CN105307268A - 一种基于时间和带宽分配的双向协作抗干扰频谱接入方法 - Google Patents

Abstract

一种基于时间和带宽分配的双向协作抗干扰频谱接入方法。在该方法中，认知用户以双向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，授权用户就会分配一部分时间和带宽给认知用户允许其接入自己的频谱。否则授权用户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，在第三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和单向协作方式下半双工模式造成的频谱损失的问题，提升用户性能。

Description

一种基于时间和带宽分配的双向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

随着无线通信技术的发展，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。大量研究报告表明当前无线频谱的利用率只有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固定式的频谱管理方式和频谱分配策略。认知无线电技术可以通过感知周围的无线通信环境，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，能够有效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，认知用户在一定条件下接入授权频谱，与授权用户同时使用相同的频段。所以在这种频谱接入方法中，认识用户和授权用户之间始终存在干扰，使得原本就非常有限的频谱资源没有得到充分利用，授权用户和认知用户的性能也会由于干扰受到影响。而且这种频谱接入方法使用单向协作方式，由于其半双工的工作模式造成了频谱效率的损失。

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、克服频谱效率损失的不足，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、提升频谱效率的基于时间和带宽分配的双向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分配的双向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，主系统由两个授权用户A和B组成，工作在半双工模式，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，所述认知系统能够模拟主系统中的无线电协议和系统参数；所述协作抗干扰频谱接入方法包括以下过程：

1)授权用户A和B计算自己通过直传时的速率和如果授权用户A和B达不到自己的目标速率R_AT和R_BT，则允许认知用户以三个时隙解码转发协作方式接入自己的频谱。否则授权用户通过直传发送自己的信息；

2)认知用户接入授权用户的频谱后，授权用户A和B计算自己在第一个和第二个时隙直传链路上的速率R_AB和R_BA。认知用户根据R_AB和R_BA是否能够达到目标速率，通过以下四种不同方式接入授权用户的频谱；

2.1)当R_AB＜R_AT和R_BA＜R_BT时，计算授权用户A和B在认知用户的帮助下获得的速率R_A和R_B，如果R_A≥R_AT和R_B≥R_BT，则授权用户A和B就会允许认识用户在第三个时隙接入自己的频谱。否则，授权用户A和B通过直传发送自己的信息。认知用户接入授权用户A和B的频谱后，利用一部分的带宽转发授权用户A和B的信息，利用剩余的带宽发送自己的信息。

2.2)当R_AB≥R_AT，R_BA＜R_BT时，计算授权用户B在认知用户的帮助下获得的速率R_B，如果R_B≥R_BT,则授权用户B就会允许认识用户在第三个时隙接入自己的频谱。否则，授权用户A和B通过直传发送自己的信息。认知用户接入授权用户B的频谱后，利用一部分带宽帮助转发授权用户B的信息，利用剩余的带宽发送自己的信息。授权用户A在第一个时隙分配一部分时间给认知用户发送信息；

2.3)当R_AB＜R_AT，R_BA≥R_BT时，计算授权用户A在认知用户的帮助下获得的速率R_A，如果R_A≥R_AT，则授权用户A就会允许认识用户在第三个时隙接入自己的频谱。否则，授权用户A和B通过直传发送自己的信息。认知用户接入授权用户A的频谱后，利用一部分带宽帮助转发授权用户A的信息，利用剩余的带宽发送自己的信息。授权用户B在第二个时隙分配一部分时间给认知用户发送信息；

2.4)当R_AB≥R_AT，R_BA≥R_BT时，则授权用户A和B在第一个和第二个时隙分配一部分时间给认知用户发送信息。认知用户在剩余的第三个时隙利用全部的带宽发送自己的信息；

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

$\left\{\begin{array}{c}{R}_A\&GreaterEqual;R_{\mathrm{AT}}\\ R_B\&GreaterEqual;R_{\mathrm{BT}}\\ 0\&le;\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;}<1\\ 0\&le;\mathrm{\&alpha;}<1\\ 0\&le;\mathrm{\&beta;}<1\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中R_A,R_B,R_S分别表示认知用户接入授权用户的频谱后授权用户A和B,以及认知用户获得的速率，R_AT和R_BT分别表示授权用户A和B的目标速率，T＝{m,n}，B＝{α,β}，m和n分别表示授权用户A和B在第一个时隙和第二个时隙发送自己信息所占的时间，α和β分别表示认识用户在第三个时隙帮助授权用户A和B达到目标速率所用的带宽。根据R_AB和R_BA是否能够达到目标速率R_AT和R_BT，R_A，R_B和R_S有四种不同的形式。其中R_AB和R_BA分别表示授权用户A和B在第一个和第二个时隙直传链路上的速率：

$R_{\mathrm{AB}}=\frac{1}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(3\right)$

$R_{\mathrm{BA}}=\frac{1}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(4\right)$

P_A和P_B分别表示授权用户A和B的功率，γ_AB和γ_BA表示授权用户A和B互相之间的信道增益，σ²表示噪声方差。

①当R_AB＜R_AT，R_BA＜R_BT时，

R_A＝min{R_AS,R_SB}(5)

R_B＝min{R_BS,R_SA}(6)

$R_S=\frac{[1-(\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;})]W}{3}{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SD}}}{3{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(7\right)$

其中P_S表示认知用户的功率，γ_SD表示认知用户发送端到接收端的信道增益，R_AS，R_SA，R_BS和R_SB分别表示授权用户A和认知用户S，以及授权用户B和认知用户S互相之间的速率：

$R_{\mathrm{AS}}=\frac{1}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AS}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(8\right)$

$R_{\mathrm{SA}}=\frac{\mathrm{\&beta;}}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SA}}}{3{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})+\frac{1-\mathrm{\&beta;}}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(9\right)$

$R_{\mathrm{BS}}=\frac{1}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BS}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(10\right)$

$R_{\mathrm{SB}}=\frac{\mathrm{\&alpha;}}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SB}}}{3{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})+\frac{1-\mathrm{\&alpha;}}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(11\right)$

γ_AS，γ_SA，γ_BS，γ_SB分别表示授权用户A，B，授权用户A和认知用户S，以及授权用户B和认知用户S互相之间的信道增益。

②当R_AB≥R_AT，R_BA＜R_BT时，

$R_A=\mathrm{mW}{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(12\right)$

R_B＝min{R_BS,R_SA}(13)

$R_S=(\frac{2}{3}-m)(1-\mathrm{\&beta;})W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SD}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(14\right)$

其中

$R_{\mathrm{SA}}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&beta;}(\frac{2}{3}-m)W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SA}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})+[\frac{1}{3}-\mathrm{\&beta;}(\frac{2}{3}-m)]W{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})& \frac{1}{3}\&GreaterEqual;\mathrm{\&beta;}(\frac{2}{3}-m)\\ \frac{1}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SA}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})+[\mathrm{\&beta;}(\frac{2}{3}-m)-\frac{1}{3}]W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SA}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2})& \frac{1}{3}<\mathrm{\&beta;}(\frac{2}{3}-m)\end{array}\right.---\left(15\right)$

③当R_AB＜R_AT，R_BA≥R_BT时，

R_A＝min{R_AS,R_SB}(16)

$R_B=\mathrm{nW}{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(17\right)$

$R_S=(\frac{2}{3}-n)(1-\mathrm{\&alpha;})W{\log }_2(1+\frac{P_S{\text{\&gamma;}}_{\mathrm{SD}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(18\right)$

其中

$R_{\mathrm{SB}}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&alpha;}(\frac{2}{3}-n)W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SB}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})+[\frac{1}{3}-\mathrm{\&alpha;}(\frac{2}{3}-n)]W{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})& \frac{1}{3}\&GreaterEqual;\mathrm{\&alpha;}(\frac{2}{3}-n)\\ \frac{1}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SB}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})+[\mathrm{\&alpha;}(\frac{2}{3}-n)-\frac{1}{3}]W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SB}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2})& \frac{1}{3}<\mathrm{\&alpha;}(\frac{2}{3}-n)\end{array}\right.---\left(19\right)$

④当R_AB≥R_AT，R_BA≥R_BT时，

$R_A=mW{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{AB}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(20\right)$

$R_B=\mathrm{nW}{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(21\right)$

$R_S=(1-m-n)W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SD}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(22\right)$

通过数学优化方法获得上述四种情况的最优时间和带宽分配：

①当R_AB＜R_AT，R_BA＜R_BT时，

$m^{*}=n^{*}=\frac{1}{3}---\left(23\right)$

${\mathrm{\&alpha;}}^{*}=\frac{3R_{\mathrm{AT}}-W{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})}{W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SB}}}{3{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})-W{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})}---\left(24\right)$

${\mathrm{\&beta;}}^{*}=\frac{3R_{\mathrm{BT}}-W{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})}{W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SA}}}{3{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})-W{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})}---\left(25\right)$

②当R_AB≥R_AT，R_BA＜R_BT时，

$m^{*}=\frac{R_{\mathrm{AT}}}{W{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\text{\&sigma;}}^2})}---\left(26\right)$

$n^{*}=\frac{1}{3}---\left(27\right)$

α^*＝0(28)

${\mathrm{\&beta;}}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{3R_{\mathrm{BT}}-W{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})}{(2-3m^{*})\left[W{\log }_2(1+\frac{P_S{\text{\&gamma;}}_{\mathrm{SA}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})\right]-W{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})}& \frac{1}{3}\&GreaterEqual;\mathrm{\&beta;}(\frac{2}{3}-m^{*})\\ \frac{3R_{\mathrm{BT}}-[W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SA}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})-W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SA}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2})]}{(2-3m^{*})W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SA}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2})}& \frac{1}{3}<\mathrm{\&beta;}\left(\frac{2}{3}{-m}^{*}\right)\end{array}\right.---\left(29\right)$

③当R_BA≥R_BT，R_AB＜R_AT时，

$m^{*}=\frac{1}{3}---\left(30\right)$

$n^{*}=\frac{R_{\mathrm{BT}}}{W{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})}---\left(31\right)$

${\mathrm{\&alpha;}}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{3R_{\mathrm{AT}}-W{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})}{(2-3n^{*})\left[W{\log }_2(1+\frac{P_S{\text{\&gamma;}}_{\mathrm{SB}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})\right]-W{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})}& \frac{1}{3}\&GreaterEqual;\mathrm{\&alpha;}(\frac{2}{3}-n^{*})\\ \frac{3R_{\mathrm{AT}}-[W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SB}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})-W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SB}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2})]}{(2-3n^{*})W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SB}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2})}& \frac{1}{3}<\mathrm{\&alpha;}\left(\frac{2}{3}{-n}^{*}\right)\end{array}\right.---\left(32\right)$

β^*＝0(33)

④当R_AB≥R_AT，R_BA≥R_BT时，

$m^{*}=\frac{R_{\mathrm{AT}}}{W{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})}---\left(34\right)$

$n^{*}=\frac{R_{BT}}{W{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{BA}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})}---\left(35\right)$

α^*＝β^*＝0(36)。

进一步，所述步骤2)中，认知用户通过三个时隙解码转发协作方式接入授权用户的频谱；

在第1个时隙，授权用户A用全部W带宽发送信息给授权用户B和认知用户S，则A→B和A→S链路获得的速率可以分别表示为：

$R_{\mathrm{AB}}=\frac{1}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(3\right)$

$R_{\mathrm{AS}}=\frac{1}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AS}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(8\right)$

在第2个时隙，授权用户B用全部W带宽发送信息给授权用户A和认知用户S，则B→A和B→S链路的速率可以分别表示为

$R_{\mathrm{BA}}=\frac{1}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(4\right)$

$R_{\mathrm{BS}}=\frac{1}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BS}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(10\right)$

根据R_AB和R_BA是否能够达到目标速率R_AT和R_BT，R_A，R_B和R_S有四种不同的形式：

①当R_AB＜R_AT，R_BA＜R_BT时，表示授权用户A和B在第1个和第2个时隙达不到目标速率R_AT和R_BT，此时

在第3个时隙，占用1/3时隙，认知用户分别利用αW(0＜α＜1)和βW(0＜β＜1)带宽转发授权用户A和B的信息帮助授权用户达到目标速率，授权用户A和B经过3个时隙后获得的速率可以分别表示为

R_A＝min{R_AS,R_SB}(5)

R_B＝min{R_BS,R_SA}(6)

其中

$R_{\mathrm{SB}}=\frac{\mathrm{\&alpha;}}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SB}}}{3{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})+\frac{1-\mathrm{\&alpha;}}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(11\right)$

$R_{\mathrm{SA}}=\frac{\mathrm{\&beta;}}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SA}}}{3{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})+\frac{1-\mathrm{\&beta;}}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(9\right)$

认知用户在第3个时隙同时利用剩余的[1-(α+β)]W带宽发送自己的信息，则认知用户获得的速率可以表示为

$R_S=\frac{[1-(\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;})]W}{3}{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SD}}}{3{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(7\right)$

②当R_AB≥R_AT，R_BA＜R_BT时，表示授权用户A在第1个时隙获得的速率已经大于其目标速率R_AT，授权用户B在第2个时隙达不到目标速率，此时

授权用户A在第1个时隙使用的时隙就可以达到目标速率R_AT，即

$R_A=\mathrm{mW}{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(12\right)$

在第3个时隙，占用时隙(2/3-m)，认知用户利用βW带宽转发授权用户B的信息帮助其达到目标速率，授权用户B经过3个时隙后获得的速率可以表示为

R_B＝min{R_BS,R_SA}(13)

其中

$R_{\mathrm{SA}}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&beta;}(\frac{2}{3}-m)W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SA}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})+[\frac{1}{3}-\mathrm{\&beta;}(\frac{2}{3}-m)]W{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})& \frac{1}{3}\&GreaterEqual;\mathrm{\&beta;}(\frac{2}{3}-m)\\ \frac{1}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SA}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})+[\mathrm{\&beta;}(\frac{2}{3}-m)-\frac{1}{3}]W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SA}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2})& \frac{1}{3}<\mathrm{\&beta;}(\frac{2}{3}-m)\end{array}\right.---\left(15\right)$

认知用户在第3个时隙同时利用剩余的(1-β)W带宽发送自己的信息，认知用户获得的速率可以表示为

$R_S=(\frac{2}{3}-m)(1-\mathrm{\&beta;})W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SD}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(14\right)$

③当R_AB＜R_AT，R_BA≥R_BT时，表示授权用户A在第1个时隙达不到目标速率，授权用户B在第2个时隙获得的速率已经大于其目标速率R_BT，此时β＝0；

授权用户B在第2个时隙使用的时隙就可以达到目标速率R_BT，即

$R_B{=R}_{\mathrm{BA}}=\mathrm{nW}{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(17\right)$

在第3个时隙，占用时隙(2/3-n)，认知用户利用αW带宽转发授权用户A的信息帮助其达到目标速率，授权用户A经过3个时隙后获得的速率可以表示为

R_A＝min{R_AS,R_SB}(16)

其中

$R_{\mathrm{SB}}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&alpha;}(\frac{2}{3}-n)W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SB}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})+[\frac{1}{3}-\mathrm{\&alpha;}(\frac{2}{3}-n)]W{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})& \frac{1}{3}\&GreaterEqual;\mathrm{\&alpha;}(\frac{2}{3}-n)\\ \frac{1}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SB}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})+[\mathrm{\&alpha;}(\frac{2}{3}-n)-\frac{1}{3}]W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SB}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2})& \frac{1}{3}<\mathrm{\&alpha;}(\frac{2}{3}-n)\end{array}\right.---\left(19\right)$

认知用户在第3个时隙同时利用剩余的(1-α)W带宽发送自己的信息，则认知用户获得的速率可以表示为

$R_S=(\frac{2}{3}-n)(1-\mathrm{\&alpha;})W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{SD}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(18\right)$

④当R_AB≥R_AT，R_BA≥R_BT时，表示授权用户A和B在第1个和第2个时隙获得的速率已经大于其目标速率R_AT和R_BT，此时α＝β＝0；

授权用户A和B在第1个和第2个时隙分别使用m和n的时隙就可以达到目标速率R_AT和R_BT，即

$R_A=\mathrm{mW}{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(20\right)$

$R_B=\mathrm{nW}{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(21\right)$

认知用户在第3个时隙，占用时隙(1-m-n)，利用全部的带宽W发送自己的信息，则认知用户获得的速率表示为

$R_S=(1-m-n)W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SD}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(22\right).$

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。而且这种频谱接入方法使用单向协作方式，由于其半双工的工作模式造成了频谱效率的损失。本专利方法中认知用户通过双向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。同时，认知系统以双向协作方式接入授权用户的频谱，能够有效解决频谱效率损失的问题。

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)提升了频谱效率。

附图说明

图1是本发明方法的双向协作抗干扰频谱接入模型示意图，其中i,j∈{A,B,S,D}，i≠j，表示任意端点i到端点j的瑞利平坦衰落信道的信道系数，且h_ij＝h_ji，v为路径损耗指数，d_ij表示端点i到端点j的距离。

图2为当授权用户A和B的目标速率不相同，即R_AT＝1bps/Hz、R_BT＝1.5bps/Hz时，本文所提频谱接入方法的优化系数α、β、m和n随S位置的变化图

图3为当授权用户A和B的目标速率不相同，即R_AT＝1bps/Hz、R_BT＝1.5bps/Hz时，授权用户和认知用户获得的速率随S位置的变化图。

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分配的双向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，主系统由授权用户A和授权用户B组成。认知系统由认知用户发送端S和认知用户接收端D组成，认知系统通过寻找机会伺机接入主系统的频谱来传输自己的信息。假设主系统支持中继功能，有一段授权频谱W，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，认知用户以双向协作方式接入授权用户的频谱。授权用户A和B计算自己通过直传时的速率和如果授权用户A和B达不到自己的目标速率R_AT和R_BT，则允许认知用户以三个时隙解码转发协作方式接入自己的频谱。否则授权用户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，授权用户A和B计算自己在第一个和第二个时隙直传链路上的速率R_AB和R_BA。认知用户根据R_AB和R_BA是否能够达到目标速率，通过以下四种不同方式接入授权用户的频谱。

当R_AB＜R_AT，R_BA＜R_BT时，计算授权用户A和B在认知用户的帮助下获得的速率R_A和R_B，如果R_A≥R_AT和R_B≥R_BT，则授权用户A和B就会允许认识用户在第三个时隙接入自己的频谱。否则，授权用户A和B通过直传发送自己的信息。认知用户接入授权用户A和B的频谱后，利用一部分的带宽转发授权用户A和B的信息，利用剩余的带宽发送自己的信息。

当R_AB≥R_AT，R_BA＜R_BT时，计算授权用户B在认知用户的帮助下获得的速率R_B，如果R_B≥R_BT，则授权用户B就会允许认识用户在第三个时隙接入自己的频谱。否则，授权用户A和B通过直传发送自己的信息。认知用户接入授权用户B的频谱后，利用一部分带宽帮助转发授权用户B的信息，利用剩余的带宽发送自己的信息。授权用户A在第一个时隙分配一部分时间给认知用户发送信息。

当R_BA≥R_BT，R_AB＜R_AT时，计算授权用户A在认知用户的帮助下获得的速率R_A，如果R_A≥R_AT，则授权用户A就会允许认识用户在第三个时隙接入自己的频谱。否则，授权用户A和B通过直传发送自己的信息。认知用户接入授权用户A的频谱后，利用一部分带宽帮助转发授权用户A的信息，利用剩余的带宽发送自己的信息。授权用户B在第二个时隙分配一部分时间给认知用户发送信息。

当R_AB≥R_AT，R_BA≥R_BT时，则授权用户A和B在第一个和第二个时隙分配一部分时间给认知用户发送信息。认知用户在剩余的第三个时隙利用全部的带宽发送自己的信息。

本实施方式中，授权用户A和B通过直传时的速率和可以通过如下方法获得：

$R_A^D=\frac{1}{2}W{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(37\right)$

$R_B^D=\frac{1}{2}W{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(38\right)$

其中P_A和P_B分别表示授权用户A和B的发送功率。

本实施方式中，认知用户接入授权用户的频谱后，授权用户A和B获得的速率R_A和R_B，以及认知用户获得的速率R_S可以通过如下方法获得：

认知用户通过三个时隙解码转发协作方式接入授权用户的频谱。在第1个时隙，授权用户A用全部W带宽发送信息给授权用户B和认知用户S，则A→B和A→S链路获得的速率可以分别表示为：

$R_{\mathrm{AB}}=\frac{1}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(3\right)$

$R_{\mathrm{AS}}=\frac{1}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AS}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(8\right)$

在第2个时隙，授权用户B用全部W带宽发送信息给授权用户A和认知用户S，则B→A和B→S链路的速率可以分别表示为

$R_{\mathrm{BA}}=\frac{1}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(4\right)$

$R_{\mathrm{BS}}=\frac{1}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BS}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(10\right)$

根据R_AB和R_BA是否能够达到目标速率R_AT和R_BT，R_A，R_B和R_S有四种不同的形式。

①当R_AB＜R_AT，R_BA＜R_BT时，表示授权用户A和B在第1个和第2个时隙达不到目标速率R_AT和R_BT，此时

在第3个时隙，占用1/3时隙，认知用户分别利用αW(0＜α＜1)和βW(0＜β＜1)带宽转发授权用户A和B的信息帮助授权用户达到目标速率，授权用户A和B经过3个时隙后获得的速率可以分别表示为

R_A＝min{R_AS,R_SB}(5)

R_B＝min{R_BS,R_SA}(6)

其中

$R_{\mathrm{SB}}=\frac{\mathrm{\&alpha;}}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SB}}}{3{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})+\frac{1-\mathrm{\&alpha;}}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(11\right)$

$R_{\mathrm{SA}}=\frac{\mathrm{\&beta;}}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SA}}}{3{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})+\frac{1-\mathrm{\&beta;}}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(9\right)$

认知用户在第3个时隙同时利用剩余的[1-(α+β)]W带宽发送自己的信息，则认知用户获得的速率可以表示为

$R_S=\frac{[1-(\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;})]W}{3}{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SD}}}{3{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(7\right)$

②当R_AB≥R_AT，R_BA＜R_BT时，表示授权用户A在第1个时隙获得的速率已经大于其目标速率R_AT，授权用户B在第2个时隙达不到目标速率，此时α＝0。

授权用户A在第1个时隙使用的时隙就可以达到目标速率R_AT，即

$R_A=\mathrm{mW}{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(12\right)$

在第3个时隙，占用时隙(2/3-m)，认知用户利用βW带宽转发授权用户B的信息帮助其达到目标速率，授权用户B经过3个时隙后获得的速率可以表示为

R_B＝min{R_BS,R_SA}(13)

其中

$R_{\mathrm{SA}}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&beta;}(\frac{2}{3}-m)W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SA}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})+[\frac{1}{3}-\mathrm{\&beta;}(\frac{2}{3}-m)]W{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})& \frac{1}{3}\&GreaterEqual;\mathrm{\&beta;}(\frac{2}{3}-m)\\ \frac{1}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SA}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})+[\mathrm{\&beta;}(\frac{2}{3}-m)-\frac{1}{3}]W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SA}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2})& \frac{1}{3}<\mathrm{\&beta;}(\frac{2}{3}-m)\end{array}\right.---\left(15\right)$

认知用户在第3个时隙同时利用剩余的(1-β)W带宽发送自己的信息，认知用户获得的速率可以表示为

$R_S=(\frac{2}{3}-m)(1-\mathrm{\&beta;})W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SD}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(14\right)$

③当R_AB＜R_AT，R_BA≥R_BT时，表示授权用户A在第1个时隙达不到目标速率，授权用户B在第2个时隙获得的速率已经大于其目标速率R_BT，此时β＝0。

授权用户B在第2个时隙使用的时隙就可以达到目标速率R_BT，即

$R_B{=R}_{\mathrm{BA}}=\mathrm{nW}{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(17\right)$

在第3个时隙，占用时隙(2/3-n)，认知用户利用αW带宽转发授权用户A的信息帮助其达到目标速率，授权用户A经过3个时隙后获得的速率可以表示为

R_A＝min{R_AS,R_SB}(16)

其中

$R_{\mathrm{SB}}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&alpha;}(\frac{2}{3}-n)W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SB}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})+[\frac{1}{3}-\mathrm{\&alpha;}(\frac{2}{3}-n)]W{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})& \frac{1}{3}\&GreaterEqual;\mathrm{\&alpha;}(\frac{2}{3}-n)\\ \frac{1}{3}W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SB}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})+[\mathrm{\&alpha;}(\frac{2}{3}-n)-\frac{1}{3}]W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SB}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2})& \frac{1}{3}<\mathrm{\&alpha;}(\frac{2}{3}-n)\end{array}\right.---\left(19\right)$

认知用户在第3个时隙同时利用剩余的(1-α)W带宽发送自己的信息，则认知用户获得的速率可以表示为

$R_S=(\frac{2}{3}-n)(1-\mathrm{\&alpha;})W{\log }_2(1+\frac{P_S{\text{\&gamma;}}_{\mathrm{SD}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(18\right)$

④当R_AB≥R_AT，R_BA≥R_BT时，表示授权用户A和B在第1个和第2个时隙获得的速率已经大于其目标速率R_AT和R_BT，此时α＝β＝0。

授权用户A和B在第1个和第2个时隙分别使用m和n的时隙就可以达到目标速率R_AT和R_BT，即

$R_A=\mathrm{mW}{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(20\right)$

$R_B=\mathrm{nW}{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(21\right)$

认知用户在第3个时隙，占用时隙(1-m-n)，利用全部的带宽W发送自己的信息，则认知用户获得的速率可以表示为

$R_S=(1-m-n)W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SD}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(22\right)$

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

$\left\{\begin{array}{c}{R}_A\&GreaterEqual;R_{\mathrm{AT}}\\ R_B\&GreaterEqual;R_{\mathrm{BT}}\\ 0\&le;\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;}<1\\ 0\&le;\mathrm{\&alpha;}<1\\ 0\&le;\mathrm{\&beta;}<1\end{array}\right.---\left(2\right)$

通过数学优化方法获得上述四种情况的最优时间和带宽分配：

①当R_AB＜R_AT，R_BA＜R_BT时，

$m^{*}=n^{*}=\frac{1}{3}---\left(23\right)$

${\mathrm{\&alpha;}}^{*}=\frac{3R_{\mathrm{AT}}-W{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})}{W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SB}}}{3{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})-W{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})}---\left(24\right)$

${\mathrm{\&beta;}}^{*}=\frac{3R_{\mathrm{BT}}-W{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})}{W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SA}}}{3{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})-W{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})}---\left(25\right)$

②当R_AB≥R_AT，R_BA＜R_BT时，

$m^{*}=\frac{R_{\mathrm{AT}}}{W{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\text{\&sigma;}}^2})}---\left(26\right)$

$n^{*}=\frac{1}{3}---\left(27\right)$

α^*＝0(28)

${\mathrm{\&beta;}}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{3R_{\mathrm{BT}}-W{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})}{(2-3m^{*})\left[W{\log }_2(1+\frac{P_S{\text{\&gamma;}}_{\mathrm{SA}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})\right]-W{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})}& \frac{1}{3}\&GreaterEqual;\mathrm{\&beta;}(\frac{2}{3}-m^{*})\\ \frac{3R_{\mathrm{BT}}-[W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SA}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})-W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SA}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2})]}{(2-3m^{*})W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SA}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2})}& \frac{1}{3}<\mathrm{\&beta;}\left(\frac{2}{3}{-m}^{*}\right)\end{array}\right.---\left(29\right)$

③当R_BA≥R_BT，R_AB＜R_AT时，

$m^{*}=\frac{1}{3}---\left(30\right)$

$n^{*}=\frac{R_{\mathrm{BT}}}{W{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})}---\left(31\right)$

${\mathrm{\&alpha;}}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{3R_{\mathrm{AT}}-W{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})}{(2-3n^{*})\left[W{\log }_2(1+\frac{P_S{\text{\&gamma;}}_{\mathrm{SB}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})\right]-W{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})}& \frac{1}{3}\&GreaterEqual;\mathrm{\&alpha;}(\frac{2}{3}-n^{*})\\ \frac{3R_{\mathrm{AT}}-[W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SB}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})-W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SB}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2})]}{(2-3n^{*})W{\log }_2(1+\frac{P_S{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{SB}}}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2})}& \frac{1}{3}<\mathrm{\&alpha;}\left(\frac{2}{3}{-n}^{*}\right)\end{array}\right.---\left(32\right)$

β^*＝0(33)④当R_AB≥R_AT，R_BA≥R_BT时，

$m^{*}=\frac{R_{\mathrm{AT}}}{W{\log }_2(1+\frac{P_A{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{AB}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})}---\left(34\right)$

$n^{*}=\frac{R_{\mathrm{BT}}}{W{\log }_2(1+\frac{P_B{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{BA}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})}---\left(35\right)$

α^*＝β^*＝0(36)

本实施例的基于时间和带宽分配的双向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，能够有效提升系统的频谱利用率。

本实施的频谱接入方法中，认知用户接入授权用户的频谱后，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A，B和S位于同一条直线上，A和B分别位于(0，0)和(1，0)处。S在X正半轴由A向B移动，D位于S正上方0.6处。因此d_AB＝1，d_BS＝1-d_AS，d_SD＝0.6。假设路径损耗指数v＝4，授权带宽W＝1，噪声方差σ²＝1，授权用户发送功率和认知用户发送功率分别为P_A＝P_B＝10dB和P_S＝20dB。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，不仅授权用户能够达到目标速率，认知用户也能够获得很大的速率。

Claims (2)

1.一种基于时间和带宽分配的双向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，主系统由两个授权用户A和B组成，工作在半双工模式，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)授权用户A和B计算自己通过直传时的速率和如果授权用户A和B达不到自己的目标速率R_AT和R_BT，则允许认知用户以三个时隙解码转发协作方式接入自己的频谱，否则授权用户通过直传发送自己的信息；

2)认知用户接入授权用户的频谱后，授权用户A和B计算自己在第一个和第二个时隙直传链路上的速率R_AB和R_BA，认知用户根据R_AB和R_BA是否能够达到目标速率，通过以下四种不同方式接入授权用户的频谱；

2.1)当R_AB＜R_AT，R_BA＜R_BT时，计算授权用户A和B在认知用户的帮助下获得的速率R_A和R_B，如果R_AB≥R_AT和R_BA≥R_BT，则授权用户A和B就会允许认识用户在第三个时隙接入自己的频谱，否则，授权用户A和B通过直传发送自己的信息，认知用户接入授权用户A和B的频谱后，利用一部分的带宽转发授权用户A和B的信息，利用剩余的带宽发送自己的信息；

2.2)当R_AB≥R_AT，R_BA＜R_BT时，计算授权用户B在认知用户的帮助下获得的速率R_B，如果R_B≥R_BT，则授权用户B就会允许认识用户在第三个时隙接入自己的频谱，否则，授权用户A和B通过直传发送自己的信息，认知用户接入授权用户B的频谱后，利用一部分带宽帮助转发授权用户B的信息，利用剩余的带宽发送自己的信息，授权用户A在第一个时隙分配一部分时间给认知用户发送信息；

2.3)当R_BA≥R_BT，R_AB＜R_AT时，计算授权用户A在认知用户的帮助下获得的速率R_A，如果，则授权用户A就会允许认识用户在第三个时隙接入自己的频谱，否则，授权用户A和B通过直传发送自己的信息，认知用户接入授权用户A的频谱后，利用一部分带宽帮助转发授权用户A的信息，利用剩余的带宽发送自己的信息，授权用户B在第二个时隙分配一部分时间给认知用户发送信息；

2.4)当R_AB≥R_AT，R_BA≥R_BT时，则授权用户A和B在第一个和第二个时隙分配一部分时间给认知用户发送信息，认知用户在剩余的第三个时隙利用全部的带宽发送自己的信息；

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_A，R_B和R_S分别表示认知用户接入授权用户的频谱后授权用户A和B,以及认知用户获得的速率，R_AT与R_BT分别表示授权用户A和B的目标速率，T＝{m,n}，B＝{α,β}，m和n分别表示授权用户A和B在第一个时隙和第二个时隙发送自己信息所占的时间,α和β分别表示认识用户在第三个时隙帮助授权用户A和B达到目标速率所用的带宽，根据R_AB和R_BA是否能够达到目标速率R_AT与R_BT，R_A，R_B和R_S有四种不同的形式，其中R_AB和R_BA分别表示授权用户A和B在第一个和第二个时隙直传链路上的速率：

在第2个时隙，授权用户B广播信息x_B，则B→A和B→S链路的速率分别表示为

P_A和P_B分别表示授权用户A和B的功率，γ_AB和γ_BA表示授权用户A和B互相之间的信道增益，σ²表示噪声方差；

①当R_AB＜R_AT，R_BA＜R_BT时，

R_A＝min{R_AS,R_SB}(5)

R_B＝min{R_BS,R_SA}(6)

其中P_S表示认知用户的功率，γ_SD表示认知用户发送端到接收端的信道增益，R_AS，R_SA，R_BS和R_SB分别表示授权用户A和认知用户S，以及授权用户B和认知用户S互相之间的速率：

γ_AS，γ_SA，γ_BS，γ_SB分别表示授权用户A，B，授权用户A和认知用户S，以及授权用户B和认知用户S互相之间的信道增益；

②当R_AB≥R_AT，R_BA＜R_BT时，

R_B＝min{R_BS,R_SA}(13)

其中

③当R_BA≥R_BT，R_AB＜R_AT时，

R_A＝min{R_AS,R_SB}(16)

其中

④当R_AB≥R_AT，R_BA≥R_BT时，

通过数学优化方法获得上述四种情况的最优时间和带宽分配：

①当R_AB＜R_AT，R_BA＜R_BT时，

②当R_AB≥R_AT，R_BA＜R_BT时，

α^*＝0(28)

③当R_BA≥R_BT，R_AB＜R_AT时，

β^*＝0(33)

④当R_AB≥R_AT，R_BA≥R_BT时，

α^*＝β^*＝0(36)。

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，认知用户通过三个时隙解码转发协作方式接入授权用户的频谱；

在第1个时隙，授权用户A用全部W带宽发送信息给授权用户B和认知用户S，则A→B和A→S链路获得的速率可以分别表示为：

在第2个时隙，授权用户B用全部W带宽发送信息给授权用户A和认知用户S，则B→A和B→S链路的速率可以分别表示为

根据R_AB和R_BA是否能够达到目标速率R_AT和R_BT，R_A，R_B和R_S有四种不同的形式：

①当R_AB＜R_AT，R_BA＜R_BT时，表示授权用户A和B在第1个和第2个时隙达不到目标速率R_AT和R_BT，此时

在第3个时隙，占用1/3时隙，认知用户分别利用αW(0＜α＜1)和βW(0＜β＜1)带宽转发授权用户A和B的信息帮助授权用户达到目标速率，授权用户A和B经过3个时隙后获得的速率可以分别表示为

R_A＝min{R_AS,R_SB}(5)

R_B＝min{R_BS,R_SA}(6)其中

认知用户在第3个时隙同时利用剩余的[1-(α+β)]W带宽发送自己的信息，则认知用户获得的速率可以表示为

②当R_AB≥R_AT，R_BA＜R_BT时，表示授权用户A在第1个时隙获得的速率已经大于其目标速率R_AT，授权用户B在第2个时隙达不到目标速率，此时α＝0；

授权用户A在第1个时隙使用m的时隙就可以达到目标速率R_AT，即

在第3个时隙，占用时隙(2/3-m)，认知用户利用βW带宽转发授权用户B的信息帮助其达到目标速率，授权用户B经过3个时隙后获得的速率可以表示为

R_B＝min{R_BS,R_SA}(13)

其中

认知用户在第3个时隙同时利用剩余的(1-β)W带宽发送自己的信息，认知用户获得的速率可以表示为

③当R_AB＜R_AT，R_BA≥R_BT时，表示授权用户A在第1个时隙达不到目标速率，授权用户B在第2个时隙获得的速率已经大于其目标速率R_BT，此时β＝0；

授权用户B在第2个时隙使用n的时隙就可以达到目标速率R_BT，即

在第3个时隙，占用时隙(2/3-n)，认知用户利用αW带宽转发授权用户A的信息帮助其达到目标速率，授权用户A经过3个时隙后获得的速率可以表示为

R_A＝min{R_AS,R_SB}(16)

其中

认知用户在第3个时隙同时利用剩余的(1-α)W带宽发送自己的信息，则认知用户获得的速率可以表示为

④当R_AB≥R_AT，R_BA≥R_BT时，表示授权用户A和B在第1个和第2个时隙获得的速率已经大于其目标速率R_AT和R_BT，此时α＝β＝0；

授权用户A和B在第1个和第2个时隙分别使用m和n的时隙就可以达到目标速率R_AT和R_BT，即

认知用户在第3个时隙，占用时隙(1-m-n)，利用全部的带宽W发送自己的信息，则认知用户获得的速率表示为