鱼群算法在多用户OFDM跨层资源分配中的应用

率 可 以表 示 为 ：
收 稿 日期 ：２ １－１０ ０ ００ —６ 修 订 日期 ：２ １－８０ ０ ０ —５ ０
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电路 与 系 统 学报
第１ ６卷
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ｌ ｚ１ ， Ｏ （＋ ｉ ／ ｇ ）ｂｔ ｓ ｓ
其 中 是信 号干 扰 噪 声 比 （ Ｉ ＳＮＲ） ，
或 浓 度来 选 择 趋 向的 。设 人 工 鱼 当前 状 态 为 ， ，在 其 感 知 范 围 内随机 选 择 一个 状 态 ， ：
Ｘ ＝Ｘｉ ｉ ａ － ａ ｄ） ＋Ｖｓ ｌＲ ｎ （ ｕ （ １ １）
其 中 Ｒ ｎ （是 一 个 介于 ０和 １之 间 的随 机 数 ，如 果在 求 极 小 值 问题 中 ， ＞ｙ 或 求极 大 值 为 ＜Ｙ ） ａ ｄ） ，（ ｉ， 则 人 工鱼 向该 方 向前 进 一 步 ； 反之 ，再 重 新 随机 选 择 状 态 ． ，判 断 是 否满 足 前 进 条 件 ，如 果 满足 ：
出把 用 户 缓存 队列 状 况 加入 到 新 的模 型 中去 ，然 后 用人 工鱼 群 算法 解 决跨 层 资 源 分配 问题 。 多 用户 ＯＦ Ｍ系 统 资源 的 自适 应 分 配 问题 ，主 要 可 以分 为余 量 自适 应 问题 （ Ｄ ＭＡ） Ｊ 和速 率 自适应
问题 （ Ａ）【 ，前 者 的 优 化 目标 为 在 各用 户 传 输 速 率 和误 比特 率 要 求 （ Ｒ）固 定 的条 件 下 ，使 总 Ｒ ｌ ＢＥ 功 率最 小 ，而后 者 的优 化 目标 是在 给 定 总 功率 和 Ｂ Ｒ的条件 下 ，使 系统 吞 吐 量 最 大 。文献 ［］ 出为 了 Ｅ ７指 获 得最 大 的系 统 吞 吐量 ，应 当 将 子载 波 分 配 给 在该 子 载 波 上具 有 最 大 信道 增 益 的用 户 ，并 利 用 注水 算 法进 行 功 率 分 配 ，这 样 得 到 了最 大 的吞 吐 量 ，却 忽 略 了各 个用 户 的公 平 性 ，使 得 各 个用 户 所 得 到 的速
第 １ ６卷 第 ３期 ２１ ０ １年 ６月
文章 编 号 ： １ ０ — ２ ９（０ ０ —０ ７ ０ ０ ７ ０ ４ ２ １ ） ３０ ８ — ５ １
电路 与 系 统 学 报
Ｊ ０Ｕ ＲＮ ＡＬ ０Ｆ ＲＣＵＩ ＮＤ ＣＩ ＴＳ Ａ ＳＹＳＴＥＭ Ｓ
ＶＯｌｌ Ｎ Ｏ３ ＿６ ． Ｊ ｎｅ， ２ ｌ ｕ ０Ｉ
包 的长 度 。用 Ｃ 示 子 载波 分 配 情 况 ， 当第 子 载 波分 配 给 第ｋ 用户 时 ， 表 个 个
是 每 个数 据
＝ ０。
＝１ ，否 则
是分配给第 个子载波上的功率，ｆ ｌ ｈ 是用户 在子载波 ｋ 上的增益。Ⅳ是第ｉ ｆ 个用户缓存区的的数据包
的 数量 ， 是 一 个ＯＦ ＤＭ符号 的持 续 时 间 ， Ⅳ 是 白噪 声功 率 密 度 ，用 户ｋ 第行 子 载波 能够 得 到 的速 ｎ 在 个
人工鱼个体 之间的 ，， 距离表示为 ＝】 一 ；Ｖｕｌ Ｉ，Ｘ Ｉ ｉａ ｌ ｘ ｌ ｓ 表示人工鱼的感知距离； 为拥挤度因子。
１ ）觅食 行 为 觅 食行 为 是 人 工鱼 趋 向食 物 的一 种 活 动 ，可 以 认为 人 工 鱼 是通 过 视 觉 或 味觉 来 感 知水 中 的食 物量
率 有很 大 的差距 ，用 户 的速 率 公 平性 很 差 ； 文 献［ ，】 虑 了用 户 的 公平 性 ，找 到 了用 户 公 平 性 与总 的 ４５考
传输 速 率 的平衡 点 ，在 保 证 总 的传 输 速 率 最大 化 的前 提 下 比较 好 的 实现 了用 户 公 平性 ；但 是 以上 的文 献在 解 决 资源 分配 的 问题 时只 是 独 立 地考 虑 了物 理 层 ， 没有 考 虑 实 际业 务 的用 户 缓存 队列 状 况 ，尤 其 当用 户 缓 存 队列 为 空 时 ，为其 分 配 资源 将 造 成 资 源 浪 费 。
度 ， 文提 出首先对 子载波 进行 分配 ， 本 然后 进行功 率分配 。 仿真结 果表 明， 工鱼群 算法 的很好 的解决 了多用户 Ｏ ＤＭ 人 Ｆ 系统 中的跨层 资源分配 问题 ，在实现 总 的传输速 率最大 化的 同时满足 了用 户的速 率要求 和公平 性要求 。
关 键 词 ：跨 层 ； 资源 分 配 ； 多 用 户 ＯＦ ＤＭ ￣人 工 鱼 群 算 法
中图分 类号 ｔＴ ２ ． Ｎ９ ９５
文 献标识码 ：Ａ
１
引 言
在 多用 户ＯＦ ＤＭ系 统 中 ，如 何 最 大 限 度 的利 用 有 限 的系 统 资源 来 实 现 最 大 的 系统 吞 吐 量 并且 实 现
各个 用 户 的速 率要 求 和 比例 公平 性 要 求 是近 年 来 无 线 通 信研 究 的热 点 。文献 ［～ ］ 究 了多 用户 Ｏ ＤＭ １ ５研 Ｆ 中 的资 源 分 配 问题 ，提 出 了一些 新 颖 的算 法 。但 是 这些 算法 中 ，都 假 定每 个 用 户 的缓 存 区 内任 意 时刻 都有 充 足 的数据 等 待 发 送 ，而 且 物 理 层 的 资源 分 配 问题 是独 立 于 上 层 解 决 的 ，考 虑 到其 余 层 的特 性 之 后 ，这 种 假 设 就 有 一 定 的局 限性 。本 文 在 参考 已有 的 资源 分 配 多用 户ＯＦ ＤＭ系 统 模 型 ｌ的基 础 上 ，提 ５ Ｊ
∑Ｒ
～ ＝
∑Ｉ 一 Ｒ
ｋｌ ＝
（ ９）
∑
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１
表 征 用户 的 比例 公 平 性 好 坏 ，
பைடு நூலகம்
～ 越 小 表 明 公平 性 越 好 ，反 之 则 越 差 。把 公平 性 加 入 到
目标 函数 中后 ， 该 问题 的 目标 函数转 化 为 ：
辫 ： ２Ｒ＝ Ｋ ［ ｌ Ｋ∑ Ｎ — ＋ ｋ ｌ
人 工鱼 群 算 法 是一 种 高 效 的智 能 群 体优 化 算 法 ，其 基 本 思 想就 是 通 过 以简便 有 效 的方式 来 构 造 并
第３ 期
王 丽 萍 等 ：鱼 群 算 法 在 多 用 户 ＯＦ Ｍ 跨 层 资 源 分 配 中 的 应 用 Ｄ
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实现 鱼 群 的 觅食 、群 聚 、追尾 和 随机 行 为 ，找 到 一 片水 域 中营养 物 质 最 多 的地 方 ，从 而实 现 全 局寻 优 。 人 工 鱼 群算 法 现 已越 来越 多 的应 用 到工 程 领 域 中并表 现 出很 多优 点 【Ｊ ｌ： ｕ
一
（ ２） １
反 复 尝试 ｔ ｎ ｍｂ ｒ次后 ，如 果仍 不 满 足 前 进 条件 ，则 随 机 移 动一 步 ： ｒ ｕ ｅ ｙ
—
＝
Ｘ Ｖｓａ ・ ａ ｄ） ｉ ｌＲ ｎ （ ｕ
（ ３ １ ）
２ ）聚群 行 为
自然界 中 ，鱼 在游 动 的过 程 中 为保 证 群 体 的 生存 和 躲 避 危 害 ，会 自然 的聚 集 成 群 。在 人 工 鱼 群算 法 中 ，对 每 条 人 工鱼 做 如 下 规 定 ：一 是 要 尽 量 向临近 伙 伴 的 中心 移 动 ，二 是避 免 过 分拥 挤 。设 人 工鱼 当前 状态 为 ，探 索 当前 邻 域 内 （ 即 ＜Ｖ ｕ １ ｉ ａ ）伙 伴 数 目 及 中心 位 置 。如 果 ／ ， ｓ ， ｎ＜ 明伙伴 中心 有 较 多食 物 且 不 太拥 挤 ，则 朝 伙伴 的 中心 位 置 方 向前 进 一 步 ： ，表
算 法 的 一 些 定 义 和 基 本 行 为 描 述 Ｕ： 人 工 鱼 的 个 体 状 态 可 以 表 示 为 向 量 Ｘ ＝（ Ｘ Ｘ）， Ｊ 五， ｎ
Ｘ（ １ ， ，） ｉ ， ． ｎ 为欲 求 寻 优 的变 量 ； 工 鱼 所 在 的位 置 的食 物 浓度 表 示 为 Ｙ＝ （ ， 中 】 为 目标 函数 值 ； ２． ． 人 ｆ Ｘ） 其 厂
鱼 群 算 法 在 多 用 户 ＯＦ 层 资 源 分 配 中 的应 用 Ｄ Ｍ跨
王 丽萍 １， 孙 国防 ， 程 永 明 ２ ， ２
（ 滨 州职 业 学 院 ， 山 东 滨 州 ２ ６０ ；２ 山东 大 学 信 息科 学 与 工 程 学 院 ， 山 东 济 南 ２ ０ ０ ） １ ５６ ３ ５ １０
３ 人 工 鱼 群 算 法 在 资 源 分 配 问 题 中 的 应 用
３１ 基本 人 工 鱼群 算 法 介 绍 ．
（ １ ０ ）
其 中 是 总传 输 速 率 和 用 户 比例 公 平 性 之 间 的权 系 数 ，在 此 处 应 为 一 个 负 值 。调 整 的大 小 ，就 会 改变 总传 输 速 率 和用 户 速 率 公平 性 在 目标 函数 中的 作用 ，得 到 更大 的速 率 或者 更 好 的 用户 公平 性 。
摘要 ｔ基 于人工鱼 群算法 ，利用 已知信 道信 息对多 用 ＯＦ Ｍ 系 统 中的资源进 行跨层 分配 。本文提 出 了新 的 目标 函 Ｄ
数 ， 合 理 有 效 地 找 到 了 总 传 输 速 率 最 大 化 和 实 现 用 户 的速 率 要 求 、 比 例 公 平 要 求 的 权 衡 点 。 为 了 减 小 资 源 分 配 的 复 杂
１ ）并 行性 ： 多条 人 工鱼 并行 的进 行 搜索 ，算 法 具 有 并行 计 算 的特 点 ；
２ ）简 单性 ：算 法 的迭 代 过 程 中仅使 用 了 目标 函 数 的值 ，所 以算法 实 现 简 单 ； ３ ）全局 性 ：人 工鱼 具 有 各 种 行 为 ，使 得 人 工鱼 群算 法 具 有 很 强 的跳 出局 部极 值 的能 力 ； ４ ）快速 性 ：算 法 中虽 然 有 一 定 的 随机 因素 ，但 是总 体 是在 步步 向最 优 解搜 索 ； ５ ）跟 踪 性 ： 随着 工 作 状 况 或其 他 因素 的变更 造 成 极 值 点 的漂 移 。 鉴 于 人 工鱼 群 算 法 的 以上 特 点 ，本 文采 用 人 工 鱼群 算 法 解 决 资源 分 配 问题 。下面 是 基 本人 工 鱼 群