专利名称：认知正交频分复用系统中的自适应资源分配方法
技术领域：
本发明涉及一种特别用于认知无线电网络中基于OFDM的资源分配实现方案，属于通信技术领域。
背景技术：
随着无线通信技术的快速发展，无线频谱资源已成为信息社会不可缺少的宝贵资源。然而根据美国联邦通信委员会(FCC)提供的数据来看，已经分配的频谱利用率却只有15% _85%，这是由于现行的频谱授权机制采用固定的频谱分配，使得频谱利用率低，从而导致大量频谱资源浪费，因此在无线通信技术中，频谱接入和分配的合理性比频谱的物理稀缺显得更加重要。而认知无线电技术被认为是解决无线频谱利用率低的最佳解决方案。认知无线电(Cognitive Radio, CR)技术提出一种动态频谱共享的框架，允许认知用户 (Cognitive User，CU)在不影响授权用户(Primary User,PU)工作的前提下智能地利用大量闲置频谱，动态地进行频谱分配并且随时随地、高可靠性的通信。因此研究认知无线电环境下的动态信道分配和接入技术显得更有实际意义。由此可知，自适应数据传输技术是认知无线电系统利用空闲频谱进行通信，从而整体提高频谱利用率的关键技术之一。由于认知无线电系统可能工作在非常宽的频带内， 而且频谱一般不连续，所以数据传输方式必须能够自适应这种特性。OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)由于既能动态利用频谱资源，并根据子信道特性自适应加载，又能对授权用户频谱占用情况进行快速分析，具有频谱利用率高，抗多径效应能力强，可灵活控制和利用频谱、功率等资源，在宽带无线通信系统设计中得到了广泛应用。将 OFDM应用于认知无线电中，通过对每一个子载波依据其各自不同的信道条件动态地选择调制和编码方案，能方便的实现传输链路自适应。正交频分复用(OFDM)技术正是无线通信在有限的无线频段内传送高速率、宽频带的多媒体业务的关键技术。随着数据速率的不断提高，高速数据通信系统的性能不仅仅受噪声限制，更主要的影响来自于无线信道的时延扩展特性导致的码间干扰。这种码间干扰主要是由于发射机和接收机之间存在多条时延不同的无线传播路径造成的。一般而言， 只要时延扩展远远小于发送符号的周期，则码间干扰造成的影响几乎可以忽略。对于高速数据业务，发送符号的周期可以与时延扩展相比拟，甚至小于时延扩展，此时将引入严重的码间干扰，导致系统性能急剧下降。OFDM基本原理就是将高速的数据流分解成多路并行的低速率数据流，在多个载波上进行传输。对于低速率的并行的子载波而言，由于符号周期展宽，多径效应造成的时延扩展相对变小，当每个OFDM符号中插入一定的保护时间后，码间干扰几乎可以忽略。传统OFDM系统中的自适应分配问题，一般是对给定的发送功率和传输带宽，在保证服务质量(QoQ所需要BER的条件下，根据子信道的瞬时特性自适应地为多用户分配子信道和子信道上的比特率，使系统容量最大化。但在认知系统中主用户和次用户经常同时使用相邻的频谱，从而会产生不可避免的相互干扰，所以如何利用OFDM技术的特性减小这
3种相互干扰是一个重要的问题。
发明内容
技术问题本发明的目的是在于提供一种认知正交频分复用系统中的自适应资源分配方法，该方法从最大化次用户的总传输比特速率出发，在次用户总的发送功率限制和主用户的干扰门限限制下，基于构建的新的代价函数，运用改进的匈牙利算法进行子信道分配，然后根据次用户的需求，进行自适应比特和功率分配。技术方案本发明提供一种OFDM认知无线电系统中的自适应资源分配方法，该方法根据信道情况，构建代价函数，并运用改进的匈牙利算法进行子信道分配，得到次用户的子信道集合，然后根据次用户的需求，进行自适应比特和功率分配，以保证在次用户总的发送功率限制和主用户的干扰门限限制下，最大化次用户系统容量。该方法包括以下步骤a.次用户基站根据感知所得的信息，实时地更新次用户k的通信链路增益《、主用户对次用户k的干扰链路增益U欠用户k对主用户的干扰链路增益《以及各子信道与主用户所占频谱间的距离dnl，其中dnl为第η个子信道与第1个主用户所占频带间的距离；b.计算第k个次用户在第η个子信道分配1个比特时，产生的发送功率增量
= σ ^圣2 以及对第1个主用户产生的干扰增量α , Α/7 ,其中，。2为 ‘ I K,η I^1k,η = ^PkJFk,n，
加性高斯白噪声的方差，为第1个主用户在第η个子信道上对次用户k的干扰，
次用户k在第η个子信道上分配的比特数，C/为时隙t次用户基站和第k个次用户接收机
之间在子信道η上的增益，为第k个次用户在第η个子信道上对第1个主用户的干扰
因子，L为主用户的数目；c.为了将功率限制和干扰限制均衡考虑，将发送功率增量和干扰增量取折中，定义为第k个次用户在第η个子信道上分配1个比特的代价函数为Δ6 =αΔ/^ + (1-α)Δ/^，
其中α为调节因子，将其对L个主用户取平均得到次用户k的平均代价函数为 —
Δα =—-；
Ld.对于K个次用户和N个子信道，采用改进匈牙利算法进行子信道分配，使整个次用户系统代价最小，由此得到次用户k的子信道集合Ak ；e.选取仏/^^最小的次用户进行子信道和比特分配，其中&为次用户k所要求的传输速率，β k为次用户k获得的传输速率，从子信道集合Ak中选择代价&I最小的子信道分配1个比特，并判断次用户发送功率和主用户所受干扰是否超过各自门限，若超过，分配结束，若没有，继续分配。有益效果对于OFDM认知无线电系统，本发明提供了一种新的动态资源分配算法，该算法在保证满足次用户总的发送功率限制和主用户的干扰门限限制的同时，将子信道，功率以及比特在次用户之间进行合理的分配，实现次用户系统容量最大化，并满足次用户的需求。
图1主用户和次用户之间的拓扑关系，图2主用户与次用户接入频谱的分布情况。
具体实施例方式本发明中主用户和次用户之间的拓扑关系如图1所示，在OFDM认知无线电网络中，存在着L个主用户和K个次用户，链路1和链路3分别为主用户对次用户，次用户对主用户的干扰链路，链路2为次用户的通信链路，K，《和《分别为三条链路上的增益。主用户与次用户接入频谱的分布情况如图2所示，假设主用户1，2...L占用的频带分别为B1, B2... , Hz，并已被次用户获知，次用户可接入频谱分布在主用户所占用频带的两侧。次用户采用OFDM传输机制，将可使用频谱划分成N个子载波，并假设每个子载波占用频带宽度为Δ ζ。在认知系统中，主用户和次用户经常同时使用相邻的频谱，从而产生的干扰数学模型如下Α.次用户对主用户的干扰第k个次用户占用第η个子载波的功率谱密度可表示为‘C/) = 々Z(^^)2⑴
7iJ1s其中，Pk, n为第k个次用户的第η个子载波上的总发送功率，Ts为一个OFDM符号持续时间。由此，第k个次用户的第η个子载波对第1个主用户的干扰可表示为=I C I PJs= K(2)其中，dnl为第η个子载波所占频带与第1个主用户所占频带间的距离，B1为第1 个主用户占用的频带宽度，《为第k个次用户发送机和第1个主用户接收机之间在子信道 η上的增益，为干扰因子。B.主用户对次用户的干扰主用户的信号经过M阶快速傅里叶变换(FFT)后的功率谱密度可表示如下
^1πΜ、--Ρυsin(妒 _<ρ)/2其中，w为数字角频率，ΦΡυ( ^)为主用户信号的功率谱密度，主用户信号可通过白噪声通过椭圆滤波器产生。由此，第1个主用户对第η个子载波的干扰可表示为J、 =| C P \XlfE{IAw))dW⑷其中，K、％ 1个主用户的发送机和第k个次用户的接收机之间在子信道η上的增
■、Λ
frff. ο假设次用户发送机可以很好的感知信道状态，第k个次用户在子信道η上的信号噪声干扰比(SINR)可表示为
权利要求
1. 一种认知正交频分复用系统中的自适应资源分配方法，其特征在于该方法包括以下步骤a.次用户基站根据感知所得的信息，实时地更新次用户k的通信链路增益《、主用户对次用户k的干扰链路增益^、次用户k对主用户的干扰链路增益《以及各子信道与主用户所占频谱间的距离dnl，其中dnl为第η个子信道与第1个主用户所占频带间的距离；b.计算第k个次用户在第η个子信道分配1个比特时，产生的发送功率增量
全文摘要
本发明提供了一种认知正交频分复用系统中的自适应资源分配方法，认知无线电能通过提高频谱资源利用率，来解决无线频谱资源紧缺的问题，正交频分复用(OFDM)被认为是能与认知系统完美结合的技术，该方法从最大化次用户的总传输比特速率出发，在次用户总的发送功率限制和主用户的干扰门限限制下，基于构建的新的代价函数，运用改进的匈牙利算法进行子信道分配，然后根据次用户的需求，进行自适应比特和功率分配。该方法可以有效利用不同主用户频带间的频谱空穴，使次用户系统的吞吐量最大，同时保证各个主用户受到的干扰总量低于各自的干扰门限。
文档编号H04W16/14GK102355672SQ20111023672
公开日2012年2月15日 申请日期2011年8月17日 优先权日2011年8月17日
发明者张健, 朱洪波, 朱琦, 杨龙祥 申请人:南京邮电大学