认知网络中基于干扰功率和服务质量受限的最优功率控制方法技术

本发明专利技术请求保护一种认知网络中基于干扰功率和服务质量受限的最优功率控制方法，包括步骤：首先输入信道增益g

Optimal power control method based on interference power and QoS constraints in cognitive networks

The invention requests to protect an optimal power control method based on interference power and service quality limitation in cognitive network, which comprises the following steps: firstly, input channel gain G;

【技术实现步骤摘要】
认知网络中基于干扰功率和服务质量受限的最优功率控制方法
本专利技术涉及频谱资源管理
具体涉及一种在干扰功率和服务质量受限的情况下，最大化次用户和速率的最优功率控制方法。
技术介绍
功率控制是认知无线电系统实现频谱资源共享的关键技术，为了保证次用户接入主用户授权频段时的干扰不影响主用户的正常通信，需要对认知网络中次用户的功率进行适当的控制，而认知网络中次用户之间的频谱利用率和对主用户的保护都依赖于功率控制方法的性能。合理的功率控制不仅能提升系统吞吐量、提高用户端接收信号干扰和噪声比(SignaltoInterferencePlusNoiseRatio，SINR)，而且能降低用户的发射功率。SINR是表征认知用户服务质量(QualityofService，QoS)的一个重要指标，即接收端信号干扰和噪声比越高，用户的QoS就越好，而认知用户信号干扰和噪声比的提升一般是以增加发射功率为代价，发射功率的大幅度提高又会影响其他用户的正常通信，因此功率控制是认知网络中一项关键技术。目前大多学者在研究认知网络的功率控制时，很少同时考虑干扰功率和服务质量的限制。例如：文献[M.Monemi，M.RastiandE.Hossain，“OnJointPowerandAdmissionControlinUnderlayCellularCognitiveRadioNetworks，”IEEETransactionsonWirelessCommunications，vol.14，no.1，pp.265-278，Jan.2015.]提出联合功率和引入控制的集中式次优算法以最小化次用户的中断概率但是没有考虑对主用户的干扰以及次用户的服务质量约束；文献[C.W.Tan，S.FriedlandandS.H.Low，“SpectrumManagementinMultiuserCognitiveWirelessNetworks：OptimalityandAlgorithm，”IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications，vol.29，no.2，pp.421-430，Feb.2011.]提出最优功率控制算法以最大化次用户的和速率，但是没有考虑QoS约束；文献[Z.Wang，L.JiangandC.He，“OptimalPrice-BasedPowerControlAlgorithmwithQualityofServiceConstraintsinCognitiveRadioNetworks，”ChineseJournalofElectronics，vol.24，no.2，pp.393-397，042015.]提出基于代价的最优功率控制算法以最大化主用户收益，同样没有考虑QoS。而在实际的认知网络中，干扰功率和服务质量是两个重要的指标，将直接影响整个认知网络的性能。因此，有必要深入研究认知网络中基于干扰功率和服务质量受限的最优功率控制方法。同时由于认知网络中的和速率最大化问题所对应的优化问题是非凸优化问题，一般功率控制算法都只能给出次优解，难于直接给出最优解。为了给出基于干扰功率和服务质量受限的认知网路和速率最大化问题的最优功率控制算法，我们采用变量替换的方法将原问题转化为一个等价的对称单调优化问题，给出了新优化问题的最优解；并利用功率和新单调优化问题的所对应的优化变量的对应关系，从而给出了原和速率最大化问题的最优功率控制算法。
技术实现思路
本专利技术旨在解决以上现有技术的功率控制方法没有考虑对主用户的干扰功率和对次用户服务质量的约束而导致次用户对主用户的干扰较大和系统吞吐量不高的问题，提出一种具有计算复杂度低，可满足实际通信场景中干扰功率和服务质量的限制和提高系统吞吐量等优点的认知网络中基于干扰功率和服务质量受限的最优功率控制方法。本专利技术的技术方案如下：一种认知网络中基于干扰功率和服务质量受限的最优功率控制方法，其包括以下步骤：步骤1：获取信道增益gi、hi、最小SINR约束γmin、主用户干扰功率约束T以及噪声σ2的值，其中gi表示次用户i到主用户的信道增益，hi表示表示次用户i到次用户基站的信道增益；步骤2：初始化，次用户按有效信道增益hi/gi降序排列，i＝1，…，n，即：h1/g1＞…＞hn/gn，令pi＝0(i＝1，…，n)，k＝n；步骤3：可行性条件判断，当k≥1时，如果则不满足最大化次用户和速率的优化问题、约束条件的可行性条件，此时引入控制k＝k-1，删除有效信道增益值最小的次用户，减少次用户数量；如果则满足最大化次用户和速率的优化问题、约束条件的可行性条件，表示k个次用户均满足干扰功率和服务质量约束条件，此时不需要引入控制，当k≥2时，当k＝1时，因此当k≥1时，对于所有的j∈(1，…，k)有：步骤4：输出第i个次用户的发射功率pi，1≤i≤n。进一步的，所述步骤3可行性判断步骤中，考虑干扰功率和服务质量约束条件下，最大化次用户和速率的优化问题如式(4)所示：pi≥0，i＝1，…，n，(3)其中，约束条件(4)表示对主用户的总干扰功率不能超过干扰门限T，约束条件(5)表示次用户的发射功率非负，约束条件(6)表示次用户的最小SINR以保证次用户的服务质量。进一步的，令变量可将问题(3)-(6)做等价变形，问题(3)-(6)可以改写成如下优化问题：假设次用户按信道增益降序排列，即我们将定义为次用户i的有效信道增益。本专利技术的优点及有益效果如下：本专利技术基于等价变量替换，给出了在干扰功率和服务质量的限制条件下，最大化认知网络和速率的功率控制算法，算法复杂度低，仅为线性依赖于系统的次用户数目，且各用户的功率分配具有闭式表达式。所提算法在满足干扰功率和服务质量的限制条件下，相对于传统的等干扰功率算法，等功率分配算法提高了认知网络的和速率。附图说明图1是本专利技术提供优选实施例认知网络频谱共享模型示意图；图2是对比三种算法的性能与干扰噪声比(INR)的关系；图3是被允许接入的次用户数量和INR之间的关系；图4是次用户和速率和次用户数量之间的关系；图5是被允许接入的次用户和次用户数量之间的关系；图6是本专利技术优选实施例认知网络中基于干扰功率和服务质量受限的最优功率控制方法流程图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例。本专利技术解决上述技术问题的技术方案是：本专利技术考虑认知网络中次用户和主用户共存的上行传输，应用场景如图1所示。主用户可以随时传输数据，而次用户在主用户收到的干扰小于干扰门限T时才可以传输数据。第i个次用户的SINR为：其中，γi表示第i个次用户的SINR，p＝(p1，…，pn)表示所有次用户的发射功率，hi表示第i个次用户和基站间的信道增益，pi为第i个次用户的发射功率，σ2表示在基站端主用户和噪声对次用户的干扰。因此，第i个次用户的速率为：考虑干扰功率和服务质量约束条件下，最大化次用户和速率的优化问题如下：pi≥0，i＝1，…，n，(12)其中，约束条件(4)表示对主用户的总干扰功率不能超过干扰门限T，约束条件(5)表示次用户的发射功率非负，约束条件(6)表示次用户的最小SINR以保证次用户的服本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种认知网络中基于干扰功率和服务质量受限的最优功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：获取信道增益g

【技术特征摘要】
1.一种认知网络中基于干扰功率和服务质量受限的最优功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：获取信道增益gi、hi、最小SINR门限γmin、主用户干扰功率约束T以及噪声σ2的值，其中gi表示次用户i到主用户的信道增益，hi表示次用户i到次用户基站的信道增益，γmin表示次用户的最小服务质量需求；步骤2：初始化，次用户按有效信道增益hi/gi降序排列，i＝1，...，n，即：h1/g1＞...＞hn/gn，令pi＝0(i＝1，...，n)，k＝n；步骤3：可行性条件判断，当k≥1时，如果则不满足最大化次用户和速率的优化问题、约束条件的可行性条件，此时引入控制k＝k-1，删除有效信道增益值最小的次用户，减少次用户数量；如果则表示k个次用户均满足干扰功率和服务质量约束条件，最大化次用户和速率的优化问题、约束条件的可行性条件，此时不需要引入控制，当k≥2时，当k＝1时，因此当k≥1时，对于所有的j∈(1，...，k)有：步骤4：输出第i个次用户的发射功率pi，1≤i≤n。2.根据权利要求1所述的认知网络中基于干扰功率和服务质量受限的最优功率控制方法，其特征在于，所述步骤3可行性判断步骤中，考虑干扰功率和服务质量约束条件下，最大化次用户和速率的优化问题如式(4)所示：...

【专利技术属性】
技术研发人员：王正强，李悦宁，万晓榆，樊自甫，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50