一種認知無線電系統中避免干擾的并行頻譜分配方法

專利名稱：一種認知無線電系統中避免干擾的并行頻譜分配方法
技術領域：
一種認知無線電(Cognitive Radio)系統中避免干擾的并行頻譜分配方法，屬于無線通信技術領域，特別涉及應用在認知無線電系統中的頻譜分配。
背景技術：
隨著無線應用的不斷拓展，頻譜資源的缺乏成為無線應用研究過程中不得不面臨的問題，但是從一些研究結果可以看到，頻譜資源的缺乏更多是由于無線接入技術的利用不合理引起的。現有不同無線通信系統分配頻譜的方法主要是基于固定分配方式，即某一無線頻譜塊分配給某一特定的無線接入網絡，然后再把這個無線頻譜塊分為若干個頻譜子塊，這些頻譜塊大小固定，相互之間間隔一個固定大小的保護頻段，分配給具有license資格的不同運營商，只有這些運營商的license期滿之后才可以分配給其他用戶。這種固定分配的方式雖然對于頻譜管理非常簡單容易，但是存在頻譜利用率低的缺點，例如大多數通信網絡在設計之初都是基于該網絡可能最大的傳輸流量進行考慮，但是實際情況卻是，通信網絡并非全天滿負荷運行，頻譜資源在不同位置不同時間段的利用有所不同，這種靜態的頻譜分配方式造成了頻譜資源的浪費。為了解決這個問題，基于對認知無線電的研究，人們提出一種開放式頻譜接入機制。認知無線電系統是一個智能無線通信系統，它能夠感知、學習周圍環境，通過改變相應的操作參數(比如傳輸功率、載波頻率和調制技術等)，使其內部狀態能適應接收到的無線信號的統計性變化，從而完成在任何時間任何地點高可靠性的通信以及對頻譜資源的高效利用。利用認知無線電的智能感知能力，開放式頻譜接入機制允許未授權用戶(次用戶)在授權用戶(主用戶)未使用該頻譜資源時，在不對授權用戶(主用戶)造成干擾的情況下，使用原來分配給授權用戶的頻譜資源。非授權用戶通過使用認知無線電技術實時感知周圍的環境，檢測授權用戶當時未使用的頻譜資源放入頻譜池中共享。
認知無線電系統中需要考慮兩種類型的干擾。一類是非授權用戶對授權用戶的干擾，這類干擾必須無條件的限制在授權用戶可以承受的范圍內，可以通過智能感知能力檢測授權用戶在某段時間未使用的頻譜資源，非授權用戶只在該時間內使用這些頻譜資源。第二類是非授權用戶之間的干擾，相互干擾的兩個非授權用戶在同一個時刻不能夠使用同一個頻譜。為了解決這兩類干擾，并且獲得高效頻譜利用率，現在已有研究者提出一種基于圖論著色理論的擇機頻譜接入算法——CSGC(color sensitive graph coloring，顏色敏感圖論著色)算法，在避免干擾的前提下最大化系統效益。內容詳見ZHENG，H.，AND PENG，C.Collaboration andfairness in opportunistic spectrum access.In Proc.40th annual IEEE International Conference onCommunications(ICC)(May 2005)。考慮一個用戶數為N(下標從0到N-1)，總頻帶數為M(下標從0到M-1，各頻帶相互正交，頻帶間無干擾)的認知無線電系統，CSGC頻譜分配方法的步驟如下(如圖1所示)步驟1，非授權用戶通過認知技術檢測授權用戶未使用空閑頻譜，得到空閑頻譜矩陣L＝{ln，m|ln，m∈{0，1}}N×M，ln，m＝1表示頻帶m對于用戶n是可用的，ln，m＝0表示不可用。
步驟2，獲取效益矩陣B＝{bn，m}N×M，bn，m表征用戶n使用頻帶m所帶來的效益權重，如頻譜利用率等，在運營者的角度，bn，m還可以包括經濟效益信息，以不同優先級表征，高優先級的bn，m比低優先級的大。將矩陣L與矩陣B相結合，可得出有效頻譜的效益LB＝{ln，m·bn，m}N×M。
步驟3，獲取非授權用戶之間的干擾矩陣集合C＝{cn，k，m|cn，k，m∈{0，1}}N×N×Mcn，k，m＝1表示用戶n和用戶k在同時使用頻帶m時會產生干擾，當n＝k時，cn，n，m＝1-ln，m，僅由空閑頻譜矩陣L決定。
步驟4，選擇標號準則。
定義無干擾的頻譜分配矩陣為A＝{an，m|an，m∈{0，1}}N×Man，m＝1表示頻帶m被分配給用戶n。A必須滿足無干擾條件an，m·ak，m＝0 if cn，k，m＝1，n，k＜N，m＜M(1)即表示在頻帶m上存在相互干擾的兩個用戶不能被同時分配頻帶m。
CSGC頻譜分配方法把頻譜分配問題抽象為一個圖G＝(U，EC，LB)的著色問題。U是圖G的頂點集，表示共享頻譜的用戶，LB表示頂點可選顏色集合(list)和權重，EC是邊集，由干擾約束集合C決定，當且僅當cn，k，m＝1時，兩個不同的頂點(用戶)u，v∈U之間有一條顏色為m(即頻帶m)的邊。于是滿足式(1)條件的無干擾頻譜分配對應的著色條件可以描述為當兩個不同頂點間存在顏色m的邊的時候這兩個頂點不能同時著顏色m(即頻帶m不能同時分配給這兩個頂點所對應的用戶)。
滿足無干擾條件的A很多，用ΛN，M表示所有滿足條件的無干擾頻譜分配矩陣A的集合。根據以上定義，可以得到以最大化頻譜效益為目標的最優分配準則的表達式maxA∈ΛN,MΣn=0N-1Σm=0M-1an,m·bn,m---(2)]]>再根據分配目標準則選擇頂點標號規則(labeling rule)，標號大小表征了分配目標和效益權重共同決定的頂點的“價值”，越有“價值”的頂點標號越大。每個標號對應一種顏色，最優著色的算法設計就是先選擇最有價值的(標號最大的)頂點進行著色。
CSGC頻譜分配方法的目標是避免干擾的條件下最大化頻譜利用率，此時bn，m表征了用戶n在頻帶m上獲得的傳輸速率。在協作和非協作的前提下，相應的標號準則為1.CMSB(Collaborative-Max-Sum-Bandwidth，協作最大化總帶寬)準則labeln=maxm∈lnbn,m/(Dn,m+1)---(3)]]>colorn=argmaxm∈lnbn,m/(Dn,m+1)---(4)]]>其中Dn，m表示在頻帶m與用戶n有相互干擾的用戶個數，在圖G中表現為與頂點n以m色邊相連的鄰接頂點數。另外定義Nbr(n，m)＝{k|ck，n，m＝1，0≤k≤N-1，k≠n}，表示在頻帶m與用戶n有干擾的用戶的集合，在圖G中表現為與頂點n以m色邊相連的鄰接頂點集，集合Nbr(n，m)元素的個數就是Dn，m。
2.NMSB(Non-collaborative-Max-Sum-Bandwidth，非協作最大化總帶寬)準則，標號與對應顏色應為labeln=maxm∈lnbn,m---(5)]]>colorn=argmaxm∈lnbn,m---(6)]]>步驟5，根據標號準則對圖G進行標號。
步驟6，對圖G進行著色。
根據步驟5計算出的標號，在所有頂點中搜索滿足n*＝arg max label(n)的頂點n*，并為其分配顏色(頻譜)color(n*)，對應分配矩陣A*元素an*,color(n*)=1.]]>步驟7，拓撲更新。
本步驟包括3個子步驟。
1.從頂點n*的顏色list中刪除顏色color(n*)；2.找出與n*以邊color(n*)相連的鄰接點Nbr(n*，color(n*))，并把color(n*)從它們的list中刪除；3.刪除list為空的頂點。
若拓撲更新后圖G為空，則分配結束，得到最優分配矩陣A*，否則回到步驟5。
以上方法的缺點是頻譜分配方法的執行時間開銷隨著空閑頻譜數的增多而增加，當可用頻譜數目增大時，分配時間周期也會相應延長，這使得該頻譜分配方法不適應認知無線電中空閑頻譜快速時變的要求。由上面的分配過程可知，每一次循環(從步驟5到步驟7)得到一個點對(i，j)，i為該循環階段圖G中最大標號的頂點(用戶)，j為分配給i的顏色(頻譜)，對應最優分配矩陣A*中的元素αi，j＝1，可以看出整個頻譜分配方法是一種串行的頻譜分配方法，每次只能對一種顏色(頻譜)進行分配操作。假設頻譜分配方法每次循環操作的時間相同，于是頻譜分配方法的開銷由總循環次數決定，CSGC頻譜分配方法的總循環次數為矩陣A*的矩陣范數‖A*‖m1LOOP=||A*||m1=Σi=0N-1Σj=0M-1ai,j---(7)]]>下面分析次空閑頻帶數對循環次數的影響。把最優分配矩陣A*寫出如下向量的形式
則LOOP=||A*||m1=Σj=0M-1||aj||1]]>‖aj‖1為aj的向量范數，‖aj‖1表征了復用第j個頻帶的用戶數，根據空閑頻譜的定義，至少有一個用戶可以使用空閑頻譜資源，所以||aj||1>0]]>由以上分析可以得出結論，CSGC頻譜分配方法的循環次數將隨著空閑頻譜數M的增多而增加。

發明內容
本發明的目的是提供一種快速的認知無線電系統的并行頻譜分配方法。采用該方法，可以同時對每一個頻譜進行獨立的分配操作，避免了空閑頻譜數對頻譜分配方法開銷的影響，能夠在獲得CSGC頻譜分配方法相同分配效益的前提下，降低頻譜分配的開銷，縮短了分配時間周期，滿足了空閑頻譜實時變化的要求。并且由于可以獨立對某個頻帶進行分配，使得管理更加靈活。
本發明所述技術方案為一種認知無線電系統中避免干擾的并行頻譜分配方法，假定認知無線電系統中非授權用戶數為N，射頻端可支持的頻帶F可平均分為M個頻段，其特征在于，包括以下步驟步驟1 檢測可用的頻譜資源各非授權用戶分別對M段頻譜進行檢測得到M個空閑頻譜向量(l0l1…lm…lM-2…lM-1)，lm＝{ln，m|ln，m∈{0，1}}N×1，0≤n≤N-1，ln，m＝1表示頻帶m對于用戶n是可用的，ln，m＝0表示不可用；步驟2 計算用戶頻譜收益為每段頻譜設定非授權用戶效益函數，得到各個非授權用戶在該段頻譜上的收益向量bm＝(bn，m)N×1，0≤n≤N-1，0≤m≤M-1；bn，m為非授權用戶n在頻帶m上獲得的收益；M段頻譜共有M個收益向量(b0b1…bm…bM-2bM-1)；步驟3 通過分別檢測用戶在M段頻帶的相互干擾情況，得到M個干擾矩陣(C0C1…Cm…CM-2CM-1)，Cm＝{cn，k，m|cn，k，m∈{0，1}}N×N，cn，k，m＝1表示用戶n和用戶k在同時使用頻帶m時會產生干擾，cn，n，m＝1表示頻帶m對用戶n來說是不可用的，初始化時，cn，n，m＝1-ln，m；步驟4 選擇頻譜分配的目標準則，并確定某個循環階段用戶n使用頻帶m的目標效益r(n，m)的計算方式；步驟5 根據目標準則分別計算非授權用戶n在頻帶m所獲得的收益r(n，m)；步驟6 根據步驟5計算出的收益，把頻段m分配給滿足n*＝arg max r(n，m)的用戶n*；定義頻譜m對應的目標準則下的最優分配向量am＝(ai，m)，0≤i≤N-1，元素初始值全為零，經過步驟6分配后使an*,m=1.]]>步驟7干擾矩陣更新令cn*,n*,m=1,]]>且如果cn*,k,m=1,]]>則令ck，k，m＝1，0≤k≤N-1，返回步驟5；當干擾矩陣Cm中所有對角線元素均為1，即cn，n，m＝1，0≤n≤N-1的時候，對頻段m的分配結束，得到分配向量am，其元素an，m＝1表示頻帶m分配給用戶n使用；步驟1至步驟7的各個步驟是在M段頻帶的分配中同時獨立進行。
上述技術方案中所述檢測可用的頻譜資源的步驟1中，具體頻譜資源的監測方法可以是能量檢測，匹配濾波檢測，周期特性檢測等方法。
所述計算用戶頻譜收益的步驟2中，可以根據不同的效益函數來計算用戶的頻譜收益，效益函數可以考慮不同的影響因子，比如頻譜質量(比如用戶信號在該頻帶的衰落情況，在該頻譜上可以獲得的傳輸速率等)，用戶本身的優先級(如VIP用戶和普通用戶)，業務的Qos要求(如實時業務和非實時業務)等。
所述步驟3中檢測用戶在M個頻帶的相互干擾情況的具體方法可以是，對集中控制式網絡而言，根據中心節點對其他受控節點的覆蓋范圍進行的設置，如功率控制、扇區劃分等，判斷哪些用戶節點在同時使用哪些頻帶時存在干擾；對分布式系統而言，可以采用載波偵聽等方式進行干擾判斷。
所述步驟4的頻譜分配的目標準則可以是NMSU準則，也可以是CMSU準則。NMSU準則下r(n，m)＝bn，m；CMSU準則下r(n，m)＝bn，m/(Dn，m+1)，Dn，m表示在頻帶m與用戶n有相互干擾的用戶個數。需要說明的是，CSGC頻譜分配方法中NMSB和CMSB準則分別是NMSU和CMSU準則中的特例，把NMSU和CMSU準則中的效益函數設為只有頻譜傳輸速率的影響因子即為NMSB和CMSB準則。
所述步驟3中計算干擾矩陣過程中，可以僅對允許使用頻帶m的用戶(lm中ln，m＝1的用戶)進行檢測判斷。對不允許使用頻帶m的用戶k(對應lk，m＝0)，在對頻譜m進行分配時可以不考慮，于是對Cm中表示與用戶k相關的信息的元素可以直接人為賦值，對應Cm中cn，k，m＝0，ck，n，m＝0，ck，k，m＝1，0≤n≤N-1，n≠k。
需要強調的是，本發明并行頻譜分配方法可以同時對M段頻譜進行獨立的分配操作，不需要像CSGC頻譜分配方法那樣，等到所有頻譜均檢測完才進行分配，只要對某段頻譜的檢測完成了就可以進行該段頻譜的分配。另外，由于并行頻譜分配方法可以同時對M段頻譜進行獨立的分配操作，可以為每段頻譜設定不同的效益函數，增加了分配的靈活性；也不需要對所有用戶的頻譜收益進行計算，可以只對允許使用頻帶m的用戶(lm中ln，m＝1的用戶)進行計算，對于ln，m＝0的用戶直接把bn，m的值賦0。
下面結合本發明技術方案的圖論解釋與原有CSGC頻譜分配方法進行分析比較。
在本發明所述的并行頻譜分配方法的干擾矩陣Cm中，當ck，k，m＝1時把Cm的第k行第k列刪除，從而得到一個‖lm‖1階的簡化干擾矩陣C~m={cn,k,m|cn,k,m∈{0,1}}||lm||1×||lm||1,]]>其中‖1m‖1為lm的向量范數。每個簡化干擾矩陣 對應一個簡單圖Gm，表征了各用戶在頻帶m上的關系。
對頻帶m的分配過程等價于對圖Gm的著色過程。在步驟5中計算得出每次循壞階段的用戶的目標收益，其對應的就是每次分配階段圖中各頂點的著色權重；步驟6的圖論解釋就是選擇權重最大的頂點著色；步驟7的干擾矩陣更新對應的圖Gm的拓撲更新，定義Nbr(n，m)＝{k|ck，n，m＝1，0≤k≤N-1，k≠n}，表示在頻帶m與用戶n有干擾的用戶的集合，在圖Gm中表現為與頂點n以m色邊相連的鄰接頂點集。拓撲更新就是刪除圖Gm的頂點n*、Nbr(n*，m)以及頂點n*和Nbr(n*，m)之間的邊。如果圖Gm為空，則完成對頻譜m的分配，得到最優分配向量am，否則轉到步驟5。
簡化的干擾矩陣 以及圖Gm與CSGC頻譜分配方法的干擾矩陣集合C以及圖G存在下面的關系。
CSGC頻譜分配方法中圖G的拓撲是由點集和邊集確定的，在給定頂點數的情況下，邊集決定了圖G的拓撲。邊集是由干擾矩陣集合C決定的，集合中一共有M個干擾矩陣Cm＝{cn，k，m|cn，k，m∈{0，1}}N×N(0≤m≤M-1)，每個矩陣對應次用戶復用一個頻帶m時的干擾。由干擾矩陣的定義可知，干擾矩陣中對角線元素只由空閑矩陣決定，Cm中對角線元素ck，k，m＝1表示頻帶m對用戶k來說不可用，在描述次用戶在頻帶m的干擾時該用戶可以不考慮。當ck，k，m＝1時把Cm的第k行第k列刪除，就可以得到一個對角線元素為0的‖lm‖1階0、1二元對稱矩陣 由圖論的知識我們可以知道， 滿足簡單標號圖的鄰接矩陣的條件，每個 唯一對應一個簡單標號圖，我們可以由 得到以 為鄰接矩陣的M個簡單標號圖(G0G1…Gm…GM-2GM-1)，它們是圖G的導出子圖，每個子圖分別表征了在某個頻帶上各用戶的關系，如子圖Gm表征了各用戶在頻帶m上的關系。
本發明的實質是由于CSGC頻譜分配方法中圖G是一個復合圖，存在重邊，著色算法也是較為復雜的帶權重的list著色算法。通過對有關矩陣的處理，把圖G分解為多個簡單圖，把list著色簡化為對多個簡單圖的點著色。基于頻帶正交假設，對某個頻帶的使用不會對其他頻帶造成干擾，即對某個子圖的顏色分配不會影響到其他子圖的顏色分配，因此在整個著色算法過程中，各個子圖著色是相互獨立的。并行頻譜分配方法的基本思想就是同時對M個子圖著色，由于各個子圖都是簡單圖，對圖G的list著色可以簡化為對M個子圖的點著色。
并行頻譜分配方法同時對M個子圖進行著色，每個子圖得到的分配結果分別為最優分配矩陣A*中的一個列向量，子圖Gm的循環次數為‖am‖1，所有子圖均分配完成的開銷為矩陣A*的列和范數||A*||1=Max0≤j≤M-1||aj||1,]]>小于CSGC頻譜分配方法的開銷 當所有‖am‖1部相等時，開銷可以降低為原來的1/M。
本發明的并行分配方法可以在得到與CSGC頻譜分配方法相同的最優分配矩陣A*的同時，使算法的開銷降低為||A*||1=Max0≤j≤M-1||aj||1,]]>與CSGC頻譜分配方法相比，大大縮短了分配周期，有利于實現快速的頻譜分配以適應認知無線電系統中可用頻譜資源快速時變的特性。另外可以看到并行頻譜分配方法的開銷與頻帶數M無關，更適用于認知無線電系統中含有大量頻譜的頻譜池的頻譜分配。而且由于并行頻譜分配方法中各頻譜可以獨立進行分配，因此可以適應頻譜對各用戶的差異性(比如某些用戶射頻只支持某段頻譜，因此其他頻譜的分配不需要考慮這些用戶)，并且可以對各頻譜進行獨立的檢測、效益函數設定和干擾測量等操作，具有很好的靈活性。


圖1是CSGC頻譜分配方法的工作流程圖。
圖2是本發明所述的一種認知無線電系統中避免干擾的并行頻譜分配方法流程示意圖。
圖3是具體實施方式
中圖G0的拓撲變化圖。
圖4是CSGC頻譜分配方法和本發明的并行頻譜分配方法在一個具體實例下的開銷對比示意圖。
參數設置如下假設認知無線電系統中非授權用戶的數目為12，即N＝12；頻譜數目M從1變到30；空閑矩陣L的第一列的第一個元素為0，其他元素為1，第i列元素是第i-1列元素循環移位。效益矩陣B第一列的元素取值為[1，2，3，…，N-1，N]，第i列元素是第i-1列元素循環移位。干擾矩陣集合C中的各矩陣為隨機生成的0、1二元對稱矩陣。
圖中曲線1是CSGC頻譜分配方法在CMSB準則下的開銷曲線，曲線2是CSGC頻譜分配方法在NMSB準則下的開銷曲線。曲線3是本發明的并行頻譜分配方法在CMSB準則(即通過把效益函數設置為頻譜傳輸速率而簡化的CMSU準則)下的開銷曲線，曲線4是本發明的并行頻譜分配方法在NMSB準則(即通過把效益函數設置為頻譜傳輸速率而簡化的NMSU準則)下的開銷曲線，曲線5是并行頻譜分配方法的開銷上限。可以看到，CSGC頻譜分配方法的開銷隨著M的增加近似呈線性的增加，而本發明的并行頻譜分配方法的開銷不受M的影響，隨著M的增加，并行頻譜分配方法的開銷近似呈一條水平線。另外可以看到并行頻譜分配方法的開銷存在上界——用戶數N。這是因為分配矩陣A是0、1二元矩陣，并行頻譜分配方法的開銷Max0≤j≤M-1||aj||1=Max0≤j≤M-1Σi=0N-1ai,j≤Σi=0N-11=N.]]>當M增加到比較大的數目時，并行頻譜分配方法的開銷明顯低于CSGC頻譜分配方法的開銷。
具體實施例方式
本發明的一個具體實例如下所述，參數設定不影響一般性，假設認知無線電系統中非授權用戶的數目N＝6，用戶用U0-U5表示；頻譜數目M＝6，頻帶用F0-F5表示，每個頻帶的分配向量分別用a0a1…a4a5表示，am＝(an，m，0≤n≤5)，an，m＝1表示頻帶Fm被分配給用戶Un，初始化時am所有元素重置為0。下面詳細說明并行頻譜分配方法中對頻帶F0的分配過程。對其他頻帶的分配同時獨立的進行，其操作步驟與頻帶F0的分配類似。
步驟1檢測哪些次用戶允許使用頻帶F0，得到頻帶F0的空閑頻譜向量。
l0＝(0，0，1，1，1，1)元素為0表示對應的用戶不允許使用頻帶F0，元素為1表示對應的用戶允許使用頻帶F0。該向量表示頻帶F0對用戶U2-U5來說是可用的，而對于用戶U0和U1是禁止使用的。
步驟2根據效益函數計算各次用戶在頻帶F0上的收益。
根據步驟1的信息，用戶U0和用戶U1禁止使用頻帶F0，因此可以把用戶U0和U1在頻帶F0上獲得的收益設為0。系統可以根據不同的效益函數來計算用戶的頻譜收益，效益函數可以考慮不同的影響因子，比如頻譜質量(比如用戶信號在該頻帶的衰落情況，在該頻譜上可以獲得的傳輸速率等)，用戶本身的優先級(如VIP用戶和普通用戶)，業務的Qos要求(如實時業務和非實時業務)等等。為簡化處理，在此實施方式中只考慮各次用戶在頻帶F0可以獲得的傳輸速率作為收益指標，這些數據可以通過物理層的調制編碼方案，信道估計給出的信道質量等得到。對這些數據進行歸一化處理，得到各次用戶在頻帶F0上的收益向量為b0＝(0，0，3，4，5，6)步驟3檢測判斷各次用戶在頻帶F0的相互干擾情況，得到頻帶F0的干擾矩陣C0。
根據步驟1的空閑頻譜向量信息，用戶U0和U1禁止使用頻帶F0，對于次用戶在頻帶F0的相互干擾，可以僅對用戶U2-U5進行檢測判斷。對不允許使用頻帶F0的用戶U0和U1進行人為賦值(對應C0中ci，k＝0，ck，i＝0，ck，k＝1，0≤i≤5，i≠k，k＝0，1)，在實際對頻帶F0進行分配操作時可以不考慮。干擾矩陣C0為C0=100000010000000100001001000001000110]]>其中cn，k＝1表示用戶Un和用戶Uk在同時使用頻帶F0時會產生干擾，從上面C0中元素的值可以看出，在頻帶F0上，用戶U2和U3之間，用戶U3和U5之間以及用戶U4和U5之間存在干擾。
由于用戶U0和U1不允許使用頻帶F0，因此在只考慮有效信息時可以刪除C0的第1，2列和第1，2行得到簡化干擾矩陣 C~0=0100100100010110]]> 是0、1二元對稱矩陣，對應一個簡單標號圖G0，如附圖3-(a)所示。
步驟4選擇目標準則。
并行頻譜分配方法中有兩種最大化系統總效益的目標準則供選擇，一種是NMSU(Non-collaborative-Max-Sum-Utility，非協作最大化總效益)準則，另一種是CMSU(Collaborative-Max-Sum-Utility，協作最大化總效益)準則。定義r(n，m)表示在某個目標準則下某個循環階段用戶Un使用頻帶Fm帶來的目標效益。在NMSU準則下r(n，m)＝bn，m，在CMSU準則下r(n，m)＝bn，m/(Dn，m+1)。這里選擇CMSU準則。
步驟5計算目標收益r(n，m)根據步驟4選擇的目標準則以及圖G0的拓撲更新情況計算r(n，m)，在初始循環階段圖G0各頂點的目標收益為r2，0＝3，r3，0＝2，r4，0＝5，r5，0＝3，如附圖3-(a)所示。
步驟6對圖G0進行著色，把顏色0(頻譜F0)分配給滿足n*＝arg max r(n，m)的頂點n*(用戶Un*)。
在第一次循環中，由于r4，0＝5最大，所以把頻譜F0分配給用戶U4。因此頻帶F0的分配向量a0中對應的元素a4，0＝1。
步驟7對圖G0進行拓撲更新，刪除圖G0的頂點n*，Nbr(n*，0)以及頂點n*和Nbr(n*，0)之間的邊。如果圖G0為空，則完成對頻譜F0的分配，否則轉到步驟5，進行下一次循環。
在第一次循環中把頻譜F0分配給用戶U4，因此拓撲更新就是刪除頂點U4，與U4相鄰的頂點U6以及U4和U6之間的邊，從而得到新的拓撲，如圖3-(b)所示。然后返回步驟5進入下一次分配循環。
第二次分配循環的分配結果是把頻帶F0分配給用戶U3，拓撲更新后圖G0為空，從而完成了對頻譜F0的分配。最終頻帶F0的分配向量a0為a0＝(0，0，0，1，1，0)即把頻帶F0分配給了用戶U3和U4。
對其他頻帶的分配同時獨立的進行，其操作步驟與頻帶F0的分配類似。其他各頻帶的相關信息以及分配結果如下頻帶F1l1＝(1，0，0，1，1，1)b1＝(6，0，0，4，5，2)C1=000010010000001000000001100000000100]]>
得到分配向量a1＝(1，0，0，1，0，0)頻帶F2l2＝(1，1，0，0，1，1)b2＝(6，2，0，0，6，1)C2=000011000010001000000100110001100010]]>得到分配向量a2＝(1，1，0，0，0，0)頻帶F3l3＝(1，1，1，0，0，1)b3＝(1，3，5，0，0，1)C3=010001101001010000000100000010110000]]>得到分配向量a3＝(1，0，1，0，0，0)頻帶F4l4＝(1，1，1，1，0，0)b4＝(6，5，2，2，0，0)
C4=000000000100000100011000000010000001]]>得到分配向量a4＝(1，1，1，0，0，0)頻帶F5l5＝(0，1，1，1，1，0)b5＝(0，6，5，1，1，0)C5=100000001010010110001000011000000001]]>得到分配向量a5＝(0，1，0，1，0，0)當所有頻帶的分配均完成時，頻譜分配方法結束。
權利要求
1.一種認知無線電系統中避免干擾的并行頻譜分配方法，假定認知無線電系統中非授權用戶數為N，射頻端可支持的頻帶F可平均分為M個頻段，其特征在于，包括以下步驟步驟1 檢測可用的頻譜資源各非授權用戶分別對M段頻譜進行檢測得到M個空閑頻譜向量(l0l1…lm…lM-2lM-1)，lm＝{ln，m|ln，m∈{0，1}}N×1，0≤n≤N-1，ln，m＝1表示頻帶m對于用戶n是可用的，ln，m＝0表示不可用；步驟2 計算用戶頻譜收益為每段頻譜設定非授權用戶效益函數，得到各個非授權用戶在該段頻譜上的收益向量bm=(bn,m)N×1]]>，0≤n≤N-1，0≤m≤M-1；bn，m為非授權用戶n在頻帶m上獲得的收益；M段頻譜共有M個收益向量(b0b1…bm…bM-2bM-1)；步驟3 通過分別檢測用戶在M段頻帶的相互干擾情況，得到M個干擾矩陣(C0C1…Cm…CM-2CM-1)，Cm＝{cn，k，m|cn，k，m∈{0，1}}N×N，cn，k，m＝1表示用戶n和用戶k在同時使用頻帶m時會產生干擾，cn，n，m＝1表示頻帶m對用戶n來說是不可用的，初始化時，cn，n，m＝1-ln，m；步驟4 選擇頻譜分配的目標準則，并確定某個循環階段用戶n使用頻帶m的目標效益r(n，m)的計算方式；步驟5 根據目標準則分別計算非授權用戶n在頻帶m所獲得的收益r(n，m)；步驟6 根據步驟5計算出的收益，把頻段m分配給滿足n*＝arg max r(n，m)的用戶n*；步驟7 干擾矩陣更新令cn*,n*,m=1,]]>且如果cn*,k,m=1,]]>則令ck，k，m＝1，0≤k≤N-1，當干擾矩陣Cm中所有對角線元素均為1，即cn，n，m＝1，0≤n≤N-1的時候，對頻段m的分配結束，否則返回步驟5；；步驟1至步驟7的各個步驟是在M段頻帶的分配中同時獨立進行。
2.根據權利要求1所述的一種認知無線電系統中避免干擾的并行頻譜分配方法，其特征是，所述檢測可用的頻譜資源的步驟1中，具體頻譜資源的監測方法可以是能量檢測，匹配濾波檢測，周期特性檢測等方法。
3.根據權利要求1所述的一種認知無線電系統中避免干擾的并行頻譜分配方法，其特征是，所述計算用戶頻譜收益的步驟2中，可以根據不同的效益函數來計算用戶的頻譜收益，效益函數可以考慮不同的影響因子，比如頻譜質量、用戶本身的優先級、業務的Qos要求等。
4.根據權利要求1所述的一種認知無線電系統中避免干擾的并行頻譜分配方法，其特征是，所述步驟3中檢測用戶在M個頻帶的相互干擾情況的具體方法可以是，對集中控制式網絡而言，根據中心節點對其他受控節點的覆蓋范圍進行的設置，如功率控制、扇區劃分等，判斷哪些用戶節點在同時使用哪些頻帶時存在干擾；對分布式系統而言，可以采用載波偵聽等方式進行干擾判斷。
5.根據權利要求1所述的一種認知無線電系統中避免干擾的并行頻譜分配方法，其特征是，所述步驟4的頻譜分配的目標準則可以是NMSU準則，也可以是CMSU準則；NMSU準則下r(n，m)＝bn，m；CMSU準則下r(n，m)＝bn，m/(Dn，m+1)，Dn，m表示在頻帶m與用戶n有相互干擾的用戶個數。
6.根據權利要求1所述的一種認知無線電系統中避免干擾的并行頻譜分配方法，其特征是，所述步驟3中計算干擾矩陣過程中，可以僅對允許使用頻帶m的用戶進行檢測判斷，對不允許使用頻帶m的用戶k，在對頻譜m進行分配時可以不考慮，于是對Cm中表示與用戶k相關的信息的元素可以直接人為賦值，對應Cm中cn，k，m＝0，ck，n，m＝0，ck，k，m＝1，0≤n≤N-1，n≠k。
全文摘要
一種認知無線電系統中避免干擾的并行頻譜分配方法，屬于無線通信技術領域，特別涉及CR系統中的頻譜分配。包括檢測可用的頻譜資源、計算用戶頻譜收益、通過檢測相互干擾情況獲得干擾矩陣、選擇頻譜分配的目標準則、計算用戶n在頻帶m所獲得的收益r(n，m)、分配頻段等步驟。本發明整個頻譜分配過程中所有步驟可以同時對M段頻譜進行獨立的分配操作，可使得整個算法開銷降低，并縮短分配周期，有利于實現快速的頻譜分配以適應認知無線電系統中可用頻譜資源快速時變的特性；同時，可以適應頻譜對各用戶的差異性，并且可以對各頻譜進行獨立的檢測、效益函數設定和干擾測量等操作，具有很好的靈活性。
文檔編號H04W16/14GK1832613SQ200610020799
公開日2006年9月13日 申請日期2006年4月26日 優先權日2006年4月26日
發明者廖楚林, 陳劼, 唐萬斌 申請人:電子科技大學