专利名称：CR OFDM系统中具有QoS要求的资源分配方法
技术领域：
本发明属于无线通信技术领域，尤其是一种应用在认知无线电(cognitive radio,简称CR) 正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing,简称OFDM)系统中的资源分配算 法。
背景技术：
随着多媒体业务在无线通信中的广泛使用，无线通信己进入一个高速数据传输时代。然 而，数据传输速率越高，码间串扰越厉害，对系统性能的影响也越严重。OFDM技术则可很 好地解决这一问题，它将高速的数据流通过串并转换，变成传输速率相对较低的数据流在若 干个子载波上传输，大大减轻了码间串扰对信号的破坏，提高了系统在高速数据传输下的性 能。
认知无线电是一种新的提高频谱利用率的技术，它可以将一些区域中暂时没有被授权用 户(licensed users,简称LU)使用的频段借给未授权用户(也称作认知用户cognitive radio user, 简称CRU)使用来提高频谱利用率。认知无线电是一个智能的无线通信系统，它能够通过对 无线电环境的学习，相应地动态调整其传输参数。由于OFDM技术可以灵活地分配子载波， 并控制其功率，因此CR和OFDM两种技术相结合的CR OFDM系统，已成为未来通信系统 的重要组成部分。在CROFDM系统中，授权用户和认知用户将会经常同时使用相邻的频谱 资源，这将产生互干扰，这种互干扰是认知用户在使用授权用户的频段时必须考虑的。同时， 在CROFDM系统中，认知用户的业务不仅有传统的语音和数据等业务，还有不断增长的实 时语音视频等流媒体业务，这些多媒体业务将对QoS (Quality of Service,即服务质量)有着 不同的要求，因而必须要对各种多媒体业务进行QoS考虑。如果系统分配的资源不能满足认 知用户QoS的需求，将会严重影响认知用户的通信质量。因此，在CROFDM系统中，怎样 分配子载波、功率和比特资源才能使认知用户产生对授权用户的干扰不超过授权用户的干扰 门限，同时又能提高系统的频谱利用率和满足认知用户的QoS要求已成为一个重要的研究问 题。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种自适应资源配置方法，实现CR OFDM系统在分配载波资源 时认知用户对授权用户的干扰不超过授权用户的干扰门限，同时满足认知用户的QoS要求并
5尽可能提高系统的频谱利用率。
本发明是通过以下技术方案实现的
一种CROFDM系统中具有QoS要求的资源分配方法，其特征在于，包括下列步骤 步骤l.对基站的资源分配系统进行初始化，完成以下工作
设定待分配的子载波集&和待分配的认知用户集t/m并设定认知用户对授权用户的干扰 /=0;从认知用户的请求资源信息中得到认知用户的最低传输比特速率并转换成一个OFDM 符号内的比特数需求/C和误码率上限要求BER，从授权用户的信号中得到授权用户的干扰门 限L;根据授权用户的发射功率谱和发射信道增益依次计算出授权用户对各个子载波上认知 用户信号产生的干扰& (《)、每个认知用户在各个子载波上的增益因子^。、每个子载波上 所有认知用户的平均增益因子^、每个子载波上要分配的功率值A和每个认知用户在所有子 载波上的平均增益因子^;
步骤2.基站的资源分配系统对认知用户进行满足QoS要求的资源分配
2.1、 资源分配系统从待分配的认知用户集[/m选择^最大的认知用户，按照增益因子L" 大为优先的原则或比特数接近的原则给认知用户分配合适的子载波、功率和比特数，并重新 确定待分配的子载波集Sw和待分配的认知用户集C/m;
2.2、 重新计算认知用户对主用户产生的干扰值/，如果干扰值/大于授权用户的干扰门 限值&，则取消本次子载波及其上功率和比特的分配并结束系统的分配工作，否则进入步骤 2.3;
2.3、 如果认知用户集f/m中已没有待分配的认知用户且待分配的子载波集&中仍有待分 配的子载波资源，则跳到步骤3，否则进入步骤2.4;
2.4、 如果待分配的子载波集Sw中已没有待分配的子载波资源那么结束系统的分配工作，
否则跳到步骤2.1;
步骤3.基站的资源分配系统对剩余子载波资源进行再分配
3.1、 按照增益因子/^大为优先的原则对认知用户分配合适的子载波、功率和比特数，并 重新确定待分配的子载波集SM
3.2、 重新计算认知用户对授权用户产生的干扰值/，如果干扰值/大于授权用户的干扰门 限值&，则取消本次子载波及其上功率和比特的分配并结束系统的分配工作，否则进入步骤
3.3;
3.3、 如果待分配的子载波集Sw中己没有待分配的子载波资源那么结束系统的分配工作，否则跳到步骤3.1。
其中，所述步骤2具体实现方法如下
(1) 选择待分配的认知用户集f/M中^最大的认知用户m、并选择其在待分配的子载波 集^中具有最大增益因子的子载波"*，按(5)式计算该认知用户可在该子载波上分得的比 特数6，
6 = raw"d(log2(l + "*P ,)) (5)
上述公式中，ra""d表示四舍五入运算，；v".表示认知用户附*在子载波一上的增益因子， 尸 ,表示子载波"*上的功率，
对比特数6进行下述过程的判断和操作
i) 如果6等于0，则将该子载波《*上分配的功率值和比恃数都置为0，并从待分配的子
载波集&中删除该子载波；
ii) 如果6大于0并小于认知用户需要的比特数&,，则按增益因子、"大为优先的原则，
将该子载波分配给认知用户m*，并将该子载波上的功率大小分配为尸 ,=^^，比特数分配 为6，将认知用户附*需要分配的比特数置为i m. = -6 ，将子载波"*从^"分配的子载波集
5V中删除；
iii) 如果6大于等于认知用户需要的比特数^,并小于等于i ^+"，"为可调整的反映频
谱利用率和容纳认知用户数重要度的参数，其取值大于或等于O，则按增益因子^"大为优先 的原则，将该子载波分配给认知用户w*，并将该子载波上的功率大小分配为尸 ,=^^，比
特数分配为6，将子载波W从待分配的子载波集Sw中删除，将认知用户》7*从待分^°的认知 用户集C^中删除；
iv) 如果6大于&,+a,则按比特数接近原则搜索新的子载波
"* = argminfllog2(l + ;v A)-&*|)'并且该子载波要满足 ""^(10§2 (1 + l* *P .》^ '将 该子载波分配给认知用户m*，并分配比特数为"m"m/(log2(l + ;v",尸",))，功率大小为
&=^^，将该子载波从待分配的子载波集&中删除，将认知用户附*从待分配的认知用户 集f^中删除；
(2) 计算分配子载波"*及其上功率和比特数增加时对授权用户信号的干扰^ = ^/尸 ,， 更新认知用户对授权用户产生的干扰值/ = / + ^，如果/大于授权用户的干扰门限值&，则 取消本次子载波及其上功率和比特的分配并结束系统的分配工作，否则进入步骤(3);
(3) 如果SM中已没有待分配的认知用户且Sw中仍有待分配的子载波资源，则跳到步骤3， 否则进入步骤(4);
(4) 如果Sw中已没有待分配的子载波资源那么结束分配，否则跳到步骤(1)。所述步骤3的主要实现过程如下-
(1)按增益因子； 大为优先的原则，选择待分配子载波集5V中增益因子乙n最大的子载 波"*和相应的认知用户并将子载波"*分配认知用户分配比特数为
6"ow""(log2("^v^.))，分配功率大小为尸 .=^"^，将该子载波从待分配的子载波集 ^中删除；
(2)计算A7-《./f;.,更新/ = / + ^。如果/大于干扰门限&，则取消本次子载波及其
上功率和比特的分配并结束系统的分配工作，否则进入步骤(3)
(3)如果Sw中己没有待分配的子载波资源那么结束分配，否则跳到步骤(1)。
所述每个子载波上要分配的功率值《处理方法如下 (i)根据(3)、 (4)式计算;i、尸 ,
， W
义=7-^~~ (3)
Zw ZF ),,， "=—ln2
if/I
乂
7"
尸"=~^丄 (4) "1n2 yn
式中《 = l，2，...，iV, ^为授权用户的干扰门限值，/《为子载波n对授权用户的干扰因子，
干扰的大小用瓦特(W)计量，/F = 7; f—:22|g f
/■ " 、2 "凡
, r,表示OFDM的符号周期， A表示子载波n到授权用户使用频带中心的频谱距离，M表示授权用户的信道带宽，W为认
知用户可用的子载波数，gn表示基站到授权用户在子载波W上的信道增益，/表示频率变量；
(ii)如果尸 (" = 1，2,...，7^)中有值小于0,则将最小的负值尸 赋值为0，并移除该子载波，
返回步骤(i);如果尸 ("=1，2，...，^)中已没有值小于0,则本计算结束。 本发明相对于现有技术具有以下的优点
1、 本发明在设计时同时考虑了授权用户的千扰门限和认知用户的QoS要求两个约束条 件，根据互干扰和频谱距离之间的关系，在系统分配资源时首先满足认知用户的QoS要求，
再进行进一步提高频谱利用率的资源分配。本发明使得系统在分配资源时，认知用户对授权
用户的干扰不超过授权用户的千扰门限，同时满足认知用户的QoS要求(包括最小比特传输 速率和误码率上限要求)并尽可能提高系统的频谱利用率。
2、 本发明中还设计了一个反映频谱利用率和容纳用户数的重要度的一个参数a，其取值 大于或等于0。当&,《6s&.+"时，按增益因子大为优先原则，将先前找到的子载波分配 给用户《7* ;当6>/^+ 时，按比特数接近原则分配，即重新搜寻新的子载波，将能满足用 户需求比特数同时又最接近用户需求的比特数的子载波分配给用户w"其结果就是用户获得 其需求的最低比特数。a值越大，说明频谱利用率的重要度越高，这时系统的频谱利用率也越高；a值越小，说明容纳用户数的重要度越高，这时系统能容纳的用户数也越多。系统可
以通过调整a值的大小来确定频谱利用率和容纳认知用户数的重要度。
图1为CROFDM系统下行链路的频谱使用模型；
图2为贪婪算法与本发明方法在一个具体实施例下仿真用户数与系统中断概率关系图； 图3为本发明的系统资源分配流程。
具体实施例方式
本发明的一个具体实例如下描述，系统仿真采用MatLab仿真，参数设定不影响一般性。
采用图1中频谱使用模型，系统中一个基站(base station, BS)服务1个授权用户和4个认知
用户Ml,W2,"3,W4，授权用户使用中间带宽为『尸0.3125Hz的频段，发射功率为1W，干扰门限为
/,f0.002W，功率谱密度用经过椭圆滤波的白噪声信号代替认知用户使用相邻的频段。授权用
户功率谱具体在MatLab具体实现采用带通椭圆滤波器，参数设置为
滤波器的频带范围为0到5.3125MHz，通带波纹最大衰减Rp=3dB，阻带波纹最小衰减
^ 8 9
Rs=40，通带归一化截止频率W。
81 89
阻带归一化截止频率Ws=
17 17
使用上的整数 时，中断概率(即得不到服务要求的用户占总用户的比例)和频谱利用率随用户数变化的情况 的仿真。
从图2中可以看出，由于贪婪算法没有根据认知用户的QoS需求进行子载波和比特分配， 其中断概率在用户数很少时就开始变大。而ARAQ算法(本文方法的算法实现)是按用户QoS 需求进行子载波和比特分配的，QoS得到满足的用户数要远大于贪婪算法下的用户数。同时， 在《=0时比在"=00时，系统能满足更多的用户QoS需求。0< <00时的容纳用户数将位于两 个端点的用户数之间。
权利要求
1、一种CR OFDM系统中具有QoS要求的资源分配方法，其特征在于，包括下列步骤步骤1.对基站的资源分配系统进行初始化，完成以下工作设定待分配的子载波集SN和待分配的认知用户集UM并设定认知用户对授权用户的干扰I＝O；从认知用户的请求资源信息中得到认知用户的最低传输比特速率并转换成一个OFDM符号内的比特数需求Rm和误码率上限要求BER，从授权用户的信号中得到授权用户的干扰门限Ith；根据授权用户的发射功率谱和发射信道增益依次计算出授权用户对各个子载波上认知用户信号产生的干扰Smn(dn)、每个认知用户在各个子载波上的增益因子γmn、每个子载波上所有认知用户的平均增益因子每个子载波上要分配的功率值Pn和每个认知用户在所有子载波上的平均增益因子步骤2. 基站的资源分配系统对认知用户进行满足QoS要求的资源分配2. 1、资源分配系统从待分配的认知用户集UM中选择最大的认知用户，按照增益因子γmn大为优先的原则或比特数接近的原则给认知用户分配合适的子载波、功率和比特数，并重新确定待分配的子载波集SN和待分配的认知用户集UM；2. 2、重新计算认知用户对主用户产生的干扰值I，如果干扰值I大于授权用户的干扰门限值Ith，则取消本次子载波及其上功率和比特的分配并结束系统的分配工作，否则进入步骤2.3；2. 3、如果认知用户集UM中已没有待分配的认知用户且待分配的子载波集SN中仍有待分配的子载波资源，则跳到步骤3，否则进入步骤2.4；2. 4、如果待分配的子载波集SN中已没有待分配的子载波资源那么结束系统的分配工作，否则跳到步骤2.1；步骤3. 基站的资源分配系统对剩余子载波资源进行再分配3. 1、按照增益因子γmn大为优先的原则对认知用户分配合适的子载波、功率和比特数，并重新确定待分配的子载波集SN；3. 2、重新计算认知用户对授权用户产生的干扰值I，如果干扰值I大于授权用户的干扰门限值Ith，则取消本次子载波及其上功率和比特的分配并结束系统的分配工作，否则进入步骤3.3；3. 3、如果待分配的子载波集SN中已没有待分配的子载波资源那么结束系统的分配工作，否则跳到步骤3.1。
2.1、 资源分配系统从待分配的认知用户集f/A/中选择^最大的认知用户，按照增益因子乙 大为优先的原则或比特数接近的原则给认知用户分配合适的子载波、功率和比特数，并重新确定待分配的子载波集Sw和待分配的认知用户集C/w2.2、 重新计算认知用户对主用户产生的干扰值/，如果干扰值/大于授权用户的干扰门限值 &，则取消本次子载波及其上功率和比特的分配并结束系统的分配工作，否则进入步骤2.3;2.3、 如果认知用户集f/A/中已没有待分配的认知用户且待分配的子载波集Sw中仍有待分配的 子载波资源，则跳到步骤3，否则进入步骤2.4;2.4、 如果待分配的子载波集Sw中已没有待分配的子载波资源那么结束系统的分配工作，否则跳到步骤2.1;步骤3.基站的资源分配系统对剩余子载波资源进行再分配
3.1、 按照增益因子^"大为优先的原则对认知用户分配合适的子载波、功率和比特数，并重 新确定待分配的子载波集Sw,3.2、 重新计算认知用户对授权用户产生的干扰值/，如果干扰值/大于授权用户的干扰门限 值&，则取消本次子载波及其上功率和比特的分配并结束系统的分配工作，否则进入步骤3.3;3.3、 如果待分配的子载波集Sw中已没有待分配的子载波资源那么结束系统的分配工作，否则 跳到步骤3.1。2、 根据权利要求1所述的一种CR OFDM系统中具有QoS要求的资源分配方法，其特征在于，所述步骤2具体实现方法如下(1) 选择待分配的认知用户集f/A/中^最大的认知用户m*，并选择其在待分配的子载波集 ^中具有最大增益因子的子载波《*，按下式计算该认知用户可在该子载波上分得的比特数6，& =簡"ii (log2 (1 + ))上述公式中，表示四舍五入运算，乙. ,表示认知用户附*在子载波《*上的增益因子，&表示子载波/7*上的功率，对比特数6进行下述过程的判断和操作i) 如果6等于0，则将该子载波"*上分配的功率值和比特数都置为0，并从待分配的子载波 集Sw中删除该子载波；ii) 如果6大于0并小于认知用户需要的比特数^.，则按增益因子^ 大为优先的原则，将 该子载波分配给认知用户w*，并将该子载波上的功率大小分配为尸 ,=^，比特数分配为6.将认知用户附*需要分配的比特数置为^, 将子载波一从待分配的子载波集Sw中删除；iii) 如果6大于等于认知用户需要的比特数^,并小于等于A,+ff， a为可调整的反映频谱 利用率和容纳认知用户数重要度的参数，其取值大于或等于O，则按增益因子4 大为优先的原则，将该子载波分配给认知用户m*，并将该子载波上的功率大小分配为A^^，比特数分配为6，将子载波"*从待分配的子载波集^中删除，将认知用户附*从待分配的认知用 户集C^中删除；iv) 如果6大于则按比特数接近原则搜索新的子载波"* = arg (|log2 (1 + ^. 尸 ) — i m. |)，并且该子载波要满足(log2 (1 + ))2 '将该子载波分配给认知用户m*，并分配比特数为6 = roM"￡/(log2(l+ 功率大小为尸",-^li，将该子载波从待分配的子载波集Sw中删除，将认知用户《*从待分配的认知用户 集C^中删除；(2) 计算分配子载波^及其上功率和比特数增加时对授权用户信号的千扰^ =户 ,/尸 ,，更 新认知用户对授权用户产生的干扰值/ = / + ^，如果/大于授权用户的千扰门限值/M,则取 消本次子载波及其上功率和比特的分配并结束系统的分配工作，否则进入步骤(3);(3) 如果Sw中己没有待分配的认知用户且Sw中仍有待分配的子载波资源，则跳到步骤3， 否则进入步骤(4);(4) 如果Sw中己没有待分配的子载波资源那么结束分配，否则跳到步骤(1)。3、 据权利要求l所述的一种CROFDM系统中具有QoS要求的资源分配方法，其特征在于， 所述步骤3的主要实现过程如下(1) 按增益因子^"大为优先的原则，选择待分配子载波集Sw中增益因子^"最大的子载波 "*和相应的认知用户m*，并将子载波"*分配认知用户m*，分配比特数为<formula>formula see original document page 4</formula>分配功率大小为尸 .=^，将该子载波从待分配的子载波集^中删除；(2) 计算a/二尸",/f".，更新/ = / + ^。如果/大于干扰门限^，则取消本次子载波及其上功 率和比特的分配并结束系统的分配工作，否则进入步骤(3)(3) 如果&中已没有待分配的子载波资源那么结束分配，否则跳到步骤(1)。
4、 根据权利要求1所述的一种CR OFDM系统中具有QoS要求的资源分配方法，其特征在 于，所述每个子载波上要分配的功率值&处理方法如下(i)根据下列公式3、公式4计算/U尸"，<formula>formula see original document page 4</formula>式中n = l,2,...,iV， ^为授权用户的干扰门限值，/《为子载波"对授权用户的干扰因子，干扰的大小用瓦特(w)计量，/f = ;f^/2|g |2f^^L) 7;表示ofdm的符号周期'c4表示子载波n到授权用户使用频带中心的频谱距离，『/表示授权用户的信道带宽，^为认 知用户可用的子载波数，g"表示基站到授权用户在子载波"上的信道增益，/表示频率变量；(ii)如果尸 (" = 1，2，...,^)中有值小于o，则将最小的负值尸 赋值为o，并移除该子载波，返回步骤(i);如果^("-l，2,…，7V)中已没有值小于0，则本计算结束。
全文摘要
本发明提供一种CR OFDM系统中具有QoS要求的资源分配方法，系统从待分配的认知用户集U<sub>M</sub>中选择γ<sub>m</sub>最大的认知用户，按照增益因子γ<sub>mn</sub>大为优先或比特数接近的原则给认知用户分配合适的子载波、功率和比特数，并重新确定待分配的子载波集S<sub>N</sub>和U<sub>M</sub>；重新计算认知用户对主用户产生的干扰值I，如果I大于授权用户的干扰门限值I<sub>th</sub>，则取消本次子载波及其上功率和比特的分配并结束分配工作；如果U<sub>M</sub>中已没有待分配的认知用户且S<sub>N</sub>中仍有待分配的子载波资源，则对剩余子载波资源进行再分配。本发明考虑了授权用户的干扰门限和认知用户的QoS要求两个约束条件，进一步提高频谱利用率的资源分配。
文档编号H04W72/00GK101459962SQ20091002862
公开日2009年6月17日 申请日期2009年1月6日 优先权日2009年1月6日
发明者刘琼俐, 吴启晖, 周广素, 张玉明, 王金龙 申请人:中国人民解放军理工大学通信工程学院