本发明专利技术请求保护一种基于多用户多信道感知的频谱共享的能量消耗优化方法，针对多个次用户与主用户同时共享多个信道的认知多址接入系统，次用户能够同时感知和接入多个主用户信道并把对主用户的干扰设计成为一个约束条件。为了减少能量消耗，对感知时间、信道以及功率进行合理的分配。在该方案中，所建立的初始优化问题为非凸整型组合分式规划问题，为了得到最优的感知时间，信道及功率分配，对其进行凸松弛并进一步转化为一个含参数的线性问题，从而得到一种最小化能量消耗的算法。通过改变次用户数目，信道数目，干扰功率门限值以及主用户占用信道概率来评估此方案的性能。相对于多用户多信道的机会频谱接入，该方案能够使系统的能量消耗更少。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无线通信领域，尤其涉及认知无线电系统中的能量消耗。
技术介绍
认知无线电(Cognitive Radio,CR)是一种能够有效提高无线频谱利用率的技术。在认知无线电系统中，次用户接入授权频谱有三种方式。第一种为机会频谱接入(Opportunistic Spectrum Access，OSA)：次用户只在检测到主用户信道空闲时才接入；第二种为频谱共享(Spectrum Sharing，SS)：采用干扰功率作为约束条件来保证主用户的服务质量(QoS)，使次用户能够与主用户同时接入相同的授权频谱；第三种为基于感知的频谱共享(Sensing-based SS)：次用户首先进行频谱感知，然后根据感知结果决定发送信号功率的大小。由于人们对高速率无线服务需求的持续增长，当前的无线系统在能量消耗方面面临着巨大的挑战。特别是对于依靠电池供能的移动终端，由于电池技术的发展滞后于无线技术的发展，能量消耗问题显得更加严重。因此，关注认知无线电传输中的能量消耗问题显得尤为重要。对于基于感知的认知无线电系统，在保证主用户的服务质量前提下，当一个数据帧长度固定时，为了减少能量消耗，除开合理设计感知时间和数据传输时间外，优化分配信道和功率也十分重要。一些文献已经对认知无线电系统中的能量消耗问题进行了研究。文献[SUN X,TSANG D H K.Energy-efficient cooperative sensing scheduling for multi-band cognitive radio networks[J].IEEE Transactions Wireless Communications,2013,12(10):4943-4955.]联合考虑信道容量、期望检测概率及信噪比，利用复杂的三步方法解决多信道调度问题以实现能耗、性能与频谱机会均衡。文献[ERYIGIT S,BAYHAN S,TUGCU T.Energy-efficient multichannel cooperative sensing scheduling with heterogeneous channel conditions for cognitive radio networks[J].IEEE Transactions Vehicular Technology,2013,62(6):2690-2699.]在信道保护约束下最小化感知过程总能耗，通过调度用户信道组决定对应的感知时长，以及能量与感知准确度的均衡。但是，上述文献主要关注多信道的协作感知调度问题，仅对频谱感知和感知结果报告的能量消耗优化，没有结合传输数据的能量消耗。此外，在报告时假设所有次用户的信噪比是服从某一分布随机产生的，这不完全适合实际网络拓扑。本专利技术则针对这些问题提出了一种新型的能量消耗优化方案。
技术实现思路
本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种通过合理的信道与功率分配就能够获得更大的收益，从而提高能量效率的基于多用户多信道感知的频谱共享能量消耗优化方法。本专利技术的技术方案如下：一种基于多用户多信道感知的频谱共享能量消耗优化方法，所述多用户多信道感知处于认知多址接入系统中，其包括以下步骤：101、在认知多址接入系统中，获取τ、Θ、P(0)及P(1)，其中τ表示次用户的感知时间，Θ表示信道分配矩阵，P(0)和P(1)表示功率分配矩阵,利用η(τ,Φ,P(0),P(1))表示认知多址接入系统中次用户的能量消耗：η(τ,Θ,P(0),P(1))＝E(τ,P(0),P(1))/C(τ,Θ,P(0),P(1))；C(τ,Θ,P(0),P(1))表示一个帧周期的平均发送的数据，E(τ,P(0),P(1))表示一个帧周期的平均能量消耗，Θ表示信道分配矩阵；102、对步骤101的次用户的能量消耗η(τ,Φ,P(0),P(1))进行凸松弛并转化为一个含参数λ的线性问题，即函数F(λ)；103、通过二分法及凸优化法求得函数F(λ)的最小值λ*，即次用户能量消耗的最小值，完成能量消耗优化。进一步的，所述函数F(λ)为一个关于λ的单调递减函数，λ是转化为线性问题而引人的一个辅助参数变量，在一个包含λ*的区间[λmin,λmax]内，λmin表示下限，λmax表示上限，采用二分法来找出λ*，λ*表示能量消耗的最小值，算法如下：；第一步：确定区间[λmin,λmax]，验证F(λmin)·F(λmax)＜0，给定精确度ε；第二步：λ＝(λmin+λmax)/2；第三步：采用凸优化法，求解式F(λ)，并计算出F(λ)。第四步：1)若F(λ)＝0，则λ＝λ*；2)若F(λmin)·F(λ)＜0，则令λmax＝λ；3)若F(λ)·F(λmax)＜0，则令λmin＝λ。第五步：判断是否达到精确度：若｜λmin-λmax|＜ε，则得到λ*，否则重复第二步到第四步。本专利技术的优点及有益效果如下：本专利技术在认知多址接入系统中，通过对感知时间、信道和功率联合优化来减少次用户的能量消耗。采用本专利技术的优化方法能够使次用户的能量消耗相对于多用户多信道的机会频谱接入更少。附图说明图1是本专利技术提供优选实施例不同信道数目下感知时间对能量消耗的影响；图2为不同次用户数目下感知时间对能量消耗的影响；图3为不同平均干扰功率约束下感知时间对能量消耗的影响；图4为不同主用户空闲概率下干扰功率门限对能量消耗的影响；图5为不同信道数目下感知时间对能量消耗的影响；图6为不同平均干扰功率约束下感知时间对能量消耗的影响；图7为不同平均干扰功率约束下感知时间对能量消耗的影响；图8为不同平均干扰功率约束下感知时间对能量消耗的影响。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作进一步的详细描述，本专利技术提出一种基于多用户多信道感知的频谱共享能量消耗优化方案，考虑认知无线电系统中多个次用户同时感知和接入多个主用户信道时，通过对次用户的感知时间、信号功率以及主用户信道的合理分配来减少系统的能量消耗。本专利技术的技术解决方案包括以下步骤：步骤一、该方案的系统由K个次用户和N个主用户信道组成，并且K个次用户能够同时接入这N个主用户信道，即构成一个认知多址接入系统。由于次用户在接入主用户信道之前会进行频谱感知，因此次用户的一个数据帧周期就包含感知时间和数据传输时间。数据帧周期和感知时间分别用T和τ表示，那么一个帧周期内次用户的数据传输时间就为T-τ。步骤二、K个次用户根据不同的信道感知结果来分配不同的功率在N个主用户信道上进行传输。如果检测到第n(1≤n≤N)个信道空闲，次用户k(1≤k≤K)将采用较高功率的Pn,k(0)进行发送数据，否则采用相对较低功率的Pn,k(1)发送数据。假设信道为平坦衰落，对于信道n，主用户发射机与次用户k接收机之间，次用户k发射机与次用户k接收机之间，次用户k发射机与主用户接收机之间的信道功率增益分别表示为且具有遍历性和平稳性。次用户接收端的噪声服从零均值，方差为σ2的独立同分布的循环对称复高斯分布。根据信道检测结果的二元性，第n个信道的虚警概率表示为[LIANG Y C,ZENG Y,PEH E C Y,et al.Sensing-throughput Tradeoff for C本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于多用户多信道感知的频谱共享能量消耗优化方法，所述多用户多信道感知处于认知多址接入系统中，其特征在于，包括以下步骤：101、在认知多址接入系统中，获取τ、Θ、P(0)及P(1)，其中τ表示次用户的感知时间，Θ表示信道分配矩阵，P(0)和P(1)表示功率分配矩阵，利用η(τ，Φ，P(0)，P(1))表示认知多址接入系统中次用户的能量消耗：η(τ，Θ，P(0)，P(1))＝E(τ，P(0)，P(1))/C(τ，Θ，P(0)，P(1))；C(τ，Θ，P(0)，P(1))表示一个帧周期的平均发送的数据，E(τ，P(0)，P(1))表示一个帧周期的平均能量消耗，Θ表示信道分配矩阵；102、对步骤101的次用户的能量消耗η(τ，Φ，P(0)，P(1))进行凸松弛并转化为一个含参数λ的线性问题，即函数F(λ)；103、通过二分法及凸优化法求得函数F(λ)的最小值λ*，即次用户能量消耗的最小值，完成能量消耗优化。
【技术特征摘要】
1.一种基于多用户多信道感知的频谱共享能量消耗优化方法，所述多用户多信道感知处于认知多址接入系统中，其特征在于，包括以下步骤：101、在认知多址接入系统中，获取τ、Θ、P(0)及P(1)，其中τ表示次用户的感知时间，Θ表示信道分配矩阵，P(0)和P(1)表示功率分配矩阵，利用η(τ，Φ，P(0)，P(1))表示认知多址接入系统中次用户的能量消耗：η(τ，Θ，P(0)，P(1))＝E(τ，P(0)，P(1))/C(τ，Θ，P(0)，P(1))；C(τ，Θ，P(0)，P(1))表示一个帧周期的平均发送的数据，E(τ，P(0)，P(1))表示一个帧周期的平均能量消耗，Θ表示信道分配矩阵；102、对步骤101的次用户的能量消耗η(τ，Φ，P(0)，P(1))进行凸松弛并转化为一个含参数λ的线性问题，即函数F(λ)；103、通过二分法及凸优化法求得函数F(λ)的最小值λ*，即次用户...
【专利技术属性】
技术研发人员：谢显中，肖正瑛，张森林，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50
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