基于最佳频段选择的认知无线网络吞吐量优化算法制造技术

本发明专利技术公开了基于最佳频段选择的认知无线网络吞吐量优化算法，包括以下步骤：采用认知协作通信网络模型分析网络的通信方式，获得该模型中中继的最小通信半径；采用基于能量检测的空闲信道感知方法，使基站检测可用的频谱资源，将资源共享给需要的认知次用户；结合干扰功率阈值的限制，通过优化方程为次用户选择最佳的接入频段。本发明专利技术为了确保主用户的通信质量，认知次用户的发射功率采用了一定的阈值进行限制，为了提升次用户的通信速率，提高吞吐量，提出了求解最优解的优化方程，该方程在给定的限制条件下以最大化通信速率为目的，寻找次用户的最佳接入频段及发射功率。

Throughput optimization algorithm for cognitive wireless network based on optimal frequency selection

The invention discloses a optimization algorithm for cognitive radio network throughput optimal band selection based on, which comprises the following steps: using model of cognitive cooperative communication network communication network analysis, get the minimum radius of the communication model of relay; the idle channel sensing based on energy detection method, the available spectrum resources will share resources to the base station, cognitive needs of users; combined with the interference power threshold limit, by optimizing the equation for users to choose the best band access. The present invention in order to ensure the communication quality of the primary users, secondary users transmit power of cognitive by a certain threshold limit, in order to improve the rate of communication and improve the throughput of secondary users, is proposed to solve the optimal solution of the optimization equation, the equation in the limit given conditions to maximize the rate of communication for the purpose of finding the best access frequency and the transmit power of secondary users.

【技术实现步骤摘要】
基于最佳频段选择的认知无线网络吞吐量优化算法
本专利技术涉及公安服务
，具体涉及到基于最佳频段选择的认知无线网络吞吐量优化算法。
技术介绍
在认知无线网络中，次用户只能在主用户空闲的状态下才能访问许可频段，这使得次用户接入空闲频段的时间有限，因此需要提高次用户的吞吐量以提升通信效率，在更短的时间内完成次用户的通信业务。目前，全球范围内的无线通信业务快速增长，移动手持通信设备的用户量不断增多，这使得无线频谱资源短缺现象日益加剧。另一方面，有些地区采用了静态频段分配方式，许多无线频段只授权给许可的用户，使得频段利用率低下。为了缓解频谱资源短缺的局势，需要提升频段的利用效率，使频谱资源能给更多用户使用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供基于最佳频段选择的认知无线网络吞吐量优化算法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：基于最佳频段选择的认知无线网络吞吐量优化算法，包括以下步骤：采用认知协作通信网络模型分析网络的通信方式，获得该模型中中继的最小通信半径；采用基于能量检测的空闲信道感知方法，使基站检测可用的频谱资源，将资源共享给需要的认知次用户；结合干扰功率阈值的限制，通过优化方程为次用户选择最佳的接入频段。作为本专利技术的进一步地技术方案，所述认知协作通信网络模型包含了基站、主用户、中继和认知次用户，其中基站，主用户、中继和认知次用户分布在同一个二维平面内，所述主用户与基站协作通信，所述基站与认知次用户通信或通过中继与认知次用户通信。进一步地，所述认知次用户配置单个接口，所述认知次用户在一个时刻节点只在一个信道上进行数据传输，其中认知次用户的节点接口可以在不同信道之间切换。进一步地，所述获得该模型中中继的最小通信半径；具体包括：设认知次用户的发射功率和接收功率分别为Ptrans和Preceive，则两者的关系式为：Preceive＝μ·Ptrans·d-γ；(1)其中μ表示与发射天线相关的一个常量，γ表示与传输距离相关的一个信号衰落因子；根据公式(1)可以得到当认知次用户传输数据至基站，此时基站的接收功率需要超过接收功率阈值Preceive，T才能成功接收认知次用户的数据。当认知次用户的发射功率Ptrans确定时，可以得到认知次用户的传输半径为：因此当认知次用户与基站的相隔距离大于rCSU时，认知次用户无法获取频段共享信息，此时需要中继进行协作通信，为了使得认知次用户在半径为R的服务区内都能够与基站正常通信，中继的传输半径至少需要满足rRS＝R-rCSU。作为本专利技术的进一步地技术方案，所述采用基于能量检测的空闲信道感知方法，使基站能够检测可用的频谱资源，将资源共享给需要的用户，具体包括：在认知无线网络中，基站会在其通信范围内收获空闲的频谱资源，将频谱资源共享给有需要的认知次用户，当主用户重新使用这些频谱资源时，认知次用户则需要立即撤离。进一步地，所述基站在其通信范围内收获空闲的频谱资源，采用能量阈值检测策略，其中能量阈值检测策略具体包括：设x[k]是具有方差σs2的主用户信号，用k表示接收的第k个信号样本，zi,c[k]表示从第i个主用户到第c个认知次用户的复信道响应，ξi,c[k]表示从第i个主用户到第c个认知次用户的具有零均值和方差为σf2的加性白高斯噪声；采用H0表示信道空闲状态，H1表示信道被主用户占用状态，则两种状态下的信号检测方程分别为：用Ei表示第c个认知次用户检测到的主用户i的信号能量，表示为：Ei＝αq[k]；(5)其中，α表示在该网络场景中的信号能量吸收系数；由于在H1状态下认知次用户检测到的信号能量比H0状态下要高，设定一个信号能量检测阈值ET，ET＞Ei；其中Ei为H0状态；通过认知次用户检测到的信号能量与ET进行对比来检测是否存在空闲信道：fi＝0表示信道被主用户占用，认知次用户无法使用该信道；fi＝1则表示信道处于空闲状态，可以被认知次用户使用。作为专利技术的进一步地技术方案，所述结合干扰功率阈值的限制，通过优化方程为次用户选择最佳的接入频段，提升吞吐量，具体包括：在认知协作通信网络模型中，假设网络共有K个主用户，M个认知次用户，每个主用户具有一个许可频段，网络中除基站位置固定，其他节点的分布规律遵循节点密度为ρ二维泊松过程；令Φi表示某个认知次用户节点i的可用频段集合，令ITi表示当认知次用户节点i受到的总干扰，ITi的表达式为：d(i,w)表示节点i与主用户的距离，μ表示天线增益，τ表示路径损耗系数，γ表示阴影系数。受到干扰信号的影响，当节点i通过空闲频段j传输数据至基站，可以达到的数据速率为：Uj表示频段带宽，表示节点i在频段j成功传输数据至基站的所需发射功率，gj表示频段j的信道增益。当节点i与基站之间需通过中继节点进行协作通信，则：d(i,BS)＝d(i,RS)+d(RS,BS)；(9)从公式(8)可以看出，数据速率也受到发射功率的影响。由于认知次用户与中继在通信时会对其他主用户带来干扰，因此认知次用户发送的信号至主用户的接收功率需要低于干扰功率阈值PT，即:由公式(8)可知，当发射功率的增大会提升数据速率使需要满足干扰功率阈值PT的限制，寻找最优解的方程如下：Ptotal表示网络中所有认知次用户的总发射功率，表示节点n的最大发射功率；采用迭代注水算法来求解公式(12)，求得将公式(13)求得的代入方程(12)中，找到最佳的频段来得到最大化数据速率，优化网络吞吐量。本专利技术的有益效果：本专利技术提出了一个基于干扰功率阈值的最佳频段选择方案来优化次用户的吞吐量，为了确保主用户的通信质量，认知次用户的发射功率采用了一定的阈值进行限制，为了提升次用户的通信速率，提高吞吐量，提出了求解最优解的优化方程，该方程在给定的限制条件下以最大化通信速率为目的，寻找认知次用户的最佳接入频段及发射功率。本专利技术通过仿真实验表明，使用本专利技术对提升次用户的吞吐量具有明显效果，并且可以降低次用户在通信过程中的阻塞概率。附图说明图1为本专利技术提出的基于最佳频段选择的认知无线网络吞吐量优化算法流程图；图2为本专利技术提出的认知协作通信网络模型结构示意图；图3为本专利技术提出的在不使用BFBS方法和使用BFBS方法下认知无线网络的认知次用户通信的吞吐量的仿真实验结果图；图4为本专利技术的取不同PT值下的认知次用户通信的吞吐量的仿真实验结果图；图5为本专利技术提出的认知次用户通信的阻塞概率仿真实验结果图。具体实施方式下面结合附图及实施例描述本专利技术具体实施方式：参见图1，为本专利技术提出的基于最佳频段选择的认知无线网络吞吐量优化算法流程图；如图1所示，基于最佳频段选择的认知无线网络吞吐量优化算法，包括以下步骤：步骤101，采用认知协作通信网络模型分析网络的通信方式，获得该模型中中继的最小通信半径；步骤102，采用基于能量检测的空闲信道感知方法，使基站检测可用的频谱资源，将资源共享给需要的认知次用户；步骤103，结合干扰功率阈值的限制，通过优化方程为次用户选择最佳的接入频段。本专利技术实施例中，通过采用认知协作通信网络模型分析网络的通信方式，得到主用户和认知此用户的接入频段，采用主用户频段优先的方式保证主用户使用频谱资源的权利，同时获取该模型中的中继的最小通信半径，当认知次用户未在基站的覆盖区时，通本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于最佳频段选择的认知无线网络吞吐量优化算法，其特征在于，包括以下步骤：采用认知协作通信网络模型分析网络的通信方式，获得该模型中中继的最小通信半径；采用基于能量检测的空闲信道感知方法，使基站检测可用的频谱资源，将资源共享给需要的认知次用户；结合干扰功率阈值的限制，通过优化方程为次用户选择最佳的接入频段。

【技术特征摘要】
1.基于最佳频段选择的认知无线网络吞吐量优化算法，其特征在于，包括以下步骤：采用认知协作通信网络模型分析网络的通信方式，获得该模型中中继的最小通信半径；采用基于能量检测的空闲信道感知方法，使基站检测可用的频谱资源，将资源共享给需要的认知次用户；结合干扰功率阈值的限制，通过优化方程为次用户选择最佳的接入频段。2.根据权利要求1所述的基于最佳频段选择的认知无线网络吞吐量优化算法，其特征在于，所述认知协作通信网络模型包含了基站、主用户、中继和认知次用户，其中基站，主用户、中继和认知次用户分布在同一个二维平面内，所述主用户与基站协作通信，所述基站与认知次用户通信或通过中继与认知次用户通信。3.根据权利要求2所述的基于最佳频段选择的认知无线网络吞吐量优化算法，其特征在于，所述认知次用户配置单个接口，所述认知次用户在一个时刻节点只在一个信道上进行数据传输，其中认知次用户的节点接口可以在不同信道之间切换。4.根据权利要求1所述的基于最佳频段选择的认知无线网络吞吐量优化算法，其特征在于，所述获得该模型中中继的最小通信半径；具体包括：设认知次用户的发射功率和接收功率分别为Ptrans和Preceive，则两者的关系式为：Preceive＝μ·Ptrans·d-γ；(1)其中μ表示与发射天线相关的一个常量，γ表示与传输距离相关的一个信号衰落因子；根据公式(1)可以得到当认知次用户传输数据至基站，此时基站的接收功率需要超过接收功率阈值Preceive，T才能成功接收认知次用户的数据。当认知次用户的发射功率Ptrans确定时，可以得到认知次用户的传输半径为：因此当认知次用户与基站的相隔距离大于rCSU时，认知次用户无法获取频段共享信息，此时需要中继进行协作通信，为了使得认知次用户在半径为R的服务区内都能够与基站正常通信，中继的传输半径至少需要满足rRS＝R-rCSU。5.根据权利要求1所述的基于最佳频段选择的认知无线网络吞吐量优化算法，其特征在于，所述采用基于能量检测的空闲信道感知方法，使基站能够检测可用的频谱资源，将资源共享给需要的用户，具体包括：在认知无线网络中，基站会在其通信范围内收获空闲的频谱资源，将频谱资源共享给有需要的认知次用户，当主用户重新使用这些频谱资源时，认知次用户则需要立即撤离。6.根据权利要求5所述的基于最佳频段选择的认知无线网络吞吐量优化算法，其特征在于，所述基站在其通信范围内收获空闲的频谱资源，采用能量阈值检测策略，其中能量阈值检测策略具体包括：设x[k]是具有方差σs2的主用户信号，用k表示接收的第k个信号样本，zi,c[k]表示从第i个主用户到第c个认知次用户的复信道响应，ξi,c[k]表示从第i个主用户到第c个认知次用户的具有零均值和方差为σf2的加性白高斯噪声；采用H0表示信道空闲状态，H1表示信道被主用户占用状态，则两种状态下的信号检测方程分别为：用Ei表示第c个认知次用户检测到的主用户i...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘少江，邓巧茵，王凤，倪伟传，万智萍，
申请(专利权)人：中山大学新华学院，
类型：发明
国别省市：广东,44