CN105162538A - 一种基于性能最优的认知用户选择方法 - Google Patents

Abstract

一种基于性能最优的认知用户选择方法，在该方法中，如果认知用户能够帮助授权用户达到目标速率，就能够获得机会接入授权用户的频谱，认知***选择能够获得最优性能的认知用户接入授权用户的频谱。认知用户接入授权用户的频谱后，利用一部分带宽转发授权用户的信息帮助其达到目标速率，然后利用剩余的带宽发送自己的信息。本发明有效消除授权用户和认知用户之间相互干扰的问题、提高认知用户的性能。

Description

一种基于性能最优的认知用户选择方法

技术领域

本发明属于无线通信领域中的认知无线电通信技术领域，尤其是一种认知用户选择方法。

背景技术

随着无线通信技术的发展，无线通信用户不断增多，业务需求快速增长，有限的无线频谱资源逐渐成为制约无线通信***发展的瓶颈。大量研究报告表明当前无线频谱的利用率只有15％～85％，大部分频谱在多数时候并没有得到充分的利用，并且频谱使用情况非常不平衡，一些非授权频段占用过于拥挤，而某些授权频段则经常处于空闲状态。可见造成频谱资源紧缺的主要原因是现有的这种固定式的频谱管理方式和频谱分配策略。认知无线电技术可以通过感知周围的无线通信环境，在保证授权用户正常通信不受影响的前提下，伺机接入授权频谱，能够有效提升频谱资源的利用率。

在认知无线电共存式频谱接入方法中，认知用户在一定条件下接入授权频谱，与授权用户同时使用相同的频段。所以在这种频谱接入方法中，认识用户和授权用户之间始终存在干扰，使得原本就非常有限的频谱资源没有得到充分利用，授权用户和认知用户的性能也会由于干扰受到影响。当认知***中有多个认识用户时，选择不同的认知用户接入授权用户的频谱后获得的性能会不一样。

发明内容

为了克服现有共存式频谱接入技术中授权用户和认知用户之间相互干扰、认知用户性能较低的不足，本发明提供一种有效消除授权用户和认知用户之间相互干扰的问题、提升认知用户性能的基于性能最优的认知用户选择方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于性能最优的认知用户选择方法，无线电通信***包括一个主***和一个认知***，其中，授权***由一个授权用户发送端和授权用户接收端组成，所述授权***支持中继功能，有一段W带宽组成的授权频谱；认知***由L个认知用户发送端和一个共同的认知用户接收端组成，其试图利用可能的传输机会接入授权***的频谱。我们假定认知***能够模拟授权***的无线电协议和***参数；所述协作抗干扰频谱接入方法包括以下过程：

1)认知用户以协作方式接入授权用户的频谱，认知用户接收到授权用户的信息后，通过解码转发协作方式帮助发送授权用户的信息到授权用户接收端；

2)每个认知用户ST_k计算在自己接入授权用户频谱后能够帮助授权用户达到的速率R_p,k；

3)找出所有能够帮助授权用户达到目标速率R_t的认知用户ST_k组成的集合M，M＝{k|k∈L,R_p,k≥R_t}；

4)在集合M中选择一个认知用户ST_b，授权用户分配一部分时间给该认知用户，授权其接入自己的频谱，ST_b接入授权用户的频谱后，利用一部分带宽转发授权用户的信息帮助其达到目标速率，利用剩余的带宽发送自己的信息；如果M是空集，即|M|＝0，表示没有认知用户能够帮助授权用户达到目标速率，则授权用户继续通过直传发送自己的信息；

授权用户和认知用户之间的时间和带宽分配问题建模为：

满足以下条件

其中，R_t表示授权用户的目标速率，t_k表示授权用户在第一时隙发送自己信息所占的时间，b_k表示认识用户ST_k在第二个时隙帮助授权用户达到目标速率所用的带宽。R_p,k和R_s,k分别表示认知用户ST_k接入授权用户的频谱后，授权用户和认知用户获得的速率，

R_s,k＝(1-t_k)(1-b_k)R_4,k(4)

其中P_s,k表示认知用户ST_k的发射功率，γ_4,k表示认知用户发送端到认知用户接收端链路的信道增益，N₀表示噪声功率谱密度，和分别表示授权用户在第一个时隙和第二个时隙获得的速率：

其中 P_p表示授权用户的发射功率，γ₁和γ_2,k分别表示授权用户发射端到授权用户接收端和到认知用户发送端ST_k链路的信道增益,γ_3,k表示认知用户发送端ST_k到授权用户接收端链路的信道增益；

通过数学优化方法获得上述的最优时间和带宽分配

将(7)、(8)代入(4)，得到认识用户的速率为

其中A＝(R_2,k-R_t)，B＝(R_5,k-R_d)，C＝(R_2,k+R_3,k-R_5,k)，D＝(R_2,k-R_d)。

进一步，所述步骤1)中，认知用户通过两个时隙解码转发协作方式接入授权用户的频谱；

在第一个时隙，占用时间t_k(0＜t_k＜1)，授权用户发送端用全部W带宽发送信息给授权接收端和认知用户发送端，所以授权用户发送端到认知用户发送端链路的速率为：

在第二个时隙，占用时间(1-t_k)，认知用户发送端用b_kW(0＜b_k＜1)带宽帮助把解码的授权用户发送端的信息发送给授权接收端，所以认知用户发送端到授权接收端链路的速率为：

所以授权用户通过两个时隙在认知用户的帮助下获得的速率为：

同时，认知用户利用剩余的(1-b)W带宽来发送自己的信息，所以认知用户获得的速率为：

R_s,k＝(1-t_k)(1-b_k)R_4,k(4)。

进一步，所述步骤4)中，认知用户ST_k通过以下方法进行选择：选择能够获得最优性能的认知用户接入授权用户的频谱，即选择认知用户ST_k，M＝{k|k∈L,R_p,k[i]≥R_t}，接入授权用户的频谱。

本发明的技术构思为：由于共存式频谱接入方法中，认知用户和授权用户使用相同的频谱同时进行通信，互相之间始终存在干扰，使得原本就非常有限的频谱资源得不到充分利用，授权用户和认知用户的性能也会由于干扰受到影响。当认知***中有多个认识用户时，选择不同的认知用户接入授权用户的频谱后获得的性能会不一样。本专利方法中***基于性能最优方式选择认知用户通过协作的方式接入授权用户的频谱，授权用户和认知用户分别通过不同的时间和带宽来发送信息，能够有效解决授权用户和认知用户之间的干扰问题，以及提高认知用户的性能。

本发明的有益效果主要表现在：(1)消除了共存式频谱接入方法中授权用户和认知用户的干扰问题；(2)提升了认识用户的性能。

附图说明

图1是本发明方法的抗干扰频谱接入模型示意图，其中，h₁为授权用户发送端到授权接收端的信道系数，h_2,k为授权用户发送端到认知用户发送端ST_k的信道系数，h_3,k为认知用户发送端ST_k到授权接收端的信道系数，h_4,k为认知用户发送端ST_k到认知接收端的信道系数。假设路径损耗指数ν＝4，L＝20，W＝1，P_p/N₀＝5dB,R_t＝2.5bps/Hz，P_s,k/N₀＝P_s/N₀；

图2为认知用户选择图，图中PT和PR分别位于二维X-Y轴上的点(0,0)和(1,0)上。SR位于(0.5,-0.5)，认知用户ST_k,k∈L＝{1,2,3,...,L}随机分布在PT和PR连线的中点为圆心，0.5为半径的圆内。ST_b为采用本发明方法选择的认知用户；

图3为授权用户和认知***速率随着P_s/N₀的变化图；

图4为时间和带宽分配随着P_s/N₀的变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种基于性能最优的认知用户选择方法，是基于现有的无线电通信***实现的。所述无线电通信***包括一个主***和一个认知***，其中主***由一个授权用户发送端(PT)和授权接收端(PR)组成。主***支持中继功能，有一段W带宽组成的授权频谱。认知用户***由L个认知用户发送端(ST_k,k∈L＝{1,2,3,...,L})和共同的认知用户接收端(SR)组成。认知***能够模拟主***中的无线电协议和***参数。

本实施方式的方法中，认知用户以协作方式接入授权用户的频谱。认知用户接收到授权用户的信息后，通过解码转发协作方式帮助发送授权用户的信息到授权接收端。每个认知用户ST_k计算在自己接入授权用户频谱后能够帮助授权用户达到的速率R_p,k。找出所有能够帮助授权用户达到目标速率R_t的认知用户ST_k组成的集合M，M＝{k|k∈L,R_p,k≥R_t}。在集合M中选择一个认知用户ST_b，授权用户分配一部分时间给该认知用户，授权其接入自己的频谱，ST_b接入授权用户的频谱后，利用一部分带宽转发授权用户的信息帮助其达到目标速率，利用剩余的带宽发送自己的信息；如果M是空集，即|M|＝0，表示没有认知用户能够帮助授权用户达到目标速率，则授权用户继续通过直传发送自己的信息；

本实施方式中认知用户ST_k接入授权用户频谱后授权用户R_p,k和认知用户获得的速率R_s,k可以通过如下方法获得：

认知用户通过两个时隙译码转发协作方式接入授权用户的频谱。在第一个时隙，占用时间t_k，PT用全部W带宽发送信息给PR和ST_k。所以PT→ST_k链路的速率可以表示为：

其中，P_p表示授权用户的发射功率，γ_2,k为PT到ST_k链路的信道增益,N₀为噪声功率谱密度。

在第二个时隙，占用时间(1-t_k)，ST_k用b_kW带宽帮助把解码的PT的信息发送给PR，所以ST_k→PR链路的速率可以表示为：

其中，P_s,k表示认知用户ST_k的发射功率，γ₁为PT到PR链路的信道增益，γ_3,k为ST_k到PR链路的信道增益。所以授权用户通过两个时隙在认知用户的帮助下获得的速率可以表示为：

同时，认知用户利用剩余的(1-b_k)W带宽来发送自己的信息，所以认知用户可获得的速率可以表示为：

R_s,k＝(1-t_k)(1-b_k)R_4,k(4)

其中，γ_4,k为ST_k到SR链路的信道增益。

本实施方式中的时间和带宽分配方法具体为：

授权用户和认知用户之间的时间和带宽分配可以建模为：

满足条件

通过数学优化方法获得上述的最优时间和带宽分配

将和代入式(4)，可得认知***获得的最大速率为：

其中A＝(R_2,k-R_t)，B＝(R_5,k-R_d)，C＝(R_2,k+R_3,k-R_5,k)，D＝(R_2,k-R_d)。

本实施例的基于时间和带宽联合优化的协作抗干扰频谱接入方法，能够有效消除共存式频谱接入方法中授权用户和认知用户的干扰问题，并提高认知用户的性能。

本实施的频谱接入方法中，在认知用户ST_k，中选择一个认知用户ST_b接入授权频谱。在图2中显示了采用本发明方法选择的认知用户。

本实施的频谱接入方法中，选择接入授权频谱的认知用户ST_b以协作方式接入授权用户的频谱，占用时间(1-t_b)，利用一部分接入获得的b_bW带宽帮助转发授权用户的信息，利用剩余(1-b_b)W带宽发送自己的信息。授权用户和认知用户分别通过不同的时间和带宽发送信息，互相之间不会产生干扰。在图3显示了***选择接入授权频谱的认知用户ST_b后授权用户和认知***速率随着P_s/N₀的变化图；在图4中显示了***选择接入授权频谱的认知用户ST_b的时间和带宽分配随着P_s/N₀的变化图。

Claims (3)

1.一种基于性能最优的认知用户选择方法，无线电通信***包括一个主***和一个认知***，其中，授权***由一个授权用户发送端和授权用户接收端组成，所述授权***支持中继功能，有一段W带宽组成的授权频谱；认知***由L个认知用户发送端和一个共同的认知用户接收端组成，其试图利用可能的传输机会接入授权***的频谱。我们假定认知***能够模拟授权***的无线电协议和***参数；所述协作抗干扰频谱接入方法包括以下过程：

1)认知用户以协作方式接入授权用户的频谱，认知用户接收到授权用户的信息后，通过解码转发协作方式帮助发送授权用户的信息到授权用户接收端；

2)每个认知用户ST_k计算在自己接入授权用户频谱后能够帮助授权用户达到的速率R_p,k；

3)找出所有能够帮助授权用户达到目标速率R_t的认知用户ST_k组成的集合M，M＝{k|k∈L,R_p,k≥R_t}；

4)在集合M中选择一个认知用户ST_b，授权用户分配一部分时间给该认知用户，授权其接入自己的频谱，ST_b接入授权用户的频谱后，利用一部分带宽转发授权用户的信息帮助其达到目标速率，利用剩余的带宽发送自己的信息；如果M是空集，即|M|＝0，表示没有认知用户能够帮助授权用户达到目标速率，则授权用户继续通过直传发送自己的信息；

授权用户和认知用户之间的时间和带宽分配问题建模为：

满足以下条件

其中，R_t表示授权用户的目标速率，t_k表示授权用户在第一时隙发送自己信息所占的时间，b_k表示认识用户ST_k在第二个时隙帮助授权用户达到目标速率所用的带宽。R_p,k和R_s,k分别表示示认知用户ST_k接入授权用户的频谱后，授权用户和认知用户获得的速率，

R_s，k＝(1-t_k)(1-b_k)R_4，k(4)

其中P_s,k表示认知用户ST_k的发射功率，γ_4,k表示认知用户发送端到认知用户接收端链路的信道增益，N₀表示噪声功率谱密度，和分别表示授权用户在第一个时隙和第二个时隙获得的速率：

其中 P_p表示授权用户的发射功率，γ₁和γ_2,k分别表示授权用户发射端到授权用户接收端和到认知用户发送端ST_k链路的信道增益,γ_3,k表示认知用户发送端ST_k到授权用户接收端链路的信道增益；

通过数学优化方法获得上述的最优时间和带宽分配

将(7)、(8)代入(4)，得到认识用户的速率为

其中A＝(R_2,k-R_t)，B＝(R_5,k-R_d)，C＝(R_2,k+R_3,k-R_5,k)，D＝(R_2,k-R_d)。

2.如权利要求1所述的基于性能最优的认知用户选择方法，其特征在于：所述步骤1)中，认知用户通过两个时隙解码转发协作方式接入授权用户的频谱；

在第一个时隙，占用时间t_k，0＜t_k＜1，授权用户发送端用全部W带宽发送信息给授权接收端和认知用户发送端，所以授权用户发送端到认知用户发送端链路的速率为：

在第二个时隙，占用时间(1-t_k)，认知用户发送端用b_kW带宽帮助把解码的授权用户发送端的信息发送给授权接收端，0＜b_k＜1，所以认知用户发送端到授权接收端链路的速率为：

所以授权用户通过两个时隙在认知用户的帮助下获得的速率为：

同时，认知用户利用剩余的(1-b)W带宽来发送自己的信息，所以认知用户获得的速率为：

R_s,k＝(1-t_k)(1-b_k)R_4,k(4)。

3.如权利要求1或2所述的基于性能最优的认知用户选择方法，其特征在于：所述步骤4)中，认知用户ST_b通过以下方法进行选择：选择能够获得最优性能的认知用户接入授权用户的频谱，即选择认知用户ST_k，M＝{k|k∈L,R_p,k[i]≥R_t}，接入授权用户的频谱。