拟态物理学优化的认知无线电网络频谱分配

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．22(2014)228802拟态物理学优化的认知无线电网络频谱分配冰柴争义)3)王秉2)李亚伦)十1)(天津工业大学计算机科学与软件学院，天津300384)2)(河南交通职业技术学院航运海事系，郑州450005)3)(北京邮电大学，泛网无线通信教育部重点实验室，北京100876)(2014年5月22日收到；2014年7月7日收到修改稿)针对认知无线电网络中基于图着色模型的频谱分配问题，基于其非确定性多项式特性，以最大化网络收益总和为目标，提出了一种基于拟态物理学优化的求解算法．在

2、拟态物理学优化算法中，将频谱分配问题的解映射为一个具有质量的微粒，通过建立微粒的质量与其适应值之间的关系，并利用万有引力定律定义微粒间的虚拟作用力的大小，使整个群体向更好的方向运动，实现群体寻优．给出了频谱分配问题的具体求解过程，并根据分配问题的二进制编码特点，改进了微粒的位置更新方程．仿真实验表明：本文算法能更好地实现网络收益最大化．关键词：拟态物理学优化，认知无线电网络，频谱分配，网络收益PACS：88．80．ht，64．60．aq，87．55．kdDOI：10．7498／aps．63．228802要有：频谱交易与拍卖、博弈论、

3、图着色理论等．文1引言献『3，4]对频谱分配问题进行了详细综述．本文关注基于合作的集中式完全受限频谱分配，主要基于无线频谱是不可再生的稀缺资源．目前，基于图着色模型实现．无线的通信业务快速增长和广泛应用，导致频谱资基于图着色的频谱分配研究方面，以文献f51源供需矛盾日益突出．在认知无线电网络中，认知最具代表性，其给出了频谱分配的图着色模型和算用户(次用户)可以有机会接入授权用户(主用户)法，对分配的收益和公平性进行了较详细的探讨，的频谱空穴，进而提高无线频谱资源的利用率[1]_并证明频谱分配是一个非确定性多项式fNP)难问频谱分配是

4、认知无线电网络研究中的永恒热点，主题．因此，智能优化方法是求解此问题的有效算法．要关注在感知到空闲频谱后，如何在满足一定的分此后，遗传算法[。]、粒子群算法[6]、免疫克隆[2】、人配目标下，高效分配可用频谱资源[2】_工蜂群f]等智能优化及其改进算法被用来求解频频谱分配有不同的分类方式【3，41．按照频谱接谱分配问题，取得了较好的求解效果．入方式，可分为完全受限频谱分配和部分受限频谱分配；按网络结构，可分为集中式频谱分配和分布拟态物理学优化是一种新的智能优化算法，式频谱分配：按合作方式，可分为合作式频谱分配模拟了牛顿第二力学定律，

5、具有参数较少、收敛和非合作式频谱分配[0，引．实际使用中，几种分配速度较快的优点近来被用于求解工程应用问机制经常需要联合起来考虑，针对特定的应用场题[9,10】．基于此，本文采用拟态物理学优化认知无景提出具体的解决方法．现有的频谱分配方法主线电频谱分配问题，并通过对比实验证明了方法的北京邮电大学泛网无线通信教育部重点实验室基金(批准号：KFKT-2013101)、国家自然科学基金(批准号：U1204618，61202099)、江苏省博士后科研资助(批准号：1202006C)、中国博士后面上基金(批准号：2013M541586)、河南

6、省教育厅自然科学研究重点项目(批准号：13A520192，14A520024)资助的课题．t通讯作者．E—mail：super_chai@126．corn@2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp：／／wulixb．hy．ac．cn228802—1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．22(2014)228802有效性3拟态物理学优化算法拟态物理学优化是一种新的随机搜索智能优2频谱分配模型化算法，模拟了牛顿第二力学定律F=mafF是基于图着色理论的认知无线网络频谱分配用合力，m是质量，

7、a是加速度1，即物体问存在虚拟力以下矩阵表示[2-4】：空闲矩阵、收益矩阵B、干扰作用以及物体运动遵循牛顿力学定律[8,11】．矩阵C、无干扰分配矩阵A．假设认知用户数为Ⅳ，在拟态物理学优化中，解被抽象为空间中运可用频谱数为M，各个矩阵分别说明如下．动的微粒，每个微粒都有质量?Tt、速度V和位置属性x[S!．微粒在空间中的运动用离散时间片11空闲矩阵At内的位移量Ax近似描述，显然，△=vat空闲矩阵是认知用户可使用的频谱矩阵，是一个二值矩阵，表示为L：{f，，∈{0，1))ⅣM．速度变化量Av=fY／．~)At，其中，F为微粒受f

8、=其他微粒和环境作用力的合力．因此，微粒在．1表示频谱m(1≤m≤M)可供认知用户n(1≤礼≤N)使用，反之，则不能使用．时刻t的位置x(t)=(一1)+v(t)At，速度为2)收益矩阵B()=rfJ(t一1)+(F／m)At．用限定