一种认知OFDM系统的子信道和功率分配方法技术方案

本发明专利技术公开了一种认知OFDM系统的子信道和功率分配方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、对授权用户的信道占用进行建模，建模为两种不同的类型；步骤2、对于给定的授权用户的信道占用模型，感知得到空闲子载波集合，预测空闲信道的空闲持续时间的长短；步骤3、进行延迟敏感用户的子信道分配；步骤4、进行延迟容忍用户的子信道分配；步骤5、功率的增加过程1：延迟敏感用户与延迟容忍用户的功率交换；步骤6、功率的增加过程2：延迟容忍用户之间的功率交换。本发明专利技术动态的子信道和功率分配方案，满足认知系统中的两种不同业务类型的用户的不同QOS需求，即最小化延迟敏感的认知用户的切换时延，在此基础上最大化延迟容忍认知用户吞吐量。

【技术实现步骤摘要】
一种认知OFDM系统的子信道和功率分配方法
本专利技术属于一种认知OFDM系统的子信道和功率分配方法。
技术介绍
目前，针对认知OFDM无线网络的资源分配问题，国内外已经做了广泛研究，现有文献分别就单用户认知网络和多用户认知网络进行了探讨。针对单用户场景下的资源分配问题，文献将资源分配问题建模为一个多维的0-1背包问题(MDKP)，提出了一种称为“Max-Min”的贪婪算法，这种算法在单用户的场景下，性能接近最优算法，但是当把这种算法应用于多用户认知系统时，其计算量非常之大，显然，该算法不适用于多用户场景。现有文献还将认知系统发射功率约束及对授权用户的干扰约束转化成了归一化的系统容量，该算法在复杂度和系统容量方面达到了较好的均衡。不同于以往的干扰门限的约束，文献对授权用户的干扰约束采用了一种统计干扰约束，并在此基础上提出了一种基于OFDM的认知无线系统的最优的功率分配算法。研究了多用户场景下的资源分配问题。认知系统的用户业务为非实时(NRT)应用的情况下，文献通过各个用户的数据速率的比例约束保证了用户之间的相对公平性。研究了最小干扰增加(MI)、最小功率增加(MP)和最小代价增加(MC)这三种贪婪分配算法在多用户认知OFDM系统资源分配中的应用。值得一提的是，上述文献均假定频谱感知的结果是完全正确的，而在实际的无线通信中，由于硬件条件的不足、感知时间的受限(感知时间太长会影响用于认知用户传送数据的时间)等因素造成了获得动态无线环境的理想感知信息的难度，因此，漏检和虚警时常发生。另外，不同的认知用户会有不同的QOS需求，而上述文献均忽略了这一点。无线通信的快速发展要求未来认知无线网络能够满足多用户的不同QOS需求，近年来，已经致力于此类认知网络资源分配算法的研究。文献研究了多信道环境下的资源分配问题，利用频谱感知信息对授权用户的空闲信道和功率进行分配，在保证满足认知用户的最小传输速率的条件下，最大化整个认知网络的容量。文献还提出了一种联合频谱感知和资源分配的算法，该算法在资源分配的过程中同时考虑了漏检概率、虚警概率和检测门限，在保证了延迟敏感用户的最小延迟要求的基础上，使得延迟容忍用户的总容量达到了最大。在研究认知无线网络资源分配算法时，一个很大的挑战就是：在授权频段上，授权用户对信道的使用具有一定的随机性，当授权用户要传输数据时，认知用户必须立即停止其传输，切换到其他可用信道上。频繁的信道切换必然会造成迟延的增加和吞吐量的减小，目前资源分配方面的文献很少考虑频谱切换迟延对系统造成的影响。当认知用户的业务为延迟容忍业务(非实时业务)时，这种因频谱切换造成的中断对资源管理的影响可以忽略不计，然而，当认知用户的业务是迟延敏感业务(实时业务)，那么在研究信道分配算法时必须要考虑到未来信道的可利用概率的大小，尽量减小因频繁切换产生的切换时延对迟延敏感用户的影响。基于以上的分析，设计能够减小频谱切换延迟的算法对于认知无线网络的延迟敏感用户有更实际的意义。一般来说，传输延迟正比于信道切换的次数，因而最有效的减小频谱切换延迟的算法就是尽量减少频谱切换的次数。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种认知OFDM系统的子信道和功率分配方案，该方案能满足认知系统中的两种不同业务类型的用户(延迟敏感用户和延迟容忍用户)的不同QOS需求，在最小化延迟敏感用户的切换时延的基础上，通过功率增强算法最大化延迟容忍用户的吞吐量。为解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种认知OFDM系统的子信道和功率分配方法，其特征在于：在集中式的认知无线网络中，随机分布着个认知用户，其中，包括K1个延迟敏感用户，K2个延迟容忍用户，网络中可用频谱被划分为N个正交的子载波，包括以下步骤：步骤1、对授权用户的信道占用进行建模，建模为两种不同的类型：随机性的信道占用模型和确定性的信道占用模型，在两种不同的模型下，分别执行下述步骤；步骤2、对于给定的授权用户的信道占用模型，感知得到空闲子载波集合预测空闲信道的空闲时间的长短步骤3、进行延迟敏感用户的子信道分配；搜寻离目标速率要求相差最多的延迟敏感用户k*，为其分配子载波n*，从空闲子载波集合中移去所分配的子载波n*，依次为其余的延迟敏感用户分配子信道，直到满足所有的延迟敏感用户的最小速率要求；步骤4、进行延迟容忍用户的子信道分配；对于集合中的第n个子载波，寻找可获得最大传输速率的用户k*，即：将子载波n分配给用户分配k*；依次分配完剩余的空闲子载波；步骤5、功率的增加过程1；延迟敏感用户与延迟容忍用户之间的功率交换：定义表征子载波效率函数的量：在延迟敏感用户的所分配的子载波集合Ωk,k＝1,2,…K1中搜寻效率最低的子载波设置子载波上功率的减小值：(δp0为一个较小的经验值，为子载波上的初始功率)；设置功率的可能增加值：(为目前已分配功率和，Ω0表示延迟容忍用户所分配的子载波集合)，计算延迟容忍用户在相应子载波上的潜在速率增加值：(cn,表示每个子载波的数据速率)，寻找速率增加最多的子载波计算该子载波获得后总的干扰是否小于干扰门限，如果满足干扰约束，则将功率分配给该子载波。持续进行该过程，直到发现干扰超过门限，或者延迟敏感用户的实际速率小于最小速率要求为止；步骤6、功率的增加过程2；延迟容忍用户之间的功率交换：功率交换的过程同步骤5，不同的是，功率交换的过程开始于效率最低的延迟容忍用户的子载波。由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本专利技术认真考虑了授权用户的活动在资源分配算法中的重要作用，在此基础上，进行子信道的分配。在算法中，选择空闲信道的“空闲持续时间”作为子信道分配的指标，与传统的选择空闲信道的“平均空闲概率”相比，更加有效地减小了切换频率，减小了延迟敏感用户的切换时延。然后，通过功率增强算法提高了延迟容忍用户的吞吐量。在该资源分配算法中有两个优化等级不同的优化目标，上层优化目标是延迟敏感用户的切换时延，下层优化目标是延迟容忍用户的吞吐量。同时下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步说明。附图说明图1为本专利技术一种实施例中基于OFDM的认知无线网的系统模型；图2为本专利技术一种实施例中基于OFDM认知无线网的频谱接入图；图3为本专利技术一种实施例中子信道m上概率P1,P2与授权用户占用子信道m的概率Pr(Om)之间的关系图；图4为本专利技术一种实施例中部分确定性流量模型图；图5为本专利技术一种实施例中授权用户的信道空闲持续时间比较图；具体实施方式实施例：如图1所示，为一典型的认知无线网络模型。在该认知网络中，共有K个认知用户，其中包括K1个迟延敏感用户(DS-CRs)和K2个迟延容忍用户(DT-CRs)。每个迟延敏感用户有不同的最小速率的需求，而对于迟延容忍用户来说，则假定有充足的分组需要传输。整个授权用户系统的可利用带宽被分成N个子载波，这N个子载波由M个授权用户共同使用，每个授权用户子信道由一个或多个子载波组成，彼此互不重叠，如图2所示。假定每个授权用户子信道均为平坦衰落信道，并且每个授权用户的业务模式彼此独立。每个OFDM符号长度为Ts，资源分配算法的调度单位为一个符号周期，即在每一个符号开始，认知网络感知这M个子信道，伺机接入空闲子信道进行通信。为简单起见，忽略了感知时间，而且假定每本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种认知OFDM系统的子信道和功率分配方法，其特征在于：在集中式的认知无线网络中，随机分布着K个认知用户，其中，包括K1个延迟敏感用户，K2个延迟容忍用户，网络中可用频谱被划分为N个正交的子载波，包括以下步骤：步骤1、对授权用户的信道占用进行建模，建模为两种不同的类型：随机性的信道占用模型和确定性的信道占用模型，在两种不同的模型下，分别执行下述步骤；步骤2、对于给定的授权用户的信道占用模型，感知得到空闲子载波集合预测空闲信道的空闲时间的长短步骤3、进行延迟敏感用户的子信道分配；搜寻离目标速率要求相差最多的延迟敏感用户k*，为其分配子载波n*，从空闲子载波集合中移去所分配的子载波n*，依次为其余的延迟敏感用户分配子信道，直到满足所有的延迟敏感用户的最小速率要求；步骤4、进行延迟容忍用户的子信道分配；对于集合中的第n个子载波，寻找可获得最大传输速率的用户k*，即：将子载波n分配给用户分配k*；依次分配完剩余的空闲子载波；步骤5、功率的增加过程1；延迟敏感用户与延迟容忍用户之间的功率交换：定义表征子载波效率函数的量：在延迟敏感用户的所分配的子载波集合Ωk,k＝1,2,…K1中搜寻效率最低的子载波设置子载波上功率的减小值：(δp0为一个较小的经验值，为子载波上的初始功率)；设置功率的可能增加值：(为目前已分配功率和，Ω0表示延迟容忍用户所分配的子载波集合)，计算延迟容忍用户在相应子载波上的潜在速率增加值：(cn,表示每个子载波的数据速率)，寻找速率增加最多的子载波计算该子载波获得后总的干扰是否小于干扰门限，如果满足干扰约束，则将功率分配给该子载波。持续进行该过程，直到发现干扰超过门限，或者延迟敏感用户的实际速率小于最小速率要求为止；步骤6、功率的增加过程2；延迟容忍用户之间的功率交换：功率交换的过程同步骤5，不同的是，功率交换的过程开始于效率最低的延迟容忍用户的子载波。...

【技术特征摘要】
1.一种认知OFDM系统的子信道和功率分配方法，其特征在于：在集中式的认知无线网络中，随机分布着K个认知用户，其中，包括K1个延迟敏感用户，K2个延迟容忍用户，网络中可用频谱被划分为N个正交的子载波，包括以下步骤：步骤1、对授权用户的信道占用进行建模，建模为随机性的信道占用模型，用泊松分布来近似授权用户的信道占用模型，用指数分布来近似授权用户的信道占用时间，执行下述步骤；步骤2、对于给定的授权用户的信道占用模型，感知得到空闲子载波集合预测空闲信道的空闲时间的长短idle_duran,步骤3、进行延迟敏感用户的子信道分配；搜寻离目标速率要求相差最多的延迟敏感用户k*，为其分配子载波n*，更新用户k*的速率，从空闲子载波集合中移去所分配的子载波n*，依次为其余的延迟敏感用户分配子信道，直到满足所有的延迟敏感用户的最小速率要求；步骤4、进行延迟容忍用户的子信道分配；对于集合中的第n个子载波，寻找可获得最大传输速率的用户k*，即：其中Rk,n表示第k个认知用户在第n个子载波上传输的数据速率，表示可获得最大传输速率的用户k*在第n个子载波上传输的数据速率，将子载波n分配给用...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘淑华，张海林，李勇朝，李宏，卢小峰，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61