專利名稱：認(rèn)知正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中的自適應(yīng)資源分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種特別用于認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中基于OFDM的資源分配實(shí)現(xiàn)方案，屬于通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線頻譜資源已成為信息社會(huì)不可缺少的寶貴資源。然而根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)提供的數(shù)據(jù)來(lái)看，已經(jīng)分配的頻譜利用率卻只有15% _85%，這是由于現(xiàn)行的頻譜授權(quán)機(jī)制采用固定的頻譜分配，使得頻譜利用率低，從而導(dǎo)致大量頻譜資源浪費(fèi)，因此在無(wú)線通信技術(shù)中，頻譜接入和分配的合理性比頻譜的物理稀缺顯得更加重要。而認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)被認(rèn)為是解決無(wú)線頻譜利用率低的最佳解決方案。認(rèn)知無(wú)線電(Cognitive Radio, CR)技術(shù)提出一種動(dòng)態(tài)頻譜共享的框架，允許認(rèn)知用戶 (Cognitive User，CU)在不影響授權(quán)用戶(Primary User,PU)工作的前提下智能地利用大量閑置頻譜，動(dòng)態(tài)地進(jìn)行頻譜分配并且隨時(shí)隨地、高可靠性的通信。因此研究認(rèn)知無(wú)線電環(huán)境下的動(dòng)態(tài)信道分配和接入技術(shù)顯得更有實(shí)際意義。由此可知，自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)利用空閑頻譜進(jìn)行通信，從而整體提高頻譜利用率的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)可能工作在非常寬的頻帶內(nèi)， 而且頻譜一般不連續(xù)，所以數(shù)據(jù)傳輸方式必須能夠自適應(yīng)這種特性。OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)由于既能動(dòng)態(tài)利用頻譜資源，并根據(jù)子信道特性自適應(yīng)加載，又能對(duì)授權(quán)用戶頻譜占用情況進(jìn)行快速分析，具有頻譜利用率高，抗多徑效應(yīng)能力強(qiáng)，可靈活控制和利用頻譜、功率等資源，在寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。將 OFDM應(yīng)用于認(rèn)知無(wú)線電中，通過對(duì)每一個(gè)子載波依據(jù)其各自不同的信道條件動(dòng)態(tài)地選擇調(diào)制和編碼方案，能方便的實(shí)現(xiàn)傳輸鏈路自適應(yīng)。正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)正是無(wú)線通信在有限的無(wú)線頻段內(nèi)傳送高速率、寬頻帶的多媒體業(yè)務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)。隨著數(shù)據(jù)速率的不斷提高，高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的性能不僅僅受噪聲限制，更主要的影響來(lái)自于無(wú)線信道的時(shí)延擴(kuò)展特性導(dǎo)致的碼間干擾。這種碼間干擾主要是由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間存在多條時(shí)延不同的無(wú)線傳播路徑造成的。一般而言， 只要時(shí)延擴(kuò)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)送符號(hào)的周期，則碼間干擾造成的影響幾乎可以忽略。對(duì)于高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，發(fā)送符號(hào)的周期可以與時(shí)延擴(kuò)展相比擬，甚至小于時(shí)延擴(kuò)展，此時(shí)將引入嚴(yán)重的碼間干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)性能急劇下降。OFDM基本原理就是將高速的數(shù)據(jù)流分解成多路并行的低速率數(shù)據(jù)流，在多個(gè)載波上進(jìn)行傳輸。對(duì)于低速率的并行的子載波而言，由于符號(hào)周期展寬，多徑效應(yīng)造成的時(shí)延擴(kuò)展相對(duì)變小，當(dāng)每個(gè)OFDM符號(hào)中插入一定的保護(hù)時(shí)間后，碼間干擾幾乎可以忽略。傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)中的自適應(yīng)分配問題，一般是對(duì)給定的發(fā)送功率和傳輸帶寬，在保證服務(wù)質(zhì)量(QoQ所需要BER的條件下，根據(jù)子信道的瞬時(shí)特性自適應(yīng)地為多用戶分配子信道和子信道上的比特率，使系統(tǒng)容量最大化。但在認(rèn)知系統(tǒng)中主用戶和次用戶經(jīng)常同時(shí)使用相鄰的頻譜，從而會(huì)產(chǎn)生不可避免的相互干擾，所以如何利用OFDM技術(shù)的特性減小這
3種相互干擾是一個(gè)重要的問題。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是在于提供一種認(rèn)知正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中的自適應(yīng)資源分配方法，該方法從最大化次用戶的總傳輸比特速率出發(fā)，在次用戶總的發(fā)送功率限制和主用戶的干擾門限限制下，基于構(gòu)建的新的代價(jià)函數(shù)，運(yùn)用改進(jìn)的匈牙利算法進(jìn)行子信道分配，然后根據(jù)次用戶的需求，進(jìn)行自適應(yīng)比特和功率分配。技術(shù)方案本發(fā)明提供一種OFDM認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中的自適應(yīng)資源分配方法，該方法根據(jù)信道情況，構(gòu)建代價(jià)函數(shù)，并運(yùn)用改進(jìn)的匈牙利算法進(jìn)行子信道分配，得到次用戶的子信道集合，然后根據(jù)次用戶的需求，進(jìn)行自適應(yīng)比特和功率分配，以保證在次用戶總的發(fā)送功率限制和主用戶的干擾門限限制下，最大化次用戶系統(tǒng)容量。該方法包括以下步驟a.次用戶基站根據(jù)感知所得的信息，實(shí)時(shí)地更新次用戶k的通信鏈路增益《、主用戶對(duì)次用戶k的干擾鏈路增益U欠用戶k對(duì)主用戶的干擾鏈路增益《以及各子信道與主用戶所占頻譜間的距離dnl，其中dnl為第η個(gè)子信道與第1個(gè)主用戶所占頻帶間的距離；b.計(jì)算第k個(gè)次用戶在第η個(gè)子信道分配1個(gè)比特時(shí)，產(chǎn)生的發(fā)送功率增量
= σ ^圣2 以及對(duì)第1個(gè)主用戶產(chǎn)生的干擾增量α , Α/7 ,其中，。2為 ‘ I K,η I^1k,η = ^PkJFk,n，
加性高斯白噪聲的方差，為第1個(gè)主用戶在第η個(gè)子信道上對(duì)次用戶k的干擾，
次用戶k在第η個(gè)子信道上分配的比特?cái)?shù)，C/為時(shí)隙t次用戶基站和第k個(gè)次用戶接收機(jī)
之間在子信道η上的增益，為第k個(gè)次用戶在第η個(gè)子信道上對(duì)第1個(gè)主用戶的干擾
因子，L為主用戶的數(shù)目；c.為了將功率限制和干擾限制均衡考慮，將發(fā)送功率增量和干擾增量取折中，定義為第k個(gè)次用戶在第η個(gè)子信道上分配1個(gè)比特的代價(jià)函數(shù)為Δ6 =αΔ/^ + (1-α)Δ/^，
其中α為調(diào)節(jié)因子，將其對(duì)L個(gè)主用戶取平均得到次用戶k的平均代價(jià)函數(shù)為 —
Δα =—-；
Ld.對(duì)于K個(gè)次用戶和N個(gè)子信道，采用改進(jìn)匈牙利算法進(jìn)行子信道分配，使整個(gè)次用戶系統(tǒng)代價(jià)最小，由此得到次用戶k的子信道集合Ak ；e.選取仏/^^最小的次用戶進(jìn)行子信道和比特分配，其中&為次用戶k所要求的傳輸速率，β k為次用戶k獲得的傳輸速率，從子信道集合Ak中選擇代價(jià)&I最小的子信道分配1個(gè)比特，并判斷次用戶發(fā)送功率和主用戶所受干擾是否超過各自門限，若超過，分配結(jié)束，若沒有，繼續(xù)分配。有益效果對(duì)于OFDM認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)，本發(fā)明提供了一種新的動(dòng)態(tài)資源分配算法，該算法在保證滿足次用戶總的發(fā)送功率限制和主用戶的干擾門限限制的同時(shí)，將子信道，功率以及比特在次用戶之間進(jìn)行合理的分配，實(shí)現(xiàn)次用戶系統(tǒng)容量最大化，并滿足次用戶的需求。


圖1主用戶和次用戶之間的拓?fù)潢P(guān)系，圖2主用戶與次用戶接入頻譜的分布情況。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明中主用戶和次用戶之間的拓?fù)潢P(guān)系如圖1所示，在OFDM認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，存在著L個(gè)主用戶和K個(gè)次用戶，鏈路1和鏈路3分別為主用戶對(duì)次用戶，次用戶對(duì)主用戶的干擾鏈路，鏈路2為次用戶的通信鏈路，K，《和《分別為三條鏈路上的增益。主用戶與次用戶接入頻譜的分布情況如圖2所示，假設(shè)主用戶1，2...L占用的頻帶分別為B1, B2... , Hz，并已被次用戶獲知，次用戶可接入頻譜分布在主用戶所占用頻帶的兩側(cè)。次用戶采用OFDM傳輸機(jī)制，將可使用頻譜劃分成N個(gè)子載波，并假設(shè)每個(gè)子載波占用頻帶寬度為Δ ζ。在認(rèn)知系統(tǒng)中，主用戶和次用戶經(jīng)常同時(shí)使用相鄰的頻譜，從而產(chǎn)生的干擾數(shù)學(xué)模型如下Α.次用戶對(duì)主用戶的干擾第k個(gè)次用戶占用第η個(gè)子載波的功率譜密度可表示為‘C/) = 々Z(^^)2⑴
7iJ1s其中，Pk, n為第k個(gè)次用戶的第η個(gè)子載波上的總發(fā)送功率，Ts為一個(gè)OFDM符號(hào)持續(xù)時(shí)間。由此，第k個(gè)次用戶的第η個(gè)子載波對(duì)第1個(gè)主用戶的干擾可表示為=I C I PJs= K(2)其中，dnl為第η個(gè)子載波所占頻帶與第1個(gè)主用戶所占頻帶間的距離，B1為第1 個(gè)主用戶占用的頻帶寬度，《為第k個(gè)次用戶發(fā)送機(jī)和第1個(gè)主用戶接收機(jī)之間在子信道 η上的增益，為干擾因子。B.主用戶對(duì)次用戶的干擾主用戶的信號(hào)經(jīng)過M階快速傅里葉變換(FFT)后的功率譜密度可表示如下
^1πΜ、--Ρυsin(妒 _<ρ)/2其中，w為數(shù)字角頻率，ΦΡυ( ^)為主用戶信號(hào)的功率譜密度，主用戶信號(hào)可通過白噪聲通過橢圓濾波器產(chǎn)生。由此，第1個(gè)主用戶對(duì)第η個(gè)子載波的干擾可表示為J、 =| C P \XlfE{IAw))dW⑷其中，K、％ 1個(gè)主用戶的發(fā)送機(jī)和第k個(gè)次用戶的接收機(jī)之間在子信道η上的增
■、Λ
frff. ο假設(shè)次用戶發(fā)送機(jī)可以很好的感知信道狀態(tài)，第k個(gè)次用戶在子信道η上的信號(hào)噪聲干擾比(SINR)可表示為
權(quán)利要求
1. 一種認(rèn)知正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中的自適應(yīng)資源分配方法，其特征在于該方法包括以下步驟a.次用戶基站根據(jù)感知所得的信息，實(shí)時(shí)地更新次用戶k的通信鏈路增益《、主用戶對(duì)次用戶k的干擾鏈路增益^、次用戶k對(duì)主用戶的干擾鏈路增益《以及各子信道與主用戶所占頻譜間的距離dnl，其中dnl為第η個(gè)子信道與第1個(gè)主用戶所占頻帶間的距離；b.計(jì)算第k個(gè)次用戶在第η個(gè)子信道分配1個(gè)比特時(shí)，產(chǎn)生的發(fā)送功率增量
全文摘要
本發(fā)明提供了一種認(rèn)知正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中的自適應(yīng)資源分配方法，認(rèn)知無(wú)線電能通過提高頻譜資源利用率，來(lái)解決無(wú)線頻譜資源緊缺的問題，正交頻分復(fù)用(OFDM)被認(rèn)為是能與認(rèn)知系統(tǒng)完美結(jié)合的技術(shù)，該方法從最大化次用戶的總傳輸比特速率出發(fā)，在次用戶總的發(fā)送功率限制和主用戶的干擾門限限制下，基于構(gòu)建的新的代價(jià)函數(shù)，運(yùn)用改進(jìn)的匈牙利算法進(jìn)行子信道分配，然后根據(jù)次用戶的需求，進(jìn)行自適應(yīng)比特和功率分配。該方法可以有效利用不同主用戶頻帶間的頻譜空穴，使次用戶系統(tǒng)的吞吐量最大，同時(shí)保證各個(gè)主用戶受到的干擾總量低于各自的干擾門限。
文檔編號(hào)H04W16/14GK102355672SQ20111023672
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月17日
發(fā)明者張健, 朱洪波, 朱琦, 楊龍祥 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)