[发明专利]使OFDM主用户收益最大化的认知无线电频谱分配方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于OFDM的使主用户收益最大化的认知无线电频谱分配方法，属于无线通信中认知无线电频谱资源管理相关领域。

技术背景

认知无线电(Cognitive Radio)是一种智能的频谱共享技术，它能够依靠人工智能的支持，感知外界无线通信环境，根据一定的学习和决策算法，实时自适应地改变系统工作参数（如传输功率、载频、调制方式），理论上允许在时间、空间以及频率上进行多维的频谱复用，从而极大地降低频谱和带宽的限制对无线技术发展的束缚，被预言为未来最热门的无线技术。OFDM作为实现高速无线传输的热门技术之一，在认知无线电概念提出伊始就因为其灵活性和自适应性被认为是认知无线电传输技术的最佳选择。

由于空闲资源频谱有限，次用户之间需要竞争使用频谱资源，且不同的次用户的优先级、QoS要求可能不一样，频谱分配的主要目的就是根据次用户不同的频谱需求，公平有效地分配一定数量的频谱资源，使得系统性能得到改善或逼近于最优状态。主次用户合作式的认知无线电频谱分配方式能够通过用户间的少量信息交流而有效的避免干扰，保证数据传输质量。

在实时的频谱交易市场中，主用户有权从出让自己空闲频谱的过程中获取收益，并且通过制定相应的频谱“租赁”规则，使利益在长期的频谱使用过程中达到最大化。基于主用户自主行为的认知无线电系统，将以用户个体利益驱动为出发点，以不同条件下主用户和次用户行为的研究为依据，以合理完善的认知无线电频谱接入律令保证用户收益相协调不冲突，并充分发挥用户行为决策的自主性，主用户需要在每个时隙上迅速做出频谱分配的最优决策，即在无线环境、频谱政策、干扰限制的约束条件下，从多个潜在的次用户中选出与空闲频谱数量相适应的有限用户，允许其接入使用空闲频谱。在认知无线电系统中，由于不同子载波的信号来自不同的用户，很难保证信号的参数一致或精确正交，因此需要抑制载波间相互干扰。其次，还要考虑次用户误码率需求以及信道衰落因素对系统的影响，并综合各因素对模型进行了改进，在保证次用户不对相邻用户造成干扰的同时能达到最大的吞吐量。

无休止赌博机(Restless Bandits)是研究一系列随机序贯决策问题的理论。指在一系列离散的或连续的时刻点上做出决策，系统将获得与所处状态和所采取决策有关的回报，并影响系统在下一个决策时刻点所处的状态，并以此影响未来的最终受益。它可以通过每个项目的优先权索引值(priority-index)解决，索引值可以通过线性规划放宽(Linear Programming Relaxation)和原始双重索引探索法(Primal-dual Index Heuristic)求得。优先权索引值能在离线(off-line)状态计算并存储在索引表(index table)中，因而能显著的降低在线(on-line)运算量和实施复杂度。参考文献P.Whittle,“Restless bandits:Activity allocation in a changing world”.A Celebration of Applied Probability.1988(25):287-298，和D.Berstimas and J.Ni～no-Mora.“Restless bandits,linear programming relaxations,and a primal dual index heuristic”.Operations Research.2000,48(1):80-90。

发明内容

本发明的主要目的是在主用户的角度上，考虑多个次用户竞争有限频谱资源的情况，以主用户收益最大化为目标，构建实时的基于OFDM的认知无线电频谱分配系统。解决实时频谱市场中多次用户情况下的决策问题，并通过优化主用户的行为决策提高主用户收益。

本发明所应适应的认知无线电网络场景见图1。

本发明技术方案中的系统运行过程原理图见图2。

使OFDM主用户收益最大化的认知无线电频谱分配方法的技术方案是在PC机上按如下流程实现：

步骤(1)，至少一个潜在的次用户基站向一个主用户基站发送空闲频谱的使用请求信息，其中至少包括：各自的缓存数据量、平均数据到达速率λ、地理位置和误码率需求，所述次用户基站和主用户基站以下简称为次用户和主用户；

步骤(2)，主用户按以下步骤收集各个所述次用户的频谱使用请求：

步骤(2.1)，在时隙t，主用户以各个所述次用户在时隙t下的数据缓存量为状态建立一个t时隙的次用户状态集合，简称系统状态向量，用表示：