一种可兼顾系统总传输速率和分配公平性的认知无线电动态频谱分配方法

技术领域

本发明属于无线电技术领域，特别涉及一种可兼顾系统总传输速率和 分配公平性的认知无线电动态频谱分配方法。

背景技术

随着无线通信的高速发展，频谱资源匮乏的情况越来越严重。据FCC调查 发现，授权频带的频谱利用率只在15%∽85%之间，相当多的频带未被充分使 用，而非授权频带却非常拥挤。认知无线电技术被提出用来解决无线电频谱资 源利用率低的问题，频谱检测、频谱分配是认知无线电网络的关键技术。

对于频谱分配，当前已经有了一系列的相关研究。系统总传输速率和公平 性是频谱分配的两个基本指标，系统总传输速率与公平性通常难于兼顾，算法 设计需要在系统总传输速率和公平性之间取得一定折中。当前解决频谱分配的 算法主要基于启发式法，图论，博弈论，线性规划，模糊逻辑和进化算法。

2005年在IEEE车载技术会议(VTC)上有学者提出了避免干扰的列表着色 频谱分配算法，研究目标为最大化系统频段分配数。同年5月在IEEE  Communications里有学者提出了颜色敏感图论着色算法。颜色敏感图论着色算 法在蜂窝通信时代用于小区的频率规划和指配。该算法考虑了频谱效益的差异 性和干扰的差异性，提出了不同的分配目标及其相应的分配算法来实现分配目 标。但是，最大化系统总传输速率的分配算法可获得最大的系统总传输速率， 但不能保障系统分配的公平性，最大化比例公平性的分配算法可获得最大的分 配公平性，但不能保障系统总传输速率。

发明内容

为了实现尽可能保障系统吞吐量的同时，实现分配公平性，本发明提出了兼 顾系统总传输速率和公平性的动态频谱分配方法。

本发明的一种认知无线电动态频谱分配方法，包括以下步骤：

a），给定频带带宽、认知用户传输功率、信道增益、热噪声功率和误码率 需求；

b），计算每个认知用户使用每个频带可能获得的传输速率；

c），测量认知用户之间、认知用户与主用户之间的距离；

d），获得每个认知用户的可用频带以及认知用户之间的干扰形态，构建干 扰拓扑图，初始化干扰拓扑图中每个认知用户的频带分配标记为0；

e），计算干扰拓扑图中每个认知用户的最大总传输速率预测值；

f），计算干扰拓扑图中每个认知用户的分配调节因子；

g），计算干扰拓扑图中每个认知用户的分配优先级，并记下认知用户可用 频带集合中具有此分配优先级的频带；

h），选择优先级最大的认知用户为其分配频带；

i），分配到频带的认知用户的频带分配标记加1；

j），更新干扰拓扑图；

k），判断干扰拓扑图中是否有认知用户？若是，则更新干扰拓扑图中每个 认知用户的频带分配标记，转到步骤f），

若否，则分配结束。

本发明的动态频谱分配方法，根据给定的传输功率等参数计算每个认知用 户使用每个频带可能获得的传输速率；测量用户间距离以获得认知用户的可用 频带和干扰形态；给每个认知用户设置频带分配标记，初值为0，每分配到一 个频带，相应认知用户的频带分配标记加1。计算认知用户的最大总传输速率 预测值，计算认知用户的分配调节因子，计算认知用户的分配优先级并记下认 知用户可用频带集合中具有此分配优先级的频带，选择优先级最大的认知用户 为其分配频带，该认知用户的频带分配标记加1，更新干扰拓扑图，判断分配 是否结束。该算法在基于颜色敏感图论着色原理的最大化系统总传输速率算法 的基础上，引入了分配调节因子，实现了兼顾系统总传输速率和分配公平性的 动态频谱分配。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

具体实施方式

以下给出本发明的一个实施例。

一种兼顾系统总传输速率和分配公平性的动态频谱分配方法，具体设计步 骤如下：

假设在d₁×d₂区域内分布着M个认知用户，N个主用户。

1）计算每个认知用户使用每个频带可能获得的传输速率，组成传输速率矩 阵B，B={b|b_i,j}_N×M，b_i,j表示认知用户i若使用频带j可获得的传输速率。

$b_{i,j}=B_j{\log }_2(1+K\frac{{p_{i,j}\left|H_{i,j}\right|}^2}{B_j{\sigma }_0^2})$

其中B_j为频带j的带宽，p_i,j为认知用户i在频带j上的传输功率，|H_i,j|²为认 知用户i使用频带j获得的信道增益，σ₀²为频带的热噪声功率，K为认知用户 的需满足的误码率。i，j均为自然数，d₁，d₂均为正实数。

2）测量认知用户与主用户之间的距离，获得每个认知用户的可用频带，组 成可用频带矩阵A，可用频带矩阵A={a_i,j|a_i,j∈{0,1}}_N×M

若认知用户i与主用户j之间的距离小于主用户的覆盖半径r_p，则认知用户 i不能使用主用户j的授权频带j，令a_i,j=0，反之，令a_i,j=1。

3）测量认知用户之间的距离，假设有认知用户可使用相同的频带，判断有 无干扰，组成干扰矩阵C，干扰矩阵C={c_i,k,j|c_i,k,j∈{0,1}}_N×N×M

若认知用户i与认知用户k之间的距离小于认知用户的传输半径r_s，则认知 用户i和认知用户k不能同时使用同一条频带j，令c_i,k,j=1，反之，令c_i,k,j=0。

4)构建干扰拓扑图G=(V,E,W)。图G为无向连接图，其中V表示参与分 配的认知用户顶点集合；W表示所有认知用户的可用频带集合，其中w_i∈W 表示认知用户i的可用频带集合。E为图G的边集，表示两个认知用户间有干 扰，由干扰矩阵C决定，当两个认知用户不能同时使用频带m时，相应两个顶 点用一条边m连接。

5）初始化干扰拓扑图中每个认知用户的频带分配标记为0。记flag_i为认知 用户i的频带分配标记。

6）计算干扰拓扑图中每个认知用户的最大总传输速率预测值。记pred_i为 认知用户i的最大总传输速率预测值：

${\mathrm{pred}}_i=\underset{j=0}{\overset{M-1}{\Sigma }}{a}_{i,j}·b_{i,j}$

7）计算干扰拓扑图中每个认知用户的分配调节因子。记R_i为认知用户i 的分配调节因子：

$R_i=\left(\frac{1}{{\mathrm{pred}}_i}\right)·\left(\frac{1}{{\mathrm{flag}}_i+1}\right)$

8）计算干扰拓扑图中认知用户i的分配优先级CPr_i(m)，

${\mathrm{CPr}}_i\left(m\right)=\underset{j\in w_i}{\max }\frac{b_{i,j}}{(D_{i,j}+1)}·R_i$

记Color_i为认知用户i可用频带集合w_i中具有此分配优先级的频带，

Color_i=arg{CPr_i(m)}

其中，表示与认知用户i同时使用频带j会产生干扰 的认知用户数。

9）分配频带：比较干扰拓扑图中所有认知用户的分配优先级，选择分配 优先级最大的认知用户为其分配频带color_i*。

10）分配到频带的认知用户i*的频带分配标记flag_i*加1。

11）更新干扰拓扑图：分别从分配到频带的认知用户i*的可用频带集合中、 与i*同时使用频带color_i*会产生干扰的认知用户的可用频带集合中删除该频带， 并删除干扰拓扑图中无可用频带的认知用户。

12）判断干扰拓扑图中是否有认知用户节点，若有，则返回到7），若无， 则分配结束。