基于人工免疫分配方法的認(rèn)知ofdm網(wǎng)絡(luò)上行鏈路子載波和功率聯(lián)合分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于認(rèn)知0FDMA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，特別涉及網(wǎng)絡(luò)中下行鏈路子載波和功率資 源的分配方法，具體的說(shuō)就是一種基于人工免疫分配方法的認(rèn)知0FDM網(wǎng)絡(luò)上行鏈路子載 波和功率聯(lián)合分配方法，利用無(wú)約束克隆免疫選擇分配方法對(duì)認(rèn)知0FDMA網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線頻譜 資源進(jìn)行分配，采用注水定理對(duì)網(wǎng)絡(luò)中功率資源進(jìn)行分配，最終實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)次用戶(hù)之 間系統(tǒng)傳輸速率按比例分配，并在此基礎(chǔ)上使網(wǎng)絡(luò)總的系統(tǒng)傳輸速率最大化。
【背景技術(shù)】
[0002] 認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)是近十年發(fā)展起來(lái)的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該技術(shù)起源于軟件無(wú)線電技 術(shù)，主要用于解決無(wú)線通信領(lǐng)域面臨的無(wú)線頻譜短缺和頻譜利用率低的問(wèn)題。
[0003] 在當(dāng)今的無(wú)線頻譜管理制度中，頻譜資源由特定的頻譜管理機(jī)構(gòu)(如我國(guó)的無(wú)線 電監(jiān)測(cè)中心)進(jìn)行授權(quán)使用。獲得某一頻譜使用授權(quán)的用戶(hù)可以合法的使用該頻譜，在授權(quán) 期限內(nèi)，其它未得到授權(quán)的用戶(hù)均不得使用該頻譜。在當(dāng)前的頻譜管理體制下，由于獲得頻 譜使用權(quán)的用戶(hù)對(duì)頻譜的使用是間歇性的，即該用戶(hù)并非時(shí)刻都在使用頻譜進(jìn)行通信，而 在頻譜空閑（即頻譜未被使用）時(shí)，其他用戶(hù)被限制使用該頻譜，因此頻譜的利用率相對(duì)較 低。加之隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，使得頻譜資源日益稀缺。如何提高現(xiàn)有頻譜的使 用效率，解決頻譜資源稀缺和飛速增長(zhǎng)的無(wú)線通信需求之間的矛盾，成為亟待解決的問(wèn)題。 認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)就是在這種背景下發(fā)展起來(lái)的。其目在當(dāng)前的頻譜管理體制下，在不影響 授權(quán)用戶(hù)對(duì)授權(quán)頻譜的使用的條件下，通過(guò)其他非授權(quán)用戶(hù)機(jī)會(huì)接入該頻譜進(jìn)行通信，來(lái) 提高現(xiàn)有頻譜的利用率。
[0004] 在認(rèn)知無(wú)線電中，獲得頻譜使用授權(quán)的用戶(hù)被稱(chēng)主用戶(hù)，相應(yīng)的頻譜被稱(chēng)為授權(quán) 頻譜，而沒(méi)有獲得頻譜授權(quán)但采用某種認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)伺機(jī)使用該頻譜的用戶(hù)被稱(chēng)為次用 戶(hù)。認(rèn)知無(wú)線電的工作過(guò)程為：次用戶(hù)通過(guò)動(dòng)態(tài)的感知周?chē)臒o(wú)線頻譜環(huán)境來(lái)探測(cè)主用戶(hù) 對(duì)授權(quán)頻譜的使用情況，并獲得授權(quán)頻譜的頻譜參數(shù)。當(dāng)次用戶(hù)探測(cè)到主用戶(hù)未使用授權(quán) 頻譜時(shí)，次用戶(hù)根據(jù)已探測(cè)到的頻譜參數(shù)配置自己的發(fā)射端參數(shù)并使用該頻譜進(jìn)行數(shù)據(jù)通 信，在次用戶(hù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信期間，次用戶(hù)不斷的對(duì)頻譜環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，當(dāng)次用戶(hù)探測(cè)到主用 戶(hù)再次使用授權(quán)頻譜時(shí)，該次用戶(hù)隨即停止數(shù)據(jù)傳輸，將該授權(quán)頻譜空閑出來(lái)以供主用戶(hù) 使用。次用戶(hù)繼續(xù)感知周?chē)鸁o(wú)線環(huán)境，并等待頻譜再次空閑。
[0005] 在認(rèn)知無(wú)線電的工作過(guò)程中，認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)主要完成如下幾個(gè)環(huán)節(jié)：1、頻譜感 知，感知周?chē)鸁o(wú)線環(huán)境，探測(cè)授權(quán)頻譜參數(shù)，以及主用戶(hù)使用情況。2、頻譜分析，分析頻譜參 數(shù)，并對(duì)空閑頻譜進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。3、頻譜決策，確定空閑頻譜的數(shù)據(jù)傳輸速率、發(fā)射模式等 參數(shù)，并將空閑頻譜分配給合適的次用戶(hù)使用。本發(fā)明主要解決頻譜決策中的頻譜分配和 功率分配問(wèn)題。
[0006] 隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，正交頻分多址技術(shù)（0FMDA)是已經(jīng)發(fā)展為廣泛使用的 多載波調(diào)制技術(shù)。該技術(shù)將頻譜帶寬劃分成互不重疊的子載波集，并根據(jù)不同的子載波集 的信道條件將其分配給不同的用戶(hù)從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的優(yōu)化利用。由于不同的用戶(hù)使用不 重疊的子信道，因此可以有效地避免用戶(hù)之間的干擾。由于OFDMA調(diào)制技術(shù)的優(yōu)異性能，該 技術(shù)在下一代通信技術(shù)中被廣泛使用，如802. 16e(WiMAX)。
[0007] 一般情況下，認(rèn)知0FDMA網(wǎng)絡(luò)的資源分配問(wèn)題是一個(gè)非線性?xún)?yōu)化問(wèn)題，屬于 NP-hard問(wèn)題，采用傳統(tǒng)方法求解此類(lèi)問(wèn)題或者無(wú)法得到非常好的解，或者消耗非常大的時(shí) 間代價(jià)。然而在近幾年，生物啟發(fā)分配方法的發(fā)展為解決這類(lèi)問(wèn)題提供了新的思路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種基于人工免疫分配方法的認(rèn)知0FDM網(wǎng)絡(luò)上行鏈路子 載波和功率聯(lián)合分配方法，解決了比例公平性準(zhǔn)則下認(rèn)知0FDMA網(wǎng)絡(luò)下行鏈路中子載波和 功率的聯(lián)合分配問(wèn)題。本發(fā)明的有效性將通過(guò)對(duì)認(rèn)知0FDMA網(wǎng)絡(luò)的建模仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)證明。
[0009] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)方案，包括如下步驟：
[0010] ⑴網(wǎng)絡(luò)建模：在認(rèn)知0FDM網(wǎng)絡(luò)模型中，功率的分配受到發(fā)射端功率限制的約束， 并且子載波分配時(shí)只能分配給一個(gè)次用戶(hù)，同時(shí)每個(gè)次用戶(hù)至少分配一個(gè)子載波，網(wǎng)絡(luò)模 型表示如下：
[0021]其中，U(R)是需要優(yōu)化的函數(shù)，包括數(shù)據(jù)傳輸速率函數(shù)f\(R)和比例公平函數(shù)f2 (R)。氏表示次用戶(hù)i的總吞吐量，即數(shù)據(jù)傳輸速率，ai表示次用戶(hù)i的吞吐量分配比例， RavCT表示平均分配時(shí)用戶(hù)的吞吐量，n表示認(rèn)知0FDMA網(wǎng)絡(luò)中子信道的數(shù)量，m表示次用戶(hù) 的數(shù)量，隊(duì)表示信道的噪聲功率譜密度，W。表示信道的信道帶寬，pik表示次用戶(hù)i在第k個(gè) 子信道上施加的功率，gik表示次用戶(hù)i使用第k個(gè)子信道時(shí)該信道的信道增益，《ik表示 用戶(hù)i使用信道k的情況，《ik=l表示次用戶(hù)i正在使用子信道k，《ik=0表示沒(méi)有，Pt()tal 表不系統(tǒng)總的傳輸速率。而Q= {?ik| ?^{〇, 1}，1 <i<m，1 <k<n}表不一種可能的 子載波分配方案，P={pik| 1彡i彡m，1彡k彡n}表示一種可能的功率分配方案；
[0022] 在約束條件中，第一個(gè)公式表示每個(gè)子載波只能分配給一個(gè)次用戶(hù)，第二個(gè)約束 條件表示分配的功率之和不能超過(guò)基站提供的功率，第三個(gè)公式表示各個(gè)次用戶(hù)的數(shù)據(jù)傳 輸速率應(yīng)該成比例分配，第四個(gè)約束條件表示每個(gè)次用戶(hù)至少分配一個(gè)子載波；
[0023] (2)抗體編碼：在對(duì)子載波的編碼中，采用對(duì)所有的子載波進(jìn)行編碼，編碼的長(zhǎng)度 為子載波的個(gè)數(shù)n，每個(gè)子載波的取值為[lm]，并且只能取整數(shù)值，該值表示次用戶(hù)的編 號(hào)，在對(duì)功率的編碼中，編碼的長(zhǎng)度同樣為n，每個(gè)編碼取值為有限的連續(xù)值，對(duì)應(yīng)于對(duì)每個(gè) 子載波分配的功率；
[0024] (3)生成初始父代抗體群A:采用貪婪的方法產(chǎn)生初始抗體群的子載波分配方案， 對(duì)每一個(gè)子載波，將其分配給在該子載波上等效噪聲最小的次用戶(hù)，功率分配方案根據(jù)子 載波分配方案采用注水定理分配，第i個(gè)用戶(hù)在第k個(gè)子載波上的等效噪聲psik可用如下 公式計(jì)算：
[0025]
[0026] (4)抗體親和度評(píng)價(jià)：計(jì)算父代抗體抗體群A的所有抗體的系統(tǒng)總的數(shù)據(jù)傳輸速 率和比例公平函數(shù)f2，以及每個(gè)次用戶(hù)的數(shù)據(jù)傳輸速率氏，并以這兩個(gè)函數(shù)值和m個(gè)氏 值組成的向量作為相應(yīng)抗體的親和度向量；
[0027] (5)免疫克?。翰捎米儽稊?shù)克隆，即根據(jù)父代抗體群A中每個(gè)抗體的親和度值fl 和f2來(lái)確定相應(yīng)抗體的克隆倍數(shù)，父代抗體抗體群A經(jīng)過(guò)免疫克隆生成克隆抗體群B;
[0028] (6)克隆變異：采用啟發(fā)式的克隆變異算子，用等效噪聲矩陣 Ps(Ps={psik|〇〈i〈=m,0〈k〈=n})和克隆抗體群B中每個(gè)抗體對(duì)應(yīng)的分配方案獲得的每個(gè)次 用戶(hù)的數(shù)據(jù)傳輸速率氏來(lái)指導(dǎo)變異過(guò)程，克隆抗體群B經(jīng)過(guò)變異過(guò)程生成變異抗體群C;
[0029] (7)將經(jīng)過(guò)克隆變異后得到抗體群C和原父代抗體群A合并組和成子代抗體群0 ;
[0030] (8)適應(yīng)度評(píng)價(jià)：計(jì)算子代抗體群0的所有抗體的系統(tǒng)總的數(shù)據(jù)傳輸速率和比 例公平函數(shù)f2，并將這兩個(gè)函數(shù)值作為對(duì)應(yīng)抗體的適應(yīng)度值；
[0031] (9)抗體群更新：移除出子代抗體群0中比例公平函數(shù)f2的值過(guò)大的抗體，選出 剩余抗體中的非支配抗體，并選取其中比例公平函數(shù)f2的值較小的Psize個(gè)抗體組成新的父 代抗體群A，這里Psize表示預(yù)設(shè)的抗體群規(guī)模，如果剩余非支配抗體的數(shù)量不足Psize個(gè)，則 從剩余支配抗體中按照公平函數(shù)f2的值選取較小的補(bǔ)充至Psize個(gè)；
[0032] (10)判斷是否達(dá)到設(shè)定的循環(huán)結(jié)束條件，如果達(dá)到循環(huán)結(jié)束條件，則分配方法結(jié) 束，保存最優(yōu)的子載波和功率分配方案并輸出抗體群中的最優(yōu)解，完成求解過(guò)程，否則返回 步驟（4)進(jìn)行下一次循環(huán)。
[0033] 上述步驟（10)所述的循環(huán)結(jié)束條件，表示為：it>gmax