专利名称：认知无线电系统中基于背包问题的资源分配方法
认知无线电系统中基于背包问题的资源分配方法技术领域
本发明涉及一种特别用于多用户OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing )认知无线电系统中信道、比特及功率联合分配的实现方案，属于通信技术领域。
背景技术：
无线通信频谱是一种有限的宝贵资源，目前主要是由国家统一管理、统一授权使用， 这种静态的频谱分配方式可以有效的避免系统间的干扰，但是随着无线通信技术的迅速发展和无线业务种类的日渐丰富，同时也造成了频谱资源越来越紧张。美国联邦通信委员会 (Federal Communications Commission, FCC)研究报告指出频谱的使用状况极其不平衡 一些频带大部分时间是空闲的，没有用户使用，而另一些频带只在某些时刻使用，而剩余频带的使用则竞争非常激烈。因此寻找一种更加有效的频谱管理方式，缓解利用率低与不断增长的频谱资源需求之间的矛盾，充分利用各地区、各时间段的空闲频段，提高频谱利用率成为备受关注的问题。认知无线电(Cognitive Radio, CR)作为一种智能的无线通信技术，能够连续不断的感知周围的通信环境，对环境信息的分析和判断，然后通过无线电知识描述语言(Radio Knowledge Representation Language, RKRL)自适应调整其内部的通信参数(如发射功率、 工作频率、编码方式等)，以适应环境的变化。认知无线电能够智能地利用空闲频谱而不影响主用户的使用，从而提高频谱利用率，因此这一技术被认为是解决无线频谱利用率低下问题最有前景的技术。认知无线电是建立在软件无线电(SDR: Software Radio)平台之上的一个智能无线通信系统，能够感知外部环境、使用边了解边累积的方法对外部环境进行学习、并根据外部环境提供的激励，对运行参数进行相应的修改(如传输功率、
载波频率、调制方式等)，从而达到内部状态的自适应调整。从定义中可以看出，认知无线电应当具备的两个主要特征是认知能力(Cognitive Capability)和重新配置能力 (Reconfigurability)0认知能力能够使认知无线电与周围环境进行相互交互，进而决定适合的通信参数来适应环境的无线频谱资源；重新配置能力能够不改变任何硬件部分而调整传输功率、载频、调制等发射参数。从认知方面来看，认知无线电类似信号处理和机器学习过程；从重新配置方面来看，认知无线电类似软件无线电在执行通过认知能力获得的任务。 认知无线电的两个最主要的目标是可靠的通信方式以及高效的频谱利用效率。频谱资源的匮乏是当前通信领域面临的主要问题之一，研究表明，频谱匮乏主要是由许多频段的不充分利用引起的，认知无线电的概念及技术正是为了解决这一问题而提出。认知无线电的基本思想是利用未被授权用户使用的空闲频谱进行通信，其可用无线资源是根据授权用户的频谱使用情况而动态变化的。因此，能否实现对系统可用无线资源的合理有效管理，对整个认知无线电系统的性能优劣起着决定性作用。认知无线电技术的认知过程开始于无线电频谱的感知，以做出反应的行为而结束。一个基本的认知无线电工作周期要经历三个基本过程无线传输场景分析、信道状态估计及其容量预测、功率控制和频谱管理，它们顺序执行使认知无线电系统的认知功能得以实现。认知无线电系统的资源分配必须考虑三方面的问题一是认知无线电用户对主用户的干扰问题，二是认知无线电用户之间的干扰问题，三是认知无线电系统的效益和用户间的公平性问题。目前，世界各地的认知无线电科研机构和组织的研究者对频谱分配的这三个方面的问题都做了不少研究。由于OFDM技术不仅可以很好的抵抗多径效应，而且还可以根据每个子载波上的衰落情况动态地调整每个子信道上所采用的调制解调方式、发射功率、编码方式等，因而被选作认知无线电系统传输链路的关键调制技术。功率分配作为传统OFDM系统中的关键技术，其基本原理是在系统发射端最大发射功率的约束下，根据信道状态信息在各子载波间合理地分配功率以达到最大化链路容量的目的。传统的基于OFDM的功率载波联合分配问题并没有考虑相互干扰问题，在基于OFDM的CR (Cognitive Radio)系统中，由于主用户不一定使用0FDM，主次用户间相互干扰问题不可忽略。
发明内容
技术问题本发明的目的在于提供一种认知无线电系统中基于背包问题的资源分配方法，即多用户OFDM认知无线电系统中基于背包问题的比特、信道与功率联合分配方法，该方法将多用户资源分配映射成多维0-1背包问题，考虑了主次用户之间的干扰，引入了次用户的带宽需求，既保证了次用户对主用户干扰功率的限制，同时又满足了各个次用户的QoS。技术方案本发明中建立了功率与信道分配的非线性规划数学模型，通过将多用户资源分配映射成多维0-1背包问题，并进一步设计了具体分配算法及其步骤，考虑了主次用户之间的干扰，引入了次用户的带宽需求，不仅提高了系统容量，而且降低了复杂度， 同时还可以保证用户的QoS。该方法包括以下步骤
a、系统初始化设置次用户总数K、子信道总数M及每个子信道上可以分配的最大比特
数，令次用户k在每个子信道m上分配的比特数为0，次用户k所耗费的功率代仫( 和干扰代价分别为0，次用户k在子信道m上分配的比特数为0 ；
b、计算分配一个比特所需要的功率增量次用户k在子信道m上分配第+1个比特
所需要的功率增量由
权利要求
1. 一种认知无线电系统中基于背包问题的资源分配方法，其特征在于该方法包括以下步骤a、系统初始化设置次用户总数K、子信道总数M及每个子信道上可以分配的最大比特数^ ,令次用户k在每个子信道m上分配的比特数Afcjg为0，次用户k所耗费的功率代价 和干扰代价h分别为0，次用户k在子信道m上分配的比特数为0 ；b、计算分配一个比特所需要的功率增量次用户k在子信道m上分配第+1个比特所需要的功率增量由ρ /1 =进行计算，其中r为信噪比间隙，它表示M-QAM调制与香农容量之间的信噪比差值，是子信道m上的高斯白噪声功率，表示次用户 k的子信道m的增益；C、计算次用户在子信道上的效能价值在约束条件/下，用户k在子信道m的效能￡，约束对应于次用户发射功率的限制，即 i = lSkM N Ι/hH ，其中κ为次用户总数，η为每个子信道上可以分配的最大比特数，JT Mμ为子信道总数，a ef0, ΣΣ% m揪,表示一个子信道最多只能分配给一个次用户使用，夕。为用户k在子信道m上分配第η个比特时的功率增量，<M =1表示用户k在子信道m上分配了第η个比特，约束/ = 2对应于主用户干扰上限I的限制，即XMM,其中j为次用户k在子信道m上对主用户所产生的干扰，用户k在子信道m的效能价值‘(約选择为约束值最小的效能容量，即 伏)=imn^m)；d、最佳的次用户及子信道的选择比较所有子信道上每个次用户的效能价值、(幻，选择 (勾大的次用户的值为此子信道的效能价值，即此次将这个子信道分配给 沐)大的次用户，然后比较所有子信道的 (幻，选择值最大的子信道为最佳子信道，这个子信道的占用者为最佳次用户，在其上分配一个比特，此次用户分配的比特数加1，计算分配新的比特所需要的功率增量和干扰增量，对次用户k的功率消耗和对主用户造成的干扰进行更新；e、计算Sk-Uli和I-Ii,如果都大于0，进行下一轮分配，转至步骤c，否则结束分配。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种多用户OFDM认知无线电系统中基于背包问题的联合信道、比特及功率的分配方法，该方法在授权用户干扰温度及认知用户发射功率的双重限制下，以最大化系统容量为基本目标，实现了信道、比特与功率的联合分配，并且引入需求权重因子来保证各个用户信道分配的公平。在资源分配的过程中，将资源分配问题映射为背包优化问题，次用户在满足主用户干扰上限的条件下可以使用所有的频带，针对每个次用户可能占用的所有子信道，比较了发送功率增加和对主用户干扰增加两种代价对系统容量的影响，并最终选择使系统容量增加最大的用户及信道分配资源，在使系统容量达到最大的同时保证了多个次用户的服务质量要求。
文档编号H04L27/26GK102256360SQ201110197070
公开日2011年11月23日 申请日期2011年7月14日 优先权日2011年7月14日
发明者朱洪波, 朱琦, 杨龙祥, 赵青 申请人:南京邮电大学