专利名称：一种基于认知无线电通信盟的调度方法
技术领域：
本发明涉及一种基于认知无线电通信盟的调度方法，属于认知无线电技术领域。
背景技术：
随着社会的不断发展和科技的日新月异以及物联网的飞速普及，无线频谱资源却越来越紧张。在这种背景下，认知无线电(Cognitive Radio, CR)技术应运而生，CR技术通过在时间和空间上充分利用空闲的频谱资源，从而可以有效的缓解或解决上述频谱资源紧张的情况。认知无线电又被称为智能无线电，它以灵活、智能、可重配置为显著特征，通过感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，有目的地实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波频率和调制技术等)，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计变化，从而实现任何时间、任何地点的高可靠通信以及对异构网络环境有限的无线频谱资源进行高效地利用。认知无线电的核心思想就是通过频谱感知(Spectrum Sensing)和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配(DSA dynamic spectrum allocation)和频谱共享(Spectrum Sharing)。认知无线电对无线电灵活的频谱池提供一种机制，这种方法能扩展通常应用的可用带宽。认知无线电概念的出现推进了智能无线电技术在个人移动通信领域的发展。为实现频谱资源的有效利用，需要在主、次用户之间或次用户之间进行可用频谱调度，研究相应的调度算法使得认知用户可以动态的选择可用频段和时槽，提高频谱资源利用率。通过对主用户的频谱感知和时变衰落信道的估计，认知用户可以充分利用这种频谱机会实现频谱机会调度。调度利用时变的信道状况和主用户产生的时频空穴，在给定时间内调度具有最好信道状况的用户或用户子集实现有效的传输，从而实现优化的系统性能并满足各种QoS限制(如公平性、最大速率性能的保证、最小时延等)。尽管机会调度机制在蜂窝网络的框架下已被广泛研究，但由于主用户的时变特性产生了时变的可用频谱，不同于以往的蜂窝网，所以基于认知无线电的频谱机会调度成为新的研究热点。目前，该领域研究集中在认知无线电中心式可变速率链路调度问题，通过图论模型、线性规划和跨层方法实现了频谱资源的公平有效调度。提出了两种最优化策略随机化最优频谱调度和确定化最优频谱调度，来解决认知无线Mesh网中的最优化频谱调度问题。 通过整数线性规划研究了多跳无线网络中认知无线电MAC层调度问题，通过启发式算法得到最优调度。在认知无线电多跳网络中，通过混合整数非线性规划(MINLP)研究了多跳节点之间的可用频谱调度问题。提出了一种新的次最优化方法解决了 MINLP问题，实现了多跳认知无线电网络中频谱资源的最优分配和有效调度。在分布式环境下，认知用户感知主用户的存在和相应的空闲频谱信道的增益，通过控制信道交换感知、干扰等信息，在每个时槽选择最适合的用户子集和信道进行传输，公平、有效的利用可用频谱资源。目前一种可行的功率分配方法是将测量到的主用户接收机信号的本地信噪比(SNR，signal to Noise Ratio)近似为认知用户与主用户间的距离，从而相应地调整认知用户的发射功率。此外，Clemens等人提出了一种相对智能的功率分配策略，可将博弈论和遗传算法相结合，即采用两用户重复博弈理论建模，借助遗传算法来搜索策略空间。这些方法可实现在保证主用户不受有害干扰的前提下“贪婪”地增加认知用户的发射功率。对于既存在合作又存在竞争的多址CR系统，为避免多用户的冲突问题，分布式功率控制的研究更为重要。多址CR系统的发射功率受到给定的干扰温度和可用频谱空洞数量这两种网络资源的限制。到目前为止，一般主要应用信息论和博弈论来解决其功率控制的难题。多用户CR系统的功率控制问题首先可以看作是一个博弈论问题。若不考虑竞争现象，则可看作纯合作博弈，这样该问题就简化为一个最优控制理论问题。但是，这种简化没有考虑到各种影响决策因素之间的互动作用，限制了博弈论的应用范围。因此用博弈论方法研究的功率控制问题最终被归结为一个非合作博弈，目前主流的方法是采用Markov对策进行分析解决。实现功率控制的另一种方法是基于信息论的迭代注水法，分析表明迭代注水法更适用于多用户环境。离散随机逼近优化(Stochastic Approximation, SA)简称SA算法。随机逼近问题是求解未知函数极值的一类随机优化问题。它不同于传统非线性规划问题的地方在于目标函数的不确定性和未知性，这也是随机逼近问题的难点所在。随机逼近问题的上述特点， 使得原有的传统的优化算法对于求解随机逼近问题不再有效。正因如此，新的求解这类问题的算法的设计也就显得尤为必要。我们把求解这类问题的算法统称为随机逼近算法。当一个系统受到的随机干扰不能忽略时，可称它为随机系统，这时系统的输入和输出数据都可能是随机数据。从某些实际用途出发，如估计系统的某些参数，寻求系统的某种优化值或对系统作控制、预报等，都需要从不断得到的输入输出数据构造递推算法。算法的一般形式为ek+1 = ek-ykf(0k, yk+1, ε k+1)其中，{ek}是被算法递推更新的序列，是欲求值的逐次逼近，{yk}是对系统状态或输入输出数据的在线观察序列，{ ε J是随机干扰序列，其值不能单独观测。f( ，·，…，·) 是上述变量信息的函数。虽然自变量￡1;的值未知，但€(91;，71^1，ek+1)的值可以得到，它为修正下一步的参数估计带来新的信息，所以又称它为算法的动态信息序列，而{yk}是算法的增益序列，又称为步长因子。通常{Yk}满足{Yk} >0，Σ Yk=-,Σ Yk2<^。只有当欲求的参数有较强的时变特性时才有例外。随机逼近算法就是满足上式形式的一种具体算法，它在寻找函数极值问题中有非常重要的应用，可以直接利用量测数据，建立逼近算法寻找函数极值。随机逼近算法具有算法结构简单、不需要对系统模型有先验知识和对量测噪声有比较好的处理效果等优点。设未知函数g(e) :RP — Rp，零点为0*，即8(0) =Oo若θ k是在k时刻对Θ* 的估计，在91;时8(·)的量测值为yk+1 = g(0k)+ek+1其中{ ε k}是量测误差序列，它和g( ·)都是不可精确观测的，g( ·)称为回归函数。如何利用已知的数据序列{9k}和{yk}，来构造一种算法去逼近回归函数的根Θ*，这就是随机逼近问题。在随机系统的估计、预报、控制和优化中，问题常常归结为随机逼近。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对当前固定频谱分配带来的频谱资源紧缺的矛盾，提供一种基于认知无线电通信盟的调度方法，采用离散随机逼近优化算法实现频谱资源的分配，联合注水算法进行了认知次用户的功率分配，同时定义了通信联盟盟内和盟间的接入方式和通信协议。本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案一种基于认知无线电通信盟的调度方法，包括盟内用户通信调度方法、盟间用户通信调度方法、频谱调度方法、功率分配方法；I、盟内用户通信调度方法是采用盟内通信协议使欲进行通信的两个盟内认知次用户协商，具体方法包括无中继请求的调度方法、有中继请求的调度方法，其中I-A，无中继请求的调度方法步骤如下①当接受通信请求的认知次用户所处的信道容量未饱和，则基站为欲进行通信的两个认知次用户分配通信时隙当两个认知次用户成功建立通信，则盟主更新通信盟列表并通过广播帧广播；当两个认知次用户无法建立通信，则执行有中继请求的调度方法；②当接受通信请求的认知次用户所处的信道容量已饱和，则由盟主向基站申请空闲频点，然后由基站通知盟主为欲进行通信的两个认知次用户在空闲频点分配通信时隙当两个认知次用户成功建立通信，则盟主、基站分别更新通信盟列表并通过广播帧广播；当两个认知次用户无法建立通信，则执行有中继请求的调度方法；③当接受通信请求的认知次用户不接受通信发起方的通信请求，则判断两个认知次用户通信失败；I-B，有中继请求的调度方法步骤如下i，当有其他认知次用户在广播频段收到欲进行通信的两个认知次用户的广播帧， 该用户在广播频点发通告告知所在盟的盟主；当盟主收到多个认知次用户发来的信息，根据中继选择算法选择最优的认知次用户作为中继节点，并通知该中继节点；如果超时没有收到该中继节点的应答信息，告知通信双方无法通信；ii，当盟主没有收到其他认知次用户在广播频段的响应，则盟主根据自身是否达到通信量门限值确定是否作为通信双方的中继节点当结果为是，则选定某一时隙并通知通信双方进行通信；同时将新建立的通信链路加入通信盟列表中，在下一帧广播帧广播；当结果为否，则告知通信双方无法通信；II、盟间用户通信调度方法分为采用盟间认知次用户中继的多频带分时隙联盟博弈方法、采用基站中继的多频带分时隙联盟博弈方法，具体如下II-A，采用盟间认知次用户中继的多频带分时隙联盟博弈方法，具体如下有通信请求的两个认知次用户告知各自所在盟的盟主，然后由各自的盟主通知基站，基站通过中继选择算法获取这两个认知次用户的一个或者多个盟间认知次用户作为盟间中继节点集a)当接受通信请求的认知次用户、盟间中继节点所处的信道容量未饱和，则基站为欲进行通信的两个认知次用户分配通信时隙同时由通信双方各自的盟主分配时隙，更新通信盟列表，并在广播帧告知通信双方及中继节点；b)当接受通信请求的认知次用户所处的信道容量已饱和，不可以继续接受通信请求，则判定通信双方通信失败；c)当接受通信请求的认知次用户所处的信道容量饱和，则基站为其在空闲频点分配工作时隙，由盟主更新通信盟列表然后通过广播帧广播；d)如果中继节点不可以继续接受通信请求，则基站通过查询通信盟管理列表查找中继节点的替代中继节点，更新通信盟列表然后通过广播帧广播；II-B，采用基站中继的多频带分时隙联盟博弈方法，具体如下当基站通过排序所有能作为中继的节点后发现自己作为中继的通信效率最高时， 通知通信双方，并通过协商确定与通信双方的通信频点和时隙；当接受通信请求的认知次用户所处的信道容量未饱和，由盟主为其分配时隙，并更新通信盟列表，同时在广播帧告知通信双方；当接受通信请求的认知次用户不接受通信请求，则判断通信双方呼叫失败；当接受通信请求的认知次用户所处的信道容量饱和，则基站为其在空闲频点分配工作时隙，同时更新通信盟列表后通过广播帧广播；当基站不可以继续接受通信请求，则判断通信双方通信失败；当通信双方在通信过程中超过规定的门限时间，通信一方没有收到来自另一方发送的数据或者相应的响应，通过尝试重连后仍然失败，则判定通信结束，通过广播频点向基站发送通信结束通知；III、频谱调度方法是根据离散随机逼近优化算法进行，具体过程如下a，初始化=Sm^1，随机选择传输模式I(m)并初始化^7OO，设定概率向量P，
根据随机逼近算法，定义初始随机选择的频谱的概率为1，在数值上反应为=PeZw,即若 (X，Y)为Iw中元素为1的坐标集合，表达式为(X，Y) = Fiw(I)；然后对集合(X，Y)在P 矩阵的相对应的位置置1，即ρ[(χ，γ)] = 1 ；b，采样和赋值给定I(m)，计算对应的Φ(Π1，IW)，均勻的选择另一个候选的广)en/(m)，计算对应的树m,广、;c，接受如果树m，/(""))>於(m，/—1)，则设定<^广)；否则设定。/⑷.d，采用自适应滤波器用于更新动态信息序列通过ρ (m+1) = ρ (m) + μ [I (m+1) _p (m) ]，0 < μ <1 更新状态占用概率；e，在当前迭代更新最优解的估计如果p(T (― (1)) >(1))，则设定
a (m+1), A(m+1)λ(πι)
/ =/(-1);否则设定7.f，设 ^ + 1，返回步骤b，直至η到达给定迭代逼近次数或达到给定运算时间时， 算法结束；IV，功率分配步骤是采用注水算法进行，具体步骤如下第一步，采用拉格朗日乘子法求解最大化系统的吞吐量
权利要求
1. 一种基于认知无线电通信盟的调度方法，其特征在于包括盟内用户通信调度方法、盟间用户通信调度方法、频谱调度方法、功率分配方法；I、盟内用户通信调度方法是采用盟内通信协议使欲进行通信的两个盟内认知次用户协商，具体方法包括无中继请求的调度方法、有中继请求的调度方法，其中I-A，无中继请求的调度方法步骤如下①当接受通信请求的认知次用户所处的信道容量未饱和，则基站为欲进行通信的两个认知次用户分配通信时隙当两个认知次用户成功建立通信，则盟主更新通信盟列表并通过广播帧广播；当两个认知次用户无法建立通信，则执行有中继请求的调度方法；②当接受通信请求的认知次用户所处的信道容量已饱和，则由盟主向基站申请空闲频点，然后由基站通知盟主为欲进行通信的两个认知次用户在空闲频点分配通信时隙当两个认知次用户成功建立通信，则盟主、基站分别更新通信盟列表并通过广播帧广播；当两个认知次用户无法建立通信，则执行有中继请求的调度方法；③当接受通信请求的认知次用户不接受通信发起方的通信请求，则判断两个认知次用户通信失败；I-B，有中继请求的调度方法步骤如下i，当有其他认知次用户在广播频段收到欲进行通信的两个认知次用户的广播帧，该用户在广播频点发通告告知所在盟的盟主；当盟主收到多个认知次用户发来的信息，根据中继选择算法选择最优的认知次用户作为中继节点，并通知该中继节点；如果超时没有收到该中继节点的应答信息，告知通信双方无法通信；ii，当盟主没有收到其他认知次用户在广播频段的响应，则盟主根据自身是否达到通信量门限值确定是否作为通信双方的中继节点当结果为是，则选定某一时隙并通知通信双方进行通信；同时将新建立的通信链路加入通信盟列表中，在下一帧广播帧广播；当结果为否，则告知通信双方无法通信；II、盟间用户通信调度方法分为采用盟间认知次用户中继的多频带分时隙联盟博弈方法、采用基站中继的多频带分时隙联盟博弈方法，具体如下II-A，采用盟间认知次用户中继的多频带分时隙联盟博弈方法，具体如下有通信请求的两个认知次用户告知各自所在盟的盟主，然后由各自的盟主通知基站， 基站通过中继选择算法获取这两个认知次用户的一个或者多个盟间认知次用户作为盟间中继节点集a)当接受通信请求的认知次用户、盟间中继节点所处的信道容量未饱和，则基站为欲进行通信的两个认知次用户分配通信时隙同时由通信双方各自的盟主分配时隙，更新通信盟列表，并在广播帧告知通信双方及中继节点；b)当接受通信请求的认知次用户所处的信道容量已饱和，不能继续接受通信请求，则判定通信双方通信失败；c)当接受通信请求的认知次用户所处的信道容量饱和，则基站为其在空闲频点分配工作时隙，由盟主更新通信盟列表然后通过广播帧广播；d)当中继节点不能继续接受通信请求，则基站通过查询通信盟管理列表查找中继节点的替代中继节点，更新通信盟列表然后通过广播帧广播；II-B，采用基站中继的多频带分时隙联盟博弈方法，具体如下 当基站通过排序所有能作为中继的节点后发现自己作为中继的通信效率最高时，通知通信双方，并通过协商确定与通信双方的通信频点和时隙；当接受通信请求的认知次用户所处的信道容量未饱和，由盟主为其分配时隙，并更新通信盟列表，同时在广播帧告知通信双方；当接受通信请求的认知次用户不接受通信请求，则判断通信双方呼叫失败； 当接受通信请求的认知次用户所处的信道容量饱和，则基站为其在空闲频点分配工作时隙，同时更新通信盟列表后通过广播帧广播；当基站不能继续接受通信请求，则判断通信双方通信失败；当通信双方在通信过程中超过规定的门限时间，通信一方没有收到来自另一方发送的数据或者相应的响应，通过尝试重连后仍然失败，则判定通信结束，通过广播频点向基站发送通信结束通知；III、频谱调度方法是根据离散随机逼近优化算法进行，具体过程如下a，初始化设J11^1，随机选择传输模式Iw并初始化；^。/W，设定概率向量P，根据随机逼近算法，定义初始随机选择的频谱的概率为1，在数值上反应为PeZwJP 若 (X，Y)为Iw中元素为1的坐标集合，表达式为(X，Y) = Fiw(I)；然后对集合(X，Y)在P 矩阵的相对应的位置置1，即ρ[(χ，γ)] = 1 ；b，采样和赋值给定I(m)，计算对应的Φ (m, Iw)，均勻的选择另一个候选的广)en/—)，计算对应的树m,广));c，接受如果树m,/w)>树m,/(m))，则设定严、C)；否则设定/—+υ -/⑷； d，采用自适应滤波器用于更新动态信息序列通过 P(m+1) = p(m) + y [l(m+l)-p(m)],0 < μ < 1 更新状态占用概率；e，在当前迭代更新最优解的估计如果ρ(Τ (― (1)) >(1))，则设定A(m+1)>rL , A(m+1)Λ(πι)/ ^/(-υ;否则设定7.f，设《<^ + 1，返回步骤b，直至η到达给定迭代逼近次数或达到给定运算时间时，算法结束，η为整数；IV，功率分配步骤是采用注水算法进行，具体步骤如下 第一步，采用拉格朗日乘子法求解最大化系统的吞吐量
2.根据权利要求1所述的一种基于认知无线电通信盟的调度方法，其特征在于所述中继选择算法如下A、将通信发起方接收中继节点的RSSI、通信接受方接收中继节点的RSSI以及中继节点的流量分别加权作为系数K=·α·■ Α+ β·Ra+β= ■皿’腿入〉腿·’腿一腿·)OKMmn^Me KMmn)其中α，β，y为加权的权值，R为中继节点的速率，Rmax代表中继节点的最大速率，]^7_代表系统接收信号强度指示均值的最小值，i XS7A代表代表通信发起方接收中继节点的信号强度检测均值，代表通信接受方接收中继节点的信号强度检测均值，互代表中继节点的速率均值，当中继节点的流量超过最大值，则置系数W。为O ；B、判断系数W。，取在门限范围内系数W。值最大的认知次用户作为中继节点，当系数W。 为0，则表明该认知次用户不能作为中继节点。
3.根据权利要求1所述的一种基于认知无线电通信盟的调度方法，其特征在于还包括入盟方法、退盟方法、盟主更新方法，具体为入盟方法对于包含联盟或者个体用户集合(S1, S2, S3-入盟的用户sk+1，当满足下列条件时，允许用户sk+1入盟'Sk)的通信盟υ)=Λ，有欲BSi^S ,RSSIi > RSShk+1ΣΗ W(職)产1V(U-^7) < V(Ut1^7)
4.根据权利要求1所述的一种基于认知无线电通信盟的调度方法，其特征在于还包括通信盟的定时更新通告验证步骤，具体为系统开始运行前，由基站与各通信盟盟主协商定时更新机制，所述定时更新机制包括定时更新时间周期、更新内容和更新帧格式；当定时更新机制协商好后，由各通信盟中的盟主按照定时更新机制定时发送更新报生 1=1 当基站收到通信盟盟主的定时更新报告后，对通信盟列表进行维护； 当某一通信盟盟主在门限时间内没有发送定时更新报告，则由基站撤销该通信盟，同时更新通信盟列表、置更新标志位，并删除基站中该通信盟的用户信息。
全文摘要
本发明公开了一种基于认知无线电通信盟的调度方法，属于认知无线电技术领域。本发明将最大化系统的吞吐量作为通信盟模型的求解目标；通过基于离散随机逼近的通信盟频谱调度算法并联合注水算法共同求解该通信盟模型，并且定义了通信盟盟内和盟间的接入方式和通信协议，规范了入盟、退盟、盟主更新原则，达到通信盟的频谱调度。本发明实现频谱资源的公平高效利用，实现资源分配的帕累托最优，提升认知网络通信性能，最大限度的提高系统吞吐量，并明显地提高频谱利用率。
文档编号H04W72/04GK102438313SQ20111026105
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月6日 优先权日2011年9月6日
发明者崔龙, 杨震, 田峰 申请人:南京邮电大学