本發(fā)明屬于通信技術(shù)領域，特別是一種基于頻譜襯墊的認知OFDM系統(tǒng)比例公平資源分配方法。

背景技術(shù)：
目前，頻譜資源的匱乏已經(jīng)嚴重地制約了無線通信技術(shù)的發(fā)展，而認知無線電技術(shù)可以有效的解決頻譜資源匱乏的問題。認知無線電技術(shù)通過感知無線頻譜環(huán)境和自適應調(diào)整傳輸參數(shù)，可以動態(tài)地使用頻譜資源，從而可以有效提高頻譜利用率。OFDM技術(shù)作為一種特殊的多載波調(diào)制技術(shù)，具有很強的抗干擾能力和很高的頻譜利用效率；比并且，多用戶OFDM系統(tǒng)動態(tài)資源分配技術(shù)能夠根據(jù)瞬時的信道增益來調(diào)整子載波選擇和功率分配，從而能進一步提高系統(tǒng)的頻譜效率；因此，OFDM技術(shù)是現(xiàn)代寬帶通信的首選技術(shù)?；陬l譜襯墊的認知OFDM系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時存在著授權(quán)用戶和認知用戶，基于頻譜襯墊的認知OFDM系統(tǒng)存在的首要問題是怎樣合理設計認知OFDM系統(tǒng)干擾模型，從而避免認知用戶對授權(quán)用戶所占用頻段的干擾。在信號處理理論中，自適應信號處理技術(shù)是該領域的一個重要組成部分；自適應資源分配技術(shù)是在發(fā)射機獲得一定信道增益的前提下通過調(diào)整發(fā)射功率、調(diào)制方式、符號率和編碼方式等參數(shù)來使信息的發(fā)送與信道相匹配，從而提高系統(tǒng)的整體性能?；陬l譜襯墊的認知OFDM系統(tǒng)中的無線資源非常匱乏，而這些無線資源成為限制系統(tǒng)性能的主要方面，因此需要在基于頻譜襯墊的認知OFDM系統(tǒng)中對這些無線資源進行合理的分配?；陬l譜襯墊的認知OFDM系統(tǒng)資源分配技術(shù)是從認知網(wǎng)絡和授權(quán)網(wǎng)絡之間干擾協(xié)調(diào)的角度出發(fā)研究認知網(wǎng)絡的動態(tài)子載波和功率分配技術(shù)，其目的是在不影響授權(quán)用戶網(wǎng)絡正常通信的情況下，盡可能有效地利用這些無線資源來達到更高的頻譜效率，同時還需要保證認知用戶的滿意度。然而與傳統(tǒng)OFDM網(wǎng)絡相比，基于頻譜襯墊的認知OFDM系統(tǒng)具有許多特殊性質(zhì)，使得現(xiàn)有的資源分配方法難以滿足其要求，尤其是滿足認知用戶傳輸速率比例公平需求的基于頻譜襯墊的認知OFDM系統(tǒng)資源分配方法尚缺乏研究。專利1（認知正交頻分復用系統(tǒng)中的自適應資源分配方法，南京郵電大學，公開號CN102355672A，申請?zhí)朇N201110236726.1，申請日2011.08.17）公開了一種認知正交頻分復用系統(tǒng)中基于業(yè)務質(zhì)量的資源分配方法，該方法從最大化認知用戶的總傳輸比特速率出發(fā)，在認知用戶總的發(fā)送功率限制和授權(quán)用戶的干擾門限限制下，基于構(gòu)建的新的代價函數(shù)，運用改進的匈牙利方法進行子信道分配，并根據(jù)認知用戶的需求進行自適應比特和功率分配。專利2（CROFDM系統(tǒng)中具有QoS要求的資源分配方法，解放軍理工大學，公開號CN101459962，申請?zhí)朇N200910028621.X，申請日2009.01.06）公開了一種CROFDM系統(tǒng)中具有QoS要求的資源分配方法，該方法從待分配的認知用戶集中選擇增益因子最大的認知用戶，按照增益因子大為優(yōu)先或比特數(shù)接近的原則給認知用戶分配合適的子載波、功率和比特數(shù)，并重新確定待分配的子載波集，從而重新確定認知用戶對主用戶產(chǎn)生的干擾值。上述兩種方法都沒有考慮基于頻譜襯墊的認知OFDM系統(tǒng)中認知用戶傳輸速率的公平性需求，不能滿足認知用戶傳輸速率成比例的需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種高效、可靠的基于頻譜襯墊的認知OFDM系統(tǒng)比例公平資源分配方法，以充分挖掘基于頻譜襯墊的認知OFDM系統(tǒng)中無線頻譜資源，并滿足認知用戶傳輸速率成比例的需求。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于頻譜襯墊的認知OFDM系統(tǒng)比例公平資源分配方法，包括以下步驟：步驟1，認知基站獲取資源分配所需要的信道狀態(tài)信息；步驟2，認知基站采用螢火蟲方法對基于頻譜襯墊的認知OFDM網(wǎng)絡中的頻率和功率資源進行比例公平資源分配，具體步驟如下：步驟2.1，認知基站初始化螢火蟲方法的參數(shù)、初始化種群中的每個螢火蟲位置向量，并確定螢火蟲的目標函數(shù)值；步驟2.2，確定群體中螢火蟲的相對亮度和吸引度，根據(jù)相對亮度決定螢火蟲的移動方向，確定目標函數(shù)值最大的螢火蟲位置；步驟2.3，更新螢火蟲的空間位置向量；步驟2.4，檢驗新產(chǎn)生的螢火蟲位置是否滿足限制條件，如果滿足，進入步驟2.5，否則，重返步驟2.3；步驟2.5，重復步驟2.2～步驟2.4Ng次，輸出頻率和功率資源分配的最優(yōu)解，Ng表示螢火蟲方法的最大迭代次數(shù)。步驟3，認知基站通知認知用戶資源分配結(jié)果。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點為：（1）從頻率和功率兩個維度動態(tài)按需分配資源，能夠充分挖掘基于頻譜襯墊的認知OFDM系統(tǒng)中無線頻譜資源，同時滿足認知用戶傳輸速率成比例的需求；（2）按比例公平分配基于頻譜襯墊的認知OFDM系統(tǒng)中的無線頻譜資源，靈活高效；（3）為高效利用基于頻譜襯墊的認知OFDM系統(tǒng)中的頻率和功率資源提供技術(shù)支持。附圖說明圖1為本發(fā)明基于頻譜襯墊的認知OFDM系統(tǒng)比例公平資源分配方法的流程圖。圖2為本發(fā)明中基于螢火蟲方法的比例公平資源分配方法流程圖。圖3為本發(fā)明螢火蟲位置編碼示意圖。圖4為本發(fā)明基于頻譜襯墊的認知OFDM系統(tǒng)干擾溫度門限示意圖。圖5為本發(fā)明基于頻譜襯墊的認知OFDM系統(tǒng)通信鏈路示意圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。結(jié)合圖1，本發(fā)明基于頻譜襯墊的認知OFDM系統(tǒng)比例公平資源分配方法，包括以下步驟：步驟1，認知基站獲取資源分配所需要的信道狀態(tài)信息，具體為：認知基站估計認知用戶與認知基站上行鏈路的信道狀態(tài)信息授權(quán)用戶估計自己與認知用戶之間通信鏈路的信道狀態(tài)信息并且將功率譜密度函數(shù)Ψn(f)和信道狀態(tài)信息反饋給認知基站；表示時刻t在子載波k上認知用戶m與認知基站之間的信道狀態(tài)信息，表示在子載波k上認知用戶m與授權(quán)用戶n之間的信道狀態(tài)信息，Ψn(f)表示授權(quán)用戶n的功率密度函數(shù)。步驟2，認知基站采用螢火蟲方法對基于頻譜襯墊的認知OFDM網(wǎng)絡中的頻率和功率資源進行比例公平資源分配，具體步驟如圖2所示：步驟2.1，認知基站初始化螢火蟲方法的參數(shù)、初始化種群中的每個螢火蟲位置向量，并確定螢火蟲的目標函數(shù)值；具體為：（1）初始化螢火蟲種群大小NFp、螢火蟲方法最大迭代次數(shù)NFg、光強吸收系數(shù)γ、最大吸引度β0、步長因子ε，其中NFp∈[100,130]、NFg∈[500,600]、γ∈[0.9,1.1]、β0∈[0.9,1.1]、ε∈[0.3,0.4]；令gen＝0，初始化每個認知用戶的最大發(fā)射功率子載波k上認知用戶最大發(fā)射功率認知用戶m的傳輸速率比例權(quán)重φm；（2）結(jié)合圖3，對螢火蟲位置進行編碼形成螢火蟲位置向量，初始化第gen次迭代時種群中螢火蟲位置向量x(gen)＝[c(gen),p(gen)]，其中c(gen)表示第gen次迭代時種群中螢火蟲子載波分配向量，p(gen)表示第gen次迭代時種群中螢火蟲功率分配向量，并且K表示認知OFDM系統(tǒng)子載波數(shù)目，M表示系統(tǒng)中認知用戶數(shù)目，為時刻t認知用戶m在子載波k上子載波分配指示變量且滿足公式(1)：表示時刻t認知用戶m在子載波k上功率分配指示變量且滿足公式(2)：和同時滿足公式(3)：其中，表示授權(quán)用戶n的最大干擾功率門限，表示在子載波k上認知用戶對授權(quán)用戶n的干擾功率，采用公式(4)確定式(4)中，Ω(f)表示認知用戶的功率譜密度函數(shù)，dk,n表示子載波k到授權(quán)用戶n頻帶的距離，Bn表示授權(quán)用戶n的帶寬，表示在子載波k上認知用戶m與授權(quán)用戶n之間通信鏈路的信道狀態(tài)信息；（3）確定第gen次迭代時螢火蟲i的目標函數(shù)值f(xi(gen))，如公式(5)：其中，表示時刻t認知用戶m在子載波k上傳輸速率，JFI(t)表示時刻t認知用戶的Jain公平指數(shù)，α表示罰函數(shù)因子且α∈[10,12]，令螢火蟲的最大熒光亮度LF0＝f(xi(gen))；采用公式(6)確定子載波k上授權(quán)用戶n對認知用戶的干擾功率其中，W表示認知OFDM系統(tǒng)帶寬，表示在子載波k上認知用戶m與授權(quán)用戶n之間通信鏈路的信道狀態(tài)信息，Ψn(f)表示授權(quán)用戶n的功率譜密度函數(shù)；采用公式(7)確定時刻t認知用戶m在子載波k上傳輸速率采用公式(8)確定時刻t認知用戶的Jain公平指數(shù)JFI(t)：其中，N0表示認知OFDM系統(tǒng)子載波上的背景噪聲功率，表示在子載波k上認知用戶m與認知基站之間通信鏈路的信道狀態(tài)信息。步驟2.2，確定群體中螢火蟲的相對亮度和吸引度，根據(jù)相對亮度決定螢火蟲的移動方向，確定目標函數(shù)值最大的螢火蟲位置；具體為：采用公式(9)確定群體中螢火蟲的相對亮度LF：LF＝LF0×exp(-γDi,j)(9)采用公式(10)確定吸引度β：根據(jù)相對亮度LF決定螢火蟲的移動方向，確定目標函數(shù)值最大的螢火蟲位置xgbest(gen)，Di,j表示螢火蟲i和螢火蟲j的空間距離。步驟2.3，更新螢火蟲的空間位置向量，具體為：根據(jù)公式(11)更新螢火蟲的空間位置，對處于最佳位置的螢火蟲進行隨機擾動；表示第gen+1次迭代時螢火蟲i的空間位置，則：其中，表示第gen次迭代時螢火蟲i的空間位置，表示第gen次迭代時螢火蟲j的空間位置，ξ為[0,1]上服從均與分布的隨機因子。步驟2.4，檢驗新產(chǎn)生的螢火蟲位置是否滿足限制條件，包括檢驗新產(chǎn)生的螢火蟲位置是否滿足公式(1)～(3)，如果滿足，進入步驟2.5，否則，重返步驟2.3；步驟2.5，重復步驟2.2～步驟2.4Ng次，輸出頻率和功率資源分配的最優(yōu)解，Ng表示螢火蟲方法的最大迭代次數(shù)；具體為：令gen←gen+1，重復步驟2.2～步驟2.4NFg次，輸出xgbest(gen)作為最優(yōu)解，并且采用公式(12)確定基于頻譜襯墊的認知OFDM系統(tǒng)吞吐量F(xgbest(gen))：步驟3，認知基站通知認知用戶資源分配結(jié)果，即認知基站通過廣播的方式將基于螢火蟲方法的比例公平資源分配結(jié)果發(fā)送給認知用戶，認知用戶根據(jù)資源分配結(jié)果選擇相應的子載波和發(fā)射功率進行下一階段的發(fā)射。下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。實施例1結(jié)合圖1，本發(fā)明基于頻譜襯墊的認知OFDM系統(tǒng)比例公平資源分配方法，各步驟中參數(shù)如下：步驟1，認知基站獲得資源分配所需要的信道狀態(tài)信息。授權(quán)網(wǎng)絡中有N＝8個授權(quán)用戶，認知基站估計認知用戶與認知基站上行鏈路的信道狀態(tài)信息授權(quán)用戶估計自己與認知用戶之間通信鏈路的信道狀態(tài)信息并且將功率譜密度函數(shù)Ψn(f)和信道狀態(tài)信息反饋給認知基站；圖4為本發(fā)明的基于頻譜襯墊的認知OFDM系統(tǒng)干擾溫度門限示意圖，授權(quán)網(wǎng)絡系統(tǒng)帶寬W＝4MHz；圖5為本發(fā)明的基于頻譜襯墊的認知OFDM系統(tǒng)通信鏈路示意圖。步驟2，認知基站采用螢火蟲方法對基于頻譜襯墊的認知OFDM網(wǎng)絡中的頻率和功率資源進行比例公平資源分配?；陬l譜襯墊的認知OFDM系統(tǒng)中有M＝5個認知用戶；結(jié)合圖2中基于螢火蟲方法的比例公平資源分配方法流程：首先，認知基站初始化螢火蟲方法的參數(shù)、初始化種群中的每個螢火蟲位置向量和確定螢火蟲的目標函數(shù)值，NFp＝110、NFg＝560、γ＝1、β0＝1和ε＝0.35，令gen＝1，初始化和φ1＝2、φ2＝1、φ3＝1、φ4＝3、φ5＝1，根據(jù)圖3為螢火蟲位置進行編碼，初始化x(gen)＝[c(gen),p(gen)]，滿足公式(1)，滿足公式(2)，并且和需要同時滿足公式(3)，采用公式(4)確定采用公式(5)確定f(xi(gen))，令LF0＝f(xi(gen))，α＝11；采用公式(6)確定采用公式(7)中確定采用公式(8)確定JFI(t)，授權(quán)用戶n的最大干擾功率門限螢火蟲的最大熒光亮度LF0＝1，認知OFDM系統(tǒng)帶寬W＝2MHz，認知OFDM系統(tǒng)子載波數(shù)目K＝64，認知OFDM系統(tǒng)子載波上的背景噪聲功率N0＝1×10-11W，表示在子載波k上認知用戶m與認知基站之間通信鏈路的信道狀態(tài)信息，罰函數(shù)因子α＝6；然后，確定群體中螢火蟲的相對亮度和吸引度，根據(jù)相對亮度決定螢火蟲的移動方向，確定目標函數(shù)值最大的螢火蟲位置，用公式(9)和公式(10)確定群體中螢火蟲的相對亮度LF和吸引度β，根據(jù)相對亮度決定螢火蟲的移動方向，確定目標函數(shù)值最大的螢火蟲位置xgbest(gen)；其次，更新螢火蟲的空間位置向量，根據(jù)公式(11)更新螢火蟲的空間位置，對處于最佳位置的螢火蟲進行隨機擾動；再次，檢驗新產(chǎn)生的螢火蟲位置是否滿足公式(1)～(3)，如果滿足，進入下一步，否則重返上一步；最后令gen←gen+1，重復上述步驟NFg次，輸出xgbest(gen)作為最優(yōu)解，并且采用公式(12)確定基于頻譜襯墊的認知OFDM系統(tǒng)吞吐量。步驟3，認知基站通知認知用戶資源分配結(jié)果，即認知基站通過廣播的方式將基于螢火蟲方法的比例公平資源分配結(jié)果發(fā)送給認知用戶，認知用戶根據(jù)資源分配結(jié)果選擇相應的子載波和發(fā)射功率準備進行下一階段的發(fā)射。綜上所述，本發(fā)明針對基于頻譜襯墊的認知OFDM系統(tǒng)中認知用戶傳輸速率的比例公平需求，提出了靈活的子載波和功率分配方法，滿足認知用戶傳輸速率成比例的需求；同時，能夠充分挖掘基于頻譜襯墊的認知OFDM系統(tǒng)中無線頻譜資源，從頻率和功率兩個維度動態(tài)按需分配資源，為高效利用基于頻譜襯墊的認知OFDM系統(tǒng)中的無線資源提供技術(shù)支持。