专利名称：认知无线电中基于频谱共享的功率控制方法
技术领域：
本发明涉及一种基于频谱共享的功率控制方法。
背景技术：
当前无线频谱资源采用固定分配方式，随着不同通信网络、不同业务和不同接入方式的不断增长，频谱越发成为稀缺资源。然而根据美国(FCC)数据统计显示，这些固定分配的频谱其实利用率是很低的。认知无线电技术的出现，成为解决此问题的关键技术。认知无线电技术通过允许认知用户智能的感知和随机接入授权用户空闲的频谱来提高频谱利用率，让频谱资源稀缺的现状得以缓解。在认知无线电中，频谱共享技术可分为两种填充式(Overlay)频谱共享和下垫 式(Underlay)频谱共享。在填充式频谱共享中用户伺机接入频谱空穴，对授权用户的干扰较小；在下垫式频谱共享中，认知用户共享授权用户频谱，受到授权用户“干扰容限”的严格约束，但频谱利用率较高，认知用户通过降低发射功率避免对授权用户的干扰。设计认知无线电的这些频谱共享模型的最主要目的就是提高频谱利用率，避免对授权用户造成干扰，同时降低认知用户的能耗。所以，功率控制问题对于认知无线网络尤为重要。这些年，在公共网络和点对点无线网络中，人们已经对功率控制问题进行了广泛的研究，认知无线电中的功率控制问题也成为人们研究的热点。在填充式谱共享模型中，认知用户时刻感知授权用户的频谱，当检测到空闲频谱时，认知用户立即接入此空闲频谱，由此，人们提出各种频谱感知的方案，但是，即便再优秀的方案和方法也存在漏检和误检的现象，所以，授权用户受干扰的情况不能完全避免。下垫式频谱共享模型中，认知用户工作的前提是不能造成对授权用户的干扰。但是在设计中，认知用户为了提高自身的通信覆盖范围，尽量的提高发射功率，但这种做法势必造成能耗的浪费，同时也极易形成远近效应，反而影响通信的质量。基于以上问题，授权假设一种认知无线电的通信场景，在这种场景下，认知用户和授权用户工作在下垫式频谱共享模型下，认知用户为可移动用户，前提是在认知用户移动过程中不能对授权用户造成干扰，同时认知用户在移动过程中总保持最优发射功率，减小能源浪费。图I中的a、b、c三个圆分别代表认知用户在不同发射功率时的覆盖范围。c圆是采用固定功率策略，并没有考虑对授权用户的干扰问题；b圆考虑了对授权用户干扰问题，同时也采用固定功率策略，造成能源的浪费，甚至会形成远近效应，反而降低通信质量；a圆采用功率控制方法，不但有效的避免了对授权用户的干扰，同时也让能耗降到最低。从图I中可以看出，传统的采用相对剩余的固定功率策略时，授权用户将受到干扰，不适用于下垫式频谱共享模型；如果只考虑对授权用户的干扰，但是不考虑认知用户的能耗，将造成认知用户能源的浪费，如果认知用户为移动用户时，减小能耗就能增加移动用户的使用时间，在实际应用中非常关键；综上可以看出，必须提出一种行之有效的功率控制方法来解决上述问题。
发明内容
本发明是为了在保证了通信质量的前提下减小认知用户的能耗，从而提供一种认知无线电中基于频谱共享的功率控制方法。认知无线电中基于频谱共享的功率控制方法，它是静态场景下单授权用户的功率控制方法，它采用以下步骤实现步骤一、根据已更新的授权用户PRx、认知用户发射单元CTx和认知用户接收单元CRx的位置信息获取认知用户发射单元CTx到授权用户PRx的直线距离Γι和认知用户发射单元CTx到认知用户接收单元CRx的直线距离r2 ；步骤二、根据公式
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V '获得认知用户发射单元CTx的发射功率经过路径损耗后实际到达授权用户PRx的功率Pu ;式中=Prt为认知用户发射单元CTx的发射功率，Gt和4分别为发射和接收天线的增益，1^和匕分别为发射和接收天线的高度，α为路径损耗参数；并根据公式
m mPrc = PctGMr获得认知用户发射单元CTx的发射功率经过路径损耗后实际到达认知用户接收单元CRx的功率P,。；并择一执行下列步骤步骤二一、当(Prc彡 Sth)、(Prp < Pth)且(-pfia !Sf5etSpfas )时，迭代减小认知用
户发射单元CTx的发射功率，并利用数学模型计算认知用户发射单元CTx的最优发射功率，并采用该最优发射功率进行信号发射；式中sth为认知用户接收单元的最小接收功率门限；pfslPpf 分别为认知用户发射单元CTx所允许的最小和最大发射功率；Pth为授权用户的干扰功率门限；步骤二二、当(Pr。<Sth)、(Prp < Pth)且(-Pfun < Pet < ρΓ* )时，则迭代增加认知
用户发射单元CTx的发射功率，并利用数学模型计算认知用户发射单元CTx的最优发射功率，并采用该最优发射功率进行信号发射；步骤二三、当(P。> Pth)时，将认知用户发射单元CTx的发射功率调节到最小值，并迭代增加该认知用户发射单元CTx的发射功率；在迭代增加该认知用户发射单元CTx的发射功率的过程中步骤二三一、当(Prp > Pth)且(Pct = Pc-)’停止信号发射；步骤二三二、(Prc彡Sth)、(Prp < Pth)且(Pct = Pfin )’则认知用户发射单元CTx采用在Pet= Pfsn的功率进行信号发射；步骤二三三、如果(Prc彡 Sth)、(Prp < Pth)且(pf:n < Pct < ρΓΧ )’ 计算认知用
户发射单元CTx的最优发射功率，并采用该最优发射功率进行信号发射；步骤二四、当(Prc< Sth)、(Prp < Pth)且(Pct = pf* )时，停止信号发射;步骤二五、当(Prc彡Sth)、(Prp > PJ且(Pet = Pfsa )时，停止信号发射；步骤二六、当(P < Sth)且(P。> Pth)时，停止信号发射；完成静态场景下的认知无线电中基于频谱共享的功率控制。认知无线电中基于频谱共享的功率控制方法， 它是动态场景下单授权用户的功率控制方法，它采用以下步骤实现步骤Al、根据公式rtl = y(Ah)2 + rf — IAhr1CosOt获得第t时刻下，认知用户发射单元CTx到授权用户PRx的直线距离F11J1为认知用户发射单元CTx的初始位置到授权用户PRx的直线距离所在直线与该认知用户发射单元CTx运动方向的夹角；式中Ah为认知用户发射单元CTx在t时刻下的按照一个方向的运动距离；t为正数；根据公式r22 = ^( ι)2 十 r| — IAhr1Cose2获得第t时刻下，认知用户发射单元CTx到认知用户接收单元CRx的直线距离r22 ；Θ 2为认知用户发射单元CTx的初始位置到认知用户接收单元CRx的直线距离r2所在直线与该认知用户发射单元CTx运动方向的夹角；步骤A2、根据公式Prp = PctCiGr:.............................:........................................-7^
1.1.. J1K;. rT-2^ h r; co sS: —I *获得认知用户发射单元CTx的发射功率经过路径损耗后实际到达授权用户PRx的功率Pu ;式中=Prt为认知用户发射单元CTx的发射功率，Gt和4分别为发射和接收天线的增益，1^和匕分别为发射和接收天线的高度，α为路径损耗参数；根据公式Pm = PczgA- -；--；■■■■■--；--7 ^
! |>Δr~^-2 Ahr2COs# I "获得认知用户发射单元CTx的发射功率经过路径损耗后实际到达认知用户接收单元CRx的功率P,。；并择一执行下列步骤步骤A21、当(Prc彡Sth)、(Prp < Pj且(外顧< Pet < f )时，迭代减小认知用户发射单元CTx的发射功率，并利用数学模型计算认知用户发射单元CTx的最优发射功率，并采用该最优发射功率进行信号发射；式中Sth为认知用户接收单元的最小接收功率门限;p f:a和Pf 分别为认知用户发射单元CTx所允许的最小和最大发射功率；Pth为授权用户的干扰功率门限；步骤A22、当(Prp < Sth)、(Prp < Pth)且(p广3 < Pet < pf83 )时，则迭代增加认知
用户发射单元CTx的发射功率，并利用数学模型计算认知用户发射单元CTx的最优发射功率，并采用该最优发射功率进行信号发射；步骤A23、当Pip > Pth时，将认知用户发射单元CTx的发射功率调节到最小值，并迭代增加该认知用户发射单元CTx的发射功率；在迭代增加该认知用户发射单元CTx的发射功率的过程中步骤A231、当(Prp > Pth)且(Pcc = pf)，停止信号发射；·步骤A232、(Prc 彡 Sth)、(Prp < Pth)且(Pct = pf:n ),则认知用户发射单元 CTx 采用在Pfin的功率进行信号发射；步骤A233、如果(Prc 彡 Sth)、(Prp < Pth)且(pem:n < Pez < % 计算认知用户发
射单元CTx的最优发射功率，并采用该最优发射功率进行信号发射；步骤A24、当(Prc < SJ、(Prp < Pth)且(Pet = pfai )时，停止信号发射；步骤A25、当(Prc 彡 SJ、(Prp > Pth) K(Pct = )时，停止信号发射；步骤A26、当(Prc < Sth)且(Prp > Pth)时，停止信号发射；完成动态场景下的认知无线电中基于频谱共享的功率控制。认知无线电中基于频谱共享的功率控制方法，它是动态场景下多授权用户的功率控制方法，它采用以下步骤实现步骤BI、采用所有授权用户中受到干扰最大者max (P_)将动态场景下多授权用户通信模型简化为动态场景下单授权用户通信模型；式中P_为授权用户接收到的来自认知用户的干扰功率。步骤B2、根据公式—2Ahrtcos0t获得第t时刻下，认知用户发射单元CTx到授权用户PRx的直线距离F11J1为认知用户发射单元CTx的初始位置到授权用户PRx的直线距离所在直线与该认知用户发射单元CTx运动方向的夹角；式中Ah为认知用户发射单元CTx在t时刻下的按照一个方向的运动距离；t为正数；根据公式
权利要求
1.认知无线电中基于频谱共享的功率控制方法，其特征是 它是静态场景下单授权用户的功率控制方法，它采用以下步骤实现 步骤一、根据已更新的授权用户PRX、认知用户发射单元CTx和认知用户接收单元CRx的位置信息获取认知用户发射单元CTx到授权用户PRx的直线距离和认知用户发射单元CTx到认知用户接收单元CRx的直线距离r2 ； 步骤二、根据公式 P =PGG ^lrra rCtlj: kjT .%, .,s 获得认知用户发射单元CTx的发射功率经过路径损耗后实际到达授权用户PRx的功率Prp ;式中Pc;t为认知用户发射单元CTx的发射功率，Gt和4分别为发射和接收天线的增益，ht和匕分别为发射和接收天线的高度，α为路径损耗参数； 并根据公式 Prc=FcfGrGr^I 获得认知用户发射单元CTx的发射功率经过路径损耗后实际到达认知用户接收单元CRx的功率P,。；并择一执行下列步骤 步骤二一、当(Prc彡Sth)、(Prp < Pth)且(pc_ < Pct < pcmax )时，迭代减小认知用户发射单元CTx的发射功率，并利用数学模型计算认知用户发射单元CTx的最优发射功率，并采用该最优发射功率进行信号发射； 式中sth为认知用户接收单元的最小接收功率门限和Pfex分别为认知用户发射单元CTx所允许的最小和最大发射功率；Pth为授权用户的干扰功率门限； 步骤二二、当(Prc < Sth)、(Prp < Pth)且(Pcmm < Pct < Pfmx )时，则迭代增加认知用户发射单元CTx的发射功率，并利用数学模型计算认知用户发射单元CTx的最优发射功率，并采用该最优发射功率进行信号发射； 步骤二三、当Pnj > Pth时，将认知用户发射单元CTx的发射功率调节到最小值，并迭代增加该认知用户发射单元CTx的发射功率； 在迭代增加该认知用户发射单元CTx的发射功率的过程中 步骤二三一、当(Prp > pth)且Oec = ),停止信号发射； 步骤二三二、(Prc彡Sth)、(Prp < Pth)且(Pet = Pfa )，则认知用户发射单元CTx采用在Pet = Pf:n的功率进行信号发射； 步骤二三三、如果(Prc彡Sth)、(Prp < Pth)且(+Pf Pet < Prx )，计算认知用户发射单元CTx的最优发射功率，并采用该最优发射功率进行信号发射；步骤二四、当(Prc < SJ、(Prp < Pth) KiPct = Pfax )时，停止信号发射； 步骤二五、当(Pr。彡Sth)、(Prp > Pth)且(Pk = Pra )时，停止信号发射； 步骤二六、当(Pr。< Sth)且(Plp > Pth)时，停止信号发射； 完成静态场景下的认知无线电中基于频谱共享的功率控制。
2.认知无线电中基于频谱共享的功率控制方法，其特征是 它是动态场景下单授权用户的功率控制方法，它采用以下步骤实现 步骤Al、根据公式
3.认知无线电中基于频谱共享的功率控制方法，其特征是 它是动态场景下多授权用户的功率控制方法，它采用以下步骤实现 步骤BI、采用所有授权用户中受到干扰最大者max (Prpn)将动态场景下多授权用户通信模型简化为动态场景下单授权用户通信模型； 式中P_为授权用户接收到的来自认知用户的干扰功率。
步骤B2、根据公式
4.根据权利要求3所述的认知无线电中基于频谱共享的功率控制方法，其特征在于max (Prpn)的取值为max{Prpl，Prp2, Prp3,…，PipJ，其中=Pipn为授权用户接收到的来自认知用户的干扰功率，η为授权用户的总数。
5.根据权利要求3所述的认知无线电中基于频谱共享的功率控制方法，其特征在于步骤BI中采用所有授权用户中受到干扰最大者max (P_)将动态场景下多授权用户通信模型简化为动态场景下单授权用户通信模型，是择一采用下列方法实现的 下列方法中，PRx2为max (P_)的授权用户；PRx3为PRx2朝某个方向运动后的授权用户； 步骤Cl、在时刻I下，max (Prpn)的授权用户为PRx2，则此通信场景简化为只有授权用户PRx2、认知用户发射单元CTx和认知用户接收单元CRx的场景； 步骤C2、在.时刻2下，max (Prpn)的授权用户为PRx3，则此通信场景简化为只有授权用户PRx3、认知用户发射单元CTx和认知用户接收单元CRx的场景； 步骤C3、在认知用户发射单元CTx朝某个方向运动后,max (P_)出现的多个授权用户按照步骤Cl或步骤C2的方式进行场景简化。
全文摘要
认知无线电中基于频谱共享的功率控制方法，涉及一种基于频谱共享的功率控制方法。它是为了在保证了通信质量的前提下减小认知用户的能耗。本发明提出一种认知无线电中基于频谱共享的功率控制方法，它是通过对不同的通信场景进行分析和归一化整理，建立了认知无线电下通用通信模型，从而极大的简化了干扰估计和功率控制方法；同时针对认知用户的可移动性，推导出了授权用户所受干扰与认知用户移动距离和运动矢量方向的函数表达式，实现了认知用户对授权用户干扰的实时预测。仿真结果表明，本方法能够高效稳定的对认知用户的发射功率进行控制，鲁棒性良好，与传统的功率控制方法比较在功耗方面优势明显。本发明适用于认知无线电中的功率控制。
文档编号H04W16/22GK102932800SQ20121047593
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月21日 优先权日2012年11月21日
发明者谭学治, 杨广龙, 王孝 申请人:哈尔滨工业大学