認(rèn)知無(wú)線電CR(Cognitive Radio)[1]作為一種新的無(wú)線電設(shè)計(jì)理念，強(qiáng)調(diào)無(wú)線電設(shè)備對(duì)頻譜資源的動(dòng)態(tài)占用，依靠人工智能感知無(wú)線通信環(huán)境，根據(jù)一定的學(xué)習(xí)和決策算法，實(shí)時(shí)自適應(yīng)改變工作參數(shù)，動(dòng)態(tài)檢測(cè)和有效利用空閑頻譜，理論上允許在時(shí)域、頻域和空域上進(jìn)行多維復(fù)用和共享。OFDM既能動(dòng)態(tài)利用頻譜資源，并根據(jù)子信道特性自適應(yīng)加載，又能對(duì)授權(quán)用戶頻譜占用情況進(jìn)行快速分析，被認(rèn)為是認(rèn)知無(wú)線電中傳輸鏈路自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)的一種潛在技術(shù)。
    參考文獻(xiàn)[2]提出一種基于OFDM-CR的自適應(yīng)功率加載算法，通過(guò)引入“頻譜池”中的互干擾，分析了OFDM-CR對(duì)主用戶的干擾分布，獲得鄰近主用戶頻段的“空載波”信息，以指導(dǎo)功率分配，其實(shí)質(zhì)是注水功率加載算法在CR中的應(yīng)用；參考文獻(xiàn)[3]提出一種基于NC-OFDM的比特分配算法，并分析了收發(fā)信機(jī)之間交互比特分配信息對(duì)系統(tǒng)吞吐量的影響；參考文獻(xiàn)[4]提出一種基于OFDM-CR的主次用戶共存的功率分配算法，旨在共存環(huán)境中所有主次用戶干擾都受限情況下最大化系統(tǒng)容量；參考文獻(xiàn)[5-7]基于OFDM-CR集中式網(wǎng)絡(luò)模型，分別采用遺傳算法、記憶算法-聯(lián)合本地搜索與遺傳算法、Fitness Landscape分析進(jìn)行迭代優(yōu)化；參考文獻(xiàn)[8]提出一種基于CR集中式網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合頻譜資源分配與功率控制算法，分析了主用戶干擾受限與不受限兩種情況下的性能。上述算法要么只考慮單一用戶,要么只考慮單主用戶和單認(rèn)知用戶,缺乏公平性考慮。本文對(duì)多認(rèn)知用戶、單主用戶共存情況下下行鏈路自適應(yīng)分配算法開展研究，以樹形分支貪婪算法為基礎(chǔ)，引入功率余量因子和干擾余量因子,并通過(guò)比較余量因子相對(duì)大小來(lái)選擇子載波，通過(guò)減小分支數(shù)以降低算法復(fù)雜度。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的樹形分支貪婪算法獲得的系統(tǒng)容量與最優(yōu)分配算法基本一致，但復(fù)雜度明顯降低。
1 系統(tǒng)模型
    認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)某小區(qū)擁有一個(gè)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)基站CBS(Cognitive network Base Station)，用于管理該小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)的k個(gè)認(rèn)知用戶CUs(Cognitive Users)，該區(qū)域內(nèi)還存在一個(gè)主用戶PU(Primary User)。CBS根據(jù)CUs的速率需求完成子載波與功率分配，PU占用頻譜和CUs可用頻譜分布如圖1所示，PU占用信道帶寬為B，CUs可用PU頻帶兩側(cè)各N/2個(gè)子載波，子載波帶寬為Δf。由于帶外輻射等原因，CBS在下行鏈路傳輸數(shù)據(jù)時(shí)必然對(duì)PU產(chǎn)生干擾。同樣，PU通信也會(huì)對(duì)CUs帶來(lái)干擾。

    圖4所示為認(rèn)知用戶在不同總功率下，傳輸速率與干擾容限之間的關(guān)系曲線。隨著認(rèn)知用戶總功率的增加，認(rèn)知用戶總傳輸速率也增加，當(dāng)干擾容限Ith很小時(shí)，發(fā)射功率對(duì)傳輸速率的影響不大，其原因在于此時(shí)起主導(dǎo)約束作用的是干擾容限Ith，導(dǎo)致系統(tǒng)容量不能迅速隨著功率增加；當(dāng)干擾容限Ith很大時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的約束作用變小，此時(shí)起主導(dǎo)作用的是發(fā)射功率。圖中最下面一條曲線趨于一條直線，說(shuō)明單方面增大干擾容限并不一定能提高系統(tǒng)容量，而允許的發(fā)射功率較小在一定程度上會(huì)限制系統(tǒng)容量。

    圖5所示為不同主用戶發(fā)射功率下，認(rèn)知用戶的總傳輸速率與干擾容限之間的關(guān)系曲線。當(dāng)主用戶功率增大時(shí)，對(duì)認(rèn)知用戶的干擾也變大，發(fā)送比特所需能量也變大。由于總功率一定，故系統(tǒng)容量隨主用戶功率的變大而變小。
    認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)占用可用頻譜資源的首要前提是不對(duì)主用戶通信造成干擾或?qū)χ饔脩舾蓴_低于容限。本文以對(duì)主用戶干擾為約束條件，對(duì)基于OFDM的認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)下行鏈路子載波與功率進(jìn)行自適應(yīng)分配。以樹形分支貪婪算法為基礎(chǔ)，引入功率余量因子和干擾余量因子對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)比較余量相對(duì)大小來(lái)選擇子載波，由于減小了分支數(shù)，極大降低了算法復(fù)雜度。仿真分析了不同認(rèn)知用戶總功率、不同主用戶功率下傳輸速率與干擾容限之間的關(guān)系。相比于最優(yōu)分配算法，改進(jìn)算法的傳輸速率略低，但算法復(fù)雜度卻有很大降低。當(dāng)然，如果OFDM符號(hào)較長(zhǎng)時(shí)，改進(jìn)算法的計(jì)算復(fù)雜度仍然難以滿足實(shí)時(shí)性要求。針對(duì)無(wú)線通信傳輸?shù)臅r(shí)效性要求，進(jìn)一步降低自適應(yīng)分配算法的運(yùn)算復(fù)雜度是需要繼續(xù)進(jìn)行的研究工作。
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