本发明涉及一种蜂窝组网的认知无线电通信系统频率分配方法，特别涉及认知无线电通信系统中授权用户检测过程的一种频率分配方法。

无线频谱资源是由政府统一分配的，然而随着无线通信技术的高速发展，某些频段变得异常拥挤；同时又有某些频段在大部分时间内未被使用，从而显得非常空闲。我们无法通过建立新的分配规则来解决上述矛盾，因为重新建立分配规则需要很长的时间，而新技术、新服务的不断涌现使得新的分配规则在建立起来之前就很可能不再合理了。因此，我们需要一项技术，使得一个无线通信系统可以临时使用那些空闲的已授权频段，同时确保不会对原先工作在那些频段的授权用户造成任何影响，这项技术就是认知无线电。
为了确保不会对授权用户造成影响，认知无线电技术的使用需要对授权用户的‘重新出现’进行精确、实时的检测，此时频段未被授权用户使用.而在被认知无线电用户临时使用，因而被检测的频段上存在认知无线电用户信号，若授权用户周围有认知无线电发射机正在工作，‘重新出现’的授权用户的信号很可能被淹没在正在发射的认知无线电用户的信号中，使得检测机无法及时准确得发现‘重新出现’的授权用户。
为了避免正在通信的认知无线电发射机对授权用户检测过程造成影响，需要在授权用户周围营造一个高信干比环境。通常采用以下的方法：(1)按授权用户信号的时频特征进行检测；(2)将发射和检测在时域上分开；(3)将发射和检测在频域上分开；(4)采用信号动态消除技术；(5)采用合作检测技术。方法(1)需要知道授权用户的信号时频特征，当授权用户时频特征未知或不明显时该方法将无法使用；且时频分析所需的庞大计算量将导致终端负载过大，从而影响检测的实时性。方法(2)、(3)需要耗费较多的系统资源，且方法(3)还要求授权用户必须完整的使用一个频段，而不会只使用部分频段。方法(4)、(5)只能在一定程度上减小认知无线电发射机对检测的影响，无法单独使用。
与此同时，认知无线电通信系统的频率分配并未考虑认知无线电技术的特点，依然沿用了通用无线通信系统的分配方式。

本发明的目的是对现有认知无线通信系统中，授权用户检测过程开销过大的不足进行改进，提供一种营造所需高信干比环境的认知无线电授权用户检测过程的频率分配方法，以减小授权用户检测过程的系统资源开销。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：认知无线电系统中授权用户检测的一种频率分配方法：a.首先建立模型：已知：小区数目N，小区半径R，一个区群中的小区数M，系统可用频段数目L，各个小区的通信量An，所有授权用户信息(包括位置和所使用的频段)，最短频率再用距离dλ=3MR.]]>设：数组A_orig表示各个小区的通信量比例；矩阵f_avoid表示授权用户检测过程造成的频率禁用范围；矩阵f_assignment表示频率分配结果；b.然后进行频率分配计算，包括下述步骤：第一步：根据比例上限ρup(初始化为 )和比例下限ρdown(初始化为0)，得到一个比例值ρ=ρup+ρdown2.]]>第二步：初始化频率分配结果矩阵f_assignment，使得第n个小区分得的频段数为 即 表示向下取整；同时使得频率分配满足授权用户检测过程的频率禁用范围需求，即：如果f_avoid[n，i]＝1，则f_assignment(i，j)＝0。如果初始化成功，则执行第三步，否则，执行第八步。
第三步：计算代价函数c(k)，c(k)表示违反蜂窝小区最短频率再用距离的次数，其中k表示迭代次数，c(k)初始化为+∞。遍历f_assignment中的所有元素，若一个小区中有一个频段违反了最短频率再用距离限制，则c(k)的值加1，若c的值为0，则执行第七步，否则执行第四步。
第四步：计算迭代次数k，若迭代次数k到达规定的上限，则执行第八步；否则，执行第五步。
第五步：若代价函数的值比上一次的小，则接受f_assignment的尝试，否则，以一个较小的概率接受f_ssignment的尝试，若接受f_assignment的尝试，执行第六步，否则，将上次f_assignment的变化改回去，然后再执行第六步。所述较小的概率可采用模拟退火算法，以概率 接受f_assignment的尝试。
第六步：频率分配矩阵f_assignment在领域里尝试移动，在满足授权用户检测过程的频率禁用范围需求(如果f_avoid[n，j]＝1，则f_assignment(i，j)＝0)的前提下，随机取f_assignment中一行，将该行中一个1变为0，一个0变为1，将迭代次数k增加1，回到第三步。
第七步：用矩阵f_ssignment_final记下此时的f_assignment，将ρ的值赋值给ρdown以增加ρdown的值，执行第九步。
第八步：将ρ的值赋值给ρup以减小ρup的值，执行第九步。
第九步：计算得到ρdown和ρup是否足够接近，足够接近的判断标准为ρdown*A_orig[n]和ρup*A_orig[n]相等。若不是足够接近，再执行第一步，否则，算法结束，算法结束时，矩阵f_assignment_final即表示最后所得的频率分配结果。
上述方案中，f_assignment具体初始化过程为，将f_assignment第一行作初始化，将第一行的所有元素置0，依次遍历各个元素，如果f_avoid[1，j]＝0，则将f_assignment(1，j)置1，直至满足等式Σj=1Lf_assignment(1,j)=ρ*A_orig[1]]]>后结束遍历，第一行初始化成功；若遍历完第一行的所有元素，依然不能满足等式Σj=1Lf_assignment(1,j)=ρ*A_orig[1],]]>则第一行初始化失败。按以上同样的方法初始化f_assignment的所有行，若每一行都初始化成功，则f_assignment初始化成功，否则f_assignment初始化失败。
本发明的有益效果是，采用模拟退火算法通过f_assignment在其邻域的不断变化搜索状态空间，直到找到一种频率分配方式，使得1)存在排除区的小区不分配该排除区的频段；2)频率分配满足最小频率再用距离；3)各小区分得的信道数的比例尽量接近通信量的比例；4.)各个小区分得的信道数尽量多。从而使得系统能够为授权用户检测过程提供高信干比环境的同时消耗尽量小的通信资源。
要营造一个高信干比环境，通常是对认知无线电用户实施合适的频率分配策略，在授权用户周围产生一些特定的频率禁用区域，使授权用户周围dmin距离范围内没有同频的认知无线电用户在工作。现有的发射与检测在时域/频域分开的方法禁止任何认知无线电发射机与检测机同时工作，相当于为授权用户检测过程创建了dmin为无限大的频率禁用区域。本发明通过对认知无线电用户实施合适的频率分配方法，可使频率禁用区域的大小降为有限值，从而降低授权用户检测过程的系统开销。另一方面，通用蜂窝小区通信系统的频率分配因为最小同频再用距离dλ的限制，也需要产生一定的频率禁用区域；本发明在通用的频率分配算法中同时考虑授权用户检测过程的要求，将两种频率禁用区域尽可能的重合，可以进一步减小频率禁用区域的范围，从而又进一步降低了授权用户检测过程的系统资源开销。
本发明方法的另一个优点是，可以根据授权用户的发射功率、授权用户周围的检测机密度以及环境干扰强度等灵活设置排除区的大小，从而进一步减小检测过程中造成系统的性能损耗。
附图说明
图1为本发明频率分配计算方法流程图。
图2为图1的频率分配矩阵f_assignment初始化流程图。
图3为本发明与传统方法的性能损耗随ρdetect变化的比较图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述：认知无线电系统中授权用户检测的一种频率分配方法：a.首先建立模型：已知：小区数目为N，小区半径为R，一个区群中的小区数为Num，系统可用频段数目为L，各个小区的通信量为An，授权用户数为M，所有授权用户信息(包括位置(xm，ym)，所使用的频段f_incumbentm，频率禁用区域半径rm)，可求得最短频率再用距离dλ=3NumR;]]>设：数组A_orig是一个长度为N的数组，表示各个小区的通信量比例，元素A_orig[n]表示第n个小区归一化后的通信量，A_orig[n]=AnΣi=1NAi.]]>矩阵f_avoid是一个N×L的矩阵，表示授权用户检测过程造成的频率禁用范围，其中行表示小区，列表示频率。f_avoid首先初始化为一个全0矩阵。第M个授权用户的频率禁用范围是以(xm，ym)为圆心，rm为半径的圆形区域，遍历所有N个小区，当小区i与该区域有重叠时，f_avoid[i，f_incumbentm]取1；遍历所有M个授权用户，即可得到f_avoid矩阵。元素f_avoid[i，j]＝1表示小区i不允许使用频段j，f_avoid[i，j]＝0表示小区i允许使用频段j。
矩阵f_assignment是一个N×L的矩阵，表示频率分配结果；其中行表示小区，列表示频率，f_assignment[i，j]＝1表示频段j分配给小区i使用，f_assignment[i，j]＝0表示频段j不分配给小区i使用。
b.然后进行频率分配计算，如图1所示，包括下述步骤：第一步：根据比例上限ρup(初始化为 )和比例下限ρdown(初始化为0)，得到一个比例值ρ=ρup+ρdown2.]]>第二步：初始化频率分配结果矩阵f_assignment，使得小区n分得的频段数为 即 表示向下取整；同时使得频率分配满足授权用户检测过程的频率禁用范围需求，即：如果f_avoid[n，j]＝1，则f_assignment(i，j)＝0。如果初始化成功，则执行第三步，否则，执行第八步。
如图2所示，f_assignment具体初始化过程为，将f_assignment第一行作初始化，将第一行的所有元素置0，依次遍历各个元素，如果f_avoid[1，j]＝0，则将f_ssignment(1，j)置1，直至满足等式Σj=1Lf_assignment(1,j)=ρ*A_orig[1]]]>后结束遍历，第一行初始化成功；若遍历完第一行的所有元素，依然不能满足等式Σj=1Lf_assignment(1,k)=ρ*A_orig[1],]]>则第一行初始化失败。按以上同样的方法初始化f_assignment的所有行，若每一行都初始化成功，则f_assignment初始化成功，否则f_assignment初始化失败。
第三步：计算代价函数c(k)，c(k)表示违反蜂窝小区最短频率再用距离的次数，其中k表示迭代次数，c(k)初始化为+∞。遍历f_assignment中的所有元素，若一个小区中有一个频段违反了最短频率再用距离限制，则c(k)的值加1，若c的值为0，则执行第七步，否则执行第四步。
第四步：计算迭代次数k，若迭代次数k到达规定的上限，则执行第八步；否则，执行第五步。
第五步：若代价函数的值比上一次的小，则接受f_assignment的尝试，否则，以概率 接受f_assignment的尝试，c′(k)表示此次f_assignment尝试移动所得的代价函数，c(k)表示上一次f_assignment尝试移动所得的代价函数，T(k)表示模拟退火算法中的温度，它是一个随k单调减的函数，这里取T(k)=T0lnk,]]>T0为一常数，表示初始温度。若接受f_assignment的尝试，执行第六步，否则，将上次f_assignment的变化改回去，然后再执行第六步。
第六步：频率分配矩阵f_assignment在领域里尝试移动，在满足授权用户检测过程的频率禁用范围需求(如果f_avoid[n，j]＝1，则f_assignment(i，j)＝0)的前提下，随机取f_assignment中一行，将该行中一个1变为0，一个0变为1，将迭代次数k增加1，回到第三步。
第七步：用矩阵f_assignment_final记下此时的f_assignment，将ρ的值赋值给ρdown以增加ρdown的值，执行第九步。
第八步：将ρ的值赋值给ρup以减小ρup的值，执行第九步。
第九步：计算得到ρdown和ρup是否足够接近，足够接近的判断标准为ρdown*A_orig[n]和ρup*A_orig[n]相等。若不是足够接近，再执行第一步，否则，算法结束，算法结束时，矩阵f_assignment_final即表示最后所得的频率分配结果。
下面给出本发明的一个计算实例：假设：N＝36，R＝10，Num＝4，L＝30，M＝20，rm＝5，随机取An＝[8，8，7，6，5，9，9，6，7，5，9，8，6，6，6，7，7，5，6，7，8，7，7，6，6，7，5，6，8，6，7，7，7，7，7，8]；随机取f_incumbentm＝[29，7，19，15，27，23，14，1，25，14，19，24，28，23，6，13，29，28，13，27]；随机取xm＝[6.518，39.727，91.549，1.110，15.637，22.828，22.373，67.977，30.644，22.383，1.720，84.076，50.110，104.907，52.463，47.133，95.270，59.123，22.815，75.671]；随机取ym＝[108.955，2.553，88.566，49.332，108.133，65.365，92.231，55.756，39.600，24.655，25.146，88.689，39.359，70.417，19.613，90.726，49.188，111.801，110.975，77.163]dλ=3MR=33.166;]]>由本发明所述计算过程，可得最终频率分配结果矩阵f_assignment_final＝0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，1，0，0，1，0，1，0，0，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，0，00，0，1，1，0，0，0，0，0，0，0，1，0，0，1，0，0，0，1，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，01，0，0，0，1，0，0，0，0，1，1，0，0，1，0，0，0，1，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，0，00，0，1，1，0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，1，1，0，0，1，1，0，1，0，0，0，0，0，0，0，00，0，0，0，1，0，0，0，0，0，1，1，0，1，0，0，1，0，0，0，0，0，0，1，1，0，0，0，0，01，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，0，1，1，0，0，1，1，0，1，0，0，0，0，0，0，0，00，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，1，1，1，1，1，10，1，0，0，0，1，1，0，1，0，0，0，1，0，0，0，1，0，0，0，1，0，1，0，0，0，0，0，0，00，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，1，1，1，10，1，0，0，0，1，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，0，1，0，0，0，0，0，0，00，0，0，0，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，1，1，1，10，0，0，1，0，0，1，1，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，01，0，1，1，0，0，0，0，0，0，0，1，0，0，1，0，0，0，1，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，00，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，1，0，1，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，0，00，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，0，0，0，1，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，00，0，0，0，1，0，0，0，0，0，1，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，1，0，0，0，0，01，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，1，0，1，1，1，0，1，0，0，0，0，0，0，0，00，0，0，0，1，0，0，0，0，0，1，0，0，1，0，0，1，0，0，0，0，0，0，1，1，0，0，0，0，00，1，0，0，0，1，0，0，1，0，0，0，1，0，0，0，1，0，0，0，1，0，1，0，0，0，0，0，0，00，0，0，0，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，1，1，1，10，1，0，0，0，1，1，0，1，0，0，1，1，0，0，0，0，0，0，0，1，0，1，0，0，0，0，0，0，00，0，0，1，0，0，0，1，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，1，1，1，10，0，0，0，0，0，1，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，0，1，0，0，0，0，0，0，00，1，0，0，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，1，1，1，10，0，0，0，0，0，1，0，0，0，1，0，0，0，0，1，0，1，0，1，0，0，0，1，1，0，0，0，0，00，0，1，0，0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，00，0，0，0，1，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，1，0，1，0，1，0，0，0，1，1，0，0，0，0，00，0，0，0，1，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，1，0，1，0，1，0，0，0，1，1，0，0，0，0，01，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，00，0，0，0，1，0，0，0，0，0，1，0，0，1，0，0，1，0，0，0，0，0，0，1，1，0，0，0，0，01，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，01，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，1，0，1，11，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，1，0，1，10，1，0，0，0，1，0，0，1，0，0，1，0，0，0，0，1，0，0，0，1，0，1，0，0，0，0，0，0，00，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，1，1，1，00，1，0，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，00，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，1，1，10，0，0，0，0，1，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1，0，0，1，1，1，0，0，0，0，0，0，0；根据以上结果，可以得出系统频率再用系数ρresuse(20)＝0.1981，相对于不考虑授权用户检测过程需求时的系统频率再用系数ρresuse(20)＝0.2046，检测时隙的系统性能损耗仅为3.18％。
如图3所示，本发明方法中，检测造成的性能损耗为：ρ＝1-[(1-ρexclusive)*ρdetect+1*(1-ρdetect)]，其中ρdetect为检测时间占总时间的比例，ρexclusive=1-ρresuse(M)ρresuse(0)]]>为建立排除区造成损失的性能，ρresuse(M)为授权用户数为M时的系统频率再用系数。要达到相同的检测周期和单个频段检测时间，采用在时域上将发射和检测分开的传统方法时，性能损耗为：ρ′ρdetect。图3中比较了频率禁用区域半径与小区半径之比ρr＝0.5，取不同授权用户数M时两种方法性能损耗随ρdetect的变化情况。可见，本发明所提供的方法优于在时域上将发射和检测分开的传统方法，当授权用户数较小时优势更为明显。