CN104717662A - 一种联合空时频谱共享的合作中继传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明结合认知无线电与合作通信技术，提出了联合空时频谱共享的合作中继传输方法，认知用户源节点与认知用户中继节点采用了选择式解码转发中继方式的机会式使用授权频谱。通过有效结合频谱感知结果，在不对授权用户造成有害干扰的情况下，认知用户采用合作中继传输的方式充分利用联合空时的频谱空穴进行传输，有效的提高了频谱利用率以及通信系统性能。

Description

一种联合空时频谱共享的合作中继传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种认知无线电网络中的传输方法。

背景技术

合作中继传输机制是基于经典的中继传输，然而与中继传输的不同在于，合作中继传输中目的节点所接收到的信息既包含由源节点发送的信息，也包含由中继节点转发的信息，而中继传输中源节点仅通过中继节点向目的节点传输信息。合作中继传输中包含单个中继节点以及多个中继节点的传输。传输过程分为两个阶段，分阶段是为了保证传输过程的正交性以及避免产生干扰。第一阶段中，源节点向目的节点以及中继节点发送信息；第二阶段中，中继处理接收到的信号并将其转发给目的节点。含有多个中继节点的合作中继中，多个中继之间可以是串行拓扑、并行拓扑或并行拓扑。在通信系统中，合作中继传输可以通过形成虚拟天线阵，通过采用多用户分集提高增益从而实现提高系统性能的效果。合作中继机制包括固定的合作中继机制以及自适应的合作中继机制。固定的合作中继机制中包含解码转发(Decode-and-Forward,DF)中继机制以及放大转发(Amplify-and-Forward,AF)中继机制。在DF机制中，中继节点对源节点发送的信号进行解码，重新编码后发送给目的节点。DF机制的优势是不会为目的节点引入放大的噪声。而缺点则在于可能存在由于解码引入的新的错误以及在中继节点的较高计算负载。在AF机制中，中继节点将源节点发送的信号进行放大，并将放大后的信号向目的节点转发。该方法操作简单，然而由于放大了信号中的噪声，因此将会使性能下降。自适应的合作中继机制包括，选择中继以及递增中继。选择中继机制中，具有最优信道(中继至目的节点)增益的中继节点当选为中继。该方式可以减小带宽开销。基于选择式解码转发(Selection based Decode-and-Forward，SDF)的合作中继机制，其中参与合作中继传输的中继节点为可正确解码的中继节点集中到目的节点瞬时信道增益最大的中继节点。递增中继是指，通过目的节点的反馈获取传输性能，仅当直接链路传输失败的情况下才使用中继。

由于合作中继传输能够更加充分且灵活的利用频谱资源，因此适用于频谱资源异常宝贵且具有时变特性的认知无线电网络。合作中继网络与认知无线电的结合逐渐成为研究的热点。现有技术就在基于时域频谱共享的认知无线电网络中，认知用户之间的合作中继传输进行了研究。给出了瑞利衰落信道下基于DF的合作中继传输的中断概率闭合表达式。在该技术中，认知用户中继节点通过频谱感知获得时域频谱空穴，并利用该时域频谱空穴进行转发。当所感知的授权频谱被授权用户占用时，认知系统将会由于无法获得时域频谱空穴而系统性能将会下降。现有技术包括了采用合作中继进行频谱感知的方法，通过合作中继的方式对认知用户的感知结果进行传输以及融合。通过多个认知用户合作有效地克服了阴影效应，提高了频谱感知性能。在认知合作中继机制中同时考虑了合作感知以及合作传输。该合作传输机制中，认知用户可以作为认知源节点以及授权用户源节点的中继。作为授权用户源节点的中继可以减小授权用户的发射功率，同时为认知用户提供了更多的传输机会。另一种合作中继机制是通过将认知用户作为授权用户中继节点，协助授权用户传输信息，从而提高授权用户的传输性能。由此，次级用户将会获得更多的可用时域频谱空穴，从而提高系统的传输性能，进一步提高频谱利用率。在基于空域频谱共享的认知无线电网络中，对中继节点采用分布式功率控制的方式，提出了对空域频谱共享的合作中继机制的研究。充分利用了认知无线电网络中的空域频谱空穴。已有技术对认知无线电网络中的合作感知以及合作中继进行了结合。该合作中继机制中，认知用户可以作为认知源节点以及授权用户源节点的中继。作为授权用户源节点的中继可以减小授权用户的发射功率，同时为认知用户提供了更多的传输机会。

由于认知无线电网络中认知用户所使用的频谱具有动态时变特性且同时依赖于授权用户使用频谱的行为，因此在使用合作中继进行传输的认知用户一直面临着各种困难：

首先，现有的合作中继机制由于其本身特点，均存在一些不足。例如DF机制中可能存在由于解码引入的新的错误以及在中继节点的较高计算负载。在AF机制中，虽然该方法操作简单，然而由于放大了信号中的噪声，因此将会使性能下降。对于认知无线电网络中，可供认知用户使用频谱资源随授权用户使用频谱情况具有动态的时变特性。因此，为了提高传输有效性，需要采用自适应的合作中继机制。自适应的选择中继机制中，可以通过选择具有最优信道增益的中继节点当选为中继。该方式可以减小带宽开销。此方式可以提高频谱效率。

其次，认知无线电系统中频谱空穴的频谱特征在时域、频域以及空域三个不同维度上分别表现为可用时长、可用带宽以及可使用的发射功率。其中，可用时长由授权用户在一段时间内对特定频段的占用度和切换次数表现，该参数不受认知用户与授权用户相对位置的影响，且并不对认知用户的发射功率进行限制，但是将影响与认知用户的业务匹配程度；可用带宽是根据认知用户的频谱检测结果生成可用的频谱资源在频域上的集合；处于某个地理位置的认知用户可使用的发射功率，和认知用户与授权用户之间的距离有关，除了受到传统无线通信中的衰落因素影响外，还受到了授权用户干扰容限的影响。

现有认知无线电网络中的合作中继机制中，仅考虑了纯时域以及纯空域频谱共享下的合作中继。现有技术中，当次级用户作为授权用户中继为其转发信息，从而获得更多的时域频谱空穴的情况中，需要对授权系统以及次级系统之间进行协商，由此将会需要引入额外的系统开销。这种技术并不适用于次级系统与授权系统之间无法进行交互的情况。在基于时域频谱共享的认知无线电网络的合作中继传输机制研究中，认知用户中继节点通过频谱感知获得时域频谱空穴进行转发，当无法获得时域频谱空穴时系统性能将会下降。这种情况将会造成次级系统不稳定。实际上，此时认知用户可以通过采用空域频谱空穴进行传输，避免由于频谱空穴不足而产生的通信中断。在基于空域频谱共享认知无线电网络的合作中继传输机制中，研究背景中假设授权用户发射机一直处于工作状态，因此认知用户只能利用相应的空域频谱空穴。在实际情况中，授权用户发射机将会在工作状态以及空闲状态之间转换。事实上，当认知用户位于授权用户发射机覆盖范围外时既存在的时域频谱空穴，同时也存在空域频谱空穴。当授权用户发射机处于空闲状态时，认知用户可以在特定的一段时间内使用该授权频谱。因此，单纯使用时域频谱空穴或者空域频谱空穴的合作中继机制浪费了潜在频谱空穴。

综上所述，当前现有的研究虽然有基于认知无线电网络的合作中继机制的研究，但其有着相当的局限性且缺乏对认知无线电网络频谱资源特征的考虑，结合频谱空穴所具有的时-空-频特性，研究认知无线电网络的合作中继机制必须要考虑频谱空穴的特征。

发明内容

为了解决现有技术中问题，充分利用频谱资源特性，提高频谱利用率以及传输的有效性，本发明提出了在不对授权用户造成有害干扰情况下的一种联合空时频谱共享合作中继传输方法，通过利用联合空时频谱感知的频谱空穴，采用选择式解码转发SDF方式对信息进行转发，不仅有利于提高系统性能，同时提高了频谱利用率。

本发明通过如下技术方案实现：

一种认知无线电网络中的联合空时频谱共享的合作中继传输方法，其中，所述认知无线电网络包括认知用户源节点CS、认知用户目的节点CD、频谱感知节点以及认知用户中继组CREG，所述CREG为包含M个认知用户簇且其中每个认知用户均可以作为CS的中继节点，认知用户位于授权系统的发射机LT的覆盖范围外；所述方法实现CS到CD之间的传输，方法包括以下步骤：

S101：频谱感知：所述CS通过与频谱感知节点合作进行联合空时频谱感知，获得授权系统中的主用户发射机LT状态以及当前可供使用的频谱空穴，假设在单个时隙中可用频谱空穴不变。

S102：广播：所述CS利用所获得的频谱空穴将信息向CD以及CREG广播。

S103：处理：所述CREG根据选择式解码转发SDF中继机制对接收到的CS源信息进行处理，具体为：所述CREG对接收到的信号进行解码，同时为转发进行重编码。

S104：转发：在可解码的中继节点集中选择到目的节点间瞬时信道增益最大的中继节点作为合作中继节点，所述合作中继节点将处理后的信息通过检测到的频谱空穴转发给CD；其中，当中继节点的接收信号SNR值大于一预设门限时，则所述中继节点为可解码的中继节点。

步骤105：合并：所述CD采用最大比例合并方式将来自CREG以及CS的接收信息进行合并。

进一步地，在所述步骤101之后，步骤102之前还包括：认知用户通过频谱感知获得授权用户所使用授权频段的情况以及当前可供使用的频谱空穴；当认知用户所得到的结果为存在时域频谱空穴时，其发射功率受限于该认知用户本身功率门限，而当所感知的结果为存在空域频谱空穴时，其发射功率则受限于授权用户的干扰概率限制。

本发明的有益效果是：本发明结合认知无线电与合作通信技术，提出了联合空-时频谱共享的合作中继传输方法，认知用户源节点与认知用户中继节点采用了选择式解码转发中继方式的机会式使用授权频谱。通过有效结合频谱感知结果，在不对授权用户造成有害干扰的情况下，认知用户采用合作中继传输的方式充分利用联合空时的频谱空穴进行传输，有效的提高了频谱利用率以及通信系统性能。

附图说明

图1是CNRs中联合空-时频谱共享的合作中继传输模型示意图；

图2是授权用户发射机的行为建模示意图；

图3是P＝3dB时不同的M对系统传输性能的影响示意图；

图4是M＝6时不同的P对系统传输性能的影响示意图；

图5是M＝6时不同的授权用户行为对系统传输性能的影响示意图；

图6是不同的空域频谱空穴Q对系统传输性能的影响示意图；

图7是不同p_d对系统传输性能的影响示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明的联合空时频谱共享的合作中继传输方法所应用的认知无线电网络框架如附图1所示，授权系统中包括授权用户发射机LT以及授权用户接收机LR；认知无线电系统中包括认知用户源节点CS、认知用户目的节点CD以及认知用户中继组CREG。其中，CREG为包含M个认知用户簇且其中每个认知用户均可以作为CS的中继节点。认知用户位于LT的覆盖范围外，认知用户通过与频谱感知节点进行联合空时频谱感知获取可用的频谱空穴，为了简化，附图1中并未给出相应的频谱感知节点。

ε_s与ε_p分别表示CS与LT的传输功率。假设所有的CREG中的认知用户CREG具有相同的传输功率ε_r。h_sd、与分别为CS到CD、CS到CREG-i(CREG中第i个CREG)以及CREG-i到CD的瞬时信道增益。假设任意两个节点之间的信道可以建模为独立的平坦衰落信道，并且其参数在一个时隙内保持不变。CS与CD、CS与CREG-i以及CREG-i与CD之间信道增益的方差为λ_sd、与因此，X＝|h_ij|²为指数分布的随机变量，且概率密度函数(Probability density function,PDF)可以写做：

$f_X\left(x\right)=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ij}}}\exp (-\frac{x}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ij}}})---\left(1\right)$

其中h_ij，λ_ij分别表示节点i到j的瞬时信道增益以及方差(i，j表示CRNs中的任意节点)。

平坦衰落的无线信道模型下节点j接收到的由节点i发射的信号可以表示为

$y_{\mathrm{ij}}=\sqrt{P(d_{\mathrm{ij}},{\mathrm{\ϵ}}_i)}{h}_{\mathrm{ij}}{s}_i+n_j---\left(2\right)$

其中，表示考虑了路径损耗效应后的等效发射功率，ε_i表示源节点i的发射功率，d_ij为源节点i与目的节点j的距离，ρ为路径损耗因子，n_j为高斯白噪声，s_i为传输信号。

定义由源节点i向目的节点j的发射信号功率在考虑了路径损耗后的等效发射功率为P_ij＝P(d_ij,ε_i)。

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sd}}={\left|h_{\mathrm{sd}}\right|}^2\frac{P_{\mathrm{sd}}}{{\mathrm{\σ}}_d^2},{\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{sr}}_i}={\left|h_{{\mathrm{sr}}_i}\right|}^2\frac{P_{{\mathrm{sr}}_i}}{{\mathrm{\σ}}_{r_i}^2}$ 与 ${\mathrm{\γ}}_{r_{i}d}={\left|h_{r_{i}d}\right|}^2\frac{P_{r_{i}d}}{{\mathrm{\σ}}_d^2}$ 分别表示CS到CD、CS到CREG-i与CREG-i到CD的瞬时SNR。与为CD与CREG-i的白高斯噪声方差，本发明假设

节点i到j的瞬时SNR的PDF如下，其中P_i为节点i的发射功率。

$f_{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ij}}}\left(x\right)=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ij}}}\exp (-\frac{{\mathrm{\σ}}^{2}x}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ij}}{P}_i})---\left(3\right)$

授权用户发射机LT在工作时处于状态ON，不工作时处于状态OFF。LT的行为可以通过Markov过程进行建模，如附图2所示。H_p(k)表示在时隙k中授权信道是否被LT占用。H_p(k)＝H₀表示信道并未被LT占用，LT在时隙k处于OFF状态。否则，H_p(k)＝H₁，即信道被LT占用且LT在时隙k处于ON状态。LT处于ON状态的概率记做P(H₁)，处于OFF状态的概率为P(H₀)，且P(H₁)+P(H₁)＝1。

此处采用联合空时频谱感知机制获取时域频谱空穴以及空域频谱空穴。多个次级频谱感知节点进行时域频谱感知，通过BS/融合中心最终交换本地测量结果，同时由BS/融合中心做出最后判决。对于时域频谱空穴，两个重要的变量为检测概率以及虚警概率 表示认知用户的时域频谱感知结果。P_d是LT的ON状态被认知用户正确检测的概率；p_f是时域频谱空穴检测中的虚警概率，即LT处于OFF状态时被错误的检测为LT正在传输。在合作中继传输中，CS与中继节点均可以通过BS/融合中心获得当前LT的检测状态。

对时域频谱共享的认知无线电网络，认知用户通过控制传输机会来避免对授权用户造成干扰，其传输功率定义为ε_s，ε_r，其中ε_s，ε_r分别为CS与CREG的最大传输功率。基于联合空时频谱共享的机制中，在授权用户干扰限制条件下，通过联合空时频谱合作检测给出对于特定检测概率P_d时的空域频谱空穴大小，可以得到某一特定频谱信道的空域频谱空穴最大无干扰传输功率MIFTP。在空域频谱感知中，对于LU的位置以及发射功率的获取是计算CU的MIFTP所需要的重要参数，该位置与发射功率的估计可以通过多个认知用户合作获得或者通过本地数据库直接获取。因此对空域频谱共享的CRNs，次级系统中的认知用户CUs通过控制传输功率来避免对授权系统中的主用户LU造成干扰，其传输功率定义为其中 分别表示CS与CREG的空域频谱空穴MIFTP。

本发明提出的联合空时频谱共享的合作中继传输方法，实现从CS到CD的传输，包括以下几个步骤：

步骤1：频谱感知：所述CS通过与频谱感知节点合作进行联合空时频谱感知，获得授权系统中的主用户发射机LT状态以及当前可供使用的频谱空穴，假设在单个时隙中可用频谱空穴不变。

步骤2：广播：所述CS利用所获得的频谱空穴将信息向CD以及CREG广播。

步骤3：处理：所述CREG根据选择式解码转发SDF中继机制对接收到的CS源信息进行处理，具体为：所述CREG对接收到的信号进行解码，同时为转发进行重编码。

步骤4：转发：在可解码的中继节点集中选择到目的节点间瞬时信道增益最大的中继节点作为合作中继节点，所述合作中继节点将处理后的信息通过检测到的频谱空穴转发给CD；其中，当中继节点的接收信号SNR值大于一预设门限时，则所述中继节点为可解码的中继节点。

步骤5：合并：所述CD采用最大比例合并方式将来自CREG以及CS的接收信息进行合并。

使用半双工中继对于合作认知传输机制进行建模。如附图1所示，在认知合作传输时隙中均包含两个阶段。在阶段1中，所有的CREG与CD均收到由CS所发出的信息。在阶段2中，CS停止传输并且解码集中最佳的CREG(与目的节点之间瞬时信道增益最大的CREG)向CD转发接收到信息。采用最大比例合并方式在CD节点处得到接收信号。

传输时隙k，在阶段1CREG-i与CD接收到的CS信号可以表示为与y_d(k,1)。

阶段1：

$y_{r_i}(k,1)=h_{{\mathrm{sr}}_i}\left(k\right)\mathrm{\β}(k,1)+h_{{\mathrm{pr}}_i}\left(k\right)\sqrt{P_{{\mathrm{pr}}_i}}\mathrm{\θ}\left(k\right)+n_{r_i}\left(k\right)---\left(4\right)$

$y_d(k,1)=h_{\mathrm{sd}}\left(k\right)\mathrm{\β}(k,1)+h_{\mathrm{pd}}\left(k\right)\sqrt{P_{\mathrm{pd}}}\mathrm{\θ}\left(k\right)+n_d\left(k\right)---\left(5\right)$

$\mathrm{\β}(k,1)=\left\{\begin{array}{cc}{s}_s\left(k\right)\sqrt{P_{{\mathrm{sr}}_i}}& {\hat{H}}_s\left(k\right)=H_0\\ s_s\left(k\right)\sqrt{{\tilde{P}}_{{\mathrm{sr}}_i}}& {\hat{H}}_s\left(k\right)=H_1\end{array}\right.---\left(6\right)$

$\mathrm{\θ}\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& H_P\left(k\right)=H_0\\ s_P\left(k\right)& H_P\left(k\right)=H_1\end{array}\right.---\left(7\right)$

阶段2：

$y_d(k,2)=h_{r_{i}d}\left(k\right)\mathrm{\β}(k,2)+h_{\mathrm{pd}}\left(k\right)\sqrt{P_{\mathrm{pd}}}\mathrm{\θ}\left(k\right)+n_d\left(k\right)---\left(8\right)$

$\mathrm{\β}(k,2)=\left\{\begin{array}{cc}{s}_s\left(k\right)\sqrt{P_{r_{i}d}}& {\hat{H}}_s\left(k\right)=H_0\\ s_s\left(k\right)\sqrt{{\tilde{P}}_{r_{i}d}}& {\hat{H}}_s\left(k\right)=H_1\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中 $P_{{\mathrm{pr}}_i}=P(d_{{\mathrm{pr}}_i},{\mathrm{\ϵ}}_p),$ P_pd＝P(d_pd,ε_p)， $P_{{\mathrm{sr}}_i}=P(d_{{\mathrm{sr}}_i},{\mathrm{\ϵ}}_s),{\tilde{P}}_{{\mathrm{sr}}_i}=P(d_{{\mathrm{sr}}_i},{\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_s),P_{r_{i}d}=P(d_{r_{i}d},{\mathrm{\ϵ}}_r),$ 均为考虑了路径损耗的等效功率。s_P(k)与s_s(k)表示时隙k中LT以及CS的发送信号，与n_d(k)表示时隙k中CREG-i与CD处的白高斯噪声。在阶段2时，基于SDF机制中，被选中的CREG需要满足正确解码条件，并将其解码结果转发给CD。CD于阶段2接收到的信号可以写作y_d(k,2)。

本发明中考虑的是联合空时频谱共享的认知无线电网络中的认知合作中继传输，其中认知用户产生信道中断的情况与授权用户的行为以及频谱空穴感知的结果相关。因此认知用户基于联合空时频谱共享的合作中继传输中的信道中断情况可以分为四种情况，且中断概率可以表示为：

$\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{out}}^{\mathrm{ST}}=P\left(H_0\right)(1-P_f)P_{\mathrm{out}1}+P\left(H_0\right)P_f{P}_{\mathrm{out}2}\\ +P\left(H_1\right)(1-P_d)P_{\mathrm{out}3}+P\left(H_1\right)P_d{P}_{\mathrm{out}4}\end{array}---\left(10\right)$

情况1：LT处于OFF状态且由参加时域频谱感知的认知用户成功的检测到该时域频谱空穴存在的情况，该情况出现的概率为P(H₀)(1-P_f)。CS与被选中的CREG的发射功率分别为ε_s与ε_r。因此，在目的节点采用MRC，CS与CD的互信息可以表示为：

$I=\frac{1}{2}\log (1+{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sd}}+\underset{i\∈R\left(s\right)}{\max }{\mathrm{\γ}}_{r_{i}d})---\left(11\right)$

基于选择的中继机制中只有中继-目的节点之间信道增益最大的中继节点将被选择用于转发源节点信息。因此，式中在log前面系数为1/2。

将可以正确解码源节点发送的信息的中继节点集合成为中继集合R(s)。|R(s)|表示在集合R(s)中的CREG的个数。在中继集合中的CREG节点需要满足解码要求，即：

$\mathrm{Pr}(\frac{1}{2}\log (1+{\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{sr}}_i})\≥R)---\left(12\right)$

本发明中所有的log算子均以2为底。当CS与CREG-i之间的互信息大于特定的目标数据率R时，该CREG-i属于中继集合。由此可以得到下式：

$\mathrm{Pr}(\frac{1}{2}\log (1+{\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{sr}}_i})\≥R)=1-{\∫}_0^{2^{2R}-1}\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{sr}}_i}}\exp (-\frac{{\mathrm{\σ}}^{2}x}{{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{sr}}_i}{P}_{{\mathrm{sr}}_i}})\mathrm{dx}=e^{-\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{sr}}_i}{P}_{{\mathrm{sr}}_i}}(2^{2R}-1)}---\left(13\right)$

由于每个中继节点根据上式判断其是否满足中继要求，并且信道衰落特性是独立的，因此可以得到：

$\mathrm{Pr}\left(\right|R\left(s\right)|=i)=\left(\begin{array}{c}M\\ i\end{array}\right){\mathrm{\Π}}_{i\∈R\left(s\right)}\left(e^{-\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{sr}}_i}{P}_{{\mathrm{sr}}_i}}(2^{2R}-1)}\right){\mathrm{\Π}}_{i\∉R\left(s\right)}(1-e^{-\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{sr}}_i}{P}_{{\mathrm{sr}}_i}}(2^{2R}-1)})---\left(14\right)$

信道中断概率将会在互信息I小于某个特定的数据率R时发生，因此信道中断概率可以定义为Pr(I＜R)。利用全概率规则得到：

P_out＝Σ_R(s)Pr(I＜R|R(s))Pr(|R(s)|)   (15)

Pr(I＜R|R(s))可以由下式给出：

$\mathrm{Pr}(I<R|R\left(s\right))=(1-e^{-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{sd}}{P}_{\mathrm{sd}}}(2^{2R}-1)})\underset{i\&Element;R\left(s\right)}{\mathrm{\&Pi;}}(1-e^{-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&lambda;}}_{r_{i}d}{P}_{r_{i}d}}(2^{2R}-1)})---\left(16\right)$

可以得到情况1下的中断概率：

$P_{\mathrm{out}1}=\underset{i=0}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\begin{array}{c}M\\ i\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\&Pi;}}_{i\&Element;R\left(s\right)}\left(e^{-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&lambda;}}_{{\mathrm{sr}}_i}{P}_{{\mathrm{sr}}_i}}(2^{2R}-1)}\right)\\ \&times;{\mathrm{\&Pi;}}_{i\&NotElement;R\left(s\right)}(1-e^{-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&lambda;}}_{{\mathrm{sr}}_i}{P}_{{\mathrm{sr}}_i}}(2^{2R}-1)})(1-e^{-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{sd}}{P}_{\mathrm{sd}}}(2^{2R}-1)})\\ \&times;{\mathrm{\&Pi;}}_{i\&Element;R\left(s\right)}(1-e^{-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&lambda;}}_{r_{i}d}{P}_{r_{i}d}}(2^{2R}-1)})\end{array}\right)---\left(17\right)$

情况2 LT处于OFF状态但是参与时域频谱感知的认知用户错误的判断LT处于ON状态的情况，该情况出现的概率为P(H₀)P_f。因此根据空域频谱空穴对CS以及被选中的中继CREG进行功率控制，这种情况下CUs的传输不会对LU造成有伤害的干扰。CS与被选中的中继CREG发射功率分别为与

根据类似于情况1的分析，可以得到在情况2下的中断概率为：

$P_{\mathrm{out}2}=\underset{i=0}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\begin{array}{c}M\\ i\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\&Pi;}}_{i\&Element;R\left(s\right)}\left(e^{-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&lambda;}}_{{\mathrm{sr}}_i}{\tilde{P}}_{{\mathrm{sr}}_i}}(2^{2R}-1)}\right)\\ \&times;{\mathrm{\&Pi;}}_{i\&NotElement;R\left(s\right)}(1-e^{-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&lambda;}}_{{\mathrm{sr}}_i}{\tilde{P}}_{{\mathrm{sr}}_i}}(2^{2R}-1)})(1-e^{-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{sd}}{\tilde{P}}_{\mathrm{sd}}}(2^{2R}-1)})\\ \&times;{\mathrm{\&Pi;}}_{i\&Element;R\left(s\right)}(1-e^{-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&lambda;}}_{r_{i}d}{\tilde{P}}_{r_{i}d}}(2^{2R}-1)})\end{array}\right)---\left(18\right)$

情况3 LT处于ON状态且为参与时域频谱感知的认知用户成功的检测到的情况，该情况出现的概率为P(H₁)P_d。根据本发明所提出的合作中继传输机制，CS与被选中的CREG的发射功率将由MIFTP限制。此时认知用户的传输不会对LU造成有伤害的干扰。然而，授权用户信号可能将会干扰到认知用户。

情况3下的中断概率可以表示为：

$P_{\mathrm{out}3}=\underset{i=0}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\begin{array}{c}M\\ i\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\&Pi;}}_{i\&Element;R\left(s\right)}\left(\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{{\mathrm{sr}}_i}{\tilde{P}}_{{\mathrm{sr}}_i}{Q}_s{e}^{-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{sr}}{\tilde{P}}_{{\mathrm{sr}}_i}}(2^{2R}-1)}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{{\mathrm{sr}}_i}{\tilde{P}}_{{\mathrm{sr}}_i}+{\mathrm{\&lambda;}}_{{\mathrm{pr}}_i}{P}_{{\mathrm{pr}}_i}(2^{2R}-1)}\right)\\ \&times;{\mathrm{\&Pi;}}_{i\&NotElement;R\left(s\right)}(1-\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{{\mathrm{sr}}_i}{\tilde{P}}_{{\mathrm{sr}}_i}{e}^{-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&lambda;}}_{{\mathrm{sr}}_i}{\tilde{P}}_{{\mathrm{sr}}_i}}(2^{2R}-1)}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{{\mathrm{sr}}_i}{\tilde{P}}_{{\mathrm{sr}}_i}+{\mathrm{\&lambda;}}_{{\mathrm{pr}}_i}{P}_{{\mathrm{pr}}_i}(2^{2R}-1)})(1-\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{sd}}{\tilde{P}}_{\mathrm{sd}}{e}^{-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{sd}}{\tilde{P}}_{\mathrm{sd}}}(2^{2R}-1)}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{sd}}{\tilde{P}}_{\mathrm{sd}}+{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{pd}}{P}_{\mathrm{pd}}(2^{2R}-1)})\\ \&times;{\mathrm{\&Pi;}}_{i\&Element;R\left(s\right)}(1-\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{r_{i}d}{\tilde{P}}_{r_{i}d}{e}^{-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&lambda;}}_{r_{i}d}{\tilde{P}}_{r_i}d}(2^{2R}-1)}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{r_{i}d}{\tilde{P}}_{r_{i}d}+{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{pd}}{P}_{\mathrm{pd}}(2^{2R}-1)})\end{array}\right)---\left(19\right)$

情况4 LT处于ON状态，然而参与时域频谱感知的认知用户漏检了LT信号并误认为存在时域频谱空穴的情况，该情况出现的概率为P(H₁)(1-P_d)。根据认知合作传输机制，C与所选择的中继节点CREG使用最大的传输功率进行传输，即ε_s，ε_r。

与情况3的分析类似，可以得到情况4下的中断概率为：

$P_{\mathrm{out}4}=\underset{i=0}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\begin{array}{c}M\\ i\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\&Pi;}}_{i\&Element;R\left(s\right)}\left(\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{{\mathrm{sr}}_i}{P}_{{\mathrm{sr}}_i}{e}^{-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&lambda;}}_{{\mathrm{sr}}_i}{P}_{{\mathrm{sr}}_i}}(2^{2R}-1)}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{{\mathrm{sr}}_i}{P}_{{\mathrm{sr}}_i}+{\mathrm{\&lambda;}}_{{\mathrm{pr}}_i}{P}_{{\mathrm{pr}}_i}(2^{2R}-1)}\right)\\ \&times;{\mathrm{\&Pi;}}_{i\&NotElement;R\left(s\right)}(1-\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{{\mathrm{sr}}_i}{P}_{{\mathrm{sr}}_i}{e}^{-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&lambda;}}_{{\mathrm{sr}}_i}{P}_{{\mathrm{sr}}_i}}(2^{2R}-1)}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{{\mathrm{sr}}_i}{\tilde{P}}_{{\mathrm{sr}}_i}+{\mathrm{\&lambda;}}_{{\mathrm{pr}}_i}{P}_{{\mathrm{pr}}_i}(2^{2R}-1)})(1-\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{sd}}{P}_{\mathrm{sd}}{e}^{-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{sd}}{P}_{\mathrm{sd}}}(2^{2R}-1)}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{sd}}{P}_{\mathrm{sd\; s}}+{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{pd}}{P}_{\mathrm{pd}}(2^{2R}-1)})\\ \&times;{\mathrm{\&Pi;}}_{i\&Element;R\left(s\right)}(1-\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{r_{i}d}{P}_{r_{i}d}{e}^{-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&lambda;}}_{r_{i}d}{P}_{r_i}d}(2^{2R}-1)}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{r_{i}d}{P}_{r_{i}d}+{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{pd}}{P}_{\mathrm{pd}}(2^{2R}-1)})\end{array}\right)---\left(20\right)$

以上给出了主用户干扰限制条件下的联合空时频谱共享的合作中继传输机制。然后，利用仿真结果衡量所提出的联合空时频谱共享合作中继传输机制性能，并将其与时域频谱共享的合作中继传输机制以及空域频谱共享的合作中继传输机制的性能进行比较。仿真中的参数设置如下：

λ_sd＝λ_sp＝λ_ri,p＝λ_pd＝1，R＝1bit/s。p_d＝0.99，假设感知时间一定，τ＝10ms。为了简化分析，假设附图3-7给出的仿真均为链路级仿真。附图3-7评估与讨论中继节点数目、认知用户发射功率以及授权用户行为等参数对于联合空时频谱共享中合作中继传输机制下通信系统性能的影响，以期望找出在不同情况的最优通信系统性能的参数。

附图3给出了基于三种不同频谱共享机制(联合空-时频谱共享，时域频谱共享以及空域频谱共享)下，对于不同中继数目的基于SDF合作中继传输机制的中断概率。附图3-7中分别表示联合空-时频谱共享，时域频谱共享以及空域频谱共享传输机制的中断概率。对这三种频谱共享机制来说，随着中继数目的增加，传输的中断概率降低，这是由于随着中继数目的增加，可以正确解码的中继节点也相应增加了，提高了多用户分集的增益。当中继节点的数目增长到7时，时域频谱共享的传输机制中断概率不再下降，这是由于时域频谱共享的认知合作传输机制中断概率具有下限。随着中继数目增加，空域频谱共享的传输机制以及联合空-时频谱共享的传输机制中断概率降低并趋于0。

附图4给出对于任何一种频谱共享机制，认知非合作传输机制相比于非合作传输机制具有更低的中断概率，这是因为多用户分集增益提高传输性能。中断概率随着信噪比P的增大而减小。对于中断概率为0.2时，基于SDF的合作传输机制相比于非合作传输具有约7dB的增益。同时在合作与非合作的认知无线电通信系统中，与其它两种频谱共享机制相比较，联合空-时频谱共享的传输机制的传输性能更优。

附图5中可以看到，对于不同的LU空闲概率P_OFF，本发明所提出的联合空-时频谱共享的合作中继传输机制性能最优，其中断概率低于时域以及空域频谱共享传输机制的中断概率。本发明的联合空-时频谱共享的合作中继传输机制与空域频谱共享的传输机制的中断概率性能随着MIFTP的增加得到提高，而时域频谱共享的传输机制则不然。当P_OFF＝0时，时域频谱共享的传输机制无法获得传输机会，因此中断概率为1。当P_OFF＝1时，时域频谱共享的传输机制与联合空-时频谱共享的传输机制的传输中断概率趋于0。

Q(即MIFTP，表示认知用户的空域频谱空穴大小)随着中继节点相对于LT的距离增大而增大。由附图6可以得到，当检测概率一定时，随着Q的增大，相应的空域频谱共享与联合空-时频谱共享的合作传输机制的中断概率将会下降，而时域频谱共享的合作传输机制并不受到影响。随着Q增大，空域频谱共享合作传输机制的性能提高，并更快的向联合空-时频谱共享的合作传输机制性能靠拢。

由附图7可以得到，空域频谱共享的合作传输机制性能与检测概率P_d无关，然而时域频谱共享的合作传输机制性能则会受到检测概率P_d的严重影响。对于不同的P_d，联合空-时频谱共享的合作传输机制性能最佳，受P_d的影响并不明显。随着P_d的增加，联合空-时频谱共享以及时域频谱共享的合作传输机制中断概率下降。

本发明一定程度上有效解决了当前认知无线电网络通信中低效率，中断概率高、一级频谱利用率低的问题。运用本发明的方法可使得采用认知合作的传输机制相比于非合作的认知传输机制具有更好的性能。

时域频谱共享的合作传输机制的中断概率具有下限，当达到下限时，中断概率不再随着信噪比发射功率的增加而减小。空域以及联合空-时频谱共享的合作传输机制则不受此限制。联合空-时频谱共享的合作中继传输机制充分利用了认知用户的分集效应以及频谱空穴的时-空-频特性，相对于时域频谱共享的合作传输提高了传输性能，并对检测概率具有更强的稳定性。由于通过检测授权用户发射机的工作状态调整发射功率，联合空-时频谱共享的合作中继传输机制相对于空域频谱共享的合作传输机制具有更低的中断概率。

本发明可以指导认知无线电网络中联合空时频谱共享机制下合作中继传输策略，根据本发明进行合理地对认知用户合作中继节点数目设置，以及对传输发射功率进行合理的调节，可以在保障主用户不受有害干扰的情况下，最大化系统性能且提高频谱利用率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种认知无线电网络中的联合空时频谱共享的合作中继传输方法，其中，所述认知无线电网络包括认知用户源节点CS、认知用户目的节点CD、频谱感知节点以及认知用户中继组CREG，所述CREG为包含M个认知用户簇且其中每个认知用户均可以作为CS的中继节点，认知用户位于授权系统的发射机LT的覆盖范围外；所述方法实现CS到CD之间的传输，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

S101：频谱感知：所述CS通过与频谱感知节点合作进行联合空时频谱感知，获得授权系统中的主用户发射机LT状态以及当前可供使用的频谱空穴，假设在单个时隙中可用频谱空穴不变；

S102：广播：所述CS利用所获得的频谱空穴将信息向CD以及CREG广播；

S103：处理：所述CREG根据选择式解码转发SDF中继机制对接收到的CS源信息进行处理；

S104：转发：在可解码的中继节点集中选择到目的节点间瞬时信道增益最大的中继节点作为合作中继节点，所述合作中继节点将处理后的信息通过检测到的频谱空穴转发给CD；

步骤105：合并：所述CD将来自CREG以及CS的接收信息进行合并。

2.根据权利要求1所述的联合空时频谱共享的合作中继传输方法，其特征在于：在所述步骤101之后，步骤102之前还包括：认知用户通过频谱感知获得授权用户所使用授权频段的情况以及当前可供使用的频谱空穴；当认知用户所得到的结果为存在时域频谱空穴时，其发射功率受限于该认知用户本身功率门限，而当所感知的结果为存在空域频谱空穴时，其发射功率则受限于授权用户的干扰概率限制。

3.根据权利要求1所述的联合空时频谱共享的合作中继传输方法，其特征在于：所述步骤103中所述CREG对接收到的信号进行解码，同时为转发进行重编码。

4.根据权利要求1所述的联合空时频谱共享的合作中继传输方法，其特征在于：所述步骤104中的中继节点的接收信号SNR值大于一预设门限时，所述中继节点为可解码的中继节点。

5.根据权利要求1所述的联合空时频谱共享的合作中继传输方法，其特征在于：所述步骤105中采用最大比例合并方式在CD处将来自CREG以及CS的接收信息进行合并。