[发明专利]一种认知无线电系统中基于有效容量的资源分配方法

说明书

技术领域

本发明属于无线通信领域中认知无线电系统的资源分配方案设计，涉及一种认知无线电系统中基于有效容量的资源分配方法。

背景技术

由于各种新型业务的兴起，如电话视频会议、智能业务等，频谱资源成为一种紧缺资源。近几年出现的链路自适应技术、多天线技术等虽然能提高频谱利用率，但是研究表明，一些授权频段，尤其是信号传播特性比较好的低频段频谱利用率极低。为了提高频谱利用率，在不同区域和不同时段能有效利用空闲的授权频段，认知无线电受到越来越多的关注。认知无线电的基本思想是在不对授权用户产生有害干扰的前提下，认知用户择机接入授权频段进行数据传输。认知无线电是一种智能频谱共享技术，被认为是解决频谱资源紧缺、提高频谱利用率的有效途径。

在无线通信系统中，有效保障用户的服务质量(QoS)有非常重要的意义。但是由于无线信道的衰落特性和突发噪声等影响使得无线通信无法像有线通信那样为用户提供绝对的QoS，只能提供统计意义上的QoS。在认知无线电系统中，由于认知用户的发射功率是取决于授权用户是否占用频段传输数据，这样就增加了保障认知用户的QoS的难度。现有的认知无线电系统中保障认知用户的QoS的技术，比如频谱决策、频谱转移等，都是定性的以认知用户的通信是否被中断来衡量认知用户的QoS是否得到保障。频谱转移可以分为被动式频谱转移和主动式频谱转移：被动式频谱转移是指在授权用户需要进行通信时，认知用户就必须退出该授权频段，重新进行频谱感知，接入到其他空闲频段，被动式频谱转移会造成认知用户通信的暂时中断，导致QoS指标恶化；主动式频谱转移是指认知用户在通信的同时不断进行频谱感知，一旦授权用户出现，就立即转移到其他空闲频段上继续通信，从而实现无缝转移，这种方法虽然保障了认知用户的QoS，但是极大的增加了信令和网络开销。

现有技术中提出了一种定量的分析无线衰落通信系统中用户的统计QoS保障的方案，其利用有效容量的概念，通过具体的QoS指标，例如时延违约率，来研究用户统计QoS保障的问题，以及无线通信系统中用户对任意QoS要求的时延业务的服务能力的问题。

现有的无线通信系统中的资源分配算法大都不考虑时延QoS要求或者只考虑非常严格和非常宽松的QoS要求的情况。因此，研究能够为无线通信系统提供不同要求的QoS保障的资源分配算法是非常有意义的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种认知无线电系统中基于有效容量的资源分配方法。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。

第一步，认知无线电系统中的认知用户对信道进行感知，判断是否有授权用户正在使用信道，若检测到有授权用户使用信道，则认知用户不接入授权信道进行通信；若检测到没有授权用户使用信道，则认知用户可以接入授权频段进行通信；

第二步，根据第一步的感知结果确定认知用户的传输方案：若感知结果为授权用户正在使用信道，为了避免认知用户对授权用户产生有害干扰，此时认知用户不进行数据传输，即此时认知用户的发射功率和传输速率为0；若感知结果为授权用户不使用信道，则认知用户接入频段，以较大的发射功率和传输速率进行数据传输；

第三步，根据所述传输方案得到认知无线电系统中的有效容量，并在平均功率受限的条件下，对所述有效容量进行优化，通过运用梯度下降法求解原优化问题的对偶问题，得到最优的功率分配策略。

所述第一步具体包括以下步骤：

考虑一个认知无线电系统，该系统含有一个认知用户，M个子信道，M≥2，信道模型为瑞利衰落信道且为块衰落，M个子信道独立进行信道感知，互不干扰，认知无线电系统中的帧长为T，每一帧的前N长时间认知用户进行信道感知，根据奈曼皮尔逊准则将信道感知建模为假设检验问题，并且根据信道被授权用户占用的先验概率，结合虚警概率和检测概率得到2^2M种可能出现的状态的概率表达式。

所述第二步中，认知用户根据第一步得到的感知结果选择相应的传输方案，若感知结果为授权用户不使用信道，则认知用户接入频段，同时，确定相应的功率分配策略函数以及瞬时传输速率，并在剩下的T-N长时间内进行数据传输，认知无线电系统中的帧长为T，每一帧的前N长时间认知用户进行信道感知。

所述第三步中的有效容量表示为：