認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中面向授權(quán)用戶安全傳輸?shù)墓β史峙浞椒?br>【專利摘要】本發(fā)明公開的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中面向授權(quán)用戶安全傳輸?shù)墓β史峙浞椒ā８鶕?jù)信道占用狀況及感知結(jié)果，系統(tǒng)有四種狀態(tài)。在每一種狀態(tài)，計算了認(rèn)知用戶的傳輸速率及授權(quán)用戶的安全傳輸速率及其安全中斷概率。在授權(quán)用戶安全中斷概率的約束下，最大化認(rèn)知用戶的平均傳輸速率，得到每一種系統(tǒng)狀態(tài)的功率分配。與對比方案相比，所提方案可以提高了認(rèn)知用戶的傳輸速率，同時保證授權(quán)用戶的安全傳輸。
【專利說明】
認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中面向授權(quán)用戶安全傳輸?shù)墓β史峙浞椒?br>技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及認(rèn)知用戶功率分配及授權(quán)用戶安全傳輸方案 設(shè)計，具體涉及一種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中面向授權(quán)用戶安全傳輸?shù)墓β史峙浞椒ā?br>【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線設(shè)備及無線傳輸需求的增加，可用無線頻譜資源越來越短缺。然而傳統(tǒng) 的固定頻譜分配方案沒有考慮到用戶在空間和時間上使用頻譜的差異，造成了頻譜資源的 浪費。認(rèn)知無線電技術(shù)允許沒有授權(quán)頻譜的認(rèn)知用戶使用空閑或未被充分利用的無線頻譜 資源，從而提高頻譜利用率。
[0003] 在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，認(rèn)知用戶采用頻譜感知的方法獲得頻譜機會。但是由于感 知錯誤的存在，認(rèn)知用戶的性能受到了很大的影響?？紤]到認(rèn)知用戶的傳輸也可以干擾到 授權(quán)用戶的竊聽端，保護了授權(quán)用戶的安全傳輸。因而，授權(quán)用戶可以允許一定概率的感知 錯誤存在，來換取認(rèn)知用戶的協(xié)助安全傳輸。通過最優(yōu)的分配認(rèn)知用戶的功率，授權(quán)用戶的 安全性能得到保證，并且認(rèn)知用戶的傳輸速率得以提升。
[0004] 通過認(rèn)知用戶的協(xié)助，授權(quán)用戶安全性能得到保證。因而授權(quán)用戶允許一定的感 知錯誤概率的存在，因此相對于已有方案，認(rèn)知用戶的傳輸速率得以提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中面向授權(quán)用戶安全傳輸?shù)墓β史峙?方法，該方法能有效提高認(rèn)知用戶的傳輸速率，同時保證授權(quán)用戶的安全傳輸。
[0006] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0007] 認(rèn)知用戶采用Overlay方案接入信道，在授權(quán)用戶安全中斷概率約束下，最優(yōu)的分 配功率，具體實施步驟如下：
[0008] 1)認(rèn)知用戶首先對信道進行感知，根據(jù)感知結(jié)果，得到四種系統(tǒng)狀態(tài)；
[0009] 2)針對每一種系統(tǒng)狀態(tài)，計算授權(quán)用戶的安全速率和認(rèn)知用戶的傳輸速率，根據(jù) 四種系統(tǒng)狀態(tài)分析，得到認(rèn)知用戶的平均傳輸速率以及授權(quán)用戶的安全平均安全中斷概 率；
[0010] 3)在授權(quán)用戶平均安全中斷概率的約束下，最優(yōu)分配認(rèn)知用戶傳輸功率以最大化 認(rèn)知用戶的平均傳輸速率并得到相應(yīng)的優(yōu)化問題，針對此優(yōu)化問題，采用對偶分解的算法 進行求解并得到最優(yōu)的傳輸功率；
[0011]認(rèn)知用戶首先對信道進行感知，根據(jù)感知結(jié)果，得到四種系統(tǒng)狀態(tài)，具體實施步驟 如下：
[0012]采用能量檢測方法對系統(tǒng)狀態(tài)進行檢測，其虛警概率及檢測概率為：
[0014] 其中
，Y為接收信噪比，fs為采樣頻率，e為檢測門限，〇 2 = 1 為噪聲方差，根據(jù)感知結(jié)果和信道狀態(tài)使用情況，系統(tǒng)共有四種狀態(tài)，分別為:頻譜空閑且 檢測為空閑;頻譜占用但檢測為空閑;頻譜空閑但檢測為占用;頻譜占用且檢測為占用；
[0015] 針對每一種系統(tǒng)狀態(tài)，計算授權(quán)用戶的安全速率和認(rèn)知用戶的傳輸速率，根據(jù)四 種系統(tǒng)狀態(tài)分析，得到認(rèn)知用戶的平均傳輸速率以及授權(quán)用戶的安全平均安全中斷概率， 具體實施步驟如下：
[0016] 1)狀態(tài)0:信道空閑且檢測空閑，其概率為
[0017] P〇 = P(Ho)(l-pf)
[0018]其中Ho表示此時信道為空閑，P (Ho)表示信道空閑的概率，此時認(rèn)知用戶接入網(wǎng)絡(luò) 獲得的傳輸速率為
[0019] =(r-r)log: (l +
[0020] 其中；^u)表示認(rèn)知用戶在狀態(tài)0的傳輸功率，gsa表示認(rèn)知用戶發(fā)送端到接收端的信 道功率增益，此時授權(quán)用戶的安全速率為零；
[0021] 2)狀態(tài)1:信道占用但檢測為空閑，其概率為：
[0022] Pi = P(Hi)(l-pd)
[0023]其中壓表示此時信道為空閑，P(ft)表示信道空閑的概率，此時的傳輸速率為：
[0025]其中表示認(rèn)知用戶在狀態(tài)1的傳輸功率，gta表示授權(quán)用戶發(fā)送端到認(rèn)知用戶接 收端的信道功率增益，Pb為授權(quán)用戶的發(fā)射功率;此時認(rèn)知用戶的傳輸也將干擾授權(quán)用戶 的竊聽端，此時授權(quán)用戶的安全速率為：
[0027] 其中g(shù)tr表示授權(quán)用戶發(fā)送端到接收端的信道功率增益，gt(5表示授權(quán)用戶發(fā)送端 到竊聽端的信道功率增益，g se表示認(rèn)知用戶發(fā)送端到竊聽端的信道功率增益，gsr表示認(rèn)知 用戶發(fā)送端到授權(quán)用戶接收端的信道功率增益，T為一幀長度；
[0028] 3)信道空閑，但檢測為占用，其概率為：
[0029] P2 = P(Ho)pf
[0030]此時，認(rèn)知用戶傳輸獲得速率為：
[0031] /?：：i-(r-r)log,(l + -i；/^!) ' \ /
[0032] 其中乂2)表示認(rèn)知用戶在狀態(tài)2的傳輸功率，此時授權(quán)用戶的安全速率為零；
[0033] 4)信道占用且檢測為占用:其概率為：
[0034] P3 = P(Hi)pd
[0035]此時，認(rèn)知用戶的傳輸速率為：
[0037]其中表示認(rèn)知用戶在狀態(tài)2的傳輸功率，此時授權(quán)用戶的安全傳輸速率為：
[0039]認(rèn)知用戶的平均傳輸速率為： Rs = E ( R^P,, + R[2)P-, + R[3)P3)
[0040] ' V 1 ' / :-廣 / -E(A1：'!))P0+E(/?I，1)^ + E(A>n)/>+E(/?I；,)/>
[0041] 其中E( ?)表示期望操作，在認(rèn)知用戶的干擾下，授權(quán)用戶的平均安全中斷概率 為：
[0042] C' =1; /?" )/? + Pr(4M S
[0043] 在授權(quán)用戶平均安全中斷概率的約束下，最優(yōu)分配認(rèn)知用戶傳輸功率以最大化認(rèn) 知用戶的平均傳輸速率并得到相應(yīng)的優(yōu)化問題;針對此優(yōu)化問題，采用對偶分解的算法進 行求解并得到最優(yōu)的傳輸功率，具體實施步驟如下：
[0044] 在授權(quán)用戶平均安全中斷概率的約束下，最大化認(rèn)知用戶的傳輸速率，得到以下 優(yōu)化問題：
[0045] P1: ,max ^ p) 1,2,3 d,
[0046] S.tJ P^'e < Pav, 0 < p[i] <Ps,i^
[0047] 其中Pth為最大安全中斷概率約束，Pav為認(rèn)知用戶的平均功率約束，P s為認(rèn)知用戶 的最大傳輸功率，cr為認(rèn)知用戶的平均傳輸功率：
[0049] 對于P1的求解，引入指示函數(shù)：
[0050] 滬(/^) = |°'1;^'
[_]中:"卜丨;，
[0052]其中Rse。為目標(biāo)安全速率，此外，由于感知時間長度相比于傳輸時間長度太短，因 此，忽略授權(quán)用戶在感知時間內(nèi)的傳輸，因此可以得到
[0054] 則問題P1可以轉(zhuǎn)化為問題P2 P2: max R
[0055] ' I=u,1,2,3
[0056] ^；；，8<^.,
[0057] 對于問題P2,采用對偶分解求解，其拉格朗日對偶函數(shù)為：
[0058] L(A"，X"，f'，#) = /?、++. _(+:°))^(+:"))句
[0059]因此，優(yōu)化問題P2變?yōu)椋?br>[0060] ^0,1,2,3'
[0061] />,/ = 0,1,2,3,
[0062] 其對偶問題為：
[0063] P4:niinG(i,//)
[0064] s.t.A,ti>〇
[0065] P3可以分解為四個問題，對于，1和，1可以從拉格朗日對偶函數(shù)的導(dǎo)數(shù)得到為：
[0067] 從而得到
[0069]對于/^，其分解的優(yōu)化問題為
[0071] 由于供(,)是由^和RseJ夬定，根據(jù)^ 解的情況分析#，設(shè)
[0072] ^(^1,)2+5pf)+C = 0
[0073] 其中_^ = 2爭，并且
[0074] < "=(卜.i)(g、，+ g. J + (vg二v - gM,g,, ) G C = v(l + ^)-(1+見川
[0075] 2)當(dāng)方程沒有根時：
[0076]優(yōu)化問題為：
可以得到最優(yōu)解為
[0080] 2)當(dāng)方程有兩個根時，并設(shè)兩個根為令P6的一階導(dǎo)數(shù)等于0,可以得到
[0082] g/f K
/卜：當(dāng)#- S OS W)+ < 且/(P!" >/(〇，此時最優(yōu)的功率 且/(/1+) >/(Pf)，此時最優(yōu)傳輸功率為，=，+，如/(廣>，此時最優(yōu)的傳 輸功率為# =pf ,如果，此時最優(yōu)的傳輸功率為#Up#，如 果;f - <PS，此時最優(yōu)的傳輸功率為# =0:;
[0083] h ) W1)- < 0 < P S p!1)4 :當(dāng) />f)- S P < K1|+ < 或者廠:1卜 < 0 < P5 < /?!n* S pf"， 此時最優(yōu)的功率為# =巧，如果d11、0 < K1：)、戶，/)+，此時最優(yōu)傳輸功率為# ， 如果if- ，此時最優(yōu)的傳輸功率為# = 0:
[0084] DOsg1)- <戶廣：當(dāng)0<ps(1)一 < p:U+ </?:"* 或0S/)!1 卜 5：乃< </>⑴+ ,此時 最優(yōu)的功率為，如果(XW11 </T s e <wllf，此時最優(yōu)傳輸功率為# =⑴*，如果 0 < #* g < #+且/(/)5) > /(/f -)，此時最優(yōu)的傳輸功率為，=if*;如果 /(，)</(# j，此時最優(yōu)的傳輸功率為義1=，；
[0085] j)〇S/^ < pp ￡、巧；當(dāng)〇9?》_ <pf1+ /'⑷，此時最優(yōu)的功率為 乂11 = /)1 ;如果/代），則最優(yōu)傳輸功率為，=之，如果0句)丨丨丨-< 且/p!ii+)>/((i)i，此時最優(yōu)傳輸功率為#=#%如/pr卜/krp此時最優(yōu)的傳 輸功率為#如果0 4%，:此時最優(yōu)的傳輸功率為;f = ，如 果〇< /)fk /?fh < pf+ ^且/ > /p!.1，此時最優(yōu)的傳輸功率為#=y1" ：如果 ，則最優(yōu)傳輸功率為#=#_;
[0086] k) pf)_ < A?+ 當(dāng)#- < W1M <0<巧 ，此時最優(yōu)的功率為# = g，如 果d1卜< 0 <5^ ,此時最優(yōu)傳輸功率為#1 = #)+，如果/f)- < K1|+ S < 0 <巧 或d1)+ < 0 <: Ps，此時最優(yōu)的傳輸功率為；^二爾
[0087] 1) .0 < /?!"- < 11 :.當(dāng) 0 < €< />:"- < 卜 < /7:1"， 0 < /^ S />{"- < /?f /?f)+ 或 0<€<此時最優(yōu)的功率為e，如果0句;f Se</f%此時 最優(yōu)傳輸功率為/彳1、/1%
[0088] 同理，可以得到的最優(yōu)功率分配。
[0089] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：
[0090] 本發(fā)明公開的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中面向授權(quán)用戶安全傳輸?shù)墓β史峙浞椒?。根?jù)信道 占用狀況及感知結(jié)果，系統(tǒng)有四種狀態(tài)。在每一種狀態(tài)，計算了認(rèn)知用戶的傳輸速率及授權(quán) 用戶的安全傳輸速率及其安全中斷概率。在授權(quán)用戶安全中斷概率的約束下，最大化認(rèn)知 用戶的平均傳輸速率，得到每一種系統(tǒng)狀態(tài)的功率分配。與對比方案相比，所提方案可以提 高了認(rèn)知用戶的傳輸速率，同時保證授權(quán)用戶的安全傳輸。
【附圖說明】
[0091 ]圖1為本發(fā)明/^且/>/化)時功率分配圖示；
[0092]圖2為本發(fā)明;且/^!1)+>/(〇時功率分配圖示；
[0093]圖3為本發(fā)明認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)傳輸模型；
[0094]圖4為本發(fā)明認(rèn)知用戶的平均傳輸速率仿真圖。
【具體實施方式】
[0095]下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細(xì)說明，所述是對本發(fā)明的解釋而 不是限定。
[0096] 本發(fā)明考慮一個Overlay網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。授權(quán)用戶網(wǎng)絡(luò)由一個授權(quán)用戶發(fā)送端 (PT)和授權(quán)用戶接收端(PR)組成，同時授權(quán)用戶面臨一個竊聽端(EV)的竊聽威脅。認(rèn)知用 戶由認(rèn)知發(fā)送端(SN)與認(rèn)知接收端(AN)組成。認(rèn)知用戶采用Overlay方式接入網(wǎng)絡(luò)。認(rèn)知用 戶對頻譜占用情況進行感知，從而確定發(fā)送功率。由于感知錯誤的存在，認(rèn)知用戶的傳輸會 干擾到授權(quán)用戶的傳輸?？紤]到認(rèn)知用戶的傳輸也可以干擾授權(quán)用戶的竊聽端，因而，授權(quán) 用戶可以允許一定概率的感知錯誤存在來換取認(rèn)知用戶的協(xié)作。
[0097] 假設(shè)認(rèn)知用戶網(wǎng)絡(luò)與授權(quán)用戶網(wǎng)絡(luò)是同步的，并且兩個網(wǎng)絡(luò)都經(jīng)歷了獨立平穩(wěn)的 瑞利衰落，即：在每一幀內(nèi)，信道狀態(tài)保持不變，而在不同的幀間，信道狀態(tài)獨立變化。PT- PR，PT-EV PT-SN，PT-AN，SN-PR，SN-EV及SN-AN的信道功率增益為gtr，gte，gts，gta， g sr，gse和gsa。由于這些信道經(jīng)歷了瑞利衰落，因此這此變量服從指數(shù)分布，并且其參數(shù)分別 為
。假設(shè)系統(tǒng)中的噪聲為循環(huán)高斯白噪聲并且服 從零均值單位方差的高斯分布。授權(quán)用戶的傳輸功率為PP并且其中斷速率為RP。認(rèn)知用戶的 最大傳輸功率為Ps并且其目標(biāo)速率為Rs。
[0098]認(rèn)知用戶采用Overlay方案接入信道，在授權(quán)用戶安全中斷概率約束下，根據(jù)頻譜 感知結(jié)果，最優(yōu)的分配功率。
[0099] 根據(jù)授權(quán)用戶實際信道使用情況及頻譜感知結(jié)果，系統(tǒng)共有四種狀態(tài)，分別為:頻 譜空閑且檢測為空閑;頻譜占用但檢測為空閑;頻譜空閑但檢測為占用;頻譜占用且檢測為 占用。
[0100] 采用能量檢測方法，其虛警概率及檢測概率為：
[0102] 其中
，Y為接收信噪比，fs為采樣頻率，e為檢測門限，〇 2 = 1 為噪聲方差。
[0103] 對于四種系統(tǒng)狀態(tài)，其分析如下：
[0104] 1)狀態(tài)0:信道空閑且檢測空閑，其概率為
[0105] P〇 = P(Ho)(l-pf)
[0106]其中Ho表示此時信道為空閑，P (Ho)表示信道空閑的概率。此時認(rèn)知用戶接入網(wǎng)絡(luò) 獲得的傳輸速率為
[0107] R[l)] -(7，-r)log:(l + ^!；//，，))
[0108] 其中表示認(rèn)知用戶在狀態(tài)0的傳輸功率，gsa表示認(rèn)知用戶發(fā)送端到接收端的信 道功率增益。此時授權(quán)用戶的安全速率為零。
[0109] 2)狀態(tài)1:信道占用但檢測為空閑，其概率為：
[0110] Pi = P(Hi)(l-pd)
[0111] 其中壓表示此時信道為空閑，P(ft)表示信道空閑的概率。此時的傳輸速率為：
[0113]其中表示認(rèn)知用戶在狀態(tài)1的傳輸功率，gta表示授權(quán)用戶發(fā)送端到認(rèn)知用戶接 收端的信道功率增益，Pb為授權(quán)用戶的發(fā)射功率。此時認(rèn)知用戶的傳輸也將干擾授權(quán)用戶 的竊聽端，此時授權(quán)用戶的安全速率為：
[0115] 其中g(shù)tr表示授權(quán)用戶發(fā)送端到接收端的信道功率增益，gte5表示授權(quán)用戶發(fā)送端 到竊聽端的信道功率增益，g se表示認(rèn)知用戶發(fā)送端到竊聽端的信道功率增益，gsr表示認(rèn)知 用戶發(fā)送端到授權(quán)用戶接收端的信道功率增益，T為一幀長度。
[0116] 3)信道空閑，但檢測為占用，其概率為：
[0117] p2 = p(H〇)pf
[0118] 此時，認(rèn)知用戶傳輸獲得速率為：
[0119] /?J2) ={T ~r)：l〇g2 (l + gv/jpf' ]
[0120] 其中表示認(rèn)知用戶在狀態(tài)2的傳輸功率。此時授權(quán)用戶的安全速率為零。
[0121 ] 4)信道占用且檢測為占用:其概率為：
[0122] P3 = P(Hi)pd
[0123]此時，認(rèn)知用戶的傳輸速率為：
[0125]其中/?廣表示認(rèn)知用戶在狀態(tài)2的傳輸功率。此時授權(quán)用戶的安全傳輸速率為：
[0127] 根據(jù)四種系統(tǒng)狀態(tài)性能分析，認(rèn)知用戶的平均傳輸速率為： A =-E (/?'|1!;6 卜/?⑴G 十片)
[0128] V ； =E (<,)!) A + E (/?⑴)/] + E (<2!) g 十 E (
[0129] 其中E( ?)表示期望操作。在認(rèn)知用戶的干擾下，授權(quán)用戶的平均安全中斷概率 為：
[0130] C' = + Pf_(尺~心,)/)s
[0131] 在授權(quán)用戶安全中斷概率的約束下，最大化認(rèn)知用戶的傳輸速率，得到以下優(yōu)化 問題： rni〇〇i PI: max /?c
[0132] ^i^〇,U3 "
[0133] s.t.< PJe < Puv, ;0<p(；] <P^4 = %\,2,^
[0134] 其中Pth為最大安全中斷概率約束，Pav為認(rèn)知用戶的平均功率約束，P s為認(rèn)知用戶 的最大傳輸功率，為認(rèn)知用戶的平均傳輸功率：
[0136]對于P1的求解，引入指示函數(shù)
[。137] +H，《，
[。138] = %，
[0139]其中Rse。為目標(biāo)安全速率。此外，由于感知時間長度相比于傳輸時間長度太短，忽 略在感知時間的傳輸，因此可以得到
[0141] 則問題P1可以轉(zhuǎn)化為問題P2 P2 : max R
[0142] 1 z-=0.1、2v3'
[0143] SJp：；e<Plv, <p,/=o,i,a,3,
[0144]對于問題P2，采用對偶分解求解，其拉格朗日對偶函數(shù)為：
[0145] L(/y^/y^/y/'\ //；；))^/?(+/：(^-(^(/7!l!))^
[0146] 因此，優(yōu)化問題P2變?yōu)椋?br>[0147] p3: max L{p^,p{；},p[3),pl4))j /=0,lv25
[0148] .v./.0</?：，,<jp,/=0,l,2,3,
[0149] 其對偶問題為：
[0150] P4:niinG(2,//)
[0151] s.t.A,ii>〇
[0152] P3可以分解為四個問題，對于，哺乂21可以從拉格朗日對偶函數(shù)的導(dǎo)數(shù)得到為：
[0154]根據(jù)KKT條件，可以得到功率分配為
[0156]對于乂"，其分解的優(yōu)化問題為
[0158] 由于是由^和!^決定，可以根據(jù)^ = /^(的解的情況得到if。設(shè)
[0159] +W+C = 0
[0160] 其中v = 2^，并且 1令)"，
[0161] iKugJ+On-n, C4(l+私名)-(1+孓,巧）
[0162] 3)當(dāng)方程沒有根時：
[0163] 優(yōu)化問題為：
，為了得到最優(yōu)解，可以得到
[0167]其最優(yōu)解為
[0169] 2)當(dāng)方程有兩個根時，并設(shè)兩個根為^?_和乂1|+。令P6的一階導(dǎo)數(shù)等于0,可以得到
[0171] 令卜/^!11卜有六種情況。
[0172] a) g1)-別名 p)1|+ :當(dāng)pf1- S S 且/(Z1|+) > /(巧），此時最優(yōu)的 功率為;如圖i所示；如果/(/f+p/W)，則最優(yōu)傳輸功率為# =P，如圖2所 示。如果，此時最優(yōu)傳輸功率為義11 = ，如 ，此時最優(yōu)的傳輸功率為#=/^ ,如果<€ ,此時 最優(yōu)的傳輸功率為y = i?f。如果此時最優(yōu)的傳輸功率為 /:1 =-0 C
[0173] b ) pf)- S d1|+ ??當(dāng) W1)- S 〇 < 乃5； 41)+ < 反⑴* 或者 pf)飛 0 S € < P!ir < p!1)+， 此時最優(yōu)的功率為/f =巧。如果# <0< ，此時最優(yōu)傳輸功率為# =/T。 如果#-<0s/>f，此時最優(yōu)的傳輸功率為/> = 0。
[0174] </K ;當(dāng)OSpf1- 2P < /?，或，此時 最優(yōu)的功率為# = 如果0句f 5；乃< /|+，此時最優(yōu)傳輸功率為gw =⑴*。如果 0< '玄巧c 且/(Z ) > /(d11 )，此時最優(yōu)的傳輸功率為戶丨1) = />f)%如果 ?/(召!1丨）（/(戶;"），此時最優(yōu)的傳輸功率為p:'1)二/?:'1)-。
[0175] d) 0 丨…< K1+ 5^ :當(dāng)0 < /卜< /)+ S d)1K且/ (KIH) > /⑷，此時最優(yōu)的功率 為/^ = aw+ I如果./(^!1|+^./(O'則最優(yōu)傳輸功率為/?丨"=尸。如果os/tf1- </^,1>f </^仝Ps 且，此時最優(yōu)傳輸功率為，如此時最優(yōu)的 傳輸功率為;。如果〇</>-，此時最優(yōu)的傳輸功率為/>=；^。 如果且，此時最優(yōu)的傳輸功率為#=#r;如果 ，則最優(yōu)傳輸功率為=/f、
[0176] e) pf)- <《0 <乃；當(dāng)W11- < W1)+ < 0 <巧< W1"，此時最優(yōu)的功率為W1)=乃。如 果#- < W1)+ S 0 < 巧，此時最優(yōu)傳輸功率為rf) = d0*必如果#- < dn+ s 〇〈巧 或，-< pfh o < e，此時最優(yōu)的傳輸功率為# = o。
[0177] f ) 〇 < A 4~ :當(dāng) 〇 < Ps "1)- < # < #)% 〇 < W1 卜 < ^ 0 <巧< pw < /< d1)+此時最優(yōu)的功率為# = € 0如果0 Ku- < <+，此時 最優(yōu)傳輸功率為夕11
[0178] 同理，可以得到/f1的最優(yōu)功率分配。
[0179] 仿真實驗：
[0180] 在仿真中，認(rèn)知用戶的平均功率約束及最大功率設(shè)為10dB和15dB，T設(shè)為100ms。 [0181]此外，參見圖4,本發(fā)明也將仿真Overlay方案作為所提方案的對比，并得到了認(rèn)知 用戶平均傳輸速率隨頻譜空閑概率的變化情況。隨著頻譜空閑概率的增大，認(rèn)知用戶平均 傳輸速率將增大。其原因為，較大的頻譜空閑概率意味著有更多無干擾的頻譜接入機會，因 此認(rèn)知用戶的傳輸速率將會增大。隨著感知時間的增大，頻譜感知的準(zhǔn)確度將會提高，但是 認(rèn)知用戶的傳輸時間將會變短。由于授權(quán)用戶允許一定的感知錯誤存在，因此傳輸時間變 短對系統(tǒng)的影響更大，用戶的傳輸速率將會下降。
【主權(quán)項】
1. 一種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中面向授權(quán)用戶安全傳輸?shù)墓β史峙浞椒?，其特征在于，認(rèn)知用 戶采用Overlay方案接入信道，在授權(quán)用戶安全中斷概率約束下，最優(yōu)的分配功率，具體實 施步驟如下： 1) 認(rèn)知用戶首先對信道進行感知，根據(jù)感知結(jié)果，得到四種系統(tǒng)狀態(tài)； 2) 針對每一種系統(tǒng)狀態(tài)，計算授權(quán)用戶的安全速率和認(rèn)知用戶的傳輸速率，根據(jù)四種 系統(tǒng)狀態(tài)分析，得到認(rèn)知用戶的平均傳輸速率以及授權(quán)用戶的安全平均安全中斷概率； 3) 在授權(quán)用戶平均安全中斷概率的約束下，最優(yōu)分配認(rèn)知用戶傳輸功率以最大化認(rèn)知 用戶的平均傳輸速率并得到相應(yīng)的優(yōu)化問題，針對此優(yōu)化問題，采用對偶分解的算法進行 求解并得到最優(yōu)的傳輸功率。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中面向授權(quán)用戶安全傳輸?shù)墓β史峙浞?法，其特征在于，認(rèn)知用戶首先對信道進行感知，根據(jù)感知結(jié)果，得到四種系統(tǒng)狀態(tài)，具體實 施步驟如下： 采用能量檢測方法對系統(tǒng)狀態(tài)進行檢測，其虛警概率及檢測概率為：其牛γ為接收信噪比，fs為采樣頻率，ε為檢測門限，0 2 = 1為噪聲 方差，根據(jù)感知結(jié)果和信道狀態(tài)使用情況，系統(tǒng)共有四種狀態(tài)，分別為:頻譜空閑且檢測為 空閑;頻譜占用但檢測為空閑;頻譜空閑但檢測為占用;頻譜占用且檢測為占用。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中面向授權(quán)用戶安全傳輸?shù)墓β史峙浞?法，其特征在于，針對每一種系統(tǒng)狀態(tài)，計算授權(quán)用戶的安全速率和認(rèn)知用戶的傳輸速率， 根據(jù)四種系統(tǒng)狀態(tài)分析，得到認(rèn)知用戶的平均傳輸速率以及授權(quán)用戶的安全平均安全中斷 概率，具體實施步驟如下： 1) 狀態(tài)〇:信道空閑且檢測空閑，其概率為 Po = P(H〇)(l-pf) 其中Ho表示此時信道為空閑，P(Ho)表示信道空閑的概率，此時認(rèn)知用戶接入網(wǎng)絡(luò)獲得 的傳輸速率為其中g(shù)Q)表示認(rèn)知用戶在狀態(tài)〇的傳輸功率，gsa表示認(rèn)知用戶發(fā)送端到接收端的信道功 率增益，此時授權(quán)用戶的安全速率為零； 2) 狀態(tài)1:信道占用但檢測為空閑，其概率為： Pi = P(Hi)(l-pd) 其中出表示此時信道為空閑，P(H〇表示信道空閑的概率，此時的傳輸速率為：其中pP表示認(rèn)知用戶在狀態(tài)1的傳輸功率，gta表示授權(quán)用戶發(fā)送端到認(rèn)知用戶接收端 的信道功率增益，pb為授權(quán)用戶的發(fā)射功率;此時認(rèn)知用戶的傳輸也將干擾授權(quán)用戶的竊 聽端，此時授權(quán)用戶的安全速率為：其中g(shù)tr表示授權(quán)用戶發(fā)送端到接收端的信道功率增益，gte表示授權(quán)用戶發(fā)送端到竊聽 端的信道功率增益，gse表示認(rèn)知用戶發(fā)送端到竊聽端的信道功率增益，gsr表示認(rèn)知用戶發(fā) 送端到授權(quán)用戶接收端的信道功率增益，T為一幀長度； 3 )信道空閑，但檢測為占用，其概率為： P2 = P(H〇)pf 此時，認(rèn)知用戶傳輸獲得速率為：其中表示認(rèn)知用戶在狀態(tài)2的傳輸功率，此時授權(quán)用戶的安全速率為零； 4)信道占用且檢測為占用:其概率為： P3 = P(Hi)pd 此時，認(rèn)知用戶的傳輸速率為：其中表示認(rèn)知用戶在狀態(tài)2的傳輸功率，此時授權(quán)用戶的安全傳輸速率為： V Vy. \ 心? 'i. y / 認(rèn)知用戶的平均傳輸速率為： \ " \ " / *\ ^ \ ^ ^ 其中E( ·)表示期望操作，在認(rèn)知用戶的干擾下，授權(quán)用戶的平均安全中斷概率為：4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中面向授權(quán)用戶安全傳輸?shù)墓β史峙浞?法，其特征在于，在授權(quán)用戶平均安全中斷概率的約束下，最優(yōu)分配認(rèn)知用戶傳輸功率以最 大化認(rèn)知用戶的平均傳輸速率并得到相應(yīng)的優(yōu)化問題;針對此優(yōu)化問題，采用對偶分解的 算法進行求解并得到最優(yōu)的傳輸功率，具體實施步驟如下： 在授權(quán)用戶平均安全中斷概率的約束下，最大化認(rèn)知用戶的傳輸速率，得到以下優(yōu)化 問題：其中Pth為最大安全中斷概率約束，pav為認(rèn)知用戶的平均功率約束，Ps為認(rèn)知用戶的最 大傳輸功率，if:為認(rèn)知用戶的平均傳輸功率：對于P1的求解，引入指示函數(shù)：其中Rsec為目標(biāo)安全速率，此外，由于感知時間長度相比于傳輸時間長度太短，因此，忽 略授權(quán)用戶在感知時間內(nèi)的傳輸，因此可以得到 L ^ V ~\ - Ονν?-Χ?' j J 則問題P1可以轉(zhuǎn)化為問題P2對于問題P2，采用對偶分解求解，其拉格朗日對偶函數(shù)為： 、 / \ \ \·? ? \ \· .，} j 、 因此，優(yōu)化問題P2變?yōu)椋? 其對偶問題為：s.t ·λ，μ>0 P3可以分解為四個問題，對于和;^可以從拉格朗日對偶函數(shù)的導(dǎo)數(shù)得到為： 從而得到I 、一 .純 j 對于if1，其分解的優(yōu)化問題為由于是由^和決定，根據(jù)J = L解的情況分析#，設(shè) 其中y = 2爭，并且1)當(dāng)方程沒有根時： 優(yōu)化問題為：設(shè)，可以得到最優(yōu)解為2)當(dāng)方程有兩個根時，并設(shè)兩個根為d~和，令P6的一階導(dǎo)數(shù)等于Ο，可以得到a )，- <；0q :當(dāng) W)- S# 且 /(P:1)+) >/W )，此時最優(yōu)的功率為 # = ;如果/^Γ>/(€)，則最優(yōu)傳輸功率為，=6，如果q 且/(#)>/(/^)，此時最優(yōu)傳輸功率為#=尸:1)+，如/(/>: 1|+)</(凡(1)*)，此時最優(yōu)的傳 輸功率為，，如果^〇<pf </>s，此時最優(yōu)的傳輸功率為# ，如 果0 < S，此時最優(yōu)的傳輸功率為/1 b) p:1)- < 0 < A(1|+ :當(dāng)/^-SOS ΡΛ 5； ⑴+ < pfΓ 或者 W1 )? 5； f S ,+，此時最 優(yōu)的功率為# ，如果，此時最優(yōu)傳輸功率為# ，如果 pf)- < ，此時最優(yōu)的傳輸功率為/^ =〇::;. C) 0 S Z1)- s e < Κ1)+ :當(dāng)0 S X1)- S 巧 < 4η+ < /)*或0 S K1)- S 巧 < 尸⑴、；?!1)+，此時最優(yōu) 的功率為，=6，如果〇句^<忍 <，〃，此時最優(yōu)傳輸功率為# = (1) *，如果 〇 < ^ 且/ 4死(1)1，此時最優(yōu)的傳輸功率為#=；^;如果 /(/^)義/?(嚴(yán))，此時最優(yōu)的傳輸功率為/)=/)-;: d ) 0 <#?- < #丨+ ￡6 :當(dāng)0 < /1+ q 且> ./κ)，此時最優(yōu)的功率為 = ;如果/(#')< /(Ρ;)，則最優(yōu)傳輸功率為# = S，如果〇 ^丨"-< 且/Wn+)>/i⑴今此時最優(yōu)傳輸功率為#=/Γ，如/W1)+X/r)，此時最優(yōu)的傳 輸功率為Z1 = /^M%如果，.此時最優(yōu)的傳輸功率為= i^.irf，如 果〇<κ<#)+ 且，此時最優(yōu)的傳輸功率為，= 如果 ，則最優(yōu)傳輸功率為#; e ) W1 h < K11 k :當(dāng)ii)- < W1H < 〇 < ^ < ，此時最優(yōu)的功率為# =乃，如果 #- < d11+ S 0</|+ ，此時最優(yōu)傳輸功率為，如果/f - < d1)+ qfsocf或 S尸# <，+ < 0 <乃，此時最優(yōu)的傳輸功率為，=0 ; f ) 〇 < 巧 s W1 卜 < Η1). ·* 當(dāng) 〇 <: C s pf)- < 41)+ < W1)*， ο < 乃；s + 或 ο <乃< &(1V < )+此時最優(yōu)的功率為Z = P，如果0 k P < pf)+，此時 最優(yōu)傳輸功率為 同理，得到g3)的最優(yōu)功率分配。
【文檔編號】H04W72/04GK105959939SQ201610415462
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月13日
【發(fā)明人】任品毅, 王大偉, 杜清河, 孫黎, 王熠晨
【申請人】西安交通大學(xué)