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,。

　　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,。

　　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,，(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,，PU(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,，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，?贅k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，k,，i,，f表征分組QoS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,。k,，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:

　　式中,，記為信道因子,。

　　約束條件：

　　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：

　　n個(gè)子載波對(duì)主用戶總干擾值等于,，這樣確保滿足主用戶的干擾功率限制,。

　　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?啄，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。

　　(3)隨機(jī)產(chǎn)生M個(gè)第1代人工魚(yú)向量(i=1,，…,，M)，該向量必須符合C2～C6條件約束,。

　　(4)定義食物濃度,。

　　(5)先做人工魚(yú)向量(i=1，…,，M)到Ck,，n(k=1，…,，K,；n=1，…,，N)的映射,，再由Ck，n和Pk,，n計(jì)算用戶速率Rk(k=1,，…，K),，最后計(jì)算的食物濃度(i=1,，…，M)并選出全局食物濃度最大的人工魚(yú)向量賦值給F_best,。

　　(6)人工魚(yú)行為定義,。

)

　　(6.2)使F分別進(jìn)行覓食、群聚,、追尾等行為,，通過(guò)行為評(píng)價(jià)，擇優(yōu)執(zhí)行食物濃度較大的行為,。

　　(7)通過(guò)擇優(yōu)執(zhí)行后得到人工魚(yú)向量(i=1,，…，M,；t=1,，…,，gen-1)并更新F_best。

　　(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,，,。

　　用戶隊(duì)列中分組參數(shù)設(shè)置如表1。

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

　　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)較小,；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)镮NT-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IFPA-NCSE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,。

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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