文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2015)01-0099-05
OFDM技術(shù)作為多載波調(diào)制技術(shù)的一種，其靈活的調(diào)制特性可有效地提高系統(tǒng)頻帶使用率[1]。如今，在多用戶(hù)OFDM系統(tǒng)中，考慮用戶(hù)業(yè)務(wù)需求，充分利用物理層和高層之間的互動(dòng)信息，就子載波和功率等資源分配問(wèn)題已經(jīng)展開(kāi)了廣泛研究。
隨著無(wú)線(xiàn)移動(dòng)應(yīng)用需求的不斷增長(zhǎng)，無(wú)線(xiàn)資源分配給授權(quán)用戶(hù)專(zhuān)屬使用已經(jīng)成為阻礙頻譜高效利用的嚴(yán)重障礙。據(jù)FCC調(diào)查發(fā)現(xiàn)，授權(quán)頻段在大部分時(shí)間內(nèi)處于閑置狀態(tài)[2]，造成頻譜資源極大的浪費(fèi)。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)使得授權(quán)用戶(hù)和非授權(quán)用戶(hù)可以在同一時(shí)間同一頻帶上共存，成為打破頻譜資源匱乏僵局的潛在基石。因此，將認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)應(yīng)用于OFDM系統(tǒng)中，將會(huì)更好地改善系統(tǒng)頻譜資源的利用狀況，提高整體的頻譜利用率。
針對(duì)基于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電（Cognitive Radio, CR）技術(shù)的OFDM系統(tǒng)資源分配的研究層出不窮，例如文獻(xiàn)[3-8]，分別有針對(duì)性地提出了CR-OFDM系統(tǒng)的資源分配算法。其中，文獻(xiàn)[5-8]針對(duì)多用戶(hù)情況。文獻(xiàn)[5]不考慮用戶(hù)業(yè)務(wù)特性，在滿(mǎn)足總功率限制或?qū)χ饔脩?hù)干擾限制時(shí)先進(jìn)行功率分配，再根據(jù)剩下的約束條件進(jìn)行子載波分配。為了考慮MAC層的多種業(yè)務(wù)特性需求，許多專(zhuān)家學(xué)者將跨層思想引入CR-OFDM系統(tǒng)的資源分配中，并最大化物理層的傳輸速率，例如文獻(xiàn)[6-8]。文獻(xiàn)[6]只考慮非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，保證CR用戶(hù)速率與預(yù)設(shè)目標(biāo)速率成比例，提出最優(yōu)RA算法，最大化系統(tǒng)總速率。文獻(xiàn)[7]區(qū)分只擁有盡力而為業(yè)務(wù)的用戶(hù)和多業(yè)務(wù)用戶(hù)，提出低復(fù)雜性的CR-MUMS子載波分配算法，得出近優(yōu)解。文獻(xiàn)[8]考慮主次用戶(hù)之間相互干擾，區(qū)分實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，采用基于屏障法的功率分配方法，保證RT用戶(hù)速率需求并滿(mǎn)足NRT用戶(hù)之間比例速率限制，提高系統(tǒng)總速率。
本文在基于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的 OFDM系統(tǒng)中，針對(duì)混合業(yè)務(wù)，提出一種有效的子載波和功率分配方案。首先，根據(jù)總發(fā)射功率和主用戶(hù)限定的的最大干擾值，實(shí)現(xiàn)子載波的傳輸功率分配。然后，根據(jù)信道增益信息以及各用戶(hù)業(yè)務(wù)信息，采用人工魚(yú)群算法進(jìn)行不同用戶(hù)之間的子載波分配。
1 系統(tǒng)模型和數(shù)學(xué)模型
1.1 系統(tǒng)模型
在蜂窩系統(tǒng)下行鏈路中，假設(shè)存在1個(gè)認(rèn)知用戶(hù)基站、K個(gè)認(rèn)知用戶(hù)和L個(gè)授權(quán)用戶(hù)（如圖1）。設(shè)認(rèn)知用戶(hù)k使用子載波n時(shí)，認(rèn)知基站到認(rèn)知用戶(hù)K的信道增益為hk，n。認(rèn)知用戶(hù)與主用戶(hù)之間的信道狀態(tài)信息可被周期性地檢測(cè)到[9]，本文假設(shè)信道估計(jì)完美，因此，認(rèn)知基站擁有以上信道狀態(tài)信息。
某時(shí)刻，主次用戶(hù)所使用的頻譜分布情況示意圖如圖2所示。
1.2 數(shù)學(xué)模型
子載波對(duì)主用戶(hù)頻帶產(chǎn)生的干擾為其承載信號(hào)的功率譜密度（PSD）在主用戶(hù)頻帶上的積分[10]，設(shè)主用戶(hù)占用頻段帶寬W，子載波n與主用戶(hù)中心頻譜距離用dn表示，對(duì)于第n個(gè)子載波，認(rèn)知基站到主用戶(hù)的增益為![X$WB($E$WXI730N]_I_51D1.png](http://files.chinaaet.com/images/2015/08/14/6357518489343400001975022.png "X$WB($E$WXI730N]_I_51D1.png")
，則用戶(hù)k使用子載波n時(shí)對(duì)主用戶(hù)的干擾為：
其中，(f)為信號(hào)的PSD，記Fn為在子載波n上對(duì)主用戶(hù)的干擾因子。
當(dāng)子載波n上信號(hào)為理想奈奎斯特脈沖時(shí)，其PSD為：
其中， Ts為OFDM符號(hào)周期，Pk，n為認(rèn)知用戶(hù)k在子載波n上的傳輸功率。
同樣，主用戶(hù)對(duì)認(rèn)知用戶(hù)的干擾可表示為：
其中，PU(eiw)為主用戶(hù)的功率譜密度，BS為每個(gè)子載波的帶寬。
設(shè)認(rèn)知系統(tǒng)分配給用戶(hù)k使用子載波的發(fā)射功率為Pk，n。整個(gè)系統(tǒng)的帶寬B被分成N子載波，則每個(gè)子載波帶寬為B/N。根據(jù)香農(nóng)容量公式，用戶(hù)k的子載波n的瞬時(shí)傳輸速率為：
其中，為信道香農(nóng)容量與M-QAM調(diào)制信號(hào)的信噪比差值，值為-ln(5pe)/1.5[11]，pe為誤比特率，N0為加性高斯白噪聲的單邊功率譜密度。
用戶(hù)k的總速率為：
其中，?贅k為分配給用戶(hù)k的子載波集。
則系統(tǒng)總速率為：
式中，Ck，n為用戶(hù)k在子載波n上的分配因子，Ck，n為1代表子載波n分配給用戶(hù)k，Ck，n為0代表子載波n未分配給用戶(hù)k。
本文中用戶(hù)k擁有數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、流媒體三種業(yè)務(wù)(i=1，2，3)隊(duì)列，根據(jù)隊(duì)列中各個(gè)分組(f=1，2，3，…)等待時(shí)間、分組QoS優(yōu)先級(jí)及分組長(zhǎng)度定義用戶(hù)k的權(quán)重[12]為：
其中，Wk，i表示用戶(hù)k的第i個(gè)分組的權(quán)重，
集合分組處于緊急狀態(tài)，
集合中分組非緊急，k，i，f表征分組QoS優(yōu)先級(jí)，Dk，i，f表征分組長(zhǎng)度，Ek，i，f表征分組緊急狀態(tài)。Ek，i，f等于可忍受時(shí)延Uk，i，f減去已等待時(shí)間再減去保護(hù)間隔Gk，i，當(dāng)Ek，i，f小于0時(shí)分組緊急，否則非緊急。k，i，f越大、Dk，i，f越大或越緊急的分組會(huì)被優(yōu)先傳送。
最終確立優(yōu)化目標(biāo)為:
式中，記
為信道因子。
約束條件：
其中，C1和C4限制功率非負(fù)且不超過(guò)最大發(fā)射總功率；C2和C3確保每個(gè)子載波最多只能被一個(gè)用戶(hù)占用，C5確保對(duì)主用戶(hù)的干擾不超過(guò)主用戶(hù)所允許的干擾門(mén)限值
，C6保證為用戶(hù)分配不超過(guò)其所需要的資源，Qk表示用戶(hù)k緩存的數(shù)據(jù)量。
2 資源分配
2.1 功率分配
優(yōu)化目標(biāo)中，子載波分配指數(shù)Ck，n和功率分配指數(shù)Pk，n是待求變量，本文采用次優(yōu)方法進(jìn)行功率和子載波分配。
信道增益越大且干擾因子越小的子載波應(yīng)該被分配更高的功率。為滿(mǎn)足以上要求并滿(mǎn)足干擾門(mén)限值，令主用戶(hù)所能承受子載波n對(duì)其產(chǎn)生的干擾的上限為：
由此可得：
n個(gè)子載波對(duì)主用戶(hù)總干擾值等于
，這樣確保滿(mǎn)足主用戶(hù)的干擾功率限制。
發(fā)射總功率最大值為PT，若各個(gè)子載波均分總功率，各個(gè)子載波上應(yīng)該分配的功率為：
滿(mǎn)足總功率和干擾門(mén)限限制，分配給各個(gè)子載波相應(yīng)的功率值為:
2.2 子載波分配
基于人工魚(yú)群算法求解Ck，n(k=1，…，K；n=1，…，N)的步驟如下:
(1)設(shè)定種群大小M，人工魚(yú)的可視范圍visual，擁擠度因子?啄，人工魚(yú)每次覓食最大試探次數(shù)try_number，迭代次數(shù)gen，同時(shí)功率按式(12)取值。
(2)定義人工魚(yú)向量(行向量)長(zhǎng)度為N，其元素值隨機(jī)取1～K之間的某個(gè)數(shù)。如果子載波n分配給用戶(hù)k，即Ck，n=1(k=1，…，K；n=1，…，N)對(duì)應(yīng)于人工魚(yú)向量的第n個(gè)元素值等于k。
(3)隨機(jī)產(chǎn)生M個(gè)第1代人工魚(yú)向量
(i=1，…，M)，該向量必須符合C2～C6條件約束。
(4)定義食物濃度![HYN46]6LW5MA_C3`EKMXV4R.jpg](http://files.chinaaet.com/images/2015/08/14/6357518473282400002792992.jpg "HYN46]6LW5MA_C3`EKMXV4R.jpg")
。
(5)先做人工魚(yú)向量
(i=1，…，M)到Ck，n(k=1，…，K；n=1，…，N)的映射，再由Ck，n和Pk，n計(jì)算用戶(hù)速率Rk(k=1，…，K)，最后計(jì)算
的食物濃度]C.png](http://files.chinaaet.com/images/2015/08/14/6357518478662800003639261.png "A7U[)Q(3)](VNE[88CRU)]C.png")
(i=1，…，M)并選出全局食物濃度最大的人工魚(yú)向量賦值給F_best。
(6)人工魚(yú)行為定義。
)
(6.2)使F![]1H85HA)OIOF%_5~9)BOY)1.png](http://files.chinaaet.com/images/2015/08/14/6357518482125200009340590.png "]1H85HA)OIOF%_5~9)BOY)1.png")
分別進(jìn)行覓食、群聚、追尾等行為，通過(guò)行為評(píng)價(jià)，擇優(yōu)執(zhí)行食物濃度較大的行為。
(7)通過(guò)擇優(yōu)執(zhí)行后得到人工魚(yú)向量
(i=1，…，M；t=1，…，gen-1)并更新F_best。
(8)判斷是否滿(mǎn)足迭代次數(shù)gen條件，若滿(mǎn)足，由F_best逆映射回Ck，n；否則跳轉(zhuǎn)到(6.2)。
C6在分配過(guò)程中作為判斷條件，在求出分配矩陣Ck，n(k=1，…，K；n=1，…，N)之后，本文所求問(wèn)題得以解決。
3 仿真及分析
仿真時(shí)，帶寬B為10 MHz，子載波數(shù)為128，設(shè)主用戶(hù)占用中間頻帶且?guī)挼扔贐/N，采用六徑頻率選擇性衰落信道，。
用戶(hù)隊(duì)列中分組參數(shù)設(shè)置如表1。
人工魚(yú)群算法中M=31，visual=5，try_number=5，gen=100。
圖3顯示用戶(hù)數(shù)為16時(shí)，隨著主用戶(hù)所允許干擾門(mén)限值增大，主用戶(hù)能容忍的干擾功率變大，系統(tǒng)性能相對(duì)變差使得系統(tǒng)總速率得以提高。當(dāng)主用戶(hù)所允許干擾門(mén)限值比較小時(shí)，系統(tǒng)主要受限于干擾門(mén)限約束，隨著允許干擾門(mén)限值增加，系統(tǒng)總速率增大的幅度較大；當(dāng)主用戶(hù)所允許干擾門(mén)限超過(guò)一定值時(shí)，系統(tǒng)總速率增大的幅度趨于平緩。并且當(dāng)發(fā)射功率分別為-10 dB、0 dB、10 dB不斷增大時(shí)，系統(tǒng)總速率也隨之增大。所允許干擾門(mén)限值較小時(shí)，由于系統(tǒng)干擾受限，不同總發(fā)射功率對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)總速率的差異相對(duì)較小；隨著所允許干擾門(mén)限值增大，由于系統(tǒng)受限于發(fā)射功率，因此不同總發(fā)射功率時(shí)，系統(tǒng)總速率差異相對(duì)較大。
圖4顯示隨著用戶(hù)數(shù)增加，由于多用戶(hù)分集效應(yīng)增強(qiáng)，系統(tǒng)總速率增大。當(dāng)總發(fā)射功率相同時(shí)，主用戶(hù)所允許干擾門(mén)限值大的系統(tǒng)總速率比較大，由于隨著干擾門(mén)限的放松，即主用戶(hù)可以承受更大的干擾，認(rèn)知用戶(hù)可以在不影響主用戶(hù)正常通信的前提下分得更高的功率，因此系統(tǒng)總速率增大；當(dāng)主用戶(hù)所允許干擾門(mén)限值相同時(shí)，發(fā)射功率大的系統(tǒng)總速率大。
圖5顯示在特定干擾限制下（Ithp=-30 dB），當(dāng)總發(fā)射功率較小時(shí)，所有算法的系統(tǒng)總速率隨著總發(fā)射功率增加而明顯增大；當(dāng)總發(fā)射功率達(dá)到一定水平，由于系統(tǒng)受限于干擾功率的約束，所有算法的系統(tǒng)總速率趨于平緩。相比而言，文獻(xiàn)[8]中INT-OP算法的系統(tǒng)總速率大，因?yàn)镮NT-OP在分配子載波時(shí)綜合考慮總功率限制和干擾水平限制。而文獻(xiàn)[5]IFPA-NCSE算法在子載波分配時(shí)只考慮兩者之一。本文方案在同時(shí)滿(mǎn)足總功率和干擾限制的功率分配基礎(chǔ)上分配子載波，優(yōu)于IFPA-NCSE算法且接近于INT-OP算法。
圖6顯示在總發(fā)射功率和干擾門(mén)限值一定(Pt=0 dB，Ithp=-20 dB)時(shí)，隨著CR用戶(hù)數(shù)增加，多用戶(hù)分集效應(yīng)增強(qiáng)，系統(tǒng)總速率均呈增大趨勢(shì)。INT-OP算法（RT用戶(hù)設(shè)為5個(gè)）區(qū)分用戶(hù)為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)用戶(hù)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)用戶(hù)，滿(mǎn)足RT用戶(hù)速率要求的前提下兼顧NRT用戶(hù)之間公平性，最大化NRT用戶(hù)速率。隨著用戶(hù)數(shù)增加，非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)用戶(hù)占的比重增加，由于考慮非實(shí)時(shí)用戶(hù)之間的公平性，其與本文算法差距不斷增大。本文所提方案區(qū)分三種業(yè)務(wù)，根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)確定用戶(hù)的權(quán)重，合理地分配資源，以犧牲用戶(hù)間的公平性獲得最大系統(tǒng)總速率。
4 結(jié)論
本文在多用戶(hù)CR-OFDM系統(tǒng)中，采用人工魚(yú)群算法和新穎的功率分配方案進(jìn)行資源分配。該方案區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)、語(yǔ)音、流媒體三種業(yè)務(wù)，根據(jù)總發(fā)射功率和主用戶(hù)可容忍的干擾功率限制，采用反比例于干擾因子的方法分配功率，采用人工魚(yú)群算法分配子載波。仿真結(jié)果與分析表明，該方案在滿(mǎn)足對(duì)主用戶(hù)的干擾功率和總功率約束前提下，通過(guò)區(qū)分各用戶(hù)不同的業(yè)務(wù)特性，滿(mǎn)足混合業(yè)務(wù)用戶(hù)需求，有效地提高了系統(tǒng)總速率且降低了算法復(fù)雜度，其系統(tǒng)性能接近于最優(yōu)。在CR-OFDM系統(tǒng)中，基于本文所提多用戶(hù)子載波功率分配算法，針對(duì)多個(gè)主用戶(hù)情景以及用戶(hù)間的公平性等有待研究。
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