南京邮电大学 硕士学位论文 基于OFDM的认知无线电资源分配算法的研究 姓名：朱春年 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：邵世祥 2011-03 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 I 摘摘 要要 认知无线电通过使认知用户在不产生严重干扰的前提下共享主用户的无线频谱资源来有 效提高频谱利用率。OFDM 能自适应分配频谱资源，频谱效率高，可应用于认知无线电，为 认知用户动态分配可用频带及其上的功率，进一步提高认知无线电的灵活性和频谱效率。 本文主要研究基于 OFDM 的认知无线电资源分配算法， 考虑在主用户的干扰限制和认知 用户的传输限制下对认知用户在可用频带上进行资源分配。如何使多个认知用户充分利用检 测到的频谱空洞，可转化为如何在多个认知用户之间分配这些子载波以及分配这些子载波上 的发射功率。论文首先简要介绍了认知无线电原理、关键技术和基于 OFDM 的认知无线电， 然后从最大化认知用户传输速率这一角度出发，研究了单认知用户资源分配算法和多认知用 户资源分配算法。 本文提出的简单相对代价贪婪比特加载单认知用户资源分配方案是一种改进的分配方 案，该方案使认知用户在干扰和功率受限这两种状态下均能达到较高的传输速率，并进一步 将该资源分配方案扩展到了多认知用户资源分配场景，可使认知用户获得较好传输速率的同 时也降低了计算量。本文还提出了一种多用户多干扰限制次优资源分配策略，通过把主用户 的干扰功率限制转化为多个认知用户分别能够产生的最大干扰功率实现可用资源在多个认知 用户间的分配，得到该策略下的最优资源分配方案、公平资源分配方案和分步实现的公平资 源分配方案。同时对各分配算法进行了仿真分析。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 Abstract II Abstract Cognitive radio can improve spectrum utilization through making the cognitive users share the spectrum resource of the primary users while the interference introduced to the primary users is not serious. OFDM has high spectrum efficiency which can allocate frequency resource adaptive. So OFDM can be used in cognitive radio to allocate the unused spectrum and power for cognitive users in order to improve the flexibility and spectrum efficiency. In this thesis, resource allocation algorithm OFDM-based cognitive radio systems would be researched which considering the main users interference limitation and the cognitive users transmission limitation allocate resource in the unused spectrum for cognitive users. How to make full use of the detected frequency holes can be considered as how to allocate the subcarriers and the transmit power of the subcarrier. The thesis firstly introduces the cognitive radios principle and key technologies, and OFDM-based cognitive radio, then mainly research the single cognitive user and multiuser resource allocation from the rate maximization aspect. An improved simple relative cost greedy bit loading single user resource allocation scheme is given in this thesis, which could make the cognitive user achieve high transmission rate in the interference limited state and power limited state, then this resource allocation scheme is extended to resolve mulituser power allocation problem, which could make the cognitive users achieve high transmission rate and reduce the computation complexity. Finally, a multiuser multi-interference limits suboptimal power allocation strategy is proposed, which allocate the subcarriers and power to cognitive users through changing the primary users interference limitation to each cognitive users maximal interference power introduced to the primary users. This power allocation strategy includes optimal scheme, fair scheme and three-step fair scheme. This paper also analyzes the simulation results for all allocation alogrithms. 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。 论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院（筹）办理。 研究生签名：_ 日期：_ 研究生签名：_ 导师签名：_ 日期：_ 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪 论 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 研究背景研究背景 认知无线电（Cognitive Radio，CR）是一种新的无线通信技术，最早由 Joseph Mitola 博 士提出123， 这种新的无线通信技术能感知外部环境、 从环境中学习、 与周围环境交互信息、 以感知和利用在该空间的可用频谱、 并根据当前无线通信环境做出智能判决以调整传输参数。 后来，Haykin 教授把 CR 定义如下4： CR 是一种智能无线通信系统， 可以感知周围的环境特征， 通过构建理解的方法从环境中 学习，从而使系统的内部状态和输入无线电激励的统计变化相适应，进而实时做出某些操作 参数（如载波频率、发射功率、调制方式等）的相应调整。CR 思想的两个主要目标是： （1） 无线频谱的有效利用； （2）无论何时何地的高可靠通信。 随着移动通信及无线通信的飞速发展，静态分配频谱资源已成为频谱有效利用的主要限 制因素，频谱资源日益缺乏，部分频段的可分配频谱已经不多，而且研究表明许多已分配频 谱只是偶尔被占用，频谱资源利用率很低56。因此，当授权用户（Licensed User，LU）频带 在某特定时间和地点未被占用时，可以考虑使未授权用户（Unlicensed User，也称为次用户 Secondary User， SU 或认知用户 Cognitive User， CU） 在该频带接入通信， 以提高频谱利用率。 CR 通过检测授权频段的空闲频带和根据无线环境实时调整传输参数， 能够使认知用户在不产 生严重干扰的前提下共享主用户的无线频谱资源，可提高频谱利用率。因此，为了缓解频谱 资源日益缺乏，可以考虑采用 CR 技术6。 正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）是一种频分复用技 术，通过大量正交的子载波携带数据，频谱效率高，是目前公认的易于实现频谱资源控制的 传输技术，可以灵活控制和分配频谱、功率、时间、空间等资源，还可以通过频率的组合或 裁剪实现频谱资源的充分利用。由于认知无线电中的可用频带通常是分段的，所以 OFDM 可 应用于认知无线电，作为“衬于底层”的技术，为认知用户动态分配可用频带及其上的功率， 进一步提高其灵活性和频谱效率78。 图 1.1 是基于 OFDM 的认知无线电典型的频谱模型8。阴影区域表示当前主用户占用的 频带（或称为授权用户活动频带） ，其带宽分别为 W1和 W2，剩余频带在当前时刻和当前地 点未被主用户占用，这些空闲频带被称为频谱空洞，可以被认知用户使用。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪 论 2 151015202530 W1W2 频谱空洞频谱空洞频谱空洞 图 1.1 主用户活动频带、频谱空洞和 OFDM 子信道 CR 中的可用频带通常情况下是分段的不连续的，OFDM 技术具有随时加载和卸载单个 子载波的能力，适用于 CR 动态频谱分配的场合。基于 OFDM 的 CR 系统可以通过机会式的 占用空闲频带子载波，根据子载波信道情况和干扰情况，综合应用动态子载波分配、自适应 子载波功率分配、自适应调制编码等自适应技术，形成优化的自适应传输方案，自适应地调 整系统工作参数，从而使系统达到最佳的工作状态，提高频谱资源利用率和系统性能。基于 OFDM 的 CR 系统可以在充分利用当前可用频带实现认知用户通信的同时保证授权用户的通 信不会受到损害。 1.2 研究研究内容内容 CR 技术的实现需要重点研究解决以下三个方面： （1）无线场景分析，主要工作有无线传 输环境分析和频谱空洞检测等； （2）信道识别，主要工作有信道状态信息估计以及信道容量 预测等； （3）动态频谱管理4 和发射功率控制。 由于 CR 技术的引入，子载波和功率分配的研究提出了新问题，与传统无线通信