[发明专利]一种认知无线电系统中基于效用函数的分布式功率控制方法

权利要求书

1.一种认知无线电(Cognitive Radio)系统中基于效用函数的分布式功率控制方法，其特征在于：

认知无线电功率控制的两个最基本的要求是实现对PUs的保护，即保证CRUs对PUs的干扰不会超过PUs能承受的干扰范围，和提供对CRUs的QoS支持；一般来讲，QoS的好坏与SINR的满足与否有较大的关系，本方案的增益函数G(i)表示CRUi的SINR要求——CRUi接收端获得的信干噪比(SINR)γ_i要达到QoS要求的信干噪比γ_d：

其中，p_i表示CRUi的发射功率，p_j表示CRUj的发射功率，h_ii表示CRUi在信道i上到认知无线电基站的路径增益，h_ii表示CRUj在信道i上到认知无线电基站的路径增益，n₀表示噪声；

此外，利用代价函数C(i)表示对PUs保护——假设在进行功率控制之前，我们已经得到了PUs能承受的最小干扰P_T，则对PUs的保护可以表示为：

其中，g_i表示CRUi到PUs的路径增益；

这样，每个想接入本系统的CRU都拥有了一个效用函数U(i)＝G(i)-C(i)；

直接由公式(1)的SINR要求，增益函数表示如下：

上式要求γ_i≥γ_d以使函数有意义，其中，λ_i是一个可调参数；

代价函数可表示为：

p_i可以表示为γ_i的函数，令 ρ_Lic表示CRUi受到的来自PUs的干扰，结合公式(3)和公式(4)，效用函数表示如下： 

其中，α_i表示既满足对PUs保护又支持CRUs QoS的折中策略的因子；

则功率控制问题就可被详细描述为：寻找到一组功率向量P＝[p₁，p₂…p_N]，使得对于所有合适的CRUs有下面的问题成立：

令p_i^*是对CRUi而言的局部最优值，则：

其中，

表示C(i)的斜率，令则最优解为：

相应的功率分配为：

因此，CRUi根据以下原则更新其在第k+1步迭代计算得到的发射功率p_i^*(k+1)：

其中，k表示第k步迭代，p_i(k)表示第k步迭代计算得到的发射功率，Intf_i(k)表示第k步迭代计算中的CRUi受到的来自PUs的干扰；

然而，一些研究结果说明公式(11)的形式表明，当存在一个合适的功率分配使得任意接入用 户i的SINR满足γ_i≥γ_d时，式(11)能保证功率收敛，但若上述条件不成立，公式(11)的方法会导致功率不收敛，因此，通过接入控制来拒绝不受欢迎的CRUs以解决收敛问题；

现在的问题是以什么样的标准判断一个CRUi是否是受欢迎的或是允许接入的，换句话说，如何找到一个合适的γ_i^*以满足式(6)中的所有条件，通过调整参数β_i，会有三种不同的C(i)的曲线，它们分别和G(i)相离，相切和相交，当 时，如果G(i)和C(i)相切，则令相应的 γ_i＝γ_i^t，上标t代表相切的情况；

[性质1]对任一想接入本系统的CRUi而言，若其 则认为此认知用户是受欢迎的；

[性质2]当 时，令其中，有：

令 表示发射机允许的物理最大发射功率，其相应的SINR为 则γ_i的最大值γ_i^max为：

有了以上两个性质作为理论基础，下面我们给出算法的步骤——基于效用函数的分布式功率控制(UPCAC，Utility based Power Control jointing with Admission Control)：

步骤1更新Intf_i(k)，g_i(k)， 和h_ii(k)，计算α_i(k)，β_i(k)和β^t_i(k)。如果β_i(k)≤β_i^t(k)，这里，g_i(k)表示第k步迭代时CUi到PUs的路径增益，α_i(k)表示第k步迭代时CUi策略因子取值，β_i(k)表示C(i)在第k步迭代时的斜率，β^t_i(k)表示第k步迭代G(i)和C(i)相切时β_i(k)的取值，至步骤2；否则，至步骤4；

步骤2令与γ_i^max(k)相应的功率为p_i^max(k+1)，与γ_d对应的功率为p_i^min(k+1)，若p_i^min(k+1)≤p_i^max(k+1)，至步骤3，否则，至步骤4；

步骤3在闭区间[p_i^min(k+1)，p_i^max(k+1)]上找到最优点p_i^*(k+1)以最大化U(i)，至步骤5；

步骤4 p_i^*(k+1)＝0，U(i)(k+1)＝0； 

步骤5令k←k+1，至步骤1；

若一个想接入本网络的CRU的最终的功率非零，则认为此CRU是受欢迎的并且允许接入本网络，由于在UPCAC中，我们保证了0＜inf(i)＜1，因此我们确保了对主用户的保护。