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OFDM系統(tǒng)中，考慮用戶業(yè)務(wù)需求，充分利用物理層和高層之間的互動信息，就子載波和功率等資源分配問題已經(jīng)展開了廣泛研究。

　　隨著無線移動應(yīng)用需求的不斷增長，無線資源分配給授權(quán)用戶專屬使用已經(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)知無線電技術(shù)使得授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶可以在同一時(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)知無線電技術(shù)應(yīng)用于OFDM系統(tǒng)中，將會更好地改善系統(tǒng)頻譜資源的利用狀況，提高整體的頻譜利用率。

　　針對基于認(rèn)知無線電（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]針對多用戶情況。文獻(xiàn)[5]不考慮用戶業(yè)務(wù)特性，在滿足總功率限制或?qū)χ饔脩舾蓴_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)的用戶和多業(yè)務(wù)用戶，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用戶速率需求并滿足NRT用戶之間比例速率限制，提高系統(tǒng)總速率。

　　本文在基于認(rèn)知無線電的 OFDM系統(tǒng)中，針對混合業(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業(yè)務(wù)信息，采用人工魚群算法進(jìn)行不同用戶之間的子載波分配。

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)知用戶基站、K個(gè)認(rèn)知用戶和L個(gè)授權(quán)用戶（如圖1）。設(shè)認(rèn)知用戶k使用子載波n時(shí)，認(rèn)知基站到認(rèn)知用戶K的信道增益為hk，n。認(rèn)知用戶與主用戶之間的信道狀態(tài)信息可被周期性地檢測到[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

　　子載波對主用戶頻帶產(chǎn)生的干擾為其承載信號的功率譜密度（PSD）在主用戶頻帶上的積分[10]，設(shè)主用戶占用頻段帶寬W，子載波n與主用戶中心頻譜距離用dn表示，對于第n個(gè)子載波，認(rèn)知基站到主用戶的增益為，則用戶k使用子載波n時(shí)對主用戶的干擾為：

　　其中，(f)為信號的PSD，記Fn為在子載波n上對主用戶的干擾因子。

　　當(dāng)子載波n上信號為理想奈奎斯特脈沖時(shí)，其PSD為：

　　其中， Ts為OFDM符號周期，Pk，n為認(rèn)知用戶k在子載波n上的傳輸功率。

　　同樣，主用戶對認(rèn)知用戶的干擾可表示為：

　　其中，PU(eiw)為主用戶的功率譜密度，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k的總速率為：

　　其中，?贅k為分配給用戶k的子載波集。

　　則系統(tǒng)總速率為：

　　式中，Ck，n為用戶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k，Ck，n為0代表子載波n未分配給用戶k。

　　本文中用戶k擁有數(shù)據(jù)、語音、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)先級及分組長度定義用戶k的權(quán)重[12]為：

　　其中，Wk，i表示用戶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，Dk，i，f表征分組長度，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)用戶占用，C5確保對主用戶的干擾不超過主用戶所允許的干擾門限值，C6保證為用戶分配不超過其所需要的資源，Qk表示用戶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。為滿足以上要求并滿足干擾門限值，令主用戶所能承受子載波n對其產(chǎn)生的干擾的上限為：

　　由此可得：

　　n個(gè)子載波對主用戶總干擾值等于，這樣確保滿足主用戶的干擾功率限制。

　　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：

　　滿足總功率和干擾門限限制，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，人工魚的可視范圍visual，擁擠度因子?啄，人工魚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)定義人工魚向量(行向量)長度為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k，即Ck，n=1(k=1，…，K；n=1，…，N)對應(yīng)于人工魚向量的第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。

　　(5)先做人工魚向量(i=1，…，M)到Ck，n(k=1，…，K；n=1，…，N)的映射，再由Ck，n和Pk，n計(jì)算用戶速率Rk(k=1，…，K)，最后計(jì)算的食物濃度(i=1，…，M)并選出全局食物濃度最大的人工魚向量賦值給F_best。

　　(6)人工魚行為定義。

)

　　(6.2)使F分別進(jìn)行覓食、群聚、追尾等行為，通過行為評價(jià)，擇優(yōu)執(zhí)行食物濃度較大的行為。

　　(7)通過擇優(yōu)執(zhí)行后得到人工魚向量(i=1，…，M；t=1，…，gen-1)并更新F_best。

　　(8)判斷是否滿足迭代次數(shù)gen條件，若滿足，由F_best逆映射回Ck，n；否則跳轉(zhuǎn)到(6.2)。

　　C6在分配過程中作為判斷條件，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，。

　　用戶隊(duì)列中分組參數(shù)設(shè)置如表1。

　　人工魚群算法中M=31，visual=5，try_number=5，gen=100。

　　圖3顯示用戶數(shù)為16時(shí)，隨著主用戶所允許干擾門限值增大，主用戶能容忍的干擾功率變大，系統(tǒng)性能相對變差使得系統(tǒng)總速率得以提高。當(dāng)主用戶所允許干擾門限值比較小時(shí)，系統(tǒng)主要受限于干擾門限約束，隨著允許干擾門限值增加，系統(tǒng)總速率增大的幅度較大；當(dāng)主用戶所允許干擾門限超過一定值時(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。所允許干擾門限值較小時(shí)，由于系統(tǒng)干擾受限，不同總發(fā)射功率對應(yīng)的系統(tǒng)總速率的差異相對較??；隨著所允許干擾門限值增大，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)總速率差異相對較大。

　　圖4顯示隨著用戶數(shù)增加，由于多用戶分集效應(yīng)增強(qiáng)，系統(tǒng)總速率增大。當(dāng)總發(fā)射功率相同時(shí)，主用戶所允許干擾門限值大的系統(tǒng)總速率比較大，由于隨著干擾門限的放松，即主用戶可以承受更大的干擾，認(rèn)知用戶可以在不影響主用戶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)主用戶所允許干擾門限值相同時(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)射功率和干擾門限值一定(Pt=0 dB，Ithp=-20 dB)時(shí)，隨著CR用戶數(shù)增加，多用戶分集效應(yīng)增強(qiáng)，系統(tǒng)總速率均呈增大趨勢。INT-OP算法（RT用戶設(shè)為5個(gè)）區(qū)分用戶為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)用戶和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)用戶，滿足RT用戶速率要求的前提下兼顧NRT用戶之間公平性，最大化NRT用戶速率。隨著用戶數(shù)增加，非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)用戶占的比重增加，由于考慮非實(shí)時(shí)用戶之間的公平性，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)先級確定用戶的權(quán)重，合理地分配資源，以犧牲用戶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CR-OFDM系統(tǒng)中，采用人工魚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)、語音、流媒體三種業(yè)務(wù)，根據(jù)總發(fā)射功率和主用戶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，采用人工魚群算法分配子載波。仿真結(jié)果與分析表明，該方案在滿足對主用戶的干擾功率和總功率約束前提下，通過區(qū)分各用戶不同的業(yè)務(wù)特性，滿足混合業(yè)務(wù)用戶需求，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子載波功率分配算法，針對多個(gè)主用戶情景以及用戶間的公平性等有待研究。

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