CN103997744A - 一种基于时间和带宽联合优化的协作抗干扰频谱接入方法 - Google Patents

Abstract

一种基于时间和带宽联合优化的协作抗干扰频谱接入方法，在该方法中，认知用户以协作方式接入授权用户的频谱，通过解码转发协作方式帮助转发授权用户的信息。如果认知用户能够帮助授权用户达到目标速率，则授权用户就会允许认知用户接入自己的频谱。否则授权用户继续通过直传发送自己的信息。认知用户接入授权用户的频谱后，在第二个时隙利用一部分带宽帮助转发授权用户的信息，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、提升用户性能。

Description

一种基于时间和带宽联合优化的协作抗干扰频谱接入方法

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，尤其是一种频谱接入方法。

背景技术

随着无线通信的发展，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系统发展的瓶颈。美国联邦通信委员会(FCC)的大量研究报告表明当前无线频谱的利用率很低，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静态频谱管理方式和频谱分配策略。认知无线电技术能感知周围无线通信环境，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，通过一定的学习和决策算法，自适应地改变系统工作参数来适应运行环境的变化，可以对频谱在时间，频率，空间上进行多维复用，从而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，认知用户被允许在满足一定前提下与授权用户共用同一频段。授权用户把认知信号当作噪声来处理，通过限定认知用户对授权用户的干扰水平，使其不超过一定的限值，来达到频谱共享的目的。然而在这种频谱接入方法中，由于认识用户和授权用户使用相同的频谱同时进行通信，他们之间始终存在干扰，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。

发明内容

针对现有共存式频谱接入技术中的缺陷，解决授权用户和认知用户之间相互干扰的问题、克服用户性能受限的不足，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、提升用户性能的基于时间和带宽联合优化的协作抗干扰频谱接入方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于时间和带宽联合优化的协作抗干扰频谱接入方法，无线电通信系统包括一个授权系统和一个认知系统，其中，授权系统由一个授权用户发送端和授权接收端组成，所述授权系统支持中继功能，有一段W带宽组成的授权频谱；认知系统由一个认知用户发送端和认知接收端组成，所述认知系统试图利用可能的传输机会接入授权系统的频谱，能够模拟授权系统中的无线电协议和系统参数；所述基于时间和带宽联合优化的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接收端；

2)计算授权用户通过认知用户协作帮助后获得的速率R_P；

3)如果R_p≥R_t，则授权用户就会分配一部分时间给认识用户，授权其接入自己的频谱，认知用户接入授权用户的频谱后，利用一部分的带宽转发授权用户的信息，利用剩余的带宽发送自己的信息；否则，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：

$\underset{t,b}{\max }{R}_s---\left(1\right)$

满足以下条件

$\left\{\begin{array}{c}{R}_p\&GreaterEqual;R_t\\ 0<t<1\\ 0<b<1\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，R_t表示授权用户的目标速率，t表示授权用户在第一个时隙发送自己信息所占的时间，b表示认识用户在第二个时隙帮助转发授权用户信息所占的带宽，R_p和R_s分别表示认知用户接入授权用户频谱后，授权用户和认知用户获得的速率：

$R_p=\min \{R_p^1,R_p^2\}---\left(3\right)$

R_s＝(1-t)(1-b)R₄  (4)

其中，P_s表示认知用户的发射功率，γ₄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和第二个时隙获得的速率：

$R_p^1=t{R}_2---\left(5\right)$

$R_p^2=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{tR}}_5+[(1-t)b-t]R_3(1-t)& (1-t)b>t\\ (1-t){\mathrm{bR}}_5+[t-(1-t)b]R_1& (1-t)b\&le;t\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中， $R_1=W{\log }_2(1+\frac{P_p{\mathrm{\&gamma;}}_1}{N_0}),$ $R_2=W{\log }_2(1+\frac{P_p{\mathrm{\&gamma;}}_2}{N_0}),$ $R_3=W{\log }_2(1+\frac{P_s{\mathrm{\&gamma;}}_3}{{2N}_0}),$ $R_5=W{\log }_2(1+\frac{P_s{\mathrm{\&gamma;}}_3}{{2N}_0}+\frac{P_p{\mathrm{\&gamma;}}_1}{N_0}),$ P_p表示授权用户的发射功率，γ₁和γ₂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链路的信道增益,γ₃表示认知用户发送端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t*和带宽分配b*：

$t*=\frac{R_t}{R_2}---\left(7\right)$

$b*=\left\{\begin{array}{cc}\frac{R_t(R_2+R_3-R_5)}{(R_2-R_t)R_3}& (1-t)b>t\\ \frac{R_t(R_2-R_1)}{(R_2-R_t)(R_5-R_1)}& (1-t)b\&le;t\end{array}\right.---\left(8\right)$

进一步，所述步骤2)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，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：

$R_p^1=t{R}_2---\left(5\right)$

在第二个时隙，占用时间1-t，认知用户发送端用bW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：

$R_p^2=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{tR}}_5+[(1-t)b-t]R_3(1-t)& (1-t)b>t\\ (1-t){\mathrm{bR}}_5+[t-(1-t)b]R_1& (1-t)b\&le;t\end{array}\right.---\left(6\right)$

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：

$R_p=\min \{R_p^1,R_p^2\}---\left(3\right)$

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＝(1-t)(1-b)R₄  (4)

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。本专利方法中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。

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)提升了授权用户和认知用户的性能。

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，d₁为授权用户发送端到授权接收端的距离，d₂为授权用户发送端到认知用户发送端的距离，d₃为认知用户发送端到授权接收端的距离，d₄为认知用户发送端到认知接收端的距离认知用户发送端；

图2是本发明方法的时间t和带宽b分配随着d₂的变化图；

图3为授权用户和认知用户的速率随着d₂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3，一种基于时间和带宽联合优化的协作抗干扰频谱接入方法，是基于现有的无线电通信系统实现的。所述无线电通信系统包括一个主系统和一个认知系统，其中主系统由一个授权用户发送端(primary transmitter,PT)和授权接收端(primary receiver,PR)组成。主系统支持中继功能，有一段W带宽组成的授权频谱。认知系统由一个认知用户发送端(cognitive transmitter,CT)和认知接收端(cognitivereceiver,CR)组成。认知系统能够模拟主系统中的无线电协议和系统参数。

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。如果授权用户通过认知用户协作帮助后获得的速率R_P大于等于自己的目标速率R_t，即R_p≥R_t，则授权用户就会分配一部分时间给认识用户，授权其接入自己的频谱，认知用户接入授权用户的频谱后，利用一部分的带宽转发授权用户的信息，利用剩余的带宽发送自己的信息；否则，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接入授权用户频谱后授权用户R_p和认知用户获得的速率R_s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，PT用全部W带宽发送信息给PR和CT。所以PT→CT链路的速率可以表示为：

$R_p^1=t{R}_2---\left(5\right)$

其中，P_p表示授权用户的发射功率，γ₂为PT到CT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，CT用bW带宽帮助把解码的PT的信息发送给PR，所以CT→PR链路的速率可以表示为：

$R_p^2=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{tR}}_5+[(1-t)b-t]R_3(1-t)& (1-t)b>t\\ (1-t){\mathrm{bR}}_5+[t-(1-t)b]R_1& (1-t)b\&le;t\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中， $R_1=W{\log }_2(1+\frac{P_p{\mathrm{\&gamma;}}_1}{N_0}),$ $R_3=W{\log }_2(1+\frac{P_s{\mathrm{\&gamma;}}_3}{{2N}_0}),$ $R_5=W{\log }_2(1+\frac{P_s{\mathrm{\&gamma;}}_3}{{2N}_0}+\frac{P_p{\mathrm{\&gamma;}}_1}{N_0}),$ P_s表示认知用户的发射功率，γ₁为PT到PR链路的信道增益，γ₃为CT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：

$R_p=\min \{R_p^1,R_p^2\}---\left(3\right)$

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

R_s＝(1-t)(1-b)R₄  (4)

其中，γ₄为CT到CR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：

$\underset{t,b}{\max }{R}_s---\left(1\right)$

满足条件

$\left\{\begin{array}{c}{R}_p\&GreaterEqual;R_t\\ 0<t<1\\ 0<b<1\end{array}\right.---\left(2\right)$

通过数学优化方法获得上述的最优时间t*和带宽分配b*：

$t*=\frac{R_t}{R_2}---\left(7\right)$

$b*=\left\{\begin{array}{cc}\frac{R_t(R_2+R_3-R_5)}{(R_2-R_t)R_3}& (1-t)b>t\\ \frac{R_t(R_2-R_1)}{(R_2-R_t)(R_5-R_1)}& (1-t)b\&le;t\end{array}\right.---\left(8\right)$

将t^*和b^*代入式(5)，可得认知系统获得的最大速率为：

$R_s^{*}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{AR}}_3-R_t(R_2+R_3-R_5)}{R_3}\frac{R_4}{R_2}& (1-t)b>t\\ \frac{{\mathrm{AB}-R}_t(R_2-R_1)}{B}\frac{R_4}{R_2}& (1-t)b\&le;t\end{array}\right.---\left(9\right)$

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。

本实施的频谱接入方法中，认知用户在授权用户授权给其的第二个时隙，占用时间1-t，接入授权用户的频谱。认知用户利用一部分接入获得的bW带宽帮助转发授权用户的信息，利用剩余的(1-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。在本实施方式中，假设PT，PR，CT和CR都在X轴上，其中PT和PR在(1,0)和(0,0)。CT在X正半轴上移动，CR在PR和CT的中间。所以d₁＝1，d₂＝|1-d₃|，d₄＝1/2d₂。R_t＝3bps/Hz，γ_i＝|(d_i)^v|²,i＝(1,2,3,4)，路径衰耗指数v＝4。P_p/N₀＝3dB,P_s/N₀＝10dB，系统带宽为W＝1MHz。图2中显示了本发明中频谱分配方法的最优时间和带宽分配。

本实施例的频谱接入方法提升了授权用户和认知用户的性能。图3中显示了采用本发明的频谱接入方法后授权用户和认知用户的速率，可以看出采用本发明的频谱接入方法后，不仅认知用户能够获得频谱接入，授权用户的性能也能够得到提升。

Claims (2)

1.一种基于时间和带宽联合优化的协作抗干扰频谱接入方法，无线电通信系统包括一个主系统和一个认知系统，其中，主系统由一个授权用户发送端和授权接收端组成，所述主系统支持中继功能，有一段W带宽组成的授权频谱；认知系统由一个认知用户发送端和认知接收端组成，所述认知系统能够模拟主系统中的无线电协议和系统参数；其特征在于：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接收端；

2)计算授权用户通过认知用户协作帮助后获得的速率R_P；

3)如果R_p≥R_t，则授权用户就会分配一部分时间给认识用户，授权其接入自己的频谱，认知用户接入授权用户的频谱后，利用一部分的带宽转发授权用户的信息，利用剩余的带宽发送自己的信息；否则，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：

$\underset{t,b}{\max }{R}_s---\left(1\right)$

满足以下条件

$\left\{\begin{array}{c}{R}_p\&GreaterEqual;R_t\\ 0<t<1\\ 0<b<1\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，R_t表示授权用户的目标速率，t表示授权用户在第一个时隙发送自己信息所占的时间，b表示认识用户在第二个时隙帮助转发授权用户信息所占的带宽，R_p和R_s分别表示认知用户接入授权用户频谱后，授权用户和认知用户获得的速率：

$R_p=\min \{R_p^1,R_p^2\}---\left(3\right)$

R_s＝(1-t)(1-b)R₄  (4)

其中，P_s表示认知用户的发射功率，γ₄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和第二个时隙获得的速率：

$R_p^1=t{R}_2---\left(5\right)$

$R_p^2=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{tR}}_5+[(1-t)b-t]R_3(1-t)& (1-t)b>t\\ (1-t){\mathrm{bR}}_5+[t-(1-t)b]R_1& (1-t)b\&le;t\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中， $R_1=W{\log }_2(1+\frac{P_p{\mathrm{\&gamma;}}_1}{N_0}),$ $R_2=W{\log }_2(1+\frac{P_p{\mathrm{\&gamma;}}_2}{N_0}),$ $R_3=W{\log }_2(1+\frac{P_s{\mathrm{\&gamma;}}_3}{{2N}_0}),$ $R_5=W{\log }_2(1+\frac{P_s{\mathrm{\&gamma;}}_3}{{2N}_0}+\frac{P_p{\mathrm{\&gamma;}}_1}{N_0}),$ P_p表示授权用户的发射功率，γ₁和γ₂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链路的信道增益,γ₃表示认知用户发送端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t*和带宽分配b*：

$t*=\frac{R_t}{R_2}---\left(7\right)$

$b*=\left\{\begin{array}{cc}\frac{R_t(R_2+R_3-R_5)}{(R_2-R_t)R_3}& (1-t)b>t\\ \frac{R_t(R_2-R_1)}{(R_2-R_t)(R_5-R_1)}& (1-t)b\&le;t\end{array}\right.---\left(8\right).$

2.如权利要求1所述的基于时间和带宽联合优化的协作抗干扰频谱接入方法，其特征在于：所述步骤2)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，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：

$R_p^1={\mathrm{tp}}_2---\left(5\right)$

在第二个时隙，占用时间1-t，认知用户发送端用bW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，认知用户发送端到授权接收端链路的速率为：

$R_p^2=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{tR}}_5+[(1-t)b-t]R_3(1-t)& (1-t)b>t\\ (1-t){\mathrm{bR}}_5+[t-(1-t)b]R_1& (1-t)b\&le;t\end{array}\right.---\left(6\right)$

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：

$R_p=\min \{R_p^1,R_p^2\}---\left(3\right)$

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＝(1-t)(1-b)R₄  (4)。