动态频谱分配算法

第３６卷第１期　２０１４年２月　探测与控制学报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ＆Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｖｏ１．３６　Ｎｏ．１　Ｆｅｂ．２０１４　

基于不同需求等级改进的动态频谱分配算法　

刘俊彤，王可人，张兴良，冯　辉　

（解放军电子工程学院，安徽合肥２３００３７）　

摘　要：认知无线电系统要根据次用户的需求进行动态频谱分配，而现有研究中缺乏对次用户不同需求等级　的分析，针对该问题，提出了一种基于不同需求等级改进的动态频谱分配算法。该算法将频谱资源分配建模为　０－１整数规划问题，提出了一种基于ｔ分布变异ＧＡ的认知无线电频谱分配算法。仿真结果表明：该分级模型　相比于普通模型在处理不同需求等级ＤＳＡ分配问题时可获得更高的网络效益，且所提算法的频谱分配效率接　近最优分配效率，具有较高的应用价值。　关键词：认知无线电；动态频谱分配；需求等级；ｔ分布变异　中图分类号：ＴＰ３９３　文献标志码：Ａ　文章编号：１００８—１１９４（２０１４｝０１—００３２—０５　

Ｉｍｐｒｏｖｅｄ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｓｐｅｃｔｒｕｍ　Ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　

Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　Ｌｅｖｅｌｓ　ｏｆ　Ｓｅｒｖｉｃｅ　Ｄｅｍａｎｄ　

ＬＩＵ　Ｊｕｎｔｏｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｋｅｒｅｎ，ＺＨＡＮＧ　Ｘｉｎｇｌｉａｎｇ，ＦＥＮＧ　Ｈｕｉ　

（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　ＰＬＡ，Ｈｅｆｅｉ　２３００３７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ　ｒａｄｉｏ　ｃａｎ　ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ　ａｄｊｕｓｔ　ｉｔｓ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｕｓｅｒｓ　ｎｅｅｄｓ，　ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｌｅｖｅｌｓ　ｏｆ　ｓｅｒｖｉｃｅ　ｄｅｍａｎｄ　ａｒｅ　ｓｔｉｌｌ　ｌａｃｋｉｎｇ　ｉｎ　ｅｘｉｓｔｅｄ　ｓｔｕｄｉｅｓ．Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂ—　ｌｅｍ，ａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｌｅｖｅｌｓ　ｏｆ　ｓｅｒｖｉｃｅ　ｄｅ—　ｍａｎｄ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｒｔ，ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｆｏｒｍｕｌａｔｅｄ　ａｓ　ａ　０－１　ｉｎｔｅｇｅｒ　ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ．　Ａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｇｅｎｅｔｉｃ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｗｉｔｈ　ｔ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｍｕｔａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈｅ　ｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｉｎ　ｄｅａｌｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ＤＳＡ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｌｅｖｅｌｓ，ｔｈｅ　ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｈａｄ　ｈｉｇｈｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｐｒｏｆｉｔｓ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｍｏｎ　ｍｏｄｅｌ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｃｏｕｌｄ　ｇｅｔ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｃｌｏｓｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ　ｈａｄ　ａ　ｈｉｇｈ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ　ｒａｄｉｏ；ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ；ｄｅｍａｎｄ　ｌｅｖｅｌ；ｔ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｍｕｔａｔｉｏｎ　

第２６卷第８期　２０１０年８月　信号处理　ＳＩＧＮＡＬ　ＰＲ０ＣＥＳＳＩＮＧ　Ｖｏ１．２６．　Ｎｏ．８　ＡＵＥ．２Ｏｌ０　

认知无线电动态频谱分配新算法　

杨　磊　殷福亮　陈　苗　

（大连理工大学电子与信息工程学院，辽宁大连１１６０２４）　

摘要：动态频谱分配技术是认知无线电的一项关键技术，本文针对以ＯＦＤＭ为传输技术的认知无线电系统，提出了　固定速率认知用户和变速率认知用户并存情况下的动态频谱分配新算法。本文算法以最小化每比特发射功率为目标，运用　最小最大准则与分步求解的方法，对系统目标函数予以简化，在最大公平意义上对认知小区的空闲频谱资源进行动态分配。　仿真结果表明，该算法具有较好的公平性，在固定速率用户功率最小化需求和变速率用户吞吐量最大化的需求之间取得了　比较好的平衡，适用于两种需求用户并存环境下的认知无线电系统。　关键词：认知无线电；动态频谱分配；最小最大准则；ＯＦＤＭ　中图分类号：ＴＮ９２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—０５３０（２０１０）０８—１２１１—０６　

Ｎｏｖｅｌ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｓｐｅｃｔｒｕｍ　Ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ　Ｒａｄｉｏ　

ＹＡＮＧ　Ｌｅｉ　ＹＩＮ　Ｆｕ—ｌｉａｎｇ　ＣＨＥＮ　Ｚｈｅ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄａｌｉａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ　１　１６０２４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ　ｉｓ　ａ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ　ｒａｄｉｏ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ａ　ｎｅｗ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ　ａｌｇｏ—　

ｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ　ｒａｄｉｏ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＯＦＤＭ　ｂａｓｅｄ　ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ　ｒａｄｉｏ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｆｏｒ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｒａｔｅ　ｕｓｅｒｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｒａｔｅ　ｕｓｅｒｓ　ｗｅｒｅ　ｃｏｅｘｉｓｔｅｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｅａｃｈ　ｏｔｈｅｒ，ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ｍｉｎｉｍｉｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ　ｐｏｗｅｒ　ｐｅｒ　ｂｉｔ，ａｌｌｏｃａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｒｅｅ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ　ｒａｄｉｏ　ｃｅｌｌ　ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ　ｉｎ　ａ　ｓｅｎｓｅ　ｏｆ　ｆａｉｒ　ｍａｘｉｍｉｚａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｂｊｅｃｔ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍｉｎ—ｍａｘ　ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉ—ｓｔｅｐ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｔｏ　ｅｏｎｆｉｒｎｌ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｉｔ’Ｓ　ａｃｈｉｅｖｅｓ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｔｈｅ　ｆａｉｒ　ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｒｅｓｏｕｒｃｅ　ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｔｈｅ　ｂａｌａｎｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｍｉｎｉｍｉｚａ—　ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｒａｔｅ　ｕｓｅｒｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ　ｍａｘｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｒａｔｅ　ｕｓｅｒｓ，ｉｔ’Ｓ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅｒｅ　ｅｘｉｓｔ　ｔｗｏ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｕｓｅｒｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ　ｒａｄｉｏ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ　ｒａｄｉｏ；ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ；ｍｉｎ—ｍａｘ　ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ；ＯＦＤＭ　

研究与开发　

认知无线网络中基于用户需求和频谱聚合的动态频谱分配　

张华晶，徐少毅，乔晓瑜　

（北京交通大学电子信息工程学院北京１０００４４）　

１　前言　认知无线电技术可以感知周嗣无线环境择机利用频谱空洞，从而达到提高频谱效率的目的。在认　知无线电网络中，现有的频谱分配算法大部分是基于连续频谱分配并且没有考虑用户的需求。但　是连续频谱分配会生成许多小于用户需求的频谱片段，这些频谱片段不能被充分利用，从而造成　频谱浪费。本文基于图论提出了一种联合考虑用户需求和非连续频谱聚合的频谱分配算法。在该　算法中，非连续的频谱片段被聚合以尽可能多地满足用户总需求．充分利用了小的频谱片段，避免　了频谱浪费，从而提高频谱效率。　关键词认知无线网络；频谱分配；　用户需求；频谱聚合　

随着无线通信的高速发展，可用频谱资源变得越来越　

少。但是，纵观各地区（包括城市热点地区）的无线频谱状　

态，可以发现：很多频谱资源在一段时间内处于空闲状态【ｌ　

——根据时间和地理位置的不同，授权频段使用率在１５％　

到８５％之间不等　。如果次用户可以接人频谱空洞（在一　

定的时间内或者在特殊的地理位置未被主用户占用的授　

权频段），可以大大提高频谱效率。而认知无线电技术可以　

感知并利用频谱空洞．为提高频谱利用效率提供了一种有　

效途径。　

认知无线网络不同于传统无线网络，其频谱可用性是　

动态变化的，用户需要择机接人不同的频段——这一特点　使传统的频谱分配方法不适用于认知无线网络，所以提出　

适合认知无线网络的频谱分配算法势在必行。图论做为一　

种最优理论，是设计和分析频谱分配算法的有用工具，在　

￥　国家科技重大专项基金资助项目（Ｎｏ．２００９ＺＸ０３００３～００７—０３）　国家“８６３”计划基金资助项目（Ｎｏ．２００９ＡＡ０１１８０５）　频谱分配算法的研究中被广泛应用。在参考文献『３１中，基　

于列表着色（１ｉｓｔ．ｃｏｌｏｒｉｎｇ）模型提出了３种具有不同复杂度　和不同性能的分布式算法：贪婪算法、公平算法和随机算　

无线通信中的频谱分配技术研究

无线通信一直是人类通信领域的重要研究方向之一，随着各种无线设备的不断普及，频谱资源的紧缺问题也日益凸显。频谱分配技术作为解决频谱紧缺问题的一种重要手段，受到了广泛关注和深入研究。

一、频谱分配技术的概述

频谱分配技术是指在有限的频谱资源下，合理地将频段分配给各个通信系统，从而使得不同系统之间的通信可以相互协调，充分利用频谱资源。频谱分配主要包括静态频谱分配和动态频谱分配两种方式。

静态频谱分配是指指定每个通信系统需要使用的频段，以及每个通信系统使用频段的时长，这种方式可以充分保证通信系统之间的频段不会互相干扰，但是无法充分利用频谱资源，因为可能存在很长一段时间内某个频段一直没有被使用。

动态频谱分配是指在通信系统需要使用频段的时候，通过某种机制对频谱资源进行分配，从而使得未被使用的频段可以被其他系统使用，从而更加充分地利用频谱资源。动态频谱分配的方式可以进一步细分为中央控制和分布式两种。

二、频谱分配技术的主要应用领域

频谱分配技术在各种无线通信系统中都有广泛应用，如移动通信、卫星通信、广播电视等等。其中，移动通信是最典型的应用领域之一。

移动通信系统中，频谱分配技术的重要性不言而喻。由于移动通信用户数量巨大，同时移动通信网络的基础设施相对固定，因此频谱资源的管理和分配非常重要。合理地分配频谱资源可以提升移动通信系统的通信容量、优化系统的质量和服务品质。同时频谱资源的有效管理还能有效地防止频谱乱用、频段占用等问题的发生。

三、当前频谱分配技术的瓶颈和发展趋势

目前，频谱分配技术面临着诸多挑战和瓶颈。首先，频谱资源越来越紧缺，这就要求频谱分配技术需要更加智能、更加高效。其次，移动通信用户的数量和密度不断增加，这就要求频谱分配技术需要更加灵活、更加具有适应性。另外，在动态频谱分配方式下，频谱管理和频段的分配需要更加精细和严密。

为了解决这些问题，未来频谱分配技术的发展趋势有以下几个方面：