[發(fā)明專利]使OFDM主用戶收益最大化的認(rèn)知無線電頻譜分配方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210291049.8
• 申請日: 2012-08-15
• 公開（公告）號: CN102833759A
• 公開（公告）日: 2012-12-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 司鵬搏;王慧琪;張蜜;張延華;孫艷華;孫恩昌;楊睿哲;冉祥胤;劉佳
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H04W16/10
• 分類號: H04W16/10;H04W72/04;H04L27/26
• 代理公司: 北京思海天達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 樓艮基

1.使OFDM主用戶收益最大化的認(rèn)知無線電頻譜分配方法，其特征在于，是在PC機上按以下步驟仿真實現(xiàn)的：

步驟(1)，至少一個潛在的次用戶基站向一個主用戶基站發(fā)送空閑頻譜的使用請求信息，其中至少包括：各自的緩存數(shù)據(jù)量、平均數(shù)據(jù)到達速率λ、地理位置和誤碼率需求，所述次用戶基站和主用戶基站以下簡稱為次用戶和主用戶；

步驟(2)，主用戶按以下步驟收集各個所述次用戶的頻譜使用請求：

步驟(2.1)，在時隙t，主用戶以各個所述次用戶在時隙t下的數(shù)據(jù)緩存量為狀態(tài)建立一個t時隙的次用戶狀態(tài)集合，簡稱系統(tǒng)狀態(tài)向量，用表示：

S_g表示狀態(tài)為g的次用戶，狀態(tài)用S_g(t)表示，

S₀(t)表示緩存數(shù)據(jù)量為0，依次遞增，

S_G(t)表示所需數(shù)據(jù)緩存量已超過了該次用戶數(shù)據(jù)緩存量的存儲能力，迫切需要頻帶傳輸數(shù)據(jù)以保證能正常運轉(zhuǎn)，正準(zhǔn)備轉(zhuǎn)向其它主用戶網(wǎng)絡(luò)，

G+1是狀態(tài)總數(shù)，

步驟(2.2)，對應(yīng)于次用戶的不同狀態(tài)，主用戶設(shè)置每Mb數(shù)據(jù)流量價格和狀態(tài)價格，隨著狀態(tài)遞增，狀態(tài)價格按設(shè)定的等量遞增，從而建立下述T個時隙總收益R：

R=Σt=0T-1(Rva(t)+Rsa(t)),]]>

為時隙t單位數(shù)據(jù)流量價格，是設(shè)定值，是隨時間而變的，

為時隙t狀態(tài)價格，是設(shè)定值，是隨時間而變的，

次用戶發(fā)生的上述兩種價格的行為統(tǒng)一表示為a_n(t)=1表示次用戶在時隙t占用主用戶的空閑頻譜進行數(shù)據(jù)傳輸，a_n(t)=0表示次用戶沒有占用主用戶的空閑頻譜，

步驟(2.3)，主用戶將步驟(2.2)中的上述信息形成一個短期的頻譜租賃協(xié)議Spectrum?LeaseProtocol簡稱SLP，廣播給其覆蓋范圍內(nèi)所有所述潛在次用戶；

步驟(3)，主用戶按以下步驟進行頻譜租賃準(zhǔn)備：

步驟(3.1)，若潛在的所述次用戶不接受主用戶在步驟(2.3)中設(shè)置的頻譜租賃協(xié)議SLP，則轉(zhuǎn)向其它主用戶所在的網(wǎng)絡(luò)，若接受，則向所述主用戶發(fā)送接受消息，

步驟(3.2)，主用戶根據(jù)接受所述頻譜租賃協(xié)議的次用戶數(shù)N和主用戶在時隙t時的M個空閑頻帶，計算從N個次用戶中所選擇M個空閑頻帶的優(yōu)先索引值表，M≤N，步驟如下：

步驟(3.2.1)，主用戶按以下步驟計算次用戶n的行為為a時的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣

其中：

p_EE為當(dāng)前時隙t次用戶n緩存數(shù)據(jù)量持續(xù)為0的概率，

p_BK為當(dāng)前時隙t次用戶n因緩存數(shù)據(jù)量超過緩存閾值而轉(zhuǎn)向其它主用戶網(wǎng)絡(luò)后因為緩存數(shù)據(jù)量減少又回到當(dāng)前主用戶網(wǎng)絡(luò)的概率，為設(shè)定的估計值，

p_OT為當(dāng)前時隙t次用戶n轉(zhuǎn)向其它主用戶網(wǎng)絡(luò)后仍然不在當(dāng)前主用戶網(wǎng)絡(luò)中的概率，為設(shè)定的估計值，

p_OT+p_BK=1，

次用戶n在不接入空閑頻譜a(t)=0時，從狀態(tài)g轉(zhuǎn)到狀態(tài)g′的概率表示為：

Pgg′0=P{(ϵg′-1-(ϵg+ϵg-12))≤X≤(ϵg′-(ϵg+ϵg-12))},]]>

次用戶n在接入空閑頻譜a(t)=1時，從狀態(tài)g轉(zhuǎn)到狀態(tài)g′的概率表示為：

Pgg′1=P{(ϵg′-1-(ϵg+ϵg-12)+vn)≤X≤(ϵg′-(ϵg+ϵg-12)+vn)},]]>

ε_g是狀態(tài)S_g(t)的上限，為設(shè)定值，

g=1,2,…,g,…G,g′=1,2,…,g′,…G,g≠g′，

X是一個正整數(shù)k，在k＝0,1,2,…,K間取值，K是一個有限的正整數(shù)，為設(shè)定值，

λ為次用戶平均數(shù)據(jù)到達速率，

v_n是次用戶能達到的傳輸速率，

vn=Δf·log2(1+τn·hnWnσ2+ΣI·i′j′),]]>其中：

i′=1,2,…,i′…,I,I=M,j′=1,2,…,j′…,J,J=M,i′≠j′，

i′,j′分別是從所述N個次用戶中被選中的兩個次用戶的子載波的序號，在數(shù)據(jù)上等于使用的兩個空閑頻帶的序號，

Δf是相鄰兩個子載波i′,j′的頻率間隔，為設(shè)定值，

τ_n為一個常數(shù)，與次用戶n的誤碼率BER_n有關(guān)，對于加性高斯白噪聲信道，τ_n與BER_n間滿足：

τn=1.5-ln(5BERn),]]>

σ²為加性高斯白噪聲的單邊功率譜密度，為己知值，

h_n為次用戶n的信道增益，為己知值，

W_n是每一個次用戶n的總的發(fā)送功率，

為次用戶n_i的子載波i′對次用戶n_j的子載波j′造成的干擾，表示為

I·i′j′(di′j′,Wi′)=|hi′j′|2Wi′Ts∫di′j′-Δf/2di′j′+Δf/2(sinπfi′Tsπfi′Ts)2dfi′,]]>其中：

h_i′j′是子載波i′在子載波j′上的信道增益，

W_i′是子載波i′上的次用戶n_i的總發(fā)送功率，W_i′=W_n，

T_s是OFDM符號時長，為己知值

d_i′j′是兩個子載波i′、j′之間的頻率距離，為己知值

f_i′是次用戶n_i所在子載波i′的頻率，

步驟(3.2.2)，按下式確定使主用戶收益最大化的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

滿足．I·i′j′(di′j′,Wi′j′)<I·spec]]>

BERnj<BERnjspec]]>，其中：

Σn=1Nani′(t)≤1]]>

i′=1，2，…，i′…M，j′=1，2，…，j′…M，i′≠j′

折扣因子Beta用β表示，確保總折扣收益的有界并收斂，β在O<β<1間取值，

i′，j′表示空閑子載波頻率，為己知值，

是一個T×N矩陣，行是t，表示時隙，列是次用戶的行為a_n(t)，

是次用戶n_i的子載波i′對次用戶n_j的子載波j′造成的干擾的上限值，為設(shè)定值，

為次用戶n_j最大誤碼率的上限閡值，為設(shè)定值，

a_ni′(t)表示t時隙在子載波i′上的次用戶n_i的行為，表示在時隙t在子載波i′上最多只能有一個a_ni′(t)=1的活躍用戶，

步驟(3.2.3)，用無休止賭博機Restless?Bandits求解主用戶最大收益R^*，根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣主用戶空閑頻帶個數(shù)M，次用戶個數(shù)N，折扣因子Beta=β，次用戶狀態(tài)數(shù)StateNumber=G+1，Alpha=zeros(N,G+1)為全零的N×(G+1)階矩陣，下同，R0=zeros(N,G+1)，R1=ones(N,G+1)為全1的N×(G+1)階矩陣，P0=zeros(G+1,G+1,N)，P1=P0，利用索引值函數(shù)function[Delta]=calc_index(M,N,Beta,StateNumber,Alpha,R0,R1,P0,P1)計算各次用戶所對應(yīng)的空閑頻譜的用以表述使用順序的索引值Delta，找出最小索引值所對應(yīng)的次用戶，以此最小索引值作為優(yōu)先索引值，優(yōu)先索引值對應(yīng)的用戶優(yōu)先使用空閑頻帶，構(gòu)造各次用戶索引值Delta的查詢表格，并全部存入主用戶的數(shù)據(jù)庫中；

步驟(4)，主用戶按以下步驟分配頻譜：

步驟(4.1)主用戶根據(jù)各次用戶當(dāng)前的狀態(tài)向量{s₁,s₂,...,s_N}查詢表格，把索引值從小到大排序，并依次向所述N個次用戶發(fā)送依次使用所對應(yīng)的空閑頻帶信息，包含接入時隙，

步驟(4.2)，如果得到允許a_n(t)=1，在下一時隙次用戶接入相應(yīng)頻帶傳送數(shù)據(jù)，主用戶基站監(jiān)控整個系統(tǒng)的正常運行，

步驟(4.3)，在時隙結(jié)束時，按如下步驟進行，

步驟(4.3.1)，次用戶統(tǒng)計自己的緩存和前一時隙發(fā)送數(shù)據(jù)的信息，如果仍然有數(shù)據(jù)需要傳輸并且數(shù)據(jù)量ε_cache沒有超過閾值，則將緩存信息發(fā)送給主用戶，0<ε_cache≤ε_spec，

步驟(4.3.2)，主用戶根據(jù)次用戶的信息更新所有N個次用戶的系統(tǒng)狀態(tài)向量，步驟(4.4)，重復(fù)執(zhí)行第(4.1)步到第(4.3)步，直到主用戶沒有空閑頻譜能夠出租，主用戶發(fā)送終止通知并收回頻譜的使用權(quán)，計算每個次用戶應(yīng)繳納的租金并發(fā)送租金確認(rèn)的信息。