CN102404749B - 一种主用户和次级用户基于频谱共享的协作通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主用户和次级用户基于频谱共享的协作通信方法，通过在主网络和次级网络之间加入共享中继R建立协作通信网络，在数据传输的第一个子时隙，主源用户P、次级源用户S同时分别向主目的用户P₀、次级目的用户D发送主用户数据x_P、次级用户数据x_S，共享中继R接收到两路用户数据后，都进行解码，如果都能解码，则都由共享中继R进行转发；如果只有一路能解码，则转发该路用户数据，另一路重发；如果两路都不能解码，则都重发。本发明的协作通信方法比直接传输具有更小的主用户中断概率和次级用户中断概率，同时保证了主用户的通信质量，进而实现了主用户和次级用户之间高效的频谱共享。

Description

一种主用户和次级用户基于频谱共享的协作通信方法

技术领域

本发明属于协作通信技术领域，具体来讲，涉及一种主用户和次级用户基于频谱共享的协作通信方法。

背景技术

现代频谱管理机制已经不能满足日益增长的无线应用和服务的要求。然而，在实际的无线通信环境中，主用户频谱资源的利用率往往很低。为了提高频谱资源的利用率，研究高效地频谱共享通信系统成为该领域的热点。

传统的网络如图1所示。主源用户P和主目的用户P₀组成主网络；次级源用户S和次级目的用户D组成次级网络。主用户和次级用户使用相同的频段进行数据传输。其中，主源用户P通过直接链路向主目的用户P₀发送数据，次级源用户S通过直接链路向次级目的用户D发送数据，并且两者互不干扰。当主源用户P到主目的用户P₀的直接链路信道状况比较好时，直接链路的数据传输就可以满足主用户的通信质量要求。然而，当主源用户P到主目的用户P₀的直接链路信道状况较差时，仅仅通过直接链路进行数据传输会产生较大的中断概率。对于次级源用户S和次级目的用户D的直接链路数据传输来说，也存在同样情况。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种主用户和次级用户基于频谱共享的协作通信方法，以减小数据传输的中断概率。

为实现上述发明目的，本发明主用户和次级用户基于频谱共享的协作通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、在主网络中，主源用户P到主目的用户P₀的直接链路的信道状况比较差，在次级网络中，次级源用户S到次级目的用户D的直接链路的信道状况也比较差；主源用户P和主目的用户P₀在次级源用户S的传输范围之外，次级源用户S和次级目的用户D在主源用户P的传输范围之外；

在主网络和次级网络之间，加入共享中继R，建立协作通信网络，其中，主源用户P到共享中继R、共享中继R到主目的用户P₀、次级源用户S到共享中继R、共享中继R到次级目的用户D的信道状况良好；

(2)、在协作通信网络中，数据传输分为两个子时隙；

在第一个子时隙里，主源用户P传输主用户数据x_P到主目的用户P₀，同时次级源用户S传输次级用户数据x_S到次级目的用户D；两路用户数据x_P、x_S被共享中继R接收，共享中继R对接收到的主用户数据x_P和次级用户数据x_S进行解码；

在第二个子时隙里，根据共享中继R的解码结果，执行四个不同的传输过程：

第一种情况：共享中继R可以同时解码主用户数据x_P和次级用户数据x_S；此时，共享中继R对主用户数据x_P和次级用户数据x_S进行线性编码，并分配α(0＜α＜1)倍共享中继R的功率E_R给主用户信号，分配(1-α)倍共享中继R的功率E_R给次级用户信号，然后，共享中继R将编码后的主用户信号、次级用户信号广播给主目的用户P₀和次级目的用户D；

第二种情况：共享中继R只能解码主用户数据x_P；此时，将所有共享中继R的功率E_R分配给主用户信号，将主用户数据x_P转发给主目的用户P₀，同时，次级源用户S重新发送次级用户数据x_S到次级目的用户D；

第三种情况：共享中继R只能解码次级用户数据x_S；此时，将所有共享中继R的功率E_R分配给次级用户信号，将次级用户数据x_S转发给次级目的用户D，同时，主源用户P重新发送主用户数据x_P到主目的用户P₀；

第四种情况：主用户数据x_P和次级用户数据x_S都不能被共享中继R解码。此时，主源用户P重新发送主用户数据x_P到主目的用户P₀，同时，次级源用户S重新发送次级用户数据x_S到次级目的用户D，共享中继R进入休眠状态。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明主用户和次级用户基于频谱共享的协作通信方法，首先通过在主网络和次级网络之间加入共享中继R，建立协作通信网络，然后，在数据传输的第一个子时隙，主源用户P、次级源用户S同时分别向主目的用户P₀、次级目的用户D发送主用户数据x_P、次级用户数据x_S，共享中继R接收到两路用户数据后，都进行解码，然后，根据解码结果执行不同的传输过程：如果都能解码，则都由共享中继R进行转发；如果只有一路能解码，则转发该路用户数据，另一路重发；如果两路都不能解码，则都重发。由于共享中继R与主源用户P、主目的用户P₀、次级源用户S、次级目的用户D的信道状况良好，本发明通过在主网络和次级网络之间加入共享中继来R提高次级用户数据传输效率，即本发明的协作通信方法比直接传输具有更小的主用户中断概率和次级用户中断概率；同时保证了主用户的通信质量，进而实现了主用户和次级用户之间高效的频谱共享。

附图说明

图1是传统的网络模型结构图；

图2是本发明中协作通信网络模型结构图；

图3是四个不同的传输过程示意图；

图4是发射信噪比γ_P，γ_R和γ_S对主用户中断概率和次级中断概率的影响曲线图；

图5是最大次级用户功率E_S受限时与发射信噪比γ_P，γ_R的曲线图；

图6是功率分配倍数α受限时与发射信噪比γ_R的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图2是本发明中协作通信网络模型结构图。

在本实施例中，如图2所示，本发明中的协作通信网络模型是在图1所示传统的网络模型的基础上加入共享中继R而组成的。其中，共享中继R同时位于主源用户P和次级源用户S的传输范围之内。此外，主源用户P到主目的用户P₀和次级源用户S到次级目的用户D的直接链路的信道状况都比较差；而主源用户P到共享中继R、共享中继R到主目的用户P₀、次级源用户S到共享中继R、共享中继R到次级目的用户D的信道状况良好。

主源用户P使用功率E_P和速率R_P传输主用户数据x_P到主目的用户P₀，同时，次级源用户S使用功率E_S和速率R_S传输次级用户数据x_S到次级目的用户D。

该协作通信网络中的数据传输分为两个子时隙。在第一个子时隙里，主源用户P传输主用户数据x_P到主目的用户P₀，同时次级源用户S传输数据到次级目的用户D。可以看到，两路用户数据x_P、x_S都会被共享中继R接收。主目的用户P₀、次级目的用户D以及共享中继R三个节点的接收信号可以分别表示为：

$y_{P_0}^{\left(1\right)}=\sqrt{E_P}{h}_{{\mathrm{PP}}_0}{x}_P+n_{P_0}---\left(1\right)$

$y_D^{\left(1\right)}=\sqrt{E_S}{h}_{\mathrm{SD}}{x}_S+n_D---\left(2\right)$

$y_R^{\left(1\right)}=\sqrt{E_P}{h}_{\mathrm{PR}}{x}_P+\sqrt{E_S}{h}_{\mathrm{SR}}{x}_S+n_R---\left(3\right)$

其中，E_P、E_S为主源用户P、次级源用户S的功率，

表示从i到j的信道系数，并且对应的信道方差为n_j表示均值为0，功率谱密度为N₀的高斯白噪声。

此时，共享中继R对主用户数据x_P和次级用户数据x_S进行解码。

在第二个子时隙里，，根据共享中继R的解码结果，执行四个不同的传输过程。具体如图3所示。

令A表示共享中继R可以解码主用户数据x_P，B表示共享中继R可以解码次级用户数据x_S。该过程具体描述如下：

第一种情况：共享中继R可以同时解码主用户数据x_P和次级用户数据x_S；此时，共享中继R对主用户数据x_P和次级用户数据x_S进行线性编码，并分配α(0＜α＜1)倍共享中继R的功率E_R给主用户信号，分配(1-α)倍共享中继R的功率E_R给次级用户信号，然后，共享中继R将编码后的主用户信号、次级用户信号广播给主目的用户P₀和次级目的用户D。在该种情况下，主目的用户P₀和次级目的用户D接收到信号为：

$y_{P_0|\mathrm{AB}}^{\left(2\right)}=(\sqrt{{\mathrm{\αE}}_R}{x}_P+\sqrt{(1-\mathrm{\α})E_R}{x}_S)h_{{\mathrm{RP}}_0}+n_{P_0}---\left(4\right)$

$y_{D|\mathrm{AB}}^{\left(2\right)}=(\sqrt{{\mathrm{\αE}}_R}{x}_P+\sqrt{(1-\mathrm{\α})E_R}{x}_S)h_{\mathrm{RD}}+n_D---\left(5\right)$

第二种情况：共享中继R只能解码主用户数据x_P；此时，将所有共享中继R的功率E_R分配给主用户信号，将主用户数据x_P转发给主目的用户P₀，同时，次级源用户S重新发送次级用户数据x_S到次级目的用户D。在该种情况下，主目的用户P₀和次级目的用户D接收到信号为：

$y_{P_0|A\stackrel{\‾}{B}}^{\left(2\right)}=\sqrt{E_R}{h}_{{\mathrm{RP}}_0}{x}_P+n_{P_0}---\left(6\right)$

$y_{D|A\stackrel{\‾}{B}}^{\left(2\right)}=\sqrt{E_S}{h}_{\mathrm{SD}}{x}_S+\sqrt{E_R}{h}_{\mathrm{RD}}{x}_P+n_D---\left(7\right)$

第三种情况：共享中继R只能解码次级用户数据x_S；此时，将所有共享中继R的功率E_R分配给次级用户信号，将次级用户数据x_S转发给次级目的用户D，同时，主源用户P重新发送主用户数据x_P到主目的用户P₀。在该种情况下，主目的用户P₀和次级目的用户D接收到信号为：

$y_{P_0|\stackrel{\‾}{A}B}^{\left(2\right)}=\sqrt{E_P}{h}_{P{P}_0}{x}_P+\sqrt{E_R}{h}_{R{P}_0}{x}_S+n_{P_{\text{0}}}---\left(8\right)$

$y_{D|\stackrel{\‾}{A}B}^{\left(2\right)}=\sqrt{E_R}{h}_{\mathrm{RD}}{x}_S+n_D---\left(9\right)$

第四种情况：主用户数据x_P和次级用户数据x_S都不能被共享中继R解码。此时，主源用户P重新发送主用户数据x_P到主目的用户P₀，同时，次级源用户S重新发送次级用户数据x_S到次级目的用户D，共享中继R进入休眠状态。在该种情况下，主目的用户P₀和次级目的用户D接收到信号为：

$y_{P_0|\stackrel{\‾}{A}\stackrel{\‾}{B}}^{\left(2\right)}=\sqrt{E_P}{h}_{P{P}_0}{x}_P+n_{P_0}---\left(10\right)$

$y_{D|\stackrel{\‾}{A}\stackrel{\‾}{B}}^{\left(2\right)}=\sqrt{E_S}{h}_{\mathrm{SD}}{x}_S+n_D---\left(11\right)$

一、性能分析

1、共享中继R的解码概率

(1)、共享中继R可以同时解码主用户数据x_P和次级用户数据x_S的概率为：

$F_{\mathrm{AB}}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&beta;}}_1{\mathrm{\&mu;}}_1-{\mathrm{\&beta;}}_2{\mathrm{\&mu;}}_2,& 0<{\mathrm{\&Delta;}}_P{\mathrm{\&Delta;}}_S<1\\ 0,& {\mathrm{\&Delta;}}_P{\mathrm{\&Delta;}}_S\&GreaterEqual;1\end{array}\right.---\left(12\right)$

其中：

R_P、R_S为分别为主用户、次级用户的传输速率； ${\mathrm{\&beta;}}_1=\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_P{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{PR}}^2}{{\mathrm{\&gamma;}}_S{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{SR}}^2{\mathrm{\&Delta;}}_P+{\mathrm{\&gamma;}}_P{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{PR}}^2},$ ${\mathrm{\&beta;}}_2=\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_P{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{PR}}^2{\mathrm{\&Delta;}}_S}{{\mathrm{\&gamma;}}_S{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{SR}}^2+{\mathrm{\&gamma;}}_P{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{PR}}^2{\mathrm{\&Delta;}}_S},$ ${\mathrm{\&mu;}}_1=\exp (-\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_P}{{\mathrm{\&gamma;}}_P{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{PR}}^2}-\frac{b}{{\mathrm{\&gamma;}}_S{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{SR}}^2}-\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_{P}b}{{\mathrm{\&gamma;}}_P{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{PR}}^2}),$ ${\mathrm{\&mu;}}_2=\exp (\frac{1}{{\mathrm{\&gamma;}}_P{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{PR}}^2}-\frac{b}{{\mathrm{\&gamma;}}_S{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{SR}}^2}-\frac{b}{{\mathrm{\&gamma;}}_P{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{PR}}^2{\mathrm{\&Delta;}}_S}),$ $b=\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_S(1+{\mathrm{\&Delta;}}_P)}{1-{\mathrm{\&Delta;}}_S{\mathrm{\&Delta;}}_P},$ ${\mathrm{\&gamma;}}_i=\frac{E_i}{N_0}(\&ForAll;i\&Element;\{P,S,R\left\}\right).$

(2)共享中继R只能解码主用户数据x_P的概率为：

$F_{A\stackrel{\&OverBar;}{B}}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&beta;}}_1({\mathrm{\&rho;}}_1-{\mathrm{\&mu;}}_1)+{\mathrm{\&beta;}}_2{\mathrm{\&mu;}}_2,& 0<{\mathrm{\&Delta;}}_P{\mathrm{\&Delta;}}_S<1\\ {\mathrm{\&beta;}}_1{\mathrm{\&rho;}}_1,& {\mathrm{\&Delta;}}_P{\mathrm{\&Delta;}}_S\&GreaterEqual;1\end{array}\right.---\left(13\right)$

其中， ${\mathrm{\&rho;}}_1=\exp (-\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_P}{{\mathrm{\&gamma;}}_P{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{PR}}^2})$

(3)共享中继R只能解码次级用户数据x_S的概率为：

$F_{\stackrel{\&OverBar;}{A}B}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&rho;}}_2-{\mathrm{\&beta;}}_1{\mathrm{\&mu;}}_1-{\mathrm{\&beta;}}_2({\mathrm{\&rho;}}_2-{\mathrm{\&mu;}}_2),& 0<{\mathrm{\&Delta;}}_P{\mathrm{\&Delta;}}_S<1\\ {\mathrm{\&rho;}}_2-{\mathrm{\&beta;}}_2{\mathrm{\&mu;}}_2,& {\mathrm{\&Delta;}}_P{\mathrm{\&Delta;}}_S\&GreaterEqual;1\end{array}\right.---\left(14\right)$

其中， ${\mathrm{\&rho;}}_2=\exp (-\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_S}{{\mathrm{\&gamma;}}_S{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{SR}}^2}).$

(4)主用户数据x_P和次级用户数据x_S都不能被共享中继R解码的概率为：

$F_{\stackrel{\&OverBar;}{A}\stackrel{\&OverBar;}{B}}=\left\{\begin{array}{cc}1+{\mathrm{\&beta;}}_2({\mathrm{\&rho;}}_2-{\mathrm{\&mu;}}_2)+{\mathrm{\&beta;}}_1{\mathrm{\&mu;}}_1-{\mathrm{\&rho;}}_2-{\mathrm{\&beta;}}_1{\mathrm{\&rho;}}_1,& 0<{\mathrm{\&Delta;}}_P{\mathrm{\&Delta;}}_S<1\\ 1+{\mathrm{\&beta;}}_2{\mathrm{\&mu;}}_2-{\mathrm{\&rho;}}_2-{\mathrm{\&beta;}}_1{\mathrm{\&rho;}}_1,& {\mathrm{\&Delta;}}_P{\mathrm{\&Delta;}}_S\&GreaterEqual;1\end{array}\right.---\left(15\right)$

2、通信中断概率

首先定义x的函数φ(x；a1，a2，a3)为

$\mathrm{\&phi;}(x;a_1,a_2,a_3)=\underset{0}{\overset{x}{\&Integral;}}\exp (a_{1}t+\frac{a_3}{a_{2}t+1})\mathrm{dt}---\left(16\right)$

其中，a₁，a₂和a₃是该函数的参数。

(1)共享中继R可以同时解码主用户数据x_P和次级用户数据x_S时，主用户和次级用户的中断概率分别为：

${\mathrm{Pout}}_{\mathrm{PT}|\mathrm{AB}}=1-\exp (-\frac{b_1}{{\mathrm{\&sigma;}}_{{\mathrm{RP}}_0}^2})-\frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}_{{\mathrm{RP}}_0}^2}\exp \left(\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_0-{\mathrm{\&gamma;}}_1{\mathrm{\&Delta;}}_P}{{\mathrm{\&gamma;}}_P{\mathrm{\&gamma;}}_1{\mathrm{\&sigma;}}_{{\mathrm{PP}}_0}^2}\right)$ $\left(17\right)$

$\&times;\mathrm{\&phi;}(b_1;-\frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}_{{\mathrm{RP}}_0}^2},{\mathrm{\&gamma;}}_1,-\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_0}{{\mathrm{\&gamma;}}_P{\mathrm{\&gamma;}}_1{\mathrm{\&sigma;}}_{{\mathrm{PP}}_0}^2})$

${\mathrm{Pout}}_{\mathrm{ST}|\mathrm{AB}}=1-\exp (-\frac{b_2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{RD}}^2})-\frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{RD}}^2}\exp \left(\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_1-{\mathrm{\&gamma;}}_0{\mathrm{\&Delta;}}_S}{{\mathrm{\&gamma;}}_S{\mathrm{\&gamma;}}_0{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{SD}}^2}\right)$ $\left(18\right)$

$\&times;\mathrm{\&phi;}(b_2;-\frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{RD}}^2},{\mathrm{\&gamma;}}_0,-\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_1}{{\mathrm{\&gamma;}}_S{\mathrm{\&gamma;}}_0{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{SD}}^2})$

其中， ${\mathrm{\&gamma;}}_0=\frac{\mathrm{\&alpha;}{E}_R}{N_0},$ ${\mathrm{\&gamma;}}_1=\frac{(1-\mathrm{\&alpha;})E_R}{N_0},$ $b_1=\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_P}{{\mathrm{\&gamma;}}_0-{\mathrm{\&gamma;}}_1{\mathrm{\&Delta;}}_P}$ 和 $b_2=\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_S}{{\mathrm{\&gamma;}}_1-{\mathrm{\&gamma;}}_0{\mathrm{\&Delta;}}_P}.$

(2)享中继R只能解码主用户数据x_P时，主用户和次级用户的中断概率分别为

${\mathrm{Pout}}_{\mathrm{PT}|A\stackrel{\&OverBar;}{B}}=1-\exp (-\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_P}{{\mathrm{\&gamma;}}_R{\mathrm{\&sigma;}}_{{\mathrm{RP}}_0}^2})-{\mathrm{\&Phi;}}_1---\left(19\right)$

${\mathrm{Pout}}_{\mathrm{ST}|A\stackrel{\&OverBar;}{B}}=1-\frac{1}{{\mathrm{\&gamma;}}_R{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{RD}}^2}\exp (-\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_S}{{\mathrm{\&gamma;}}_S{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{SD}}^2})$ $\left(20\right)$

$\&times;\mathrm{\&phi;}(+\&infin;;-\frac{1}{{{\mathrm{\&gamma;}}_R\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{RD}}^2},\frac{1}{2},-\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_S}{{2\mathrm{\&gamma;}}_S{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{SD}}^2})$

其中，

${\mathrm{\&Phi;}}_1=\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_P}{{\mathrm{\&gamma;}}_R{\mathrm{\&sigma;}}_{R{P}_0}^2}\exp (-\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_P}{{\mathrm{\&gamma;}}_P{\mathrm{\&sigma;}}_{{\mathrm{PP}}_0}^2}),\frac{1}{{\mathrm{\&gamma;}}_P{\mathrm{\&sigma;}}_{{\mathrm{PP}}_0}^2}=\frac{1}{{\mathrm{\&gamma;}}_R{\mathrm{\&sigma;}}_{R{P}_0}^2}\\ \frac{{\mathrm{\&gamma;}}_P{\mathrm{\&sigma;}}_{{\mathrm{PP}}_0}^2[\exp (-\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_P}{{\mathrm{\&gamma;}}_R{\mathrm{\&sigma;}}_{R{P}_0}^2})-\exp (-\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_P}{{\mathrm{\&gamma;}}_P{\mathrm{\&sigma;}}_{{\mathrm{PP}}_0}^2})]}{{\mathrm{\&gamma;}}_R{\mathrm{\&sigma;}}_{R{P}_0}^2-{\mathrm{\&gamma;}}_P{\mathrm{\&sigma;}}_{{\mathrm{PP}}_0}^2}\end{array}\right.---\left(21\right)$

(3)共享中继R只能解码次级用户数据x_S时，主用户和次级用户的中断概率分别为：

${\mathrm{Pout}}_{\mathrm{PT}|\stackrel{\&OverBar;}{A}B}=1-\frac{1}{{\mathrm{\&gamma;}}_R{\mathrm{\&sigma;}}_{R{P}_0}^2}\exp (-\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_P}{{\mathrm{\&gamma;}}_P{\mathrm{\&sigma;}}_{{\mathrm{PP}}_0}^2})\mathrm{\&phi;}(+\&infin;;-\frac{1}{{\mathrm{\&gamma;}}_R{\mathrm{\&sigma;}}_{{\mathrm{RP}}_0}^2},\frac{1}{2},\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_P}{{2\mathrm{\&gamma;}}_P{\mathrm{\&sigma;}}_{{\mathrm{PP}}_0}^2})---\left(22\right)$

${\mathrm{Pout}}_{\mathrm{ST}|\stackrel{\&OverBar;}{A}B}=1-\exp (-\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_S}{{\mathrm{\&gamma;}}_R{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{RD}}^2})-{\mathrm{\&Phi;}}_2---\left(23\right)$

其中，

${\mathrm{\&Phi;}}_2=\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_S}{{\mathrm{\&gamma;}}_R{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{RD}}^2}\exp (-\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_S}{{\mathrm{\&gamma;}}_S{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{SD}}^2}),\frac{1}{{\mathrm{\&gamma;}}_S{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{SD}}^2}=\frac{1}{{\mathrm{\&gamma;}}_R{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{RD}}^2}\\ \frac{{\mathrm{\&gamma;}}_S{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{SD}}^2[\exp (-\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_S}{{\mathrm{\&gamma;}}_R{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{RD}}^2})-\exp (-\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_S}{{\mathrm{\&gamma;}}_S{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{SD}}^2})]}{{\mathrm{\&gamma;}}_R{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{RD}}^2-{\mathrm{\&gamma;}}_S{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{SD}}^2}\end{array}\right.---\left(24\right)$

(4)主用户数据x_P和次级用户数据x_S都不能被共享中继R解码时，主用户和次级用户的中断概率分别为：

${\mathrm{Pout}}_{\mathrm{PT}|\stackrel{\&OverBar;}{A}\stackrel{\&OverBar;}{B}}=1-\exp (-\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_P}{2{\mathrm{\&gamma;}}_P{\mathrm{\&sigma;}}_{{\mathrm{PP}}_0}^2})---\left(25\right)$

${\mathrm{Pout}}_{\mathrm{ST}|\stackrel{\&OverBar;}{A}\stackrel{\&OverBar;}{B}}=1-\exp (-\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_S}{2{\mathrm{\&gamma;}}_S{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{SD}}^2})---\left(26\right)$

由此可得，主用户和次级用户最终的中断概率分别为

${\mathrm{Pout}}_{\mathrm{PT}}=F_{\mathrm{AB}}{\mathrm{Pout}}_{\mathrm{PT}|\mathrm{AB}}+F_{A\stackrel{\&OverBar;}{B}}{\mathrm{Pout}}_{\mathrm{PT}|A\stackrel{\&OverBar;}{B}}+F_{\stackrel{\&OverBar;}{A}B}{\mathrm{Pout}}_{\mathrm{PT}|\stackrel{\&OverBar;}{A}B}+F_{\stackrel{\&OverBar;}{A}\stackrel{\&OverBar;}{B}}{\mathrm{Pout}}_{\mathrm{PT}|\stackrel{\&OverBar;}{A}\stackrel{\&OverBar;}{B}}---\left(27\right)$

${\mathrm{Pout}}_{\mathrm{ST}}=F_{\mathrm{AB}}{\mathrm{Pout}}_{\mathrm{ST}|\mathrm{AB}}+F_{A\stackrel{\&OverBar;}{B}}{\mathrm{Pout}}_{\mathrm{ST}|A\stackrel{\&OverBar;}{B}}+F_{\stackrel{\&OverBar;}{A}B}{\mathrm{Pout}}_{\mathrm{ST}|\stackrel{\&OverBar;}{A}B}+F_{\stackrel{\&OverBar;}{A}\stackrel{\&OverBar;}{B}}{\mathrm{Pout}}_{\mathrm{ST}|\stackrel{\&OverBar;}{A}\stackrel{\&OverBar;}{B}}---\left(28\right)$

此外，为了使主用户的中断概率维持在门限值Pout_thr以下，E_S和α必须满足下面要求：

Pout_PT(E_S)≤Pout_thr    (29)

Pout_PT(α)≤Pout_thr    (30)

通过搜索满足(29)和(30)要求的最大次级用户功率E_S和最小分配倍数α来使次级传输在保证主用户通信质量下达到最小的中断概率。

二、实例分析

首先令次级用户的传输速率为R_S＝0.2bits/s/Hz，主源用户P、共享中继R、次级源用户S三者的发射信噪比相等，即γ_P＝γ_R＝γ_S，次级源用户S到次级目的用户D的信道方差为

主源用户P到共享中继R的信道方差、共享中继R到主目的用户P₀的信道方差、次级源用户S到共享中继R的信道方差以及共享中继R到次级目的用户D的信道方差均为1，即

共享中继R的功率分配倍数为α＝0.5.考虑发射信噪比γ_P，γ_R和γ_S对主用户中断概率和次级中断概率的影响，其结果如图4所示。

由图4可以看到，本发明比直接传输具有更小的主用户中断概率和次级用户中断概率。且中断概率随着发射信噪比γ_P，γ_R和γ_S的增加而减小。此外，数据传输速率越小，信道方差越大，本发明的中断概率就越小。

其次，令共享中继R的功率分配倍数α＝0.5，主用户、次级用户的传输速率为R_P＝R_S＝0.2bits/s/Hz，主源用户P到共享中继R的信道方差、共享中继R到主目的用户P₀的信道方差、次级源用户S到共享中继R的信道方差以及共享中继R到次级目的用户D的信道方差均为1，即

主源用户P到R到主目的用户P₀的信道方差、次级源用户S到次级目的用户D的信道方差均为0.2，即

考察最大次级用户功率E_S受限时本发明中断概率的情况，其结果如图5所示

由图5可以看到本发明在最大次级用户功率E_S受限的情况下，可以实现比直接传输具有更低的次级中断概率。

最后，令主用户、次级用户的传输速率为R_P＝R_S＝0.2bits/s/Hz，发射信噪比为γ_P＝γ_S＝10dB，主源用户P到共享中继R的信道方差、共享中继R到主目的用户P₀的信道方差、次级源用户S到共享中继R的信道方差以及共享中继R到次级目的用户D的信道方差均为1，即

主源用户P到R到主目的用户P₀的信道方差、次级源用户S到次级目的用户D的信道方差均为0.2，即

考查在控制共享中继R的功率分配倍数α的情况下本发明次级中断概率，其结果，如图6所示。

由图6可以看到本发明在控制控制共享中继R的功率分配倍数α的情况下，可以实现比直接传输具有更低的次级中断概率。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种主用户和次级用户基于频谱共享的协作通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、在主网络中，主源用户P到主目的用户P₀的直接链路的信道状况比较差，在次级网络中，次级源用户S到次级目的用户D的直接链路的信道状况也比较差；主源用户P和主目的用户P₀在次级源用户S的传输范围之外，次级源用户S和次级目的用户D在主源用户P的传输范围之外；

在主网络和次级网络之间，加入共享中继R，建立协作通信网络，其中，主源用户P到共享中继R、共享中继R到主目的用户P₀、次级源用户S到共享中继R、共享中继R到次级目的用户D的信道状况良好；

（2）、在协作通信网络中，数据传输分为两个子时隙；

在第一个子时隙里，主源用户P传输主用户数据x_P到主目的用户P₀，同时次级源用户S传输次级用户数据x_S到次级目的用户D；两路用户数据x_P、x_S被共享中继R接收，共享中继R对接收到的主用户数据x_P和次级用户数据x_S进行解码；

在第二个子时隙里，根据共享中继R的解码结果，执行四个不同的传输过程：

第一种情况：共享中继R可以同时解码主用户数据x_P和次级用户数据x_S；此时，共享中继R对主用户数据x_P和次级用户数据x_S进行线性编码，并分配α（0<α<1）倍共享中继R的功率E_R给主用户信号，分配(1-α)倍共享中继R的功率E_R给次级用户信号，然后，共享中继R将编码后的主用户信号、次级用户信号广播给主目的用户P₀和次级目的用户D；

第二种情况：共享中继R只能解码主用户数据x_P；此时，将所有共享中继R的功率E_R分配给主用户信号，将主用户数据x_P转发给主目的用户P₀，同时，次级源用户S重新发送次级用户数据x_S到次级目的用户D；

第三种情况：共享中继R只能解码次级用户数据x_S；此时，将所有共享中继R的功率E_R分配给次级用户信号，将次级用户数据x_S转发给次级目的用户D，同时，主源用户P重新发送主用户数据x_P到主目的用户P₀；

第四种情况：主用户数据x_P和次级用户数据x_S都不能被共享中继R解码；此时，主源用户P重新发送主用户数据x_P到主目的用户P₀，同时，次级源用户S重新发送次级用户数据x_S到次级目的用户D，共享中继R进入休眠状态。

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