專利名稱：認知無線電系統中基于背包問題的資源分配方法
認知無線電系統中基于背包問題的資源分配方法技術領域
本發明涉及一種特別用于多用戶OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing )認知無線電系統中信道、比特及功率聯合分配的實現方案，屬于通信技術領域。
背景技術：
無線通信頻譜是一種有限的寶貴資源，目前主要是由國家統一管理、統一授權使用， 這種靜態的頻譜分配方式可以有效的避免系統間的干擾，但是隨著無線通信技術的迅速發展和無線業務種類的日漸豐富，同時也造成了頻譜資源越來越緊張。美國聯邦通信委員會 (Federal Communications Commission, FCC)研究報告指出頻譜的使用狀況極其不平衡 一些頻帶大部分時間是空閑的，沒有用戶使用，而另一些頻帶只在某些時刻使用，而剩余頻帶的使用則競爭非常激烈。因此尋找一種更加有效的頻譜管理方式，緩解利用率低與不斷增長的頻譜資源需求之間的矛盾，充分利用各地區、各時間段的空閑頻段，提高頻譜利用率成為備受關注的問題。認知無線電(Cognitive Radio, CR)作為一種智能的無線通信技術，能夠連續不斷的感知周圍的通信環境，對環境信息的分析和判斷，然后通過無線電知識描述語言(Radio Knowledge Representation Language, RKRL)自適應調整其內部的通信參數(如發射功率、 工作頻率、編碼方式等)，以適應環境的變化。認知無線電能夠智能地利用空閑頻譜而不影響主用戶的使用，從而提高頻譜利用率，因此這一技術被認為是解決無線頻譜利用率低下問題最有前景的技術。認知無線電是建立在軟件無線電(SDR: Software Radio)平臺之上的一個智能無線通信系統，能夠感知外部環境、使用邊了解邊累積的方法對外部環境進行學習、并根據外部環境提供的激勵，對運行參數進行相應的修改(如傳輸功率、
載波頻率、調制方式等)，從而達到內部狀態的自適應調整。從定義中可以看出，認知無線電應當具備的兩個主要特征是認知能力(Cognitive Capability)和重新配置能力 (Reconfigurability)0認知能力能夠使認知無線電與周圍環境進行相互交互，進而決定適合的通信參數來適應環境的無線頻譜資源；重新配置能力能夠不改變任何硬件部分而調整傳輸功率、載頻、調制等發射參數。從認知方面來看，認知無線電類似信號處理和機器學習過程；從重新配置方面來看，認知無線電類似軟件無線電在執行通過認知能力獲得的任務。 認知無線電的兩個最主要的目標是可靠的通信方式以及高效的頻譜利用效率。頻譜資源的匱乏是當前通信領域面臨的主要問題之一，研究表明，頻譜匱乏主要是由許多頻段的不充分利用引起的，認知無線電的概念及技術正是為了解決這一問題而提出。認知無線電的基本思想是利用未被授權用戶使用的空閑頻譜進行通信，其可用無線資源是根據授權用戶的頻譜使用情況而動態變化的。因此，能否實現對系統可用無線資源的合理有效管理，對整個認知無線電系統的性能優劣起著決定性作用。認知無線電技術的認知過程開始于無線電頻譜的感知，以做出反應的行為而結束。一個基本的認知無線電工作周期要經歷三個基本過程無線傳輸場景分析、信道狀態估計及其容量預測、功率控制和頻譜管理，它們順序執行使認知無線電系統的認知功能得以實現。認知無線電系統的資源分配必須考慮三方面的問題一是認知無線電用戶對主用戶的干擾問題，二是認知無線電用戶之間的干擾問題，三是認知無線電系統的效益和用戶間的公平性問題。目前，世界各地的認知無線電科研機構和組織的研究者對頻譜分配的這三個方面的問題都做了不少研究。由于OFDM技術不僅可以很好的抵抗多徑效應，而且還可以根據每個子載波上的衰落情況動態地調整每個子信道上所采用的調制解調方式、發射功率、編碼方式等，因而被選作認知無線電系統傳輸鏈路的關鍵調制技術。功率分配作為傳統OFDM系統中的關鍵技術，其基本原理是在系統發射端最大發射功率的約束下，根據信道狀態信息在各子載波間合理地分配功率以達到最大化鏈路容量的目的。傳統的基于OFDM的功率載波聯合分配問題并沒有考慮相互干擾問題，在基于OFDM的CR (Cognitive Radio)系統中，由于主用戶不一定使用0FDM，主次用戶間相互干擾問題不可忽略。
發明內容
技術問題本發明的目的在于提供一種認知無線電系統中基于背包問題的資源分配方法，即多用戶OFDM認知無線電系統中基于背包問題的比特、信道與功率聯合分配方法，該方法將多用戶資源分配映射成多維0-1背包問題，考慮了主次用戶之間的干擾，引入了次用戶的帶寬需求，既保證了次用戶對主用戶干擾功率的限制，同時又滿足了各個次用戶的QoS。技術方案本發明中建立了功率與信道分配的非線性規劃數學模型，通過將多用戶資源分配映射成多維0-1背包問題，并進一步設計了具體分配算法及其步驟，考慮了主次用戶之間的干擾，引入了次用戶的帶寬需求，不僅提高了系統容量，而且降低了復雜度， 同時還可以保證用戶的QoS。該方法包括以下步驟
a、系統初始化設置次用戶總數K、子信道總數M及每個子信道上可以分配的最大比特
數，令次用戶k在每個子信道m上分配的比特數為0，次用戶k所耗費的功率代仫( 和干擾代價分別為0，次用戶k在子信道m上分配的比特數為0 ；
b、計算分配一個比特所需要的功率增量次用戶k在子信道m上分配第+1個比特
所需要的功率增量由
權利要求
1. 一種認知無線電系統中基于背包問題的資源分配方法，其特征在于該方法包括以下步驟a、系統初始化設置次用戶總數K、子信道總數M及每個子信道上可以分配的最大比特數^ ,令次用戶k在每個子信道m上分配的比特數Afcjg為0，次用戶k所耗費的功率代價 和干擾代價h分別為0，次用戶k在子信道m上分配的比特數為0 ；b、計算分配一個比特所需要的功率增量次用戶k在子信道m上分配第+1個比特所需要的功率增量由ρ /1 =進行計算，其中r為信噪比間隙，它表示M-QAM調制與香農容量之間的信噪比差值，是子信道m上的高斯白噪聲功率，表示次用戶 k的子信道m的增益；C、計算次用戶在子信道上的效能價值在約束條件/下，用戶k在子信道m的效能￡，約束對應于次用戶發射功率的限制，即 i = lSkM N Ι/hH ，其中κ為次用戶總數，η為每個子信道上可以分配的最大比特數，JT Mμ為子信道總數，a ef0, ΣΣ% m揪,表示一個子信道最多只能分配給一個次用戶使用，夕。為用戶k在子信道m上分配第η個比特時的功率增量，<M =1表示用戶k在子信道m上分配了第η個比特，約束/ = 2對應于主用戶干擾上限I的限制，即XMM,其中j為次用戶k在子信道m上對主用戶所產生的干擾，用戶k在子信道m的效能價值‘(約選擇為約束值最小的效能容量，即 伏)=imn^m)；d、最佳的次用戶及子信道的選擇比較所有子信道上每個次用戶的效能價值、(幻，選擇 (勾大的次用戶的值為此子信道的效能價值，即此次將這個子信道分配給 沐)大的次用戶，然后比較所有子信道的 (幻，選擇值最大的子信道為最佳子信道，這個子信道的占用者為最佳次用戶，在其上分配一個比特，此次用戶分配的比特數加1，計算分配新的比特所需要的功率增量和干擾增量，對次用戶k的功率消耗和對主用戶造成的干擾進行更新；e、計算Sk-Uli和I-Ii,如果都大于0，進行下一輪分配，轉至步驟c，否則結束分配。
全文摘要
本發明的目的在于提供一種多用戶OFDM認知無線電系統中基于背包問題的聯合信道、比特及功率的分配方法，該方法在授權用戶干擾溫度及認知用戶發射功率的雙重限制下，以最大化系統容量為基本目標，實現了信道、比特與功率的聯合分配，并且引入需求權重因子來保證各個用戶信道分配的公平。在資源分配的過程中，將資源分配問題映射為背包優化問題，次用戶在滿足主用戶干擾上限的條件下可以使用所有的頻帶，針對每個次用戶可能占用的所有子信道，比較了發送功率增加和對主用戶干擾增加兩種代價對系統容量的影響，并最終選擇使系統容量增加最大的用戶及信道分配資源，在使系統容量達到最大的同時保證了多個次用戶的服務質量要求。
文檔編號H04L27/26GK102256360SQ201110197070
公開日2011年11月23日 申請日期2011年7月14日 優先權日2011年7月14日
發明者朱洪波, 朱琦, 楊龍祥, 趙青 申請人:南京郵電大學