[發明專利]認知無線電中能效與譜效折衷的子載波比特聯合優化方法

有效

• 申請號: 201711165477.5
• 申請日: 2017-11-21
• 公開（公告）號: CN107948109B
• 公開（公告）日: 2020-09-01
• 發明（設計）人: 許曉榮;伍偉偉
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: H04L27/00
• 分類號: H04L27/00
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 朱月芬

1.認知無線電中能效與譜效折衷的子載波比特聯合優化方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1、認知無線網絡CRN系統建模：

在多認知用戶、多載波條件下對認知無線電系統的能效以及譜效進行分析建模，認知無線網絡中傳輸數據調制方式為MPSK調制；

在M個認知用戶N個子載波的認知無線網絡CRN環境下，CRN系統的譜效η_SE表示如下：

其中：W為系統帶寬，單位為Hz；R為認知無線網絡的總信息傳輸速率，單位為bit/s,即單位時間內傳輸的比特數；

系統能效η_EE表示如下：

其中：P_m為第m(1≤m≤M)個認知用戶的傳輸功率；ζ為產生單位傳輸功率所需的功率放大系數；P_c為系統電路消耗的功率；

由于需要對能效和譜效進行折衷取舍，利用一個權重因子ω來建立一個能效與譜效的折衷函數，表示如下：

當ω為0時能效最大，譜效對這個折衷函數的影響最小,當ω為1時譜效最大，能效對這個折衷函數的影響最小；

在保證系統信息傳輸速率的條件下最小化系統的發射功率，MA準則用以下優化公式表示：

在單位時間內，認知無線網絡的總信息傳輸速率R表示為：

其中：R_m為第m個SU的信息傳輸速率；X_m為分配給第m個SU的子載波集合；h_m,n為第m個SU使用第n個子載波傳輸時符合瑞利衰落的信道衰落因子；f_m(b_m,n)表示信道增益為1時，第m個SU在第n個載波上傳輸b_m,n比特所需的傳輸功率，主要由SU要求的誤比特率p_e以及系統采用的調制方式所決定；

CRN中傳輸數據調制方式為MPSK調制，f_m(b_m,n)與誤比特率p_e的關系式表示為：

其中：N₀為加性高斯白噪聲的單邊功率譜密度；Q^-1(x)為Q(x)函數的反函數，Q(x)函數表示如下：

步驟2、子載波分配：

為了滿足各個認知用戶信息傳輸速率公平比的要求，對信息傳輸速率要求最高的用戶優先分配最佳信道條件的子載波；

令X_m表示第m個SU的子載波集合，Z表示未被分配的子載波集合，各個SU之間的速率公平比例為計算出第m個SU分配的信息傳輸速率R_m和信息傳輸速率比例系數為該比例系數最小的SU優先分配最佳信道條件的子載波，直至所有載波都分配給各個SU；

子載波分配算法具體如下：

(1)初始化：R_m＝0，1≤m≤M，Z＝{1,2,3,...,N}

(2)分別取m＝1,2,...,M；

找出n^*滿足

更新X_m＝X_m∪{n^*}，Z＝Z-{n^*}，R_m＝R_m+R/N；

(3)當時，執行以下循環：

①求出各個SU的信息傳輸速率比例系數

②找出比例系數μ_m中的最小值找出對應m^*滿足條件

n∈Z的最優n^*；

③更新Z＝Z-{n^*}，

步驟3、比特分配：

在子載波分配以后，分別對每個認知用戶進行比特分配；比特分配部分主要采用兩種比特分配方法：Hughes-Hartogs算法和Chow算法；

Hughes-Hartogs算法簡稱HH算法的原理為：在每一次比特分配的過程中，給所需功率增量最小的子載波分配一個單位的信息增量，直至所有比特信息分配完畢；

通過Hughes-Hartogs算法進行比特分配，具體如下：

⑴初始化：對于所有的l(1≤l≤L)，b_l＝0；

⑵當時，執行以下循環：

①求出所有L個子載波增加1比特信息所帶來的功率增量

②找出功率增量最小的子載波l^*，表示為

③給功率增量最小的子載波l^*增加1比特信息，即

Chow算法是一種性能余量最大化算法；γ_margin含義表示為在滿足系統誤比特率BER的情況下，系統可允許的噪聲增量，單位dB；Chow算法首先找出系統最佳性能余量，然后根據公式b(l)＝lb(1+SNR(l)/(Γ+γ_margin))計算出分配給每個子載波的比特數；其中：SNR(l)為各個載波上的信噪比，Γ為信噪比間隔；

其中：h_l為認知用戶的信道增益，N₀為加性高斯白噪聲的單邊功率譜密度；

通過Chow算法進行比特分配，具體如下：

⑴初始化：

計算認知用戶每個子載波上的信噪比SNR(l)，系統性能余量最優時的噪聲門限γ_margin＝0，剩余可使用的載波數量c＝L，迭代次數t＝0；

⑵迭代：

①依次計算各個子載波分配的比特比特取整后為比特差值為

②如果則剩余的載波數c＝c-1；

③計算分配的總比特數

④計算其中B_target為期望的總發送比特數，迭代次數t＝t+1；

⑤如果B_tot≠B_target且t＜t_max，重復執行以上⑵步驟，否則執行⑶；

⑶比特調整：

如果B_tot＞B_target，求出B_tot＝B_tot-1，重復此步驟直到B_tot＝B_target；

如果B_tot＜B_target，求出B_tot＝B_tot+1，重復此步驟直到B_tot＝B_target。