CN102355738B - 基于协同中继的认知simo网络接入方法 - Google Patents

Abstract

一种基于协同中继的认知SIMO网络接入方法，认知基站收集网络中的信道响应，判断认知用户是否能够协同主用户通信以达到主用户所需的目标传输速率，若可以，则认知SIMO网络接入主用户的授权频段；若不可以，则不接入。这种接入方式可以在保证主用户目标传输速率的前提下，使多个认知用户在同一地理位置和主用户同时使用相同的授权频谱进行通信，从而尽可能地提高了频谱利用率。由于这种接入方式是基于协同通信的，认知网络和主用户网络距离越近，其所能达到的网络吞吐量越大，而且可以实现大范围的网络覆盖，弥补了现有认知无线电接入方式的不足。

Description

基于协同中继的认知SIMO网络接入方法

技术领域

本发明属于认知无线电技术领域，具体的说是一种新的应用于认知单输入多输出（Single-Input Multiple-Output，简称SIMO）网络中的基于协同中继的认知无线电接入方式。

背景技术

认知无线电是目前最热门的无线技术之一，它的出现改变了频谱资源由授权用户独享的频谱使用方式，拥有认知无线电功能的认知用户可以通过对它所工作的无线通信环境进行交互感知，自动地改变自身的发送和接收参数，在保证授权用户（主用户）正常通信的前提下动态地重复使用授权频段，从而可以显著地提高频谱利用率。此外，多天线被公认为未来高速无线数据接入网的必选技术方案之一。多天线通信系统在原有的频域、时域和码域的三维资源的基础上增加了空间维度，通过先进的空时信号处理技术，可以在不增加带宽和发射功率的基础上，成倍地提升无线通信系统的容量，同时还可以增强通信系统抗干扰、抗衰落性能，从而有效地缓解频谱紧张并提供高速业务支持。同样作为提高频谱利用率的有效手段，多天线技术和认知无线电技术的结合具有十分广阔的应用前景。

目前认知无线电接入授权频段主要存在两种方式：基于“频谱空穴”的机会式频谱接入以及基于“干扰温度”的频谱共享。

基于“频谱空穴”的机会式频谱接入：在特定的时间特定的地理位置没有被主用户使用的频谱资源称为“频谱空穴”，机会式频谱接入就是利用这些频谱空穴进行通信，它是认知无线电最直接的构想。这种接入方式不需要针对主用户进行发射功率控制，但是要求认知网络具有高精度的频谱检测技术，当主用户网络的通信业务繁忙时，采用机会式频谱接入很难获得通信机会。

基于“干扰温度”的频谱共享：干扰温度定义在无线设备的接收射频前端，用来度量在某一地理位置某一频带内接收机所接收到的干扰大小，接收机正常通信所能容忍的最大干扰温度称为干扰温度界。只要认知网络可以将自己对主用户接收机的干扰控制在干扰温度界之内，就可以在不影响主用户正常通信的情况下使用授权频段。利用这种接入方式，认知网络可以和主用户在同一地理位置同时使用相同的授权频段通信，但是必须对认知网络的发射功率进行控制以满足主用户的干扰温度界，因此频谱共享方式无法实现大范围的网络覆盖，而且和主用户网络距离较近时通信性能很差。

发明内容

本发明的目的是针对现有的认知无线电接入授权频段的方式所存在的接入难和通信差的问题，为多天线认知网络的上行链路即认知SIMO网络提供一种新的基于协同中继的接入方案。这种基于协同的接入方式可以和主用户在同一地理位置同时使用相同的授权频谱通信，同时能够实现大范围的网络覆盖，而且在和主用户网络距离较近时可以获得很好的网络吞吐量性能，弥补了现有的认知无线电接入方式的不足。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于协同中继的认知SIMO网络接入方法，认知基站收集网络中的信道响应，判断认知用户是否能够协同主用户通信以达到主用户所需的目标传输速率，若可以，则认知SIMO网络接入主用户的授权频段；若不可以，则不接入；它包括以下步骤：

步骤1、主用户发射机广播协同请求信息（Cooperation Request Message，简称CRM），认知基站从接收到的CRM中估计主用户发射机到认知基站的M维信道响应矢量h^pb，各认知用户从接收到的CRM中估计主用户发射机到第c个认知用户的信道响应

c=1,2,...,N，同时，认知基站从CRM中获得主用户的目标传输速率R_pk，各认知用户将

的估计值发送至认知基站；

其中M表示认知基站配置的天线数目，N表示认知网络中认知用户的数目；

步骤2、主用户的接收机对CRM做出响应，回复协同应答信息（Cooperation AcknowledgeMessage，简称CAM）给主用户发射机，各认知用户根据接收到的CAM估计其到主用户接收机的信道响应

c=1,2,...,N；

步骤3、认知基站判断认知SIMO网络是否有能力协同主用户通信以达到主用户的目标传输速率：

首先，认知基站判断自己和各认知用户是否能够成功译码主用户数据

（a）、如果认知基站所获得的数据速率大于主用户的目标传输速率，即条件

满足，则认知基站可以成功译码主用户数据，其中p_p表示主用户发射机的发射功率，

表示认知基站接收到的信道噪声功率；

（b）、如果第c个认知用户所获得的数据传输速率大于主用户的目标传输速率，即条件

满足，则第c个认知用户可以成功译码主用户数据，并将第c个认知用户归入集合U₁，否则归入集合U₂，其中

表示第c个认知用户接收到的信道噪声功率，集合U₁表示可以成功译码主用户数据的认知用户的集合，集合U₂表示不能成功译码主用户数据的认知用户的集合；

此时，如果集合U₁中的认知用户可以为主用户提供其所需的目标传输速率，即条件

可以满足，同时认知基站可以成功译码主用户数据，则认知SIMO网络可以接入主用户的授权频段，此时，认知基站向主用户发送协同确认信息（Cooperative Confirmation Message，简称CCM），

否则，认知SIMO网络不接入主用户的授权频段；其中

表示主用户接收机处的信道噪声功率，p_c,max表示第c个认知用户所允许的峰值发射功率。

本发明中，认知基站向主用户发送协同确认信息CCM后，包括两个步骤：

步骤1、认知基站和各认知用户接收主用户数据：主用户发射机和接收机接收到了CCM后，开始进行数据发送，认知网络保持静默，接收主用户数据信息，认知基站和集合U₁中的认知用户对主用户数据进行译码。

步骤2、认知用户发送自身数据，同时中继主用户数据：认知SIMO网络接收完主用户数据后，集合U₁中的认知用户使用自己的部分发射功率发送自己的数据给认知基站，剩余部分功率转发主用户数据给主用户接收机以满足主用户的目标传输速率；集合U₂中的认知用户不转发主用户数据，使用全部发射功率发送自己的数据给认知基站。认知基站从接收到的混合信号中消除主用户数据的干扰，干扰消除后，对接收到的每一个认知用户的数据进行波束形成。

本发明相对于现有技术具有以下的优点：

本发明设计了一种基于协同中继的认知SIMO网络接入方式，这种方式可以在保证主用户目标传输速率的前提下，使多个认知用户在同一地理位置和主用户同时使用相同的授权频谱进行通信，从而尽可能地提高了频谱利用率。由于这种接入方式是基于协同通信的，认知网络和主用户网络距离越近，其所能达到的网络吞吐量越大，而且可以实现大范围的网络覆盖，弥补了现有认知无线电接入方式的不足。

附图说明

图1为本发明中基于协同中继的认知SIMO网络接入方式的流程图。

具体实施方式

本发明的一个具体实例如下描述，系统仿真采用MatLab仿真，参数设定不影响一般性。主用户系统中包括1个单天线的发信机和1个单天线的收信机，收信机随机分布在以发信机为圆心半径为200m的圆周上；认知网络中包括1个多天线的认知基站和3个认知用户，3个认知用户随机均匀地分布在以基站为圆心半径为200m的圆周上。用对数路径损耗模型对信道的大尺度路径损耗进行建模，损耗因子设为4；用均值为1的Rayleigh衰落模型对信道的小尺度衰落进行建模；接收机处的噪声功率设为

主用户发射机的发射功率为0dBm；3个认知用户具有相同的峰值发射功率p_1,max=p_2.max=p_3,max=20dBm；认知基站的天线数目设为M=3；认知基站和主用户发射机之间的距离设为100m。

下面以一次独立的随机试验为例说明实施例的具体过程。在此次随机试验中，

步骤1.主用户发射机广播协同请求信息CRM，认知基站和各认知用户保持静默，从接收到的CRM中估计主用户发射机到认知基站的信道响应矢量h^pb、主用户发射机到每个认知用户的信道响应

以及主用户的目标传输速率R_pk=1bps/Hz。各认知用户将

的估计值上报给认知基站。

步骤2.主用户接收机对CRM做出响应，回复协同应答信息CAM给主用户发射机，认知基站和各认知用户保持静默，各认知用户根据接收到的CAM估计其到主用户接收机的信道响应

在本次随机试验中，按照所假设的路径损耗和路径衰落模型，使用Matlab仿真软件随机产生以上的信道响应为：

$h^{\mathrm{pb}}={[\mathrm{1,1967}\×{10}^{-4},1.117\×{10}^{-5},{1.1488\×10}^{-4}]}^T$

$h_1^{\mathrm{pc}}=2.9093\×{10}^{-5},h_2^{\mathrm{pc}}=2.6325\×{10}^{-5},h_3^{\mathrm{pc}}=1.7732\×{10}^{-5},$

$h_1^{\mathrm{cp}}=1.535\×{10}^{-5},h_2^{\mathrm{cp}}=1.8538\×{10}^{-5},h_3^{\mathrm{cp}}=1.167\×{10}^{-5}$

步骤3.认知基站判断认知网络是否有能力协同主用户通信以达到主用户的目标传输速率。

首先，认知基站判断自己和各认知用户是否能够成功译码主用户数据。如果条件

满足，表示认知基站可获得的传输速率大于主用户的目标传输速率，所以认知基站可以成功译码主用户数据，可以判断，在此次随机试验中，认知基站可以成功译码主用户数据；如果条件

满足，表示第c个认知用户所获得的传输速率大于主用户的目标传输速率，所以第c个认知用户可以成功译码主用户数据，并将第c个认知用户归入集合U₁，否则归入集合U₂，可以判断，在此次随机试验中，3个认知用户都可以成功译码主用户数据，因此U₁={1,2,3}，U₂为空集；如果条件

可以满足，表示认知网络可以为主用户提供其所需的目标传输速率，可以判断，在此次随机试验中，该条件满足，同时认知基站也可以成功译码主用户数据，所以认知基站向主用户发送协同确认信息CCM，同意帮助主用户转发数据。

步骤4.认知基站和各认知用户接收主用户数据：主用户发射机和接收机接收到了CCM后，开始进行数据发送，认知网络保持静默，接收主用户数据信息，认知基站和集合U₁中的认知用户对主用户数据进行译码。在此次随机试验中，认知基站和3个认知用户均对主用户数据进行译码。

步骤5.：认知用户发送自身数据，同时中继主用户数据：认知SIMO网络接收完主用户数据后，集合U₁中的认知用户使用自己的部分发射功率发送自己的数据给认知基站，剩余部分功率转发主用户数据给主用户接收机以满足主用户的目标传输速率；集合U₂中的认知用户不转发主用户数据，使用全部发射功率发送自己的数据给认知基站；认知基站从接收到的混合信号中消除主用户数据的干扰，干扰消除后，对接收到的每一个认知用户的数据进行波束形成。

Claims (2)

1.一种基于协同中继的认知SIMO网络接入方法，其特征在于认知基站收集网络中的信道响应，判断认知用户是否能够协同主用户通信以达到主用户所需的目标传输速率，若可以，则认知SIMO网络接入主用户的授权频段；若不可以，则不接入；它包括以下步骤：

步骤1、主用户发射机广播协同请求信息CRM，认知基站从接收到的CRM中估计主用户发射机到认知基站的                                               

维信道响应矢量

，各认知用户从接收到的CRM中估计主用户发射机到第

个认知用户的信道响应

，同时，认知基站从CRM中获得主用户的目标传输速率

，各认知用户将

的估计值发送至认知基站；

其中

表示认知基站配置的天线数目，

表示认知网络中认知用户的数目；

步骤2、主用户的接收机对CRM做出响应，回复协同应答信息CAM给主用户发射机，各认知用户根据接收到的CAM估计其到主用户接收机的信道响应

，并将估计值发送至认知基站；

步骤3、认知基站判断认知SIMO网络是否有能力协同主用户通信以达到主用户的目标传输速率：

首先，认知基站判断自己和各认知用户是否能够成功译码主用户数据；

（a）、如果认知基站所获得的数据速率大于主用户的目标传输速率，即条件

满足，则认知基站可以成功译码主用户数据，其中

表示主用户发射机的发射功率，

表示认知基站接收到的信道噪声功率；

（b）、如果第

个认知用户所获得的数据传输速率大于主用户的目标传输速率，即条件满足，则第

个认知用户可以成功译码主用户数据，并将第

个认知用户归入集合

，否则归入集合

，其中

表示第

个认知用户接收到的信道噪声功率，集合

表示可以成功译码主用户数据的认知用户的集合，集合

表示不能成功译码主用户数据的认知用户的集合；

此时，如果集合

中的认知用户可以为主用户提供其所需的目标传输速率，即条件

可以满足，同时认知基站可以成功译码主用户数据，则认知SIMO网络可以接入主用户的授权频段，认知基站向主用户发送协同确认信息CCM；

否则，认知SIMO网络不接入主用户的授权频段；其中

表示主用户接收机处的信道噪声功率，

表示第

个认知用户所允许的峰值发射功率。

2.根据权利要求1所述的基于协同中继的认知SIMO网络接入方法，其特征是所述的认知基站向主用户发送协同确认信息CCM后，包括两个步骤：

步骤1、认知基站和各认知用户接收主用户数据：主用户发射机和接收机接收到了CCM后，开始进行数据发送，认知网络保持静默，接收主用户数据信息，认知基站和集合

中的认知用户对主用户数据进行译码；

步骤2、认知用户发送自身数据，同时中继主用户数据：认知SIMO网络接收完主用户数据后，集合

中的认知用户使用自己的部分发射功率发送自己的数据给认知基站，剩余部分功率转发主用户数据给主用户接收机以满足主用户的目标传输速率；集合

中的认知用户不转发主用户数据，使用全部发射功率发送自己的数据给认知基站；认知基站从接收到的混合信号中消除主用户数据的干扰，干扰消除后，对接收到的每一个认知用户的数据进行波束形成。

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