王曉斌， 王曉芳

（①東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)訓(xùn)中心，廣東 東莞 523808；②大連理工大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)部，遼寧 大連 116000；③湖北民族學(xué)院，湖北 恩施 445000）

0 引言

隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的廣泛普及以及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸要求的不斷增加，如何高效的使用現(xiàn)有的頻譜資源已成為無(wú)線(xiàn)通信亟待解決的問(wèn)題。目前，無(wú)線(xiàn)電頻譜資源主要由政府統(tǒng)一授權(quán)分配，然而這種固定分配頻譜的管理方式導(dǎo)致了頻譜資源的分配不均，甚至浪費(fèi)，使得頻譜資源越來(lái)越緊缺，一種有效的解決辦法是認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)（CR,Cognitive Radio）的使用。認(rèn)知用戶(hù)“伺機(jī)”的利用空閑授權(quán)頻段來(lái)提高頻譜的利用率。在認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中，動(dòng)態(tài)頻譜分配技術(shù)顯得尤為重要[1-2]。

基于正交頻分復(fù)用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）的多用戶(hù)頻譜分配同時(shí)考慮發(fā)送功率、數(shù)據(jù)傳輸和子載波特性，進(jìn)而對(duì)不同的用戶(hù)需求、環(huán)境情況選擇恰當(dāng)?shù)姆峙洳呗訹3]。針對(duì)ACG算法的計(jì)算復(fù)雜度高的這一缺點(diǎn)，文中提出了一種低計(jì)算復(fù)雜度的 OFDM子載波分配算法。

1 基于OFDM子載波分配的ACG算法原理

假設(shè)在一個(gè)OFDM系統(tǒng)中有K個(gè)用戶(hù)和N個(gè)子載波，在一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)用mk和Rk分別代表用戶(hù)k需要的子載波數(shù)和傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)。那么用戶(hù)在所有子載波上的信道增益平均值可以表示為：

利用平均信道增益表示用戶(hù)K在各信道中的增益。|hk( n)|2表示認(rèn)知用戶(hù)k在子載波n上的信道增益。各載波信道增益相等的情況下傳輸相同比特?cái)?shù)時(shí)將會(huì)得到最優(yōu)的速率和功率分配結(jié)果。認(rèn)知用戶(hù)k在子載波n上的傳輸速率為：

算法描述[4]：

mk為子分配給每個(gè)用戶(hù)的子載波數(shù)，Mk為分配結(jié)果的集合，

for 每個(gè)子載波 n=1:N do

若#Mk表示為集合Mk的基數(shù)，while （#Mk'=m'） do

2 提出的算法原理

2.1 算法基本原理

新算法根據(jù)用戶(hù)的信道特性設(shè)定一個(gè)門(mén)限值，通過(guò)此門(mén)限值將一些信道狀況變化相對(duì)比較緩慢的連續(xù)子載波合并成子信道，從而將原來(lái)針對(duì)每個(gè)子載波的分配轉(zhuǎn)變?yōu)獒槍?duì)子信道的分配，以此來(lái)降低頻譜資源的分配次數(shù)。

2.2 算法實(shí)施過(guò)程

假設(shè) OFDM 系統(tǒng)中認(rèn)知用戶(hù)數(shù)為 K，k=1,2,…,K，子載波數(shù)為 N，n=1,2,…,N。設(shè)用戶(hù) k在各子載波上的信道衰落系數(shù)構(gòu)成的向量為：

那么 K個(gè)用戶(hù)在 N個(gè)子載波中的信道衰落系數(shù)矩陣為：

元素hk,n表示用戶(hù)k在子載波n上的信道衰落系數(shù)。

即取個(gè)相鄰子載波之間的信道衰落系數(shù)方差平均值作為方差門(mén)限，其中var表示求方差。

其次就是對(duì)子載波進(jìn)行合并，先計(jì)算第一二個(gè)子載波間的信道衰落系數(shù)的方差：

比較D1,2與的大小，如果則將這兩個(gè)子載波合并為一個(gè)子信道，然后計(jì)算第二三個(gè)子載波間的信道衰落系數(shù)方差：

合并后的序列集如下式：

再次，由于合并完后會(huì)出現(xiàn)子信道內(nèi)子載波重疊，需對(duì)相互重疊的子載波重新劃分以形成新的子信道。故將所有的子載波合并序列集合并為一個(gè)集合order，數(shù)學(xué)表達(dá)為：

按其升序排列，遇到相同序號(hào)，保留一個(gè)，即得到新的子載波序號(hào)序列為：

式中，xn表示子載波序號(hào)。這樣得到的每個(gè)信道中子載波相對(duì)每個(gè)用戶(hù)的信道狀況都是緩慢變化的，可認(rèn)為同一子信道內(nèi)的所有子載波信道狀況是完全相同的，即取該信道內(nèi)子載波信道衰落系數(shù)的平均值為該信道的衰落系數(shù)。

最后，若經(jīng)合并后，得到N*個(gè)子信道，則k個(gè)用戶(hù)在N*個(gè)信道內(nèi)的衰落系數(shù)矩陣可表示為：

3 仿真結(jié)果分析

將提出的改進(jìn)算法與ACG算法和RCG算法進(jìn)行了仿真比較，選取子載波數(shù)為128，用戶(hù)數(shù)取2，4，6，8，10，用戶(hù)傳輸比特?cái)?shù)20，誤碼率為10-6，調(diào)制方式為M-QAM，同時(shí)在COST207標(biāo)準(zhǔn)下的6種典型城區(qū)環(huán)境下進(jìn)行了仿真。

圖2為文中算法與ACG算法的性能比較，噪聲功率密度為10-2，頻譜帶寬為1 280 Hz。從圖2中可以看出，提出的算法多需要的最小傳輸功率略大于ACG算法，這是因?yàn)樵诤喜⒑蟀言瓉?lái)略有不同的子載波看了性能完全相同的傳輸路徑所至，但從圖2中可以看出所需的傳輸功率增加得不多。

圖3是文中算法與ACG算法的計(jì)算復(fù)雜度比較，從圖3中可以看出，文中算法的計(jì)算復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于RCG算法。因?yàn)樵诜峙溥^(guò)程中減少了計(jì)算次數(shù)，原來(lái)對(duì)大量子載波的分配而改為對(duì)少量子信道的分配，所以大大降低了分配時(shí)間。圖3中縱坐標(biāo)是以10為底取運(yùn)算次數(shù)的對(duì)數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

文中提出了一種低復(fù)雜度的OFDM子載波分配新算法，新算法的宗旨是通過(guò)降低頻譜資源的分配次數(shù)來(lái)降低計(jì)算復(fù)雜度，即運(yùn)用設(shè)定方差門(mén)限值的方法把一些信道狀態(tài)變化不大的連續(xù)子載波結(jié)合成子信道，然后將原來(lái)針對(duì)每個(gè)子載波的分配轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)子信道的分配。在用戶(hù)誤碼率要求和傳輸速率受限的情況下，兼顧用戶(hù)公平性原則與ACG算法進(jìn)行了對(duì)比，新的分配算法所需總的傳輸功率略高于ACG算法的總的傳輸功率，但其算法計(jì)算復(fù)雜度卻遠(yuǎn)低于ACG算法的計(jì)算復(fù)雜度。

[1] 王鵬，鐘曉峰，肖立民.基于OFDM的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)中最優(yōu)功率分配[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版（網(wǎng)絡(luò)），2009,49(08):1144-1147.

[2] 孫大衛(wèi)，鄭寶玉，許曉榮.基于認(rèn)知OFDM的子載波功率分配改進(jìn)算法[J].信號(hào)處理，2010,26(08):1200-1204.

[3] 呂治國(guó)，丁國(guó)強(qiáng).基于OFDM的認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電頻譜資源分配算法研究[J].通信技術(shù)，2010,(01):46-47.

[4] ZHANG Y H,LEUNG C. A Distributed Algorithm for Resource Allocation in OFDM Cognitive Radio Systems[C]//IEEE. Proceedings of Vehicular Technology Conference. Calgary: IEEE, 2008:1-5.