基于人工免疫分配方法的認知ofdm網(wǎng)絡(luò)上行鏈路子載波和功率聯(lián)合分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于認知0FDMA無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，特別涉及網(wǎng)絡(luò)中下行鏈路子載波和功率資 源的分配方法，具體的說就是一種基于人工免疫分配方法的認知0FDM網(wǎng)絡(luò)上行鏈路子載 波和功率聯(lián)合分配方法，利用無約束克隆免疫選擇分配方法對認知0FDMA網(wǎng)絡(luò)中無線頻譜 資源進行分配，采用注水定理對網(wǎng)絡(luò)中功率資源進行分配，最終實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中各個次用戶之 間系統(tǒng)傳輸速率按比例分配，并在此基礎(chǔ)上使網(wǎng)絡(luò)總的系統(tǒng)傳輸速率最大化。
【背景技術(shù)】
[0002] 認知無線電技術(shù)是近十年發(fā)展起來的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該技術(shù)起源于軟件無線電技 術(shù)，主要用于解決無線通信領(lǐng)域面臨的無線頻譜短缺和頻譜利用率低的問題。
[0003] 在當今的無線頻譜管理制度中，頻譜資源由特定的頻譜管理機構(gòu)(如我國的無線 電監(jiān)測中心)進行授權(quán)使用。獲得某一頻譜使用授權(quán)的用戶可以合法的使用該頻譜，在授權(quán) 期限內(nèi)，其它未得到授權(quán)的用戶均不得使用該頻譜。在當前的頻譜管理體制下，由于獲得頻 譜使用權(quán)的用戶對頻譜的使用是間歇性的，即該用戶并非時刻都在使用頻譜進行通信，而 在頻譜空閑（即頻譜未被使用）時，其他用戶被限制使用該頻譜，因此頻譜的利用率相對較 低。加之隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，使得頻譜資源日益稀缺。如何提高現(xiàn)有頻譜的使 用效率，解決頻譜資源稀缺和飛速增長的無線通信需求之間的矛盾，成為亟待解決的問題。 認知無線電技術(shù)就是在這種背景下發(fā)展起來的。其目在當前的頻譜管理體制下，在不影響 授權(quán)用戶對授權(quán)頻譜的使用的條件下，通過其他非授權(quán)用戶機會接入該頻譜進行通信，來 提高現(xiàn)有頻譜的利用率。
[0004] 在認知無線電中，獲得頻譜使用授權(quán)的用戶被稱主用戶，相應(yīng)的頻譜被稱為授權(quán) 頻譜，而沒有獲得頻譜授權(quán)但采用某種認知無線電技術(shù)伺機使用該頻譜的用戶被稱為次用 戶。認知無線電的工作過程為：次用戶通過動態(tài)的感知周圍的無線頻譜環(huán)境來探測主用戶 對授權(quán)頻譜的使用情況，并獲得授權(quán)頻譜的頻譜參數(shù)。當次用戶探測到主用戶未使用授權(quán) 頻譜時，次用戶根據(jù)已探測到的頻譜參數(shù)配置自己的發(fā)射端參數(shù)并使用該頻譜進行數(shù)據(jù)通 信，在次用戶進行數(shù)據(jù)通信期間，次用戶不斷的對頻譜環(huán)境進行探測，當次用戶探測到主用 戶再次使用授權(quán)頻譜時，該次用戶隨即停止數(shù)據(jù)傳輸，將該授權(quán)頻譜空閑出來以供主用戶 使用。次用戶繼續(xù)感知周圍無線環(huán)境，并等待頻譜再次空閑。
[0005] 在認知無線電的工作過程中，認知無線電網(wǎng)絡(luò)主要完成如下幾個環(huán)節(jié)：1、頻譜感 知，感知周圍無線環(huán)境，探測授權(quán)頻譜參數(shù)，以及主用戶使用情況。2、頻譜分析，分析頻譜參 數(shù)，并對空閑頻譜進行參數(shù)估計。3、頻譜決策，確定空閑頻譜的數(shù)據(jù)傳輸速率、發(fā)射模式等 參數(shù)，并將空閑頻譜分配給合適的次用戶使用。本發(fā)明主要解決頻譜決策中的頻譜分配和 功率分配問題。
[0006] 隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，正交頻分多址技術(shù)（0FMDA)是已經(jīng)發(fā)展為廣泛使用的 多載波調(diào)制技術(shù)。該技術(shù)將頻譜帶寬劃分成互不重疊的子載波集，并根據(jù)不同的子載波集 的信道條件將其分配給不同的用戶從而實現(xiàn)系統(tǒng)資源的優(yōu)化利用。由于不同的用戶使用不 重疊的子信道，因此可以有效地避免用戶之間的干擾。由于OFDMA調(diào)制技術(shù)的優(yōu)異性能，該 技術(shù)在下一代通信技術(shù)中被廣泛使用，如802. 16e(WiMAX)。
[0007] 一般情況下，認知0FDMA網(wǎng)絡(luò)的資源分配問題是一個非線性優(yōu)化問題，屬于 NP-hard問題，采用傳統(tǒng)方法求解此類問題或者無法得到非常好的解，或者消耗非常大的時 間代價。然而在近幾年，生物啟發(fā)分配方法的發(fā)展為解決這類問題提供了新的思路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于設(shè)計一種基于人工免疫分配方法的認知0FDM網(wǎng)絡(luò)上行鏈路子 載波和功率聯(lián)合分配方法，解決了比例公平性準則下認知0FDMA網(wǎng)絡(luò)下行鏈路中子載波和 功率的聯(lián)合分配問題。本發(fā)明的有效性將通過對認知0FDMA網(wǎng)絡(luò)的建模仿真實驗來證明。
[0009] 實現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)方案，包括如下步驟：
[0010] ⑴網(wǎng)絡(luò)建模：在認知0FDM網(wǎng)絡(luò)模型中，功率的分配受到發(fā)射端功率限制的約束， 并且子載波分配時只能分配給一個次用戶，同時每個次用戶至少分配一個子載波，網(wǎng)絡(luò)模 型表示如下：
[0021]其中，U(R)是需要優(yōu)化的函數(shù)，包括數(shù)據(jù)傳輸速率函數(shù)f\(R)和比例公平函數(shù)f2 (R)。氏表示次用戶i的總吞吐量，即數(shù)據(jù)傳輸速率，ai表示次用戶i的吞吐量分配比例， RavCT表示平均分配時用戶的吞吐量，n表示認知0FDMA網(wǎng)絡(luò)中子信道的數(shù)量，m表示次用戶 的數(shù)量，隊表示信道的噪聲功率譜密度，W。表示信道的信道帶寬，pik表示次用戶i在第k個 子信道上施加的功率，gik表示次用戶i使用第k個子信道時該信道的信道增益，《ik表示 用戶i使用信道k的情況，《ik=l表示次用戶i正在使用子信道k，《ik=0表示沒有，Pt()tal 表不系統(tǒng)總的傳輸速率。而Q= {?ik| ?^{〇, 1}，1 <i<m，1 <k<n}表不一種可能的 子載波分配方案，P={pik| 1彡i彡m，1彡k彡n}表示一種可能的功率分配方案；
[0022] 在約束條件中，第一個公式表示每個子載波只能分配給一個次用戶，第二個約束 條件表示分配的功率之和不能超過基站提供的功率，第三個公式表示各個次用戶的數(shù)據(jù)傳 輸速率應(yīng)該成比例分配，第四個約束條件表示每個次用戶至少分配一個子載波；
[0023] (2)抗體編碼：在對子載波的編碼中，采用對所有的子載波進行編碼，編碼的長度 為子載波的個數(shù)n，每個子載波的取值為[lm]，并且只能取整數(shù)值，該值表示次用戶的編 號，在對功率的編碼中，編碼的長度同樣為n，每個編碼取值為有限的連續(xù)值，對應(yīng)于對每個 子載波分配的功率；
[0024] (3)生成初始父代抗體群A:采用貪婪的方法產(chǎn)生初始抗體群的子載波分配方案， 對每一個子載波，將其分配給在該子載波上等效噪聲最小的次用戶，功率分配方案根據(jù)子 載波分配方案采用注水定理分配，第i個用戶在第k個子載波上的等效噪聲psik可用如下 公式計算：
[0025]
[0026] (4)抗體親和度評價：計算父代抗體抗體群A的所有抗體的系統(tǒng)總的數(shù)據(jù)傳輸速 率和比例公平函數(shù)f2，以及每個次用戶的數(shù)據(jù)傳輸速率氏，并以這兩個函數(shù)值和m個氏 值組成的向量作為相應(yīng)抗體的親和度向量；
[0027] (5)免疫克隆：采用變倍數(shù)克隆，即根據(jù)父代抗體群A中每個抗體的親和度值fl 和f2來確定相應(yīng)抗體的克隆倍數(shù)，父代抗體抗體群A經(jīng)過免疫克隆生成克隆抗體群B;
[0028] (6)克隆變異：采用啟發(fā)式的克隆變異算子，用等效噪聲矩陣 Ps(Ps={psik|〇〈i〈=m,0〈k〈=n})和克隆抗體群B中每個抗體對應(yīng)的分配方案獲得的每個次 用戶的數(shù)據(jù)傳輸速率氏來指導變異過程，克隆抗體群B經(jīng)過變異過程生成變異抗體群C;
[0029] (7)將經(jīng)過克隆變異后得到抗體群C和原父代抗體群A合并組和成子代抗體群0 ;
[0030] (8)適應(yīng)度評價：計算子代抗體群0的所有抗體的系統(tǒng)總的數(shù)據(jù)傳輸速率和比 例公平函數(shù)f2，并將這兩個函數(shù)值作為對應(yīng)抗體的適應(yīng)度值；
[0031] (9)抗體群更新：移除出子代抗體群0中比例公平函數(shù)f2的值過大的抗體，選出 剩余抗體中的非支配抗體，并選取其中比例公平函數(shù)f2的值較小的Psize個抗體組成新的父 代抗體群A，這里Psize表示預設(shè)的抗體群規(guī)模，如果剩余非支配抗體的數(shù)量不足Psize個，則 從剩余支配抗體中按照公平函數(shù)f2的值選取較小的補充至Psize個；
[0032] (10)判斷是否達到設(shè)定的循環(huán)結(jié)束條件，如果達到循環(huán)結(jié)束條件，則分配方法結(jié) 束，保存最優(yōu)的子載波和功率分配方案并輸出抗體群中的最優(yōu)解，完成求解過程，否則返回 步驟（4)進行下一次循環(huán)。
[0033] 上述步驟（10)所述的循環(huán)結(jié)束條件，表示為：it>gmax