一种基于认知无线电的IoT传感器网络在不完美信道下的次级IoT设备的资源分配方法组成比例

本发明专利技术涉及一种基于认知无线电的IoT传感器网络在不完美信道下的次级IoT设备的资源分配方法，属于移动通信技术领域。该方法包括：建立不完美的信道模型；根据建立的模型进行干扰分析，得出次级物联网(Internet of Things,IoT)设备的信噪比SINR公式；再根据SINR公式推出每一个次级IoT设备的容量公式和传输速率公式；考虑当存在当前频谱不够分配的情况下的建立的应对策略和惩罚机制；在满足以上条件下，考虑干扰限制和设备的总功率限制，得到最优的次级IoT设备功率和频谱容量分配方案。本发明专利技术为每一个次级IoT设备分配最优的发送功率和最恰当的频谱资源，来达到最大化整个次级系统的吞吐量的同时最小化次级系统的平均发送功率的目的。

A Cognitive Radio-based Resource Allocation Method for Secondary IoT Devices in IoT Sensor Networks over Imperfect Channels

The invention relates to a resource allocation method for secondary IoT devices in an imperfect channel of an IoT sensor network based on cognitive radio, and belongs to the field of mobile communication technology. The method includes: establishing an imperfect channel model; analyzing the interference based on the model, getting the signal-to-noise ratio (SINR) formula of the secondary Internet of Things (IoT) equipment; deducing the capacity formula and transmission rate formula of each secondary IoT equipment according to the SINR formula; considering that the current spectrum is not enough to allocate; Under the above conditions, considering the interference limitation and the total power limitation of the equipment, the optimal power and spectrum capacity allocation scheme for secondary IoT equipment is obtained. The invention allocates the optimal transmission power and the most appropriate spectrum resources for each secondary IoT device to maximize the throughput of the entire secondary system while minimizing the average transmission power of the secondary system.

【技术实现步骤摘要】
一种基于认知无线电的IoT传感器网络在不完美信道下的次级IoT设备的资源分配方法
本专利技术属于移动通信
，涉及一种基于认知无线电的物联网传感器网络中的次级用户在不完美信道模型下的资源分配方法。
技术介绍
物联网(InternetofThings,IoT)是互联对象的全球网络，可以基于标准通信协议进行独特寻址，并允许人员和事物在任何时间，任何地点，任何物和任何人连接。连接的设备多种多样(包括汽车，传感器，家用电器，计算机，电话，健康监控设备，城市，建筑物，个人设备，商业设备)以及可以连接到网络的任何设备和其之间可以相互通信的设备。随着对物联网的深入研究，IoT被认为将会对未来的日常生活产生强烈的影响，如辅助生活，自动化，改进学习，工业制造，物流，流程管理，人员/材料的智能交通，工业过程的实时监控，电子保健设施等。有大量的技术被建议用于IoT网络中，然而，覆盖范围，数据带宽支持和频谱可用性是主要关注的问题。此外，IoT网络中各种多样的应用程序预计将向网络中引入大量数据，这对于当前的频谱资源短缺的问题来说是一个挑战。在认知无线电(CognitiveRadioNetworks,CRNs)中，主级用户(PrimaryUsers,PUs)会和次级用户(SecondaryUsers,SUs)在SUs不对PUs造成干扰的情况下，与次级用户分享频谱。认知无线电技术由于其工作原理：动态的分配频谱资源，使得主用户PUs和次用户SUs能在一定的条件下共享频谱资源，和传统的频谱资源分配方式大有不同，提高了频谱和资源的利用率，而被作为一门有效的改善频谱稀缺问题的技术备受重视。此外，CRN中的认知功能，可根据内部和外部刺激感知，学习和适应周围环境。由于以上所述的CRN中的特质，可以有效的提高频谱利用率，降低开销。同时还能通过动态频谱接入的功能寻找到“无干扰”的信道，从而减少设备间的干扰。基于此，近几年也有越来越多的研究表明CRN能够有效的解决IoT中存在的一系列问题，并且提出了“基于CRN的IoT”的新范例。随着IoT传感器应用的不断扩大，互联传感器数量庞大，在各类资源有限的情况下为这些传感器设备进行资源的最优分配成为了一个棘手的问题。通过将CR应用到密集部署的无线设备(例如，传感器节点)中，相应的传感器节点被认为是SU。它们可以在不同的信道下同时传输数据包，并通过智能切换将占用的信道释放给PU。很大的程度上缓解了能耗消耗过大的问题，并提高了传输效率。于是在基于CRN的IoT传感器网络中，相应的传感器设备(可用于穿戴设备、车载系统)就被视为CRN中的用户，不同的是，仍然分为被授权的主用户和未被授权的次用户。在此架构中，次级IoT设备用户可以在不对主级用户造成干扰的情况下与主级用户共享频谱，同时通过对次级IoT设备用户来进行最优的资源分配来优化整个系统的性能表现。专利技术人在研究现有技术的过程中发现其存在如下缺点：现有的基于CR的IoT传感器网络架构中，对于每一个次级设备的功率分配，其基本条件大多都是在完美信道下进行的研究。而在现实通信中，设备接收端很难知道通信信道的完整信息，所以对于这些所提的方案的切实可行性有所降低。此外，现有的为用户分配频谱的方案，少有考虑到当前频谱不够分的情况下的应对策略，而这类情况是有很大的出现概率的。并且，在为用户分配功率和频谱的过程中，需要大量的能量需求，如何在为他们进行最优的分配的条件下，最小化整个系统的能耗，这也是鲜少有方案考虑的。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于认知无线电的物联网传感器网络中的次级用户在不完美信道模型下的资源分配方法，在不完美信道模型下为每一个次级IoT设备基于他们自身的发送速率来进行功率的分配，同时为他们分配基于他们的业务(速率)来进行的最恰当的频谱的容量的分配。来达到最大化整个次级系统的吞吐量，并且最小化每一个次级系统的平均发送功率的目的。此外，本专利技术所述方法也考虑了QoS的需求，在保护了主用户的情况下，优化了次级系统的性能表现。同时，在分配频谱容量和功率时也考虑了公平性，使得每个用户能在最大的公平性下得到最优的资源分配。综上，本专利技术不仅提高了资源利用率，还在减少能耗的情况下优化了次级系统的性能表现。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于认知无线电的IoT传感器网络在不完美信道下的次级IoT设备的资源分配方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1：对在次级系统和次级系统之间，次级系统和主级系统之间来分别建立不完美的信道模型，分情况讨论；S2：根据不完美的信道模型进行干扰分析，得出次级物联网(InternetofThings,IoT)设备的信噪比SINR公式；再根据SINR公式推出每一个次级IoT设备的容量公式和传输速率公式；S3：考虑当存在当前频谱不够分配的情况下的建立的应对策略和惩罚机制；S4：在同时满足S1～S3中所述条件下，考虑干扰限制和设备的总功率限制，得到最优的次级IoT设备功率和频谱容量分配方案。进一步，在所述步骤S1中，建立不完美的信道模型：次级IoT信息收集基站和次级IoT设备之间的不完美模型：考虑信道状态信息(Channelsideinformation,CSI)是部分可知的：对于次级系统中的收发端，即次级IoT信息收集基站与次级IoT设备之间，只有部分信道增益是可知的；即实际的信道状态等于估计的信道状态加上估计的误差值。对于主级系统考虑最坏的情况：如果在最差的情况下都能保护好主级用户(PrimaryUsers,PUs)，那么其他任何情况下的PUs都能受到很好的保护；又由于次级系统发送端与主级系统接收端，即次级IoT设备与主级基站PBS之间的信道难以估计，所以对于主级系统的信道，本专利技术考虑最极端的情况，即PBS-次级IoT设备之间的信道没有任何统计数据，但他们之间的信道的不确定性是有界的。考虑次级用户对主级系统产生的干扰限制，以此保证主级用户的优先通讯活动的进行，即要满足主级用户服务质量(QualityofService,QoS)的需求。考虑次级IoT设备的QoS问题：设定次级IoT设备的最小发送速率，通过保证每一个次级IoT设备用户的发送速率要大于或等于最小的发送速率，来满足次级IoT设备的QoS。按照以上所建立的不完美模型下的机制来为每一个次级IoT设备分配功率和频谱容量，来达到最大化整个次级系统的吞吐量，同时最小化整个次级系统的平均发送功率的目的。进一步，在建立好不完美的信道模型后，所述资源分配方法通过与粒子群和拉格朗日对偶迭代法相结合，来分别为每一个次级IoT设备用户分配频谱资源和发送功率，以达到最大化整个次级系统的吞吐量，并且最小化每个次级系统的平均发送功率的目的。进一步，在所述步骤S2中，每一个次级IoT设备用户分配的频谱容量是由自身的传输数据速率来定；当次级IoT设备的传输数据速率较大时，代表次级用户的业务需求量大，则此时基于它的发送数据速率为它分配的频谱容量相应的较多；反之，则代表着此用户的业务需求量不是那么大，则基于它的发送速率为它分配频谱容量。进一步，在所述步骤S2中，次级IoT设备的SINR公式为：其中，Psu是当前次级IoT设备的发送功率，h1k,i是当前次级IoT设备和次级IoT信息收集基站之本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于认知无线电的IoT传感器网络在不完美信道下的次级IoT设备的资源分配方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1：对在次级系统和次级系统之间，次级系统和主级系统之间来分别建立不完美的信道模型，分情况讨论；S2：根据不完美的信道模型进行干扰分析，得出次级物联网(Internet of Things,IoT)设备的信噪比SINR公式；再根据SINR公式推出每一个次级IoT设备的容量公式和传输速率公式；S3：考虑当存在当前频谱不够分配的情况下的建立的应对策略和惩罚机制；S4：在同时满足S1～S3中所述条件下，考虑干扰限制和设备的总功率限制，得到最优的次级IoT设备功率和频谱容量分配方案。

【技术特征摘要】
1.一种基于认知无线电的IoT传感器网络在不完美信道下的次级IoT设备的资源分配方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1：对在次级系统和次级系统之间，次级系统和主级系统之间来分别建立不完美的信道模型，分情况讨论；S2：根据不完美的信道模型进行干扰分析，得出次级物联网(InternetofThings,IoT)设备的信噪比SINR公式；再根据SINR公式推出每一个次级IoT设备的容量公式和传输速率公式；S3：考虑当存在当前频谱不够分配的情况下的建立的应对策略和惩罚机制；S4：在同时满足S1～S3中所述条件下，考虑干扰限制和设备的总功率限制，得到最优的次级IoT设备功率和频谱容量分配方案。2.如权利要求1所述的一种基于认知无线电的IoT传感器网络在不完美信道下的次级IoT设备的资源分配方法，其特征在于：在所述步骤S1中，建立不完美的信道模型：次级IoT信息收集基站和次级IoT设备之间的不完美模型：考虑信道状态信息(Channelsideinformation,CSI)是部分可知的：对于次级系统中的收发端，即次级IoT信息收集基站与次级IoT设备之间，只有部分信道增益是可知的；即实际的信道状态等于估计的信道状态加上估计的误差值；对于主级系统考虑最坏的情况：如果在最差的情况下都能保护好主级用户(PrimaryUsers,PUs)，那么其他任何情况下的PUs都能受到很好的保护；又由于次级系统发送端与主级系统接收端，即次级IoT设备与主级基站PBS之间的信道难以估计，所以对于主级系统的信道，本发明考虑最极端的情况，即PBS-次级IoT设备之间的信道没有任何统计数据，但他们之间的信道的不确定性是有界的；考虑次级用户对主级系统产生的干扰限制，以此保证主级用户的优先通讯活动的进行，即要满足主级用户服务质量(QualityofService,QoS)的需求；考虑次级IoT设备的QoS问题：设定次级IoT设备的最小发送速率，通过保证每一个次级IoT设备用户的发送速率要大于或等于最小的发送速率，来满足次级IoT设备的QoS；按照以上所建立的不完美模型下的机制来为每一个次级IoT设备分配功率和频谱容量，来达到最大化整个次级系统的吞吐量，同时最...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈前斌，文槿奕，唐伦，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50