一種基于混沌搜索量子遺傳算法的無線頻譜分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于混濁捜索量子遺傳算法的無線頻譜分 配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在無線通信技術(shù)發(fā)展的過程當(dāng)中，制約無線通信領(lǐng)域的發(fā)展的瓶頸是頻譜資源的 短缺，而造成頻譜資源短缺的一個主要原因是頻譜資源利用率低下。美國聯(lián)邦通信委員 會（FCC)的相關(guān)研究項(xiàng)目表明，目前所廣泛采用的固定頻譜分配策略已經(jīng)難W解決當(dāng)今社 會快速增長的無線通信需求。為了提高頻譜資源的利用效率，解決頻譜利用不均衡問題， JosephMitola在軟件無線電的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了認(rèn)知無線電的概念，W提高頻譜利用 率和頻譜分配質(zhì)量，緩解頻譜資源短缺的壓力。
[0003] 在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，頻譜信息是動態(tài)變化的，因此，靈活性和實(shí)時(shí)性是頻譜分配算 法應(yīng)具備的兩個基本條件?，F(xiàn)有的動態(tài)頻譜分配方法主要包括；博弈論、拍賣理論和圖論著 色等方法，其中具有靈活高效特點(diǎn)的圖論著色方法是該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的在于提供一種提高頻譜分配網(wǎng)絡(luò)效益W及用戶之間公平性的基于混 濁捜索量子遺傳算法的無線頻譜分配方法。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用了W下技術(shù)方案，本發(fā)明所述分配算法包括如下步驟：
[0006] (1)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括主用戶和次級用戶，每個主用戶擁有一條獨(dú)立信道，通過認(rèn) 知無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，確定W下矩陣，
[0007]可用頻譜矩陣L=Un,m| {0, 1} }NXI
[000引效益矩陣B= {b"，m}NXM
[0009]干擾矩陣C= {Cn，k，m|Cn，k，mE{〇, 1}}nxnxm
[0010]其中，N表示用戶個數(shù)，M表示信道條數(shù)；l&m=1表示信道m(xù)可w被認(rèn)知用戶n使 用，并且沒有對主用戶產(chǎn)生干擾，反之，信道m(xù)不可W被認(rèn)知用戶n使用；1^。表示認(rèn)知用戶 n使用信道m(xù)是可獲得的效益；c"Am= 0,表示認(rèn)知用戶n和另一認(rèn)知用戶k可W在互不干 擾的情況下使用相同的信道m(xù)，c"Am= 1，表示認(rèn)知用戶n和另一認(rèn)知用戶k在使用相同信 道m(xù)時(shí)會產(chǎn)生干擾；
[0011] 似將頻譜分配矩陣A= {an，m|an，mE{〇, 1}}NXM中元素初始化為0,其中an，m= 1 表示認(rèn)知用戶n得到了信道m(xù)的使用權(quán)，a",m= 0表示認(rèn)知用戶n沒有得到信道m(xù)的使用 權(quán)；將與可用頻譜矩陣L中值為1的元素位置相對應(yīng)的頻譜分配矩陣A中的元素提取出來， 并與由染色體得到的二進(jìn)制串相對應(yīng)，將染色體編碼對應(yīng)到頻譜分配矩陣A中；
[001引做初始化量子遺傳算法參數(shù)，包括種群大小S、最大迭代次數(shù)gm";
[0013] (4)結(jié)合頻譜分配問題的特點(diǎn)和混濁捜索的理論對染色體進(jìn)行初始化；
[0014]妨通過更新量子旋轉(zhuǎn)角得到第g代種群(?Cy)=k，知…，
[001引式中g(shù)為進(jìn)化的代數(shù)，S為種群的大小，如(/ = 1.2,…，刮表示第g代種群中的第i 個染色體，表示為
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于混沌搜索量子遺傳算法的無線頻譜分配方法，其特征在于，所述分配算法 包括如下步驟： (1) 認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括主用戶和次級用戶，每個主用戶擁有一條獨(dú)立信道，通過認(rèn)知無 線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，確定以下矩陣， 可用頻譜矩陣 L= {ln，m|ln，mE {0，1}}NXM 效?矩陣 B= {bn，m}NXM 干擾矩陣 C= {cn，k，m|cn，k， me {〇，1}} NXNXM 其中，N表示用戶個數(shù)，M表示信道條數(shù)；1_= 1表示信道m(xù)可以被次級用戶η使用并 且沒有對主用戶產(chǎn)生干擾，反之，信道m(xù)不可以被次級用戶η使用；bm，n表示次級用戶η使用 信道m(xù)是可獲得的效益； Cn，k，m= 0,表示次級用戶η和另一次級用戶k可以在互不干擾的情 況下使用相同的信道m(xù)，cn，k， m= 1，表示次級用戶η和另一次級用戶k在使用相同信道m(xù)時(shí) 會產(chǎn)生干擾； (2) 頻譜分配矩陣A表示在目標(biāo)函數(shù)約束下得到的頻譜分配的結(jié)果，記為A = ian，mlan，me {〇, Π} _，其中an，m= 1表示次級用戶n得到了信道m(xù)的使用權(quán)，an，m= 0表示 次級用戶η沒有得到信道m(xù)的使用權(quán)；將與可用頻譜矩陣L中值為1的元素位置相對應(yīng)的 頻譜分配矩陣A中的元素提取出來，并與由染色體得到的二進(jìn)制串相對應(yīng)，將染色體編碼 對應(yīng)到頻譜分配矩陣A中； (3) 初始化量子遺傳算法參數(shù)，包括種群大小S、最大迭代次數(shù)gmax; (4) 結(jié)合頻譜分配問題的特點(diǎn)和混沌搜索的理論對染色體進(jìn)行初始化； (5) 通過更新量子旋轉(zhuǎn)角得到第g代種群= k，<，…，< i 式中，g為進(jìn)化的代數(shù)，S為種群的大小，<(/_ = 1，2，··_，《5)表示第g代種群中的第i個 染色體，表示為
，對Q(g)中的染色體進(jìn)行測量可以得到一組狀態(tài) 尸(g) = {?…,片丨，p(g)是一個二進(jìn)制解矩陣，其中每一個二進(jìn)制解；# =丨,2，...，幻均 為長度為1的二進(jìn)制串； (6) 根據(jù)染色體二進(jìn)制解矩陣P、效益矩陣B和可用頻譜矩陣L，計(jì)算每條染色體的適應(yīng) 度函數(shù)網(wǎng)絡(luò)效g
和比例公平性
式中，an，m表示認(rèn)知用戶η是否對信道m(xù)有使用權(quán)；bn;m表示認(rèn)知用戶η使用信道m(xù)時(shí) 可獲得的效益
表示在給定某一無干擾分配矩陣時(shí)，認(rèn)知用戶η獲得的總效 益； (7) 通過量子旋轉(zhuǎn)門對染色體進(jìn)行更新； (8) 設(shè)定變異閾值，對染色體進(jìn)行變異操作； (9) 判斷迭代次數(shù)g是否達(dá)到最大迭代次數(shù)gmax;若達(dá)到，將適應(yīng)度最大的染色體相 對應(yīng)的二進(jìn)制解逆映射回分配矩陣A，給各用戶分配相應(yīng)的頻譜；若達(dá)不到，迭代次數(shù)g = g+1，繼續(xù)執(zhí)行步驟（5)~（8)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混沌搜索量子遺傳算法的無線頻譜分配方法，其特征在 于： 步驟（4)中所述的染色體初始化，假定在一定時(shí)間內(nèi)頻段參數(shù)的變化不會影響系統(tǒng)的 整體性能，則上一個頻譜分配的解在當(dāng)前環(huán)境下仍然較優(yōu)，因此，將上次頻譜分配的解作為 混沌優(yōu)化算法中初始值形成的依據(jù)； 在所述混純優(yōu)化中，應(yīng)用Logistic映射來產(chǎn)生混純變量，Logistic映射的形式為： 4 i = /七-rZ (卜-'./) (./ = 1,2,…，0，其中以=4 ; 利用上式所產(chǎn)生的1個混沌變量來初始化種群中的第一個染色體的量子位，令i = 1，2,…，s-1，產(chǎn)生另外s-1個染色體，則初始化種群為0(g)= |^|%於'，.···^ |，s為種群規(guī)模， g為進(jìn)化代數(shù)，其中，第i個染色體
在初始化種群Q (g) 中，將 Qij, IBij分別初始化為
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混沌搜索量子遺傳算法的無線頻譜分配方法，其特征在 于：步驟（5)，<的取值由 < 中af (/= 1,2,...，/)來確定
式中，
為第g代種群中的第i個染色體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混沌搜索量子遺傳算法的無線頻譜分配方法，其特征在 于，步驟（7)中，所述染色體的更新方法如下： 旋轉(zhuǎn)角Θ的大小根據(jù)當(dāng)前解的位置與當(dāng)前最好解的距離來度量，采用一種變步長調(diào) 整的搜索策略，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)性的調(diào)整旋轉(zhuǎn)角Θ的大小，量子旋轉(zhuǎn)角度Θ的大小確定為 θ = 9 min+fX ( 9 max" 9 min) f = HamD(A, B)/Chromlens 其中，9min為搜索角度范圍區(qū)間的最小值，設(shè)定為0.005 π，θ _為搜索角度范圍區(qū)的 最大值，設(shè)定為〇. I π ,ChromLens為染色體基因長度，A為當(dāng)前個體相對應(yīng)的二進(jìn)制解，B為 最優(yōu)個體相對應(yīng)的二進(jìn)制解，HamD (A, B)為當(dāng)前個體A與最優(yōu)個體B的漢明距離，即兩個向 量中相應(yīng)位置不同的個體個數(shù)。 染色體更新過程為：
其中Θ為旋轉(zhuǎn)角，Δ Θ為旋轉(zhuǎn)角的大小，S為旋轉(zhuǎn)角的方向，[au β ^]1?染色體i 中第j個量子位，[a ' u β' U]T為更新后的量子位，Oij為量子位[a u Ut發(fā)生變異 時(shí)的量子旋轉(zhuǎn)角度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混沌搜索量子遺傳算法的無線頻譜分配方法，其特征在 于，步驟（8)中，對除最優(yōu)染色體之外的每個染色體通過變異閾值來判定是否發(fā)生變異；變 異閾值包括如下兩個條件： (1) 當(dāng)染色體的二進(jìn)制解Pi與最優(yōu)染色體的二進(jìn)制解P b的漢明距離小于〇. 51，其中1 為染色體的長度； (2) (fb-f^/fbS 0. 1，其中f b為最優(yōu)染色體的適應(yīng)度值，f 染色體i的適應(yīng)度值； 當(dāng)滿足上述兩個條件時(shí)對染色體i進(jìn)行變異操作。
【專利摘要】一種基于混沌搜索量子遺傳算法的無線頻譜分配方法，涉及無線通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中的頻譜資源動態(tài)管理機(jī)制。本發(fā)明以實(shí)現(xiàn)高效的網(wǎng)絡(luò)頻譜資源分配為目標(biāo)，結(jié)合量子遺傳算法的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了支持動態(tài)調(diào)整無線頻譜資源分配的方法，采用混沌搜索初始化種群的染色體編碼，在迭代過程設(shè)定變異閾值，根據(jù)閾值決定染色體是否產(chǎn)生變異，并將染色體映射為頻譜分配矩陣，從而實(shí)現(xiàn)頻譜優(yōu)化分配。本發(fā)明具有網(wǎng)絡(luò)控制負(fù)載小、頻譜資源分配效率高、實(shí)時(shí)性高等特點(diǎn)，適用于無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中頻譜的動態(tài)分配過程。
【IPC分類】H04W16-10
【公開號】CN104768161
【申請?zhí)枴緾N201510108722
【發(fā)明人】劉剛, 趙海洋, 陳華, 胡春海, 劉斌
【申請人】燕山大學(xué)
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年3月12日