CROFDM系統中具有QoS要求的資源分配方法

2023-10-11 14:54:54

專利名稱：CR OFDM系統中具有QoS要求的資源分配方法
技術領域：
本發明屬於無線通信技術領域，尤其是一種應用在認知無線電(cognitive radio,簡稱CR) 正交頻分復用(orthogonal frequency division multiplexing,簡稱OFDM)系統中的資源分配算 法。
背景技術：
隨著多媒體業務在無線通信中的廣泛使用，無線通信己進入一個高速數據傳輸時代。然 而，數據傳輸速率越高，碼間串擾越厲害，對系統性能的影響也越嚴重。OFDM技術則可很 好地解決這一問題，它將高速的數據流通過串並轉換，變成傳輸速率相對較低的數據流在若 幹個子載波上傳輸，大大減輕了碼間串擾對信號的破壞，提高了系統在高速數據傳輸下的性 能。
認知無線電是一種新的提高頻譜利用率的技術，它可以將一些區域中暫時沒有被授權用 戶(licensed users,簡稱LU)使用的頻段借給未授權用戶(也稱作認知用戶cognitive radio user, 簡稱CRU)使用來提高頻譜利用率。認知無線電是一個智能的無線通信系統，它能夠通過對 無線電環境的學習，相應地動態調整其傳輸參數。由於OFDM技術可以靈活地分配子載波， 並控制其功率，因此CR和OFDM兩種技術相結合的CR OFDM系統，已成為未來通信系統 的重要組成部分。在CROFDM系統中，授權用戶和認知用戶將會經常同時使用相鄰的頻譜 資源，這將產生互幹擾，這種互幹擾是認知用戶在使用授權用戶的頻段時必須考慮的。同時， 在CROFDM系統中，認知用戶的業務不僅有傳統的語音和數據等業務，還有不斷增長的實 時語音視頻等流媒體業務，這些多媒體業務將對QoS (Quality of Service,即服務質量)有著 不同的要求，因而必須要對各種多媒體業務進行QoS考慮。如果系統分配的資源不能滿足認 知用戶QoS的需求，將會嚴重影響認知用戶的通信質量。因此，在CROFDM系統中，怎樣 分配子載波、功率和比特資源才能使認知用戶產生對授權用戶的幹擾不超過授權用戶的幹擾 門限，同時又能提高系統的頻譜利用率和滿足認知用戶的QoS要求已成為一個重要的研究問 題。

發明內容
本發明的目的旨在提供一種自適應資源配置方法，實現CR OFDM系統在分配載波資源 時認知用戶對授權用戶的幹擾不超過授權用戶的幹擾門限，同時滿足認知用戶的QoS要求並
5儘可能提高系統的頻譜利用率。
本發明是通過以下技術方案實現的
一種CROFDM系統中具有QoS要求的資源分配方法，其特徵在於，包括下列步驟 步驟l.對基站的資源分配系統進行初始化，完成以下工作
設定待分配的子載波集&和待分配的認知用戶集t/m並設定認知用戶對授權用戶的幹擾 /=0;從認知用戶的請求資源信息中得到認知用戶的最低傳輸比特速率並轉換成一個OFDM 符號內的比特數需求/C和誤碼率上限要求BER，從授權用戶的信號中得到授權用戶的幹擾門 限L;根據授權用戶的發射功率譜和發射信道增益依次計算出授權用戶對各個子載波上認知 用戶信號產生的幹擾& (《)、每個認知用戶在各個子載波上的增益因子^。、每個子載波上 所有認知用戶的平均增益因子^、每個子載波上要分配的功率值A和每個認知用戶在所有子 載波上的平均增益因子^;
步驟2.基站的資源分配系統對認知用戶進行滿足QoS要求的資源分配
2.1、 資源分配系統從待分配的認知用戶集[/m選擇^最大的認知用戶，按照增益因子L" 大為優先的原則或比特數接近的原則給認知用戶分配合適的子載波、功率和比特數，並重新 確定待分配的子載波集Sw和待分配的認知用戶集C/m;
2.2、 重新計算認知用戶對主用戶產生的幹擾值/，如果幹擾值/大於授權用戶的幹擾門 限值&，則取消本次子載波及其上功率和比特的分配並結束系統的分配工作，否則進入步驟 2.3;
2.3、 如果認知用戶集f/m中已沒有待分配的認知用戶且待分配的子載波集&中仍有待分 配的子載波資源，則跳到步驟3，否則進入步驟2.4;
2.4、 如果待分配的子載波集Sw中已沒有待分配的子載波資源那麼結束系統的分配工作，
否則跳到步驟2.1;
步驟3.基站的資源分配系統對剩餘子載波資源進行再分配
3.1、 按照增益因子/^大為優先的原則對認知用戶分配合適的子載波、功率和比特數，並 重新確定待分配的子載波集SM
3.2、 重新計算認知用戶對授權用戶產生的幹擾值/，如果幹擾值/大於授權用戶的幹擾門 限值&，則取消本次子載波及其上功率和比特的分配並結束系統的分配工作，否則進入步驟
3.3;
3.3、 如果待分配的子載波集Sw中己沒有待分配的子載波資源那麼結束系統的分配工作，否則跳到步驟3.1。
其中，所述步驟2具體實現方法如下
(1) 選擇待分配的認知用戶集f/M中^最大的認知用戶m、並選擇其在待分配的子載波 集^中具有最大增益因子的子載波"*，按(5)式計算該認知用戶可在該子載波上分得的比 特數6，
6 = raw"d(log2(l + "*P ,)) (5)
上述公式中，ra""d表示四捨五入運算，；v".表示認知用戶附*在子載波一上的增益因子， 屍 ,表示子載波"*上的功率，
對比特數6進行下述過程的判斷和操作
i) 如果6等於0，則將該子載波《*上分配的功率值和比恃數都置為0，並從待分配的子
載波集&中刪除該子載波；
ii) 如果6大於0並小於認知用戶需要的比特數&,，則按增益因子、"大為優先的原則，
將該子載波分配給認知用戶m*，並將該子載波上的功率大小分配為屍 ,=^^，比特數分配 為6，將認知用戶附*需要分配的比特數置為i m. = -6 ，將子載波"*從^"分配的子載波集
5V中刪除；
iii) 如果6大於等於認知用戶需要的比特數^,並小於等於i ^+"，"為可調整的反映頻
譜利用率和容納認知用戶數重要度的參數，其取值大於或等於O，則按增益因子^"大為優先 的原則，將該子載波分配給認知用戶w*，並將該子載波上的功率大小分配為屍 ,=^^，比
特數分配為6，將子載波W從待分配的子載波集Sw中刪除，將認知用戶》7*從待分^°的認知 用戶集C^中刪除；
iv) 如果6大於&,+a,則按比特數接近原則搜索新的子載波
"* = argminfllog2(l + ;v A)-&*|)'並且該子載波要滿足 ""^(10§2 (1 + l* *P .》^ '將 該子載波分配給認知用戶m*，並分配比特數為"m"m/(log2(l + ;v",屍",))，功率大小為
&=^^，將該子載波從待分配的子載波集&中刪除，將認知用戶附*從待分配的認知用戶 集f^中刪除；
(2) 計算分配子載波"*及其上功率和比特數增加時對授權用戶信號的幹擾^ = ^/屍 ,， 更新認知用戶對授權用戶產生的幹擾值/ = / + ^，如果/大於授權用戶的幹擾門限值&，則 取消本次子載波及其上功率和比特的分配並結束系統的分配工作，否則進入步驟(3);
(3) 如果SM中已沒有待分配的認知用戶且Sw中仍有待分配的子載波資源，則跳到步驟3， 否則進入步驟(4);
(4) 如果Sw中已沒有待分配的子載波資源那麼結束分配，否則跳到步驟(1)。所述步驟3的主要實現過程如下-
(1)按增益因子； 大為優先的原則，選擇待分配子載波集5V中增益因子乙n最大的子載 波"*和相應的認知用戶並將子載波"*分配認知用戶分配比特數為
6"ow""(log2("^v^.))，分配功率大小為屍 .=^"^，將該子載波從待分配的子載波集 ^中刪除；
(2)計算A7-《./f;.,更新/ = / + ^。如果/大於幹擾門限&，則取消本次子載波及其
上功率和比特的分配並結束系統的分配工作，否則進入步驟(3)
(3)如果Sw中己沒有待分配的子載波資源那麼結束分配，否則跳到步驟(1)。
所述每個子載波上要分配的功率值《處理方法如下 (i)根據(3)、 (4)式計算;i、屍 ,
， W
義=7-^~~ (3)
Zw ZF ),,， "=—ln2
if/I
乂
7"
屍"=~^丄 (4) "1n2 yn
式中《 = l，2，...，iV, ^為授權用戶的幹擾門限值，/《為子載波n對授權用戶的幹擾因子，
幹擾的大小用瓦特(W)計量，/F = 7; f—:22|g f
/■ " 、2 "凡
, r,表示OFDM的符號周期， A表示子載波n到授權用戶使用頻帶中心的頻譜距離，M表示授權用戶的信道帶寬，W為認
知用戶可用的子載波數，gn表示基站到授權用戶在子載波W上的信道增益，/表示頻率變量；
(ii)如果屍 (" = 1，2,...，7^)中有值小於0,則將最小的負值屍 賦值為0，並移除該子載波，
返回步驟(i);如果屍 ("=1，2，...，^)中已沒有值小於0,則本計算結束。 本發明相對於現有技術具有以下的優點
1、 本發明在設計時同時考慮了授權用戶的千擾門限和認知用戶的QoS要求兩個約束條 件，根據互幹擾和頻譜距離之間的關係，在系統分配資源時首先滿足認知用戶的QoS要求，
再進行進一步提高頻譜利用率的資源分配。本發明使得系統在分配資源時，認知用戶對授權
用戶的幹擾不超過授權用戶的千擾門限，同時滿足認知用戶的QoS要求(包括最小比特傳輸 速率和誤碼率上限要求)並儘可能提高系統的頻譜利用率。
2、 本發明中還設計了一個反映頻譜利用率和容納用戶數的重要度的一個參數a，其取值 大於或等於0。當&,《6s&.+"時，按增益因子大為優先原則，將先前找到的子載波分配 給用戶《7* ;當6>/^+ 時，按比特數接近原則分配，即重新搜尋新的子載波，將能滿足用 戶需求比特數同時又最接近用戶需求的比特數的子載波分配給用戶w"其結果就是用戶獲得 其需求的最低比特數。a值越大，說明頻譜利用率的重要度越高，這時系統的頻譜利用率也越高；a值越小，說明容納用戶數的重要度越高，這時系統能容納的用戶數也越多。系統可
以通過調整a值的大小來確定頻譜利用率和容納認知用戶數的重要度。


圖1為CROFDM系統下行鏈路的頻譜使用模型；
圖2為貪婪算法與本發明方法在一個具體實施例下仿真用戶數與系統中斷概率關係圖； 圖3為本發明的系統資源分配流程。
具體實施例方式
本發明的一個具體實例如下描述，系統仿真採用MatLab仿真，參數設定不影響一般性。
採用圖1中頻譜使用模型，系統中一個基站(base station, BS)服務1個授權用戶和4個認知
用戶Ml,W2,"3,W4，授權用戶使用中間帶寬為『屍0.3125Hz的頻段，發射功率為1W，幹擾門限為
/,f0.002W，功率譜密度用經過橢圓濾波的白噪聲信號代替認知用戶使用相鄰的頻段。授權用
戶功率譜具體在MatLab具體實現採用帶通橢圓濾波器，參數設置為
濾波器的頻帶範圍為0到5.3125MHz，通帶波紋最大衰減Rp=3dB，阻帶波紋最小衰減
^ 8 9
Rs=40，通帶歸一化截止頻率W。
81 89
阻帶歸一化截止頻率Ws=
17 17
使用上的整數 時，中斷概率(即得不到服務要求的用戶佔總用戶的比例)和頻譜利用率隨用戶數變化的情況 的仿真。
從圖2中可以看出，由於貪婪算法沒有根據認知用戶的QoS需求進行子載波和比特分配， 其中斷概率在用戶數很少時就開始變大。而ARAQ算法(本文方法的算法實現)是按用戶QoS 需求進行子載波和比特分配的，QoS得到滿足的用戶數要遠大於貪婪算法下的用戶數。同時， 在《=0時比在"=00時，系統能滿足更多的用戶QoS需求。0< <00時的容納用戶數將位於兩 個端點的用戶數之間。
權利要求
1、一種CR OFDM系統中具有QoS要求的資源分配方法，其特徵在於，包括下列步驟步驟1.對基站的資源分配系統進行初始化，完成以下工作設定待分配的子載波集SN和待分配的認知用戶集UM並設定認知用戶對授權用戶的幹擾I＝O；從認知用戶的請求資源信息中得到認知用戶的最低傳輸比特速率並轉換成一個OFDM符號內的比特數需求Rm和誤碼率上限要求BER，從授權用戶的信號中得到授權用戶的幹擾門限Ith；根據授權用戶的發射功率譜和發射信道增益依次計算出授權用戶對各個子載波上認知用戶信號產生的幹擾Smn(dn)、每個認知用戶在各個子載波上的增益因子γmn、每個子載波上所有認知用戶的平均增益因子每個子載波上要分配的功率值Pn和每個認知用戶在所有子載波上的平均增益因子步驟2. 基站的資源分配系統對認知用戶進行滿足QoS要求的資源分配2. 1、資源分配系統從待分配的認知用戶集UM中選擇最大的認知用戶，按照增益因子γmn大為優先的原則或比特數接近的原則給認知用戶分配合適的子載波、功率和比特數，並重新確定待分配的子載波集SN和待分配的認知用戶集UM；2. 2、重新計算認知用戶對主用戶產生的幹擾值I，如果幹擾值I大於授權用戶的幹擾門限值Ith，則取消本次子載波及其上功率和比特的分配並結束系統的分配工作，否則進入步驟2.3；2. 3、如果認知用戶集UM中已沒有待分配的認知用戶且待分配的子載波集SN中仍有待分配的子載波資源，則跳到步驟3，否則進入步驟2.4；2. 4、如果待分配的子載波集SN中已沒有待分配的子載波資源那麼結束系統的分配工作，否則跳到步驟2.1；步驟3. 基站的資源分配系統對剩餘子載波資源進行再分配3. 1、按照增益因子γmn大為優先的原則對認知用戶分配合適的子載波、功率和比特數，並重新確定待分配的子載波集SN；3. 2、重新計算認知用戶對授權用戶產生的幹擾值I，如果幹擾值I大於授權用戶的幹擾門限值Ith，則取消本次子載波及其上功率和比特的分配並結束系統的分配工作，否則進入步驟3.3；3. 3、如果待分配的子載波集SN中已沒有待分配的子載波資源那麼結束系統的分配工作，否則跳到步驟3.1。
2.1、 資源分配系統從待分配的認知用戶集f/A/中選擇^最大的認知用戶，按照增益因子乙 大為優先的原則或比特數接近的原則給認知用戶分配合適的子載波、功率和比特數，並重新確定待分配的子載波集Sw和待分配的認知用戶集C/w2.2、 重新計算認知用戶對主用戶產生的幹擾值/，如果幹擾值/大於授權用戶的幹擾門限值 &，則取消本次子載波及其上功率和比特的分配並結束系統的分配工作，否則進入步驟2.3;2.3、 如果認知用戶集f/A/中已沒有待分配的認知用戶且待分配的子載波集Sw中仍有待分配的 子載波資源，則跳到步驟3，否則進入步驟2.4;2.4、 如果待分配的子載波集Sw中已沒有待分配的子載波資源那麼結束系統的分配工作，否則跳到步驟2.1;步驟3.基站的資源分配系統對剩餘子載波資源進行再分配
3.1、 按照增益因子^"大為優先的原則對認知用戶分配合適的子載波、功率和比特數，並重 新確定待分配的子載波集Sw,3.2、 重新計算認知用戶對授權用戶產生的幹擾值/，如果幹擾值/大於授權用戶的幹擾門限 值&，則取消本次子載波及其上功率和比特的分配並結束系統的分配工作，否則進入步驟3.3;3.3、 如果待分配的子載波集Sw中已沒有待分配的子載波資源那麼結束系統的分配工作，否則 跳到步驟3.1。2、 根據權利要求1所述的一種CR OFDM系統中具有QoS要求的資源分配方法，其特徵在於，所述步驟2具體實現方法如下(1) 選擇待分配的認知用戶集f/A/中^最大的認知用戶m*，並選擇其在待分配的子載波集 ^中具有最大增益因子的子載波《*，按下式計算該認知用戶可在該子載波上分得的比特數6，& =簡"ii (log2 (1 + ))上述公式中，表示四捨五入運算，乙. ,表示認知用戶附*在子載波《*上的增益因子，&表示子載波/7*上的功率，對比特數6進行下述過程的判斷和操作i) 如果6等於0，則將該子載波"*上分配的功率值和比特數都置為0，並從待分配的子載波 集Sw中刪除該子載波；ii) 如果6大於0並小於認知用戶需要的比特數^.，則按增益因子^ 大為優先的原則，將 該子載波分配給認知用戶w*，並將該子載波上的功率大小分配為屍 ,=^，比特數分配為6.將認知用戶附*需要分配的比特數置為^, 將子載波一從待分配的子載波集Sw中刪除；iii) 如果6大於等於認知用戶需要的比特數^,並小於等於A,+ff， a為可調整的反映頻譜 利用率和容納認知用戶數重要度的參數，其取值大於或等於O，則按增益因子4 大為優先的原則，將該子載波分配給認知用戶m*，並將該子載波上的功率大小分配為A^^，比特數分配為6，將子載波"*從待分配的子載波集^中刪除，將認知用戶附*從待分配的認知用 戶集C^中刪除；iv) 如果6大於則按比特數接近原則搜索新的子載波"* = arg (|log2 (1 + ^. 屍 ) — i m. |)，並且該子載波要滿足(log2 (1 + ))2 '將該子載波分配給認知用戶m*，並分配比特數為6 = roM"￡/(log2(l+ 功率大小為屍",-^li，將該子載波從待分配的子載波集Sw中刪除，將認知用戶《*從待分配的認知用戶 集C^中刪除；(2) 計算分配子載波^及其上功率和比特數增加時對授權用戶信號的千擾^ =戶 ,/屍 ,，更 新認知用戶對授權用戶產生的幹擾值/ = / + ^，如果/大於授權用戶的千擾門限值/M,則取 消本次子載波及其上功率和比特的分配並結束系統的分配工作，否則進入步驟(3);(3) 如果Sw中己沒有待分配的認知用戶且Sw中仍有待分配的子載波資源，則跳到步驟3， 否則進入步驟(4);(4) 如果Sw中己沒有待分配的子載波資源那麼結束分配，否則跳到步驟(1)。3、 據權利要求l所述的一種CROFDM系統中具有QoS要求的資源分配方法，其特徵在於， 所述步驟3的主要實現過程如下(1) 按增益因子^"大為優先的原則，選擇待分配子載波集Sw中增益因子^"最大的子載波 "*和相應的認知用戶m*，並將子載波"*分配認知用戶m*，分配比特數為formula see original document page 4分配功率大小為屍 .=^，將該子載波從待分配的子載波集^中刪除；(2) 計算a/二屍",/f".，更新/ = / + ^。如果/大於幹擾門限^，則取消本次子載波及其上功 率和比特的分配並結束系統的分配工作，否則進入步驟(3)(3) 如果&中已沒有待分配的子載波資源那麼結束分配，否則跳到步驟(1)。
4、 根據權利要求1所述的一種CR OFDM系統中具有QoS要求的資源分配方法，其特徵在 於，所述每個子載波上要分配的功率值&處理方法如下(i)根據下列公式3、公式4計算/U屍"，formula see original document page 4式中n = l,2,...,iV， ^為授權用戶的幹擾門限值，/《為子載波"對授權用戶的幹擾因子，幹擾的大小用瓦特(w)計量，/f = ;f^/2|g |2f^^L) 7;表示ofdm的符號周期'c4表示子載波n到授權用戶使用頻帶中心的頻譜距離，『/表示授權用戶的信道帶寬，^為認 知用戶可用的子載波數，g"表示基站到授權用戶在子載波"上的信道增益，/表示頻率變量；(ii)如果屍 (" = 1，2，...,^)中有值小於o，則將最小的負值屍 賦值為o，並移除該子載波，返回步驟(i);如果^("-l，2,…，7V)中已沒有值小於0，則本計算結束。
全文摘要
本發明提供一種CR OFDM系統中具有QoS要求的資源分配方法，系統從待分配的認知用戶集UM中選擇γm最大的認知用戶，按照增益因子γmn大為優先或比特數接近的原則給認知用戶分配合適的子載波、功率和比特數，並重新確定待分配的子載波集SN和UM；重新計算認知用戶對主用戶產生的幹擾值I，如果I大於授權用戶的幹擾門限值Ith，則取消本次子載波及其上功率和比特的分配並結束分配工作；如果UM中已沒有待分配的認知用戶且SN中仍有待分配的子載波資源，則對剩餘子載波資源進行再分配。本發明考慮了授權用戶的幹擾門限和認知用戶的QoS要求兩個約束條件，進一步提高頻譜利用率的資源分配。
文檔編號H04W72/00GK101459962SQ20091002862
公開日2009年6月17日 申請日期2009年1月6日 優先權日2009年1月6日
發明者劉瓊俐, 吳啟暉, 周廣素, 張玉明, 王金龍 申請人:中國人民解放軍理工大學通信工程學院