CN109982438B - 一种基于noma与swipt认知无线电环境下的多用户资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于NOMA与SWIPT认知无线电环境下的多用户资源分配方法，运行于基于NOMA与SWIPT认知无线电环境下的多用户中继通信***，包括一个主用户PU、m个中继R₁～R_m、两个次用户发送端ST₁和ST₂、以及一个次用户接收端SR，主用户PU始终处于通信状态；增加了***用户可接入数量，提升了***的频效与能效。采用遍历求最优解的方法，将复杂的非凸问题转换为易于求解的线性规划问题，最终实现最大化二级网络中弱用户的可达速率。

Description

一种基于NOMA与SWIPT认知无线电环境下的多用户资源分配 方法

技术领域

本发明涉及一种基于NOMA(无线信息能量同传)与SWIPT(非正交多址)认知无线电环境下的多用户资源分配方法，属于通信***技术领域。

背景技术

随着5G的出现，移动设备接入的需求呈现几何式的增加，频谱资源的稀缺性与用户对速率的更大需求形成矛盾冲突。NOMA可以极大地提高频谱效率，在功率域实现复用，在增加用户接入数量的同时并减少传输延迟，因此受到越来越多的关注。NOMA的基本思想是在发射端使用非正交传输，不同的用户在接收端呈现出不同的功率差异，主动引入干扰信息，继而利用串行干扰消除(SIC)以实现不同用户信息的正确解调。

认知无线电(CR)被认为是解决当前频谱资源利用不足的最有希望的技术。CR的根本目的是共享频谱，次用户(非授权用户)充分利用主用户(授权用户)频谱进行通信，同时确保主用户的服务质量(QoS)不受影响或受到的影响低于一定限度。目前有两种频谱接入方式，覆盖(overlay)模式和底层(underlay)模式。对于覆盖模式，次用户需要感知主用户的频谱并在主用户空闲时访问用于通信的频谱。一旦主用户具有通信要求，次用户需要终止通信的过程，退出频谱接入。对于底层模式，次用户在主用户处于通信状态时仍然接入频谱，但是，在次用户通信期间对主用户造成的干扰必须控制在可接受的范围内。

无线信息能量同传(SWIPT)的提出为提高***能效带来了巨大希望。SWIPT通过对接收端处接收到的射频(RF)信号执行动态功率分配(DPS)策略，将接收到的射频信号分成两个部分，一部分用于能量存储，另一部分用于解码。接收设备利用环境中的射频能量为其自身提供电能，这一技术的使用可以大大延长无线网络节点的寿命，特别是对于一些难以及时充电的低功耗设备。

现有的多用户通信场景下的资源分配研究的重点往往集中在频谱或功率的分配，通过一定的优化策略使得***的吞吐量或可达速率达到最大，或是误码率最小等。优化往往集中在单一维度的资源，并且多数的情况只考虑基站到用户的下行传输，对用户之间资源分配的公平性兼顾不足，并且很少有将频谱和功率分配联合考虑进行优化的工作。而将这两者相结合，资源的利用率和用户的接入量将是呈倍数地增长。这在通信资源稀缺，用户量快速增长的当下是极具研究意义的。

现今有一些关于认知无线电与非正交多址以及无线信息能量同传方面的研究，也有少数结合非正交多址与认知无线电的研究。NOMA技术的出现本质上是对相关通信资源进行非正交复用，使得更多的用户以非正交的形式充分利用当下资源，而多用户的引入在资源分配上必然存在用户之间的公平性问题。在传统的NOMA方式中，具有良好信道条件的用户被分配更多的传输功率，而具有差的信道条件的用户被分配更少的传输功率。这种方式忽略了用户之间的公平性，可能导致弱用户(WU)的可达速率过低，进而解码失败。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于NOMA与SWIPT认知无线电环境下的多用户资源分配方法；

本发明研究了认知无线电环境下多用户中继通信***的性能。本发明中使用的模式是底层接入频谱的模式。本发明将CR、NOMA和SWIPT结合起来，并提出一种功率分配算法，在同时考虑上行链路和下行链路传输的情况下最大化二级网络(次用户所组成的网络)中弱用户的可达速率。

假设信道状态信息(CSI)已知，与传统的NOMA静态功率分配策略相比，本发明综合考虑上行和下行传输的信道条件优化次用户的发射功率以及中继的功率分配因子。并设置强用户(SU)能正确解码的的最小信干噪比(SINR)门限，用以确保两个次用户中至少有一者能被正确解码。通过优化发射功率，和中继的功率分配因子，使二级网络中的WU可达速率达到最大。本发明不仅可以增加二级用户的接入数量，提高***的频谱效率，而且同时兼顾了用户之间的公平性。

本发明的技术方案为：

一种基于NOMA与SWIPT认知无线电环境下的多用户资源分配方法，运行于基于NOMA与SWIPT认知无线电环境下的多用户中继通信***，包括一个主用户PU、m个中继R₁～R_m、两个次用户发送端ST₁和ST₂、以及一个次用户接收端SR，其中假设主用户PU始终处于通信状态；

由于没有次用户发送端(ST)到次用户接收端(SR)的直连路径，次用户的信号需要通过中继进行放大转发(AF)，在此过程中中继会执行动态功率分割，利用收集到的射频能量为接下来的转发信号服务。实际场景中，发送端和接收端往往具有固定的能量来源，然而中继由于有数量多、分布广、工作环境复杂、很难及时进行充电的特点，所以假定其没有固定的能量来源。因此，本发明加入了能量收割环节，将次用户发送端与中继之间通信按时间划分为两个等长阶段，第一阶段时间内，两个次用户发送端同时发送射频信号，中继接收射频信号并进行能量收割；第二阶段时间内，中继将第一阶段时间内执行完能量收割后剩余的信号进行转发，用于转发的能量是由第一时间阶段内收集到的能量提供；包括步骤如下：

(1)二级网络工作对主用户PU的干扰：二级网络包括两个次用户发送端ST₁和ST₂、m个中继R₁～R_m，以及一个次用户接收端SR，当两个次用户发送端ST₁和ST₂发送信号过程中，求取第一时间阶段内主用户PU受到的干扰I₁，I₂，分别如式(I)、式(II)所示：

式(I)、式(II)中，P₁表示次用户发送端ST₁的发送功率，P₂表示次用户发送端ST₂的发送功率，d_u，1表示主用户PU到次用户发送端ST₁的距离，d_u，2表示主用户PU到次用户发送端ST₂的距离，l_u，1表示主用户PU与次用户发送端ST₁之间的信道增益，l_u，2表示主用户PU与次用户发送端ST₂之间的信道增益，θ为路径损耗因子；

求取中继R_i在转发信号的过程中对主用户PU造成的干扰I₃，如式(III)所示：

式(III)中，

是主用户PU与中继R_i之间的距离，k_i代表了主用户PU到中继R_i的信道增益；

表示第二时间阶段中继转发信号时的发送功率，θ为路径损耗因子；

在underlay模式下，二级网络对主用户的干扰需要控制在一定阈值I_th内，因此有，I₁≤I_th，I₂≤I_th，I₃≤I_th。

(2)计算二级网络中弱用户ST_j的可达速率：

本发明中在接收端处呈现高功率的用户被称为强用户SU，接收端处呈现低功率的用户被称为弱用户WU，因此强用户可以表示为ST_3-j；求得在次用户接收端SR分别得到次用户发送端ST₁与ST₂有用信号的功率，分别用S_1，i，S_2，i表示，求取次用户接收端SR的噪声功率N_i，分别如式(IV)、式(V)、式(VI)所示：

式(IV)、式(V)、式(VI)中，η，η∈[0，1]，表示电路的能量转换效率，ρ_i∈[0，1]，下标i表示第i个中继，ρ_i表示第i个中继执行能量收割时的功率分配因子，P₁，P₂分别表示ST₁和ST₂的发送功率，h_i，1，h_i，2分别表示ST₁到R_i、ST₂到R_i的小尺度瑞利衰落信道的信道增益，d_i，1，d_i，2分别表示表示R_i到ST₁、R_i到ST₂的距离，θ为路损因子，g_i表示R_i到SR的信道增益，

是R_i与SR之间的距离；

为SR接收信号时引入的高斯白噪声的归一化功率，

为PU对R_i的干扰功率，

为R_i在接收信号过程中引入的高斯白噪声功率，

为中继R_i转发信号过程中从频带到基带引入的高斯白噪声功率；

在解码NOMA信号时需要先解码功率大的用户，然后利用串行干扰消除解码低功率用户。因此需要确定ST₁与ST₂的解码顺序。即确定出ST₁与ST₂谁更适合作为强用户或弱用户。然而根据式(X)、式(XI)、式(XII)无法直接确定出谁更适合作为强用户或弱用户。

在两用户接入的情况下，ST_j表示弱用户，j∈{1，2}，强用户表示为ST_3-j，考虑到用户间公平性问题，设置信干噪比门限值τ，信干噪比门限值τ是用户正确解码所需要的信干噪比的最小值，因此，强用户ST_3-j的信干噪比SINR_H满足的条件如式(VII)所示：

式(VII)中，j为1或2，1≤i≤m；

当强用户的信干噪比满足式(VII)时，弱用户获得解码的机会，求取弱用户的信干噪比SINR_L，如式(VIII)所示：

本发明的最终目的是在二级网络中，保证一者能解码的前提，增加接入用户数，并使得WU的可达速率能达到最大，因此，求取弱用户的可达速率R_L，如式(IX)所示：

(3)联合优化发送功率、功分因子以及中继选择算法，目标函数为式(IX)，限制条件C1-C6如下所示：

st.C1 I₁+I₂≤I_th

C3 SINR_H≥τ

C4 0≤ρ_i≤1

C5 0≤P₁≤P_1max

C6 0≤P₂≤P_2max

I_th为底层接入模式下主用户PU所承受的干扰容限；

C1表示在第一时间阶段内干扰控制在干扰容限之下；

C2表示第二时间阶段中继对主用户的干扰控制在干扰容限之下；

C3表示强用户的信干噪比满足的条件；

C4表示功率分割因子的取值限制，根据实际物理实现性；

C5、C6给出了次用户发送端发送功率的限制，

注意到当ρ_i固定时，噪声功率N_i将成为常量，弱用户的可达速率只与两个次用户的发送功率P₁和P₂有关，因此，选择对功率分割因子ρ_i进行遍历，整个优化问题称为线性规划问题，设置步长Δρ，分别在ST₁与ST₂作为弱用户的情况下进行计算，选取弱用户可达速率最大的一组解作为最优解；

中继的选择和弱用户的选择表示如式(X)、式(XI)所示：

式(X)、式(XI)中，通过对每个中继进行遍历，使得弱用户的可达速率达到最大，i^*表示最优的中继，j^*表示次用户ST₁，ST₂中更适合作为的弱用户WU。

根据本发明优选的，第一阶段时间内，两个次用户发送端同时发送射频信号，中继接收射频信号并进行能量收割；第二阶段时间内，中继将第一阶段时间内执行完能量收割后剩余的信号进行转发，用于转发的能量是由第一时间阶段内收集到的能量提供；包括步骤如下：

A、传输过程：第一时间阶段：在第一时间阶段内，两个次用户发送端ST₁和ST₂同时发送信号，中继R_i被激活并接收信号，1≤i≤m，这将在信号传输期间对PU造成干扰。为了突出问题的主要矛盾，我们将适当地简化问题。忽略用于执行能量收集时的、中继R_i的电路能耗，并且假设SR和PU之间的距离很远，忽略在PU通信期间对SR造成的干扰，如式(XII)所示：

式(XII)中，

表示中继接收到次用户发送的信号，h_i，1是次用户发送端ST₁到中继R_i的小尺度瑞利衰落信道，h_i，2是次用户发送端ST₂到中继R_i的小尺度瑞利衰落信道，d_i，1表示中继R_i到次用户发送端ST₁的距离，d_i，2表示中继R_i到次用户发送端ST₂的距离，θ为路损因子；a_i表示PU对R_i的干扰，服从高斯分布

为PU对R_i的干扰功率，u_i表示高斯白噪声，x₁，x₂分别表示ST₁，ST₂所发送的功率归一化信号，所有的信道均设为独立同分的信道增益为0dB的瑞利随机变量；

中继R_i接收到信号后，中继R_i进行功率分割，部分信号用于储能，部分信号用于转发；

B、第二时间阶段：中继R_i向次用户接收端SR发送信号，次用户接收端SR接收到的信号如式(XIII)所示：

式(XIII)中，g_i表示中继R_i到SR的信道增益，

表示中继R_i与次用户接收端SR之间的距离，c表示次用户接收端SR接收信号时引入的高斯白噪声，

进一步优选的，功率分割，是指：

通过功分器，设置功率分配因子ρ_i，ρ_i∈[0，1]，下标i代表第i个中继，信号被分为两部分，储能的能量，即中继R_i收集到的能量E_i如式(XIV)所示：

式(XIV)中，η表示射频能量收集电路的能量转换效率，η∈[0，1]；该部分能量将被用于转发信号，中继R_i的发送功率

如式(XV)所示：

为表示的简洁性，使得

中继R_i接下来执行放大转发信号的环节，信号放大系数w_i，如式(XVI)所示：

式(XVI)中，b_i表示信号在中继R_i由频带到基带转换过程中所引入的高斯白噪声，

由于与待转发的信号功率相比很小，所以在式(4)中被省略。待转发信号

以及噪声b_i在转发过程中都被放大，因此R_i在第二时间阶段转发的信号如式(XVII)所示：

本发明的有益效果为：

1、本发明一种基于NOMA与SWIPT认知无线电环境下的多用户资源分配方法，增加了用户接入数量，提升了***的频效和能效。

2、本发明基于NOMA与SWIPT认知无线电环境下的多用户资源分配方法，同时考虑了中继设备的能量消耗问题，增加了能量收割模块，绿色环保。

3、本发明分析了二级网络中用户之间的功率分配以及中继选择问题，在强用户满足解码需求的情况下尽可能使弱用户的可达速率达到最大，兼顾了用户之间的公平性。

附图说明

图1是本发明基于NOMA与SWIPT认知无线电环境下的多用户中继通信***的模型示意图；

图2是执行所提出算法与随机选择中继在不同发送功率限制下的可达速率随干扰容限的变化的示意图；

图3是执行所提出算法与随机选择中继在不同发送功率限制下的可达速率随解码需求的变化的示意图；

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。

实施例1

一种基于NOMA与SWIPT认知无线电环境下的多用户资源分配方法，运行于基于NOMA与SWIPT认知无线电环境下的多用户中继通信***，如图1所示，包括一个主用户PU、m个中继R₁～R_m、两个次用户发送端ST₁和ST₂、以及一个次用户接收端SR，主用户PU始终处于通信状态；

由于没有次用户发送端到次用户接收端的直连路径，次用户的信号需要通过中继进行放大转发(AF)，在此过程中中继会执行动态功率分割，利用收集到的射频能量为接下来的转发信号服务。实际场景中，发送端和接收端往往具有固定的能量来源，然而中继由于有数量多、分布广、工作环境复杂、很难及时进行充电的特点，所以假定其没有固定的能量来源。因此，本发明加入了能量收割环节，将次用户发送端与中继之间通信按时间划分为两个等长阶段，第一阶段时间内，两个次用户发送端同时发送射频信号，中继接收射频信号并进行能量收割；第二阶段时间内，中继将第一阶段时间内执行完能量收割后剩余的信号进行转发，用于转发的能量是由第一时间阶段内收集到的能量提供；包括步骤如下：

(1)二级网络工作对主用户PU的干扰：二级网络包括两个次用户发送端ST₁和ST₂、m个中继R₁～R_m，以及一个次用户接收端SR，当两个次用户发送端ST₁和ST₂发送信号过程中，求取第一时间阶段内主用户PU受到的干扰I₁，I₂，分别如式(I)、式(II)所示：

式(I)、式(II)中，P₁表示次用户发送端ST₁的发送功率，P₂表示次用户发送端ST₂的发送功率，d_u，1表示主用户PU到次用户发送端ST₁的距离，d_u，2表示主用户PU到次用户发送端ST₂的距离，l_u，1表示主用户PU与次用户发送端ST₁之间的信道增益，l_u，2表示主用户PU与次用户发送端ST₂之间的信道增益，θ为路径损耗因子；

求取中继R_i在转发信号的过程中对主用户PU造成的干扰I₃，如式(III)所示：

式(III)中，

是主用户PU与中继R_i之间的距离，k_i代表了主用户PU到中继R_i的信道增益；

表示第二时间阶段中继转发信号时的发送功率，θ为路径损耗因子；

(2)计算二级网络中弱用户ST_j的可达速率：

在接收端处呈现高功率的用户被称为强用户SU，接收端处呈现低功率的用户被称为弱用户WU，强用户表示为ST_3-j；求得在次用户接收端SR分别得到次用户发送端ST₁与ST₂有用信号的功率，分别用S_1，i，S_2，i表示，求取次用户接收端SR的噪声功率N_i，分别如式(IV)、式(V)、式(VI)所示：

式(IV)、式(V)、式(VI)中，η，η∈[0，1]，表示电路的能量转换效率，ρ_i∈[0，1]，下标i表示第i个中继，ρ_i表示第i个中继执行能量收割时的功率分配因子，P₁，P₂分别表示ST₁和ST₂的发送功率，h_i，1，h_i，2分别表示ST₁到R_i、ST₂到R_i的小尺度瑞利衰落信道的信道增益，d_i，1，d_i，2分别表示表示R_i到ST₁、R_i到ST₂的距离，θ为路损因子，g_i表示R_i到SR的信道增益，

是R_i与SR之间的距离；

为SR接收信号时引入的高斯白噪声的归一化功率，

为PU对R_i的干扰功率，

为R_i在接收信号过程中引入的高斯白噪声功率，

为中继R_i转发信号过程中从频带到基带引入的高斯白噪声功率；

在解码NOMA信号时需要先解码功率大的用户，然后利用串行干扰消除解码低功率用户。因此需要确定ST₁与ST₂的解码顺序。即确定出ST₁与ST₂谁更适合作为强用户或弱用户。然而根据式(X)、式(XI)、式(XII)无法直接确定出谁更适合作为强用户或弱用户。

在两用户接入的情况下，ST_j表示弱用户，j∈{1，2}，强用户表示为ST_3-j，考虑到用户间公平性问题，设置信干噪比门限值τ，信干噪比门限值τ是用户正确解码所需要的信干噪比的最小值，因此，强用户ST_3-j的信干噪比SINR_H满足的条件如式(VII)所示：

式(VII)中，j为1或2，1≤i≤m；

当强用户的信干噪比满足式(VII)时，弱用户获得解码的机会，求取弱用户的信干噪比SINR_L，如式(VIII)所示：

本发明的最终目的是在二级网络中，保证一者能解码的前提，增加接入用户数，并使得其速率能达到最大，因此，求取弱用户的可达速率R_L，如式(IX)所示：

(3)联合优化发送功率、功分因子以及中继选择算法，目标函数为式(IX)，限制条件C1-C6如下所示：

st.C1 I₁+I₂≤I_th

C3 SINR_H≥τ

C4 0≤ρ_i≤1

C5 0≤P₁≤P_1max

C6 0≤P₂≤P_2max

I_th为底层接入模式下主用户PU所承受的干扰容限；

C1表示在第一时间阶段内干扰控制在干扰容限之下；

C2表示第二时间阶段中继对主用户的干扰控制在干扰容限之下；

C3表示强用户的信干噪比满足的条件；

C4表示功率分割因子的取值限制，根据实际物理实现性；

C5、C6给出了次用户发送端发送功率的限制，

注意到当ρ_i固定时，噪声功率N_i将成为常量，弱用户的可达速率只与两个次用户的发送功率P₁和P₂有关，因此，选择对功率分割因子ρ_i进行遍历，整个优化问题称为线性规划问题，设置步长Δρ，分别在ST₁与ST₂作为弱用户的情况下进行计算，选取弱用户可达速率最大的一组解作为最优解；

中继的选择和弱用户的选择表示如式(X)、式(XI)所示：

式(X)、式(XI)中，通过对每个中继进行遍历，使得弱用户的可达速率达到最大，i^*表示最优的中继，j^*表示次用户ST₁，ST₂中更适合作为的弱用户WU。

实施例2

根据实施例1所述的一种基于NOMA与SWIPT认知无线电环境下的多用户资源分配方法，其区别在于：第一阶段时间内，两个次用户发送端同时发送射频信号，中继接收射频信号并进行能量收割；第二阶段时间内，中继将第一阶段时间内执行完能量收割后剩余的信号进行转发，用于转发的能量是由第一时间阶段内收集到的能量提供；包括步骤如下：

A、传输过程：第一时间阶段：在第一时间阶段内，两个次用户发送端ST₁和ST₂同时发送信号，中继R_i被激活并接收信号，1≤i≤m，这将在信号传输期间对PU造成干扰。为了突出问题的主要矛盾，我们将适当地简化问题。忽略用于执行能量收集的中继R_i的能量消耗，并且假设SR和PU之间的距离很远，忽略在PU通信期间对SR造成的干扰，如式(XII)所示：

式(XII)中，

表示中继接收到次用户发送的信号，h_i，1是次用户发送端ST₁到中继R_i的小尺度瑞利衰落信道，h_i，2是次用户发送端ST₂到中继R_i的小尺度瑞利衰落信道，d_i，1表示中继R_i到次用户发送端ST₁的距离，d_i，2表示中继R_i到次用户发送端ST₂的距离，θ为路损因子；a_i表示PU对R_i的干扰，服从高斯分布

为PU对R_i的干扰功率，u_i表示高斯白噪声，x₁，x₂分别表示ST₁，ST₂所发送的功率归一化信号，所有的信道均设为独立同分的信道增益为0dB的瑞利随机变量；

中继R_i接收到信号后，中继R_i进行功率分割，部分信号用于储能，部分信号用于转发；

B、第二时间阶段：中继R_i向次用户接收端SR发送信号，次用户接收端SR接收到的信号如式(XIII)所示：

式(XIII)中，g_i表示中继R_i到SR的信道增益，

表示中继R_i与次用户接收端SR之间的距离，c表示次用户接收端SR接收信号时引入的高斯白噪声，

功率分割，是指：

通过功分器，设置功率分配因子ρ_i，ρ_i∈[0，1]，下标i代表第i个中继，信号被分为两部分，储能的能量，即中继R_i收集到的能量E_i如式(XIV)所示：

式(XIV)中，η表示射频能量收集电路的能量转换效率，η∈[0，1]；该部分能量将被用于转发信号，中继R_i的发送功率

如式(XV)所示：

为表示的简洁性，使得

中继R_i接下来执行放大转发信号的环节，信号放大系数w_i，如式(XVI)所示：

式(XVI)中，b_i表示信号在中继R_i由频带到基带转换过程中所引入的高斯白噪声，

由于与待转发的信号功率相比很小，所以在式(4)中被省略。待转发信号

以及噪声b_i在转发过程中都被放大，因此R_i在第二时间阶段转发的信号如式(XVII)所示：

本实施例所提出的基于无线信息能量同传与非正交多址的认知无线电环境下多用户中继通信***的***性能如图2、3所示。通过与随机中继选择进行比较，以5个中继为例，图2的结果显示，随着主用户干扰容限的提高，弱用户的可达速率也会相应提高，但最终由于发送功率的限制速率增长趋于平缓。图3则描述了***中弱用户可达速率随强用户解码需求的变化，显然强用户所需的解码需求越大，弱用户的可达速率则越小。因此，本发明的提出增加了二级网络的用户接入数量，并引入能量收集模块，充分提高了***的能效和频效。

Claims (2)

1.一种基于NOMA与SWIPT认知无线电环境下的多用户资源分配方法，其特征在于，运行于基于NOMA与SWIPT认知无线电环境下的多用户中继通信***，包括一个主用户PU、m个中继R₁～R_m、两个次用户发送端ST₁和ST₂、以及一个次用户接收端SR，主用户PU始终处于通信状态；将次用户发送端与中继之间通信按时间划分为两个等长阶段，第一阶段时间内，两个次用户发送端同时发送射频信号，中继接收射频信号并进行能量收割；第二阶段时间内，中继将第一阶段时间内执行完能量收割后剩余的信号进行转发，用于转发的能量是由第一时间阶段内收集到的能量提供；包括步骤如下：

(1)二级网络工作对主用户PU的干扰：二级网络包括两个次用户发送端ST₁和ST₂、m个中继R₁～R_m，以及一个次用户接收端SR，当两个次用户发送端ST₁和ST₂发送信号过程中,求取第一时间阶段内主用户PU受到的干扰I₁，I₂，分别如式(Ⅰ)、式(Ⅱ)所示：

式(Ⅰ)、式(Ⅱ)中，P₁表示次用户发送端ST₁的发送功率,P₂表示次用户发送端ST₂的发送功率，d_u，1表示主用户PU到次用户发送端ST₁的距离，d_u，2表示主用户PU到次用户发送端ST₂的距离，l_u，1表示主用户PU与次用户发送端ST₁之间的信道增益，l_u，2表示主用户PU与次用户发送端ST₂之间的信道增益，θ为路径损耗因子；

求取中继R_i在转发信号的过程中对主用户PU造成的干扰I₃，如式(Ⅲ)所示：

式(Ⅲ)中，

是主用户PU与中继R_i之间的距离,k_i代表了主用户PU到中继R_i的信道增益；

表示第二时间阶段中继转发信号时的发送功率，θ为路径损耗因子；

(2)计算二级网络中弱用户ST_j的可达速率：j∈{1，2}，在接收端处呈现高功率的用户被称为强用户SU，接收端处呈现低功率的用户被称为弱用户WU，强用户表示为ST_3-j；求得在次用户接收端SR分别得到次用户发送端ST₁与ST₂有用信号的功率，分别用S_1，i,S_2，i表示，求取次用户接收端SR的噪声功率N_i，分别如式(Ⅳ)、式(Ⅴ)、式(Ⅵ)所示：

式(Ⅳ)、式(Ⅴ)、式(Ⅵ)中，η,η∈[0，1]，表示电路的能量转换效率，ρ_i∈[0，1],下标i表示第i个中继，ρ_i表示第i个中继执行能量收割时的功率分配因子，P₁,P₂分别表示ST₁和ST₂的发送功率，h_i，1,h_i，2分别表示ST₁到R_i、ST₂到R_i的小尺度瑞利衰落信道的信道增益，d_i，1,d_i，2分别表示表示R_i到ST₁、R_i到ST₂的距离,θ为路损因子，g_i表示R_i到SR的信道增益，

是R_i与SR之间的距离；

为SR接收信号时引入的高斯白噪声的归一化功率，

为PU对R_i的干扰功率，

为R_i在接收信号过程中引入的高斯白噪声功率，

为中继R_i转发信号过程中从频带到基带引入的高斯白噪声功率；

设置信干噪比门限值τ，信干噪比门限值τ是用户正确解码所需要的信干噪比的最小值，强用户ST_3-j的信干噪比SINR_H满足的条件如式(Ⅶ)所示：

式(Ⅶ)中，j为1或2，1≤i≤m；

当强用户的信干噪比满足式(Ⅶ)时，弱用户获得解码的机会，求取弱用户的信干噪比SINR_L，如式(Ⅷ)所示：

求取弱用户的可达速率R_L，如式(IX)所示：

(3)联合优化发送功率、功分因子以及中继选择算法，目标函数为式(IX)，限制条件C1-C6如下所示：

OP：

st.C1 I₁+I₂≤I_th

C2

C3 SINR_H≥τ

C4 0≤ρ_i≤1

C5 0≤P₁≤P_1max

C6 0≤P₂≤P_2max

I_th为底层接入模式下主用户PU所承受的干扰容限；

C1表示在第一时间阶段内干扰控制在干扰容限之下；

C2表示第二时间阶段中继对主用户的干扰控制在干扰容限之下；

C3表示强用户的信干噪比满足的条件；

C4表示功率分割因子的取值限制，根据实际物理实现性；

C5、C6给出了次用户发送端发送功率的限，

选择对功率分割因子ρ_i进行遍历，整个优化问题称为线性规划问题，设置步长Δρ，分别在ST₁与ST₂作为弱用户的情况下进行计算，选取弱用户可达速率最大的一组解作为最优解；

中继的选择和弱用户的选择表示如式(X)、式(XI)所示：

式(X)、式(XI)中，通过对每个中继进行遍历，使得弱用户的可达速率达到最大，i^*表示最优的中继，j^*表示次用户ST₁，ST₂中更适合作为的弱用户WU。

2.根据权利要求1所述的一种基于NOMA与SWIPT认知无线电环境下的多用户资源分配方法，其特征在于，第一阶段时间内，两个次用户发送端同时发送射频信号，中继接收射频信号并进行能量收割；第二阶段时间内，中继将第一阶段时间内执行完能量收割后剩余的信号进行转发，用于转发的能量是由第一时间阶段内收集到的能量提供；包括步骤如下：

A、传输过程：第一时间阶段：在第一时间阶段内，两个次用户发送端ST₁和ST₂同时发送信号，中继R_i被激活并接收信号，1≤i≤m，忽略用于执行能量收集的中继R_i的能量消耗，并且假设SR和PU之间的距离很远，忽略在PU通信期间对SR造成的干扰，如式(Ⅻ)所示：

式(Ⅻ)中，

表示中继接收到次用户发送的信号，h_i，1是次用户发送端ST₁到中继R_i的小尺度瑞利衰落信道,h_i，2是次用户发送端ST₂到中继R_i的小尺度瑞利衰落信道，d_i，1表示中继R_i到次用户发送端ST₁的距离,d_i，2表示中继R_i到次用户发送端ST₂的距离,θ为路损因子；a_i表示PU对R_i的干扰，服从高斯分布

为PU对R_i的干扰功率，u_i表示高斯白噪声,x₁,x₂分别表示ST₁,ST₂所发送的功率归一化信号，所有的信道均设为独立同分的信道增益为0dB的瑞利随机变量；

中继R_i接收到信号后，中继R_i进行功率分割，部分信号用于储能，部分信号用于转发；

B、第二时间阶段：中继R_i向次用户接收端SR发送信号，次用户接收端SR接收到的信号如式(XIII)所示：

式(XIII)中，g_i表示中继R_i到SR的信道增益，

表示中继R_i与次用户接收端SR之间的距离，c表示次用户接收端SR接收信号时引入的高斯白噪声,

功率分割，是指：

通过功分器，设置功率分配因子ρ_i，ρ_i∈[0，1],下标i代表第i个中继，信号被分为两部分，储能的能量，即中继R_i收集到的能量E_i如式(XIV)所示：

式(XIV)中，η表示射频能量收集电路的能量转换效率,η∈[0，1]；该部分能量将被用于转发信号，中继R_i的发送功率

如式(XV)所示:

使得

中继R_i接下来执行放大转发信号的环节，信号放大系数ω_i，如式(XVI)所示:

式(XVI)中，b_i表示信号在中继R_i由频带到基带转换过程中所引入的高斯白噪声,

R_i在第二时间阶段转发的信号如式(XVII)所示:

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