基于模糊逻辑和通信优先级的频谱分配算法

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频谱是无线通信所需的珍贵资源,传统的无线频谱管理方式使得频谱的利用率较低,而认知无线电技术被认为是解决这个问题的有效方法。动态频谱分配是认知无线电中的关键技术,它能对频谱资源中的空闲频谱实现动态管理,提高频谱资源的利用率。本文在可用空闲频带数量少于认知用户数量的前提下,采用集中式的频谱分配模型,研究并给出了两个利用模糊逻辑进行频谱分配的改进算法。第一种算法将认知用户基站的信号覆盖面积问题转化成对每个认知用户通信优先级进行划分的问题,基于认知用户的频谱利用率、移动速度、认知用户发射机与主用户接收机的距离,设计三输入的模糊逻辑系统进行模糊逻辑运算,计算出每个认知用户的频谱接入概率。认知用户的通信优先级与其频谱接入概率之积定义为认知用户基站收益,频谱分配的目标是使认知用户基站收益最大化。该算法取得的分配结果能最大化认知用户基站收益,计算复杂度较低。仿真证实了该方法的可行性。另外,当主用户系统对认知用户系统的频潜使用采用频谱租赁策略时,为使主用户在租赁授权频带时获得较大收益,并保证主用户的QOS,提出了利用首价密封拍卖和模糊逻辑进行频谱分配的算法。第二种算法中,认知用户频带分配函数是表示认知用户是否获得空闲频带的二值函数,取值为1和0,取值为1表示该认知用户获得了空闲频带,取值为0表示该认知用户未获得空闲频带。空闲频带的最低租赁收益由主用户基站规定。认知用户首先根据空闲频带的最低租赁收益、认知用户发射功率、数据包到达率建立估价函数,获得对该空闲频带的预期收益,再向认知用户基站提交自己对该空闲频带付出的通信成本;二输入的模糊逻辑系统根据认知用户发射功率、认知用户发射机与主用户接收机之间的距离这两个物理因素,对每个需要接入该空闲频带的认知用户进行干扰因子的计算;然后,把认知用户通信成本减去其干扰因了的差定义为该认知用户的通信优先级;主用户基站总收益定义为每个认知用户频带分配函数与其对应的通信优先级之积的累加。频谱分配的目标是使主用户基站总收益最大化,保证主用户的收益及其QoS。认知用户通信成本越高并且干扰因子越小,则主用户基站总收益越大,主用户收益越大、QoS越好。第二种算法基于首价密封拍卖理论,创新之处在于利用模糊逻辑系统对分配模型中的主用户与认知用户的干扰问题进行了建模,模糊逻辑系统输入条件的数量可随考虑的物理因素的增多而增多,因此该模型具有良好的可扩展性,缺点是模糊规则的获取比较困难。仿真证实了该算法是可行的,达到了预期性能。
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