基于人工免疫分配方法的认知ofdm网络上行链路子载波和功率联合分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于认知0FDMA无线网络领域，特别涉及网络中下行链路子载波和功率资 源的分配方法，具体的说就是一种基于人工免疫分配方法的认知0FDM网络上行链路子载 波和功率联合分配方法，利用无约束克隆免疫选择分配方法对认知0FDMA网络中无线频谱 资源进行分配，采用注水定理对网络中功率资源进行分配，最终实现网络中各个次用户之 间系统传输速率按比例分配，并在此基础上使网络总的系统传输速率最大化。
【背景技术】
[0002] 认知无线电技术是近十年发展起来的新型网络技术，该技术起源于软件无线电技 术，主要用于解决无线通信领域面临的无线频谱短缺和频谱利用率低的问题。
[0003] 在当今的无线频谱管理制度中，频谱资源由特定的频谱管理机构(如我国的无线 电监测中心)进行授权使用。获得某一频谱使用授权的用户可以合法的使用该频谱，在授权 期限内，其它未得到授权的用户均不得使用该频谱。在当前的频谱管理体制下，由于获得频 谱使用权的用户对频谱的使用是间歇性的，即该用户并非时刻都在使用频谱进行通信，而 在频谱空闲（即频谱未被使用）时，其他用户被限制使用该频谱，因此频谱的利用率相对较 低。加之随着无线通信技术的飞速发展，使得频谱资源日益稀缺。如何提高现有频谱的使 用效率，解决频谱资源稀缺和飞速增长的无线通信需求之间的矛盾，成为亟待解决的问题。 认知无线电技术就是在这种背景下发展起来的。其目在当前的频谱管理体制下，在不影响 授权用户对授权频谱的使用的条件下，通过其他非授权用户机会接入该频谱进行通信，来 提高现有频谱的利用率。
[0004] 在认知无线电中，获得频谱使用授权的用户被称主用户，相应的频谱被称为授权 频谱，而没有获得频谱授权但采用某种认知无线电技术伺机使用该频谱的用户被称为次用 户。认知无线电的工作过程为：次用户通过动态的感知周围的无线频谱环境来探测主用户 对授权频谱的使用情况，并获得授权频谱的频谱参数。当次用户探测到主用户未使用授权 频谱时，次用户根据已探测到的频谱参数配置自己的发射端参数并使用该频谱进行数据通 信，在次用户进行数据通信期间，次用户不断的对频谱环境进行探测，当次用户探测到主用 户再次使用授权频谱时，该次用户随即停止数据传输，将该授权频谱空闲出来以供主用户 使用。次用户继续感知周围无线环境，并等待频谱再次空闲。
[0005] 在认知无线电的工作过程中，认知无线电网络主要完成如下几个环节：1、频谱感 知，感知周围无线环境，探测授权频谱参数，以及主用户使用情况。2、频谱分析，分析频谱参 数，并对空闲频谱进行参数估计。3、频谱决策，确定空闲频谱的数据传输速率、发射模式等 参数，并将空闲频谱分配给合适的次用户使用。本发明主要解决频谱决策中的频谱分配和 功率分配问题。
[0006] 随着无线通信技术的发展，正交频分多址技术（0FMDA)是已经发展为广泛使用的 多载波调制技术。该技术将频谱带宽划分成互不重叠的子载波集，并根据不同的子载波集 的信道条件将其分配给不同的用户从而实现系统资源的优化利用。由于不同的用户使用不 重叠的子信道，因此可以有效地避免用户之间的干扰。由于OFDMA调制技术的优异性能，该 技术在下一代通信技术中被广泛使用，如802. 16e(WiMAX)。
[0007] 一般情况下，认知0FDMA网络的资源分配问题是一个非线性优化问题，属于 NP-hard问题，采用传统方法求解此类问题或者无法得到非常好的解，或者消耗非常大的时 间代价。然而在近几年，生物启发分配方法的发展为解决这类问题提供了新的思路。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于设计一种基于人工免疫分配方法的认知0FDM网络上行链路子 载波和功率联合分配方法，解决了比例公平性准则下认知0FDMA网络下行链路中子载波和 功率的联合分配问题。本发明的有效性将通过对认知0FDMA网络的建模仿真实验来证明。
[0009] 实现本发明目的技术方案，包括如下步骤：
[0010] ⑴网络建模：在认知0FDM网络模型中，功率的分配受到发射端功率限制的约束， 并且子载波分配时只能分配给一个次用户，同时每个次用户至少分配一个子载波，网络模 型表示如下：
[0021]其中，U(R)是需要优化的函数，包括数据传输速率函数f\(R)和比例公平函数f2 (R)。氏表示次用户i的总吞吐量，即数据传输速率，ai表示次用户i的吞吐量分配比例， RavCT表示平均分配时用户的吞吐量，n表示认知0FDMA网络中子信道的数量，m表示次用户 的数量，队表示信道的噪声功率谱密度，W。表示信道的信道带宽，pik表示次用户i在第k个 子信道上施加的功率，gik表示次用户i使用第k个子信道时该信道的信道增益，《ik表示 用户i使用信道k的情况，《ik=l表示次用户i正在使用子信道k，《ik=0表示没有，Pt()tal 表不系统总的传输速率。而Q= {?ik| ?^{〇, 1}，1 <i<m，1 <k<n}表不一种可能的 子载波分配方案，P={pik| 1彡i彡m，1彡k彡n}表示一种可能的功率分配方案；
[0022] 在约束条件中，第一个公式表示每个子载波只能分配给一个次用户，第二个约束 条件表示分配的功率之和不能超过基站提供的功率，第三个公式表示各个次用户的数据传 输速率应该成比例分配，第四个约束条件表示每个次用户至少分配一个子载波；
[0023] (2)抗体编码：在对子载波的编码中，采用对所有的子载波进行编码，编码的长度 为子载波的个数n，每个子载波的取值为[lm]，并且只能取整数值，该值表示次用户的编 号，在对功率的编码中，编码的长度同样为n，每个编码取值为有限的连续值，对应于对每个 子载波分配的功率；
[0024] (3)生成初始父代抗体群A:采用贪婪的方法产生初始抗体群的子载波分配方案， 对每一个子载波，将其分配给在该子载波上等效噪声最小的次用户，功率分配方案根据子 载波分配方案采用注水定理分配，第i个用户在第k个子载波上的等效噪声psik可用如下 公式计算：
[0025]
[0026] (4)抗体亲和度评价：计算父代抗体抗体群A的所有抗体的系统总的数据传输速 率和比例公平函数f2，以及每个次用户的数据传输速率氏，并以这两个函数值和m个氏 值组成的向量作为相应抗体的亲和度向量；
[0027] (5)免疫克隆：采用变倍数克隆，即根据父代抗体群A中每个抗体的亲和度值fl 和f2来确定相应抗体的克隆倍数，父代抗体抗体群A经过免疫克隆生成克隆抗体群B;
[0028] (6)克隆变异：采用启发式的克隆变异算子，用等效噪声矩阵 Ps(Ps={psik|〇〈i〈=m,0〈k〈=n})和克隆抗体群B中每个抗体对应的分配方案获得的每个次 用户的数据传输速率氏来指导变异过程，克隆抗体群B经过变异过程生成变异抗体群C;
[0029] (7)将经过克隆变异后得到抗体群C和原父代抗体群A合并组和成子代抗体群0 ;
[0030] (8)适应度评价：计算子代抗体群0的所有抗体的系统总的数据传输速率和比 例公平函数f2，并将这两个函数值作为对应抗体的适应度值；
[0031] (9)抗体群更新：移除出子代抗体群0中比例公平函数f2的值过大的抗体，选出 剩余抗体中的非支配抗体，并选取其中比例公平函数f2的值较小的Psize个抗体组成新的父 代抗体群A，这里Psize表示预设的抗体群规模，如果剩余非支配抗体的数量不足Psize个，则 从剩余支配抗体中按照公平函数f2的值选取较小的补充至Psize个；
[0032] (10)判断是否达到设定的循环结束条件，如果达到循环结束条件，则分配方法结 束，保存最优的子载波和功率分配方案并输出抗体群中的最优解，完成求解过程，否则返回 步骤（4)进行下一次循环。
[0033] 上述步骤（10)所述的循环结束条件，表示为：it>gmax