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，无线通信已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CR OFDM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CR OFDM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CR OFDM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S_N和待分配的认知用户集U_M并设定认知用户对授权用户的干扰I＝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R_m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I_th；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S_mn(d_n)、每个认知用户在各个子载波上的增益因子γ_mn、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P_n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U_M选择最大的认知用户，按照增益因子γ_mn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S_N和待分配的认知用户集U_M；

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I_th，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U_M中已没有待分配的认知用户且待分配的子载波集S_N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S_N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γ_mn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S_N：

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I_th，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S_N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。

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U_M中最大的认知用户m^*，并选择其在待分配的子载波集S_N中具有最大增益因子的子载波n^*，按(5)式计算该认知用户可在该子载波上分得的比特数b，

$b=\mathrm{round}\left({\log }_2(1+{\gamma }_{m*n*}{P}_{n*})\right)---\left(5\right)$

上述公式中，round表示四舍五入运算，表示认知用户m^*在子载波n^*上的增益因子，表示子载波n^*上的功率，

对比特数b进行下述过程的判断和操作：

i)如果b等于0，则将该子载波n^*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S_N中删除该子载波；

ii)如果b大于0并小于认知用户需要的比特数则按增益因子γ_mn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$P_{n*}=\frac{2^b-1}{{\gamma }_{m*n*}},$比特数分配为b，将认知用户m^*需要分配的比特数置为$R_{m*}=R_{m*}-b,$将子载波n^*从待分配的子载波集S_N中删除；

iii)如果b大于等于认知用户需要的比特数并小于等于α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0，则按增益因子γ_mn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$P_{n*}=\frac{2^b-1}{{\gamma }_{m*n*}},$比特数分配为b，将子载波n^*从待分配的子载波集S_N中删除，将认知用户m^*从待分配的认知用户集U_M中删除；

iv)如果b大于则按比特数接近原则搜索新的子载波

$n*=\arg \underset{n\in S_N}{\min }\left(|{\log }_2(1+{\gamma }_{m*n}{P}_n)-R_{m*}|\right),$并且该子载波要满足$\mathrm{round}\left({\log }_2(1+{\gamma }_{m*n}{P}_n)\right)\ge R_{m*},$将该子载波分配给认知用户m^*，并分配比特数为$b=\mathrm{round}\left({\log }_2(1+{\gamma }_{m*n}{P}_{n*})\right),$功率大小为$P_{n*}=\frac{2^b-1}{{\gamma }_{m*n*}},$将该子载波从待分配的子载波集S_N中删除，将认知用户m^*从待分配的认知用户集U_M中删除；

(2)计算分配子载波n^*及其上功率和比特数增加时对授权用户信号的干扰$\mathrm{\Delta I}=P_{n*}{\mathrm{IF}}_{n*},$更新认知用户对授权用户产生的干扰值I＝I+ΔI，如果I大于授权用户的干扰门限值I_th，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S_M中已没有待分配的认知用户且S_N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S_N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γ_mn大为优先的原则，选择待分配子载波集S_N中增益因子γ_mn最大的子载波n^*和相应的认知用户m^*，并将子载波n^*分配认知用户m^*，分配比特数为$b=\mathrm{round}\left({\log }_2(1+{\gamma }_{m*n*}{P}_{n*})\right),$分配功率大小为$P_{n*}=\frac{2^b-1}{{\gamma }_{m*n*}},$将该子载波从待分配的子载波集S_N中删除；

(2)计算$\mathrm{\Delta I}=P_{n*}{\mathrm{IF}}_{n*},$更新I＝I+ΔI。如果I大于干扰门限I_th，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S_N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)。

所述每个子载波上要分配的功率值P_n处理方法如下：

(i)根据(3)、(4)式计算λ、P_n，

$\lambda =\frac{N}{(I_{\mathrm{th}}+{\Sigma }_{n=1}^N\frac{{\mathrm{IF}}_n}{\overline{{\gamma }_n}})\ln 2}---\left(3\right)$

$P_n=\frac{1}{{\mathrm{\lambda IF}}_n\ln 2}-\frac{1}{\overline{{\gamma }_n}}---\left(4\right)$

式中n＝1，2，...，N，I_th为授权用户的干扰门限值，IF_n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，${\mathrm{IF}}_n=T_s{\int }_{d_n-W_i/2}^{d_n+W_i/2}{\left|g_n\right|}^2{\left(\frac{\sin \pi {\mathrm{fT}}_s}{\pi {\mathrm{fT}}_s}\right)}^2\mathrm{df}$，T_s表示OFDM的符号周期，d_n表示子载波n到授权用户使用频带中心的频谱距离，W_l表示授权用户的信道带宽，N为认知用户可用的子载波数，g_n表示基站到授权用户在子载波n上的信道增益，f表示频率变量；

(ii)如果P_n(n＝1，2，...，N)中有值小于0，则将最小的负值P_n赋值为0，并移除该子载波，返回步骤(i)；如果P_n(n＝1，2，...，N)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干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干扰门限，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α，其取值大于或等于0。当$R_{m*}\le b\le R_{m*}+\alpha$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m^*；当$b>R_{m*}+\alpha$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m^*，其结果就是用户获得其需求的最低比特数。α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；α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α值的大小来确定频谱利用率和容纳认知用户数的重要度。

附图说明

图1为CR OFDM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。