本發(fā)明屬于通信技術領域，特別是一種基于頻譜襯墊和填充的認知OFDM網(wǎng)絡資源分配方法。

背景技術：
無線頻譜資源是一種不可再生的資源，通常由國家管理機構對它進行管理和分配利用，近年來隨著大量新的通信設備不斷出現(xiàn)和消費者對寬帶無線通信的迫切需求，使得人們對無線頻譜的需求急劇增加。為了解決頻譜利用率較低與用戶頻譜需要不斷增長的矛盾，人們開始構想如何在不影響授權用戶網(wǎng)絡正常通信的情況下對現(xiàn)有頻譜資源進行充分利用，這種想法對固定式頻譜分配政策提出了挑戰(zhàn)。在這種背景下，認知無線電技術開辟了一種新的無線頻譜資源利用理念，其核心思想是在不影響授權用戶正常通信的情況下對頻譜進行利用。與此同時，正交頻分復用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)技術不僅擁有高的頻譜利用率，而且能夠滿足認知無線電對調制的要求。在認知OFDM網(wǎng)絡中，認知用戶如何與授權用戶共享頻譜資源是一個關鍵問題，該問題直接決定了對資源分配問題方法的設計。目前，對認知OFDM網(wǎng)絡的研究主要基于兩種頻譜共享模型：頻譜襯墊模型和頻譜填充模型。在基于頻譜襯墊認知OFDM網(wǎng)絡中，認知OFDM網(wǎng)絡基站在獲取從認知用戶到授權用戶信道增益的前提下，通過控制認知用戶對授權用戶的干擾不超過干擾溫度限制，使得認知用戶和授權用戶可以在同一授權頻譜共存。在基于頻譜填充認知OFDM網(wǎng)絡中，認知用戶通過機會接入頻譜的方式獲取在授權頻譜的部分通信機會，因此，在這種模式下授權用戶的服務質量將不會受認知用戶通信的影響而下降。將基于頻譜填充和基于頻譜襯墊兩種模式的認知OFDM網(wǎng)絡新頻譜接入方式，簡稱基于頻譜襯墊和填充的認知OFDM網(wǎng)絡。專利1（基于認知無線電系統(tǒng)的多用戶資源分配方法，西安電子科技大學，公開號CN1878027，申請?zhí)朇N200610043081.9，申請日2006.06.30）公開了一種基于認知無線電系統(tǒng)的多用戶資源分配方法，在復用授權用戶頻譜空洞時，認知AP節(jié)點與系統(tǒng)內多認知用戶在下行鏈路通信，遵循比例公平原則進行資源分配。專利2（認知OFDMA系統(tǒng)中基于比例公平與干擾約束的功率分配方法，浙江大學，公開號CN102149203A，申請?zhí)朇N201110098565.4，申請日2011.04.14）公開了一種認知OFDMA系統(tǒng)中基于比例公平與干擾約束的功率分配方法，該方法首先根據(jù)認知用戶的比例公平因子、總功率約束和固定速率值進行認知用戶間的功率分配，然后各認知用戶利用快速注水法進行載波功率分配。但是上述兩個專利存在的問題是沒有考慮聯(lián)合基于頻譜填充和基于頻譜襯墊模式的認知OFDM系統(tǒng)資源分配，不能夠充分挖掘基于頻譜填充和基于頻譜襯墊的認知OFDM網(wǎng)絡中無線頻譜資源，資源利用率較低。

技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種高效的基于頻譜襯墊和填充的認知OFDM網(wǎng)絡資源分配方法，從頻率和功率兩個維度動態(tài)按需分配資源，充分挖掘了認知OFDM網(wǎng)絡中的無線頻譜資源。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為：一種基于頻譜襯墊和填充的認知OFDM網(wǎng)絡資源分配方法，包括以下步驟：步驟1，認知基站獲得資源分配所需要的信道狀態(tài)信息；步驟2，認知基站獲取頻譜空洞信息并發(fā)送給認知用戶；步驟3，認知基站采用遺傳免疫方法對基于頻譜襯墊和填充的認知OFDM網(wǎng)絡中的頻率和功率資源進行分配，具體步驟如下：步驟3.1，認知基站初始化遺傳免疫方法的參數(shù)，并對種群中的抗體進行編碼形成抗體向量，該抗體向量包括頻率和功率資源；步驟3.2，確定每個抗體的期望繁殖概率；步驟3.3，從種群中按照期望繁殖概率提取父代種群和記憶庫種群，尋找種群中適應值最大抗體；步驟3.4，首先通過輪盤賭選擇機制對抗體群進行選擇操作得到新群體中抗體，然后通過單點交叉方法對通過選擇操作產(chǎn)生新群體中抗體進行交叉操作得到新群體中抗體，最后通過隨機選擇變異位對通過交叉操作產(chǎn)生新群體中抗體進行變異操作得到新群體中抗體，所得新群體合并記憶庫種群，共同構成新一代抗體；步驟3.5，重復步驟3.2～3.4NIg次，輸出頻率和功率資源分配的最優(yōu)解，NIg表示遺傳免疫方法的最大迭代次數(shù)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點為：（1）基于頻譜襯墊和填充的認知OFDM網(wǎng)絡資源分配方法，從頻率和功率兩個維度動態(tài)按需分配資源，充分挖掘了認知OFDM網(wǎng)絡中無線頻譜資源；（2）子載波和功率不是固定分配的，靈活性強，為提高基于頻譜襯墊和填充的認知OFDM網(wǎng)絡吞吐量提供技術支持。附圖說明圖1為本發(fā)明基于頻譜襯墊和填充的認知OFDM網(wǎng)絡資源分配方法的流程圖。圖2為本發(fā)明中采用遺傳免疫方法對頻率和功率資源進行分配的流程圖。圖3為本發(fā)明遺傳免疫方法抗體編碼示意圖。圖4為本發(fā)明實施例1中基于頻譜襯墊和填充的認知OFDM網(wǎng)絡頻譜接入示意圖。圖5為本發(fā)明實施例1中基于頻譜襯墊和填充的認知OFDM網(wǎng)絡通信鏈路示意圖。具體實施方式下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細描述。結合圖1，本發(fā)明基于頻譜襯墊和填充的認知OFDM網(wǎng)絡資源分配方法，步驟如下：步驟1，認知基站獲得資源分配所需要的信道狀態(tài)信息，包括認知用戶估計自己與認知基站下行鏈路的信道增益并且將信道增益反饋給認知基站；授權用戶估計子載波k*上自己與認知用戶之間通信鏈路的信道增益并且將譜距離函數(shù)和信道增益反饋給認知基站；其中，表示在子載波k上認知用戶m與認知基站之間下行鏈路的信道增益，表示在子載波k*上授權用戶與認知用戶通信鏈路的信道增益，表示子載波k與子載波k*之間的譜距離函數(shù)，表示子載波k與子載波k*之間的譜距離。步驟2，認知基站獲取頻譜空洞信息并發(fā)送給認知用戶；具體為：認知基站檢測授權網(wǎng)絡中的無線頻譜資源，經(jīng)過認知基站中的信息處理模塊分析獲得當前授權網(wǎng)絡中的頻譜利用狀態(tài)信息，形成能夠反映頻譜空洞的頻譜檢測報告，認知基站將頻譜檢測報告通過廣播的方式發(fā)送給認知用戶。步驟3，認知基站采用遺傳免疫方法對基于頻譜襯墊和填充的認知OFDM網(wǎng)絡中的頻率和功率資源進行分配，結合圖2具體步驟下：步驟3.1，認知基站初始化遺傳免疫方法的參數(shù)，并對種群中的抗體進行編碼形成抗體向量，該抗體向量包括頻率和功率資源，具體為：（1）認知基站初始化遺傳免疫方法的參數(shù)：初始化種群中抗體數(shù)目NIp、遺傳免疫方法的迭代次數(shù)NIg，NIp、NIg均為整數(shù)且80≤NIp≤100、800≤NIg≤1000；令迭代次數(shù)序號gen＝1，初始化時刻t認知用戶m在子載波k上子載波分配指示變量和時刻t認知用戶m在子載波k上功率分配指示變量（2）結合圖3，對種群中的抗體進行編碼形成抗體向量：初始化種群中的NIp個抗體，抗體采用的編碼方式為向量x(gen)中的由子載波分配指示向量c(gen)組成，向量c(gen)滿足公式(1)；向量x(gen)中的由功率分配指示向量p(gen)組成，向量p(gen)滿足公式(2)；并且向量c(gen)和向量p(gen)同時滿足公式(3)；在公式(3)中，表示基于頻譜襯墊模式子載波k*上的最大干擾功率門限，表示子載波k到基于頻譜襯墊模式子載波k*的譜距離函數(shù)，的確定公式如式(4)；t表示時間索引，m表示認知用戶索引，k表示子載波索引，M表示認知用戶數(shù)目，K表示子載波數(shù)目，Pmax表示最大發(fā)射功率限制，x(gen)表示第gen次迭代時抗體編碼向量，Ts表示OFDM符號的時間間隔，Δf表示每個子載波的帶寬，表示授權用戶子載波k*上的干擾功率門限。步驟3.2，確定每個抗體的期望繁殖概率，具體為：采用公式(5)確定抗體v的期望繁殖概率Pv：式中，α表示權重系數(shù)，NIp表示種群中抗體數(shù)目，Av表示抗體與抗原之間的親和度函數(shù)，Cv表示抗體與抗體之間的親和力函數(shù)，其中Av采用公式(6)確定：在公式(6)中，示在子載波k上認知用戶m與認知基站之間通信鏈路的信道增益，σ2表示背景噪聲功率，ξm,k表示在子載波k上其它授權用戶對認知用戶m的干擾功率；Cv采用公式(7)確定：在公式(7)中，Tv,u表示抗體濃度，Tv,u的計算公式如(8)所示：在公式(8)中，T表示一個預先設定的門限，Sv,u表示抗體v和抗體u之間的相似度，Sv,u的計算公式如(9)所示：公式(9)中，表示抗體v第i位，表示抗體u的第i位。步驟3.3，從種群中按照期望繁殖概率提取父代種群和記憶庫種群，尋找種群中適應值最大抗體，具體為：將群體中的抗體按照期望繁殖概率Pv降序進行排列，從種群中提取望繁殖概率最大的NI1個抗體作為父代種群，同時將繁殖概率最大的NIp-NI1個抗體存入記憶庫中，采用公式(10)確定每個抗體的適應值F(xi(gen))，尋找第gen次迭代時種群中適應值最大的抗體xbest(gen)：上述NI1表示父代種群中抗體的數(shù)目，NIp-NI1表示記憶庫種群中抗體的數(shù)目，xbest(gen)表示第gen次迭代時種群中適應值最大的抗體。步驟3.4，首先通過輪盤賭選擇機制對抗體群進行選擇操作得到新群體中抗體，然后通過單點交叉方法對通過選擇操作產(chǎn)生新群體中抗體進行交叉操作得到新群體中抗體，最后通過隨機選擇變異位對通過交叉操作產(chǎn)生新群體中抗體進行變異操作得到新群體中抗體，再從記憶庫中取出，所得新群體合并記憶庫中NIp-NI1個抗體，共同構成新一代抗體。步驟3.5，重復步驟3.2～3.4NIg次，輸出頻率和功率資源分配的最優(yōu)解，即令gen←gen+1，重復步驟3.2～3.4NIg次，輸出xbest(gen)作為最優(yōu)解，并且采用公式(10)確定基于頻譜襯墊和填充的認知OFDM網(wǎng)絡吞吐量，NIg表示遺傳免疫方法的最大迭代次數(shù)。下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。實施例1結合附圖1～5，本發(fā)明基于頻譜襯墊和填充的認知OFDM網(wǎng)絡資源分配方法，具體步驟如下：步驟1，認知基站獲得資源分配所需要的信道狀態(tài)信息。設授權網(wǎng)絡中有N＝8個授權用戶，子載波數(shù)目有K＝64；圖4為本發(fā)明基于頻譜襯墊和填充的認知OFDM網(wǎng)絡頻譜接入示意圖，認知基站可用頻譜資源Kt＝{8×(kt-1)+1～8×kt,kt＝1,3,5,7,9,11,13,15}，fc＝990MHz，Δf＝62.5KHz，F(xiàn)1＝0.5MHz,F2＝1MHz，F(xiàn)3＝1.5MHz，F(xiàn)4＝2MHz；fc表示基于頻譜填充的認知OFDM網(wǎng)絡起始頻率，F(xiàn)1、F2、F3和F4分部表示頻帶1、頻帶2、頻帶3和頻帶4的相對起始頻率，Δf表示每個子載波間隔；圖5為本發(fā)明的基于頻譜襯墊和填充的認知OFDM網(wǎng)絡通信鏈路示意圖。步驟2，認知基站獲取頻譜空洞信息并發(fā)送給認知用戶。步驟3，認知基站采用遺傳免疫方法對基于頻譜襯墊和填充的認知OFDM網(wǎng)絡中的頻率和功率資源進行分配?；陬l譜襯墊和填充的認知OFDM網(wǎng)絡有M＝3個認知用戶：首先，認知基站初始化遺傳免疫方法的參數(shù)和對種群中的抗體進行編碼，該抗體向量包括頻率和功率資源，設種群中抗體數(shù)目NIp＝90，遺傳免疫方法的迭代次數(shù)NIg＝900，令gen＝1，初始化和采用公式(1)確定在公式(3)中，基于頻譜襯墊模式子載波k*上的最大干擾功率門限OFDM符號的時間間隔Ts＝40us，每個子載波的帶寬Δf＝125KHz；然后，確定每個抗體的期望繁殖概率，權重系數(shù)α＝0.3，背景噪聲功率σ2＝1×10-11W，預先設定的門限T＝30；其次，從種群中提取望繁殖概率最大的NI1＝10個抗體作為父代種群；再次，采用輪盤賭選擇機制對抗體群進行選擇操作得到新群體中抗體，采用單點交叉方法對抗體群進行交叉操作得到新群體中抗體，采用隨機選擇變異位的方法對抗體群進行變異操作得到新群體中抗體，再從記憶庫中取出NIp-NI1個抗體，共同構成新一代抗體；最后，令gen←gen+1，重復上述步驟NIg次，輸出xbest(gen)作為最優(yōu)解，并且采用公式(10)確定基于頻譜襯墊和填充的認知OFDM網(wǎng)絡吞吐量。綜上所述，本發(fā)明基于頻譜襯墊和填充的認知OFDM網(wǎng)絡資源分配方法，從頻率和功率兩個維度動態(tài)按需分配資源，充分挖掘了認知OFDM網(wǎng)絡中無線頻譜資源；并且子載波和功率不是固定分配的，靈活性強，為提高基于頻譜襯墊和填充的認知OFDM網(wǎng)絡吞吐量提供技術支持。