一種認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中分布式載波及功率分配算法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中分布式載波及功率分配算法，首先，構(gòu)造了一個(gè)聯(lián)合載波分配和功率分配的最優(yōu)化模型。在該模型中，非授權(quán)用戶與每一子載波均通過效用函數(shù)相關(guān)聯(lián)，以便不同的子載波可以用于傳輸不同的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。假設(shè)非授權(quán)用戶的功率只能在若干離散值中取值，并且只有信噪比大于某一閾值的子載波才能被非授權(quán)用戶使用。對(duì)非授權(quán)用戶的傳輸功率進(jìn)行了限制。引入了若干概率分布變量來表示非授權(quán)用戶對(duì)于不同子載波和功率的選取概率，并利用最優(yōu)化理論分布式地求解出這些概率變量。根據(jù)這些概率變量構(gòu)造合適的分布式載波和功率選取算法。仿真結(jié)果表明的算法具有良好的資源分配公平性，適合于實(shí)際的認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。
【專利說明】-種認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中分布式載波及功率分配算法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于認(rèn)知無線電【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中分布式載波及功率 分配算法，具體地說，涉及一種基于公平性的認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中分布式載波及功率分配算 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 認(rèn)知無線電（Cognitive Radio,簡(jiǎn)稱CR)作為一種智能的動(dòng)態(tài)頻譜接入技術(shù)已 經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。認(rèn)知無線電技術(shù)的智能性表現(xiàn)在：能夠根據(jù)授權(quán)頻段的使用情 況，在不影響已有通信系統(tǒng)性能的前提下，使非授權(quán)用戶機(jī)會(huì)地接入授權(quán)頻段，以達(dá)到授權(quán) 頻段的再利用。認(rèn)知自組織Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)就是一種采用認(rèn)知無線電技術(shù)的無中心、自組織網(wǎng) 絡(luò)。
[0003] 目前，對(duì)無線認(rèn)知（Ad Hoc)網(wǎng)絡(luò)資源分配的研究主要集中在單跳網(wǎng)絡(luò)，其中資源 分配的效率性和公平性是兩個(gè)不同的目標(biāo)。資源分配的效率性是指：如何充分利用有限的 無線資源來提供各個(gè)用戶所需的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；而資源分配的公平性是指：如何將無線資 源公平地在各個(gè)用戶間進(jìn)行分配。
[0004] 在以往的技術(shù)中，認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)資源分配的效率性問題被廣泛研究。作者研究 了"邊際自適應(yīng)"資源分配問題，而隨后的研究大多基于"速率自適應(yīng)"問題。作者研究了 在每個(gè)授權(quán)用戶干擾溫度受限的情況下，非授權(quán)用戶如何通過聯(lián)合調(diào)整它們的頻譜、速率、 功率資源，使得速率加權(quán)平均和最大。為了最大化用戶的遍歷容量和，作者將每個(gè)子載波分 配給相應(yīng)信道增益最大的用戶，并且在頻域和時(shí)域同時(shí)使用"注水定理"來分配功率。雖然 這些工作對(duì)認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的資源分配做出了很大貢獻(xiàn)，但由于它們沒有充分考慮資源分 配的公平性，大多數(shù)資源被信道條件較好的用戶占用，而信道條件較差的用戶卻只能得到 很少資源或得不到任何資源。
[0005] 鑒于此，考慮了認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中資源分配的公平性。為了使頻譜和功率能夠在 非授權(quán)用戶間公平分配，作者提出了若干最優(yōu)化模型以保證每個(gè)非授權(quán)用戶所需的子載波 數(shù)量。由于假設(shè)單個(gè)子載波只能分配給一個(gè)非授權(quán)用戶，其所給出的模型為NP難的非凸混 合整數(shù)規(guī)劃問題。盡管如此，通過使用中關(guān)于非凸優(yōu)化的結(jié)論，作者最終給出了若干集中式 和分布式算法。作者也考慮了資源分配的公平性，其中公平性通過設(shè)置每個(gè)非授權(quán)用戶所 需的最小速率而得到。并且，通過將資源分配轉(zhuǎn)化為每個(gè)非授權(quán)用戶的最優(yōu)化問題，給出 了若干分布式子載波和功率分配算法。但是，由于上述這些工作通常以最大化網(wǎng)絡(luò)吞吐量 或最小化網(wǎng)絡(luò)功率消耗為優(yōu)化目標(biāo)，其中的資源分配策略無法保證用戶間不同類型的公平 性。
[0006] 盡管現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)指出資源分配的公平性可以通過將每個(gè)用戶與一個(gè)效用函數(shù) 相關(guān)聯(lián)，但目前很少有文章基于效用函數(shù)研究認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的資源分配?；谛в煤瘮?shù)， 作者研究了認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)中下行通信的子載波和功率分配問題。并且，利用與現(xiàn)有技術(shù)類 似的方法，提出了一個(gè)由基站、中繼節(jié)點(diǎn)、認(rèn)知節(jié)點(diǎn)共同完成的分布式資源分配算法?；?效用函數(shù)，作者研究了一般多用戶系統(tǒng)中下行通信的子載波和功率分配問題，同時(shí)提出了 若干集中式資源分配算法。然而，由于認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中不存在中心控制節(jié)點(diǎn)（如基站）， 現(xiàn)有技術(shù)的算法或許并不適用于這種網(wǎng)絡(luò)。此外，為了簡(jiǎn)化問題，上述現(xiàn)有技術(shù)一般假設(shè)效 用函數(shù)為嚴(yán)格凹、可微的函數(shù)，從而這些現(xiàn)有技術(shù)中的算法可能也并不適用于具有非凹或 非可微效用函數(shù)的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。因此，如何基于效用函數(shù)，特別是非凹或非可微效用函數(shù)，建 模認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中帶有公平性考慮的資源分配問題，同時(shí)給出分布式算法是迫切需要解 決的一個(gè)熱點(diǎn)問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，針對(duì)實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)，并獲得較高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，本 發(fā)明提供一種認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中分布式載波及功率分配算法，研究和分析了認(rèn)知Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中分布式載波分配和功率分配問題，首先，為了公平地分配網(wǎng)絡(luò)子載波并將用戶功率 有效地分配給該用戶所使用的子載波，我們構(gòu)造了一個(gè)聯(lián)合載波分配和功率分配的最優(yōu)化 模型。在該模型中，非授權(quán)用戶與每一子載波均通過效用函數(shù)相關(guān)聯(lián)，以便不同的子載波可 以用于傳輸不同的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。此外，為了適應(yīng)實(shí)際的數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，我們假設(shè)非授權(quán)用戶的 功率只能在若干離散值中取值，并且只有信噪比大于某一閾值的子載波才能被非授權(quán)用戶 使用。同時(shí)，為了保證授權(quán)用戶的通信質(zhì)量，即其所受干擾小于某一門限值，我們對(duì)非授權(quán) 用戶的傳輸功率進(jìn)行了限制。其次，由于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的效用函數(shù)非凸且所構(gòu)造模型的變量均 取整數(shù)值，該模型為非凸整數(shù)規(guī)劃問題。為求解所給模型，我們引入了若干概率分布變量來 表示非授權(quán)用戶對(duì)于不同子載波和功率的選取概率，并利用最優(yōu)化理論分布式地求解出這 些概率變量。而后，根據(jù)這些概率變量構(gòu)造合適的分布式載波和功率選取算法。最后，仿真 結(jié)果表明我們的算法具有良好的資源分配公平性，因而適合于實(shí)際的認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。
[0008] 本技術(shù)突出的創(chuàng)造性技術(shù)點(diǎn)：對(duì)于無線認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，通過將非授權(quán)用戶與子 載波非凸的效用函數(shù)相關(guān)聯(lián)，并考慮適合于實(shí)際數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的離散功率分配問題，研究 了適合于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的帶有公平性考慮的載波和離散功率分配問題，并提出了一種新的分布 式載波和離散功率分配算法。其技術(shù)方案如下：
[0009] 一種認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中分布式載波及功率分配算法，包括以下步驟：
[0010] 階段I:求解最優(yōu)的載波和功率的選取概率
[0011] 步驟1.根據(jù)當(dāng)前的信道狀態(tài)

【權(quán)利要求】
1. 一種認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中分布式載波及功率分配算法，其特征在于，包括以下步驟： 階段I:求解最優(yōu)的載波和功率的選取概率： 步驟1.根據(jù)當(dāng)前的信道狀態(tài)重復(fù)執(zhí)行下述步驟t<M°ut次，其中'，政分 別表示在子載波k上，非授權(quán)用戶SU111的發(fā)送端與其接收端及授權(quán)用戶？隊(duì)接收端的信道增 M ; 步驟I. 1.在第t次迭代，對(duì)于給定的概率分配向量 Pr〇/)(〇 = (/)/?(<(/>!,，〇，/? = 1，…，/ni用戶執(zhí)行下述步驟 1 彡 Min 次： 1) .每個(gè)非授權(quán)用戶SUm接收授權(quán)用戶PUn發(fā)送的干擾代價(jià)變量Tn(I),而后 利用已知信息，即功率代價(jià)變量U m(I),干擾代價(jià)變量Tn(I)及pr〇b(t)，計(jì)算消息 ./"/), Ab畫,1 (/)和?臓=(/)，并將信息胸繼;!,(/)和版簡(jiǎn)〗(0發(fā)送給授權(quán)用戶PUn，其中
這里，< 分別為SUdP PUn的指示變量，即如果SUm (PUn)使用子載波k，則< =1時(shí)=1); 否則< =0 (紀(jì)=0)乂4表示當(dāng)<4取某一值時(shí)，S卩0或1，功率g可能取值的個(gè)數(shù)，火(，',<) 表示第i個(gè)功率值，prog(，?，必，0表示第t次外層迭代時(shí)SU n^pX)的概率. 2) .利用上述信息，即/> Prob(t)，Mv_f,和非授權(quán)用戶SUm和授權(quán)用戶PUn 分別計(jì)算新的代價(jià)變量ym(l+l)和干擾代價(jià)變量Tn(l+1).同時(shí)，PUdf干擾代價(jià)變量 T n(l+l)發(fā)送給非授權(quán)用戶SU111，其中

JTix為sum的最大傳輸功率，/f為pun所能承受的最大干擾； 步驟1.2.最終，根據(jù)第t次外層迭代計(jì)算的最優(yōu)代價(jià)!^(。和Tn(t)，以及信息<(/>, 非授權(quán)用戶SUn^Ij用公式（8)計(jì)算新的概率向量Prob (t+1).
步驟2.由最優(yōu)化理論，經(jīng)過若干次迭代可以得到最優(yōu)的概率分配向量Prob (M°ut).; 階段II:基于概率分配變量，將載波和功率分配給合適的用戶 步驟1.基于Prob(M°ut)，非授權(quán)用戶SUm在每一子載波k上，利用使得 取最大值的功率發(fā)送數(shù)據(jù)，即根據(jù)
步驟2.如果某一非授權(quán)用戶SU111的總傳輸功率超過其最大功率/T' . SUm將逐步放棄 對(duì)應(yīng)于最小信干噪比的載波k*，即
其中I m是用戶SU111所使用的載波集合，S/iV疋為SUm在子載波k上的信干噪比.這個(gè) 步驟一直持續(xù)直到SUm的總傳輸功率不超過其最大功率/TK.; 步驟3.如果某一授權(quán)用戶PUn所受到的干擾超過其門限值Jfs PUn將逐步消除對(duì)其產(chǎn) 生最大干擾的用戶-載波對(duì)(成0，即
其中Q是對(duì)授權(quán)用戶PUn產(chǎn)生干擾的非授權(quán)用戶集合；這個(gè)步驟一直持續(xù)直到PUnK 受到的干擾不超過門限值/f. 步驟4.最終將載波和功率分配給合適的非授權(quán)用戶。
【文檔編號(hào)】H04W52/34GK104284410SQ201410508135
【公開日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月28日
【發(fā)明者】郭松濤, 王飛, 楊陽, 余紅宴, 石亞偉 申請(qǐng)人:西南大學(xué)