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1、10申请公布号CN104144046A43申请公布日20141112CN104144046A21申请号201410352631X22申请日20140723H04L5/0020060171申请人华南理工大学地址510640广东省广州市天河区五山路381号72发明人黄松郑心炜74专利代理机构广州市华学知识产权代理有限公司44245代理人蔡茂略54发明名称一种OFDM时频资源分配方法57摘要本发明公开了一种OFDM时频资源分配方法，将可用的时频资源从时隙和信道两个维度划分为时频资源块的集合，将主用户的流量在所述时频资源块集合内进行分配，使任意一个时频资源块或完全占用或完全空闲。通过本发明可以规范化主。
2、用户流量的时频资源使用，将主用户与二级用户所占用的时频资源分开，避免出现二者共享时频资源块的情况，提高了二级用户对时频资源状态的检测效率，降低了二级用户的数据传输控制复杂度。51INTCL权利要求书3页说明书10页附图5页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书3页说明书10页附图5页10申请公布号CN104144046ACN104144046A1/3页21一种OFDM时频资源分配方法，其特征在于，包括如下步骤S1设当前可用的总带宽为W,根据无线认知网络的处理能力和主用户的最小可分辨流量，按如下公式确定子载波带宽，其中M为正整数；S2以为单位，将总带宽W划分为N个子载波组成的。
3、集合A其中N为子载波总数；为FLOOR函数，返回小于W/的最大整数；HI为获取I带宽的函数；Z代表整数集；S3选取集合A中的任意一个子载波作为公共控制信道,用于主用户传送控制信息；对集合A中其余的N1条子载波按照子载波带宽的2次方倍进行分组，获得信道集合B,其中M为数据传输信道总数；为FLOOR函数，返回小于LOG2W/的最大整数；HK为获取K带宽的函数；每一条信道K包含2K个子载波S4设当前可用的时间帧的时长为TF,根据主用户的数据包长度，按如下公式确定微时隙时长其中M为正整数；S5以为单位，将时间帧的时长TF划分为多个微时隙组成的集合SS6选取集合S中的任意1个微时隙作为公共控制时隙,用于。
4、主用户传送控制信息；对集合S中其余的N1个微时隙按照的2次方倍进行分组，获得时隙集合,其中M为数据传输时隙总数；为FLOOR函数，返回小于LOG2TF/的最大整数；TK为获取K时长的函数；Z代表整数集；每个时隙M包含2M个微时隙S7从队列中读取主用户在T时刻的PACKET流量RT，并将RT表示成子载波带宽的2次方倍数的和权利要求书CN104144046A2/3页3其中，为指示函数，由T时刻从队列中读取的主用户流量RT决定，其值为0或1；S8根据的值，以PACKETSPERSECOND为单位，将T时刻读取的主用户流量RT分配到信道集B上进行转发；S9对每一个分配了流量的信道K，确定分配到该信道的。
5、实际的BPS流量，并记为RKT，将RKT表示成微时隙容量HK的2次方倍数的和其中，为指示函数，由RKT决定，其值为0或1；S10根据的值，以BITSPERSECOND为单位将流量RKT分配到时隙集上进行转发；S11二级用户在信道集合B和时隙集合所构成的二维平面上，以K为纵坐标，以M为横坐标，寻找当前状态为空闲的时隙信道块M,K，用于传送数据。2根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S8中，具体分配方法如下S81,初始状态下，令KM1,MZ，并将当前待分配流量记为V，且令VRT；S82,如果则从V中分配2K的流量给信道K，并更新V为V2K，如果则执行S83；S83,如果K0，则更新K为K1，。
6、返回S82；否则，将V的剩余流量分配给信道0，分配过程结束。3根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S10中，具体分配方法如下S101,初始状态下，令MM1,其中并将当前待分配流量记为V，且令VRKT；S102,如果则从V中分配2MHK的流量给时隙M，并更新V为V2MHK，如果则执行S103；S103,如果M0，则更新M为M1，返回S102；否则，将V的剩余流量分配给时隙0，分配过程结束。4根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3中每条信道K所包含的任意两个子载波I,I1为相邻频段或是不相邻频段。5根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述S11中检测时隙信道块M,K的状态时，无需逐一。
7、检测所有2MK个微时隙子载波块的状态，而仅需检测其中一个微时权利要求书CN104144046A3/3页4隙子载波块其状态等同于所属时隙信道块M,K的状态。6根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述S1中的子载波带宽是在认知无线网络处理能力允许的最优值。7根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述S4中的微时隙时长是在认知无线网络处理能力允许的最优值。8根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S11中，当二级用户数目多于一个，需设立一个访问代理负责完成信道状态检测，并协调多个二级用户的资源请求；所述访问代理是专职代理，或选择一个二级用户节点兼任。权利要求书CN104144046A1/10页5一种。
8、OFDM时频资源分配方法技术领域0001本发明涉及网络通信领域，特别涉及一种OFDM时频资源分配方法。背景技术0002在CRN网络中，主用户PRIMARYUSERS，PU指那些对某段频谱的使用具有高优先级或合法授权的用户，二级用户SECONDARYUSERS，SU是指那些低优先级的用户。SU对频谱的使用不得对PU造成干扰，因此要求其能快速、可靠地感知PU使用授权频谱的情况。SU必须具备对现有信道占用情况的认知能力，因而也称其为认知用户COGNITIVEUSERS，在网络结构中则表示为认知节点。0003认知网络开放式的频谱使用策略允许网络中的SU和授权系统的PU共享相同的频段，根据和PU达成的协。
9、议以及干扰约束条件，SU可以在不干扰PU的前提下，使用那些未被PU占用的频段。从原理来看，认知网络中的频谱共享策略主要分为覆盖式和叠加式。无论是覆盖式还是叠加式，其目标都是在不影响PU的前提下，尽可能提高PU与SU的共享程度、提高频率资源利用率。针对这一目标，已有各种文献提出了多种方案。0004SHUANG等于2008年在THE27THCONFERENCEONCOMPUTERCOMMUNICATIONS美国电气和电子工程师协会计算机通信会议上发表的“OPPORTUNISTICSPECTRUMACCESSINCOGNITIVERADIONETWORKS”认知无线网络中的伺机频谱接入，提出了基于不。
10、同的感知、退避和传输机制的三种频谱接入方案，并给出了对于次级用户性能的闭式分析。ANANDKUMAR等于2010年发表在IEEEINFOCOM电气电子工程师协会计算机通信国际会议上的“OPPORTUNISTICSPECTRUMACCESSWITHMULTIPLEUSERSLEARNINGUNDERCOMPETITION”多用户的伺机频谱接入考虑用户竞争的学习算法，研究了如何使多个次级用户中合作式分配达到总吞吐量最大，并提出了一种学习机制以分布式的方式达到渐进式最优。但是上述文献的方法有较强的应用局限。0005AHMAD等于2009年发表在INFORMATIONTHEORY,IEEETRANSA。
11、CTIONS美国电气和电子工程师协会信息论上的“OPTIMALITYOFMYOPICSENSINGINMULTICHANNELOPPORTUNISTICACCESS，多频道伺机接入中短视感知方法的最优性，证明了在主用户是独立和同等分布下的马尔科夫过程模型中，当状态变化与时间正相关时短视感知策略是最优的。TEKIN等于2011年在IEEEINFOCOM电气电子工程师协会计算机通信国际会议上发表的“ONLINELEARNINGINOPPORTUNISTICSPECTRUMACCESSARESTLESSBANDITAPPROACH，伺机频谱接入的在线学习机制，构造了一个考虑主用户频段时变条件下次级用。
12、户频谱接入的在线学习算法。但是上述算法的缺陷在于均采用集中式算法，拥有较高的运算复杂度以及额外的通信开销。0006要达到理想的CRN通信效果，即PU与SU的频谱共享程度最大化而不又影响PU的性能，主要挑战在于SU需要准确和及时地感知PU的忙闲状态以及对频谱的占用情况。现有技术大多从提高SU感知能力入手，设计各种状态和频谱感知算法，以期获得最高的频谱资源利用率。然而，考虑到PU流量的随机性和突发性BURSTINESS，单纯依赖SU的感知能说明书CN104144046A2/10页6力，很难取得比较好的感知效果。0007此外，当PU数据分组PACKET的长度变化较大时，单纯依靠频率划分或单纯依靠时隙。
13、划分的做法不能保证资源的高利用率。需要从时间和频率两个维度同时加以考虑，在时频空间中合理分配PU流量，同时为SU选择合适的空闲时频资源块TIMEFREQUENCYBLOCK，以此来解决PU流量在PACKET层面和BIT层面的突发性导致的资源利用率低的问题，而现有文献缺少这方面的做法。发明内容0008为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种OFDM时频资源分配方法。0009本发明采用如下技术方案0010一种OFDM时频资源分配方法，包括如下步骤0011S1设当前可用的总带宽为W,根据无线认知网络的处理能力和主用户的最小可分辨流量，按如下公式确定子载波带宽，00120013其中M为正整数；。
14、0014S2以为单位，将总带宽W划分为N个子载波组成的集合A00150016其中N为子载波总数；为FLOOR函数，返回小于W/的最大整数；HI为获取I带宽的函数；Z代表整数集；0017S3选取集合A中的任意一个子载波作为公共控制信道CCC,用于主用户传送控制信息；对集合A中其余的N1条子载波按照子载波带宽的2次方倍进行分组，获得信道集合B,00180019其中M为数据传输信道总数；为FLOOR函数，返回小于LOG2W/的最大整数；HK为获取K带宽的函数；0020每一条信道K包含2K个子载波00210022S4设当前可用的时间帧的时长为TF,根据主用户的数据包长度，按如下公式确定微时隙时长002。
15、30024其中M为正整数；0025S5以为单位，将时间帧的时长TF划分为多个微时隙组成的集合S0026说明书CN104144046A3/10页70027S6选取集合S中的任意一个微时隙作为公共控制时隙CCC,用于主用户传送控制信息；对集合S中其余的N1个微时隙按照的2次方倍进行分组，获得时隙集合,00280029其中M为数据传输时隙总数；为FLOOR函数，返回小于LOG2TF/的最大整数；TK为获取K时长的函数；Z代表整数集；0030每个时隙M包含2M个微时隙00310032S7从队列中读取主用户在T时刻的PACKET流量RT，并将RT表示成子载波带宽的2次方倍数的和00330034其中，为指。
16、示函数，由系统在T时刻从队列中读取的PU流量RT决定，其值为0或100350036上式中的为CEILING函数,为按位与操作符。0037S8根据的值，以PACKETSPERSECOND为单位，将T时刻读取的主用户的PACKET流量RT分配到信道集B上进行转发；0038S9将分配到信道K的流量RKT转成实际的比特率BITSPERSECOND，并表示成信道K微时隙容量HK的2次方倍数的和00390040其中，为指示函数，由系统在T时刻分配到信道K的比特流量RKT决定，其值为0或100410042上式中的为CEILING函数,为按位与操作符。说明书CN104144046A4/10页80043S10根。
17、据的值，以BITSPERSECOND为单位将流量RKT分配到时隙集上进行转发；0044S11二级用户在信道集合B和时隙集合所构成的频时二维平面上，以K为纵坐标，以M为横坐标，检测当前状态为空闲的时隙信道块M,K，用于传送数据。0045所述S8中，具体分配方法如下0046S81,初始状态下，令KM1,将当前待分配流量记为V，且令VRT；0047S82,如果则从V中分配2K的流量给信道K，并更新V为V2K；如果则执行S83；0048S83,如果K0，则更新K为K1，返回S82；否则，将V的剩余流量全部分配给信道0，分配过程结束。0049所述S10中，具体分配方法如下0050S101,初始状态下，令。
18、将当前待分配流量记为V，且令VRKT；0051S102,如果则从V中分配2MHK的流量给时隙M，并更新V为V2MHK；如果则执行S103；0052S103,如果M0，则更新M为M1，返回S102；否则，将剩余流量全部分配给时隙0，分配过程结束。0053所述S3中每条信道K所包含的任意两个子载波I,I1为相邻频段或是不相邻频段。0054所述S11中检测时隙信道块M,K的状态时，无需逐一检测所有2MK个微时隙子载波块的状态，而仅需检测其中一个微时隙子载波块其状态等同于所属时隙信道块M,K的状态。0055所述S1中的子载波带宽是在认知无线网络处理能力允许的最优值。0056所述S4中的微时隙时长是在认。
19、知无线网络处理能力允许的最优值。0057所述S11中，当二级用户数目多于一个，需设立一个访问代理负责完成信道状态检测，并协调多个二级用户的资源请求；所述访问代理是专职代理，或选择一个二级用户节点兼任。0058本发明的有益效果00591降低SU的传输控制复杂度0060现有CRN为了使SU的传输不对PU的QOS造成干扰，需要根据PU所能允许的信噪比S/N为SU设定一个传输功率门槛值THRESHOLD，也称INTERFERENCETEMPERATURE，并将SU的传输功率小心地控制在该门槛值以下。SU既不能影响PU，又要与PU共享频带，这一方面增加了SU传输控制的复杂度，另一方面限制了SU的传输效率。
20、；0061采用本发明，首先将可用频带划分成二维时频平面上的一组资源块；PU对其中说明书CN104144046A5/10页9每个时隙信道资源块M,K的占用是100占用或100空闲，避免部分占用的情况出现。由于SU不需要与PU共享一个时频资源块，无需根据PU的SNR去设定SU的功率门槛值，SU的传输控制算法得到了简化，可以使用该信道全部的传输能力；00622进一步提高频谱利用率0063按照一个维度频率或时隙进行PU的PACKET流量分配时，为避免出现信道拥塞，往往会按照最大长度预留资源；而由于实际的PACKET长度存在较大差异，会导致一部分预留的时频资源的闲置；0064本发明从时隙和频带两个维度将。
21、带宽资源划分为时隙信道块；首先将PU流量以PACKETSPERSECONDPPS为单位在信道维度上进行分配；然后针对每个信道再以BITSPERSECONDBPS为单位在时隙维度上进行分配，将PU流量尽可能集中在部分时隙，从而将节省出来的时隙留给SU使用，进一步提高了信道的资源利用率；00653提高SU的检测效率0066SU在检测任意一个时隙信道块M,K时，不必逐一检测M,K中所有2MK个微时隙子载波资源块的状态，仅需选取其中一个微时隙子载波块其状态等同于M,K的状态，从而将检测操作的复杂度从NN减小到LOG2NLOG2N。附图说明0067图1是本发明的信道、时隙划分及PU流量分配原理示意图。0。
22、068图2是本发明的PU流量在信道集合上的分配步骤示意图。0069图3是本发明的PU流量在时隙集合上的分配步骤示意图。0070图4是本发明的时隙信道块的状态检测流程示意图。0071图5是本发明的时隙信道资源块划分状态示意图。具体实施方式0072下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。0073实施例0074如图1所示，一种OFDM时频资源分配方法，包括如下步骤0075S1设当前CRNCOGNITIVERADIONETWORKS，CRN中PUPRIMARYUSER,PU的可用总带宽W为75MBPS，按照认知无线网络处理能力允许的前提下，确定最优的子载波带宽00。
23、760077其中M为正整数。0078显然，选择更大的M可以获得更小的和更多的子载波，细化流量分辨率，减少流量分配过程中的频带资源浪费。但更多的子载波会导致OFDM接收端的子载波叠加后的峰均比PEAKTOAVERAGEPOWERRATIO，PAPR过高，导致在尖峰流量时因非线性而过载以及带外辐射OUTOFBANDRADIATION等问题，降低设备的应用效率。0079因此，通过综合考虑系统处理能力和PU的最小可分辨流量，选定M9，从而得说明书CN104144046A6/10页10到子载波带宽008075220/29BPS15KBPS；0081S2以为单位，将当前可用的总带宽W75MBPS划分为N子。
24、载波SUBCARRIER组成的集合A0082AI|HI,0I0，则更新K为令K1，返回S82；否则将V的剩余流量全部分配给信道0，分配过程结束。0119如果信道带宽的单位为BPS，而PU流量单位为PACKET,因此，在对PU流量进行分配前，需首先针对表1进行BPSBITSPERSECOND与PPS之间的转换。每个PACKET的长度可能有差异，最大1538字节BYTE，最小64字节。0120为保证信道能够容纳最长的PACKET，本实施例采用1538字节进行计算，则获得的以PPS为单位的子载波带宽为01210122其中表示FLOOR函数，则相应的信道带宽列表3如下。0123表3基于PPS的信道带宽。
25、0124信道CCC0123子载波012347815信道带宽PPS112480125信道45678子载波1631326364127128255256511信道带宽PPS1632641282560126基于表3所示信道容量，进行PU流量分配之后的信道使用情况如表4所示。0127表4PU流量分配与信道使用情况0128说明书CN104144046A129/10页130129表4中最右列的UMC代表PU每次发送数据所实际使用信道的掩码，该掩码被PU发送方通过公共控制信道CCC发送给PU接收方，接收方通过UMC获知PU发送方本次发送数据实际使用的信道列表，从而过滤掉其它无关信道，避免受SU数据传送的影响。。
26、0130S9以BITPERSECOND为单位，将分配给信道K的比特流量RKT表示成微时隙容量HK的2次方倍的和01310132其中，代表上述和式中第M项的系数，其值为0或1，由T时刻分配到信道K上的PU流量RKT决定。0133如图3所示，S10根据的值，以BITSPERSECOND为单位，将T时刻信道K上的主用户的流量RKT分配到时隙集的时隙上进行转发。流量分配采用如下方法，其步骤为0134S101,初始状态下，令MM17,并将当前待分配流量记为V，且令VRKT；0135S102,如果则从RT中分配2MHK的流量给时隙M，并更新V为V2MHK；否则执行S103；0136S103,如果M0，则更。
27、新M为M1，返回S102；否则将V的剩余流量分配给时隙0，分配过程结束。0137以表4中的首个流量采样383PPS为例，分配到3上的PACKET流量为8PPS假设平均PACKET长度少于1538字节，实际为980字节，则实际分配到3上的BIT流量为980BYTE/P8PPS8BIT/BYTE62720BPS在中的分配如表5所示。0138表53信道的时隙占用情况示例说明书CN104144046A1310/10页1401390140其中1流量为960BPS,7流量为61440BPS；剩余的320BPS分配给0表明1和7为全部占用，0为部分占用。0141表5中最右列的UMT代表该PU流量所对应的时隙。
28、掩码，该掩码被PU发送方通过公共控制时隙CCC发送给PU接收方，接收方通过UMC获知PU发送方实际使用的时隙列表，从而在接收数据时过滤掉无关时隙，以免受SU数据传送的影响。0142显然，3的时隙26均为空闲状态，构成了5个时隙信道块，分别是2,3,3,3,4,3,5,3,5,3这些资源块都可以为SU所利用。相比仅采用频率划分、PU流量占用3全部8个时隙资源块的做法，本发明通过对信道进一步的时隙划分，为SU提供更多的可以利用的空闲资源，进一步提高了信道利用率。0143如图4、图5所示，S11二级用户在信道集合B和时隙集合所构成的频时二维平面上，以K为纵坐标，以M为横坐标，选择当前状态为空闲的时隙。
29、信道块M,K，用于传送数据。0144所述S11中二级用户检测时隙信道块M,K的状态时，无需逐一检测其中所有的2MK个微时隙子载波块的状态，而仅需检测其中一个微时隙子载波块其状态等同于所属时隙信道块M,K的状态。0145比如，SU需要检测时隙信道块7,3的状态，7包含的微时隙为128255，3包含的子载波为815，7,3包含的时频二维平面上一共2731024个微时隙子载波块。由于本发明采用的PU流量分配方式使得7,3中所有微时隙子载波块的状态完全一致，因此SU只需从1024个微时隙子载波块中选取一个进行检测，即可获得7,3的状态,从而将SU的检测操作次数从最多1024次减少到1次。0146所述S。
30、1和S4确定子载波带宽和微时隙时长时，需综合考虑PU的最小可分辨流量和系统处理能力来确定。减小和有利于减少带宽和时隙资源的浪费；但减小和也会增加时频资源平面内的微时隙子载波资源块的数目，从而增大了系统的处理负荷。适当做法是在系统能力允许的前提下，选取最优的和0147上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。说明书CN104144046A141/5页15图1说明书附图CN104144046A152/5页16图2说明书附图CN104144046A163/5页17图3说明书附图CN104144046A174/5页18图4说明书附图CN104144046A185/5页19图5说明书附图CN104144046A19。