一種認知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合頻譜切換與功率分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種認知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合頻譜切換與功率分配 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展及用戶應(yīng)用需求的不斷增長，各類通信應(yīng)用對無線 頻譜的需求日益增加。傳統(tǒng)的固定頻譜分配方法導致部分頻帶競爭激烈，頻譜資源嚴重匱 乏；同時，部分頻段大量已分配的頻譜未得到充分使用，導致頻譜利用率低下。為有效提高 頻譜資源利用率，緩解頻譜資源匱乏問題，采用動態(tài)頻譜接入機制的認知無線電技術(shù)近年 來受到廣泛關(guān)注。認知無線電技術(shù)可廣泛應(yīng)用于各類異構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，形成認知異構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)。
[0003] 認知無線電網(wǎng)絡(luò)中，從用戶在不影響主用戶正常工作的情況下，可接入授權(quán)頻譜 進行數(shù)據(jù)傳輸。若從用戶檢測到主用戶到達或當前信道服務(wù)質(zhì)量下降時，需中斷當前信道 的傳輸，等待當前信道恢復可用性，或執(zhí)行頻譜切換，接入其他可用信道繼續(xù)傳輸。在存在 多個從用戶競爭主用戶可用頻譜的認知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，如何綜合考慮頻譜切換時延、等待時 延，頻譜傳輸特性以及用戶業(yè)務(wù)需求等因素設(shè)計從用戶聯(lián)合頻譜切換及功率分配策略，提 高網(wǎng)絡(luò)頻譜資源利用率及用戶Q〇S具有重要意義。
[0004] 近年來，已有研究考慮認知無線網(wǎng)絡(luò)從用戶頻譜選擇機制。文獻 [Yoon,Suk-Un,EylemEkici.Voluntaryspectrumhandoff:anovelapproachto spectrummanagementinCRNs.Communications.IEEEICC2010.]提出認知用戶通過歷 史信息估計空閑頻譜剩余時間列表及各頻譜傳輸需求時長列表，進而確定切換時刻及切換 目標步頁譜。[Li-ChunWang,Chung-ffeiWang,Chung-JuChang.OptimalTargetChannel SequenceDesignforMultipleSpectrumHandoffsinCognitiveRadioNetwork.IEEE TransactionsonCommunications]將認知網(wǎng)絡(luò)主、從用戶接入頻譜問題建模為M/G/l排隊 模型，考慮從用戶多次切換，基于隊列長度及用戶業(yè)務(wù)特性對切換從用戶排隊時延、切換時 延進行評估，進而選擇對應(yīng)最小累積時延的切換頻譜序列。
[0005] 另外，也有研究考慮認知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)多用戶信道分配與功率分配機制。如文獻 [RenchaoXie,HongJi,PengboSi,YiLi.DynamicChannelandPowerAllocationin CognitiveRadioNetworksSupportingHeterogeneousServices.IEEEGlobecom 2010.]針對動態(tài)認知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，考慮從用戶異構(gòu)服務(wù)需求，將資源分配問題規(guī)劃為混合整 數(shù)規(guī)劃問題，提出啟發(fā)式的優(yōu)化算法和次優(yōu)化算法來實現(xiàn)動態(tài)信道分配。
[0006] 以上這些研究分別考慮資源分配和頻譜切換，但是實際應(yīng)用場景中授權(quán)信道在一 段時間內(nèi)，存在主用戶占用的情況，從而造成從用戶性能的下降，無法實現(xiàn)真實應(yīng)用環(huán)境中 從用戶性能優(yōu)化。另外，現(xiàn)有頻譜選擇準則大多基于最小切換時延，未綜合頻譜等待時延以 及頻譜傳輸性能，可能導致用戶切換目標頻譜等待時間過長及傳輸性能嚴重受限，無法有 效保障用戶QoS。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種認知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合頻譜切換與功率分配方 法，該方法針對認知異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)被中斷的多個從用戶持續(xù)通信問題，綜合考慮頻譜切換 時延，排隊時延、頻譜傳輸特性及能效確定各中斷從用戶的目標信道及功率，以實現(xiàn)中斷從 用戶總傳輸時延最小化及總能效最大化。
[0008] 為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0009] -種認知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合頻譜切換與功率分配方法，認知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中多個主用戶分 別占用不同主頻帶進行通信，各主頻帶劃分為多個子信道，每個從用戶可占用一個子信道 進行通信；若某主頻帶的主用戶發(fā)起信息傳輸，處于對應(yīng)子信道的從用戶需切換至其他信 道或在當前信道等待；
[0010] 該方法具體包括以下步驟：
[0011]步驟一：中斷從用戶切換變量及功率分配變量，分別以Xnm，PjgK第m個中斷從 用戶切換至第n個目標信道的切換變量及對應(yīng)的發(fā)送功率；
[0012] 步驟二：根據(jù)各中斷從用戶切換類型計算切換至不同信道對應(yīng)的切換時延，以7^ 標識第m個中斷從用戶切換至第n個目標信道對應(yīng)的切換時延；
[0013] 步驟三：基于主從用戶業(yè)務(wù)特性，建立各網(wǎng)絡(luò)各信道排隊模型，計算各中斷從用戶 在不同信道的等待時延，以Tlf標識第m個中斷從用戶切換至第n個目標信道對應(yīng)的等待時 延；
[0014] 步驟四：根據(jù)中斷從用戶業(yè)務(wù)負荷及信道特性計算切換至不同目標信道對應(yīng)的傳 輸時間，以7T標識第m個中斷從用戶切換至第n個目標信道對應(yīng)的傳輸時間；
[0015] 步驟五：根據(jù)各中斷從用戶業(yè)務(wù)需求確定切換候選信道；
[0016] 步驟六：根據(jù)各中斷用戶的切換時延、等待時延、傳輸時間計算其切換至不同目 標信道的總傳輸時延，第m個中斷從用戶切換至第n個目標信道對應(yīng)的總傳輸時延為： 1 mn_1 mn ' 1mn Lmn9
[00i7] 步驟七：根據(jù)各子信道特性及中斷從用戶的傳輸特性計算從用戶的能效，以nmn R 標識第m個中斷從用戶切換至第n個目標信道對應(yīng)的能效，^f，其中，Rmn為第m個 mn 中斷從用戶切換至第n個目標信道對應(yīng)的傳輸速率；
[0018] 步驟八：調(diào)用公式
【主權(quán)項】
1. 一種認知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合頻譜切換與功率分配方法，其特征在于：認知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中多 個主用戶分別占用不同主頻帶進行通信，各主頻帶劃分為多個子信道，每個從用戶可占用 一個子信道進行通信；若某主頻帶的主用戶發(fā)起信息傳輸，處于對應(yīng)子信道的從用戶需切 換至其他信道或在當前信道等待； 具體包括以下步驟： 步驟一：中斷從用戶切換變量及功率分配變量，分別以xmn，Pjg識第m個中斷從用戶 切換至第η個目標信道的切換變量及對應(yīng)的發(fā)送功率； 步驟二：根據(jù)各中斷從用戶切換類型計算切換至不同信道對應(yīng)的切換時延，以標 識第m個中斷從用戶切換至第η個目標信道對應(yīng)的切換時延； 步驟三：基于主從用戶業(yè)務(wù)特性，建立各網(wǎng)絡(luò)各信道排隊模型，計算各中斷從用戶在不 同信道的等待時延，以標識第m個中斷從用戶切換至第η個目標信道對應(yīng)的等待時延； 步驟四：根據(jù)中斷從用戶業(yè)務(wù)負荷及信道特性計算切換至不同目標信道對應(yīng)的傳輸時 間，以TT標識第m個中斷從用戶切換至第η個目標信道對應(yīng)的傳輸時間； 步驟五：根據(jù)各中斷從用戶業(yè)務(wù)需求確定切換候選信道； 步驟六：根據(jù)各中斷用戶的切換時延、等待時延、傳輸時間計算其切換至不同目標 信道的總傳輸時延，第m個中斷從用戶切換至第η個目標信道對應(yīng)的總傳輸時延為：
步驟七：根據(jù)各子信道特性及中斷從用戶的傳輸特性計算從用戶的能效，以^_標識 第m個中斷從用戶切換至第η個目標信道對應(yīng)的能效
其中，Rmn為第m個中斷 從用戶切換至第η個目標信道對應(yīng)的傳輸速率； 步驟八：調(diào)用公式
十算各中斷用戶對應(yīng)各候選信道 總傳輸時延T及總能效η，基于中斷從用戶總傳輸時延最小化及總能效最大化優(yōu)化確定各 中斷用戶切換信道及傳輸功率分配策略。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合頻譜切換與功率分配方法，其特征在 于：在步驟一中，定義中斷從用戶切換變量xmne {0，l}，m= 1，2，...，Μ，η= 1，2，...，仏其 中，M為中斷用戶數(shù)，N為系統(tǒng)中所有子信道數(shù)目，Xmn= 1表示第m個中斷從用戶切換至第 η個子信道，定義Pnm為第m個中斷從用戶在第η個信道的傳輸功率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合頻譜切換與功率分配方法，其特征在 于：在步驟二中，中斷從用戶可選擇駐留當前信道或執(zhí)行頻譜切換；若執(zhí)行頻譜切換，根據(jù) 切換前后網(wǎng)絡(luò)類型，切換類型分為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)切換及網(wǎng)絡(luò)間切換。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合頻譜切換與功率分配方法，其特征在 于：在步驟三中，基于Μ/G/l排隊模型對網(wǎng)絡(luò)中各信道進行建模，各信道的排隊模型包括高 優(yōu)先級和低優(yōu)先級兩個隊列，主、從用戶到達時分別進入高、低優(yōu)先級隊列排隊；僅當高優(yōu) 先級隊列中的用戶均結(jié)束通信，低優(yōu)先級隊列的用戶才可使用頻譜資源進行通信，同等優(yōu) 先級隊列內(nèi)遵循先到先服務(wù)原則；被中斷從用戶的優(yōu)先級較普通從用戶高，因此，當被中斷 從用戶切換至目標信道時，將位于目標信道低優(yōu)先級隊列中其他切換從用戶之后、普通從 用戶之前。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合頻譜切換與功率分配方法，其特征在 于：在步驟四中，調(diào)用公另
計算第m個中斷從用戶在信道η上的傳 輸速率，其中，Bn表示第η個信道的帶寬，h _表示第m個中斷從用戶在第η個信道的傳輸增 益，σ 2表示信道噪聲功率；調(diào)用公式
計算第m個中斷從用戶在信道η上的傳輸時 間，其中，Lm表示第m個中斷從用戶數(shù)據(jù)包長度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合頻譜切換與功率分配方法，其特征 在于：在步驟五中，各中斷從用戶依據(jù)業(yè)務(wù)需求確定切換候選信道具體為從用戶選擇駐留 當前信道或切換至其他信道應(yīng)滿足中斷時間低于用戶最大可接受時延，且傳輸速率高于用 戶最低速率需求;定義第m個中斷從用戶在信道η上的中斷時間=IT + 若滿足
，則可將信道η作為第m個中斷用戶的切換候選信道，其中，: 為第m個中斷從用戶可接受的最大中斷時間，ΑΓ"為第m個中斷從用戶可接受的最小傳輸 速率。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合頻譜切換與功率分配方法，其特征在 于：在步驟六中，調(diào)用公式
4十算第m個從用戶在第η個信道的總傳輸 時延。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合頻譜切換與功率分配方法，其特征在 于：在步驟七中，調(diào)用公式
計算第m個從用戶在第η個信道上傳輸?shù)哪苄А?br>9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合頻譜切換與功率分配方法，其特征在 于：在步驟八中，基于中斷從用戶總傳輸時延最小化及總能效最大化準則進行切換目標信 道及傳輸功率聯(lián)合優(yōu)化分配，具體步驟包括： 1) 調(diào)用公另
計算各中斷用戶對應(yīng)各候選信道總傳輸 時延Τ，總能效η ; 2) 基于中斷從用戶總傳輸時延最小化準則確定局域頻譜切換及功率分配聯(lián)合優(yōu)化策 略((〇'0^?乂），對應(yīng)最小總傳輸時延為T min; 3) 基于中斷從用戶能效最大化準則確定局域頻譜切換及功率分配聯(lián)合優(yōu)化策略
，對應(yīng)優(yōu)化最大總能效為iTax; 4) 調(diào)用公式少
，其中，α為時延系數(shù)， 確定對應(yīng)最小4)的頻譜切換及功率分配聯(lián)合優(yōu)化策略(心,砥）為全局最優(yōu)策略，
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種認知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合頻譜切換與功率分配方法，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。該方法針對多個主用戶、多個從用戶共享頻譜的認知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，綜合考慮從用戶切換時延、排隊等待時延、頻譜傳輸特性、業(yè)務(wù)需求及網(wǎng)絡(luò)資源狀態(tài)等因素，在保障從用戶QoS需求的同時，基于中斷從用戶總傳輸時延最小化及能效最大化準則執(zhí)行聯(lián)合頻譜切換和功率分配，優(yōu)化確定各中斷從用戶頻譜切換及目標信道傳輸功率分配策略，從而實現(xiàn)從用戶聯(lián)合性能優(yōu)化。
【IPC分類】H04W36-26, H04W36-06
【公開號】CN104540178
【申請?zhí)枴緾N201510000599
【發(fā)明人】陳前斌, 胡琴, 郭志民, 柴蓉
【申請人】重慶郵電大學
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2015年1月4日