发射功率。MA准则用以下优化公式表示：在单位时间内，认知无线网络的总信息传输速率R表示为：其中：Rm为第m个SU的信息传输速率；Xm为分配给第m个SU的子载波集合；hm,n为第m个SU使用第n个载波传输时的符合瑞利衰落的信道衰落因子；fm(bm,n)表示信道增益为1时，第m个SU在第n个载波上传输bm,n比特所需的传输功率，主要由SU要求的误比特率pe以及系统采用的调制方式所决定。在本模型中，CRN中传输数据调制方式为MPSK调制，fm(bm,n)与误比特率pe的关系式表示为：其中：N0为加性高斯白噪声的单边功率谱密度；Q-1(x)为Q(x)函数的反函数，Q(x)函数表示如下：步骤2、子载波分配：在子载波分配算法部分，为了满足各个认知用户信息传输速率公平比的要求，对信息传输速率要求最高的用户优先分配最佳信道条件的子载波。令Xm表示第m个SU的子载波集合，Z表示未被分配的子载波集合，各个SU之间的速率公平比例为计算出第m个SU分配的信息传输速率Rm和信息传输速率比例系数为该比例系数最小的SU优先分配最佳信道条件的子载波，直至所有载波都分配给各个SU。子载波分配算法具体如下：(1)初始化：Rm＝0，Z＝{1,2,3,...,N}(2)分别取m＝1,2,...,M；找出n*满足更新Xm＝XmU{n*}，Z＝Z-{n*}，Rm＝Rm+R/N；(3)当时，执行以下循环：①求出各个SU的信息传输速率比例系数②找出比例系数μm中的最小值找出对应m*满足条件n∈Z的最优n*；③更新Z＝Z-{n*}，步骤3、比特分配：在子载波分配以后，分别对每个SU进行比特分配。比特分配部分主要研究两种比特分配方法，Hughes-Hartogs算法和Chow算法。3-1Hughes-Hartogs算法下的比特分配Hughes-Hartogs算法(简称HH算法)的原理为：在每一次比特分配的过程中，给所需功率增量最小的子载波分配一个单位的信息增量，直至所有比特信息分配完毕。HH算法的具体如下：⑴初始化：对于所有的l(1≤l≤L)，bl＝0；⑵当时，执行以下循环：①求出所有L个子载波增加1比特信息所带来的功率增量②找出功率增量最小的子载波l*，可以表示为③给功率增量最小的子载波l*增加1比特信息，即3-2Chow算法下的比特分配Chow算法是一种性能余量最大化算法。γmargin含义表示为在满足系统误比特率BER的情况下，系统可允许的噪声增量(单位dB)。Chow算法首先找出系统最佳性能余量，然后根据公式b(l)＝lb(1+SNR(l)/(Γ+γmargin))计算出分配给每个子载波的比特数。其中：SNR(l)为各个载波上的信噪比，Γ为信噪比间隔。其中：hl为认知用户的信道增益，N0为加性高斯白噪声的单边功率谱密度。Chow的具体步骤如下：⑴初始化：计算认知用户每个子载波上的信噪比SNR(l)，系统性能余量最优时的噪声门限γmargin＝0，剩余可使用的载波数量c＝L，迭代次数t＝0；⑵迭代：①依次计算各个子载波分配的比特比特取整后为比特差值为②如果则剩余的载波数c＝c-1；③计算分配的总比特数④计算其中Btarget为期望的总发送比特数，迭代次数本文档来自技高网...

【技术保护点】
认知无线电中能效与谱效折衷的子载波比特联合优化方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、认知无线网络系统建模：在多认知用户、多载波条件下对能效以及谱效进行分析建模，CRN中传输数据调制方式为MPSK调制；步骤2、子载波分配：为了满足各个认知用户信息传输速率公平比的要求，对信息传输速率要求最高的用户优先分配最佳信道条件的子载波；步骤3、比特分配：在子载波分配以后，分别对每个认知用户进行比特分配；比特分配部分主要研究两种比特分配方法，Hughes‑Hartogs算法和Chow算法。

【技术特征摘要】
1.认知无线电中能效与谱效折衷的子载波比特联合优化方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、认知无线网络系统建模：在多认知用户、多载波条件下对能效以及谱效进行分析建模，CRN中传输数据调制方式为MPSK调制；步骤2、子载波分配：为了满足各个认知用户信息传输速率公平比的要求，对信息传输速率要求最高的用户优先分配最佳信道条件的子载波；步骤3、比特分配：在子载波分配以后，分别对每个认知用户进行比特分配；比特分配部分主要研究两种比特分配方法，Hughes-Hartogs算法和Chow算法。2.如权利要求1所述的认知无线电中能效与谱效折衷的子载波比特联合优化方法，其特征在于步骤1所述的认知无线网络系统建模，具体如下：在M个认知用户N个子载波的认知无线网络(CRN)环境下，CRN系统的谱效ηSE表示如下：其中：W为系统带宽，单位为Hz；R为认知无线网络的总信息传输速率，单位为bit/s,即单位时间内传输的比特数；系统能效ηEE表示如下：其中：Pm为第m个认知用户的传输功率，1≤m≤M；ζ为产生单位传输功率所需的功率放大系数；Pc为系统电路消耗的功率；由于需要对能效和谱效进行折衷取舍，利用一个权重因子ω来建立一个能效与谱效的折衷函数，表示如下：当ω为0时能效最大，谱效对这个折衷函数的影响最小,当ω为1时谱效最大，能效对这个折衷函数的影响最小；在保证系统信息传输速率的条件下最小化系统的发射功率，MA准则用以下优化公式表示：在单位时间内，认知无线网络的总信息传输速率R表示为：其中：Rm为第m个SU的信息传输速率；Xm为分配给第m个SU的子载波集合；hm,n为第m个SU使用第n个子载波传输时符合瑞利衰落的信道衰落因子；fm(bm,n)表示信道增益为1时，第m个SU在第n个载波上传输bm,n比特所需的传输功率，主要由SU要求的误比特率pe以及系统采用的调制方式所决定；CRN中传输数据调制方式为MPSK调制，fm(bm,n)与误比特率pe的关系式表示为：其中：N0为加性高斯白噪声的单边功率谱密度；Q-1(x)为Q(x)函数的反函数，Q(x)函数表示如下：。3.如权利要求2所述的认知无线电中能效与谱效折衷的子载波比特联合优化方法，其特征在于步骤2所述的子载波分配，具体如下：令Xm表示第m个SU的子载波集合，Z表示未被分配的子载波集合，各个SU之间的速率公平比例为计算出第m个SU的分配的信息传输...

【专利技术属性】
技术研发人员：许晓荣，伍伟伟，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33