一种基于接收机干扰的认知无线电网络OFDM频谱分配方法

摘要

本发明属于认知无线电网络中的频谱资源管理技术，为基于接收机干扰的认知无线电网络OFDM频谱分配方法，包括初始化，给一级用户着色，进行拓扑更新，计算每个二级用户的标签值和待着颜色，再给标签值最大的二级用户着待着颜色等步骤。本发明提出了一种接收机干扰模型下基于图论的认知无线电网络OFDM频谱分配方法，可以准确地建模认知无线电网络频谱分配问题，同时在认知无线电网络中有效地进行频谱分配，其目标可以是最大化频谱效益，最大化最小公平或最大化比例公平。所提出的方法可分布式实现。

说明书

技术领域

本发明属于认知无线电网络中的频谱资源管理技术，涉及认知无线电网络频谱分配方法，具体为一种基于接收机干扰的认知无线电网络OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)频谱分配方法。

技术背景

智能无线认知网络能通过主动地感知无线频谱使用、认知无线环境、自适应地重配置网络资源、工作模式与参数，进而实现与周边无线网络协同工作的目标。因此，具有认知无线电能力、重配置能力的新一代智能认知无线网络成为研究重点。

认知无线电网络由预先占用某些信道的一级用户和择机使用空闲信道的二级用户组成。在基于图论的认知无线电网络的频谱分配研究中，将认知用户组成的网络拓扑结构抽象成图。图中的每一个顶点代表一个无线用户，每一条边表示一对顶点间存在冲突或者干扰。传统的基于图论的认知无线电网络频谱分配算法采用的是发射机干扰模型，在这种模型中，干扰限制定义为一对发射机之间的复用距离，在复用距离内，该对发射机不能复用同一信道。

然而，发射机干扰模型存在着许多不足。首先，发射机干扰模型忽略了用户接收机处的干扰，而频谱分配中的共道干扰问题实际上是在接收机处发生的。其次，发射机干扰模型的干扰限制是一种“二元限制”，即只考虑两个用户之间的相互关系，而在实际系统中，某用户受到的干扰是在干扰范围内其它所有用户的干扰叠加。再次，发射机干扰模型没有考虑不同的发射机对应的接收机可能具有不同的信干比门限。最后，发射机干扰模型是一种“二进制模型”，频谱分配冲突图是两个顶点间的冲突取值定为0或1的无向图。因此，发射机干扰模型无法准确地建模认知无线电网络频谱分配问题。

传统的基于图论的认知无线电网络OFDM频谱分配算法[参见C.Peng，H.Zheng，B.Y.Zhao.Utilization and fairness in spectrum assignment foropportunistic spectrum access，Mobile Networks and Applications(MONET)，2006]是基于发射机干扰模型，因而不够准确。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于接收机干扰的认知无线电网络OFDM频谱分配方法，该方法可以准确地建模认知无线电网络频谱分配问题，同时在认知无线电网络中有效地进行频谱分配。

本发明提供的基于接收机干扰的认知无线电网络OFDM频谱分配方法，其步骤包括：

步骤(1)：按照下述过程进行初始化：

(1.1)确定系统参数，包括一级用户数M，二级用户数N，可用信道数K，发射功率矩阵P和信号噪声干扰比门限矩阵Г；

其中，发射功率矩阵P＝{p_ik|p_ik≥0}_(N+M)×K，p_ik表示如果将信道k分配给用户i，用户i在信道k上的发射功率；用户i由处于不同位置的一对发射机T_i和接收机R_i组成，i表示用户的序号；

信号噪声干扰比门限矩阵Г＝{γ_ik|γ_ik≥0}_(N+M)×K，γ_ik表示用户i在信道k上的信号噪声干扰比门限；

(1.2)通过测量或估计得到链路增益矩阵G，背景噪声矩阵Q

链路增益矩阵G＝{G_ij|G_ij≥0}_(N+M)×(N+M)，G_ij表示发射机T_i和接收机R_j之间的链路增益；

背景噪声矩阵Q＝{q_ik|q_ik≥0}_(N+M)×K，q_ik表示接收机R_j在信道k上的背景噪声；

(1.3)计算出效益矩阵B，冲突矩阵C，抗干扰余量矩阵E；

效益矩阵B＝{b_ik|0≤b_ik}_(N+M)×K，b_ik＝ln(1+γ_ik)表示用户I如果使用信道k传输能够获得的效益；

冲突矩阵C＝{C_ijk|0≤C_ijk≤1}_{(N+M)×(N+M)×K}，C_ijk表示用户i在信道k上对用户j的冲突值，采用公式I计算C_ijk：

抗干扰余量矩阵E＝{e_ik|e_ik≤1}_(N+M)×K，e_ik表示用户i在信道k上的抗干扰余量，采用式II计算e_ik：

$e_{\mathrm{ik}}=1-\frac{q_{\mathrm{ik}}}{p_{\mathrm{ik}}{G}_{\mathrm{ii}}/{\gamma }_{\mathrm{ik}}}-\underset{j=1}{\overset{N+M}{\Sigma }}{C}_{\mathrm{jik}}{a}_{\mathrm{jk}}---\left(\mathrm{II}\right)$

(1.4)令信道分配矩阵A中元素全为1，可用信道矩阵L全为0；

可用信道矩阵L＝{l_ik|l_ik∈{0，1}}_(N+M)×K，l_ik＝1表示用户i能够使用信道k；反之，l_ik＝0表示用户i不能使用信道k；

信道分配矩阵A＝{a_ik|a_ik∈{0，1}}_(N+M)×K，a_ik＝1表示已将信道k分配给了用户i；反之，a_ik＝0表示未将信道k分配给用户i；

步骤(2)：按照下述过程给一级用户着色：

(2.1)根据一级用户预先占用信道情况，给各子图中一级用户顶点着色，每个子图对应一个信道；

(2.2)删除各子图中不使用此信道的一级用户顶点；

步骤(3)：按照下述过程进行拓扑更新：

(3.1)根据抗干扰余量矩阵E删除抗干扰余量小于0的未着色顶点；

(3.2)根据冲突矩阵C，如果某未着色顶点对某已着色顶点的冲突值大于该已着色顶点的抗干扰余量，删除此未着色顶点；

步骤(4)：根据不同的分配目标选择下述三种方式之一计算每个二级用户的标签值label_i和待着颜色color_i：

令l_i表示二级用户i可用且未分配信道的集合，即l_i＝{k|a_ik＝0，l_ik＝1}，令D_ik表示子图k中顶点i对周围未删除顶点的冲突之和，采用式III计算D_ik：

$D_{\mathrm{ik}}=\underset{j=1}{\overset{N+M}{\Sigma }}{l}_{\mathrm{jk}}·C_{\mathrm{ij}},k\in l_i---\left(\mathrm{III}\right)$

当采用合作式最大化频谱效益的分配目标时，采用如式iv、v进行标号：

${\mathrm{label}}_i=\underset{k\in l_i}{\mathrm{Max}}\frac{b_{\mathrm{ik}}}{D_{\mathrm{ik}}+1}---\left(\mathrm{iv}\right)$

${\mathrm{color}}_i=\arg \underset{k\in l_i}{\mathrm{Max}}\frac{b_{\mathrm{ik}}}{D_{\mathrm{ik}}+1}---\left(v\right)$

当采用合作式最大化最小公平的分配目标时，采用式vi、vii进行标号：

${\mathrm{label}}_i=-\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{a}_{\mathrm{ik}}·b_{\mathrm{ik}}---\left(\mathrm{vi}\right)$

${\mathrm{color}}_i=\arg \underset{k\in l_i}{\mathrm{Max}}\frac{b_{\mathrm{ik}}}{D_{\mathrm{ik}}+1}---\left(\mathrm{vii}\right)$

当采用合作式最大化比例公平的分配目标时，采用式viii、ix进行标号：

${\mathrm{label}}_i=\frac{\underset{k\in l_i}{\mathrm{Max}}\frac{b_{\mathrm{ik}}}{D_{\mathrm{ik}}+1}}{\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{a}_{\mathrm{ik}}·b_{\mathrm{ik}}}---\left(\mathrm{viii}\right)$

${\mathrm{color}}_i=\arg \underset{k\in l_i}{\mathrm{Max}}\frac{b_{\mathrm{ik}}}{D_{\mathrm{ik}}+1}---\left(\mathrm{ix}\right)$

步骤(5)：给标签值最大的二级用户着待着颜色，如果不存在未着色顶点，分配结束，否则返回步骤(3)。

本发明提出了一种接收机干扰模型下基于图论的认知无线电网络OFDM频谱分配方法，可以准确地建模认知无线电网络频谱分配问题，同时在认知无线电网络中有效地进行频谱分配，其目标可以是最大化频谱效益，最大化最小公平或最大化比例公平。所提出的方法可分布式实现。

附图说明

图1为本发明基于接收机干扰的认知无线电网络OFDM频谱分配方法的流程图。

具体实施方式

接收机干扰模型下，基于图论的认知无线电网络OFDM频谱分配方法如图1所示，包括以下步骤：

步骤(1)：按照下述过程进行初始化：

(1.1)确定系统参数，包括一级用户数M，二级用户数N，可用信道数K，发射功率矩阵P和信号噪声干扰比门限矩阵Г

设认知无线电网络中的一级用户数为M，二级用户数为N，OFDM方式下每个用户可以同时选择多个信道传输.二级用户的序号为1到N，一级用户的序号为N+1到N+M。设可用信道数为K，序号为1到K。用户i由处于不同位置的一对发射机T_i和接收机R_i组成。

定义发射功率矩阵P＝{p_ik|p_ik≥0}_(N+M)×K，p_ik表示如果将信道k分配给用户i，用户i在信道k上的发射功率。

定义信号噪声干扰比门限矩阵Г＝{γ_ik|γ_ik≥0}_(N+M)×K，γ_ik表示用户i在信道k上的信号噪声干扰比门限.即如果将信道k分配给用户i，接收机R_i在信道k上的信号噪声干扰比(Signal to Interference and Noise Ratio，SINR)必须保证大于γ_ik，如式(1)所示。式中其他变量的定义如后所述。

${\mathrm{SINR}}_{\mathrm{ik}}=\frac{p_{\mathrm{ik}}{G}_{\mathrm{ii}}}{q_{\mathrm{ik}}+{\Sigma }_{j=1,j\ne i}^{N+M}{a}_{\mathrm{jk}}{p}_{\mathrm{jk}}{G}_{\mathrm{ji}}}\ge {\gamma }_{\mathrm{ik}},$如果a_ik＝1(1)

(1.2)通过测量或估计得到链路增益矩阵G，背景噪声矩阵Q

定义链路增益矩阵G＝{G_ij|G_ij≥0}_(N+M)×(N+M)，G_ij表示发射机T_i和接收机R_j之间的链路增益。定义背景噪声矩阵Q＝{q_ik|q_ik≥0}_(N+M)×K，q_ik表示接收机R_j在信道k上的背景噪声。

(1.3)计算出效益矩阵B，冲突矩阵C，抗干扰余量矩阵E；

定义效益矩阵B＝{b_ik|0≤b_ik}_(N++M)×K，b_ik＝ln(1+γ_ik)表示用户I如果使用信道k传输，可以获得的效益。定义冲突矩阵C＝{C_ijk|0≤C_ijk≤1}_{(N+M)×(N+M)×K}，如式(2)所示，C_ijk表示用户i在信道k上对用户j的冲突。当i≠j时，C_ijk的意义是若用户i，j选择相同的信道k，接收机R_j接收到的来自发射机T_i的干扰功率，与接收机R_j在保证大于信号噪声干扰比门限γ_jk的条件下允许的最大干扰功率的比值。当这个比值大于1时，令C_ijk为1。当i＝j时，令C_ijk＝0。

定义抗干扰余量矩阵E＝{e_ik|e_ik≤1}_(N+M)×K，如式(3)所示，e_ik表示用户i在信道k上的抗干扰余量。e_ik≥0表示用户i如果在信道k上传输，可以满足信干比门限γ_ik的要求；反之，e_ik＜0表示用户i如果在信道k上传输，不能满足信干比门限γ_ik的要求。

$e_{\mathrm{ik}}=1-\frac{q_{\mathrm{ik}}}{p_{\mathrm{ik}}{G}_{\mathrm{ii}}/{\gamma }_{\mathrm{ik}}}-\underset{j=1}{\overset{N+M}{\Sigma }}{C}_{\mathrm{jik}}{a}_{\mathrm{jk}}---\left(3\right)$

(1.4)令信道分配矩阵A中元素全为1，可用信道矩阵L全为0。

定义可用信道矩阵L＝{l_ik|l_ik∈{0，1}}_(N+M)×K，l_ik＝1表示用户i可以使用信道k；反之，l_ik＝0表示用户i不能使用信道k。

定义信道分配矩阵A＝{a_ik|a_ik∈{0，1}}_(N+M)×K，a_ik＝1表示已将信道k分配给了用户i；反之，a_ik＝0表示未将信道k分配给用户i。

步骤(2)：按照下述过程给一级用户着色：

(2.1)根据一级用户预先占用信道情况，给子图中一级用户顶点着色；

在接收机干扰模型下，认知无线电网络中的频谱分配冲突图包括K个子图，分别对应K个信道。子图中的顶点是择机使用这些信道的二级用户和预先占用某些信道的一级用户，子图中的边是用户间的冲突。因此，子图是两个顶点间的冲突取值范围定为0-1之间的所有实数的有向图。给子图中的一个顶点着色意味着将一个可用信道分配给一个用户。由于一级用户预先占用某些信道，不是频谱分配的对象，所以应根据一级用户预先占用信道情况，给子图中一级用户顶点着色。

(2.2)删除各子图中不使用此信道的一级用户顶点。

子图中的顶点可能有三种状态：已删除，未着色，已着色。l_ik＝0表示用户i不能使用信道k，即子图k中的顶点i已删除。l_ik＝1，a_ik＝0表示用户I可以使用信道k，但是未将信道k分配给用户i，即子图k中存在未着色顶点i。l_ik＝1，a_ik＝1表示用户i可以使用信道k，且已经将信道k分配给用户i，即子图k中存在已着色顶点i。也就是说，给一个顶点着色将更新信道分配矩阵A，删除一个顶点将更新可用信道矩阵L。这两种操作都将更新抗干扰余量矩阵E。由于一级用户预先占用某些信道的情况在频谱分配过程中不变，所以应删除各子图中不使用此信道的一级用户顶点。

步骤(3)：按照下述过程进行拓扑更新：

(3.1)删除抗干扰余量小于0的未着色顶点；

(3.2)如果某未着色顶点对某已着色顶点的冲突值大于该已着色顶点的抗干扰余量，删除此未着色顶点。

步骤(4)：给二级用户标号

根据标号方法算出每个二级用户的标签值(label)和待着颜色(color)。

令l_i表示二级用户i可用且未分配信道的集合，即l_i＝{k|a_ik＝0，l_ik＝1}。令D_ik表示子图k中顶点i对周围未删除顶点的冲突之和：

$D_{\mathrm{ik}}=\underset{j=1}{\overset{N+M}{\Sigma }}{l}_{\mathrm{jk}}·C_{\mathrm{ij}},k\in l_i---\left(4\right)$

根据不同的分配目标选择下述三种方式之一计算每个二级用户的标签值label_i和待着颜色color_i：

方式一：

合作式最大化频谱效益的分配目标如式(5)所示，标号方法如式(6)，(7)所示。

$\mathrm{Max}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{a}_{\mathrm{ik}}·b_{\mathrm{ik}}---\left(5\right)$

${\mathrm{label}}_i=\underset{k\in l_i}{\mathrm{Max}}\frac{b_{\mathrm{ik}}}{D_{\mathrm{ik}}+1}---\left(6\right)$

${\mathrm{color}}_i=\arg \underset{k\in l_i}{\mathrm{Max}}\frac{b_{\mathrm{ik}}}{D_{\mathrm{ik}}+1}---\left(7\right)$

方式二：

合作式最大化最小公平的分配目标如式(8)所示，标号方法如式(9)，(10)所示。

$\mathrm{Max}\underset{1\le i\le N}{\mathrm{Min}}\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{a}_{\mathrm{ik}}·b_{\mathrm{ik}}---\left(8\right)$

${\mathrm{label}}_i=-\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{a}_{\mathrm{ik}}·b_{\mathrm{ik}}---\left(9\right)$

${\mathrm{color}}_i=\arg \underset{k\in l_i}{\mathrm{Max}}\frac{b_{\mathrm{ik}}}{D_{\mathrm{ik}}+1}---\left(10\right)$

方式三：

合作式最大化比例公平的分配目标如式(11)所示，标号方法如式(12)，(13)所示。

$\mathrm{Max}\underset{i=1}{\overset{N}{\Pi }}\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{a}_{\mathrm{ik}}·b_{\mathrm{ik}}---\left(11\right)$

${\mathrm{label}}_i=\frac{\underset{k\in l_i}{\mathrm{Max}}\frac{b_{\mathrm{ik}}}{D_{\mathrm{ik}}+1}}{\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{a}_{\mathrm{ik}}·b_{\mathrm{ik}}}---\left(12\right)$

${\mathrm{color}}_i=\arg \underset{k\in l_i}{\mathrm{Max}}\frac{b_{\mathrm{ik}}}{D_{\mathrm{ik}}+1}---\left(13\right)$

步骤(5)：给二级用户着色

给标签值最大的二级用户着待着颜色，如果不存在未着色顶点，即A＝L时，分配结束。否则返回步骤(3)。分配结束时信道分配矩阵A与可用信道矩阵L相等，意味着在某一分配目标下，所有的可用信道均已分配完成。