[發明專利]認知無線網絡中多用戶動態頻譜共享方法

在審

• 申請號: 201410455207.8
• 申請日: 2014-09-09
• 公開（公告）號: CN104168575A
• 公開（公告）日: 2014-11-26
• 發明（設計）人: 陳健;呂璐;闊永紅;楊龍;任超
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04W16/14
• 分類號: H04W16/14;H04W72/04
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 田文英;王品華

技術領域

本發明屬于通信技術領域，更進一步涉及認知無線網絡技術領域中的一種多用戶動態頻譜共享方法。本發明在保障公平性的前提下，實現認知無線網絡中多對授權用戶和認知用戶的最優頻譜分配，有效提升認知無線網絡的系統能效。

背景技術

隨著無線通信業務需求的快速增長，頻譜資源匱乏現象日益突出。其中一個主要原因是在傳統的頻譜管理政策下，固定分配頻譜制度導致頻譜利用率低下。為此，提出了認知無線電的概念。它能夠允許未授權的用戶進入授權頻段，動態利用在時間或空間上空閑的授權頻段進行無線傳輸來提高頻譜利用率。認知無線電技術能夠讓授權網絡和認知網絡共存于同一頻段，它使得頻譜的使用更加智能、有效。

頻譜共享是指根據認知用戶的數目和其對信道的需求將空閑的授權頻譜分配給一個或多個認知用戶，主要目的是通過一個自適應策略有效地選擇和利用空閑頻譜。在認知網絡中，授權用戶通過租借空間頻譜給認知用戶來換取一定的收益。通過一定方式的協作，授權網絡的性能得到顯著提升，作為回報，認知用戶贏得了一段時間的頻譜使用權從而傳輸其數據。利用動態頻譜共享，可以有效地提高無線通信的靈活性，實現授權網絡和認知網絡的共贏。

南京郵電大學提出的專利申請“基于供需平衡的認知無線電頻譜共享方法”(申請號201110106040.0申請公布號CN?102186176?A)公開了一種基于供需平衡的認知無線電頻譜共享方法。該方法的具體步驟是：根據供需平衡理論構建授權用戶和認知用戶供給與需求模型，授權用戶提供空閑頻譜數量，認知用戶根據確定的頻譜代價、認知用戶終端的剩余電池容量以及授權用戶對不同認知用戶在頻譜接入中的信任度，采用進化博弈理論實現各認知用戶收益最大化。該專利申請存在的不足是：首先，該方法模型中授權用戶提供的空閑頻譜數量是固定的，不能根據授權用戶的狀態變化而動態調整。其次，只考慮了認知用戶的需求和出價，并未考慮在協作頻譜共享過程中授權網絡整體的能效，犧牲了授權用戶的性能。

重慶郵電大學提出的“一種基于博弈論的認知無線電網絡頻譜分配方法”(申請號201310241296.1申請公布號CN?103281703?A)公開了一種基于博弈論的認知無線電頻譜分配方法。該方法的具體步驟是：通過對認知無線電網絡中共享頻譜優化定價，建立授權用戶聯合效用函數，采用合作博弈理論優化認知用戶共享頻譜的優化定價，實現授權用戶聯合效用最大化。該專利申請存在的不足是：首先，在建立效用函數的時候僅考慮了授權用戶的能效，認知用戶處于被動選擇的狀態，網絡共存的靈活性差。其次，未考慮頻譜共享過程中授權用戶和認知用戶的公平性問題。

發明內容

本發明針對上述現有技術的不足，提出一種認知無線網絡中多用戶動態頻譜共享方法，該方法通過采用匈牙利算法，在聯合考慮授權網絡和認知網絡的整體性能基礎上進行授權用戶和認知用戶的相互選擇，提高了頻譜的利用率，保證了用戶間的公平性，同時提升了網絡的整體能效。

本發明實現上述目的的具體思路是，首先認知用戶向授權用戶基站發出協作請求，授權用戶基站根據直傳速率和與認知用戶協作速率的大小關系，將授權用戶和認知用戶進行聯合博弈；然后，采用匈牙利算法進行授權用戶和認知用戶的匹配，實現認知無線網絡中多對授權用戶和認知用戶的最優頻譜分配，提高認知網絡整體的能效。

本發明實現上述目的的具體步驟如下：

(1)初始化授權用戶基站：

(1a)認知無線網絡中的各認知用戶節點，將初始狀態信息傳送給授權用戶基站；

(1b)授權用戶基站掃描初始狀態信息內容的末尾，獲得傳輸信息所需的功率和協作請求參數；

(2)計算直傳速率和協作速率：

(2a)利用授權用戶節點的直傳速率公式，計算授權用戶節點的直傳速率；

(2b)利用授權用戶節點與認知用戶節點協作傳輸速率公式，計算授權用戶節點與認知用戶節點的協作速率；

(3)比較直傳速率和協作速率：

授權用戶基站判斷協作速率是否大于直傳速率，若是，則執行步驟(4)，否則，執行步驟(8)；

(4)建立博弈模型：

(4a)若授權用戶的通信目標為確定合理的協作參數最大化系統的傳輸速率，則授權用戶的效用函數可建立為：