CN105392145A - 一种频谱效率和能量效率平衡的全双工认知中继通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频谱效率和能量效率平衡的全双工认知中继通信方法，所述方法包括：一对授权用户的发射机和接收机、一对非授权用户的发射机和接收机、一个全双工中继；全双工中继有只协助授权用户模式、只协助非授权用户模式以及同时协助授权用户和非授权用户模式等三种中继通信模式，在频谱效率约束下通过比较能量效率最优值的大小，选择对应最优能量效率值最大的中继通信模式。本发明根据能量效率最优值选择最佳中继通信模式，达到系统的频谱效率和能量效率平衡，适用于不同优先级节点在全双工中继协助下共享频带的异构网络。

Description

一种频谱效率和能量效率平衡的全双工认知中继通信方法

技术领域

本发明涉及认知无线电技术领域，具体涉及一种频谱效率和能量效率平衡的全双工认知中继通信方法。

背景技术

认知中继网络在异构网络领域具有潜在的应用价值，在异构网络中，很多不同类型的无线节点工作在同一区域，拥有不同的优先级。高优先级节点被分配授权的频带，低优先级节点共享高优先级节点的频带，对高优先级节点造成干扰。为了保证高优先级节点的信干噪比高于阈值并且提高低优先级节点的吞吐量，中继被引入到异构网络中。

除了吞吐量和频谱效率，衡量无线通信系统可持续运行能力的能量效率也是近年来国内外学界和工业界的追逐目标，特别频谱效率和能量效率平衡已经成为关注焦点。人们已经提出很多种频谱效率和能量效率平衡的认知无线通信方法，包括半双工的认知中继通信，但是很少有人考虑频谱效率和能量效率平衡的全双工认知中继通信方法，它将进一步提高低优先级节点的吞吐量同时保证高优先级节点的信干噪比高于阈值。

发明内容

针对现有技术现状，本发明提供一种频谱效率和能量效率平衡的全双工认知中继通信方法，根据自我干扰的功率让中继在只协助授权用户、只协助非授权用户以及同时协助授权用户和非授权用户三种模式之间切换，从而利用全双工的吞吐量优势又弱化自我干扰对授权用户、非授权用户吞吐量的不利影响，达到系统的频谱效率和能量效率平衡。本发明可用于一对授权用户收发机和一对非授权用户收发机在全双工中继协助下共享频带的异构网络，具有中继通信模式自适应、能够达到系统的频谱效率和能量效率平衡等优点。

如图1所示，全双工认知中继通信系统包括一对授权用户的发射机PT和接收机PR、一对非授权用户的发射机ST和接收机SR、一个全双工中继节点R。所有站点都只装有一根天线。授权用户发射机PT以发射功率P_p发送一个信号x_p(t)给接收机PR，同时非授权用户发射机ST以发射功率P_s发送一个信号x_s(t)给接收机SR。中继节点R接收到信号后立即放大转发出去，产生自我干扰x_q(t)。非授权用户接收机SR和授权用户接收机PR都接收到信号。授权用户接收机PR根据同时接收的两个信号解码x_p(t)，忍受的干扰功率为P_I，信息传输速率为R_p。非授权用户接收机SR也根据同时接收的两个信号解码x_s(t)，信息传输速率为R_s。

系统的频谱效率定义为其中W是带宽。系统的能量效率定义为其中P_tot是总的功率消耗。在系统的频谱效率约束、授权用户接收机PR的干扰约束和全双工中继节点R的发射功率约束下最大化系统的能量效率，建立优化问题如下：

$\begin{array}{ccc}\underset{\mathrm{\β}}{\max }{\mathrm{\η}}_{EE}& s.t.& {\mathrm{\η}}_{SE}\≥\mathrm{\Γ},P_I\≤\mathrm{\Λ},\mathrm{\β}\≤\stackrel{\‾}{\mathrm{\β}}\end{array}---\left(1\right)$

其中：β是全双工中继节点R的放大增益；Γ是系统频谱效率的最低限；Λ是授权用户接收机PR能忍受的最大干扰功率；由全双工中继节点R的最大发射功率决定。

对该优化问题求解，得到最优的放大增益β。如果它是凸的，采用拉格朗日乘数法求解；如果它是非凸的，先将它转化为凸优化问题，再用拉格朗日乘数法或者内点法求解。得到最优的放大增益β后，全双工中继节点R对接收信号的处理完全确定。

全双工中继节点R可以有只协助授权用户、只协助非授权用户以及同时协助授权用户和非授权用户三种中继通信模式，在这三种模式下分别对优化问题(1)求解，得到各自的最优能量效率值全双工中继节点R通过比较三种中继通信模式下最优能量效率值的大小，选择对应最优能量效率值最大的中继通信模式。

附图说明

图1为全双工认知中继通信系统示意图。

具体实施方式

以下是结合附图及实施例对本发明所作的详细说明。

如图1所示，授权用户发射机PT向接收机PR发送一个信号x_p(t)，同时非授权用户发射机ST向接收机SR发送一个信号x_s(t)。授权用户接收机PR、非授权用户接收机SR和全双工中继节点R接收到的信号分别表示为：

$y_p\left(t\right)=\sqrt{P_p}{h}_p{x}_p\left(t\right)+\sqrt{P_s}{h}_{sp}{x}_s\left(t\right)+n_p\left(t\right);$

$y_s\left(t\right)=\sqrt{P_s}{h}_s{x}_s\left(t\right)+\sqrt{P_p}{h}_{ps}{x}_p\left(t\right)+n_s\left(t\right);$

$y_r\left(t\right)=\sqrt{P_p}{h}_{pr}{x}_p\left(t\right)+\sqrt{P_s}{h}_{sr}{x}_s\left(t\right)+n_r\left(t\right).$

其中：P_p和P_s分别是授权用户发射机PT和非授权用户发射机ST的发射功率；x_p(t)和x_s(t)分别是授权用户发射机PT和非授权用户发射机ST的信号，它们的均值为0、方差归一化为1；h_p是授权用户发射机PT到授权用户接收机PR的信道系数，h_sp是非授权用户发射机ST到授权用户接收机PR的信道系数，h_s是非授权用户发射机ST到非授权用户接收机SR的信道系数，h_ps是授权用户发射机PT到非授权用户接收机SR的信道系数，h_pr是授权用户发射机PT到全双工中继R的信道系数，h_sr是非授权用户发射机ST到全双工中继R的信道系数；n_p(t)、n_s(t)、n_r(t)是均值为零、方差为σ²的加性高斯白噪声。设所有信道都是准静态的瑞利块衰落信道而且信道系数在一个传输帧内保持不变。

全双工中继节点R将接收信号立即转发出去，产生自我干扰x_q(t)。全双工中继节点R的发送信号表示为：

$x_r\left(t\right)=\sqrt{\mathrm{\β}}\left(\sqrt{P_p}{h}_{pr}{x}_p\right(t)+\sqrt{P_s}{h}_{sr}{x}_s(t)+n_r(t)+\sqrt{P_q}{h}_q{x}_q(t\left)\right);$

其中：β是全双工中继R的放大增益；P_q是干扰消除后的残留自我干扰功率；h_q是全双工中继R发射端到接收端的信道系数；自我干扰建模为：

$x_q\left(t\right)=\sqrt{P_p}{h}_{pr}{x}_p(t-1)+\sqrt{P_s}{h}_{sr}{x}_s(t-1)+n_r(t-1).$

授权用户接收机PR和非授权用户接收机SR的接收信号分别表示为：

z_p(t)＝h_rpx_r(t)+v_p(t)；

z_s(t)＝h_rsx_r(t)+v_s(t)。

其中：h_rp是全双工中继R到授权用户接收机PR的信道系数；h_rs是全双工中继R到非授权用户接收机SR的信道系数；v_p(t)、v_s(t)是均值为零、方差为σ²的加性高斯白噪声。授权用户接收机PR根据接收信号y_p(t)+z_p(t)解码x_p(t)，忍受的干扰功率为：

P_I＝P_s|h_sp|²+β|h_rp|²(P_s|h_sr|²+P_q|h_q|²P_s|h_sr|²)。

信息传输速率表示为：

$R_p=W{\log }_2(1+\frac{P_p|h_p{|}^2+\mathrm{\β}|h_{rp}{|}^2\left(P_p\right|h_{pr}{|}^2+P_q\left|h_q{|}^2{P}_p\right|h_{pr}{|}^2)}{P_s|h_{sp}{|}^2+\mathrm{\β}|h_{rp}{|}^2\left(P_s\right|h_{sr}{|}^2+P_q\left|h_q{|}^2{P}_s\right|h_{sr}{|}^2)+(1+\mathrm{\β}|h_{rp}{|}^2(1+P_q|h_q{|}^2)){\mathrm{\σ}}^2}).$

其中：W是带宽。

非授权用户接收机SR根据接收信号y_s(t)+z_s(t)解码x_s(t)，信息传输速率表示为：

$R_s=W{\log }_2(1+\frac{P_s|h_s{|}^2+\mathrm{\β}|h_{rs}{|}^2\left(P_s\right|h_{sr}{|}^2+P_q\left|h_q{|}^2{P}_s\right|h_{sr}{|}^2)}{P_p|h_{ps}{|}^2+\mathrm{\β}|h_{rs}{|}^2\left(P_p\right|h_{pr}{|}^2+P_q\left|h_q{|}^2{P}_p\right|h_{pr}{|}^2)+{(1+\mathrm{\β}|h_{rs}{|}^2(1+P_q|h_q{|}^2\left)\right)}^2}).$

系统的频谱效率定义为：

${\mathrm{\η}}_{SE}=\frac{R_p+R_s}{W}.$

系统的能量效率定义为：

${\mathrm{\η}}_{EE}=\frac{R_p+R_s}{P_p+P_s+\mathrm{\β}\left(P_p\right|h_{pr}{|}^2+P_s|h_{sr}{|}^2+{\mathrm{\σ}}^2)(1+P_q|h_q{|}^2)}.$

优化问题建立为：

$\begin{array}{ccc}\underset{\mathrm{\β}}{\max }{\mathrm{\η}}_{EE}& s.t.& {\mathrm{\η}}_{SE}\≥\mathrm{\Γ},P_I\≤\mathrm{\Λ},\mathrm{\β}\≤\frac{P_{r,\max }}{\left(P_p\right|h_{pr}{|}^2+P_s|h_{sr}{|}^2+{\mathrm{\σ}}^2)(1+P_q|h_q{|}^2)}\end{array}---\left(2\right)$

其中：Γ是系统频谱效率的最低限；Λ是授权用户接收机PR能忍受的最大干扰功率；P_r,max是全双工中继R允许的最大发射功率；参数P_r,max、P_p、P_s、Γ、Λ是给定的；参数h_p、h_sp、h_s、h_ps、h_pr、h_sr、h_rp、h_rs、h_q、σ²可以通过信道估计和测量获得。参数P_q取决于全双工中继节点R采用的干扰消除方法，给定某种干扰消除方法，一个传输帧内的P_q值是固定的。该优化问题的约束函数都是凸的，但是目标函数不一定是凸的。如果它是凸的，采用拉格朗日乘数法求解；如果它是非凸的，先将它转化为凸优化问题，再用拉格朗日乘数法或者内点法求解。

全双工中继节点R可以有只协助授权用户、只协助非授权用户以及同时协助授权用户和非授权用户三种中继通信模式。在这三种模式下分别对优化问题(2)求解，得到各自的最优能量效率值全双工中继节点R通过比较三种中继通信模式下最优能量效率值的大小，选择对应最优能量效率值最大的中继通信模式。

Claims (1)

1.一种频谱效率和能量效率平衡的全双工认知中继通信方法，所述方法包括：

(1)系统至少包含一对授权用户的发射机PT与接收机PR、一对非授权用户的发射机ST与接收机SR和一个全双工中继节点R；

(2)定义系统的频谱效率为系统的能量效率为其中：R_p是授权用户接收机PR的信息传输速率；R_s是非授权用户接收机SR的信息传输速率；W是带宽；P_tot是总的功率消耗；

(3)在系统的频谱效率约束、授权用户接收机PR的干扰约束和全双工中继节点R的发射功率约束下最大化系统的能量效率，建立如下优化问题：

$\underset{\mathrm{\β}}{max}{\mathrm{\η}}_{EE}s.t.{\mathrm{\η}}_{SE}\≥\mathrm{\Γ},P_I\≤\mathrm{\Λ},\mathrm{\β}\≤\stackrel{\‾}{\mathrm{\β}};$ 对该优化问题求解，得到最优的β值；

其中：β是全双工中继节点R的放大增益，Γ是系统频谱效率的最低限，Λ是授权用户接收机PR能忍受的最大干扰功率，由全双工中继节点R的最大发射功率决定；

(4)全双工中继节点R分别在只协助授权用户模式、只协助非授权用户模式以及同时协助授权用户和非授权用户模式下对优化问题求解，得到各自的最优能量效率值通过比较三种模式下最优能量效率值的大小，选择对应最优能量效率值最大的模式作为中继通信模式。