專利名稱：認知正交頻分復用系統中的自適應資源分配方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種特別用于認知無線電網絡中基于OFDM的資源分配實現方案，屬于通信技術領域。
背景技術：
隨著無線通信技術的快速發(fā)展，無線頻譜資源已成為信息社會不可缺少的寶貴資源。然而根據美國聯邦通信委員會(FCC)提供的數據來看，已經分配的頻譜利用率卻只有15% _85%，這是由于現行的頻譜授權機制采用固定的頻譜分配，使得頻譜利用率低，從而導致大量頻譜資源浪費，因此在無線通信技術中，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。而認知無線電技術被認為是解決無線頻譜利用率低的最佳解決方案。認知無線電(Cognitive Radio, CR)技術提出一種動態(tài)頻譜共享的框架，允許認知用戶 (Cognitive User，CU)在不影響授權用戶(Primary User,PU)工作的前提下智能地利用大量閑置頻譜，動態(tài)地進行頻譜分配并且隨時隨地、高可靠性的通信。因此研究認知無線電環(huán)境下的動態(tài)信道分配和接入技術顯得更有實際意義。由此可知，自適應數據傳輸技術是認知無線電系統利用空閑頻譜進行通信，從而整體提高頻譜利用率的關鍵技術之一。由于認知無線電系統可能工作在非常寬的頻帶內， 而且頻譜一般不連續(xù)，所以數據傳輸方式必須能夠自適應這種特性。OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)由于既能動態(tài)利用頻譜資源，并根據子信道特性自適應加載，又能對授權用戶頻譜占用情況進行快速分析，具有頻譜利用率高，抗多徑效應能力強，可靈活控制和利用頻譜、功率等資源，在寬帶無線通信系統設計中得到了廣泛應用。將 OFDM應用于認知無線電中，通過對每一個子載波依據其各自不同的信道條件動態(tài)地選擇調制和編碼方案，能方便的實現傳輸鏈路自適應。正交頻分復用(OFDM)技術正是無線通信在有限的無線頻段內傳送高速率、寬頻帶的多媒體業(yè)務的關鍵技術。隨著數據速率的不斷提高，高速數據通信系統的性能不僅僅受噪聲限制，更主要的影響來自于無線信道的時延擴展特性導致的碼間干擾。這種碼間干擾主要是由于發(fā)射機和接收機之間存在多條時延不同的無線傳播路徑造成的。一般而言， 只要時延擴展遠遠小于發(fā)送符號的周期，則碼間干擾造成的影響幾乎可以忽略。對于高速數據業(yè)務，發(fā)送符號的周期可以與時延擴展相比擬，甚至小于時延擴展，此時將引入嚴重的碼間干擾，導致系統性能急劇下降。OFDM基本原理就是將高速的數據流分解成多路并行的低速率數據流，在多個載波上進行傳輸。對于低速率的并行的子載波而言，由于符號周期展寬，多徑效應造成的時延擴展相對變小，當每個OFDM符號中插入一定的保護時間后，碼間干擾幾乎可以忽略。傳統OFDM系統中的自適應分配問題，一般是對給定的發(fā)送功率和傳輸帶寬，在保證服務質量(QoQ所需要BER的條件下，根據子信道的瞬時特性自適應地為多用戶分配子信道和子信道上的比特率，使系統容量最大化。但在認知系統中主用戶和次用戶經常同時使用相鄰的頻譜，從而會產生不可避免的相互干擾，所以如何利用OFDM技術的特性減小這
3種相互干擾是一個重要的問題。
發(fā)明內容
技術問題本發(fā)明的目的是在于提供一種認知正交頻分復用系統中的自適應資源分配方法，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，基于構建的新的代價函數，運用改進的匈牙利算法進行子信道分配，然后根據次用戶的需求，進行自適應比特和功率分配。技術方案本發(fā)明提供一種OFDM認知無線電系統中的自適應資源分配方法，該方法根據信道情況，構建代價函數，并運用改進的匈牙利算法進行子信道分配，得到次用戶的子信道集合，然后根據次用戶的需求，進行自適應比特和功率分配，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，最大化次用戶系統容量。該方法包括以下步驟a.次用戶基站根據感知所得的信息，實時地更新次用戶k的通信鏈路增益《、主用戶對次用戶k的干擾鏈路增益U欠用戶k對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個子信道與第1個主用戶所占頻帶間的距離；b.計算第k個次用戶在第η個子信道分配1個比特時，產生的發(fā)送功率增量
= σ ^圣2 以及對第1個主用戶產生的干擾增量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個主用戶在第η個子信道上對次用戶k的干擾，
次用戶k在第η個子信道上分配的比特數，C/為時隙t次用戶基站和第k個次用戶接收機
之間在子信道η上的增益，為第k個次用戶在第η個子信道上對第1個主用戶的干擾
因子，L為主用戶的數目；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個次用戶在第η個子信道上分配1個比特的代價函數為Δ6 =αΔ/^ + (1-α)Δ/^，
其中α為調節(jié)因子，將其對L個主用戶取平均得到次用戶k的平均代價函數為 —
Δα =—-；
Ld.對于K個次用戶和N個子信道，采用改進匈牙利算法進行子信道分配，使整個次用戶系統代價最小，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&I最小的子信道分配1個比特，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，分配結束，若沒有，繼續(xù)分配。有益效果對于OFDM認知無線電系統，本發(fā)明提供了一種新的動態(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，將子信道，功率以及比特在次用戶之間進行合理的分配，實現次用戶系統容量最大化，并滿足次用戶的需求。
圖1主用戶和次用戶之間的拓撲關系，圖2主用戶與次用戶接入頻譜的分布情況。
具體實施例方式本發(fā)明中主用戶和次用戶之間的拓撲關系如圖1所示，在OFDM認知無線電網絡中，存在著L個主用戶和K個次用戶，鏈路1和鏈路3分別為主用戶對次用戶，次用戶對主用戶的干擾鏈路，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。次用戶采用OFDM傳輸機制，將可使用頻譜劃分成N個子載波，并假設每個子載波占用頻帶寬度為Δ ζ。在認知系統中，主用戶和次用戶經常同時使用相鄰的頻譜，從而產生的干擾數學模型如下Α.次用戶對主用戶的干擾第k個次用戶占用第η個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個次用戶的第η個子載波上的總發(fā)送功率，Ts為一個OFDM符號持續(xù)時間。由此，第k個次用戶的第η個子載波對第1個主用戶的干擾可表示為=I C I PJs= K(2)其中，dnl為第η個子載波所占頻帶與第1個主用戶所占頻帶間的距離，B1為第1 個主用戶占用的頻帶寬度，《為第k個次用戶發(fā)送機和第1個主用戶接收機之間在子信道 η上的增益，為干擾因子。B.主用戶對次用戶的干擾主用戶的信號經過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為數字角頻率，ΦΡυ( ^)為主用戶信號的功率譜密度，主用戶信號可通過白噪聲通過橢圓濾波器產生。由此，第1個主用戶對第η個子載波的干擾可表示為J、 =| C P \XlfE{IAw))dW⑷其中，K、％ 1個主用戶的發(fā)送機和第k個次用戶的接收機之間在子信道η上的增
■、Λ
frff. ο假設次用戶發(fā)送機可以很好的感知信道狀態(tài)，第k個次用戶在子信道η上的信號噪聲干擾比(SINR)可表示為
權利要求
1. 一種認知正交頻分復用系統中的自適應資源分配方法，其特征在于該方法包括以下步驟a.次用戶基站根據感知所得的信息，實時地更新次用戶k的通信鏈路增益《、主用戶對次用戶k的干擾鏈路增益^、次用戶k對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個子信道與第1個主用戶所占頻帶間的距離；b.計算第k個次用戶在第η個子信道分配1個比特時，產生的發(fā)送功率增量
全文摘要
本發(fā)明提供了一種認知正交頻分復用系統中的自適應資源分配方法，認知無線電能通過提高頻譜資源利用率，來解決無線頻譜資源緊缺的問題，正交頻分復用(OFDM)被認為是能與認知系統完美結合的技術，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，基于構建的新的代價函數，運用改進的匈牙利算法進行子信道分配，然后根據次用戶的需求，進行自適應比特和功率分配。該方法可以有效利用不同主用戶頻帶間的頻譜空穴，使次用戶系統的吞吐量最大，同時保證各個主用戶受到的干擾總量低于各自的干擾門限。
文檔編號H04W16/14GK102355672SQ20111023672
公開日2012年2月15日 申請日期2011年8月17日 優(yōu)先權日2011年8月17日
發(fā)明者張健, 朱洪波, 朱琦, 楊龍祥 申請人:南京郵電大學