CN102726087B - 在认知无线网络中用于信道和/或功率分配的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出了在认知无线网络中用于子信道和/或功率分配的方法及设备，该认知无线电系统与主系统共享频率，该基站为至少一个次级用户终端服务。首先，提供子信道分配方案为次级用户终端分配至少一个子信道以提供用户间的粗公平性；然后，在次级用户终端之间进行功率分配，以最大化容量；然后，采用递归的基于注水原理具体地为每个次级用户终端在各个子信道分配功率，从而使的容量最大化的同时保持良好的比例公平性和对主系统的严格的干扰限制。

Description

在认知无线网络中用于信道和/或功率分配的方法及设备

技术领域

本发明涉及无线通信，尤其涉及认知无线电网络。

背景技术

随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。一方面，通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致适用于无线通信的频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置，例如，随着有线电视的普及，为电视信号分配的无线资源的某些频段暂时被闲置。因此，人们提出采用认知无线电(Cognitive Radio，简称CR)技术，通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源，从而有效解决上述难题。

这一思想在2003年美国联邦通信委员会(FCC)的Spectrum PolicyTask Force Study(频谱策略任务工作研究)中得到了充分体现，该研究明确提出采用CR技术作为提高频谱利用率的技术手段。此后，CR技术受到了产业界和学术界的广泛关注，成为了无线通信研究和市场发展的新热点。

由于频谱共享具有缓解频谱稀缺问题的潜力，近年来，频谱共享吸引了业内较大的关注。一方面，频谱共享可以用来实现多个系统在未授权的频带上的共存；另一方面，频谱共享可以用来使感知无线电设备去机会地利用主系统(Primary System)的频谱资源。在2004年，联邦通信委员会颁定了电视频带的建议规章制订通知(Notice Of ProposedRulemaking，简称NPRM)，该通知允许未授权的无线电在不对主用户或者TV节目的接收者造成有害干扰的情况下可以使用该电视频带。此外，IEEE 802.22标准也将目标对准了电视频带的使用，使点到多点无线区域网(WRAN)成为可能。

在认知无线网络中，主(授权)系统指那些对某段频谱的使用具有高优先级或合法授权的系统，次级系统是指那些低优先级的系统。次级系统对频谱的使用不得对主系统造成干扰，因此要求其能快速、可靠地感知主系统使用授权频谱的情况。次级系统必须具备认知能力，因而也称其为认知无线电系统(简称为认知系统)。在网络结构中认知系统中的次级用户终端表示为认知节点。认知系统的频谱感知主要包括在某个频段上检测主系统存在与否(主系统信号检测)和估计认知系统对主系统接收机可能造成的附加干扰(干扰温度估计)两个任务。

在授权频带进行的频谱共享的设计准则应该包括多个方面：1)最大化频谱的利用率；2)提供用户公平性；3)最小化对主系统造成的干扰；4)将系统复杂性维持在一个较低的水平。为了使认知无线系统同时满足这些准则，需要合适的信道和/或功率分配设计。

由于正交频分复用接入(Orthogonal Frequency Division MultipleAccess，简称OFDMA)技术有着解决多径干扰的能力，目前，例如IEEE802.16H和IEEE 802.22系统等大多数频谱共享系统都使用OFDMA类似技术。因此，基于OFDMA系统的子信道的频谱共享技术和功率分配成为了一个研究热点。

目前业内已经提出了一些典型的、用于OFDMA系统的信道/功率分配机制。例如，C.Y.WONG提出了功率自适应(Margin Adaptive，简称MA)资源分配机制，它的目标是在给定用户数据速率的约束条件下最小化总体的发射功率。与此相反，J.JANG和K.B.LEE提出了速率自适应(Rate Adaptive，简称RA)机制，它的目标是在给定总发射功率的约束条件下最大化每个用户的无错容量。另外，Z.SHEN提出了一种用于多用户OFDM的、自适应的信道/功率分配方法，其中在最大化总系统容量的同时实现了比例公平。但是，由于没有考虑到对主系统产生的干扰这一约束条件，上述这些用于基于OFDMA的系统的资源分配机制都无法用于认知无线系统。

此外，还有一些提议考虑了最大化CR系统的系统容量同时避免对主系统的干扰，但是这些方案并未考虑用户终端之间的公平性，此外，由于CR系统中的信道分配和/或功率分配是非线性的优化问题，因此，这些机制的复杂性高，因此极大地提高了基站发射机的相应的硬件成本。

发明内容

现有技术中没有同时考虑干扰限制和公平性的解决方案。基于此，本发明提出了一种在认知无线电系统的基站中用于分配无线资源的方法，该认知无线电系统与主系统共享频率，该基站为至少一个次级用户终端服务。首先，提供子信道分配方案为次级用户终端分配至少一个子信道以提供用户间的粗公平性；然后，在次级用户终端之间进行功率分配，以最大化容量；然后，采用递归的基于注水原理具体地为每个次级用户终端在各个子信道分配功率，从而使的容量最大化的同时保持良好的比例公平性和对主系统的严格的干扰限制。

根据本发明的一个方面，提供了一种在认知无线电系统的基站中用于分配无线资源的方法，其中，所述认知无线电系统与主系统共享频率，所述基站为至少一个次级用户终端服务，所述方法包括以下步骤：A.获取干扰限制向量和公平向量，其中，所述干扰限制向量用于表示每个可供分配的子信道的最大允许发射功率，所述公平向量用于表示每个次级用户终端所获得的数据吞吐量占所述认知无线电系统总的数据吞吐量的比例；B.根据所述干扰限制向量和所述公平向量，为所述每个次级用户终端分别分配对应的至少一个子信道。

根据一个优选的实施方式，步骤B之后还包括：C.根据所述与每个次级用户终端相对应的至少一个子信道和所述公平向量，确定所述每个次级用户终端的总的发射功率；D.根据所述干扰限制向量，将所述每个次级用户终端的总的发射功率分配在所述至少一个子信道上。

根据本发明的第二方面，提供了一种在认知无线电系统的基站中用于分配无线资源的装置，其中，所述认知无线电系统与主系统共享频率，所述基站为至少一个次级用户终端服务，所述装置包括：获取装置，用于获取干扰限制向量和公平向量，其中，所述干扰限制向量用于表示每个可供分配的子信道的最大允许发射功率，所述公平向量用于表示每个次级用户终端所获得的数据吞吐量占所述认知无线电系统总的数据吞吐量的比例；子信道分配装置，用于根据所述干扰限制向量和所述公平向量，为所述每个次级用户终端分别分配对应的至少一个子信道。

根据一个优选的实施方式，其中，该装置还包括：总发射功率确定装置，用于根据所述与每个次级用户终端相对应的至少一个子信道和所述公平向量，确定所述每个次级用户终端的总的发射功率；发射功率分配装置，用于根据所述干扰限制向量，将所述每个次级用户终端的总的发射功率分配在所述至少一个子信道上。

采用本发明的方案，不仅使得认知无线电系统，也即次级系统与现有的主系统能够共存，此外，还得到更好的吞吐量性能并同时满足用户终端的公平性。一方面，通过采用本方案，可以根据用户终端的公平性约束很好地在用户终端之间分配容量。此外，因为公平性系数可以由运营商确定，因此，本发明可以获得一定范围内的公平性。另一方面，本发明可以确保对主系统的用户终端的干扰维持在一个容许的范围之内，尽管会带来极小的容量的损失。进一步地，因为本发明通过公平条件进行近似，采用次优的解决方案，因此，本发明的复杂度维持在一个很低的水平。因此，本发明为认知无线电系统与主系统共享未被主系统占用的资源提供了基础。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的以上及其它特征、目的和优点将会变得更加明显：

图1示出了根据本发明的一个具体实施方式的基站的发射机的结构示意图；

图2示出了根据本发明的一个具体实施方式的系统方法流程图；

图3示出了根据图2所示的系统方法流程图中的步骤S26的子步骤的方法流程图；

图4示出了根据图2所示的系统方法流程图中的步骤S28的子步骤的方法流程图

图5示出了根据本发明的一个具体实施方式的装置框图；

图6示出了根据一个具体实施方式的每个用户的归一化的容量比率与其他参考系统的比较图；

图7示出了根据本发明的一个具体实施方式的总的数据率与非认知系统中的数据率的比较图；

图8示出了根据本发明的一个具体实施方式的总的数据率与非认知系统中的数据率的比较图。

附图中，相同或者相似的附图标识代表相同或者相似的部件。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一个具体实施方式的认知无线网络中的基站的发射机的结构示意图，该基于OFDM系统的认知无线网络中的发射机的结构与传统发射机结构类似，均包括子载波映射模块、调制编码选择模块、快速傅立叶逆变换模块、串并转换模块、循环前缀加入模块等。此外，与传统的发射机不同的，认知无线网络中的发射机还包括频谱感知模块、流量监控模块和次优的子信道和/或功率分配模块。本发明以OFDM系统为例进行说明，本领域技术人员应能理解，本发明并不限于OFDM系统，也同样适用于CDMA系统，TDM系统，因此，这些系统中的子信道可以是频率资源，码资源，时隙资源等。

以下，参照图2，对本发明的一个具体实施方式进行详细的描述。

首先，在步骤S20中，基站A中的频谱感知模块获取频谱的特性，以检测主系统存在与否。例如，频谱感知模块获取主系统的干扰温度要求和基站与主系统的接收机的距离信息。

在干扰温度机制中，干扰温度用来表征次级系统在共享频段内对主系统的接收机产生的干扰功率和主接收机处系统噪声功率之和。主系统的干扰温度要求，例如可以是一个保证主系统正常运行的“干扰温度门限”，该门限由主系统能够正常工作的最坏信噪比决定。次级系统作为主系统的干扰，一旦累积干扰超过了干扰温度门限，主系统就无法正常工作；反之，可以保证主系统与次级系统同时正常工作。

因为在本发明中主要考虑的认知无线电系统中的基站A所传输的下行信号对主系统的接收机所产生的干扰，因此，频谱感知模块还需要得知基站A与主系统的接收机之间的距离。

然后，在步骤S21中，频谱感知模块根据获取的主系统的干扰温度要求和该距离，确定干扰限制向量p_T，n。干扰限制向量表示每个可供分配的子信道的最大允许发射功率，也即最大的允许的干扰量，当该子信道上对主系统的干扰超过了该子信道所对应的干扰限制向量时，主系统就无法正常工作。频谱感知模块计算干扰限制向量的具体的方法可以参考IEEE802.22中无线区域网中定义的相关算法和流程进行计算，例如，p_T，n对于各个子信道是不变的。可选地，如果主系统可以与认知无线电系统交互信息，p_T，n也可以由认知无线电系统根据来自主系统中的参数进行计算，在该情形下，不同的子信道所对应的p_T，n也可以是不同的。因为不涉及本发明的发明点，因此在此不予赘述。

然后，在步骤S22中，频谱感知模块将获取的干扰限制向量p_T，n提供给基站A的子信道和/或功率分配模块。

此外，在步骤S23中，基站A的流量监控模块获取次级用户终端的业务载荷和优先级信息。

流量监控模块用于监控来自高层向不同的次级用户终端1，2，3......K发送的业务载荷，分别表示为T_1，2，..K，其中，次级用户终端1，2，3......k也即第1个次级用户终端，第2个次级用户终端，第3个次级用户终端，......第k个次级用户终端。

流量监控模块还获取用户的业务优先级指示信息P_1，2，..K。该至少一个次级用户终端的业务优先级指示信息可以分别由次级用户终端1，2，3......k封装在报告消息中，周期性地报告给基站A。此外，当基站A需要获得次级用户终端的优先级指示信息时，基站A也可以向次级用户终端发送优先级指示信息请求消息，然后，当次级用户终端接收到来自基站A的请求消息后，再相应地向基站A发送各自的优先级指示信息。

此外，优先级指示信息也可以由运营商事先为基站A配置好并保存在基站A的系统参数中。

然后，在步骤S24中，基站A的流量监控模块根据流量统计信息和/或业务优先级指示信息，确定公平向量，其中，公平向量用于表示每个次级用户终端所获得的数据吞吐量占认知无线电系统总的数据吞吐量的比例。例如，可以通过以下公式确定公平向量φ_1，2，..K＝f_UF(T_1，2，..K，P_1，2，..K)，其中，函数f_UF可以根据实际的需求由运营商确定。

然后，在步骤S25中，流量监控模块将获取的公平向量提供给基站A的子信道和/或功率分配模块。

从图2中可以看出，步骤S20-步骤S22与步骤S23-步骤S25之间没有明显的先后执行顺序。

为了使系统容量，也即系统吞吐量最大化，每个子信道应该被分配给具有最大增益的用户终端。令h_k，n表示用户k在子信道n上的增益，且表示信道响应，其中，p_noise表示噪声功率。

因此，在公平性受限的条件下的认知无线电系统中的子信道和/或功率分配问题可以用以下公式表示：

$\max \underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{B*c_{k,n}}{N}{\log }_2(1+H_{k,n}{p}_{k,n})---\left(1\right)$

受限于 $\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_{k,n}\&le;P_{\mathrm{total}},p_{k,n}\&GreaterEqual;0;\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_{T,n}<p_{T,n};c_{k,n}=\left\{\mathrm{0,1}\right\}$ 并且 $\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_{k,n}=1$ 对于所有k，n

$R_i:R_j={\mathrm{\&phi;}}_i:{\mathrm{\&phi;}}_j\&ForAll;i,j\&Element;\{1,...,K\},i\&NotEqual;j$

其中，K表示次级用户终端的总数，N表示可供分配给认知无线电网络的子信道的总数，B表示总的可供分配的带宽，P_total表示总的可用的功率。p_k，n表示为次级用户终端k在第n个子信道上所分配的发射功率。是一组包含预定的数值的集合，用于确保在次级用户终端之间的比例公平性，该集合中的各个元素也即由基站A的流量监控模块在步骤S24中确定各个公平向量，且c_k，n是子信道的分配指示符，该集合中的元素的值包括0和1，当且仅当第n个子信道被分配给次级用户终端k时，c_k，n＝1，而当第n个子信道未被分配给次级用户终端k时，c_k，n＝0，R_k表示用户k的数据率，可以通过下式计算得出：

$R_k=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{B*c_{k,n}}{N}{\log }_2(1+H_{k,n}{p}_{k,n})$

由式(1)中可知，因为数据率受到2个参数的限制：1.总功率的限制以及2.干扰限制因此，式(1)是一个具有非线性限制条件的联合的优化问题。对于K个次级用户终端和N个子信道的系统，具有K^N种可能的子信道分配方式。如何合理地实现子信道分配和功率分配，从而在满足用户公平性和干扰限制条件情况下，最大化次级系统的吞吐量是一个全局优化问题。因此，当K和N很大时，就计算的复杂度而言，该最优化问题是很难求解的，因此该最优化的方案将为基站A带来极大的计算负担。因此，以下将详细地描述一个次优的信道/功率分配方案。

仍然参照图2，当基站A获取了干扰限制向量p_T，n和公平向量φ_k后，在步骤S26中，基站A根据获取的干扰限制向量p_T，n和公平向量φ_k，为每个次级用户终端1，2......k分别分配对应的至少一个子信道。

以下，参考图3，对步骤S26中基站A为次级用户终端分配子信道的子步骤进行具体的描述。

首先，在步骤S260中，基站A初始化各个参数。例如，设置c_k，n＝0，Ω_k＝{1，2，3，...，N}，R_k＝0，对于所有k，n。其中，Ω_k表示用户k的子信道集合。

然后，在步骤S261基站A根据公平向量，确定为每个次级用户终端所分配的子信道的对应个数。也即，基站A根据φ_k，为次级用户终端k确定所分配的子信道的个数N_k。例如，基站A可以按照以下公式确定N_k，满足N_i∶N_j＝φ_i∶φ_j。其中，表示向下取整，因此，这样的子信道分配方式可能带来N^*个未被分配的子信道： $N^{*}=N-\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{N}_k.$

然后，在步骤S262中，基站A确定最需要被分配子信道的次级用户终端。基站A可以根据贪婪算法，确定最需要被分配子信道的次级用户终端。例如，基站A可以根据以下公式：k＝arg min_k∈ψR_k/φ_k，确定最需要被分配子信道的次级用户终端k，也即，为了满足公平向量的限制，将具有数据率除以比例公平向量的值最小的次级用户终端作为最需要被分配子信道的次级用户终端。

然后，在步骤S263中，基站A为最需要被分配子信道的次级用户终端分配信道条件最好的子信道。例如，基站A将具有最大增益的子信道分配给该最需要被分配子信道的次级用户终端k：基站A计算次级用户终端k在各个子信道上的信道响应，并取出这些信道响应值最大的一个子信道分配给该次级用户终端k，也即，其中，n表示选出的为最需要被分配子信道的次级用户终端k所分配的子信道的序号。其中，p_k，n用暂时P_total/N确定。但是，如果为次级用户终端k所分配的子信道，使得P_total/N＞p_T，n时，则在计算R_k时，应该采用p_T，n，而不是P_total/N。因此，这种采用这种分配方式所获取的子信道是干扰受限的，也即，不会对主系统造成干扰而影响主系统的正常工作。

然后，更新参数R_k，Ω_k，N_k和c_k，n：

$R_k=R_k+\frac{B}{N}{\log }_2(1+H_{k,n}{p}_{k,n}),{\mathrm{\&Omega;}}_k={\mathrm{\&Omega;}}_k\backslash \left\{n\right\},N_k=N_k-1$ 以及c_k，n＝1

然后，在步骤S264中，基站A判断该次级用户终端k是否获取了其应被分配个数的所有子信道。例如，判断N_k＝0？

如果是，则表示该用户终端k已经被分配了N_k个子信道，其已经满足了公平向量的限制条件，则该方法进入步骤S265，不能为该次级用户终端k继续分配子信道，例如，ψ＝ψ\{k}，将次级用户终端k从集合中去除。

然后，在步骤S266中，基站A判断每个次级用户终端k是否均被分配了对应个数的子信道。

如果步骤S266的判断结果为“是”，则该方法进入步骤S267，将剩余的N^*个子信道分配给信道条件最好的其他的次级用户终端；否则，该方法回到步骤S262。

此外，如果步骤S264的判断结果是否，则该方法回到步骤S262。

以上对在干扰受限和总功率受限的条件下进行的子信道分配进行了具体的描述。在另一个实施方式中，在步骤S26之后，还包括功率分配的步骤。

仍参照图2，在步骤S27中，基站A根据与每个次级用户终端k相对应的至少一个子信道和对应的公平向量，确定次级用户终端k的总的发射功率。

考虑到计算的复杂性以及避免对主系统的干扰的重要性，设置p_k，n的初始值时首先仅仅考虑总的功率限制。干扰限制条件将在随后考虑以确定p_k，n的最终值。在不考虑干扰限制的条件下，公式(1)的优化问题可以等效为根据拉格朗日规则求以下函数的最大值：

$\begin{array}{c}A=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{n\&Element;{\mathrm{\&Omega;}}_k}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{B}{N}{\log }_2(1+H_{k,n}{p}_{k,n})+{\mathrm{\&lambda;}}_1(\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{n\&Element;{\mathrm{\&Omega;}}_k}{\mathrm{\&Sigma;}}{p}_{k,n}-P_{\mathrm{total}})\\ +\underset{k=2}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&lambda;}}_k[\frac{1}{{\mathrm{\&phi;}}_1}(\underset{n\&Element;\mathrm{\&Omega;}1}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{B}{N}{\log }_2\left({1+H}_{1,n}{p}_{1,n}\right)-\frac{1}{{\mathrm{\&phi;}}_k}(\underset{n\&Element;{\mathrm{\&Omega;}}_k}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{B}{N}{\log }_2(1+H_{k,n}{p}_{k,n})]\end{array}---\left(2\right)$

对式(2)求变量p_k，n的偏导数，并令得到：

$p_{k,n}=p_{k,1}+\frac{H_{k,n}-p_{k,1}}{H_{k,n}{H}_{k,1}}---\left(3\right)$

$p_k=\underset{n=1}{\overset{N_k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_{k,n}=N_k*p_{k,1}+\underset{n=2}{\overset{N_k}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{H_{k,n}-p_{k,1}}{H_{k,n}{H}_{k,1}}---\left(4\right)$

公平向量的约束可以改写为：

$\frac{1}{{\mathrm{\&phi;}}_1}\underset{n\&Element;\mathrm{\&Omega;}1}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{B}{N}{\log }_2(1+H_{1,n}{p}_{1,n})=\frac{1}{{\mathrm{\&phi;}}_k}\underset{n\&Element;{\mathrm{\&Omega;}}_k}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{B}{N}{\log }_2(1+H_{k,n}{p}_{k,n}),\mathrm{for\; k}=\mathrm{2,3},...,K.---\left(5\right)$

将等式(3)和(4)带入等式(5)中，得到：

$\frac{N_1}{{\mathrm{\&phi;}}_1}{\log }_2\left(W_1(1+H_{\mathrm{1,1}}\frac{p_1-V_1}{N_1})\right)=\frac{N_k}{{\mathrm{\&phi;}}_k}{\log }_2\left(W_k\left({1+H}_{k,1}\frac{p_k-V_k}{N_k}\right)\right)\mathrm{for\; k}=\mathrm{2,3},...K---\left(6\right)$

根据在子步骤S261中获取的限制条件φ_i∶φ_j≈N_i∶N_j，K-1个等式(6)可以变换为一组线性的等式如下：

$W_1(1+H_{\mathrm{1,1}}\frac{p_1-V_1}{N_1})=W_k\left({1+H}_{k,1}\frac{p_k-V_k}{N_k}\right)---\left(7\right)$

结合总功率的限制等式，我们可以获得具有K个未知变量的非线性的K个等式。

其中， $a_{k,k}=-\frac{N_1{H}_{k,1}{W}_k}{N_k{H}_{\mathrm{1,1}}{W}_1},b_k=\frac{N_1}{H_{\mathrm{1,1}}{W}_1}(W_k+\frac{H_{\mathrm{1,1}}{V}_1{W}_1}{N_1}-W_1-\frac{H_{k,1}{V}_k{W}_k}{N_k})$

因此，为每个次级用户终端所分配的功率可以按照以下公式进行计算：

$p_k=\left\{\begin{array}{c}(P_{\mathrm{tot}}-\underset{k=2}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{b_k}{a_{\mathrm{kk}}})/(1-\underset{k=2}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{a_{\mathrm{kk}}}),\mathrm{for\; k}=1\\ (b_k-P_1)/a_{\mathrm{kk}},\mathrm{for\; k}=2,...,K\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中， $a_{k,k}=-\frac{N_1{H}_{k,1}{W}_k}{N_k{H}_{\mathrm{1,1}}{W}_1},b_k=\frac{N_1}{H_{\mathrm{1,1}}{W}_1}(W_k+\frac{H_{\mathrm{1,1}}{V}_1{W}_1}{N_1}-W_1-\frac{H_{k,1}{V}_k{W}_k}{N_k})$

以及 $V_k=\underset{n=2}{\overset{N_k}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{H_{k,n}-p_{k,1}}{H_{k,n}{H}_{k,1}},W_k={\left(\underset{n=2}{\overset{N_k}{\mathrm{\&Pi;}}}\frac{H_{k,n}}{H_{k,1}}\right)}^{\frac{1}{N_k}}$

然后，该方法进入步骤S28，根据干扰限制向量，将每个次级用户终端的总的发射功率按照递归的干扰封顶的注水原理分配在至少一个子信道上。

具体的，参照图4，对步骤S28的子步骤进行进一步的描述。

首先，在步骤S280中，根据公式(3)和(4)，计算出基站A为第k个次级用户终端在第n个子信道上分配的初始发射功率。

然后，在步骤S281中，基站A判断各个次级用户终端在被分配的子信道上的初始发射功率是否大于与该子信道相对应的最大允许发射功率，也即p_k，n＞p_T，n？

如果第k个次级用户终端在第n个子信道上分配的初始发射功率大于与所述子信道相对应的最大允许发射功率时，也即p_k，n＞p_T，n，则在步骤S282中，基站A将该子信道的最终发射功率设置为该最大允许发射功率，也即p_T，n。基站A找出所有p_k，n＞p_T，n对应的子信道，并且构造相应的集合Ω_k′。

然后，在步骤S283中，基站A将初始发射功率p_k，n与最大允许发射功率p_T，n的差值，表示为Δ_k，n，分配给其他子信道。

然后，在步骤S284中，基站A更新与第k个次级用户终端对应的可供分配的子信道Ω_k＝Ω_k\Ω_k′，并更新第k个次级用户终端的总的发射功率分配然后，重复步骤S280、步骤S281和步骤S282，直至为每个次级用户终端在对应的至少一个子信道中的每个子信道上所分配的发射功率均小于与每个子信道所对应的最大允许发射功率，也即，Ω_k′＝Null。

当然，如果可能分配给第k个次级用户终端的子信道仅有1个，则迭代的步骤S284是可以省略的。

以下，参照图5，对本发明的系统框图进行具体的描述。其中，装置10位于基站A中。装置10包括获取装置100，子信道分配装置111，单个用户总发射功率确定装置112和发射功率分配装置113。其中，获取装置100还包括频率检测装置1000和流量监测装置1001。

其中，获取装置100用于获取干扰限制向量和公平向量，其中，干扰限制向量用于表示每个可供分配的子信道的最大允许发射功率，公平向量用于表示每个次级用户终端所获得的数据吞吐量占认知无线电系统总的数据吞吐量的比例。具体的，其中的频率检测装置1000用于执行步骤S20、步骤S21和步骤S22，用于获取主系统的干扰温度要求和基站A与主系统接收机的距离信息，并且获取装置100还用于根据干扰温度要求和距离信息，确定干扰限制向量。流量控制装置1001用于执行步骤S23、步骤S24和步骤S25，用于获取所述每个次级用户终端的流量统计信息和/或所述每个次级用户终端的业务优先级指示信息，并且获取装置100还用于根据流量统计信息和/或所述业务优先级指示信息，确定公平向量。子信道分配装置111用于执行步骤S26，用于根据干扰限制向量和公平向量，为每个次级用户终端分别分配对应的至少一个子信道。单个用户总发射功率确定装置112用于执行步骤S27，用于根据与每个次级用户终端相对应的至少一个子信道和公平向量，确定每个次级用户终端的总的发射功率。且发射功率分配装置113用于执行步骤S28，用于根据干扰限制向量，将每个次级用户终端的总的发射功率分配在所述至少一个子信道上。

复杂度分析

本发明的优选的实施方式的复杂度计算包括3个方面：1)子信道分配的复杂度是O(KN)；2)在次级用户终端之间分配功率的复杂度是为将功率分配在一个次级用户终端的一个或多个子信道上的复杂度是因为因此，本发明优选的实施方式可以将复杂度从O(K^N)降低为O(KNlog₂N)。

数值结果

基于MATLAB仿真平台，评价以下参数，包括：次级用户终端的公平性；认知无线电系统的总的吞吐量以及对主系统的干扰。首先，将本发明的次优的方案与最优方案的性能进行比较，然后，将本发明的方案与几种典型的信道和/或功率分配方案作为参考进行比较。参考的算法包括：1)采用注水原理的FDM系统，其中子信道是固定地分配给次级用户终端的，并且将功率根据注水原理在子信道之间分配。2)非认知无线电系统的子信道和/或功率分配方案，采用传统的OFDM系统的多用户子信道和/或功率方案，不考虑对主系统的干扰的限制。

1)仿真参数配置

基于Clarke模式，构造一个频率选择的多径无线信道，包括6个具有指数衰减特性的独立的瑞利多径信道。按照表一进行相应的参数配置。

表一

参数	值
		最大延迟扩展	5μs
最大多普勒频移	30Hz
		N0	1.1565e-008
带宽	1MHz
		总功率	1W
子信道个数	64

随机选择公平向量φ_k，满足最大的允许的发射功率p_T，n取决于干扰限制，采用平均值p_T，ratio*P_total/N表示，其中，p_T，ratio是预先设置的在范围0.5～40之间。次级用户终端的公平偏差用于表示实际得到的各用户公平性度量与要求的各用户公平性度量的偏差，定义如下： $D=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}|R_k/\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{R}_i-{\mathrm{\&phi;}}_k|.$

2)与最优算法的性能的比较

因为式(1)是一个联合的优化问题，且限制条件是非线性的，因此计算复杂度非常高。最优化的子信道/功率分配方案可以采用穷举搜索，例如，对于K^N种分配方案，采用牛顿-拉弗森法算法计算对应的最优的功率分配。表二和表三分别为两个简单的例子用于说明最优化的信道/功率分配与本发明的信道/功率分配的比较。

表二

表三

从表二和表三中可以得出，最优化的信道/功率分配与本发明的信道/功率分配均能够提供很好的次级用户终端之间的公平性。此外，因为在两种系统中主系统中受到干扰的子信道的个数均为0，因此，本发明不会对主系统带来额外的干扰。此外，本发明中系统容量的损失与最优方案相比仅仅损失了不到5％，换言之，本发明的信道和/或功率分配方案能够达到最优性能的95％以上。

此外，仿真结果显示本发明的信道和/或功率分配方案的复杂度远低于最优的信道和/或功率分配方案。例如，对于表三所示的情形二，计算最优的信道和/或功率分配方案所需的时间是计算本发明的信道和/或功率分配方案所需的时间的12000倍。

3)与其他典型的机制的比较

图5示出了p_T，ratio＝5的16个次级用户终端的归一化的容量的比例。图5中示出，认知无线电系统的信道和/或功率分配方案和非认知无线电系统的信道和/或功率分配方案均可以保证根据用户终端公平性的限制条件将容量在次级用户终端之间很好地分配。然而，在采用注水算法的FDM系统中，与预先设定的比例有一定的偏差。这是因为在采用注水算法的FDM系统中，仅仅在子信道分配阶段粗略地考虑了用户终端的公平；而在本发明中，不仅在子信道分配阶段，而且在功率分配阶段，均考虑了用户终端之间的公平性。

认知无线电系统的总的数据率

图6示出了具有不同个数的次级用户终端且p_T，ratio＝5的认知无线电系统的总的数据率

从图6中可以看出，本发明的认知无线电系统的信道和/或功率分配方案以及非认知无线电系统的信道和/或功率分配方案比采用注水方案的FDM系统的总的数据率要大得多，因为本发明可以为用户终端分配具有最大信道增益的资源。然而，因为本发明需要考虑干扰的限制条件，因此，本发明无法采用穷举的方式搜索多用户增益。因此，本发明的数据率比非认知无线电系统方案下的数据率略小。对于16个用户终端的情形，在非认知无线电系统方案下的总的数据率为4.71，而在本发明的认知无线电系统方案下的总的数据率为4.56，因此，在本发明的次优的方案下，仅有3％的容量损失。

对主系统的干扰

图7示出了在16个次级用户终端的情形下，主系统受到干扰的子信道的个数，各个用户具有不同的p_T，ratio。图7中示出，在采用注水原理的FDM系统和非认知无线电系统信道和/或功率分配的方案下，主系统的一些子信道被非认知无线电系统所干扰。例如，当p_T，ratio＝4时，在这两种算法下主系统的约15个子信道受到非认知无线电系统的干扰，也即意味着采用这两种算法的认知无线电系统将对主系统的这些子信道带来极大的干扰。然而，在本发明中主系统中受到干扰的子信道的个数始终为0。换言之，本发明可以确保不会对主系统造成很大的干扰。

综上，本发明的信道和/或功率分配方案可以得到更好的吞吐量性能同时满足用户终端的公平性和干扰限制。通过采用本方案，可以根据用户终端的公平性约束很好地在用户终端之间分配容量；另一方面，本发明可以确保对主系统的用户终端的干扰维持在一个容许的范围之内，尽管会带来极小的容量的损失。

本技术领域的一般技术人员可以通过研究说明书、公开的内容及附图和所附的权利要求书，理解和实施对披露的实施方式的其他改变。在权利要求中，措词“包括”不排除其他的元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。在发明的实际应用中，一个零件可能执行权利要求中所引用的多个技术特征的功能。权利要求中的任何附图标记不应理解为对范围的限制。

Claims (13)

1.一种在认知无线电系统的基站中用于分配无线资源的方法，其中，所述认知无线电系统与主系统共享频率，所述基站为至少一个次级用户终端服务，所述方法包括以下步骤：

A.获取干扰限制向量和公平向量，其中，所述干扰限制向量用于表示每个可供分配的子信道的最大允许发射功率，所述公平向量用于表示每个次级用户终端所获得的数据吞吐量占所述认知无线电系统总的数据吞吐量的比例；

B.根据所述干扰限制向量和所述公平向量，为所述每个次级用户终端分别分配对应的至少一个子信道；

C.根据所述与每个次级用户终端相对应的至少一个子信道和所述公平向量，确定所述每个次级用户终端的总的发射功率；

D.根据所述干扰限制向量，将所述每个次级用户终端的总的发射功率分配在所述至少一个子信道上。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤A还包括：

A1.获取所述主系统的干扰温度要求和所述基站与所述主系统接收机的距离信息；

A2.根据所述干扰温度要求和所述距离信息，确定所述干扰限制向量。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述步骤A还包括：

A3.获取所述每个次级用户终端的流量统计信息和/或所述每个次级用户终端的业务优先级指示信息；

A4.根据所述流量统计信息和/或所述业务优先级指示信息，确定所述公平向量。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述步骤B还包括：

B1.根据所述公平向量，确定为所述每个次级用户终端所分配的子信道的对应个数；

B2.确定最需要被分配子信道的次级用户终端，并为所述最需要被分配子信道的次级用户终端分配信道条件最好的子信道。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述步骤B2之后还包括：

-重复所述步骤B2，直至所述每个次级用户终端均被分配了所述对应个数的子信道。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述步骤B2还包括：

B21.根据贪婪算法，确定最需要被分配子信道的次级用户终端；

B22.计算所述最需要被分配子信道的次级用户终端在所述各个可供分配的子信道上的信道响应；

B23.将所述各个可供分配的子信道中信道响应最好的子信道分配给所述最需要被分配子信道的次级用户终端。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，当所述重复步骤之后还有剩余的子信道未被分配时，还包括以下步骤：

-将所述剩余的子信道分配给信道响应最好的次级用户终端。

8.根据权利要求2所述的方法，其中，所述步骤D还包括：

D1.根据所述干扰限制向量，生成用于将所述每个次级用户终端的总的发射功率分配在所述至少一个子信道上的分配向量；

D2.用所述分配向量调制由调制编码模块输出的信号。

9.根据权利要求7中所述的方法，其中，所述步骤D1还包括：

D11.根据公式计算出所述基站为第k个次级用户终端在第n个子信道上分配的初始发射功率，其中，表示所述第k个次级用户终端在所述第n个子信道上的信道响应，h_k，n表示所述第k个次级用户终端在所述第n个子信道上的信道增益；

D12.当为所述第k个次级用户终端在所述第n个子信道上分配的初始发射功率大于与所述子信道相对应的最大允许发射功率时，将所述该子信道的发射功率设置为所述最大允许发射功率；

D13.将所述初始发射功率与所述最大允许发射功率的差值分 配给其他子信道。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述步骤D13之后还包括：

-更新与所述第k个次级用户终端对应的可供分配的子信道，并更新所述第k个次级用户终端的总的发射功率分配；

-重复所述步骤D12和所述步骤D13，直至为所述每个次级用户终端在所述对应的至少一个子信道中的每个子信道上所分配的发射功率均小于与所述每个子信道所对应的最大允许发射功率。

11.一种在认知无线电系统的基站中用于分配无线资源的装置，其中，所述认知无线电系统与主系统共享频率，所述基站为至少一个次级用户终端服务，所述装置包括：

获取装置，用于获取干扰限制向量和公平向量，其中，所述干扰限制向量用于表示每个可供分配的子信道的最大允许发射功率，所述公平向量用于表示每个次级用户终端所获得的数据吞吐量占所述认知无线电系统总的数据吞吐量的比例；

子信道分配装置，用于根据所述干扰限制向量和所述公平向量，为所述每个次级用户终端分别分配对应的至少一个子信道；

单个用户总发射功率确定装置，用于根据所述与每个次级用户终端相对应的至少一个子信道和所述公平向量，确定所述每个次级用户终端的总的发射功率；

发射功率分配装置，用于根据所述干扰限制向量，将所述每个次级用户终端的总的发射功率分配在所述至少一个子信道上。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述获取装置还包括：

频率检测装置，用于获取所述主系统的干扰温度要求和所述基站与所述主系统接收机的距离信息；

所述获取装置还用于，根据所述干扰温度要求和所述距离信息，确定所述干扰限制向量。

13.根据权利要求11所述的装置，其中，所述获取装置还包括：

流量监测装置，用于获取所述每个次级用户终端的流量统计信息和/或所述每个次级用户终端的业务优先级指示信息；

所述获取装置还用于，根据所述流量统计信息和/或所述业务优先级指示信息，确定所述公平向量。