CN102869018A - 认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法，包括：S1，认知用户周期性地感知无线电环境，认知基站获取子信道状态信息；S2，认知用户向认知基站发送通信请求并告知认知基站需要传输的信息量大小，同时认知基站采集认知用户的服务质量需求信息；S3，认知基站通过求解最优化问题来为认知用户分配初始阶段的最优信道和功率，认知用户开始通信；S4，初始阶段通信结束时，更新子信道状态信息和服务质量需求信息；S5，认知基站进行第i阶段的信道和功率的最优联合分配；S6，认知用户继续周期性地感知周围无线电环境，实现后续阶段的信道和功率的最优分配。本发明能保证认知用户在不同资源分配阶段的通信连续性。

Description

认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法

技术领域

本发明涉及一种认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法，属于无线通信领域。

背景技术

无线电频谱资源是一种珍贵的不可再生资源。随着无线通信技术的发展，频谱资源的短缺成为当前通信领域面临的主要问题之一。一方面，无线局域网、无线个人域网及无线城域网等无线网络技术的兴起，使得人们对无线频谱资源的需求日益增长，频谱供需的矛盾日益突出；另一方面，许多已分配的频段在大多数情况下未被充分利用。美国联邦通信委员会（FCC）在2003年的调查所提供的数据表明，已经分配的频谱的利用率仅为15%~85%。在这种背景下，认知无线电技术应运而生。认知无线电技术作为一种智能的动态频谱共享技术，能够感知无线通信环境，根据一定的学习和调度算法，实时自适应地改变***的工作参数，动态检测和有效利用空闲频谱，在本质上提高频谱资源利用率、解决频谱资源短缺问题。在认知无线电网络中，由于无线频谱资源的时间、空间变化特性，以及认知用户移动导致网络拓扑变化等，因此对网络中资源（信道、功率等）的分配必须满足动态自适应的要求。动态资源分配方法通过周期性地检测无线网络环境获取信道状态信息，根据当前业务的QoS需求，为用户分配最合适的传输信道和传输功率，充分提高无线频谱的利用率和网络的吞吐量。

申请号为“201110274437.0”的专利文件公开了“一种用于认知无线电网络的信道和功率联合分配方法”，该方法重点考虑并保证的是认知用户的速率要求和用户公平性，最终通过合作博弈理论解决分配问题，实现了资源的公平分配。申请号为“200910034228.1”的专利文件公开了“认知无线电中基于干扰温度的信道与功率联合分配方法”，该方法重点考虑的是在授权用户干扰温度限制下，信道和功率资源的公平性分配问题，依据小区内授权用户允许的最大干扰温度推算出认知用户的可发送功率，并且引入贫困线来保证各个用户信道分配的公平性。

上述认知无线电的信道和功率联合分配方法中，虽然考虑到了认知用户对主用户的干扰以及认知用户的服务质量问题，但这些方法解决的都是在某一种特定的无线电环境状态下的信道和功率资源的分配问题，而没有考虑多阶段的信道和功率联合分配问题；并且都没有考虑认知用户的通信连续性问题，在这些分配机制下，认知用户在每个频谱分配阶段都要频繁地切换信道，不仅消耗了能量，还无法保证前后通信的连续性。因此研究认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法，能够保证认知用户在不同资源分配阶段的通信连续性。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：一种认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法，在集中式结构的认知无线电网络中随机分布N个认知用户（SU），在网络的中心位置设置一个认知基站（BS），网络中可用频谱被划分为M(M＞N)个正交的子信道，每个子信道的带宽均为W，包括以下步骤：

S1，认知用户周期性地感知无线电环境，认知基站采用一定的合并准则，对N个认知用户收集到的数据信息进行融合，通过合作检测的方法获取子信道状态信息，用向量I={I_m|I_m∈{0,1}}_M×1表示，其中，I_m＝1表示子信道m被主用户（PU）占用，I_m＝0表示子信道m空闲；“一定的合并准则”和“合作检测的方法”均采用公知技术。

S2，认知用户向认知基站发送通信请求，并告知认知基站需要传输的信息量大小（单位为比特），用向量R={R_n|R_n≥0}_N×1表示，R_n＝0表示认知用户n无通信需求，同时，认知基站采集每个认知用户的服务质量需求信息，服务质量需求信息用信噪比衡量，用向量γ={γ_n}_N×1表示；

S3，认知基站根据子信道状态信息以及服务质量需求信息，通过求解一个带有约束条件的最优化问题来为认知用户分配初始阶段的最优的信道和功率资源，认知用户开始进行通信；

S4，当初始阶段的通信结束时，更新子信道状态信息和服务质量需求信息，在进行下一阶段，即第i(i＞1)阶段的信道和功率资源分配前，需完成以下步骤：

S41，在第i阶段的信道和功率资源的分配前，需通过

即式（1）检测各认知用户是否完成第i-1阶段通信；其中

表示第i-1阶段认知用户n需要传输的信息量；

表示第i-1阶段认知用户n的信息传输速率，

c_m，n＝1表示子信道m分配认知用户n使用，p_m，n表示认知用户n在子信道m上的发送功率，h_m,n表示认知用户n在子信道m上的信道增益，N₀表示噪声功率谱密度；T表示每个阶段中认知用户用于传输数据的时间；

S42，若式（1）成立，则表示认知用户n完成了第i-1阶段信息量的传输，否则则表示认知用户n没有完成i-1阶段信息量的传输；

S43，判断未完成通信的认知用户在第i-1阶段被分配的信道是否在第i阶段全部被主用户占用，如果被占用，则将此认知用户划入集合Ψ₂，否则将其划入集合Ψ₁；

S44，如果在第i阶段有新的认知用户向认知基站发送通信请求，将该认知用户划入集合Ψ₂；

S5，通过步骤S4得到集合Ψ₁和Ψ₂后，认知基站进行第i阶段的信道和功率的最优联合分配，其中：

（1）对于集合Ψ₁中的没有完成第i-1阶段通信的认知用户，认知基站允许它们继续占用第i-1阶段被分配的并且在当前阶段未被主用户占用的子信道进行通信；

（2）假设在第i-1阶段分配给集合Ψ₁中的用户并且在当前阶段未被主用户占用的子信道的集合为∏，则在步骤S3中所述的最优化问题中加入一个限制条件：

m∈∏,n∈Ψ₁，其中，c_m，n＝1表示子信道m分配给认知用户n使用，使其成为第i阶段的信道和功率联合分配对应的最优化问题，通过求解加入限制条件后的最优化问题，为集合Ψ₂中的用户分配最优信道，并为集合Ψ₁和Ψ₂中的用户分配最优功率；此限制条件可以使未完成通信的认知用户在不同分配阶段占用相同的信道资源，避免了频繁的信道切换过程，保证了认知用户在不同分配阶段通信的连续性。

S6，完成第i阶段的信道和功率的最优联合分配后，认知用户继续周期性地感知周围无线电环境，更新子信道状态信息以及服务质量需求信息，实现后续阶段的信道和功率资源的最优分配。

前述的认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法中，认知用户感知无线电环境的周期由***协议确定，在一个周期内，认知用户用于感知无线电环境的时间为τ，用于传输数据的时间为T。

前述的认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法中，步骤S1中，认知基站采取协作的频谱感知方法检测子信道的占用情况，来获取子信道状态信息。假设认知用户n接收到的信号为y_n，协作频谱感知方法就是由认知基站对各个认知用户接收到的数据信息进行融合，如果采取等增益合并准则，则认知基站获取的信息为Y＝∑y_n；如果采用加权合并准则，则认知基站获取的信息为Y＝∑w_ny_n，其中w_n表示权重因子，采用协作频谱感知方法能提高检测性能。

前述的认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法中，所述步骤S3中的最优化问题包括：

(a)目标函数

以最大化***吞吐量为目标函数，其表达式为：

$\underset{C,P}{\max }\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{m,n}W{\log }_2(1+\frac{p_{m,n}{\left|h_{m,n}\right|}^2}{N_{0}W}),$

其中C和P分别表示信道分配矩阵和功率分配矩阵，c_m，n＝1表示子信道m分配给认知用户n使用，p_m，n表示认知用户n在子信道m上的发送功率，h_m,n表示认知用户n在子信道m上的信道增益，N₀表示噪声功率谱密度；

(b)约束条件

I.当认知用户发送通信请求时，认知基站才为其分配信道，只有空闲的子信道才被用来分配给认知用户使用，并且每个子信道只能被一个认知用户使用，因此需满足c_m，n＝0,n∈{n|R_n＝0},

c_m，n＝0,m∈{m|I_m＝1},

和

m∈{m|I_m=0}；

II.为了避免对主用户的干扰，必须对认知用户在各个子信道上的发送功率进行限制，需满足

其中，P_m表示主用户在子信道m上的干扰功率上限；

III.为了达到认知用户的服务质量要求，各个认知用户在子信道上进行数据传输时的信噪比需满足

其中，γ_n表示保证认知用户n通信服务质量的最低信噪比要求；

因此，信道和功率联合分配的最优化问题描述为：

$\underset{C,P}{\max }\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{m,n}W{\log }_2(1+\frac{p_{m,n}{\left|h_{m,n}\right|}^2}{N_{0}W})$

s.t.c_m，n∈{0,1}

c_m，n＝0,        n∈{n|R_n＝0},

c_m,n＝0,         m∈{m|I_m＝1},

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{m,n}=1,$ m∈{m|I_m＝0}

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{m,n}{p}_{m,n}{\left|h_{m,n}\right|}^2\≤P_m,\∀m$

$\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{m,n}{p}_{m,n}{\left|h_{m,n}\right|}^2}{N_{0}W}\≥{\mathrm{\γ}}_n,\∀n$

通过求解该最优化问题，得到矩阵C^*和P^*，为有通信需求的认知用户分配最优的信道和功率资源。

前述的认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法中，在***中建立一个固定的控制信道，用于认知用户和认知基站进行频谱感知信息和控制信息的交互。

前述的认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法中，在每个阶段认知用户传输数据的过程中，如果有新的认知用户提出通信请求，认知基站将存储请求信息，并在下一阶段进行处理。

与现有技术相比，本发明提出了一种单个认知无线电小区内的上行资源（信道和功率）的阶段化分配方法，认知基站根据各个阶段的信道状态信息以及认知用户服务质量需求信息，实现了信道和功率资源阶段化的动态自适应分配。同时，在每个阶段的资源分配前认知基站都要判断上一阶段所有认知用户是否完成了通信，在最优分配问题中加入了一个限制条件，从而使未完成通信的认知用户将继续占用上一阶段分配的并且在当前阶段未被主用户占用的子信道进行通信，重点考虑了认知用户在不同资源分配阶段通信连续性的问题，避免了认知用户在不同分配阶段频繁切换信道的过程，减小了***的能量消耗，保证了认知用户在不同分配阶段通信的连续性。本发明中，在每个分配阶段首先判断所有认知用户在前一阶段是否完成了通信，然后根据判断结果以及新的通信请求将认知用户划入两个不同的集合。对于两个集合中的用户，信道资源采用不同的分配方式，而功率资源仍然统一分配。采取这样的分配方法，满足了不同用户的通信需求，实现了***性能的最优化。

现有的信道和功率联合动态分配方案都是基于分布式或集中式的网络结构的。虽然分布式的策略能够提高用户的自治性，但由于缺乏管理者，使得所实施的策略需要大量的信息交互，增加了网络的负担。因此，本发明将采用集中式结构的信道和功率动态联合分配方法，在认知网络中，设置认知基站作为中心节点，负责接收网络中认知用户的频谱感知信息、频谱资源申请信息等，根据动态分配算法，实现信道和功率的联合动态分配。

假设在第i个分配阶段有J个子信道被分配给认知用户n使用，并且认知用户n在第i阶段没有完成通信，现考虑第i阶段和第i+1阶段认知用户n的通信连续性。由前述的保证通信连续性的资源分配方法可知，只有当J个子信道在第i+1阶段全部被主用户占用时，认知用户n才会切换到新的子信道进行通信。假设任何一个子信道在任一分配阶段空闲的概率都为P_s，则认知用户n在第i阶段和第i+1阶段保持通信连续性的概率为P_con＝1-(1-P_s)^J。本发明的方法不仅能够保证认知用户在不同分配阶段具有很高的通信连续性，同时由于避免了频繁的信道切换过程，使***消耗的能量减小。假设不采用该方法，认知用户n必须进行D次信道切换才能完成第i+1阶段的信道切换过程，而每一次信道切换消耗的能量为E_i(i＝1,K D)，则采用该方法后，***能够减少的能量消耗为

假设网络中认知用户的个数N＝2，分别为SU₁和SU₂，***已完成第i阶段的信道和功率联合分配过程，并且SU₁未完成第i阶段的通信。现考虑第i阶段和第i+1阶段SU₁的通信连续性。图5给出了100次试验中，SU₁在第i阶段和第i+1阶段保持通信连续性的次数，在每次试验中，信道状态都是随机设置的。从图5可以看出，随着***中子信道个数的增加，SU₁保持通信连续性的次数在逐渐增加，信道切换的次数相对减少，通过采用本发明的联合分配方法，认知用户SU₁保持通信连续性的概率在70%以上。由于减少了信道切换的次数，***消耗的能量也将减小。假设认知用户进行一次相邻信道之间的切换过程消耗的能量为10mJ，图6比较了本发明的分配方法和不保证通信连续性的方法（未在信道和功率分配最优化问题中加入保证通信连续性的限制条件）在第i+1阶段消耗能量的大小。图6中的平均消耗能量是指100次试验中，SU₁和SU₂进行信道切换消耗的能量的平均值。从图6可以看出，采用本发明的方法可以减小***由于信道切换消耗的能量。

此外，本发明考虑到了认知用户对主用户的干扰以及认知用户服务质量问题，现有技术中将认知用户的服务质量需求定义为认知用户的速率要求，而本发明服务质量需求的定义为最低信噪比要求。认知用户进行通信时，如果信噪比太低，传输的信息就会被噪声湮没，产生极大的失真，因此定义最低信噪比，可以保证认知用户的通信质量。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明的***功能框图；

图3是本发明中基于集中式结构的认知无线电网络拓扑图；

图4是本发明的***协议示意图；

图5是***中子信道个数与认知用户保持通信连续性次数的关系图；

图6是***中子信道个数与认知用户进行信道切换消耗平均能量的关系图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

本发明的实施例：一种认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法，如图3所示，在集中式结构的认知无线电网络中随机分布N个认知用户（SU），在网络的中心位置设置一个认知基站（BS），网络中可用频谱被划分为M(M＞N)个正交的子信道，每个子信道的带宽均为W，如图1、图2所示，包括以下步骤：

S1，认知用户周期性地感知无线电环境，认知基站采用一定的合并准则，对N个认知用户收集到的数据信息进行融合，通过合作检测的方法获取子信道状态信息，用向量I={I_m|I_m∈{0,1}}_M×1表示，其中，I_m＝1表示子信道m被主用户（PU）占用，I_m＝0表示子信道m空闲；

S2，认知用户向认知基站发送通信请求，并告知认知基站需要传输的信息量大小（单位为比特），用向量R={R_n|R_n≥0}_N×1表示，R_n＝0表示认知用户n无通信需求，同时，认知基站采集每个认知用户的服务质量需求信息，服务质量需求信息用信噪比衡量，用向量γ={γ_n}_N×1表示；

S3，认知基站根据子信道状态信息以及服务质量需求信息，通过求解一个带有约束条件的最优化问题来为认知用户分配初始阶段的最优信道和功率资源，认知用户开始进行通信；该最优化问题包括：

(a)目标函数

以最大化***吞吐量为目标函数，其表达式为：

$\underset{C,P}{\max }\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{m,n}W{\log }_2(1+\frac{p_{m,n}{\left|h_{m,n}\right|}^2}{N_{0}W}),$

其中C和P分别表示信道分配矩阵和功率分配矩阵，c_m，n＝1表示子信道m分配认知用户n使用，p_m,n表示认知用户n在子信道m上的发送功率，h_m,n表示认知用户n在子信道m上的信道增益，N₀表示噪声功率谱密度；

(b)约束条件

I.当认知用户发送通信请求时，认知基站才为其分配信道，只有空闲的子信道才被用来分配给认知用户使用，并且每个子信道只能被一个认知用户使用，因此需满足c_m，n＝0,n∈{n|R_n＝0},

c_m，n＝0,m∈{m|I_m＝1},和

m∈{m|I_m＝0}；

II.为了避免对主用户的干扰，必须对认知用户在各个子信道上的发送功率进行限制，需满足其中，P_m表示主用户在子信道m上的干扰功率上限；

III.为了达到认知用户的服务质量要求，各个认知用户在子信道上进行数据传输时的信噪比需满足其中，γ_n表示保证认知用户n通信服务质量的最低信噪比要求；

因此，信道和功率联合分配的最优化问题描述为：

$\underset{C,P}{\max }\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{m,n}W{\log }_2(1+\frac{p_{m,n}{\left|h_{m,n}\right|}^2}{N_{0}W})$

s.t.c_m，n∈{0,1}

c_m,n＝0,        n∈{n|R_n＝0},

c_m，n＝0,       m∈{m|I_m＝1},

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{m,n}=1,$ m∈{m|I_m＝0}

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{m,n}{p}_{m,n}{\left|h_{m,n}\right|}^2\≤P_m,\∀m$

$\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{m,n}{p}_{m,n}{\left|h_{m,n}\right|}^2}{N_{0}W}\≥{\mathrm{\γ}}_n,\∀n$

通过求解该最优化问题，得到矩阵C^*和P^*，为有通信需求的认知用户分配最优的信道和功率资源；

S4，当初始阶段的通信结束时，更新子信道状态信息和服务质量需求信息，在进行下一阶段，即第i(i＞1)阶段的信道和功率资源分配前，需完成以下步骤：

S41，在第i阶段的信道和功率资源的分配前，需通过即式（1）检测各认知用户是否完成第i-1阶段通信；其中

表示第i-1阶段认知用户n需要传输的信息量；

表示第i-1阶段认知用户n的信息传输速率，c_m，n＝1表示子信道m分配认知用户n使用，p_m，n表示认知用户n在子信道m上的发送功率，h_m,n表示认知用户n在子信道m上的信道增益，N₀表示噪声功率谱密度；T表示每个阶段中认知用户用于传输数据的时间；

S42，若式（1）成立，则表示认知用户n完成了第i-1阶段信息量的传输，否则则表示认知用户n没有完成i-1阶段信息量的传输；

S43，判断未完成通信的认知用户在第i-1阶段被分配的信道是否在第i阶段全部被主用户占用，如果被占用，则将此认知用户划入集合Ψ₂，否则将其划入集合Ψ₁；

S44，如果在第i阶段有新的认知用户向认知基站发送通信请求，将该认知用户划入集合Ψ₂；

S5，通过步骤S4得到集合Ψ₁和Ψ₂后，认知基站进行第i阶段的信道和功率的最优联合分配，其中：

（1）对于集合Ψ₁中的没有完成第i-1阶段通信的认知用户，认知基站允许它们继续占用第i-1阶段被分配的并且在当前阶段未被主用户占用的子信道进行通信；

（2）假设在第i-1阶段分配给集合Ψ₁中的用户并且在当前阶段未被主用户占用的子信道的集合为∏，则在步骤S3中所述的最优化问题中加入一个限制条件：m∈∏,n∈Ψ₁，其中，c_m，n＝1表示子信道m分配给认知用户n使用，使其成为第i阶段的信道和功率联合分配对应的最优化问题，通过求解加入限制条件后的最优化问题，为集合Ψ₂中的用户分配最优信道，并为集合Ψ₁和Ψ₂中的用户分配最优功率；

假设信道个数M＝4，认知用户个数N＝2，某一分配阶段通过求解最优化问题得到矩阵 $C^{*}=\left(\begin{array}{cc}0& 1\\ 1& 0\\ 0& 1\\ 0& 0\end{array}\right),$ $P^{*}=\left(\begin{array}{cc}0& P_{\mathrm{1,2}}\\ P_{\mathrm{2,1}}& 0\\ 0& P_{\mathrm{3,1}}\\ 0& 0\end{array}\right),$ 则子信道1和子信道3将分配给认知用户2，子信道2分配给认知用户1使用，子信道4被主用户占用，不被分配。认知用户1在子信道2上的发送功率为P_2，1，认知用户2在信道1和子信道3上的发送功率分别为P_1,2和P_3，1。

S6，完成第i阶段的信道和功率的最优联合分配后，认知用户继续周期性地感知周围无线电环境，更新子信道状态信息以及服务质量需求信息，实现后续阶段的信道和功率资源的最优分配。

如图4所示，认知用户感知无线电环境的周期由***协议确定，在一个周期内，认知用户用于感知无线电环境的时间为τ，用于传输数据的时间为T。

步骤S1中，认知基站采取协作的频谱感知方法检测子信道的占用情况，来获取子信道状态信息。

在***中建立一个固定的控制信道，用于认知用户和认知基站进行频谱感知信息和控制信息的交互。

在每个阶段认知用户传输数据的过程中，如果有新的认知用户提出通信请求，认知基站将存储请求信息，并在下一阶段进行处理。

Claims (6)

1.一种认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法，在集中式结构的认知无线电网络中随机分布N个认知用户，在网络的中心位置设置一个认知基站，网络中可用频谱被划分为M个正交的子信道，其中M＞N，每个子信道的带宽均为W，其特征在于，包括以下步骤：

S1，认知用户周期性地感知无线电环境，认知基站对N个认知用户收集的数据信息进行融合，获取子信道状态信息，用向量I={I_m|I_m∈{0,1}}_M×1表示，其中，I_m＝1表示子信道m被主用户占用，I_m＝0表示子信道m空闲；

S2，认知用户向认知基站发送通信请求，并告知认知基站需要传输的信息量大小，用向量R={R_n|R_n≥0}_N×1表示，R_n＝0表示认知用户n无通信需求，同时，认知基站采集每个认知用户的服务质量需求信息，服务质量需求信息用信噪比衡量，用向量γ={γ_n}_N×1表示；

S3，认知基站根据子信道状态信息以及服务质量需求信息，通过求解一个带有约束条件的最优化问题来为认知用户分配初始阶段的最优的信道和功率资源，认知用户开始进行通信；

S4，当初始阶段的通信结束时，更新子信道状态信息和服务质量需求信息，在进行下一阶段，即第i阶段的信道和功率资源分配前，其中i＞1，需完成以下步骤：

S41，在第i阶段的信道和功率资源的分配前，需通过

即式（1）检测各认知用户是否完成第i-1阶段通信；其中

表示第i-1阶段认知用户n需要传输的信息量；

表示第i-1阶段认知用户n的信息传输速率，c_m，n＝1表示子信道m分配认知用户n使用，p_m，n表示认知用户n在子信道m上的发送功率，h_m,n表示认知用户n在子信道m上的信道增益，N₀表示噪声功率谱密度；T表示每个阶段中认知用户用于传输数据的时间；

S42，若式（1）成立，则表示认知用户n完成了第i-1阶段信息量的传输，否则就表示认知用户n没有完成i-1阶段信息量的传输；

S43，判断未完成通信的认知用户在第i-1阶段被分配的信道是否在第i阶段全部被主用户占用，如果被占用，则将此认知用户划入集合Ψ₂，否则将其划入集合Ψ₁；

S44，如果在第i阶段有新的认知用户向认知基站发送通信请求，将该认知用户划入集合Ψ₂；

S5，通过步骤S4得到集合Ψ₁和Ψ₂后，认知基站进行第i阶段的信道和功率的最优联合分配，其中：

（1）对于集合Ψ₁中的没有完成第i-1阶段通信的认知用户，认知基站允许它们继续占用第i-1阶段被分配的并且在当前阶段未被主用户占用的子信道进行通信；

（2）假设在第i-1阶段分配给集合Ψ₁中的用户并且在当前阶段未被主用户占用的子信道的集合为∏，则在步骤S3中所述的最优化问题中加入一个限制条件：

m∈∏,n∈Ψ₁，其中，c_m，n＝1表示子信道m分配给认知用户n使用，使其成为第i阶段的信道和功率联合分配对应的最优化问题，通过求解加入限制条件后的最优化问题，为集合Ψ₂中的用户分配最优信道，并为集合Ψ₁和Ψ₂中的用户分配最优功率；

S6，完成第i阶段的信道和功率的最优联合分配后，认知用户继续周期性地感知周围无线电环境，更新子信道状态信息以及服务质量需求信息，实现后续阶段的信道和功率资源的最优分配。

2.根据权利要求1所述的认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法，其特征在于：认知用户感知无线电环境的周期由***协议确定，在一个周期内，认知用户用于感知无线电环境的时间为τ，用于传输数据的时间为T。

3.根据权利要求1或2所述的认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法，其特征在于：步骤S1中，认知基站采取协作频谱感知方法检测子信道的占用情况，来获取子信道状态信息。

4.根据权利要求3所述的认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法，其特征在于，所述步骤S3中的最优化问题包括：

(a)目标函数

以最大化***吞吐量为目标函数，其表达式为：

$\underset{C,P}{\max }\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{m,n}W{\log }_2(1+\frac{p_{m,n}{\left|h_{m,n}\right|}^2}{N_{0}W}),$

其中，c_m，n＝1表示子信道m分配给认知用户n使用，p_m,n表示认知用户n在子信道m上的发送功率，h_m,n表示认知用户n在子信道m上的信道增益，N₀表示噪声功率谱密度，C和P分别表示信道分配矩阵和功率分配矩阵；

(b)约束条件

I.当认知用户发送通信请求时，认知基站才为其分配信道，只有空闲的子信道才被用来分配给认知用户使用，并且每个子信道只能被一个认知用户使用，因此需满足c_m,n＝0,n∈{n|R_n＝0},

c_m，n＝0,m∈{m|I_m＝1},和

m∈{m|I_m＝0}；

II.为了避免对主用户的干扰，对认知用户在各个子信道上的发送功率进行限制，需满足

其中，P_m表示主用户在子信道m上的干扰功率上限；

III.为了达到认知用户的服务质量要求，各个认知用户在子信道上进行数据传输时的信噪比需满足

其中，γ_n表示保证认知用户n通信服务质量的最低信噪比要求；

因此，信道和功率联合分配的最优化问题描述为：

$\underset{C,P}{\max }\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{m,n}W{\log }_2(1+\frac{p_{m,n}{\left|h_{m,n}\right|}^2}{N_{0}W})$

s.t.c_m，n∈{0,1}

c_m，n＝0,        n∈{n|R_n＝0},

c_m,n＝0,         m∈{m|I_m＝1},

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{m,n}=1,$ m∈{m|I_m＝0}

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{m,n}{p}_{m,n}{\left|h_{m,n}\right|}^2\≤P_m,\∀m$

$\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{m,n}{p}_{m,n}{\left|h_{m,n}\right|}^2}{N_{0}W}\≥{\mathrm{\γ}}_n,\∀n$

通过求解该最优化问题，得到矩阵C^*和P^*，为有通信需求的认知用户分配最优的信道和功率资源。

5.根据权利要求4所述的认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法，其特征在于：在认知无线电***中建立一个固定的控制信道，用于认知用户和认知基站进行频谱感知信息和控制信息的交互。

6.根据权利要求4或5所述的认知无线电中保证通信连续性的信道和功率联合分配方法，其特征在于：在每个阶段认知用户传输数据的过程中，如果有新的认知用户提出通信请求，认知基站将存储请求信息，并在下一阶段进行处理。

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