认知无线电网络协作通信的功率和时间联合分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种网络协作通信的功率和时间联合分配方法，尤其是一种认知无线 电网络协作通信的功率和时间联合分配方法，属于无线通信网络中资源分配领域。 技术背景
[0002] 无线电频谱资源是一种有限的自然资源，一般由政府授权使用。随着无线通信技 术的飞速发展，频谱资源变得越来越紧张，然而许多调查研究发现大量授权频谱被闲置或 利用率极低。近年来无线局域网（WLAN)技术、无线个人域网络(WPAN)技术、无线城域网 (WMAN)技术迅速发展，越来越多的无线通信业务以上述技术接入到互联网。这些网络技术 大多使用非授权频段(UFB)工作。随着人们对非授权频段频谱的需求越来越大，频谱资源匮 乏的问题日益严重。而当前静态频谱分配制度导致资源平均利用率低且不能为高速率数据 传输的无线通信业务提供额外的可以利用的带宽。
[0003] 针对这种不合理的频谱使用方式，需要引入动态频谱接入技术将那些未被充分使 用的频谱资源加以利用，实现频谱的动态分配从而极大地提高频谱的利用率。认知无线电 (Cognitive Radio，CR)是为了缓解日益增长的无线频谱资源需求与频谱资源紧缺之间的 矛盾而提出的一种新技术。认知无线电技术通过允许从用户（Secondary User，SU)自适应 地感知频谱资源，机会式地占用空闲频谱，只要在不对主用户(Primary User，PU)产生有害 干扰的前提下，从用户可以接入主用户频段，提高频谱利用率，最大程度上解决现阶段频谱 资源浪费的问题。
[0004] 在认知无线电网络中利用协作通信技术，可以在提高传输性能的同时尽可能地提 高频谱使用效率。现有的认知网络中的协作通信，大多考虑从用户协助主用户传输，从用户 作为主用户的中继，以补偿从用户使用频谱对主用户造成的损失。
[0005] 认知无线电系统中的网络资源分配方法主要有两种，一是集中式，一种是分布式。 集中式的资源分配方法需要在服务器端完成复杂的计算，对网络模型的设计要求较高。分 布式的资源分配方法则将复杂的计算分配在各个用户端，在现有的分布式资源分配方法 中，博弈论被认为是一个有效的工具，不仅能提高资源的利用率，而且能有效减小运算复杂 度。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种认知无线电网络协作通信 的功率和时间联合分配方法。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
[0008] -种认知无线电网络协作通信的功率和时间联合分配方法，所述认知无线电网络 包括一个基站PBS，M个主用户PUm，m=lL Μ和N个从用户SUn，n = lL N;M个主用户都与基站通 信，形成上行网络;主用户PUmA用信道m，其传输功率为Pm;基站PBS的可接受功率为P tclt，主 用户的功率向量P = (Pi，L，Pm)由基站PBS确定，且满足;从用户SUn的发送端为 STn，接收端为51;主用户将信道分配给需要协作通信的从用户，每个信道在同一时间内最 多只能被分配给一个从用户使用，每个从用户最多只能分到一个信道;主用户用来分 配的总传输时间为Tm，主用户PU m的单位时间价格为cm，从用户SUn得到其协作传输的主用户 PUm所分配的时间是Un ;主用户PUm的效用函数用Um表示
[0009] 包括以下步骤：
[0010] 步骤1:基站PBS初始化功率向量P = (Pi，L，Pm)，并加入候选功率向量集合U中；
[0011] 步骤2:初始内层时间分配:建立初始内层时间分配模型并求解得到主用户整体效 用，将其作为主用户整体效用最大值的初始值，所述初始内层时间分配模型为：
[0013]其满足约束条件：
[0015] 步骤3:从所述候选功率向量集合中取出一个候选功率向量作为当前候选功率向 量；
[0016] 步骤4:外层功率分配:生成所述当前候选功率向量的所有邻居功率向量；
[0017] 步骤5:对所述当前候选功率向量的每个邻居功率向量进行邻居内层时间分配:建 立邻居内层时间分配模型并求解得到相应的主用户整体效用，更新所述候选功率向量集合 和主用户整体效用最大值，其中邻居内层时间分配模型为：
[0019]其满足约束条件：
[0021] 步骤6:判断所述候选功率向量集合是否为空，如果是，转向步骤7;否则，转向步骤 3；
[0022] 步骤7:完成功率和时间分配，开始协作传输:根据使得主用户整体效用达到最大 值时的功率和时间分配，所有主用户分配从用户的请求时间，并以对应功率在这段时间内 协助从用户进行通信。
[0023]所述步骤1中基站PBS初始化功率向量Ρ^ΡΑ,Ρμ)，并加入候选功率向量集合U的 方法，由以下具体步骤组成：
[0024]步骤1-1:建立候选功率向量集合U;
[0025] 步骤1-2:将初始化功率向量Ρι^^Ι^Ρμ)加入所述候选功率向量集合U中。
[0026] 所述步骤2求解初始内层时间分配模型的方法，由以下具体步骤组成：
[0027] 步骤2-1:根据所述初始化功率向量，各主用户?仏进行参数初始化，并将其广播给 所有的从用户;所述进行初始化的参数包括发送信息功率P m，时钟参数τ，价格步长δ，保留 价格4，时钟参数τ初始值设为0;
[0028] 步骤2-2:从用户SUn计算相对于各主用户PUm的发送速率Rmn:
[0030] 其中，Γ mn (1)和Γ mn (2)分别表示从用户发送端STn和主用户PUm发送信息到 从用户一仏的接收端SRn的信噪比，/f和gr分别表示从用户发送端STn到从用户 接收端SRr^P主用户PUm到从用户SUM接收端SRn的信道增益，W代表带宽，Qn表示从用户SU n 发送信息的功率，Pm表示主用户PUm转发信息的功率，No代表噪声方差；
[0031 ]步骤2-3:从用户SUn计算相对于各主用户PUm的效用值umn:
[0033] 其中b为从用户的满意度因子，代表速率对效用值的影响，且0<b<l;
[0034] 步骤2-4:从用户SUn计算相对于各主用户PUm的最优时间)和对应的效用值
[0037]步骤2-5:从用户SIWAM个主用户中确定使其效用值最大的主用户，其编号记为mn:
[0039] 步骤2-6:从用户SUn确定与主用户对应的最优请求时间，并把最优请 求时间" (4)反馈给主用户;
[0040] 步骤2-7:各主用户PUJ#收到的所有从用户请求的最优请求时间进行求和：
[0042] 步骤2-8:判断各主用户PUm是否都满足S 7；，如果是，转向步骤2-10;否则， 转向步骤2-9;
[0043] 步骤2 -9 :时钟参数改变为τ = τ+1;所有满足7;丨(?:丨,）^； 7；,的主用户PUm保持时间价 格不变，即所有不满足〇〇<?；的主用户PUm更新时间价格<^ = 4+心并将 更新后的时间价格Cm公布给N个从用户;转向步骤2-3;
[0044] 步骤2-10:记拍卖结束时的时钟参数为t = L，按照各从用户SUn的请求时间计算 主用户整体效用，并作为主用户整体效用最大值umax的初始值：
[0046]所述步骤4中的外层功率分配，求解当前候选功率向量的所有邻居功率向量的方 法，由以下具体步骤组成：
[0047] 步骤4-1:定义单位转移功率，记为Δ P，并满足Δ P<<Ptot/M;
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