多信道多主用户认知网络中次用户协助主用户中继的方法

摘要

本发明公开一种多信道多主用户认知网络中次用户协助主用户中继的方法，包括步骤：将时间时隙化；在主用户时隙，同时考虑所有需要传输数据的主用户的速率和，使主用户的速率和最大，并以此建立最优化问题，分配各次用户作为中继节点；在次用户时隙：如果某个次用户想传输数据，当且仅当该次用户的贡献值足够大时才能接入，同时降低当前时隙接入了信道的次用户的贡献值；在主用户时隙，根据优化问题分配次用协助主用户的算法为基于蚁群算法的分配算法。本发明中主用户通过次用户作为中继节点的协助，获得了传输速率的提升，同时，次用户接入主用户预留的次用户时隙，获得了接入频谱传输数据的权利，提升了整个认知网络的吞吐量，实用性和可行性强。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种认知无线电网络技术领域的方法，尤其是一种将中继应用在多信道场景下，每个信道存在多对主用户的认知无线电网络的机制，具体涉及多信道多主用户认知网络中次用户协助主用户中继的方法。

背景技术

认知无线电技术是一项用于缓解频谱资源稀缺问题的关键的应用技术。为了实现认知无线电系统，有很多设计问题。其中很重要的一个问题就是实现主用户和次用户的共存。

传统的认知无线电系统中，次用户通过频谱感知技术，搜索周围频谱空间中存在着的“频谱空洞”，也即没有或仅部分被授权用户占用的频段来用于自身数据的传输。但是，该机制中次用户仅仅被动地搜索了未被主用户占用的频谱资源，在不干扰主用户的前提下，接入该频谱资源，未能和主用户形成充分的互动，浪费了可用的频谱资源。

从金钱补偿方面考虑主次用户的互动，一种实现主用户和次用户共存的机制是：当次用户想接入频谱资源的时候，主用户将次用户的接入所产生的干扰功率进行量化，对其进行收费，次用户的接入的功率越高，需要付的钱越多。主用户和次用户分别考虑各自的总收益（包括接入的功率获得的收益及金钱的收益），通过博弈论的方法，实现主次用户的共存。但是，该机制假定了主用户有足够多的频谱资源来租借给次用户，同时保证自己的通信需求不会受到明显的影响。然而，主用户往往需要超过频谱负荷的高数据率。因此，在这样的场景中，该机制并不合适。

针对主用户有较高数据率的场景，从速率补偿方面考虑主次用户的互动，另外一种实现主用户和次用户共存的机制是：一方面，在主用户有数据需要传输的时候，次用户作为中继，协助主用户传输，其加快了主用户的传输速率，使主用户更快地传输完想要传输的数据；另一方面，在主用户不需要传输数据的时候，将频谱资源分配给协助了主用户传输的次用户。总的来说，提高了频谱的利用率。

现有的从速率补偿方面考虑主次用户互动的机制中，仅适用于多信道，每个信道存在单对主用户的场景。对于多信道，每个信道存在多对主用户的场景，并没有合适的机制。同时，对于主用户如何租借频谱给次用户，也并有没相应的方法。

发明内容

本发明针对多信道，每个信道存在多对主用户的场景，提供了一种从速率补偿方面考虑主次用户互动的机制。

本发明是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的一个方面，提供一种多信道多主用户认知网络中次用户协助主用户中继的方法，将中继应用在多信道场景下，每个信道存在多对主用户的认知无线电网络的机制，其包括如下步骤：

步骤（1）：将时间时隙化；

步骤（2）：在主用户时隙：同时考虑所有需要传输数据的主用户的速率和，使主用户的速率和最大，并以此建立最优化问题，根据提出的分配算法，分配各次用户作为中继节点，协助主用户进行传输数据；对协助了主用户进行传输的次用户，增加其贡献值L_k；

步骤（3）：在次用户时隙：如果某个次用户想传输数据，当且仅当该次用户的贡献值L_k大于等于L_th时，才能接入；同时更新各次用户的贡献值：当前时隙接入了信道的次用户贡献值L_k将降低。

优选地，在所述步骤（1）中，采用将时间时隙化的方法，具体地，划分的时间轴按时隙周期不停重复；每一个时隙周期由H个主用户时隙和1个次用户时隙构成：在每个主用户时隙，主用户选择进行直接传输、或者某些次用户协助其传输；在每个次用户时隙，次用户能够接入信道传输其数据。

优选地，在所述步骤（2）中，具体地，建立最优化问题的方法为：

定义中继选择变量为：

如果信道i上的主用户j采用直接传输，则传输速率为：

$>C_{i,j}^{\mathrm{dir}}=w_i[\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{{\left|a_{s_{i,j}{d}_{i,j}}\right|}^2{P}_{s_{i,j}}}{N_{d_{i,j}}+P_{I_1}})+\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{{\left|a_{s_{i,j}{d}_{i,j}}\right|}^2{P}_{s_{i,j}}}{N_{d_{i,j}}+P_{I_2}})]$>

其中

$>P_{I_1}=\underset{j=1,j^{\prime }\ne j}{\overset{P_i}{\Sigma }}{\left|a_{s_{{i,j}^{\prime }}{d}_{i,j}}\right|}^2{P}_{s_{{i,j}^{\prime }}}$>

$>P_{I_2}=\underset{j^{\prime }=1,j^{\prime }\ne j}{\overset{P_i}{\Sigma }}(1-\underset{k^{\prime }=1}{\overset{Q}{\Sigma }}{x}_{i,j^{\prime },k}){\left|a_{s_{{i,j}^{\prime }}{d}_{i,j}}\right|}^2{P}_{s_{{i,j}^{\prime }}}+\underset{j^{\prime }=1,j^{\prime }\ne j}{\overset{P_i}{\Sigma }}\underset{k^{\prime }=1}{\overset{Q}{\Sigma }}{x}_{{i,j,k}^{\prime }}{\left|a_{r_{k^{\prime }}{d}_{i,j}}\right|}^2{P}_{r_{k^{\prime }}}$>

如果信道i上的主用户j采用次用户k作为中继进行传输，则传输速率为：

$>C_{i,j,k}^{\mathrm{coop}}=w_i\min \{\log (1+{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{sr}}{\left|a_{\mathrm{sr}}\right|}^2),\log (1+{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{sd}}{\left|a_{\mathrm{sd}}\right|}^2+{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{rd}}{\left|a_{\mathrm{rd}}\right|}^2)\}$>

$>=w_i\min \{\log (1+{\left|a_{s_{i,j}{r}_k}\right|}^2\frac{P_{s_{i,j}}}{N_{r_k}+P_{I_3}}),\log (1+{\left|a_{s_{i,j}{d}_{i,j}}\right|}^2\frac{P_{s_{i,j}}}{N_{d_{i,j}}+P_{I_4}}+{\left|a_{r_k{d}_{i,j}}\right|}^2\frac{P_{r_k}}{N_{d_{i,j}}+P_{I_5}})\}$>

其中

$>P_{I_3}=\underset{j=1,j^{\prime }\ne j}{\overset{P_i}{\Sigma }}{\left|a_{s_{{i,j}^{\prime }}{r}_k}\right|}^2{P}_{s_{{i,j}^{\prime }}}$>

$>P_{I_4}=\underset{j=1,j^{\prime }\ne j}{\overset{P_i}{\Sigma }}{\left|a_{s_{{i,j}^{\prime }}{d}_{i,j}}\right|}^2{P}_{s_{{i,j}^{\prime }}}$>

$>P_{I_5}=\underset{j^{\prime }=1,j^{\prime }\ne j}{\overset{P_i}{\Sigma }}(1-\underset{k^{\prime }=1}{\overset{Q}{\Sigma }}{x}_{i,j^{\prime },k}){\left|a_{s_{{i,j}^{\prime }}{d}_{i,j}}\right|}^2{P}_{s_{{i,j}^{\prime }}}+\underset{j^{\prime }=1,j^{\prime }\ne j}{\overset{P_i}{\Sigma }}\underset{k^{\prime }=1}{\overset{Q}{\Sigma }}{x}_{{i,j,k}^{\prime }}{\left|a_{r_{k^{\prime }}{d}_{i,j}}\right|}^2{P}_{r_{k^{\prime }}}$>

则信道i上的主用户j的传输速率表示为：

$>U_{i,j}=(1-\underset{k=1}{\overset{Q}{\Sigma }}{x}_{i,j,k})·C_{i,j}^{\mathrm{dir}}+\underset{k=1}{\overset{Q}{\Sigma }}(x_{i,j,k}·C_{i,j,k}^{\mathrm{coop}})$>

总的主用户速率和表示为：

$>S=\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{P_i}{\Sigma }}{U}_{i,j}$>

中继选择变量满足以下限制条件：

$>\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{P_i}{\Sigma }}{x}_{i,j,k}=0\mathrm{or}1,(k=\mathrm{1,2},...,Q)$>

优选地，在所述步骤（3）中，具体地，对贡献值超过门限值的所有想要传输数据的次用户按照贡献值L_k进行排序，根据贡献值高低顺序，各次用户依次根据其在各信道的传输速率选择对其而言信道条件最好的信道进行接入。

优选地，在主用户时隙，根据优化问题分配次用户协助主用户的算法为基于蚁群算法的分配算法。

优选地，在主用户时隙，根据优化问题分配次用户协助主用户的算法为基于蚁群算法的分配算法，具体包括如下步骤：

第一步，初始化信息素τ₀(i，j，k)和启发式信息η_n(i，j，k)，其中，启发式信息公式为：

$>{\eta }_n(i,j,k)=\left(\begin{array}{cc}{C}_{i,j,k}^{\prime \mathrm{coop}}& \forall k\in \{\mathrm{1,2},...,Q\}\\ C_{i,j,k}^{\prime \mathrm{dir}}& k=Q+1.\end{array}\right)$>

其中

$>C_{i,j,k}^{\prime \mathrm{coop}}=w_i\min \{\log (1+{\left|a_{s_{i,j}{r}_k}\right|}^2\frac{P_{s_{i,j}}}{N_{r_k}}),\log (1+{\left|a_{s_{i,j}{d}_{i,j}}\right|}^2\frac{P_{s_{i,j}}}{N_{d_{i,j}}}+{\left|a_{r_k{d}_{i,j}}\right|}^2\frac{P_{r_k}}{N_{d_{i,j}}})$>

$>C_{i,j,k}^{\prime \mathrm{dir}}=w_i{\log }_2(1+\frac{{\left|a_{s_{i,j}{d}_{i,j}}\right|}^2{P}_{s_{i,j}}}{N_{d_{i,j}}});$>

第二步，根据下式构造每只蚂蚁的解空间：

$>p_{i,j,k}=\frac{{\tau }_n^{\alpha }(i,j,k){\eta }_n^{\beta }(i,j,k)}{{\underset{k=1}{\overset{Q+1}{\Sigma }}}_{k\in {\theta }_{i,j}}{\tau }_n^{\alpha }(i,j,k){\eta }_n^{\beta }(i,j,k)},$>

第三步，计算每只蚂蚁对应的目标函数值，选择目标函数值最大的蚂蚁，记其对应的目标函数值为S^best，其对应的选择变量为

第四步，更新信息素：

τ_n+1(i，j，k)←(1-ρ)τ_n(i，j，k)+Δτ_n

第五步，重复所述第二步，第三步，第四步，直到达到最大迭代次数N_max；根据求得的最优的选择变量x_i，j，k分配次用户协助主用户。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：适用于多信道，每个信道存在多对主用户的场景。在该场景下：（1）主用户通过次用户作为中继节点的协助，获得了传输速率的提升；（2）次用户接入主用户预留的次用户时隙，获得了接入频谱传输数据的权利；（3）提升了整个认知网络的吞吐量，因此提高了频谱的利用率。

附图说明

图1为本发明在主用户时隙所采用的匹配算法的示意图；

图2为本发明在3个信道，每个信道主用户对数目为10，8，6，次用户为20个时，主用户总传输比特数随包的到达率的曲线图；

图3为本发明在3个信道，每个信道主用户对数目为10，8，6，次用户为20个时，次用户总传输比特数随包的到达率的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例是在一个1000m×1000m的实验场景内进行。信道数为3，所有的信道具有相同的带宽w=1kHz，每个信道主用户对数分别为：8，7，9，次用户个数：20,发射信噪比60dB。在本实施例中，取H=8，每个时隙的持续时间为T_slot=1s，每个包的大小为500bits，每个用户包到达率服从参数为λ（个/s）的独立的泊松过程，总共持续20个时隙周期。并且设置最大迭代次数为50次，α=1,β=0.8,γ=0.0001,ρ=0.05。具体实施方法为：

（1）在每个主用户时隙：同时考虑所有需要传输数据的主用户的速率和，使主用户的速率和最大，并以此建立最优化问题，根据提出的分配算法，分配各次用户作为中继节点，协助主用户进行传输数据。对协助了主用户进行传输的次用户，将其贡献值L_k加1。

具体建立最优化问题的方法为：

定义中继选择变量为：

如果信道i上的主用户j采用直接传输，则传输速率为：

$>C_{i,j}^{\mathrm{dir}}=w_i[\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{{\left|a_{s_{i,j}{d}_{i,j}}\right|}^2{P}_{s_{i,j}}}{N_{d_{i,j}}+P_{I_1}})+\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{{\left|a_{s_{i,j}{d}_{i,j}}\right|}^2{P}_{s_{i,j}}}{N_{d_{i,j}}+P_{I_2}})]$>

其中

$>P_{I_1}=\underset{j=1,j^{\prime }\ne j}{\overset{P_i}{\Sigma }}{\left|a_{s_{{i,j}^{\prime }}{d}_{i,j}}\right|}^2{P}_{s_{{i,j}^{\prime }}}$>

$>P_{I_2}=\underset{j^{\prime }=1,j^{\prime }\ne j}{\overset{P_i}{\Sigma }}(1-\underset{k^{\prime }=1}{\overset{Q}{\Sigma }}{x}_{i,j^{\prime },k}){\left|a_{s_{{i,j}^{\prime }}{d}_{i,j}}\right|}^2{P}_{s_{{i,j}^{\prime }}}+\underset{j^{\prime }=1,j^{\prime }\ne j}{\overset{P_i}{\Sigma }}\underset{k^{\prime }=1}{\overset{Q}{\Sigma }}{x}_{{i,j,k}^{\prime }}{\left|a_{r_{k^{\prime }}{d}_{i,j}}\right|}^2{P}_{r_{k^{\prime }}}$>

如果信道i上的主用户j采用次用户k作为中继进行传输，则传输速率为：

$>C_{i,j,k}^{\mathrm{coop}}=w_i\min \{\log (1+{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{sr}}{\left|a_{\mathrm{sr}}\right|}^2),\log (1+{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{sd}}{\left|a_{\mathrm{sd}}\right|}^2+{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{rd}}{\left|a_{\mathrm{rd}}\right|}^2)\}$>

$>=w_i\min \{\log (1+{\left|a_{s_{i,j}{r}_k}\right|}^2\frac{P_{s_{i,j}}}{N_{r_k}+P_{I_3}}),\log (1+{\left|a_{s_{i,j}{d}_{i,j}}\right|}^2\frac{P_{s_{i,j}}}{N_{d_{i,j}}+P_{I_4}}+{\left|a_{r_k{d}_{i,j}}\right|}^2\frac{P_{r_k}}{N_{d_{i,j}}+P_{I_5}})\}$>

其中

$>P_{I_3}=\underset{j=1,j^{\prime }\ne j}{\overset{P_i}{\Sigma }}{\left|a_{s_{{i,j}^{\prime }}{r}_k}\right|}^2{P}_{s_{{i,j}^{\prime }}}$>

$>P_{I_4}=\underset{j=1,j^{\prime }\ne j}{\overset{P_i}{\Sigma }}{\left|a_{s_{{i,j}^{\prime }}{d}_{i,j}}\right|}^2{P}_{s_{{i,j}^{\prime }}}$>

$>P_{I_5}=\underset{j^{\prime }=1,j^{\prime }\ne j}{\overset{P_i}{\Sigma }}(1-\underset{k^{\prime }=1}{\overset{Q}{\Sigma }}{x}_{i,j^{\prime },k}){\left|a_{s_{{i,j}^{\prime }}{d}_{i,j}}\right|}^2{P}_{s_{{i,j}^{\prime }}}+\underset{j^{\prime }=1,j^{\prime }\ne j}{\overset{P_i}{\Sigma }}\underset{k^{\prime }=1}{\overset{Q}{\Sigma }}{x}_{{i,j,k}^{\prime }}{\left|a_{r_{k^{\prime }}{d}_{i,j}}\right|}^2{P}_{r_{k^{\prime }}}$>

则信道i上的主用户j的传输速率表示为：

$>U_{i,j}=(1-\underset{k=1}{\overset{Q}{\Sigma }}{x}_{i,j,k})·C_{i,j}^{\mathrm{dir}}+\underset{k=1}{\overset{Q}{\Sigma }}(x_{i,j,k}·C_{i,j,k}^{\mathrm{coop}})$>

总的主用户速率和表示为：

$>S=\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{P_i}{\Sigma }}{U}_{i,j}$>

中继选择变量满足以下限制条件：

$>\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{P_i}{\Sigma }}{x}_{i,j,k}=0\mathrm{or}1,(k=\mathrm{1,2},...,Q)$>

（2）在某个次用户时隙：如果某个次用户想传输数据，当且仅当该次用户的贡献值L_k大于等于L_th(本仿真中设置为3)时，才能接入。具体接入方式为：所有想要传输数据的次用户按照贡献值L_k进行排序（只排序贡献值超过门限值的次用户），根据贡献值高低顺序，各次用户依次根据其在各信道的传输速率选择对其而言信道条件最好的信道进行接入。同时更新各次用户的贡献值：当前时隙接入了信道的次用户贡献值L_k将降低。

在主用户时隙，根据优化问题分配次用协助主用户的算法为基于蚁群算法的分配算法，其步骤如下：

第一步，初始化信息素τ₀(i，j，k)和启发式信息η_n(i，j，k)。其中，启发式信息公式为：

$>{\eta }_n(i,j,k)=\left(\begin{array}{cc}{C}_{i,j,k}^{\prime \mathrm{coop}}& \forall k\in \{\mathrm{1,2},...,Q\}\\ C_{i,j,k}^{\prime \mathrm{dir}}& k=Q+1.\end{array}\right)$>

其中

$>C_{i,j,k}^{\prime \mathrm{coop}}=w_i\min \{\log (1+{\left|a_{s_{i,j}{r}_k}\right|}^2\frac{P_{s_{i,j}}}{N_{r_k}}),\log (1+{\left|a_{s_{i,j}{d}_{i,j}}\right|}^2\frac{P_{s_{i,j}}}{N_{d_{i,j}}}+{\left|a_{r_k{d}_{i,j}}\right|}^2\frac{P_{r_k}}{N_{d_{i,j}}})$>

$>C_{i,j,k}^{\prime \mathrm{dir}}=w_i{\log }_2(1+\frac{{\left|a_{s_{i,j}{d}_{i,j}}\right|}^2{P}_{s_{i,j}}}{N_{d_{i,j}}})$>

第二步，根据下式构造每只蚂蚁的解空间：

$>p_{i,j,k}=\frac{{\tau }_n^{\alpha }(i,j,k){\eta }_n^{\beta }(i,j,k)}{{\underset{k=1}{\overset{Q+1}{\Sigma }}}_{k\in {\theta }_{i,j}}{\tau }_n^{\alpha }(i,j,k){\eta }_n^{\beta }(i,j,k)}$>

第三步，计算每只蚂蚁对应的目标函数值，选择目标函数值最大的蚂蚁，记其对应的目标函数值为S^best，其对应的选择变量为

第四步，更新信息素：

τ_n+1(i，j，k)←(1-ρ)τ_n(i，j，k)+Δτ_n

第五步，重复所述第二步，第三步，第四步，直到达到最大迭代次数N_max。根据求得的最优的选择变量x_i，j，k分配次用户协助主用户。

图2给出了主用户总传输比特数随包的到达率的曲线图；图3给出了次用户总传输比特数随包的到达率的曲线图。由图2可见：使用有中继的方法，主用户总的传输比特数都比使用传统的无中继的方法传输的比特数多。由图3可见，使用有中继的方法，次用户总的传输比特数比使用传统的无中继的方法传输的比特数多。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。