CN105392143A - 一种基于功率分配的授权用户和认知用户QoS保障的频谱接入方法 - Google Patents

Abstract

一种基于功率分配的授权用户和认知用户QoS保障的频谱接入方法，在该方法中，认知用户通过解码转发协作方式接入授权用户的频谱；如果授权用户和认知用户都能够达到自己的目标速率，认知用户就会接入授权用户的频谱；认知用户接入授权用户的频谱后，利用一部分功率转发授权用户的信息帮助其达到目标速率，然后利用剩余的功率发送自己的信息达到目标速率。本发明能够同时保障授权用户和认知用户达到自己的QoS。

Description

一种基于功率分配的授权用户和认知用户QoS保障的频谱接入方法

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

随着无线技术的快速发展，越来越多的终端通过无线方式接入到网络当中，有限的频谱资源被不断地授权给各种通信系统使用，导致频谱资源日益紧张。然而美国联邦通信委员会(FCC)调查显示当前无线频谱资源利用率极其低下，而且频谱使用情况非常不平衡，其中3G以上频率几乎没有被使用；3G以下频段平均频谱利用率只有6％。可见某些授权频段经常处于空闲状态，而一些非授权频段的使用竞争非常激烈。为保证无线通信技术的长期稳定可持续发展，频谱资源少、频谱管理难度大等都是当前必须克服的问题。认知无线电技术作为一种智能无线电技术，能不断感知周围通信环境(如地理环境、电磁环境)，通过一定的学习和决策算法，动态地改变系统工作机理(如通信频率，通信时间等)来适应通信环境的变化，在不影响授权用户正常通信的前提下，与授权用户共享频谱资源，从而大大地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条件下与授权用户使用同一频段进行通信。协作分集技术，利用不同用户的天线形成虚拟天线阵列，中继用户在接收到源节点发送的信息后经过一系列的处理再将信息转发至目的节点，在改善通信质量的同时提高了频谱资源的利用率。然而在现有基于协作的频谱接入方法中，只有授权用户或认知用户的一方QoS(服务质量)能够得到保障，另外一方用户的QoS得不到保障。

发明内容

针对现有共存式频谱接入方法中的缺陷，解决其中一方用户QoS得不到保障的问题，本发明提供一种能够同时保障授权用户和认知用户QoS的基于功率分配的授权用户和认知用户QoS保障的频谱接入方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于功率分配的授权用户和认知用户QoS保障的频谱接入方法，无线电通信系统包括一个主系统和一个认知系统，其中，主系统包括一个授权用户发送端和一个授权用户接收端，认知系统包括一个认知用户发送端和一个认知用户接收端，该认知系统能够模拟主系统的无线电协议和系统参数；所述主系统支持中继功能，拥有一段授权频谱；所述基于功率分配的授权用户和认知用户QoS保障的频谱接入方法包括以下步骤：

1)认知用户以解码转发协作方式接入授权用户的频谱，认知用户接收到授权用户发送的信息后，利用一部分功率转发授权用户的信息；

2)计算在认知用户协作帮助下授权用户可以获得的传输速率R_p；

3)如果R_p≥R_PT，则授权用户就会允许认知用户接入自己的频谱，认知用户就可以利用剩余的功率发送自己的信息；

4)计算认知用户接入主系统频谱后可以获得的传输速率R_s；

5)如果R_s≥R_ST，则认知用户就会愿意接入主系统的频谱，否则认知用户就不会接入主系统的频谱，授权用户继续通过直传发送自己的信息；

认知用户的功率分配问题建模为：

$\underset{\mathrm{\α}}{max}(R_p+R_s)---\left(1\right)$

满足以下条件

$\left\{\begin{array}{c}{R}_p\&GreaterEqual;R_{PT}\\ R_s\&GreaterEqual;R_{ST}\\ 0<\mathrm{\&alpha;}<1\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，α表示认识用户分配给帮助转发授权用户信息的功率比例，R_PT和R_ST分别表示授权用户和认知用户的目标速率，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可以达到的速率：

R_p＝min{R₁₂,R₂₁}(3)

$R_s=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2}{\log }_2\left(1+\frac{(1-\mathrm{\&alpha;})P_s{r}_5}{{\mathrm{\&alpha;P}}_s{r}_5+{\mathrm{\&sigma;}}^2}\right)& R_{13}<R_{PT}\\ \frac{1}{2}{\log }_2\left(1+\frac{(1-\mathrm{\&alpha;})P_s{r}_5}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}\right)& R_{13}\&GreaterEqual;R_{PT}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，表示第一时隙授权用户发送端到认知用户接收端的传输数率，P_p和P_s分别表示授权用户和认知用户的发射功率，γ₃表示授权用户发送端到认知用户接收端链路的信道增益，γ₅表示认知用户发送端到认知用户接收端链路的信道增益，σ²表示噪声功率谱密度，R₁₂和R₂₁分别表示授权用户在第一个和第二个时隙在认知用户发送端和授权用户接收端获得的速率：

$R_{12}=\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{P_p{r}_2}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(5\right)$

$R_{21}=\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{{\mathrm{\&alpha;P}}_s{r}_4}{(1-\mathrm{\&alpha;})P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_s{r}_1}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(6\right)$

其中，γ₂表示授权用户发射端到认知用户发送端和的信道增益，γ₁表示授权用户发射端到授权用户接收端和的信道增益，γ₄表示认知用户发送端到授权用户接收端链路的信道增益。

根据授权用户和认知用户速率的不同取值，得到4中不同的最优功率分配：

①当认知用户接收端能够正确解码授权用户信息，并且时：

${\mathrm{\&alpha;}}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{R_{10}(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2)}{P_s{r}_4(1+R_{10})}& A\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\right)\&le;0\&cup;\left(A\right({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1)>0,L({\mathrm{\&alpha;}}_{\min })\&GreaterEqual;L({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\left)\right)\\ 1-\frac{R_{20}{\mathrm{\&sigma;}}^2}{P_s{r}_5}& A\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\right)>0\&cap;\left(L\right({\mathrm{\&alpha;}}_{\min })<L({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\left)\right)\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中 $\begin{array}{ccc}{\mathrm{\&alpha;}}_0=\frac{P_p(r_2-r_1)(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2)}{P_s{r}_4\&lsqb;P_p(r_2-r_1)+{\mathrm{\&sigma;}}^2\&rsqb;},& {\mathrm{\&alpha;}}_{\min }=\frac{R_{10}(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2)}{P_s{r}_4(1+R_{10})},& {\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1=1-\frac{R_{20}{\mathrm{\&sigma;}}^2}{P_s{r}_5},\end{array}$ A(α)＝P_s(P_sr₄+σ²)(r₄-r₅)-P_pP_sr₁r₅[(1-α)P_sr₄+σ²]²， $\begin{array}{cc}{R}_{20}=2^{2R_{ST}}-1,& L\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\frac{1}{2}{\log }_2\&lsqb;\left(\frac{P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2}{(1-\mathrm{\&alpha;})P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2}\right)(1+\frac{(1-\mathrm{\&alpha;})P_s{r}_5}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})\&rsqb;;\end{array}$

②当认知用户接收端能够正确解码授权用户信息，并且时：

${\mathrm{\&alpha;}}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{R_{10}(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2)}{P_s{r}_4(1+R_{10})}& \mathrm{\&alpha;}\&Element;\&lsqb;{\mathrm{\&alpha;}}_{\min },{\mathrm{\&alpha;}}_0\&rsqb;\&cap;\left(A\right({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1)\&le;0\&cup;(A\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\right)>0,L\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\min }\right)\&GreaterEqual;L\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\right)\left)\right)\\ \frac{P_p(r_2-r_1)(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2)}{P_s{r}_4\&lsqb;P_p(r_2-r_1)+{\mathrm{\&sigma;}}^2\&rsqb;}& \mathrm{\&alpha;}\&Element;\&lsqb;{\mathrm{\&alpha;}}_0,{\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\&rsqb;\&cup;(\mathrm{\&alpha;}\&Element;\&lsqb;{\mathrm{\&alpha;}}_{\min },{\mathrm{\&alpha;}}_0\&rsqb;\&cap;(A\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\right)\&le;0\&cup;\left(A\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\right)>0,L\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\min }\right)<L\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\right)\right)\left)\right)\end{array}\right.---\left(8\right);$

③当认知用户接收端不能正确解码授权用户信息，并且时：

${\mathrm{\&alpha;}}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{R_{10}(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2)}{P_s{r}_4(1+R_{10})}& B\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\right)\&le;0\&cup;\left(B\right({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2)>0,K({\mathrm{\&alpha;}}_{\min })\&GreaterEqual;K({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\left)\right)\\ 1-\frac{R_{20}{\mathrm{\&sigma;}}^2}{P_s{r}_5}& B\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\right)>0\&cap;\left(K\right({\mathrm{\&alpha;}}_{\min })<K({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\left)\right)\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中 $\begin{array}{cc}{\mathrm{\&alpha;}}_{max}^2=\frac{P_s{r}_5-R_{20}{\mathrm{\&sigma;}}^2}{P_s{r}_5(1+R_{20})},& K\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\frac{1}{2}{\log }_2\left(\frac{P_s{r}_5+{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&alpha;P}}_s{r}_5+{\mathrm{\&sigma;}}^2}\right(\frac{P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2}{(1-\mathrm{\&alpha;})P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_p{r}_5}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}\left)\right),\end{array}$ $B\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=-P_s^2{r}_4{r}_5(\frac{{\mathrm{\&alpha;}}^2{P}_s{r}_4{P}_p{r}_1}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}-2\mathrm{\&alpha;}(1+\frac{P_p{r}_1}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}\left)\right(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2\left)\right)+P_s{r}_4(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2){\mathrm{\&sigma;}}^2-P_s{r}_5(1+\frac{P_p{r}_1}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}){(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2)}^2$

④当认知用户接收端不能正确解码授权用户信息，并且时：

${\mathrm{\&alpha;}}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{R_{10}(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2)}{P_s{r}_4(1+R_{10})}& \mathrm{\&alpha;}\&Element;\&lsqb;{\mathrm{\&alpha;}}_{\min },{\mathrm{\&alpha;}}_0\&rsqb;\&cap;\left(B\right({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2)\&le;0\&cup;(B\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\right)>0,K\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\min }\right)\&GreaterEqual;K\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\right)\left)\right)\\ \frac{P_p(r_2-r_1)(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2)}{P_s{r}_4\&lsqb;P_p(r_2-r_1)+{\mathrm{\&sigma;}}^2\&rsqb;}& \mathrm{\&alpha;}\&Element;\&lsqb;{\mathrm{\&alpha;}}_0,{\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\&rsqb;\&cup;(\mathrm{\&alpha;}\&Element;\&lsqb;{\mathrm{\&alpha;}}_{\min },{\mathrm{\&alpha;}}_0\&rsqb;\&cap;(B\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\right)\&le;0\&cup;\left(B\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\right)>0,K\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\min }\right)<K\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\right)\right)\left)\right)\end{array}\right.---\left(10\right).$

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，授权用户发送端利用全部带宽广播自己的信息，所以授权用户发送端到认知用户发送端链路的速率为：

$R_{12}=\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{P_p{r}_2}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(5\right)$

在第二个时隙，认知用户发送端利用αP_s的功率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：

$R_{21}=\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{{\mathrm{\&alpha;P}}_s{r}_4}{(1-\mathrm{\&alpha;})P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_s{r}_1}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(6\right)$

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{R₁₂,R₂₁}(3)

同时，认知用户利用剩余的(1-α)P_s功率来发送自己的信息，所以认知用户获得的速率为：

$R_s=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2}{\log }_2\left(1+\frac{(1-\mathrm{\&alpha;})P_s{r}_5}{{\mathrm{\&alpha;P}}_s{r}_5+{\mathrm{\&sigma;}}^2}\right)& R_{13}<R_{PT}\\ \frac{1}{2}{\log }_2\left(1+\frac{(1-\mathrm{\&alpha;})P_s{r}_5}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}\right)& R_{13}\&GreaterEqual;R_{PT}\end{array}\right.---\left(4\right).$

本发明的技术构思为：由于现有基于协作的频谱接入方法中，只有授权用户或认知用户的一方QoS能够得到保障，另外一方用户的QoS得不到保障。本专利方法中认知用户接入授权用户的频谱后利用一部分功率转发授权用户的信息帮助其达到目标速率，然后利用剩余的功率发送自己的信息达到目标速率，使得授权用户和认知用户的QoS同时能够得到保障。

本发明的有益效果主要表现在：能够同时保障授权用户和认知用户的QoS。

附图说明

图1是本发明方法的频谱接入模型示意图，其中，h₁为授权用户发送端到授权用户接收端的信道增益，h₂为授权用户发送端到认知用户发送端的信道增益，h₃为授权用户发送端到认知用户接收端的信道增益，h₄为认知用户发送端到授权用户接收端的信道增益，h₅为认知用户发送端到认知用户接收端的信道增益；

图2是本发明方法的最优功率分配α^*随着d₂的变化图，其中d₂表示授权用户发送端到认知用户发送端的距离；

图3为授权用户和认知用户的速率以及授权用户速率与认知用户速率之和随着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3，一种基于功率分配的授权用户和认知用户QoS保障的频谱接入方法。无线电通信系统包括一个主系统和一个认知系统，其中，主系统包括一个授权用户发送端和一个授权用户接收端，认知系统包括一个认知用户发送端和一个认知用户接收端，该认知系统能够模拟主系统的无线电协议和系统参数；所述主系统支持中继功能，拥有一段授权频谱；

本实施方式的方法中，认知用户以解码转发协作方式接入授权用户的频谱，认知用户接收到授权用户发送的信息后，利用一部分功率转发授权用户的信息。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_PT，即R_p≥R_PT，则授权用户就会允许认知用户接入自己的频谱，认知用户就可以利用剩余的功率发送自己的信息；如果认知用户的速率R_s大于等于自己的目标速率R_ST，即R_s≥R_ST，则认知用户就会愿意接入主系统的频谱，否则认知用户就不会接入主系统的频谱，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频谱。在第一个时隙，授权用户发送端利用全部带宽广播自己的信息，所以授权用户发送端到认知用户发送端链路的速率为：

$R_{12}=\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{P_p{r}_2}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(5\right)$

其中P_p表示授权用户的发射功率，γ₂表示授权用户发射端到认知用户发送端和的信道增益，σ²表示噪声功率谱密度。

在第二个时隙，认知用户发送端利用αP_s的功率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：

$R_{21}=\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{{\mathrm{\&alpha;P}}_s{r}_4}{(1-\mathrm{\&alpha;})P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_s{r}_1}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(6\right)$

其中P_s表示认知用户的发射功率，γ₁表示授权用户发射端到授权用户接收端和的信道增益，γ₄表示认知用户发送端到授权用户接收端链路的信道增益。

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为：

R_p＝min{R₁₂,R₂₁}(3)

同时，认知用户利用剩余的(1-α)P_s功率来发送自己的信息，所以认知用户获得的速率为：

$R_s=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2}{\log }_2\left(1+\frac{(1-\mathrm{\&alpha;})P_s{r}_5}{{\mathrm{\&alpha;P}}_s{r}_5+{\mathrm{\&sigma;}}^2}\right)& R_{13}<R_{PT}\\ \frac{1}{2}{\log }_2\left(1+\frac{(1-\mathrm{\&alpha;})P_s{r}_5}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}\right)& R_{13}\&GreaterEqual;R_{PT}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中表示第一时隙授权用户发送端到认知用户接收端的传输数率，γ₃表示授权用户发送端到认知用户接收端链路的信道增益，γ₅表示认知用户发送端到认知用户接收端链路的信道增益。

本实施方式中的功率分配方法具体为：

认知用户的功率分配问题建模为：

$\underset{\mathrm{\&alpha;}}{max}(R_p+R_s)---\left(1\right)$

满足以下条件

$\left\{\begin{array}{c}{R}_p\&GreaterEqual;R_{PT}\\ R_s\&GreaterEqual;R_{ST}\\ 0<\mathrm{\&alpha;}<1\end{array}\right.---\left(2\right)$

根据授权用户和认知用户速率的不同取值，得到4中不同的最优功率分配：

①当认知用户接收端能够正确解码授权用户信息，并且时：

${\mathrm{\&alpha;}}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{R_{10}(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2)}{P_s{r}_4(1+R_{10})}& A\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\right)\&le;0\&cup;\left(A\right({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1)>0,L({\mathrm{\&alpha;}}_{\min })\&GreaterEqual;L({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\left)\right)\\ 1-\frac{R_{20}{\mathrm{\&sigma;}}^2}{P_s{r}_5}& A\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\right)>0\&cap;\left(L\right({\mathrm{\&alpha;}}_{\min })<L({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\left)\right)\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中 $\begin{array}{ccc}{\mathrm{\&alpha;}}_0=\frac{P_p(r_2-r_1)(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2)}{P_s{r}_4\&lsqb;P_p(r_2-r_1)+{\mathrm{\&sigma;}}^2\&rsqb;},& {\mathrm{\&alpha;}}_{\min }=\frac{R_{10}(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2)}{P_s{r}_4(1+R_{10})},& {\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1=1-\frac{R_{20}{\mathrm{\&sigma;}}^2}{P_s{r}_5},\end{array}$ A(α)＝P_s(P_sr₄+σ²)(r₄-r₅)-P_pP_sr₁r₅[(1-α)P_sr₄+σ²]²， $\begin{array}{cc}{R}_{20}=2^{2R_{ST}}-1,& L\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\frac{1}{2}{\log }_2\&lsqb;\left(\frac{P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2}{(1-\mathrm{\&alpha;})P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2}\right)(1+\frac{(1-\mathrm{\&alpha;})P_s{r}_5}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})\&rsqb;;\end{array}$

②当认知用户接收端能够正确解码授权用户信息，并且时：

${\mathrm{\&alpha;}}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{R_{10}(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2)}{P_s{r}_4(1+R_{10})}& \mathrm{\&alpha;}\&Element;\&lsqb;{\mathrm{\&alpha;}}_{\min },{\mathrm{\&alpha;}}_0\&rsqb;\&cap;\left(A\right({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1)\&le;0\&cup;(A\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\right)>0,L\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\min }\right)\&GreaterEqual;L\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\right)\left)\right)\\ \frac{P_p(r_2-r_1)(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2)}{P_s{r}_4\&lsqb;P_p(r_2-r_1)+{\mathrm{\&sigma;}}^2\&rsqb;}& \mathrm{\&alpha;}\&Element;\&lsqb;{\mathrm{\&alpha;}}_0,{\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\&rsqb;\&cup;(\mathrm{\&alpha;}\&Element;\&lsqb;{\mathrm{\&alpha;}}_{\min },{\mathrm{\&alpha;}}_0\&rsqb;\&cap;(A\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\right)\&le;0\&cup;\left(A\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\right)>0,L\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\min }\right)<L\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\right)\right)\left)\right)\end{array}\right.---\left(8\right)$

③当认知用户接收端不能正确解码授权用户信息，并且时：

${\mathrm{\&alpha;}}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{R_{10}(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2)}{P_s{r}_4(1+R_{10})}& B\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\right)\&le;0\&cup;\left(B\right({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2)>0,K({\mathrm{\&alpha;}}_{\min })\&GreaterEqual;K({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\left)\right)\\ 1-\frac{R_{20}{\mathrm{\&sigma;}}^2}{P_s{r}_5}& B\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\right)>0\&cap;\left(K\right({\mathrm{\&alpha;}}_{\min })<K({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\left)\right)\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中 $\begin{array}{cc}{\mathrm{\&alpha;}}_{max}^2=\frac{P_s{r}_5-R_{20}{\mathrm{\&sigma;}}^2}{P_s{r}_5(1+R_{20})},& K\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\frac{1}{2}{\log }_2\left(\frac{P_s{r}_5+{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&alpha;P}}_s{r}_5+{\mathrm{\&sigma;}}^2}\right(\frac{P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2}{(1-\mathrm{\&alpha;})P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_p{r}_5}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}\left)\right),\end{array}$ $B\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=-P_s^2{r}_4{r}_5(\frac{{\mathrm{\&alpha;}}^2{P}_s{r}_4{P}_p{r}_1}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}-2\mathrm{\&alpha;}(1+\frac{P_p{r}_1}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}\left)\right(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2\left)\right)+P_s{r}_4(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2){\mathrm{\&sigma;}}^2-P_s{r}_5(1+\frac{P_p{r}_1}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}){(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2)}^2$

④当认知用户接收端不能正确解码授权用户信息，并且时：

${\mathrm{\&alpha;}}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{R_{10}(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2)}{P_s{r}_4(1+R_{10})}& \mathrm{\&alpha;}\&Element;\&lsqb;{\mathrm{\&alpha;}}_{\min },{\mathrm{\&alpha;}}_0\&rsqb;\&cap;\left(B\right({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2)\&le;0\&cup;(B\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\right)>0,K\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\min }\right)\&GreaterEqual;K\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\right)\left)\right)\\ \frac{P_p(r_2-r_1)(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2)}{P_s{r}_4\&lsqb;P_p(r_2-r_1)+{\mathrm{\&sigma;}}^2\&rsqb;}& \mathrm{\&alpha;}\&Element;\&lsqb;{\mathrm{\&alpha;}}_0,{\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\&rsqb;\&cup;(\mathrm{\&alpha;}\&Element;\&lsqb;{\mathrm{\&alpha;}}_{\min },{\mathrm{\&alpha;}}_0\&rsqb;\&cap;(B\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\right)\&le;0\&cup;\left(B\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\right)>0,K\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\min }\right)<K\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\right)\right)\left)\right)\end{array}\right.---\left(10\right).$

本实施例的基于功率分配的授权用户和认知用户QoS保障的频谱接入方法，能够有效保障授权用户和认知用户的QoS。

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，利用一部分功率αP_s帮助转发授权用户的信息，利用剩余的(1-α)P_s功率发送自己的信息。在本实施方式中，假设PT，PR位于X轴上，且坐标分别为(0,0)和(1,0)。ST在X正半轴上移动，且坐标为(d₂,0)，SR坐标为(d₂，0.5)。所以d₁＝1，d₄＝1-d₂,d₅＝0.5,授权用户的目标速率R_PT＝2bps/Hz，认知用户的目标速率R_ST＝0.5bps/Hz，路径衰耗指数v＝3。授权用户和认知用户发送功率分别P_p＝P_s＝10dB，σ²＝1，系统带宽为W＝1。图2中显示了本发明中频谱接入方法的最优功率分配。

本实施例的频谱接入方法能够同时保障授权用户和认知用户的QoS。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速率以及两者速率之和，可以看出采用本发明的频谱接入方法后，授权用户和认知用户都能够达到自己的目标速率。

Claims (2)

1.一种基于功率分配的授权用户和认知用户QoS保障的频谱接入方法，无线电通信系统包括一个主系统和一个认知系统，其中，主系统包括一个授权用户发送端和一个授权用户接收端，认知系统包括一个认知用户发送端和一个认知用户接收端，该认知系统能够模拟主系统的无线电协议和系统参数；所述主系统支持中继功能，拥有一段授权频谱；其特征在于：所述基于功率分配的授权用户和认知用户QoS保障的频谱接入方法包括以下步骤：

1)认知用户以解码转发协作方式接入授权用户的频谱，认知用户接收到授权用户发送的信息后，利用一部分功率转发授权用户的信息；

2)计算在认知用户协作帮助下授权用户可以获得的传输速率R_p；

3)如果R_p≥R_PT，则授权用户就会允许认知用户接入自己的频谱，认知用户就可以利用剩余的功率发送自己的信息；

4)计算认知用户接入主系统频谱后可以获得的传输速率R_s；

5)如果R_s≥R_ST，则认知用户就会愿意接入主系统的频谱，否则认知用户就不会接入主系统的频谱，授权用户继续通过直传发送自己的信息；

认知用户的功率分配问题建模为：

$\underset{\mathrm{\&alpha;}}{max}(R_p+R_s)---\left(1\right)$

满足以下条件

$\left\{\begin{array}{c}{R}_p\&GreaterEqual;R_{PT}\\ R_s\&GreaterEqual;R_{ST}\\ 0<\mathrm{\&alpha;}<1\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，α表示认识用户分配给帮助转发授权用户信息的功率比例，R_PT和R_ST分别表示授权用户和认知用户的目标速率，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可以达到的速率：

R_p＝min{R₁₂,R₂₁}(3)

$R_s=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2}{\log }_2\left(1+\frac{(1-\mathrm{\&alpha;})P_s{r}_5}{{\mathrm{\&alpha;P}}_s{r}_5+{\mathrm{\&sigma;}}^2}\right)& R_{13}<R_{PT}\\ \frac{1}{2}{\log }_2\left(1+\frac{(1-\mathrm{\&alpha;})P_s{r}_5}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}\right)& R_{13}\&GreaterEqual;R_{PT}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，表示第一时隙授权用户发送端到认知用户接收端的传输数率，P_p和P_s分别表示授权用户和认知用户的发射功率，γ₃表示授权用户发送端到认知用户接收端链路的信道增益，γ₅表示认知用户发送端到认知用户接收端链路的信道增益，σ²表示噪声功率谱密度，R₁₂和R₂₁分别表示授权用户在第一个和第二个时隙在认知用户发送端和授权用户接收端获得的速率：

$R_{12}=\frac{1}{2}{\log }_2\left(1+\frac{P_p{r}_2}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}\right)---\left(5\right)$

$R_{21}=\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{{\mathrm{\&alpha;P}}_s{r}_4}{(1-\mathrm{\&alpha;})P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_s{r}_1}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(6\right)$

其中，γ₂表示授权用户发射端到认知用户发送端和的信道增益，γ₁表示授权用户发射端到授权用户接收端和的信道增益，γ₄表示认知用户发送端到授权用户接收端链路的信道增益。

根据授权用户和认知用户速率的不同取值，得到4中不同的最优功率分配：

①当认知用户接收端能够正确解码授权用户信息，并且时：

${\mathrm{\&alpha;}}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{R_{10}\left(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2\right)}{P_s{r}_4\left(1+R_{10}\right)}& A\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\right)\&le;0\&cup;\left(A\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\right)>0,L\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\min }\right)\&GreaterEqual;L\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\right)\right)\\ 1-\frac{R_{20}{\mathrm{\&sigma;}}^2}{P_s{r}_5}& A\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\right)>0\&cap;\left(L\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\min }\right)<L\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\right)\right)\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中 ${\mathrm{\&alpha;}}_0=\frac{P_p(r_2-r_1)(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2)}{P_s{r}_4\&lsqb;P_p(r_2-r_1)+{\mathrm{\&sigma;}}^2\&rsqb;},{\mathrm{\&alpha;}}_{\min }=\frac{R_{10}(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2)}{P_s{r}_4(1+R_{10})},{\mathrm{\&alpha;}}_{max}^1=1-\frac{R_{20}{\mathrm{\&sigma;}}^2}{P_s{r}_5},$ A(α)＝P_s(P_sr₄+σ²)(r₄-r₅)-P_pP_sr₁r₅[(1-α)P_sr₄+σ²]²， $R_{20}=2^{2R_{ST}}-1,L\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\frac{1}{2}{\log }_2\&lsqb;\left(\frac{P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2}{(1-\mathrm{\&alpha;})P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2}\right)(1+\frac{(1-\mathrm{\&alpha;})P_s{r}_5}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})\&rsqb;.$

②当认知用户接收端能够正确解码授权用户信息，并且时：

${\mathrm{\&alpha;}}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{R_{10}\left(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2\right)}{P_s{r}_4\left(1+R_{10}\right)}& \mathrm{\&alpha;}\&Element;\&lsqb;{\mathrm{\&alpha;}}_{\min },{\mathrm{\&alpha;}}_0\&rsqb;\&cap;\left(A\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\right)\&le;0\&cup;\left(A\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\right)>0,L\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\min }\right)\&GreaterEqual;L\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\right)\right)\right)\\ \frac{P_p\left(r_2-r_1\right)\left(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2\right)}{P_s{r}_4\&lsqb;P_p\left(r_2-r_1\right)+{\mathrm{\&sigma;}}^2\&rsqb;}& \mathrm{\&alpha;}\&Element;\&lsqb;{\mathrm{\&alpha;}}_0,{\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\&rsqb;\&cup;\left(\mathrm{\&alpha;}\&Element;\&lsqb;{\mathrm{\&alpha;}}_{\min },{\mathrm{\&alpha;}}_0\&rsqb;\&cap;\left(A\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\right)\&le;0\&cup;\left(A\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\right)>0,L\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\min }\right)<L\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\right)\right)\right)\right)\end{array}\right.---\left(8\right)$

③当认知用户接收端不能正确解码授权用户信息，并且时：

${\mathrm{\&alpha;}}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{R_{10}\left(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2\right)}{P_s{r}_4\left(1+R_{10}\right)}& B\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\right)\&le;0\&cup;\left(B\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\right)>0,K\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\min }\right)\&GreaterEqual;K\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^1\right)\right)\\ 1-\frac{R_{20}{\mathrm{\&sigma;}}^2}{P_s{r}_5}& B\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\right)>0\&cap;\left(K\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\min }\right)<K\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\right)\right)\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中 ${\mathrm{\&alpha;}}_{max}^2=\frac{P_s{r}_5-R_{20}{\mathrm{\&sigma;}}^2}{P_s{r}_5(1+R_{20})},K\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\frac{1}{2}{\log }_2\left(\frac{P_s{r}_5+{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&alpha;P}}_s{r}_5+{\mathrm{\&sigma;}}^2}\right(\frac{P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2}{(1-\mathrm{\&alpha;})P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_p{r}_5}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}\left)\right),$ $B\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=-P_s^2{r}_4{r}_5(\frac{{\mathrm{\&alpha;}}^2{P}_s{r}_4{P}_p{r}_1}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}-2\mathrm{\&alpha;}(1+\frac{P_p{r}_1}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}\left)\right(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2\left)\right)+P_s{r}_4(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2){\mathrm{\&sigma;}}^2-P_s{r}_5(1+\frac{P_p{r}_1}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}){(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2)}^2$

④当认知用户接收端不能正确解码授权用户信息，并且时：

${\mathrm{\&alpha;}}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{R_{10}\left(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2\right)}{P_s{r}_4\left(1+R_{10}\right)}& \mathrm{\&alpha;}\&Element;\&lsqb;{\mathrm{\&alpha;}}_{\min },{\mathrm{\&alpha;}}_0\&rsqb;\&cap;\left(B\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\right)\&le;0\&cup;\left(B\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\right)>0,K\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\min }\right)\&GreaterEqual;K\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\right)\right)\right)\\ \frac{P_p\left(r_2-r_1\right)\left(P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2\right)}{P_s{r}_4\&lsqb;P_p\left(r_2-r_1\right)+{\mathrm{\&sigma;}}^2\&rsqb;}& \mathrm{\&alpha;}\&Element;\&lsqb;{\mathrm{\&alpha;}}_0,{\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\&rsqb;\&cup;\left(\mathrm{\&alpha;}\&Element;\&lsqb;{\mathrm{\&alpha;}}_{\min },{\mathrm{\&alpha;}}_0\&rsqb;\&cap;\left(B\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\right)\&le;0\&cup;\left(B\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\right)>0,K\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\min }\right)<K\left({\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^2\right)\right)\right)\right)\end{array}\right.---\left(10\right).$

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，授权用户发送端利用全部带宽广播自己的信息，所以授权用户发送端到认知用户发送端链路的速率为：

$R_{12}=\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{P_p{r}_2}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(5\right)$

在第二个时隙，认知用户发送端利用αP_s的功率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：

$R_{21}=\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{{\mathrm{\&alpha;P}}_s{r}_4}{(1-\mathrm{\&alpha;})P_s{r}_4+{\mathrm{\&sigma;}}^2}+\frac{P_s{r}_1}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(6\right)$

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{R₁₂,R₂₁}(3)

同时，认知用户利用剩余的(1-α)P_s功率来发送自己的信息，所以认知用户获得的速率为：

$R_s=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{(1-\mathrm{\&alpha;})P_s{r}_5}{{\mathrm{\&alpha;P}}_s{r}_5+{\mathrm{\&sigma;}}^2})& R_{13}<R_{PT}\\ \frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{(1-\mathrm{\&alpha;})P_s{r}_5}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})& R_{13}\&GreaterEqual;R_{PT}\end{array}\right.---\left(4\right).$