CN104270821B

CN104270821B - 一种基于用户公平性的抗干扰频谱接入方法

Info

Publication number: CN104270821B
Application number: CN201410338515.2A
Authority: CN
Inventors: 卢为党; 何娣; 王梦云; 王凯; 彭宏; 徐志江; 华惊宇
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2014-07-16
Filing date: 2014-07-16
Publication date: 2017-12-05
Anticipated expiration: 2034-07-16
Also published as: CN104270821A

Abstract

一种基于用户公平性的抗干扰频谱接入方法，在该方法中，如果认知用户能够帮助授权用户达到目标速率，就能够获得机会接入授权用户的频谱，认知系统根据认知用户的信道条件和总吞吐量选择一个认知用户接入授权用户的频谱。认知用户接入授权用户的频谱后，利用一部分带宽转发授权用户的信息帮助其达到目标速率，然后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、提高认知用户间频谱接入的公平性。

Description

一种基于用户公平性的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

近年来，无线通信逐渐进入到人们的生活工作的方方面面，并产生了深远的影响。但受到硬件设备技术限制，适合无线通信的频段和带宽极为有限，随着无线通信用户的不断增多，通信业务需求快速增长，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。改变现有这种静态的频谱管理方式和频谱分配策略提高资源利用率是解决频谱资源匮乏的有效途径。认知无线电通过CR感知检测空闲频谱，实时调整系统参数(如调制技术、工作频率和传输功率等)来适应新的环境，在保证授权用户的正常通信不受影响的前提下，伺机接入授权频谱，大大提高了频谱的利用率。

在认知无线电共存式频谱接入方法中，认知用户通过控制自己的发送功率，在不影响授权用户正常通信的前提下，接入授权用户的频谱，和授权用户同时进行通信。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。而且在这种频谱接入方法中，每次都是信道条件最好的认知用户被选择接入授权用户的频谱，而其他信道条件差的认知用户一直无法接入授权用户的频谱，这样会导致认知用户间频谱接入存在不公平的现象。

发明内容

为了克服现有共存式频谱接入方法中授权用户和认知用户之间相互干扰的问题、以及认知用户频谱接入的公平性问题，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、提升认知用户频谱接入公平性的基于用户公平性的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：

一种基于用户公平性的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用户接收端组成，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L个认知用户发送端和一个共同的认知用户接收端组成，所述认知系统能够模拟授权系统中的无线电协议和系统参数；所述基于用户公平性的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用户接收端；

2)每个时刻i，计算授权用户在认知用户ST_k协作帮助下获得的速率R_p,k[i]，k∈L，L＝{1,2,3,...,L}；

3)找出所有能够帮助授权用户达到目标速率R_t的认知用户ST_k组成的集合M，M＝{k|k∈L,R_p,k[i]≥R_t}；

4)在集合M中选择一个认知用户ST_b，授权用户分配一部分时间给该认知用户，授权其接入自己的频谱，ST_b接入授权用户的频谱后，利用一部分带宽转发授权用户的信息帮助其达到目标速率，利用剩余的带宽发送自己的信息；如果M是空集，即|M|＝0，表示没有认知用户能够帮助授权用户达到目标速率，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：

满足以下条件

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

R_s,k[i]＝(1-t_k[i])(1-b_k[i])R_4,k[i] (4)

其中，P_s,k表示认知用户ST_k的发射功率，γ_4,k[i]表示认知用户ST_k到认知用户接收端链路在时刻i的信道增益，N₀表示噪声功率谱密度，和分别表示在时刻i授权用户在第一个和第二个时隙获得的速率：

其中， P_p表示授权用户的发射功率，γ₁[i]和γ_2,k[i]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ST_k路的信道增益,γ_3,k[i]表示认知用户发送端ST_k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佳时间t_k[i]和带宽分配b_k[i]：

将(7)、(8)代入(4)，得到认识用户的速率为

其中A＝(R_2,k[i]-R_t)，B＝(R_5,k[i]-R_d[i])，C＝(R_2,k[i]+R_3,k[i]-R_5,k[i])，D＝(R_2,k[i]-R_d[i])。

进一步，所述步骤1)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；

在第一个时隙中，占据时间t_k[i](0＜t_k[i]＜1)，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ST_k，所以授权用户发送端到认知用户发送端ST_k链路的速率为：

在第二个时隙中，占据时间(1-t_k[i])，ST_k尝试解码授权用户的信息，并分配由授权系统授予的一部分带宽b_k[i](0＜b_k[i]＜1)W帮助转发授权用户的信息到授权用户接收端，在ST_k成功解码的条件下，ST_k到授权用户接收端链路的速率为：

所以授权用户通过两个传输时隙的速率表示为式(3)；同时，在第二个时隙中，ST_k使用剩余(1-b_k[i])W带宽发送自己的信息到认知用户接收端，认知用户ST_k的速率表示为式(4)。

进一步，所述步骤4)中，认知用户ST_b通过以下方法进行选择：

在任意时刻i，选择认知用户ST_b，M＝{k|k∈L,R_p,k[i]≥R_t}，接入授权用户的频谱，其中T_k[i]表示认知用户ST_k在前i个时刻的总吞吐量：

如果所有认知用户在前i个时刻的吞吐量都相同，即T₁[i]＝T₂[i]＝...＝T_k[i]...＝T_L[i]时，则认知系统就会选择信道条件最好的认知用户，即R_s,k[i]最大的认知用户接入授权频谱；而当某个认知用户ST_j的吞吐量远小于其他用户的吞吐量，即T_j[i]＜＜T_k[i],j≠k时，则会很大，认知系统就会选择总吞吐量最小的认知用户ST_j接入授权频谱。

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。而且在这种频谱接入方法中，每次都是信道条件最好的认知用户被选择接入授权用户的频谱，而其他信道条件差的认知用户一直无法接入授权用户的频谱，这样会导致认知用户间频谱接入存在不公平的现象。本专利方法中系统基于用户公平性选择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，以及提高认知用户间频谱接入的公平性。

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)提升了认知用户间频谱接入的公平性。

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，h₁为授权用户发送端到授权接收端的信道系数，h_2，k为授权用户发送端到认知用户发送端ST_k的信道系数，h_3,k为认知用户发送端ST_k到授权接收端的信道系数，h_4,k为认知用户发送端ST_k到认知接收端的信道系数，且i＝2,3,4，d_i,k表示相应的发射端和接收端之间的相对于d₁的归一化距离，d₁表示PT和PR之间的归一化距离。γ₁＝|h₁|²和γ_i,k＝|h_i,k|²表示瞬时信道增益。；

图2为仿真的系统拓扑图，其中PT和PR分别位于点(0,0)和(1,0)，SR位于(0.5，-0.5)，ST_k,k∈L＝{1,2,3,...,20}随机分布在PT和PR连线的中点为圆心，0.5为半径的圆内。假设路径损耗指数v＝4，L＝20，W＝1，P_p/N₀＝5dB，P_s,k/N₀＝P_s/N₀＝10dB,R_t＝2.5bps/Hz；

图3为在100个时刻内，采用本发明方法时与采用直接选择法(即每次都是信道条件最好的认知用户被选择接入授权用户的频谱)时系统选择接入授权频谱的认知用户随时间变化的情况的比较；

图4为在第50个时刻，系统选择接入授权频谱的认知用户ST_b的最佳时间和带宽分配随P_s/N₀的变化图；

图5为在100个时刻内，认知用户ST_k,k∈L的总吞吐量；

图6为在100个时刻内，认知用户ST_k,k∈L接入授权频谱的次数；

图7为在100个时刻内，采用本发明方法与采用轮询方法(即每个认知用户按照顺序轮流接入授权用户的频谱)的认知系统总吞吐量的比较。

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7，一种基于用户公平性的抗干扰频谱接入方法，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授权用户系统和一个认知用户系统，其中授权用户系统由一个授权用户发送端(primary transmitter,PT)和授权用户接收端(primary receiver,PR)组成。授权用户系统支持中继功能，有一段W带宽组成的授权频谱。认知用户系统由L个认知用户发送端(secondary transmitter,ST_k,k∈L＝{1,2,3,...,L})和共同的认知用户接收端(secondary receiver,SR)组成。认知用户系统能够模拟授权用户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用户接收端。每个时刻i，计算授权用户在认知用户ST_k，k∈L＝{1,2,3,...,L}协作帮助下获得的速率R_p,k[i]。找出所有能够帮助授权用户达到目标速率R_t的认知用户ST_k组成的集合M，M＝{k|k∈L,R_p,k[i]≥R_t}。在集合M中选择一个认知用户ST_b，授权用户分配一部分时间给该认知用户，授权其接入自己的频谱。ST_b接入授权用户的频谱后，利用一部分带宽转发授权用户的信息帮助其达到目标速率，利用剩余的带宽发送自己的信息；如果M是空集，即|M|＝0，表示没有认知用户能够帮助授权用户达到目标速率，则授权用户继续通过直传发送自己的信息。

本实施方式中，每个时刻i，授权用户在认知用户ST_k，k∈L＝{1,2,3,...,L}协作帮助下获得的速率R_p,k[i]可以通过以下方法获得：

ST_k通过以下两个时隙解码转发(Decode-and-Forward,DF)协作传输方式帮助授权系统达到其目标速率。

在第一个时隙中，占据时间t_k[i](0＜t_k[i]＜1)，PT用全部W带宽发送信息发送自己的信息到PR和ST_k。则PT→ST_k链路的速率表示为：

其中P_p表示授权用户的发射功率，γ_2,k[i]授权用户发射端到认知用户发送端ST_k链路的信道增益，N₀表示噪声功率谱密度。

在第二个时隙中，占据时间(1-t_k[i])，ST_k尝试解码授权用户的信息，并分配由授权系统授予的一部分带宽b_k[i](0＜b_k[i]＜1)W帮助转发授权用户的信息到PR，在ST_k成功解码的条件下，ST_k→PR链路的速率可以表示为：

其中， P_s,k表示认知用户ST_k的发射功率，γ₁[i]和γ_2,k[i]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ST_b链路的信道增益,γ_3,k[i]表示认知用户发送端ST_k到授权用户接收端链路的信道增益。授权用户通过两个传输时隙的速率可以表示为

同时，在第二个时隙中，ST_k使用剩余(1-b_k[i])W带宽发送自己的信息到SR，认知用户的速率可以表示为：

R_s,k[i]＝(1-t_k[i])(1-b_k[i])R_4,k[i] (4)

其中γ_4,k[i]表示认知用户ST_k到认知用户接收端链路在时刻i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ST_k之间的时间和带宽分配问题建模为：

满足以下条件

将(7)、(8)代入(4)，可以得到认识用户的速率为

本实施方式中接入授权频谱的认知用户ST_b通过以下方法进行选择：

在任意时刻i，选择认知用户ST_b，接入授权用户的频谱，M＝{k|k∈L,R_p,k[i]≥R_t}，其中T_k[i]表示认知用户ST_k在前i个时刻的总吞吐量：

如果所有认知用户在前i个时刻的吞吐量都相同，即T₁[i]＝T₂[i]＝...＝T_k[i]...＝T_L[i]时，则认知系统就会选择信道条件最好的认知用户，即R_s,k[i]最大的认知用户接入授权频谱。而当某个认知用户ST_j的吞吐量远小于其他用户的吞吐量，即T_j[i]＜＜T_k[i],j≠k时，则会很大，认知系统就会选择总吞吐量最小的认知用户ST_j接入授权频谱，增加其吞吐量，保证其频谱接入的公平性。

本实施例的基于用户公平性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，并提高认知用户间频谱接入的公平性。

本实施的频谱接入方法中，每个时刻i，在认知用户ST_k，中选择一个认知用户ST_b接入授权频谱。在图3中显示了本发明在100个时刻内，采用本发明方法时与采用直接选择法(即每次都是信道条件最好的认知用户被选择接入授权用户的频谱)时系统选择接入授权频谱的认知用户随时间变化的情况的比较。

本实施的频谱接入方法中，每个时刻i，选择接入授权频谱的认知用户ST_b以协作方式接入授权用户的频谱，占用时间(1-t_b[i])，利用一部分接入获得的b_b[i]W带宽帮助转发授权用户的信息，利用剩余的(1-b_b[i])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。在图4中显示了本发明中在第50个时刻，系统选择接入授权频谱的认知用户ST_b的最佳时间和带宽分配随P_s/N₀的变化图。

本实施例的频谱接入方法提升了认知用户间频谱接入的公平性，提高了系统的性能。图5为在100个时刻内，认知用户ST_k,k∈L的总吞吐量，可以看出每个可以帮助授权用户达到目标速率的认知用户都有机会接入授权频谱发送自己的信息。由图6可知，除了无法帮助授权用户达到目标速率的认知用户，其他认知用户都能够相对公平的接入授权频谱。图7为在100个时刻内，采用本发明所提方法与采用轮询方法(即每个认知用户按照顺序轮流接入授权用户的频谱)的认知系统总吞吐量的比较，可以看出，本发明所提方法的总吞吐量要大于轮询方法的总吞吐量，系统的性能能够得到提升。

Claims

1.一种基于用户公平性的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用户接收端组成，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L个认知用户发送端和一个共同的认知用户接收端组成，所述认知系统能够模拟授权系统中的无线电协议和系统参数；其特征在于：所述基于用户公平性的抗干扰频谱接入方法包括以下过程：

授权用户和认知用户之间的时间和带宽分配问题建模为：

满足以下条件

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R_s,k[i]＝(1-t_k[i])(1-b_k[i])R_4,k[i] (4)

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通过数学优化方法获得最佳时间和带宽分配

将(7)、(8)代入(4)，得到认识用户的速率为

其中A＝(R_2,k[i]-R_t)，B＝(R_5,k[i]-R_d[i])，C＝(R_2,k[i]+R_3,k[i]-R_5,k[i])，D＝(R_2,k[i]-R_d[i])；

认知用户ST_b通过以下方法进行选择：在任意时刻i，选择认知用户ST_b，M＝{k|k∈L,R_p,k[i]≥R_t}，接入授权用户的频谱，其中T_k[i]表示认知用户ST_k在前i个时刻的总吞吐量：

<mrow> <msub> <mi>T</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>&lsqb;</mo> <mi>i</mi> <mo>&rsqb;</mo> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>T</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>&lsqb;</mo> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>&rsqb;</mo> <mo>+</mo> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>&lsqb;</mo> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>&rsqb;</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mi>b</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>T</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>&lsqb;</mo> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>&rsqb;</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>k</mi> <mo>&NotEqual;</mo> <mi>b</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>10</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

2.如权利要求1所述的基于用户公平性的抗干扰频谱接入方法，其特征在于：所述步骤1)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；

在第一个时隙中，占据时间t_k[i]，0＜t_k[i]＜1，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ST_k，所以授权用户发送端到认知用户发送端ST_k链路的速率为：

在第二个时隙中，占据时间(1-t_k[i])，ST_k尝试解码授权用户的信息，并分配由授权系统授予的一部分带宽b_k[i]W帮助转发授权用户的信息到授权用户接收端，0＜b_k[i]＜1，在ST_k成功解码的条件下，ST_k到授权用户接收端链路的速率为：