CN104202790B - 一种基于功率自适应的mimo-ccrn瓶颈效应消除方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于功率自适应的MIMO‑CCRN瓶颈效应消除方法,令待选中继的集合为选择中继节点计算PT与中继节点构成的链路的信噪比并得到计算中继节点与PR构成的链路的信噪比比较与的大小;若选择能够获得最大的端到端频谱效率的单中继ropt;若选择两个中继。通过消除存在多跳传输中的瓶颈,提高了端到端传输速率,本发明无论采用何种中继选择策略,采用功率自适应的方法均可以提高授权数据传输的频谱效率。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域,尤其涉及一种基于功率自适应的MIMO-CCRN瓶颈效应消除方法。
背景技术
随着无线通信技术的发展,以及快速增长的数据传输需求,无线频谱作为一种不可再生资源,其稀缺性越发明显。另一方面,无线频谱的利用存在严重的浪费。这一矛盾的根源是传统的固定频谱分配不能适应动态的数据通信需求。认知无线电技术在提高频谱利用率方面有很大的潜能,认知用户采用动态频谱接入的方式对分配给授权用户的频谱资源进行动态利用。此外,协作中继技术融合了分集技术与中继传输技术的优势,不但解决了MIMO系统中天线设置的独立性问题,而且可以避免MIMO系统中大尺度路径损耗与中尺度阴影效应会同时对所有天线产生相似作用这一事实对系统性能的影响,也是提高无线网络频谱效率的一项关键技术。
近年来,研究人员提出协作认知无线电技术,采用该技术,作为对认知用户协助传输授权用户数据的回报,认知用户获得接入频谱的机会以传输自身数据。有效的协作机制可以实现授权与认知数据传输性能的改善。在文献O.Simeone,I.Stanojev,etal.Spectrum leasing to cooperating secondary ad hoc networks[J].SelectedAreas in Communications,IEEE Journal on,2008,26(1):203-213(协作次级ad hoc网络频谱租赁)中,提出了一种基于时隙划分的协作传输机制,认知用户参与数据协作,作为交换,授权用户则将其所拥有的频谱租赁给认知用户一段时间。上述机制导致授权用户与中继增加了等待时延,因为中继需要使用同一个信道在时间上交替地进行数据协作与自身数据的传输。在文献Su W,Matyjas J D,Batalama S.Active cooperation between primaryusers and cognitive radio users in cognitive ad-hoc networks[C]//AcousticsSpeech and Signal Processing(ICASSP),2010IEEE International Conferenceon.IEEE,2010:3174-3177(认知ad hoc网络中授权用户与认知用户间的主动协作)中,研究人员提出两阶段协作传输机制,授权用户将频谱划分为两个相互正交的子频带,并在阶段一通过第一个子频带进行广播。中继在第二阶段的同一个子频带进行数据协作,并在第二个子频带传输自身数据。该机制允许中继用户在特定的频谱上不间断地传输自身数据,所以其通信性能得到保证。然而,授权用户只利用了部分带宽。文献Hua S,Liu H,Wu M,etal.Exploiting MIMO antennas in cooperative cognitive radio networks[C]//INFOCOM,2011Proceedings IEEE.IEEE,2011:2714-2722(利用MIMO技术的协作认知无线电网络)提出了基于MIMO技术的两阶段协作传输机制,认知中继能够通过空间复用,使自身数据与授权用户数据同时在第二阶段进行传输,避免了将一定数量的时间或者频谱租赁给认知用户,同时提高了授权用户与认知用户的性能。在文献Cao B,Cai L X,Liang H,etal.Cooperative cognitive radio networking using quadrature signaling[C]//INFOCOM,2012Proceedings IEEE.IEEE,2012:3096-3100(采用正交调制信号的协作认知无线电网络)中,采用正交调制的方法,设计了两阶段的协作传输机制,中继用户采用正交的信道中继转发授权用户的数据,同时采用同相调制无干扰地传输自身数据。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种基于功率自适应的MIMO-CCRN瓶颈效应消除方法,旨在解决两跳中继系统中端到端的频谱效率受到某一跳频谱效率的限制从而产生的瓶颈效应问题的问题。
本发明实施例是这样实现的,一种基于功率自适应的MIMO-CCRN瓶颈效应消除方法,该基于功率自适应的MIMO-CCRN瓶颈效应消除方法包括:
步骤一,令待选中继的集合为选择中继节点
步骤二,计算PT与每个中继节点r构成的链路的信噪比并得到
步骤三,计算中继节点的待选集合与PR构成的链路的信噪比其中
步骤四,比较的大小;
步骤五,若选择能够获得最大的端到端频谱效率的单中继ropt;在第一阶段,授权用户发射端PT以功率广播消息sp,认知用户ST1以功率向SR1发送数据s1;若选择的中继节点为SR1,SR1分别恢复出sp与s1;若选择的中继节点为ST2,ST2对sp接收,SR1对s1接收;在第二阶段,ropt以功率向PR转发授权用户数据sp,ST2以功率向SR2发送数据s2,ropt协助主用户数据传输的发射功率计算如下,
步骤六,若选择两个中继SR1和ST2;在第一阶段,授权用户发射端PT以发送功率向认知用户广播消息sp,认知用户ST1以功率向SR1发送数据s1,ST2恢复sp并消除来自ST1的干扰,SR1分别恢复出sp与s1,SR2对sp接收;在第二阶段,SR1与ST2分别以功率和向PR转发授权用户数据sp,ST2以功率向SR2发送数据s2,SR2需要消除来自SR1与ST2的干扰,ST2设计发送方式,使其发送s2对PR不产生干扰;SR1和ST2协助主用户数据传输的总功率计算如下:
每个中继用于授权数据传输的功率为
进一步,该基于功率自适应的MIMO-CCRN瓶颈效应消除系统授权用户为2个,认知用户为4个,其中包含2个认知收发用户对,每个认知用户都能够协助授权用户进行数据传输;当认知用户对多于2个时,先进行用户调度,再应用基于功率自适应的MIMO-CCRN瓶颈效应消除的方法。
首先PT根据收集的信道状态确定待选中继集合,再分别计算选择单个中继与两个中继情况下的信噪比,经过对比信噪比的大小确定选择中继的个数,接着进行信号的传输;传输过程分为两个阶段,在第一阶段,授权用户发送端PT将需要传输的信号以广播的方式发送给所选中继,同时,认知用户ST1向认知用户SR1发送信号实现认知用户间的信息传输;在第二阶段,中继协助授权用户将信号发送给授权用户接收端PR,同时,认知用户ST2向认知用户SR2发送信号实现认知用户间的信息传输。
本发明提供的基于功率自适应的MIMO-CCRN瓶颈效应消除方法,采用了功率自适应的方法,即根据链路实际情况选择中继,并且调整发送数据的功率,以消除存在多跳传输中的瓶颈,提高了端到端传输速率,本发明无论采用何种中继选择策略,采用功率自适应的方法均可以提高授权数据传输的频谱效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于功率自适应的MIMO-CCRN传输方法阶段二传输的系统模型;
图2是本发明实施例提供的基于功率自适应的MIMO-CCRN传输方法阶段一传输的系统模型;
图3是本发明实施例提供的基于功率自适应的MIMO-CCRN瓶颈效应消除方法流程图;
图4、5是本发明实施例提供的认知通信和授权通信并发传输与基于功率自适应的传输方法的具体流程图;
图6是本发明实施例提供的在不采用功率自适应的情形下授权数据端到端传输的频谱效率随信噪比变化的仿真图;
图7是本发明实施例提供的在采用功率自适应的情形下授权数据端到端传输的频谱效率随信噪比变化的仿真图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明实施例提供的基于功率自适应的MIMO-CCRN瓶颈效应消除方法包括以下步骤:
步骤一,令待选中继的集合为选择中继节点
步骤二,计算PT与每个中继节点r构成的链路的信噪比并得到其中表示中继对信号sp的解码向量,gPT,r表示PT到中继节点的信道向量;
步骤三,计算中继节点的待选集合与PR构成的链路的信噪比其中
步骤四,比较的大小;
步骤五,若选择能够获得最大的端到端频谱效率的单中继ropt;
步骤六,若选择两个中继SR1和ST2。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1和图2所示,本发明实施例的基于功率自适应的MIMO-CCRN瓶颈效应消除系统授权用户为2个,认知用户为4个,其中包含2个认知收发用户对,每个认知用户都能够协助授权用户进行数据传输;当认知用户对多于2个时,先进行用户调度,再应用基于功率自适应的MIMO-CCRN瓶颈效应消除的方法。
实施例1:
参照图1与图2,本发明研究包括一对授权用户(PT与PR)与N对认知用户(ST1,SR1与ST2,SR2)的MIMO-CCRN系统;在该模型中,假设授权用户的直接传输链路不能满足其服务质量需求,因此授权用户选择认知用户协助其数据传输,令认知中继用户集合为如图1所示,整个传输过程被分为两个时长相等的阶段;在第一阶段,授权用户发射端PT将数据sp发送给中继,第一对认知用户的发送端ST1将认知数据s1发送给其接收端SR1;通过对个链路信噪比的计算与比较选择最佳单中继或双中继;在第二阶段,作为中继的认知用户将sp转发给授权用户接收端PR,同时第二对认知用户的发送端ST2将认知数据s2发送给其接收端SR2;
参照图3、4、5,为基于功率自适应的MIMO-CCRN瓶颈效应消除方法,具体包括如下步骤:
步骤一,令待选中继的集合为选择的中继
步骤二,计算PT与每个中继节点r构成的链路的信噪比并得到
步骤三,计算中继节点的待选集合与PR构成的链路的信噪比其中
步骤四,比较的大小;
步骤五,若选择能够获得最大的端到端频谱效率的单中继ropt;在第一阶段,授权用户发射端PT以功率广播消息sp,认知用户ST1以功率向SR1发送数据s1;若选择的中继节点为SR1,SR1分别恢复出sp与s1;对于接收端SR1,需解出数据sp,令等效矩阵对进行SVD分解,得根据迫零波束成型,设计滤波向量满足SR1还需解出s1,对进行SVD分解,得满足若选择的中继节点为ST2,ST2对sp接收,SR1对s1接收;在第二阶段,ropt以功率向PR转发授权用户数据sp,ST2以功率向SR2发送数据s2,ropt协助主用户进行数据中转的功率按式(1)计算:
步骤六,若选择中继SR1与ST2;在第一阶段,授权用户发射端PT以发送功率向认知用户SR1,ST2与SR2发送消息sp,ST1以功率向SR1发送数据s1;SR1,ST2与SR2接收到的信号可以如下式表示:
其中,表示数据接收节点,表示发送端s∈{PT,ST1}发送信号sx的预编码向量;
接收端采用解码向量恢复数据sx:
对与做SVD分解,可以得到预编码向量与接收滤波向量对于接收端SR1,需解出数据sp,令等效矩阵对进行SVD分解,得根据迫零波束成型,设计滤波向量满足SR1还需解出s1,对进行SVD分解,得满足对于接收端ST2与SR2,同样可以得到和用于恢复数据sp;
在第二阶段,SR1与ST2分别以功率和向PR转发授权用户数据sp,ST2以功率向SR2发送数据s2,SR2需要消除来自SR1与ST2的干扰,ST2设计发送方式,使其发送s2对PR不产生干扰;SR2接收的信号为,
由于在第一阶段已经解出sp,所以可以消除式(3)中的干扰项与令等效矩阵对进行归一化可计算
PR接收到的信号为:
对进行SVD分解,令ST2发送s2给SR2对PR不产生干扰;选取作为预编码向量;
PR接收到的信号如下表示:
由于是实数,所以PR可以恢复sp;
为了得到最大的需要满足SR1与ST2协助主用户中转数据的总功率按式(7)计算:
每个中继用于授权数据中转的发射功率为
通过仿真实验,进一步说明本发明的效果;
通过[阶段划分,中继功率,中继选择策略,期望数据]来表示不同的方案;其中,阶段划分为0.5表示整个传输过程被分为两个时长相等的阶段,SR1&ST2表示同时选择两个认知用户作为中继,Adpt表示选择最佳协作传输机制;
图6表示没有采用功率自适应的情形下授权数据传输的频谱效率与信噪比的变化关系;假设中继节点均采用半双工方式,在一个中继节点的协助传输下,授权数据传输的频谱效率计算如下:
其中PT与中继构成的链路的信噪比中继与PR构成的链路的信噪比中继节点发射sp的功率如果选择两个中继,计算如下:
中继节点集合与PR构成的链路的信噪比其中且
图7表示在采用本发明的功率自适应传输机制的情形下授权数据端到端频谱效率随信噪比变化的情况;认知中继节点SR1与ST2的总发射功率为与 表示两个中继节点协助主用户数据传输的总功率,满足授权用户发射端的发射功率为PT,对认知中继中转授权用户数据的发射功率进行调整,认知用户用于自身数据传输的功率为PT/2;频谱效率的计算如式(8)(9),其中
通过对比可知,无论采用何种中继选择策略,采用功率自适应的方法均可以提高授权数据传输的频谱效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于功率自适应的MIMO-CCRN瓶颈效应消除方法,其特征在于,该基于功率自适应的MIMO-CCRN瓶颈效应消除方法包括:
步骤一,令待选中继的集合为选择中继节点
步骤二,计算PT与每个中继节点构成的链路的信噪比并得到其中表示中继对信号sp的解码向量,表示PT到中继节点的信道向量,其中,PT表示授权用户发射机;
步骤三,计算中继节点的待选集合与PR构成的链路的信噪比其中 其中,PR表示授权用户接收机;
步骤四,比较与的大小;
步骤五,若选择能够获得最大的端到端频谱效率的单中继在第一阶段,授权用户发射端PT以功率广播消息sp,认知用户ST1以功率向SR1发送数据s1;若选择的中继节点为SR1,SR1分别恢复出sp与s1;若选择的中继节点为ST2,ST2对sp接收,SR1对s1接收;在第二阶段,以功率向PR转发授权用户数据sp,ST2以功率向SR2发送数据s2,协助主用户数据传输的发射功率计算如下,
其中,表示中继节点转发sp前对信号进行预编码的预编码向量,SR2表示认知用户SR2;
步骤六,若选择两个中继SR1和ST2;在第一阶段,授权用户发射端PT以发送功率向认知用户广播消息sp,认知用户ST1以功率向SR1发送数据s1,ST2恢复sp并消除来自ST1的干扰,SR1分别恢复出sp与s1,SR2对sp接收;在第二阶段,SR1与ST2分别以功率和向PR转发授权用户数据sp,ST2以功率向SR2发送数据s2,SR2需要消除来自SR1与ST2的干扰,ST2设计发送方式,使其发送s2对PR不产生干扰;SR1和ST2协助主用户数据传输的总功率计算如下:
每个中继用于授权数据传输的功率为
该基于功率自适应的MIMO-CCRN瓶颈效应消除方法授权用户为2个,认知用户为4个,其中包含2个认知收发用户对,每个认知用户都能够协助授权用户进行数据传输;当认知用户对多于2个时,先进行用户调度,再应用基于功率自适应的MIMO-CCRN瓶颈效应消除的方法。
2.如权利要求1所述的基于功率自适应的MIMO-CCRN瓶颈效应消除方法,其特征在于,首先PT根据收集的信道状态确定待选中继集合,再分别计算选择单个中继与两个中继情况下的信噪比,经过对比信噪比的大小确定选择中继的个数,接着进行信号的传输;传输过程分为两个阶段,在第一阶段,授权用户发送端PT将需要传输的信号以广播的方式发送给所选中继,同时,认知用户ST1向认知用户SR1发送信号实现认知用户间的信息传输;在第二阶段,中继协助授权用户将信号发送给授权用户接收端PR,同时,认知用户ST2向认知用户SR2发送信号实现认知用户间的信息传输。
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