[發明專利]公平性原則下基于多臂賭博機模型的多用戶頻譜接入方法

有效

• 申請號: 201911387039.2
• 申請日: 2019-12-30
• 公開（公告）號: CN111313994B
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 張周;許左宏;鄧寶松;閆野;王彤彤;武欣桐
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍軍事科學院國防科技創新研究院;天津（濱海）人工智能軍民融合創新中心
• 主分類號: H04B17/382
• 分類號: H04B17/382;H04B17/391;H04W74/08
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 薛云燕

本發明公開了一種公平性原則下基于多臂賭博機模型的多用戶頻譜接入方法。該方法為：首先針對多用戶認知無線網絡，基于多臂賭博機模型，建立信道感知與機會接入模型；然后次要用戶感知信道參數初始化；接著每個次要用戶進行信道感知，并在線更新信道統計信息；最后次要用戶根據信道感知情況進行信道接入并判斷是否沖突，結束后，重新開始下一時隙的感知過程。本發明具有公平、高效、性能優越的優點，能夠滿足廣泛和實際的場景需求。

技術領域

本發明涉及無線網絡技術領域，特別是一種公平性原則下基于多臂賭博機模型的多用戶頻譜接入方法。

背景技術

隨著無線通信業務需求的快速增長，現有可用的頻譜資源越來越稀缺，頻譜供給矛盾日益凸顯。另一方面，授權頻段的有效利用率很低，間歇式頻譜閑置問題比較嚴重。認知無線機會接入，通過動態利用頻譜間隙填補業務需求鴻溝，被視為可以有效緩解頻譜緊張問題的主要手段之一。通過認知無線電技術，次要用戶能夠對授權頻譜進行實時感知以識別空閑頻譜，并在不影響主要用戶正常工作的前提下，次要用戶使用感知到的空閑頻譜進行機會接入完成數據傳輸。為有效使用頻譜資源，次要用戶需要設計高效的動態頻譜接入方法。目前已有的技術方案絕大部分針對頻譜信息已知情況，但是在頻譜信息未知情況下，尚未有高效的次用戶感知接入方法。對于信道頻譜信息未知情況下的多用戶頻譜接入，也沒有高效的感知和接入方法。

在傳統統計信息已知的情況下，通常假設次要用戶已知授權頻譜的空閑概率信息。為最大限度利用頻譜資源，完成盡可能多的數據傳輸，在每個信道時隙中，次要用戶選擇具有最大空閑概率信息的信道進行頻譜感知，接入所有感知為空閑的信道。在實際場景中，如隨遇接入網絡、未知區域或存在惡意干擾的網絡中，次要用戶通常無法事先得知信道統計信息，或者需要通過長時間頻譜采樣和數據分析才能獲得該信息。因此，傳統的信道統計信息已知情況下的信道感知和接入方法無法適用于上述場景。在信道統計信息未知的情況下，次要用戶需要通過頻譜感知對信道實時測量，利用在線數據分析方法獲得頻譜統計信息，并動態接入頻譜。上述問題下，最優用戶頻譜感知與接入方法的獲得可以抽象為一個經典的統計學模型—多臂賭博機問題(Multi-armed bandit problem,MABP)。具體地，為準確估計最優信道集，次要用戶需要對所有信道進行足夠時間的頻譜感知，利用測量數據準確估計信道統計信息，辨別最優和次優信道實現動態地信道優選接入。由于信道統計信息需要經過一定時間的學習才能準確獲得，因此在頻譜感知和機會接入過程中，次要用戶會感知或接入非最優信道，收益損失不可避免。

此外，在實際網絡里，多用戶的信道接入公平性是衡量網絡性能的重要指標。公平性是指認知無線網絡中次要用戶被視為對等節點，各用戶對網絡接入享用相同權利，為確保用戶接入效率的平衡，接入方法設計需考慮用戶之間接入性能的差異性，實現盡可能平均的用戶收益。目前已有的有關多用戶認知無線網絡接入的方法，主要是提出合理高效的接入策略，避免多個次要用戶感知和接入相同信道而導致損失，以實現整個認知無線網絡在單位時間內能夠傳輸盡可能多的信息，還沒有方法對次要用戶之間的公平性原則進行考慮。

綜上可知，以統計信息已知的最優信道感知接入收益為基準，在信道統計信息未知情況下，以次要用戶之間公平性為前提，設計頻譜動態接入方法，實現多用戶傳輸吞吐量和公平性的高效平衡，將對授權頻譜利用率的提升具有一定的意義。

目前主要的信道感知和接入方法存在以下缺點：

1)實際場景考慮不夠：現有的感知和接入方法大部分基于信道統計信息已知的情況提出，無法適用于信道統計信息未知的情況；

2)對用戶頻譜接入公平性沒有考慮：現有方法都是以多用戶吞吐量最大化為目標提出，沒有考慮次要用戶之間公平性問題；

3)硬件約束考慮不足：現有的工作大部分是基于次要用戶感知和接入信道的數量相同，但由于移動終端向小型化發展導致的次用戶能量受限、處理能力等現實問題，次要用戶需要在感知的多個信道中選擇部分信道接入。此外，現有工作是基于次要用戶能夠對信道狀態進行完美感知，實際情況下由于噪聲和系統誤差等原因，次要用戶對信道狀態的感知存在一定誤差。