在傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)中，頻譜分配制度為固定頻譜分配。為避免干擾，各國政府無線電管理部門對無線電頻譜資源進行統(tǒng)一的宏觀管理，通過給不同系統(tǒng)頒發(fā)無線電頻譜使用牌照的形式來為其分配特定的頻段，將頻譜分為授權(quán)頻段(LFB)和非授權(quán)頻段(UFB)兩個部分。隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，固定無線電頻譜分配雖然避免了不同系統(tǒng)間的干擾，卻帶來了極低的頻譜利用率和頻譜資源匱乏問題，已經(jīng)成為制約無線通信技術(shù)的主要瓶頸之一[1]。因此，美國聯(lián)邦通信委員會和其他頻譜管理機構(gòu)考慮在已有的授權(quán)頻譜中引入其他的用戶，且不會對授權(quán)頻帶內(nèi)的用戶造成不可接受的干擾，即實現(xiàn)機會頻譜接入OSA(Opportunistic Spectrum Access)技術(shù)[2]。

    MITOLA等人在軟件無線電SR(Software Radio)技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了認知無線電CR(Cognitive Radio)技術(shù)[3]。CR技術(shù)作為一種新興的無線通信系統(tǒng)，旨在對空、時、頻等各域上的空閑資源(亦稱為“頻譜空洞”或“白色空間”)進行有效的感知探測和合理的再利用[4]，在授權(quán)頻帶內(nèi)主要用戶通常被稱為授權(quán)用戶LU(License User)和所有其他的用戶稱為非授權(quán)用戶或認知用戶CU(Cognitive User)。其主要作用是在不影響LU正常通信的前提下，尋找頻譜機會進行CU間的有效通信,可以說認知無線電技術(shù)是目前解決頻譜資源匱乏的最有效方法[5]。
    正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)具有便于自適應(yīng)調(diào)整的參數(shù)和可重配的子載波結(jié)構(gòu)，其接收端的快速離散Fourier變換模塊也可同時用于頻譜感知，抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強，頻譜利用率高等優(yōu)點，這些優(yōu)點使得OFDM成為實現(xiàn)CR系統(tǒng)的理想備選技術(shù)之一[6]。利用OFDM技術(shù),認知用戶能夠靈活地填補授權(quán)用戶留下的頻譜空白，功率分配不僅是傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，而且還是認知無線電技術(shù)中頻譜分析和判決的重要手段，在認知網(wǎng)絡(luò)中鏈路容量最大化同樣也要深化功率分配的研究。


    由(8)式可知，CU頻帶中第i個子載波被分配的功率，有可能出現(xiàn)小于零的情況，因此這里采取迭代分塊注水（IPW）算法進行分析處理，經(jīng)過多次迭代運算，直至CU頻帶中每個子載波所分配的功率是非負值為止[9]。
3.2 次優(yōu)功率分配方案

    在次優(yōu)功率分配方案中，需要將CU頻帶內(nèi)的子載波序號如圖1所示，這里取N為偶數(shù)；當(dāng)N取奇數(shù)時，也有類似表達。基于參考文獻[7]提出的次優(yōu)化方案A和方案B，本文提出了基于冪指數(shù)分布的方案C和方案D。
3.2.1 方案C
    該方案考慮CU頻帶內(nèi)功率分配,隨著CU頻帶中子載波與LU頻段之間頻譜距離的增加,子載波分配的功率成冪函數(shù)階梯狀分布，假設(shè)第i個子載波分配的功率為:

    圖5給出了在CU發(fā)射總功率約束的條件下，不同干擾門限值下各種不同方案的CU信道吞吐量。可以看出，在干擾門限值達到一定值時，各種方案的信道吞吐量均趨于一個定值。

    同時，還應(yīng)該看到，不再有某一特定方案在所有干擾功率門限值上優(yōu)于其他次優(yōu)分配方案來趨近最優(yōu)方案。LU干擾功率門限值在0.4 μW~0.64 μW之間時，方案D的認知用戶信道吞吐量最接近最優(yōu)方案；LU干擾功率門限值在0.64 μW~1.24 μW之間時，方案B最接近最優(yōu)方案；LU干擾功率門限值在大于1.24 μW時，方案A最接近最優(yōu)方案。在CU發(fā)射總功率受約束的情況下，CU信道最大吞吐量不再依據(jù)某種特定的方案來趨近最優(yōu)方案。因此，在此情況下，不能再選擇某一特定方案來最大化信道吞吐量，而是應(yīng)該在確定LU干擾功率門限值（或門限區(qū)間）的前提下選擇次優(yōu)化功率分配方案來進行功率分配。
    本文研究了基于OFDM的認知無線電系統(tǒng)的功率分配問題。針對最優(yōu)化功率分配方案運算復(fù)雜程度較高的問題，提出了基于冪函數(shù)分布的次優(yōu)化功率分配方案，并與參考文獻[7]中提到的次優(yōu)化功率分配方案進行了對比，本文提出的方案優(yōu)于參考文獻[7]提出的次優(yōu)方案。最后還分析在CU發(fā)射總功率約束下的信道吞吐量，隨著LU所能承受干擾約束值的增加，CU信道吞吐量趨于一個定值。在認知用戶發(fā)射總功率約束的情況下，應(yīng)采用不同次優(yōu)方案來進行功率分配，以滿足最大認知用戶信道吞吐量最大化的要求。
參考文獻
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