多信道认知无线电网络中协作通信功率分配方法

摘要

本发明涉及一种多信道认知无线电网络中协作通信功率分配方法。本发明采用下述步骤实现认知网络环境下从用户功率的最优分配：步骤一，根据多信道认知无线电网络中协作通信的要求，设置网络的主用户和从用户；步骤二，从用户根据信道增益、带宽等条件确定发送速率；步骤三，从用户根据发送速率，以及主用户设定的功率价格，确定相应期望分配到的功率；步骤四，主用户利用功率拍卖算法确定给每个从用户分配的功率。本发明提供了一种适用于多信道认知无线电网络中协作通信功率分配方法，不仅实现了在保证主用户传输质量(QoS)的前提下提高从用户的传输速率，而且实现过程简单，便于分布式求解，有效提高了频谱资源利用率。

主权项

一种多信道认知无线电网络中协作通信功率分配方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：步骤1：根据多信道认知无线电网络协作通信的要求，首先，在认知无线电网络中设置一个主用户PU：主用户的发送端用PT表示，主用户的接收端用PR表示；N个从用户：从用户i的发送端用s_i表示，从用户i的接收端用d_i表示，其中，i为从用户编号，分别为1,...,N；主用户PU有M个不重叠子信道，PU给每个需要协作通信的从用户分配一个子信道，每个子信道最多只能被分配给一个从用户使用，每个从用户最多只能分到一个子信道；在协作通信时，每个从用户发送端s_i通过主用户发送端PT传输信息到它的接收端d_i；在上述传输过程中，PT会将自己需要发送的信息与接收到的来自从用户i发送端的信息进行网络编码，并分配功率P_ui用于转发网络编码后的信息；步骤2：从用户i根据发送端s_i与主用户发送端PT、主用户发送端PT与接收端d_i以及发送端s_i与接收端d_i之间的信道增益、带宽信息，计算从用户i的发送速率R_i：$R_i=\frac{W}{3}{\log }_2(1+{\Gamma }_{s_i}^{d_i}+{\Gamma }_{PT}^{d_i});{\Gamma }_{s_i}^{d_i}=\frac{P_i{G}_{s_i}^{d_i}}{{\sigma }^2},{\Gamma }_{PT}^{d_i}=\frac{P_{ui}{G}_{PT}^{d_i}{P}_i{G}_{s_i}^{PT}}{(P_{ui}{G}_{PT}^{d_i}+P_i{G}_{s_i}^{PT}+{\sigma }^2){\sigma }^2}$其中，分别表示从用户发送端s_i、主用户发送端PT发送各自信息到从用户接收端d_i的信干比，分别表示从用户发送端s_i到从用户接收端d_i、从用户发送端s_i到主用户发送端PT、主用户发送端PT到从用户接收端d_i的信道增益，W代表带宽，P_i表示从用户i发送信息的功率，P_ui表示主用户发送端PT转发信息的功率，σ²代表噪声方差；步骤3：从用户i根据步骤2中得到的发送速率，计算可获得的效用值U_i，其计算表达式为：U_i＝gR_i‑λP_ui其中，g是单位转换因子，R_i表示从用户i的发送速率，λ表示主用户发送端PT给出的功率价格，P_ui表示主用户发送端PT转发信息的功率；然后，从用户i根据主用户发送端PT提供的功率价格λ，确定需要向主用户发送端请求的最佳功率，记为P_ui(λ)，其表达式为：$\frac{\partial U_i}{\partial P_{ui}}=0==>P_{ui}\left(\lambda \right)=\frac{1}{2(A_i+B_i)}[\sqrt{B_i^2{C}_i^2+\frac{4W^{\prime }}{\lambda }(A_i{B}_i{C}_i+B_i^2{C}_i)}-(2A_i{C}_i+B_i{C}_i)]$其中：步骤4：主用户发送端PT分别给从用户i(i＝1,...,N)分配功率，其具体步骤如下：(4‑1)PT选择是否协作从用户转发信息首先，主用户发送端PT进行初始化：给出时钟参数τ＝0，价格步长μ＞0，可分配的主用户总功率P_t，初始价格λ₀，该初始价格保证主用户帮助从用户进行协作通信的行为不影响本身信息传输的服务质量(QoS)，并将这些信息广播给N个从用户；然后，从用户i计算需要向主用户请求的初始最优功率P_ui(λ₀)，计算表达式为：$\frac{\partial U_i}{\partial P_{ui}}=0==>P_{ui}\left({\lambda }_0\right)$并将此最优功率值反馈给主用户发送端PT；最后，主用户发送端PT将收到的N个从用户请求的初始最优功率进行求和得到并与可分配的主用户总功率P_t进行比较；如果P_tal(λ₀)≤P_t，主用户选择自己使用功率，不帮助从用户转发信息，不进行功率拍卖，否则，PT协助从用户进行通信，进入(4‑2)的功率拍卖过程；(4‑2)主用户发送端PT给从用户i分配功率的拍卖过程首先，主用户发送端PT更新功率价格和时间参数，分别为：λ_τ+1＝λ_τ+μ，τ＝τ+1，PT将更新后的功率价格λ_τ公布给N个从用户；然后，从用户i根据PT公布的新价格λ_τ，计算所需要的最优功率P_ui(λ_τ)，计算表达式为：$\frac{\partial U_i}{\partial P_{ui}}=0==>P_{ui}\left({\lambda }_{\tau }\right)$并将最优功率值反馈给主用户发送端PT；最后，主用户发送端PT将收到的N个从用户请求的最优功率进行求和得到并与Pt进行比较，如果P_tal(λ_τ)＞P_t，则重复步骤(4‑2)，直到P_tal(λ_τ)≤P_t；(4‑3)当N个从用户需要的总功率满足P_tal(λ_τ)≤P_t时，拍卖过程结束，设定拍卖结束时间T＝τ，即系统在T时刻达到了平衡，平衡时的功率价格为λ_T；系统达到平衡时，主用户发送端PT按照比例分配原则，计算分配给每个从用户的最终功率其计算表达式为：$P_{ui}^{*}=P_{ui}\left({\lambda }_T\right)+\frac{P_{ui}\left({\lambda }_{T-1}\right)-P_{ui}\left({\lambda }_T\right)}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{P}_{ui}\left({\lambda }_{T-1}\right)-\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{P}_{ui}\left({\lambda }_T\right)}[P_t-\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{P}_{ui}\left({\lambda }_T\right)];$(4‑4)主用户发送端PT按照拍卖的结果为从用户i分配功率同时从用户i向主用户发送端PT支付购买功率的价钱