[发明专利]使OFDM主用户收益最大化的认知无线电频谱分配方法

摘要

使OFDM主用户收益最大化的认知无线电频谱分配方法，属于无线通信中认知无线电频谱资源管理相关领域。特征是主用户作为频谱的管理者与次用户进行信息交互，考虑OFDM多载波技术的特殊性，在确立目标函数的过程中兼顾载波间干扰和用户对误码率的需求，主用户根据次用户的缓存状态等因素在每个时隙实时利用无休止赌博机模型做出决策进行频谱分配，同时设计了合理的频谱价格和接入律令，规范系统运行过程。本发明能使主用户在多个次用户的频谱市场中实时选取次用户使用频谱，增加主用户的收益。

主权项

1.使OFDM主用户收益最大化的认知无线电频谱分配方法，其特征在于，是在PC机上按以下步骤仿真实现的：步骤(1)，至少一个潜在的次用户基站向一个主用户基站发送空闲频谱的使用请求信息，其中至少包括：各自的缓存数据量、平均数据到达速率λ、地理位置和误码率需求，所述次用户基站和主用户基站以下简称为次用户和主用户；步骤(2)，主用户按以下步骤收集各个所述次用户的频谱使用请求：步骤(2.1)，在时隙t，主用户以各个所述次用户在时隙t下的数据缓存量为状态建立一个t时隙的次用户状态集合，简称系统状态向量，用表示：S_g表示状态为g的次用户，状态用S_g(t)表示，S₀(t)表示缓存数据量为0，依次递增，S_G(t)表示所需数据缓存量已超过了该次用户数据缓存量的存储能力，迫切需要频带传输数据以保证能正常运转，正准备转向其它主用户网络，G+1是状态总数，步骤(2.2)，对应于次用户的不同状态，主用户设置每Mb数据流量价格和状态价格，随着状态递增，状态价格按设定的等量递增，从而建立下述T个时隙总收益R：R=Σt=0T-1(Rva(t)+Rsa(t)),]]>为时隙t单位数据流量价格，是设定值，是随时间而变的，为时隙t状态价格，是设定值，是随时间而变的，次用户发生的上述两种价格的行为统一表示为a_n(t)=1表示次用户在时隙t占用主用户的空闲频谱进行数据传输，a_n(t)=0表示次用户没有占用主用户的空闲频谱，步骤(2.3)，主用户将步骤(2.2)中的上述信息形成一个短期的频谱租赁协议Spectrum LeaseProtocol简称SLP，广播给其覆盖范围内所有所述潜在次用户；步骤(3)，主用户按以下步骤进行频谱租赁准备：步骤(3.1)，若潜在的所述次用户不接受主用户在步骤(2.3)中设置的频谱租赁协议SLP，则转向其它主用户所在的网络，若接受，则向所述主用户发送接受消息，步骤(3.2)，主用户根据接受所述频谱租赁协议的次用户数N和主用户在时隙t时的M个空闲频带，计算从N个次用户中所选择M个空闲频带的优先索引值表，M≤N，步骤如下：步骤(3.2.1)，主用户按以下步骤计算次用户n的行为为a时的状态转移概率矩阵其中：p_EE为当前时隙t次用户n缓存数据量持续为0的概率，p_BK为当前时隙t次用户n因缓存数据量超过缓存阈值而转向其它主用户网络后因为缓存数据量减少又回到当前主用户网络的概率，为设定的估计值，p_OT为当前时隙t次用户n转向其它主用户网络后仍然不在当前主用户网络中的概率，为设定的估计值，p_OT+p_BK=1，次用户n在不接入空闲频谱a(t)=0时，从状态g转到状态g′的概率表示为：Pgg′0=P{(ϵg′-1-(ϵg+ϵg-12))≤X≤(ϵg′-(ϵg+ϵg-12))},]]>次用户n在接入空闲频谱a(t)=1时，从状态g转到状态g′的概率表示为：Pgg′1=P{(ϵg′-1-(ϵg+ϵg-12)+vn)≤X≤(ϵg′-(ϵg+ϵg-12)+vn)},]]>ε_g是状态S_g(t)的上限，为设定值，g=1,2,…,g,…G,g′=1,2,…,g′,…G,g≠g′，X是一个正整数k，在k＝0,1,2,…,K间取值，K是一个有限的正整数，为设定值，λ为次用户平均数据到达速率，v_n是次用户能达到的传输速率，vn=Δf·log2(1+τn·hnWnσ2+ΣI·i′j′),]]>其中：i′=1,2,…,i′…,I,I=M,j′=1,2,…,j′…,J,J=M,i′≠j′，i′,j′分别是从所述N个次用户中被选中的两个次用户的子载波的序号，在数据上等于使用的两个空闲频带的序号，Δf是相邻两个子载波i′,j′的频率间隔，为设定值，τ_n为一个常数，与次用户n的误码率BER_n有关，对于加性高斯白噪声信道，τ_n与BER_n间满足：τn=1.5-ln(5BERn),]]>σ²为加性高斯白噪声的单边功率谱密度，为己知值，h_n为次用户n的信道增益，为己知值，W_n是每一个次用户n的总的发送功率，为次用户n_i的子载波i′对次用户n_j的子载波j′造成的干扰，表示为I·i′j′(di′j′,Wi′)=|hi′j′|2Wi′Ts∫di′j′-Δf/2di′j′+Δf/2(sinπfi′Tsπfi′Ts)2dfi′,]]>其中：h_i′j′是子载波i′在子载波j′上的信道增益，W_i′是子载波i′上的次用户n_i的总发送功率，W_i′=W_n，T_s是OFDM符号时长，为己知值d_i′j′是两个子载波i′、j′之间的频率距离，为己知值f_i′是次用户n_i所在子载波i′的频率，步骤(3.2.2)，按下式确定使主用户收益最大化的优化目标函数：满足．I·i′j′(di′j′,Wi′j′)<I·spec]]>BERnj<BERnjspec]]>，其中：Σn=1Nani′(t)≤1]]>i′=1，2，…，i′…M，j′=1，2，…，j′…M，i′≠j′折扣因子Beta用β表示，确保总折扣收益的有界并收敛，β在O<β<1间取值，i′，j′表示空闲子载波频率，为己知值，是一个T×N矩阵，行是t，表示时隙，列是次用户的行为a_n(t)，是次用户n_i的子载波i′对次用户n_j的子载波j′造成的干扰的上限值，为设定值，为次用户n_j最大误码率的上限阂值，为设定值，a_ni′(t)表示t时隙在子载波i′上的次用户n_i的行为，表示在时隙t在子载波i′上最多只能有一个a_ni′(t)=1的活跃用户，步骤(3.2.3)，用无休止赌博机Restless Bandits求解主用户最大收益R^*，根据状态转移概率矩阵主用户空闲频带个数M，次用户个数N，折扣因子Beta=β，次用户状态数StateNumber=G+1，Alpha=zeros(N,G+1)为全零的N×(G+1)阶矩阵，下同，R0=zeros(N,G+1)，R1=ones(N,G+1)为全1的N×(G+1)阶矩阵，P0=zeros(G+1,G+1,N)，P1=P0，利用索引值函数function[Delta]=calc_index(M,N,Beta,StateNumber,Alpha,R0,R1,P0,P1)计算各次用户所对应的空闲频谱的用以表述使用顺序的索引值Delta，找出最小索引值所对应的次用户，以此最小索引值作为优先索引值，优先索引值对应的用户优先使用空闲频带，构造各次用户索引值Delta的查询表格，并全部存入主用户的数据库中；步骤(4)，主用户按以下步骤分配频谱：步骤(4.1)主用户根据各次用户当前的状态向量{s₁,s₂,...,s_N}查询表格，把索引值从小到大排序，并依次向所述N个次用户发送依次使用所对应的空闲频带信息，包含接入时隙，步骤(4.2)，如果得到允许a_n(t)=1，在下一时隙次用户接入相应频带传送数据，主用户基站监控整个系统的正常运行，步骤(4.3)，在时隙结束时，按如下步骤进行，步骤(4.3.1)，次用户统计自己的缓存和前一时隙发送数据的信息，如果仍然有数据需要传输并且数据量ε_cache没有超过阈值，则将缓存信息发送给主用户，0<ε_cache≤ε_spec，步骤(4.3.2)，主用户根据次用户的信息更新所有N个次用户的系统状态向量，步骤(4.4)，重复执行第(4.1)步到第(4.3)步，直到主用户没有空闲频谱能够出租，主用户发送终止通知并收回频谱的使用权，计算每个次用户应缴纳的租金并发送租金确认的信息。