專利名稱：一種基于接收機(jī)干擾的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)ofdm頻譜分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的頻譜資源管理技術(shù)，涉及認(rèn)知無線電 網(wǎng)絡(luò)頻譜分配方法，具體為一種基于接收機(jī)干擾的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交頻分復(fù)用)頻譜分配方法。技術(shù)背景智能無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)能通過主動地感知無線頻譜使用、認(rèn)知無線環(huán)境、 自適應(yīng)地重配置網(wǎng)絡(luò)資源、工作模式與參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與周邊無線網(wǎng)絡(luò)協(xié) 同工作的目標(biāo)。因此，具有認(rèn)知無線電能力、重配置能力的新一代智能認(rèn) 知無線網(wǎng)絡(luò)成為研究重點(diǎn)。認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)由預(yù)先占用某些信道的一級用戶和擇機(jī)使用空閑信道 的二級用戶組成。在基于圖論的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的頻譜分配研究中，將認(rèn) 知用戶組成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)抽象成圖。圖中的每一個頂點(diǎn)代表一個無線用 戶，每一條邊表示一對頂點(diǎn)間存在沖突或者干擾。傳統(tǒng)的基于圖論的認(rèn)知 無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜分配算法采用的是發(fā)射機(jī)干擾模型，在這種模型中，干擾 限制定義為一對發(fā)射機(jī)之間的復(fù)用距離，在復(fù)用距離內(nèi)，該對發(fā)射機(jī)不能 復(fù)用同一信道。然而，發(fā)射機(jī)干擾模型存在著許多不足。首先，發(fā)射機(jī)干擾模型忽略 了用戶接收機(jī)處的干擾，而頻譜分配中的共道干擾問題實(shí)際上是在接收機(jī) 處發(fā)生的。其次，發(fā)射機(jī)干擾模型的干擾限制是一種"二元限制"，即只考慮 兩個用戶之間的相互關(guān)系，而在實(shí)際系統(tǒng)中，某用戶受到的干擾是在干擾 范圍內(nèi)其它所有用戶的干擾疊加。再次，發(fā)射機(jī)干擾模型沒有考慮不同的發(fā)射機(jī)對應(yīng)的接收機(jī)可能具有不同的信干比門限。最后，發(fā)射機(jī)干擾模型是一種"二進(jìn)制模型"，頻譜分配沖突圖是兩個頂點(diǎn)間的沖突取值定為0或1的無向圖。因此，發(fā)射機(jī)干擾模型無法準(zhǔn)確地建模認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜分 配問題。傳統(tǒng)的基于圖論的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)OFDM頻譜分配算法[參見C. Peng, H. Zheng, B. Y Zhao. Utilization and fairness in spectrum assignment for opportunistic spectrum access, Mobile Networks and Applications (MONET), 2006 ]是基于發(fā)射機(jī)干擾模型，因而不夠準(zhǔn)確。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種基于接收機(jī)干擾的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)OFDM頻 譜分配方法，該方法可以準(zhǔn)確地建模認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜分配問題，同時 在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中有效地進(jìn)行頻譜分配。本發(fā)明提供的基于接收機(jī)干擾的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)OFDM頻譜分配方 法，其步驟包括步驟(l):.按照下述過程進(jìn)行初始化-(1.1) 確定系統(tǒng)參數(shù)，包括一級用戶數(shù)M， 二級用戶數(shù)N，可用信道數(shù)K，發(fā)射功率矩陣p和信號噪聲干擾比門限矩陣r;其中，發(fā)射功率矩陣/^fel^^V+非K， /^表示如果將信道k分 配給用戶i，用戶i在信道k上的發(fā)射功率；用戶i由處于不同位置的一對發(fā)射 機(jī)Ti和接收機(jī)Ri組成，i表示用戶的序號；信號噪聲干擾比門限矩陣r={& i &》o}(a^m , &表示用戶i在信道k上的信號噪聲干擾比門限；(1.2) 通過測量或估計得到鏈路增益矩陣G背景噪聲矩陣Q 鏈路增益矩陣G = I2 0}(ar+m)x^+m) ， 表示發(fā)射機(jī)Tj和接收機(jī)Rj之間的鏈路增益；背景噪聲矩陣5 = {& k.^0}(JV+AW, ^表示接收機(jī)Rj在信道k上的背 景噪聲；(1.3)計算出效益矩陣B,沖突矩陣C，抗干擾余量矩陣E;效益矩陣5 = 10《W(w+m^ ， & = ln(l + 表示用戶I如果使用信道k 傳輸能夠獲得的效益；沖突矩陣c-(q,|0sq^l}(M)xc" C^表示用戶i在信道k上對用 戶j的沖突值，采用公式I計算C^:min(1，S， )-min(l， Z^Sl),如果卜j"A (I)0 如果i=j抗干擾余量矩陣五={^^.^1^ ^表示用戶i在信道k上的抗干 擾余量，采用式II計算&:^一命一i;c力 (11)々說(1.4)令信道分配矩陣A中元素全為l，可用信道矩陣L全為0;可用信道矩陣"{/*|/^{0，1}}(歸)"，/,l表示用戶i能夠使用信道k;反 之，/,-0表示用戶i不能使用信道k;信道分配矩陣^ = {% I & e {0，1} }(w+M)x《，％ =1表示已將信道k分配給 了用戶i;反之，"&H)表示未將信道k分配給用戶i;步驟(2):按照下述過程給一級用戶著色-(2.1) 根據(jù)一級用戶預(yù)先占用信道情況，給各子圖中一級用戶頂點(diǎn)著 色，每個子圖對應(yīng)一個信道；(2.2) 刪除各子圖中不使用此信道的一級用戶頂點(diǎn)；步驟(3):按照下述過程進(jìn)行拓?fù)涓?3.1) 根據(jù)抗干擾余量矩陣E刪除抗干擾余量小于O的未著色頂點(diǎn)；(3.2) 根據(jù)沖突矩陣C，如果某未著色頂點(diǎn)對某已著色頂點(diǎn)的沖突值 大于該已著色頂點(diǎn)的抗干擾余量，刪除此未著色頂點(diǎn)；步驟(4):根據(jù)不同的分配目標(biāo)選擇下述三種方式之一計算每個二級用 戶的標(biāo)簽值^4和待著顏色"/w;:令/,表示二級用戶i可用且未分配信道的集合，§卩/,=伙|&=0,/,,=1}，令 A表示子圖k中頂點(diǎn)i對周圍未刪除頂點(diǎn)的沖突之和，采用式III計算& :當(dāng)采用合作式最大化頻譜效益的分配目標(biāo)時，采用如式iv、 v進(jìn)行標(biāo)<formula>formula see original document page 8</formula>當(dāng)采用合作式最大化最小公平的分配目標(biāo)時，采用式vi、 Vii進(jìn)行標(biāo)號:脇"-|>說A (vi)<formula>formula see original document page 8</formula> ( vii)當(dāng)采用合作式最大化比例公平的分配目標(biāo)時，采用式viii、 ix進(jìn)行標(biāo)號<formula>formula see original document page 8</formula> ( ix ) 步驟(5):給標(biāo)簽值最大的二級用戶著待著顏色，如果不存在未著色頂點(diǎn)，分配結(jié)束，否則返回步驟(3)。本發(fā)明提出了一種接收機(jī)干擾模型下基于圖論的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò) OFDM頻譜分配方法，可以準(zhǔn)確地建模認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜分配問題，同 時在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中有效地進(jìn)行頻譜分配，其目標(biāo)可以是最大化頻譜效 益，最大化最小公平或最大化比例公平。所提出的方法可分布式實(shí)現(xiàn)。


圖1為本發(fā)明基于接收機(jī)干擾的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)OFDM頻譜分配方法的流程圖。
具體實(shí)施方式
接收機(jī)干擾模型下，基于圖論的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)OFDM頻譜分配方法 如圖1所示，包括以下步驟 步驟(l):按照下述過程進(jìn)行初始化(1.1)確定系統(tǒng)參數(shù)，包括一級用戶數(shù)M， 二級用戶數(shù)N,可用信道數(shù)k,發(fā)射功率矩陣p和信號噪聲干擾比門限矩陣r設(shè)認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的一級用戶數(shù)為M， 二級用戶數(shù)為N， OFDM方式 下每個用戶可以同時選擇多個信道傳輸.二級用戶的序號為1到N, —級用 戶的序號為N+1到N+M。設(shè)可用信道數(shù)為K,序號為1到K。用戶i由處于不 同位置的 一對發(fā)射機(jī)Tj和接收機(jī)Ri組成。定義發(fā)射功率矩陣P—/^ I A^0}(iV+M>^ ， ；^表示如果將信道k分配 給用戶i，用戶i在信道k上的發(fā)射功率。定義信號噪聲干擾比門限矩陣r = ^ I& 20}(w)x《，7A表示用戶i在信道k上的信號噪聲干擾比門限.即如果將信道k分配給用戶i，接收機(jī)Rj 在信道k上的信號噪聲干擾比(Signal to Interference and Noise Ratio, SNR)必須保證大于 ^，如式(1)所示。式中其他變量的定義如后所述。 鵬，=~~^"汰，如果％=1 (1)(1.2)通過測量或估計得到鏈路增益矩陣G,背景噪聲矩陣Q 定義鏈路增益矩陣G = {Gy I2 0} (7V+A/), C^表示發(fā)射機(jī)Ti和接 收機(jī)Rj之間的鏈路增益。定義背景噪聲矩陣2 =化」義^0}(^,《，^表示 接收機(jī)Rj在信道k上的背景噪聲。(1.3)計算出效益矩陣B,沖突矩陣C，抗干擾余量矩陣E; 定義效益矩陣B-化l(^W(w+MM, ^-ln(lU表示用戶I如果使用 信道k傳輸，可以獲得的效益。定義沖突矩陣C = 1Q《1}(;v+w k ， 如式(2)所示，C^表示用戶i在信道k上對用戶j的沖突。當(dāng)"j時，q,的 意義是若用戶i， j選擇相同的信道k，接收機(jī)Rj接收到的來自發(fā)射機(jī)Ti的 干擾功率，與接收機(jī)Rj在保證大于信號噪聲干擾比門限:^t的條件下允許的 最大干擾功率的比值。當(dāng)這個比值大于1時，令Q為1。當(dāng)i=j時，令Q,O。<formula>formula see original document page 10</formula>如果"j<formula>formula see original document page 10</formula> 如果i=j'定義抗干擾余量矩陣fi-KJe"l)(賄^，如式(3)所示，％表示用戶 i在信道k上的抗干擾余量。^2 0表示用戶i如果在信道k上傳輸，可以滿 足信干比門限&的要求；反之，&<0表示用戶i如果在信道k上傳輸，不 能滿足信干比門限&的要求。'* "汰 "(1.4)令信道分配矩陣A中元素全為1,可用信道矩陣L全為0。定義可用信道矩陣丄={/,* K ^0,1}}(歸^ ， /,l表示用戶河以使用信道 k;反之，^-0表示用戶i不能使用信道k。定義信道分配矩陣^ = 1 & e {0，1} ^+m)" ， & =1表示已將信道k分 配給了用戶i;反之，aa-O表示未將信道k分配給用戶i。 步驟(2):按照下述過程給一級用戶著色(2.1) 根據(jù)一級用戶預(yù)先占用信道情況，給子圖中一級用戶頂點(diǎn)著色; 在接收機(jī)干擾模型下，認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的頻譜分配沖突圖包括K個子圖，分別對應(yīng)K個信道。子圖中的頂點(diǎn)是擇機(jī)使用這些信道的二級用戶 和預(yù)先占用某些信道的一級用戶，子圖中的邊是用戶間的沖突。因此，子 圖是兩個頂點(diǎn)間的沖突取值范圍定為0-1之間的所有實(shí)數(shù)的有向圖。給子圖 中的一個頂點(diǎn)著色意味著將一個可用信道分配給一個用戶。由于一級用戶 預(yù)先占用某些信道，不是頻譜分配的對象，所以應(yīng)根據(jù)一級用戶預(yù)先占用 信道情況，給子圖中一級用戶頂點(diǎn)著色。(2.2) 刪除各子圖中不使用此信道的一級用戶頂點(diǎn)。 子圖中的頂點(diǎn)可能有三種狀態(tài)已刪除，未著色，已著色。/,t=0表示用戶i不能使用信道k，即子圖k中的頂點(diǎn)i已刪除。4=1， &=0表示用戶 I可以使用信道k，但是未將信道k分配給用戶i，即子圖k中存在未著色頂 點(diǎn)i。 /,t=l， ^-l表示用戶i可以使用信道k，且已經(jīng)將信道k分配給用戶 i，即子圖k中存在已著色頂點(diǎn)i。也就是說，給一個頂點(diǎn)著色將更新信道分 配矩陣A,刪除一個頂點(diǎn)將更新可用信道矩陣L。這兩種操作都將更新抗干 擾余量矩陣E。由于一級用戶預(yù)先占用某些信道的情況在頻譜分配過程中 不變，所以應(yīng)刪除各子圖中不使用此信道的一級用戶頂點(diǎn)。 步驟(3):按照下述過程進(jìn)行拓?fù)涓?3.1) 刪除抗干擾余量小于O的未著色頂點(diǎn)；(3.2) 如果某未著色頂點(diǎn)對某已著色頂點(diǎn)的沖突值大于該已著色頂點(diǎn) 的抗干擾余量，刪除此未著色頂點(diǎn)。步驟(4):給二級用戶標(biāo)號根據(jù)標(biāo)號方法算出每個二級用戶的標(biāo)簽值(label)和待著顏色(color)。令/,表示二級用戶i可用且未分配信道的集合，即/^"|^=0人=1}。令 化表示子圖k中頂點(diǎn)i對周圍未刪除頂點(diǎn)的沖突之和"汰-藝VC(/X (4)根據(jù)不同的分配目標(biāo)選擇下述三種方式之一計算每個二級用戶的標(biāo)簽 值/a6e/,和待著顏色co/or,: 方式一合作式最大化頻譜效益的分配目標(biāo)如式(5)所示，標(biāo)號方法如式(6)， (7)所示。,-=i *=i/"6e/, 二 Max',4(6)(7)方式二:合作式最大化最小公平的分配目標(biāo)如式(8)所示，標(biāo)號方法如式(9), (10)所示。/,仏+1(8)(9)(10)方式三合作式最大化比例公平的分配目標(biāo)如式(11 )所示，標(biāo)號方法如式(12)，(13)所示。<formula>formula see original document page 13</formula>步驟(5):給二級用戶著色給標(biāo)簽值最大的二級用戶著待著顏色，如果不存在未著色頂點(diǎn)，即A-L 時，分配結(jié)束。否則返回步驟(3)。分配結(jié)束時信道分配矩陣A與可用信道矩 陣L相等，意味著在某一分配目標(biāo)下，所有的可用信道均己分配完成。
權(quán)利要求
1. 一種基于接收機(jī)干擾的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)OFDM頻譜分配方法，其步驟包括步驟(1)按照下述過程進(jìn)行初始化(1.1)確定系統(tǒng)參數(shù)，包括一級用戶數(shù)M，二級用戶數(shù)N，可用信道數(shù)K，發(fā)射功率矩陣P和信號噪聲干擾比門限矩陣Γ；其中，發(fā)射功率矩陣P＝{pik|pik≥0}(N+M)×K，pik表示如果將信道k分配給用戶i，用戶i在信道k上的發(fā)射功率；用戶i由處于不同位置的一對發(fā)射機(jī)Ti和接收機(jī)Ri組成，i表示用戶的序號；信號噪聲干擾比門限矩陣Γ＝{γik|γik≥0}(N+M)×K，γik表示用戶i在信道k上的信號噪聲干擾比門限；(1.2)通過測量或估計得到鏈路增益矩陣G，背景噪聲矩陣Q鏈路增益矩陣G＝{Gij|Gij≥0}(N+M)×(N+M)，Gij表示發(fā)射機(jī)Ti和接收機(jī)Rj之間的鏈路增益；背景噪聲矩陣Q＝{qik|qik≥0}(N+M)×K，qik表示接收機(jī)Rj在信道k上的背景噪聲；(1.3)計算出效益矩陣B，沖突矩陣C，抗干擾余量矩陣E；效益矩陣B＝{bik|0≤bik}(N+M)×K，bik＝ln(1+γik)表示用戶I如果使用信道k傳輸能夠獲得的效益；沖突矩陣C＝{Cijk|0≤Cijk≤1}(N+M)×(N+M)×K，Cijk表示用戶i在信道k上對用戶j的沖突值，采用公式I計算Cijkid="icf0001" file="S2008100477814C00011.gif" wi="141" he="22" top= "232" left = "48" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>抗干擾余量矩陣E＝{eik|eik≤1}(N+M)×K，eik表示用戶i在信道k上的抗干擾余量，采用式II計算eik
全文摘要
本發(fā)明屬于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的頻譜資源管理技術(shù)，為基于接收機(jī)干擾的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)OFDM頻譜分配方法，包括初始化，給一級用戶著色，進(jìn)行拓?fù)涓?，計算每個二級用戶的標(biāo)簽值和待著顏色，再給標(biāo)簽值最大的二級用戶著待著顏色等步驟。本發(fā)明提出了一種接收機(jī)干擾模型下基于圖論的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)OFDM頻譜分配方法，可以準(zhǔn)確地建模認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜分配問題，同時在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中有效地進(jìn)行頻譜分配，其目標(biāo)可以是最大化頻譜效益，最大化最小公平或最大化比例公平。所提出的方法可分布式實(shí)現(xiàn)。
文檔編號H04L27/26GK101286807SQ20081004778
公開日2008年10月15日 申請日期2008年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月19日
發(fā)明者干 劉, 亮 周, 鑫 周, 旭 朱, 朱光喜, 莉 馬 申請人:華中科技大學(xué)