基于禁忌搜索的認(rèn)知無線電性能優(yōu)化算法

劉 苗, 姚 榮, 鐘曉曦, 孫振興,2

(1. 東北石油大學(xué)秦皇島校區(qū) 電氣信息工程系, 河北 秦皇島 066004； 2. 東北大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院, 沈陽 110006)

0 引 言

近年來, 隨著無線通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展, 新一代通信系統(tǒng)除了網(wǎng)絡(luò)的極度復(fù)雜、 負(fù)載流量的海量增加外, 無線頻譜資源也將面臨一個巨大的瓶頸, 目前有限的頻譜資源越來越難滿足迅速增長的各種相關(guān)應(yīng)用和用戶的需求, 如何使互連對象之間建立可靠的連接也成為一項(xiàng)關(guān)鍵的任務(wù)。因此, 對基于時(shí)空維度頻譜可用性管理和配置其傳輸參數(shù)的智能設(shè)備的需求顯著增加[1-2]。

認(rèn)知無線電(CR： Cognitive Radio)是基于時(shí)空維度頻譜可用性管理和配置其傳輸參數(shù)的最好候選技術(shù), 其在保證授權(quán)用戶(主用戶)頻帶不受非授權(quán)用戶(次用戶)干擾的條件下, 通過允許非授權(quán)用戶共享授權(quán)用戶頻帶可使非授權(quán)用戶獲得新的頻譜資源, 但必須保證其通信不受任何影響。次用戶可共享主用戶的譜帶有3種CR方案： overlay, underlay和interweave[3-4]。對overlay和underlay方案, 次用戶可與主用戶共存而不受干擾或具有最小干擾。在underlay方案中, 次用戶的傳輸功率不應(yīng)超過某個限制, 而在overlay方案中不存在這種約束。然而, 次用戶應(yīng)對主用戶的信號有充分的了解, 以便次用戶能生成與主用戶信號正交的信號以消除干擾。在interweave方案中, 當(dāng)且僅當(dāng)主用戶不利用其譜帶時(shí), 才允許次用戶發(fā)送； 然而, 如果主用戶恢復(fù)其活動, 則次用戶應(yīng)通過切換到另一個頻帶而離開, 或若沒有空位存在, 則停止活動[5-6]。

作為認(rèn)知無線電技術(shù)的一種非常有效的實(shí)現(xiàn)方式, 頻譜池將不同用戶(軍事、 集群無線通信等)的頻譜范圍合并為一個公共的頻譜資源池[7]。文獻(xiàn)[8-9]展示了對這種嶄新的頻譜分配方式的需求。從這些主用戶占據(jù)的公共頻譜池中, 次用戶可借用暫時(shí)不被主用戶使用的頻譜資源。頻譜池技術(shù)最重要的是需保證各種非授權(quán)用戶接入當(dāng)前空閑資源時(shí), 不能對主用戶通信造成任何影響。

傳統(tǒng)的基于OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的頻譜池系統(tǒng)中, OFDM信號的旁瓣干擾導(dǎo)致其整個功率譜帶外輻射功率巨大, 系統(tǒng)通過IFFT/FFT(Inverse Fast Fourier Transform/Fast Fourier Transform)操作進(jìn)行信號的正交調(diào)制與解調(diào), 在主用戶與認(rèn)知用戶通信系統(tǒng)之間造成嚴(yán)重的相互干擾[10]。WPM(Wavelet Packet Modulation)是替代OFDM的多載波調(diào)制方法, 不需要循環(huán)前綴和導(dǎo)頻, 因此能有效提高帶寬利用率并減少旁瓣效應(yīng), 并且使用靈活多樣的小波變換基[11]。

任何認(rèn)知無線電技術(shù)都需高可靠度的通信質(zhì)量和保證頻譜資源的利用率最大化。為保證和提高授權(quán)用戶的通信質(zhì)量, 研究抑制WPM頻譜池中干擾的優(yōu)化算法具有重要意義。傳統(tǒng)的頻譜池干擾抑制方法通過屏蔽與授權(quán)用戶相鄰的認(rèn)知用戶子載波, 實(shí)現(xiàn)抑制影響授權(quán)用戶的干擾。這種方法實(shí)現(xiàn)簡單, 但無法保障認(rèn)知用戶數(shù)據(jù)傳輸率。文獻(xiàn)[12]分析了頻譜池中授權(quán)用戶與認(rèn)知用戶的ICI(Inter-Carrier Interference)能量, 定位對授權(quán)用戶產(chǎn)生最大ICI的子載波, 將這些子載波作為最優(yōu)失效子載波, 并根據(jù)認(rèn)知用戶的傳輸數(shù)據(jù)率需求, 靈活地選擇最優(yōu)失效子載波進(jìn)行失效, 從而達(dá)到抑制授權(quán)用戶ICI的目的。文獻(xiàn)[13]利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法, 獲得影響授權(quán)用戶的最優(yōu)干擾子載波, 屏蔽最優(yōu)干擾子載波以達(dá)到消除頻譜池干擾的目的。目前, 這3種算法都是在犧牲認(rèn)知用戶帶寬和數(shù)據(jù)傳輸率的前提下實(shí)現(xiàn)頻譜池干擾抑制的。為進(jìn)一步提高頻譜利用率, 筆者提出一種基于禁忌搜索的頻譜池系統(tǒng)優(yōu)化算法, 在不損失認(rèn)知用戶帶寬的情況下, 實(shí)現(xiàn)頻譜池系統(tǒng)干擾抑制和性能優(yōu)化。

1 系統(tǒng)模型

頻譜池基本思想是將其規(guī)劃為一個WPM系統(tǒng), 將主用戶的頻譜按WPM系統(tǒng)子載波間隔的整數(shù)倍匹配, 并根據(jù)WPM本身所具有的優(yōu)勢靈活使用和控制頻譜池資源。一個頻譜池內(nèi)可存在多個主用戶與認(rèn)知用戶, 并且各用戶之間可交叉存在, 充分利用所有頻段。在通信時(shí)需檢測感知系統(tǒng)通信環(huán)境, 以得到各個頻點(diǎn)的占用情況。一般對子載波空閑的情況, 用“0”表示； 而對當(dāng)前有主用戶或認(rèn)知用戶使用的頻點(diǎn), 使用“1”表示。通過這樣的向量編碼, 就可得到對當(dāng)前頻譜的一個詳細(xì)頻點(diǎn)使用地圖。認(rèn)知用戶理論上可使用頻譜池中任何資源, 只要當(dāng)前資源是標(biāo)記為 “0”[14]。頻譜池模型如圖1所示?；赪PM的頻譜池中的干擾是由于在多徑信道中授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶信號的正交性遭到破壞, 從而導(dǎo)致授權(quán)用戶信號與認(rèn)知用戶信號間的互擾。

圖1 頻譜池模型Fig.1 The model of spectrum pooling

2 基于禁忌搜索的認(rèn)知無線電性能優(yōu)化算法設(shè)計(jì)

為獲得產(chǎn)生最小平均ICI能量的小波濾波器, 采用禁忌搜索算法搜索對授權(quán)用戶產(chǎn)生最小ICI的小波調(diào)制濾波器, 并用該濾波器調(diào)制信號, 可在不損失認(rèn)知用戶傳輸帶寬的條件下, 有效抑制頻譜池多用戶間干擾, 改善頻譜池系統(tǒng)性能。具體步驟如下。

1) 設(shè)定初始值。設(shè)定認(rèn)知用戶子載波數(shù)L、 小波濾波器級數(shù)最大值Nmax、 禁忌長度T、 迭代次數(shù)K的值(K>L), 將初始計(jì)數(shù)器清零。

2) 創(chuàng)建初始小波濾波器。針對選擇隨機(jī)數(shù)Nmax, 創(chuàng)建初始小波調(diào)制濾波器

(1)

(2)

(3)

3) 比較初始生成的小波濾波器結(jié)構(gòu)和Mallat結(jié)構(gòu)的符號率, 要求這兩種結(jié)構(gòu)的符號率必須相等, 若不相等則返回2), 重新生成初始小波濾波器。

4) 編碼。小波包樹的每個節(jié)點(diǎn)編碼為(i,j), 其中i∈(0,…,Nmax)代表層索引,j∈(0,…,2i-1)代表在第i層的位置索引。j為偶數(shù)代表高通濾波器,j為奇數(shù)代表低通濾波器。符合Mallat結(jié)構(gòu)的L個節(jié)點(diǎn)集合x就是一個小波濾波器的編碼。

5) 把初始濾波器和其目標(biāo)函數(shù)值作為當(dāng)前最優(yōu)解(x,f(x)), 并把x放入禁忌表。采用構(gòu)造出的小波濾波器調(diào)制認(rèn)知用戶子載波, 并把調(diào)制后認(rèn)知用戶子載波對授權(quán)用戶產(chǎn)生的平均ICI能量作為目標(biāo)函數(shù)[14]

(4)

其中hl=[hl1,hl2,…,hlNn]為調(diào)制授權(quán)用戶子載波所用的濾波器,hr=[hr1,hr2,…,hrNr]為調(diào)制認(rèn)知用戶子載波所用的濾波器,m和n的范圍由濾波器的長度決定,p是信道的額外延遲,hli和hri分別是調(diào)制授權(quán)用戶第i個認(rèn)知用戶第j個子載波使用的濾波器函數(shù),Nr是認(rèn)知用戶的子載波數(shù),Nl是授權(quán)用戶的子載波數(shù)。

6) 檢查禁忌表, 在鄰域重新生成新的濾波器。

隨機(jī)選擇當(dāng)前最優(yōu)濾波器中某一節(jié)點(diǎn)(i,j), 如果j<2i-1-1, 且(i,j+1)沒有在當(dāng)前濾波器結(jié)構(gòu)中, 則變?yōu)?i,j+1)； 如果j=2i-1-1且(i,j-1)沒有在當(dāng)前濾波器結(jié)構(gòu)中, 則變?yōu)?i,j-1), 重新產(chǎn)生新的濾波器。重新生成濾波器的規(guī)則： 如果節(jié)點(diǎn)(i,j)被選擇, 則(i,j)節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)不能被選擇。假設(shè)節(jié)點(diǎn)(i,j)被選擇, 如果j是奇數(shù), 則節(jié)點(diǎn)(i,j-1)或其子節(jié)點(diǎn)必須被選擇； 如果j是偶數(shù), 則節(jié)點(diǎn)(i,j+1)或其子節(jié)點(diǎn)必須被選擇。

7) 比較新生成的小波濾波器結(jié)構(gòu)和Mallat結(jié)構(gòu)的符號率, 相等則更新禁忌表； 若不相等, 則返回6)。

8) 將新濾波器的目標(biāo)函數(shù)值與當(dāng)前最優(yōu)解中的目標(biāo)函數(shù)值相比較, 如果小于當(dāng)前最優(yōu)解中的目標(biāo)函數(shù)值, 則該濾波器和其目標(biāo)函數(shù)值成為當(dāng)前最優(yōu)解(x,f(x))。將x放入禁忌表, 計(jì)數(shù)器值加1, 如果計(jì)數(shù)器值小于K, 返回6)； 否則結(jié)束, 產(chǎn)生最優(yōu)小波濾波器。用最優(yōu)小波濾波器調(diào)制認(rèn)知用戶信號, 將產(chǎn)生更小的ICI。該算法復(fù)雜度為O(N2)。

3 算法仿真與分析

3.1 仿真場景

仿真場景1。算法初始值設(shè)定為： 采用Db(6)小波, 調(diào)制方式QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), 授權(quán)用戶子載波為64, 認(rèn)知用戶子載波為16, 設(shè)定小波濾波器級數(shù)最大值為8、 迭代次數(shù)為200、 禁忌長度為4。

屏蔽子載波算法的調(diào)制濾波器： 任意選擇一個Mallat結(jié)構(gòu)的小波濾波器調(diào)制認(rèn)知用戶子載波, 選擇第4級濾波器的0～15個節(jié)點(diǎn)構(gòu)成濾波器。

仿真場景2。算法初始值設(shè)定為： 采用Db(6)小波, 調(diào)制方式QPSK, 授權(quán)用戶子載波為128, 認(rèn)知用戶子載波為32, 設(shè)定小波濾波器級數(shù)最大值為10、 迭代次數(shù)為500、 禁忌長度為8。

屏蔽子載波算法的調(diào)制濾波器： 任意選擇一個Mallat結(jié)構(gòu)的小波濾波器調(diào)制認(rèn)知用戶子載波, 選擇第5級濾波器的0～31個節(jié)點(diǎn)構(gòu)成濾波器。

3.2 仿真結(jié)果與分析

在仿真場景1下, 使用禁忌搜索選擇最優(yōu)小波濾波器。圖2將提出的優(yōu)化算法產(chǎn)生的影響授權(quán)用戶的ICI能量與屏蔽相鄰子載波算法, 最佳失效子載波算法和基于遺傳算法的ICI抑制算法相比較。由圖2可見, 各種屏蔽子載波算法和筆者提出的優(yōu)化算法都能減少影響授權(quán)用戶的ICI能量。隨著屏蔽子載波數(shù)的增加, ICI能量越來越小。但在場景1中認(rèn)知用戶共占有16個子載波, 當(dāng)屏蔽2個子載波, 在犧牲認(rèn)知用戶傳輸帶寬的1/8條件下, 筆者提出的優(yōu)化算法的ICI抑制效果要明顯優(yōu)于3種屏蔽子載波算法。當(dāng)屏蔽4個子載波時(shí), 在犧牲認(rèn)知用戶傳輸帶寬的1/4的條件下, 基于遺傳算法的ICI抑制算法和最優(yōu)失效子載波算法的效果略優(yōu)于筆者提出的優(yōu)化算法, 而筆者提出的算法明顯優(yōu)于屏蔽相鄰子載波算法的ICI抑制效果。

在場景1中, 在屏蔽4個子載波的條件下, 圖3將采用3種屏蔽子載波算法和采用筆者提出的優(yōu)化算法的系統(tǒng)BER(Bit Error Rate)性能進(jìn)行比較。由圖3可見, 采用筆者提出的優(yōu)化算法的頻譜池系統(tǒng)在不犧牲任何認(rèn)知用戶帶寬的情況下, BER性能優(yōu)于其他3種屏蔽子載波算法。

圖2 場景1下采用各種算法的系統(tǒng)ICI能量對比 圖3 場景1中采用各種優(yōu)化算法的系統(tǒng)BER性能對比 Fig.2 ICI energy comparison of system using various algorithms in scenario 1 Fig.3 Performance comparison of BER system with various optimization algorithms in scenario 1

圖4 場景2中的基于禁忌算法搜索到的小波濾波器的樹形結(jié)構(gòu)Fig.4 Tree structure of the wavelet filter searched based on Tabu in scenario 2

在仿真場景2下, 使用優(yōu)化算法選擇最優(yōu)小波濾波器, 獲得的最優(yōu)小波濾波器結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖5將場景2中筆者提出的優(yōu)化算法產(chǎn)生的影響授權(quán)用戶的ICI能量與屏蔽相鄰子載波算法、 最佳失效子載波算法和基于遺傳算法的ICI抑制算法相比。由圖5可見, 各種屏蔽子載波算法和筆者提出的優(yōu)化算法都能減少影響授權(quán)用戶的ICI能量。隨著屏蔽子載波數(shù)的增加, ICI能量越來越小。但在場景2中認(rèn)知用戶共占有32個子載波, 當(dāng)屏蔽4個子載波, 在犧牲認(rèn)知用戶傳輸帶寬的1/8條件下, 筆者提出的優(yōu)化算法的ICI抑制效果要明顯優(yōu)于其他3種屏蔽子載波算法。當(dāng)屏蔽6個子載波, 犧牲認(rèn)知用戶傳輸帶寬的1/6時(shí), 3種屏蔽子載波算法的效果略優(yōu)于筆者提出的優(yōu)化算法。

場景2中, 在屏蔽6個子載波的條件下, 圖6將采用3種屏蔽子載波算法和采用筆者提出的優(yōu)化算法的系統(tǒng)BER性能進(jìn)行比較。由圖6可見, 采用筆者提出的優(yōu)化算法的頻譜池系統(tǒng)在不犧牲任何認(rèn)知用戶帶寬的情況下, BER性能要優(yōu)于3種屏蔽子載波算法。

圖5 場景2中采用各種算法的系統(tǒng)ICI能量對比 圖6 場景2中采用各種優(yōu)化算法的系統(tǒng)BER性能對比 Fig.5 ICI energy comparison of system using various agorithms in scenario 2 Fig.6 Performance comparison of BER system with various optimization algorithms in scenario 2

由以上仿真結(jié)果可見, 筆者提出的優(yōu)化算法在不損失認(rèn)知用戶任何帶寬的情況下, 可有效抑制系統(tǒng)ICI, 優(yōu)化系統(tǒng)BER性能。雖然其他3種屏蔽子載波算法在失效子載波數(shù)足夠多的情況下, 能具有更好的優(yōu)化系統(tǒng)效果, 但犧牲認(rèn)知用戶大量帶寬不符合高效共享頻譜池資源的原則。

4 結(jié) 語

在通信系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)的新時(shí)代, 5G將是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)需求的重要技術(shù)。在5G移動通信系統(tǒng)中采用更加先進(jìn)的認(rèn)知無線電技術(shù)是提高頻譜效率進(jìn)而緩解供需矛盾的重要手段。采用小波的認(rèn)知無線電系統(tǒng)具有好的靈活性和帶寬有效性。筆者提出的基于禁忌搜索獲得最優(yōu)小波濾波器算法, 能找到產(chǎn)生最小ICI干擾的小波濾波器, 從而在不損失認(rèn)知用戶任何帶寬的情況下抑制認(rèn)知無線電系統(tǒng)的ICI干擾, 優(yōu)化系統(tǒng)性能。未來將進(jìn)一步研究5G與認(rèn)知無線電技術(shù)的融合, 最終實(shí)現(xiàn)在5G系統(tǒng)中將不同的無線電通信技術(shù)通過認(rèn)知無線電技術(shù)整合在一起, 形成一個互通的大網(wǎng)絡(luò)融合。