侯　華，張江梅，張　偉

（河北工程大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，河北 邯鄲056038）

CR-OFDM系統(tǒng)中基于人工魚(yú)群算法的多業(yè)務(wù)資源分配*

侯華，張江梅，張偉

（河北工程大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，河北 邯鄲056038）

在多用戶CR-OFDM系統(tǒng)中，采用一種簡(jiǎn)化功率分配新方法和人工魚(yú)群算法進(jìn)行資源分配。該方案在不干擾主用戶正常通信的前提下，綜合考慮各用戶的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、流媒體三種業(yè)務(wù)的不同QoS需求，合理地分配資源。先采取一種同時(shí)滿足總功率和干擾功率限制的反比于干擾因子的簡(jiǎn)化方法進(jìn)行功率分配。再通過(guò)人工魚(yú)群算法尋優(yōu)，求得子載波分配矩陣。仿真及分析顯示，該方案可以在不影響授權(quán)用戶通信的前提下，滿足多用戶不同業(yè)務(wù)的QoS和時(shí)延需求，并有效提高系統(tǒng)總速率，降低算法復(fù)雜度的同時(shí)性能接近于最優(yōu)。

CR-OFDM系統(tǒng)；人工魚(yú)群算法；混合業(yè)務(wù)；子載波；功率分配

OFDM技術(shù)作為多載波調(diào)制技術(shù)的一種，其靈活的調(diào)制特性可有效地提高系統(tǒng)頻帶使用率[1]。如今，在多用戶OFDM系統(tǒng)中，考慮用戶業(yè)務(wù)需求，充分利用物理層和高層之間的互動(dòng)信息，就子載波和功率等資源分配問(wèn)題已經(jīng)展開(kāi)了廣泛研究。

隨著無(wú)線移動(dòng)應(yīng)用需求的不斷增長(zhǎng)，無(wú)線資源分配給授權(quán)用戶專屬使用已經(jīng)成為阻礙頻譜高效利用的嚴(yán)重障礙。據(jù)FCC調(diào)查發(fā)現(xiàn)，授權(quán)頻段在大部分時(shí)間內(nèi)處于閑置狀態(tài)[2]，造成頻譜資源極大的浪費(fèi)。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)使得授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶可以在同一時(shí)間同一頻帶上共存，成為打破頻譜資源匱乏僵局的潛在基石。因此，將認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)應(yīng)用于OFDM系統(tǒng)中，將會(huì)更好地改善系統(tǒng)頻譜資源的利用狀況，提高整體的頻譜利用率。

針對(duì)基于認(rèn)知無(wú)線電（Cognitive Radio,CR）技術(shù)的OFDM系統(tǒng)資源分配的研究層出不窮，例如文獻(xiàn)[3-8]，分別有針對(duì)性地提出了CR-OFDM系統(tǒng)的資源分配算法。其中，文獻(xiàn)[5-8]針對(duì)多用戶情況。文獻(xiàn)[5]不考慮用戶業(yè)務(wù)特性，在滿足總功率限制或?qū)χ饔脩舾蓴_限制時(shí)先進(jìn)行功率分配，再根據(jù)剩下的約束條件進(jìn)行子載波分配。為了考慮MAC層的多種業(yè)務(wù)特性需求，許多專家學(xué)者將跨層思想引入CR-OFDM系統(tǒng)的資源分配中，并最大化物理層的傳輸速率，例如文獻(xiàn)[6-8]。文獻(xiàn)[6]只考慮非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，保證CR用戶速率與預(yù)設(shè)目標(biāo)速率成比例，提出最優(yōu)RA算法，最大化系統(tǒng)總速率。文獻(xiàn)[7]區(qū)分只擁有盡力而為業(yè)務(wù)的用戶和多業(yè)務(wù)用戶，提出低復(fù)雜性的CR-MUMS子載波分配算法，得出近優(yōu)解。文獻(xiàn)[8]考慮主次用戶之間相互干擾，區(qū)分實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，采用基于屏障法的功率分配方法，保證RT用戶速率需求并滿足NRT用戶之間比例速率限制，提高系統(tǒng)總速率。

本文在基于認(rèn)知無(wú)線電的 OFDM系統(tǒng)中，針對(duì)混合業(yè)務(wù)，提出一種有效的子載波和功率分配方案。首先，根據(jù)總發(fā)射功率和主用戶限定的的最大干擾值，實(shí)現(xiàn)子載波的傳輸功率分配。然后，根據(jù)信道增益信息以及各用戶業(yè)務(wù)信息，采用人工魚(yú)群算法進(jìn)行不同用戶之間的子載波分配。

1　系統(tǒng)模型和數(shù)學(xué)模型

1.1系統(tǒng)模型

在蜂窩系統(tǒng)下行鏈路中，假設(shè)存在1個(gè)認(rèn)知用戶基站、K個(gè)認(rèn)知用戶和L個(gè)授權(quán)用戶（如圖1）。設(shè)認(rèn)知用戶k使用子載波n時(shí)，認(rèn)知基站到認(rèn)知用戶K的信道增益為hk，n。認(rèn)知用戶與主用戶之間的信道狀態(tài)信息可被周期性地檢測(cè)到[9]，本文假設(shè)信道估計(jì)完美，因此，認(rèn)知基站擁有以上信道狀態(tài)信息。

圖1　認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)示意圖

某時(shí)刻，主次用戶所使用的頻譜分布情況示意圖如圖2所示。

圖2　主用戶和認(rèn)知用戶占用的頻譜分布示意圖

1.2數(shù)學(xué)模型

子載波對(duì)主用戶頻帶產(chǎn)生的干擾為其承載信號(hào)的功率譜密度（PSD）在主用戶頻帶上的積分[10]，設(shè)主用戶占用頻段帶寬W，子載波n與主用戶中心頻譜距離用dn表示，對(duì)于第n個(gè)子載波，認(rèn)知基站到主用戶的增益為，則用戶k使用子載波n時(shí)對(duì)主用戶的干擾為：

其中，φ(f)為信號(hào)的PSD，記 Fn為在子載波 n上對(duì)主用戶的干擾因子。

當(dāng)子載波n上信號(hào)為理想奈奎斯特脈沖時(shí)，其PSD為：

其中，Ts為OFDM符號(hào)周期，Pk，n為認(rèn)知用戶 k在子載波n上的傳輸功率。

同樣，主用戶對(duì)認(rèn)知用戶的干擾可表示為：

其中，φPU(eiw)為主用戶的功率譜密度，BS為每個(gè)子載波的帶寬。

設(shè)認(rèn)知系統(tǒng)分配給用戶k使用子載波的發(fā)射功率為Pk，n。整個(gè)系統(tǒng)的帶寬B被分成N子載波，則每個(gè)子載波帶寬為B/N。根據(jù)香農(nóng)容量公式，用戶k的子載波n的瞬時(shí)傳輸速率為：

其中，Γ為信道香農(nóng)容量與M-QAM調(diào)制信號(hào)的信噪比差值，值為-ln(5pe)/1.5[11]，pe為誤比特率，N0為加性高斯白噪聲的單邊功率譜密度。

用戶k的總速率為：

其中，Ωk為分配給用戶k的子載波集。

則系統(tǒng)總速率為：

式中，Ck，n為用戶 k在子載波 n上的分配因子，Ck，n為1代表子載波n分配給用戶k，Ck，n為0代表子載波n未分配給用戶k。

本文中用戶k擁有數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、流媒體三種業(yè)務(wù)(i= 1，2，3)隊(duì)列，根據(jù)隊(duì)列中各個(gè)分組(f=1，2，3，…)等待時(shí)間、分組QoS優(yōu)先級(jí)及分組長(zhǎng)度定義用戶k的權(quán)重[12]為：

其中，Wk，i表示用戶k的第i 個(gè)分組的權(quán)重，集合分組處于緊急狀態(tài)，集合中分組非緊急，表征分組 Q oS優(yōu)先級(jí)，Dk，i，f表征分組長(zhǎng)度，Ek，i，f表征分組緊急狀態(tài)。Ek，i，f等于可忍受時(shí)延 Uk，i，f減去已等待時(shí)間再減去保護(hù)間隔 Gk，i，當(dāng) Ek，i，f小于 0 時(shí)分組緊急，否則非緊急。βk，i，f越大、Dk，i，f越大或越緊急的分組會(huì)被優(yōu)先傳送。

最終確立優(yōu)化目標(biāo)為:

其中，C1和C4限制功率非負(fù)且不超過(guò)最大發(fā)射總功率；C2和 C3確保每個(gè)子載波最多只能被一個(gè)用戶占用，C5確保對(duì)主用戶的干擾不超過(guò)主用戶所允許的干擾門限值 ()，C6保證為用戶分配不超過(guò)其所需要的資源，Qk表示用戶k緩存的數(shù)據(jù)量。

2　資源分配

2.1功率分配

優(yōu)化目標(biāo)中，子載波分配指數(shù)Ck，n和功率分配指數(shù)Pk，n是待求變量，本文采用次優(yōu)方法進(jìn)行功率和子載波分配。

信道增益越大且干擾因子越小的子載波應(yīng)該被分配更高的功率。為滿足以上要求并滿足干擾門限值，令主用戶所能承受子載波n對(duì)其產(chǎn)生的干擾的上限為：

由此可得：

發(fā)射總功率最大值為PT，若各個(gè)子載波均分總功率，各個(gè)子載波上應(yīng)該分配的功率為：

滿足總功率和干擾門限限制，分配給各個(gè)子載波相應(yīng)的功率值為:

2.2子載波分配

基于人工魚(yú)群算法求解 Ck，n(k=1，…，K；n=1，…，N)的步驟如下:

(1)設(shè)定種群大小M，人工魚(yú)的可視范圍visual，擁擠度因子δ，人工魚(yú)每次覓食最大試探次數(shù)try_number，迭代次數(shù)gen，同時(shí)功率按式(12)取值。

(2)定義人工魚(yú)向量(行向量)長(zhǎng)度為 N，其元素值隨機(jī)取1～K之間的某個(gè)數(shù)。如果子載波n分配給用戶k，即 Ck，n=1(k=1，…，K；n=1，…，N)對(duì)應(yīng)于人工魚(yú)向量的第n個(gè)元素值等于k。

(6)人工魚(yú)行為定義。

(8)判斷是否滿足迭代次數(shù)gen條件，若滿足，由F_best逆映射回 Ck，n；否則跳轉(zhuǎn)到(6.2)。

C6在分配過(guò)程中作為判斷條件，在求出分配矩陣Ck，n(k=1，…，K；n=1，…，N)之后，本文所求問(wèn)題得以解決。

3　仿真及分析

仿真時(shí)，帶寬B為10 MHz，子載波數(shù)為128，設(shè)主用戶占用中間頻帶且?guī)挼扔贐/N，采用六徑頻率選擇性衰落信道，其功率遲延包絡(luò)為e-φ(φ=1，2，…，6)。

用戶隊(duì)列中分組參數(shù)設(shè)置如表1。

表1　用戶隊(duì)列中分組參數(shù)

人工魚(yú)群算法中M=31，visual=5，try_number=5，gen= 100，δ=2。

圖3顯示用戶數(shù)為16時(shí)，隨著主用戶所允許干擾門限值增大，主用戶能容忍的干擾功率變大，系統(tǒng)性能相對(duì)變差使得系統(tǒng)總速率得以提高。當(dāng)主用戶所允許干擾門限值比較小時(shí)，系統(tǒng)主要受限于干擾門限約束，隨著允許干擾門限值增加，系統(tǒng)總速率增大的幅度較大；當(dāng)主用戶所允許干擾門限超過(guò)一定值時(shí)，系統(tǒng)總速率增大的幅度趨于平緩。并且當(dāng)發(fā)射功率分別為-10 dB、0 dB、10 dB不斷增大時(shí)，系統(tǒng)總速率也隨之增大。所允許干擾門限值較小時(shí)，由于系統(tǒng)干擾受限，不同總發(fā)射功率對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)總速率的差異相對(duì)較??；隨著所允許干擾門限值增大，由于系統(tǒng)受限于發(fā)射功率，因此不同總發(fā)射功率時(shí)，系統(tǒng)總速率差異相對(duì)較大。

圖3　主用戶所允許干擾門限對(duì)系統(tǒng)總?cè)萘康挠绊?/p>

圖4顯示隨著用戶數(shù)增加，由于多用戶分集效應(yīng)增強(qiáng)，系統(tǒng)總速率增大。當(dāng)總發(fā)射功率相同時(shí)，主用戶所允許干擾門限值大的系統(tǒng)總速率比較大，由于隨著干擾門限的放松，即主用戶可以承受更大的干擾，認(rèn)知用戶可以在不影響主用戶正常通信的前提下分得更高的功率，因此系統(tǒng)總速率增大；當(dāng)主用戶所允許干擾門限值相同時(shí)，發(fā)射功率大的系統(tǒng)總速率大。

圖4　CR用戶數(shù)對(duì)系統(tǒng)總?cè)萘康挠绊?/p>

圖5　總發(fā)射功率對(duì)系統(tǒng)總速率的影響

圖5顯示在特定干擾限制下（Ithp=-30 dB），當(dāng)總發(fā)射功率較小時(shí)，所有算法的系統(tǒng)總速率隨著總發(fā)射功率增加而明顯增大；當(dāng)總發(fā)射功率達(dá)到一定水平，由于系統(tǒng)受限于干擾功率的約束，所有算法的系統(tǒng)總速率趨于平緩。相比而言，文獻(xiàn)[8]中 INT-OP算法的系統(tǒng)總速率大，因?yàn)?INT-OP在分配子載波時(shí)綜合考慮總功率限制和干擾水平限制。而文獻(xiàn)[5]IFPA-NCSE算法在子載波分配時(shí)只考慮兩者之一。本文方案在同時(shí)滿足總功率和干擾限制的功率分配基礎(chǔ)上分配子載波，優(yōu)于IFPANCSE算法且接近于INT-OP算法。

圖6顯示在總發(fā)射功率和干擾門限值一定 (Pt=0 dB，Ithp=-20 dB)時(shí)，隨著 CR用戶數(shù)增加，多用戶分集效應(yīng)增強(qiáng)，系統(tǒng)總速率均呈增大趨勢(shì)。INT-OP算法（RT用戶設(shè)為5個(gè)）區(qū)分用戶為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)用戶和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)用戶，滿足RT用戶速率要求的前提下兼顧NRT用戶之間公平性，最大化NRT用戶速率。隨著用戶數(shù)增加，非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)用戶占的比重增加，由于考慮非實(shí)時(shí)用戶之間的公平性，其與本文算法差距不斷增大。本文所提方案區(qū)分三種業(yè)務(wù)，根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)確定用戶的權(quán)重，合理地分配資源，以犧牲用戶間的公平性獲得最大系統(tǒng)總速率。

圖6　CR用戶數(shù)對(duì)系統(tǒng)總速率的影響

4　結(jié)論

本文在多用戶CR-OFDM系統(tǒng)中，采用人工魚(yú)群算法和新穎的功率分配方案進(jìn)行資源分配。該方案區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)、語(yǔ)音、流媒體三種業(yè)務(wù)，根據(jù)總發(fā)射功率和主用戶可容忍的干擾功率限制，采用反比例于干擾因子的方法分配功率，采用人工魚(yú)群算法分配子載波。仿真結(jié)果與分析表明，該方案在滿足對(duì)主用戶的干擾功率和總功率約束前提下，通過(guò)區(qū)分各用戶不同的業(yè)務(wù)特性，滿足混合業(yè)務(wù)用戶需求，有效地提高了系統(tǒng)總速率且降低了算法復(fù)雜度，其系統(tǒng)性能接近于最優(yōu)。在CR-OFDM系統(tǒng)中，基于本文所提多用戶子載波功率分配算法，針對(duì)多個(gè)主用戶情景以及用戶間的公平性等有待研究。

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Resources allocation for CR-OFDM systems with heterogeneous services based on artificial fish swarm algorithm

Hou Hua，Zhang Jiangmei，Zhang Wei
（School of Information&Engineering，Hebei University of Engineering，Handan 056038，China）

For multiuser cognitive radio orthogonal frequency division multiplexing(OFDM)system,a resources allocation scheme based on Artificial Fish Swarm Algoritm(AFSA)and the new simplified power allocation method is proposed.The scheme considers different QoS requirements and time delays for data,voice and streaming media services and takes reasonable resource allocation without interfering the spectrum holders′usage.For power allocation,a simplified power allocation method which inverses ratio to interference factor is proposed to meet the total transmission power limit and the interference threshold limit that primary user can tolerate.For subcarrier allocation,to get the subcarrier allocation matrix by the artificial fish algorithm.The simulation and analysis show that the proposed scheme can meet different QoS and delay requirements of users’different services and effectively improve system capacity and reduce the algorithm complexity under the premise of not affecting PU communication and its performance is close to the optimal solution.

CR-OFDM System；AFSA；heterogeneous services；subcarrier and power allocation

中途分類號(hào)：TN92A

0258-7998(2015)01-0099-05

10.16157/j.cnki.0258-7998.2014061202127

河北省自然科學(xué)基金（FN201202046）；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（ZH2011222）

2014-06-12)

侯華(1980-)，女，博士，主要研究方向：OFDM、CR、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

張江梅(1988-)，女，碩士生，主要研究方向：OFDM、CR。

張偉(1987-)，男，碩士生，主要研究方向：OFDM、CR。