CN105450280B - 基于多维资源自适应分配的协作认知传输方法 - Google Patents

基于多维资源自适应分配的协作认知传输方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105450280B
CN105450280B CN201510761125.0A CN201510761125A CN105450280B CN 105450280 B CN105450280 B CN 105450280B CN 201510761125 A CN201510761125 A CN 201510761125A CN 105450280 B CN105450280 B CN 105450280B
Authority
CN
China
Prior art keywords
cognitive
transmitter
transmission
receiver
authorized
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201510761125.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105450280A (zh
Inventor
李钊
李意文
肖丽媛
丁汉清
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xidian University
Original Assignee
Xidian University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xidian University filed Critical Xidian University
Priority to CN201510761125.0A priority Critical patent/CN105450280B/zh
Publication of CN105450280A publication Critical patent/CN105450280A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105450280B publication Critical patent/CN105450280B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W16/00—Network planning, e.g. coverage or traffic planning tools; Network deployment, e.g. resource partitioning or cells structures
    • H04W16/14—Spectrum sharing arrangements between different networks
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0613—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/08—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the receiving station
    • H04B7/0891—Space-time diversity
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W72/00—Local resource management
    • H04W72/04—Wireless resource allocation
    • H04W72/044—Wireless resource allocation based on the type of the allocated resource
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

一种基于多维资源自适应分配的协作认知传输方法，其步骤为：(1)配置天线；(2)将传输周期t初始化为1；(3)授权发射机PT获取链路速率信息；(4)考虑公平性的中继选择；(5)时域、频域和空域的协作传输；(6)更新各认知中继STk的平均速率。本发明综合利用了时域、频域和空域进行资源联合共享的协作传输，提高了授权用户的传输性能，使认知用户获得了通信传输的机会，提高了频谱利用率。本发明基于认知用户历史平均速率进行调度权重的计算，选择调度权重最大的中继实现了公平中继选择，使得各认知用户均可得到公平的通信机会，获得认知系统生存时间、认知用户能量效率方面的性能提升。

Description

基于多维资源自适应分配的协作认知传输方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及协作认知无线电网络技术领域中的一种基于多维资源自适应分配的协作认知传输方法。该方法可以综合利用了时域、频域和空域进行资源联合共享的协作传输，提高了授权用户的传输性能，使认知用户获得了通信传输的机会，提高了频谱利用率。该方法可以在改善授权传输的前提下，使参与协作的认知用户获得公平的调度，获得认知系统生存时间、认知用户能量效率方面的性能提升。
背景技术
随着无线通信的快速发展，频谱资源稀缺和频谱利用率低的矛盾日益突出，如何提高频谱利用率始终是无线通信研究的核心问题之一。认知无线电作为一种非常有前景的提高频谱利用率的技术，自提出以来就受到人们广泛的关注和研究。最近将认知无线电和协作通信技术相结合的协作认知无线电网络(Cooperative cognitive radio network,CCRN)受到了人们的关注。在协作认知无线电网络中，没有通信资源的认知用户为了得到通信机会，消耗一定的功率帮助授权用户转发信息，以此获得授权用户给予的一部分通信资源，如时间、频率等作为回报，用于认知用户自身的数据传输。通过招募认知用户作为中继，授权用户的传输得到改善，认知用户也获得了通信机会，从而实现授权与认知系统的“双赢”，提高了频谱利用率。而关于通信资源如何分配的协作认知传输方法的设计是CCRN的关键问题，现有的协作认知传输方法主要有一下几种：
Jing T,Zhu S,Li H,et al.在其发表的论文“Cooperative relay selection incognitive radio networks”([C]//INFOCOM,2013 Proceedings IEEE.IEEE,2013:175-179)中公开了一种基于时分多址(TDMA)的三阶段协作传输方法。该方法在第一阶段授权用户广播授权信息，第二阶段认知用户转发授权信息，第三阶段认知用户传输自身业务。该方法存在的不足是：授权用户需要将一部分时间资源作为回报给认知用户，认知用户则在相同的信道上交替地进行授权信息转发和自身数据发送，导致授权与认知业务的时延增加。
Su W,Matyjas J D,Batalama S.在其发表的论文“Active cooperation betweenprimary users and cognitive radio users in cognitive ad-hoc networks”([C]//Acoustics Speech and Signal Processing(ICASSP),2010IEEE InternationalConference on.IEEE,2010:3174-3177)中公开了一种基于频分多址(FDMA)的两阶段协作传输方法。该方法通过将将授权用户的频谱资源划分为互不重叠的两部分，一部分用于授权数据的传输，在该频带上，授权用户首先进行广播(第一阶段)，然后认知用户在相同频带上对授权信息进行转发(第二阶段)；另一部分作为认知用户协助授权通信的回报，认知用户在该频带上持续进行自身数据的发送。该方法存在的不足是：授权用户需要牺牲一部分带宽以换取认知用户的协助。
Manna R,Louie R H Y,Li Y,et al.在其发表的论文“Cooperative spectrumsharing in cognitive radio networks with multiple antennas”([J].SignalProcessing,IEEE Transactions on,2011,59(11):5509-5522)中公开了一种基于多输入多输出(MIMO)的两阶段单中继协作传输方法，授权用户在第一阶段进行广播，第二阶段认知用户采用空间复用的方式，实现授权与认知信息并发。该方法存在的不足是：该方法没有考虑多个认知用户参与协作的场景，并且在信道质量差的情况下，通信质量严重下降。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于多维资源自适应分配的协作认知传输方法，以多维资源的自适应分配，改善授权系统的传输，使认知用户获得公平的调度，提高了频谱利用率。
本发明实现的基本思路是，采用配置多天线的认知用户充当协作中继，综合利用了时域、频域和空域进行资源动态共享。按照时隙划分因子将一个传输周期划分成两个阶段，在第一阶段时，按照频带分配因子将授权用户带宽划分成互不重叠的两部分频带，授权发射机和认知发射机分别利用该两部分频带中的一个，以频分多址的方式进行授权数据和认知数据的无干扰的传输；在第二阶段时，认知发射机占据所有授权用户带宽，利用多天线提供的空间复用能力，在向授权接收机转发数据的同时，进行认知传输。
根据上述思路，本发明实现步骤包括如下：
(1)配置天线：
将认知发射机配置多根天线，将授权发射机、授权接收机和认知接收机分别配置单根天线；
(2)将传输周期t初始化为1；
(3)授权发射机PT获取链路速率信息：
(3a)在协作认知传输系统的第t个传输周期中，授权发射机PT获取授权发射机PT到认知发射机STk的链路速率信息；
(3b)认知发射机STk获取认知发射机STk到认知接收机SRk的链路速率信息，并将该链路速率信息反馈给授权发射机PT；
(3c)认知发射机STk根据认知发射机STk到授权接收机PR链路的预编码向量，获取认知发射机STk到授权接收机PR的链路速率信息，并将该链路速率信息反馈给授权发射机PT；
(3d)认知发射机STk根据认知发射机STk到认知接收机SRk链路的预编码向量，获取认知发射机STk到认知接收机SRk的链路速率信息，并将链路速率信息反馈给授权发射机PT；
(3e)授权发射机PT确定认知发射机STk的时隙划分因子和频率分配因子的值；
(3f)授权发射机PT根据认知发射机STk的时隙划分因子和频率分配因子的值得到认知发射机STk作为中继时授权发射机PT到授权接收机PR的端到端等效链路速率和认知发射机STk到认知接收机SRk的平均链路速率；
(3g)判断授权发射机PT是否获取系统中所有链路的平均速率，若是，则执行步骤(4)，否则，执行步骤(3a)；
(4)考虑公平性的中继选择：
(4a)授权发射机PT根据授权传输速率和认知平均传输速率，确定各认知中继的调度权重；
(4b)从授权发射机PT从各认知中继的调度权重中，选择调度权重中最大的值所对应的认知中继作为中继；
(5)时域、频域和空域的协作传输：
(5a)按照步骤4选择的认知中继的时隙划分因子值，将一个传输周期划分成两个阶段；
(5b)在第一个阶段，按照步骤4选择的认知中继的频带分配因子将授权用户带宽划分成互不重叠的两部分频带，授权发射机占用该两部分频带中的任意一个将授权数据发送给认知发射机；认知发射机占用该两部分频带的另外一个将认知数据发送给认知接收机；
(5c)在第二个阶段，认知发射机占用所有的授权带宽，利用多根天线的空间复用能力，在转发授权数据给授权发射机的同时，将认知数据继续发送给认知接收机；
(6)采用比例公平算法，授权发射机PT更新各认知中继STk的平均速率；
(7)判断授权发射机是否发送完所有授权数据，若是，则执行步骤(8)，否则，将传输周期t加1，执行步骤(3)；
(8)结束传输。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一、由于本发明综合利用了时域、频域和空域进行资源联合共享的协作传输，克服了现有技术仅联合共享部分维度资源因而传输速率较低的问题，使得本发明提高了授权用户的传输性能，使认知用户获得了通信传输的机会，提高了频谱利用率。
第二、由于本发明通过基于认知用户历史平均速率进行调度权重的计算，选择调度权重最大的中继实现了公平中继选择，克服了现有技术中中继选择未考虑公平性，导致一部分有通信需求且愿意协作的认知用户长时间得不到传输机会的问题，使得本发明中各认知用户均可得到公平的通信机会，获得认知系统生存时间、认知用户能量效率方面的性能提升。
附图说明
附图1为本发明系统模型的示意图；
附图2为本发明的流程图；
附图3为本发明仿真效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
参照图1，本发明的系统模型示意图中包括一个授权发射机(Primarytransmitter,PT)，一个授权接收机(Primary receiver,PR)，K个认知用户对(STi,SRi)，其中i＝1,…,K，图1中用不同的灰度表示不同维度的通信资源。STi配置多根天线，其余节点配置单根天线。PT从K个ST中选出一个STk(k∈{1,…,K})作为中继协助授权传输；与STk对应的用户对(STk,SRk)获得一定的通信资源补偿。中继协作方式采用译码转发，中继在两段互不重叠的频带上实现全双工。授权用户总带宽为W赫兹，一个传输周期为T秒，划分为2个阶段，时长分别为βk(t)T和[1-βk(t)]T，βk(t)表示第t个传输周期时当STk被选为中继时的时隙划分因子，其取值范围为(0,1)。在第一个阶段，将授权用户带宽划分成互不重叠的两部分频带，授权发射机PT占用带宽为αk(t)W的频带将授权数据发送给认知发射机，认知发射机STk占用带宽为[1-αk(t)]W的频带，将认知数据发送给认知接收机，αk(t)表示第t个传输周期时在STk被选为中继时的频率分配因子，其取值范围为(0,1]。在第二个阶段，认知发射机STk占用所有的授权带宽，利用多根天线的空间复用能力，在转发授权数据给授权发射机的同时，将认知数据继续发送给认知接收机。本实施例中认知用户对数K＝8，认知发射机配置两根天线。
参照附图2对本发明实现的步骤进行具体描述。
步骤1，配置天线。
将认知发射机配置多根天线，将授权发射机、授权接收机和认知接收机分别配置单根天线。
步骤2，将传输周期t初始化为1。
步骤3，授权发射机PT获取链路速率信息。
(3a)在协作认知传输系统的第t个传输周期中，授权发射机PT获取授权发射机PT到认知发射机STk的链路速率信息，该链路速率信息的获取步骤如下：
第一步，按照下式，计算授权发射机PT向认知发射机STk进行数据传输的频谱效率：
其中，CPS表示授权发射机PT向认知发射机STk进行数据传输的频谱效率；Pp表示授权发射机的发射功率；hPS表示授权发射机PT到认知发射机STk链路的信道状态信息；表示高斯白噪声方差；|·|2表示求模值平方操作；log2(·)表示求以2为底的对数操作；
第二步，按照下式，计算授权发射机PT到认知发射机STk的链路速率信息：
RPS(t)＝βk(t)αk(t)WCPS
其中，RPS(t)表示在第t个传输周期时授权发射机PT到认知发射机STk的链路速率信息；βk(t)表示在第t个传输周期时在认知发射机STk作为中继时的时隙划分因子，其取值范围为(0,1)；αk(t)表示第t个传输周期在认知发射机STk作为中继时的频率分配因子，其取值范围为(0,1]；W表示授权发射机PT的总带宽；CPS表示授权发射机PT向认知发射机STk进行数据传输的频谱效率。
(3b)认知发射机STk获取认知发射机STk到认知接收机SRk的链路速率信息，并将该链路速率信息反馈给授权发射机PT，该链路速率信息的获取步骤如下：
第一步，按照下式，计算认知发射机STk向认知接收机SRk传输的频谱效率：
其中，表示认知发射机STk向认知接收机SRk传输的频谱效率；Ps表示认知发射机发射认知数据的发射功率；hSS表示STk到SRk链路的信道状态信息；表示高斯白噪声方差；|·|2表示求模值平方操作；log2(·)表示求以2为底的对数操作；
第二步，按照下式，计算认知发射机STk到认知接收机SRk链路速率信息：
其中，表示在第t个传输周期中认知发射机STk到认知接收机SRk链路速率信息；βk(t)表示在第t个传输周期时在认知发射机STk作为中继时的时隙划分因子，其取值范围为(0,1)；αk(t)表示第t个传输周期在认知发射机STk作为中继时的频率分配因子，其取值范围为(0,1]；W表示授权发射机PT的总带宽；表示认知发射机STk向认知接收机SRk传输的频谱效率。
(3c)认知发射机STk根据认知发射机STk到授权接收机PR链路的预编码向量，获取认知发射机STk到授权接收机PR的链路速率信息，并将该链路速率信息反馈给授权发射机PT。该链路速率信息的获取步骤如下：
第一步，按照下式，获取一个与认知发射机STk到授权接收机PR链路的预编码向量同方向的向量：
其中，pp′表示一个与认知发射机STk到授权接收机PR链路的预编码向量同方向的向量；GSP表示STk与PR之间的2行1列的信道状态信息矩阵，其元素服从零均值、单位方差的复高斯分布；GSS表示STk与SRk之间的2行1列的信道状态信息矩阵，其元素服从零均值、单位方差的复高斯分布；|·|2表示求模值平方操作；H表示求向量的共轭转置操作。
第二步，按照下式，计算认知发射机STk到授权接收机PR链路的预编码向量：
其中，pp表示认知发射机STk到授权接收机PR链路的预编码向量；|·|表示求模值操作。
第三步，按照下式，计算认知发射机STk向授权接收机PR传输的频谱效率：
其中，CSP表示认知发射机STk向授权接收机PR传输的频谱效率；Pr表示授权发射机STk转发授权数据时的发射功率；GSP表示STk与PR之间的2行1列的信道状态信息矩阵，其元素服从零均值、单位方差的复高斯分布；pp表示认知发射机STk到授权接收机PR链路的预编码向量；表示高斯白噪声方差；|·|2表示求模值平方操作；log2(·)表示求以2为底的对数操作。
第四步，按照下式，计算认知发射机STk到授权接收机PR的链路速率信息：
RSP(t)＝[1-βk(t)]WCSP
其中，RSP(t)表示在第t个传输周期中认知发射机STk到授权接收机PR的链路速率信息；βk(t)表示在第t个传输周期时在认知发射机STk作为中继时的时隙划分因子，其取值范围为(0,1)；W表示授权发射机PT的总带宽；CSP表示认知发射机STk向授权接收机PR传输的频谱效率。
(3d)认知发射机STk根据认知发射机STk到认知接收机SRk链路的预编码向量，获取认知发射机STk到认知接收机SRk的链路速率信息，并将链路速率信息反馈给授权发射机。该链路速率信息的获取步骤如下：
第一步，按照下式，获取一个与认知发射机STk到认知接收机SRk链路的预编码向量同方向的向量：
其中，ps′表示一个与认知发射机STk到认知接收机SRk链路的预编码向量同方向的向量；GSP表示STk与PR之间的2行1列信道状态信息矩阵，其元素服从零均值、单位方差的复高斯分布；GSS表示STk与SRk之间的2行1列的信道状态信息矩阵，其元素服从零均值、单位方差的复高斯分布；|·|2表示求模值平方操作；H表示求向量的共轭转置操作。
第二步，按照下式，计算认知发射机STk到认知接收机SRk链路的预编码向量：
其中，ps表示认知发射机STk到认知接收机SRk链路的预编码向量；|·|表示求模值操作。
第三步，按照下式，计算认知发射机STk向认知接收机SRk传输的频谱效率：
其中，表示认知发射机STk进行并发传输时认知发射机STk到认知接收机SRk链路的频谱效率；Ps表示认知发射机发送认知数据时的发射功率；GSS表示STk与SRk之间的2行1列的信道状态信息矩阵，其元素服从零均值、单位方差的复高斯分布；ps表示认知发射机STk到认知接收机SRk链路的预编码向量；表示高斯白噪声方法；|·|2表示求模值平方操作；log2(·)表示求以2为底的对数操作。
第四步，按照下式，计算认知发射机STk到认知接收机SRk的链路速率信息：
其中，表示在第t个传输周期中在认知发射机STk进行并发传输时认知发射机STk到认知接收机SRk的链路速率信息；βk(t)表示在第t个传输周期时在认知发射机STk作为中继时的时隙划分因子，其取值范围为(0,1)；W表示授权发射机PT的总带宽；表示认知发射机STk进行并发传输时认知发射机STk到认知接收机SRk链路的频谱效率。
(3e)授权发射机PT确定认知发射机STk的时隙划分因子和频率分配因子的值，认知发射机STk的时隙划分因子和频率分配因子的值获取步骤如下：
第一步，按照下式，计算信道状态条件：
其中，CSP表示认知发射机STk向授权接收机PR传输的频谱效率；CPS表示授权发射机PT向认知发射机STk进行数据传输的频谱效率；表示在认知发射机STk进行并发传输时认知发射机STk到认知接收机SRk链路频谱效率；表示在认知发射机STk向认知接收机SRk传输的频谱效率。
第二步，当信道状态条件成立时，按照下式，计算时隙划分因子：
其中，βk(t)表示在第t个传输周期时在认知发射机STk作为中继时的时隙划分因子；CSP表示认知发射机STk向授权接收机PR传输的频谱效率；CPS表示授权发射机PT向认知发射机STk进行数据传输的频谱效率。
第三步，当信道状态条件不成立时，按照下式，计算时隙划分因子的最小值：
其中，表示第t个传输周期时时隙分配因子的最小值；CSP表示认知发射机STk向授权接收机PR传输的频谱效率；CPS表示授权发射机PT向认知发射机STk进行数据传输的频谱效率。
第四步，当信道状态条件不成立时，按照下式，计算认知发射机STk的临界时隙划分因子：
其中，表示认知发射机STk的临界时隙划分因子；βk(t)表示在第t个传输周期时在认知发射机STk作为中继时的时隙划分因子；表示第t个传输周期时时隙分配因子的最小值；Rp,k(t)表示在认知发射机STk作为中继时授权发射机PT到授权接收机PR的端到端等效链路速率；表示授权用户的速率要求；arg[·]表示符合条件的参数；t表示传输周期。
第五步，当信道状态条件不成立时，按照下式，计算认知发射机STk的奖励因子：
其中，ηk表示认知发射机STk的奖励因子；表示认知用户对(STk,SRk)的前t-1个传输周期平均速率，表示认知系统前t-1个传输周期的平均速率。
第六步，当信道状态条件不成立时，按照下式，计算βk(t)认知发射机STk的时隙划分因子：
其中，βk(t)认知发射机STk的时隙划分因子；表示第t个传输周期时时隙分配因子的最小值；ηk表示认知发射机STk的奖励因子；表示认知发射机STk的临界时隙划分因子。
第七步，按照下式，计算认知发射机STk的带宽分配因子的值：
其中，αk(t)表示认知发射机STk的带宽分配因子；βk(t)认知发射机STk的时隙划分因子；CSP表示认知发射机STk向授权接收机PR传输的频谱效率；CPS表示授权发射机PT向认知发射机STk进行数据传输的频谱效率。
(3f)授权发射机PT根据时隙划分因子和频率分配因子的值得到认知发射机STk作为中继时授权发射机PT到授权接收机PR的端到端等效链路速率和认知发射机STk到认知接收机SRk的平均链路速率，分别按照如下公式得到：
Rp,k(t)＝[1-βk(t)]WCSP
其中，Rp,k(t)表示在第t个传输周期时认知发射机STk作为中继授权发射机PT到授权接收机PR的端到端等效链路速率；βk(t)表示在第t个传输周期时在认知发射机STk作为中继时的时隙划分因子；W表示发射机总功率；CSP表示认知发射机STk向授权接收机PR传输的频谱效率；Rs,k(t)表示认知发射机STk到认知接收机SRk的平均链路速率；表示认知发射机STk到认知接收机SRk链路速率；表示在认知发射机STk进行并发传输时认知发射机STk到认知接收机SRk链路速率；t表示第t个传输周期。
(3g)判断授权发射机PT是否获取系统中所有链路的平均速率，若是，则执行步骤4，否则，执行步骤(3a)。
步骤4，考虑公平性的中继选择。
授权发射机PT根据授权传输速率和认知平均传输速率，确定各认知中继的调度权重。各认知中继的调度权重按照如下公式得到：
其中，wk(t)表示第t个传输周期中认知中继STk的调度权重；Rp,k(t)表示第t个传输周期中授权发射机PT到授权接收机PR的端到端等效链路速率；表示认知用户对(STk,SRk)的前t-1个传输周期平均速率。
授权发射机PT从各认知中继的调度权重中，选择调度权重中最大的值所对应的认知中继作为中继。
步骤5，时域、频域和空域的协作传输。
按照步骤4选择的认知中继的时隙划分因子将一个传输周期划分成两个阶段。
在第一个阶段，按照步骤4选择的认知中继的频带分配因子将授权用户带宽划分成互不重叠的两部分频带，授权发射机占用该两部分频带中的任意一个将授权数据发送给认知发射机；认知发射机占用该两部分频带的另外一个将认知数据发送给认知接收机。
在第二个阶段，认知发射机占用所有的授权带宽，利用多根天线的空间复用能力，在转发授权数据给授权发射机的同时，将认知数据继续发送给认知接收机。
步骤6，采用比例公平算法，授权发射机PT更新各认知中继STk的平均速率。
比例公平算法的公式如下：
其中，表示在第t个传输周期时各认知用户的平均传输速率；Rs,k(t)表示被授权发射机被选作中继时认知用户的传输速率；δc表示第t个传输周期内(STk,SRk)的可达速率Rs,k(t)对其平均速率的影响程度，δc的取值范围为[0,1]；K表示系统中认知用户对的个数。
步骤7，判断授权发射机是否发送完所有授权数据，若是，则执行步骤8，否则，当前传输周期加1，执行步骤3。
步骤8，结束传输。
下面结合本发明仿真效果图做进一步描述。
附图3为本发明仿真效果图，其中横轴为各候选中继标识，纵轴为各候选中继被选择的次数占总传输次数的比例。仿真条件为：认知用户对数为8，认知发射机配置两根天线，信噪比取10dB，传输10000次。图3中黑色柱状表示实施本发明方法后各候选中继被选择的次数占总传输次数的比例，灰色柱状表示实施不考虑公平性的中继选择方法后各候选中继被选择的次数占总传输次数的比例。从图3中可以看出本发明方法由于实现了中继选择的公平性，与不考虑公平性的中继选择方法相比，认知中继均得到了调度，对各认知中继进行了较为公平的调度。

Claims (9)

1.一种基于多维资源自适应分配的协作认知传输方法，包括步骤如下：
(1)配置天线：
将认知发射机配置多根天线，将授权发射机、授权接收机和认知接收机分别配置单根天线；
(2)将传输周期t初始化为1；
(3)授权发射机PT获取链路速率信息：
(3a)在协作认知传输系统的第t个传输周期中，授权发射机PT获取授权发射机PT到认知发射机STk的链路速率信息；
(3b)认知发射机STk获取认知发射机STk到认知接收机SRk的链路速率信息，并将该链路速率信息反馈给授权发射机PT；
(3c)认知发射机STk根据认知发射机STk到授权接收机PR链路的预编码向量，获取认知发射机STk到授权接收机PR的链路速率信息，并将该链路速率信息反馈给授权发射机PT；
(3d)认知发射机STk根据STk并发传输时认知发射机STk到认知接收机SRk链路的预编码向量，获取STk并发传输时认知发射机STk到认知接收机SRk的链路速率信息，并将该链路速率信息反馈给授权发射机PT；
(3e)授权发射机PT确定认知发射机STk的时隙划分因子和频率分配因子的值；
(3f)授权发射机PT根据认知发射机STk的时隙划分因子和频率分配因子的值得到认知发射机STk作为中继时授权发射机PT到授权接收机PR的端到端等效链路速率和认知发射机STk到认知接收机SRk的平均链路速率；
(3g)判断授权发射机PT是否获取系统中所有链路的平均速率，若是，则执行步骤(4)，否则，执行步骤(3a)；
(4)考虑公平性的中继选择：
(4a)授权发射机PT根据授权传输速率和认知平均传输速率，确定各认知中继的调度权重；
(4b)从授权发射机PT从各认知中继的调度权重中，选择调度权重中最大的值所对应的认知中继作为中继；
(5)时域、频域和空域的协作传输：
(5a)按照步骤4选择的认知中继的时隙划分因子值，将一个传输周期划分成两个阶段；
(5b)在第一个阶段，按照步骤4选择的认知中继的频带分配因子将授权用户带宽划分成互不重叠的两部分频带，授权发射机占用该两部分频带中的任意一个将授权数据发送给认知发射机；认知发射机占用该两部分频带的另外一个将认知数据发送给认知接收机；
(5c)在第二个阶段，认知发射机占用所有的授权带宽，利用多根天线的空间复用能力，在转发授权数据给授权发射机的同时，将认知数据继续发送给认知接收机；
(6)采用比例公平算法，授权发射机PT更新各认知中继STk的平均速率；
(7)判断授权发射机是否发送完所有授权数据，若是，则执行步骤(8)，否则，将传输周期t加1，执行步骤(3)；
(8)结束传输。
2.根据权利要求1所述的基于多维资源自适应分配的协作认知传输方法，其特征在于，步骤(3a)中所述的授权发射机PT获取授权发射机PT到认知发射机STk的链路速率信息的步骤如下：
第一步，按照下式，计算授权发射机PT向认知发射机STk进行数据传输的频谱效率：
其中，CPS表示授权发射机PT向认知发射机STk进行数据传输的频谱效率；Pp表示授权发射机的发射功率；hPS表示授权发射机PT到认知发射机STk链路的信道状态信息；表示高斯白噪声方差；|·|2表示求模值平方操作；log2(·)表示求以2为底的对数操作；
第二步，按照下式，计算授权发射机PT到认知发射机STk的链路速率信息：
RPS(t)＝βk(t)αk(t)WCPS
其中，RPS(t)表示在第t个传输周期时授权发射机PT到认知发射机STk的链路速率信息；βk(t)表示在第t个传输周期时在认知发射机STk作为中继时的时隙划分因子，其取值范围为(0,1)；αk(t)表示第t个传输周期在认知发射机STk作为中继时的频率分配因子，其取值范围为(0,1]；W表示授权发射机PT的总带宽；CPS表示授权发射机PT向认知发射机STk进行数据传输的频谱效率。
3.根据权利要求1所述的基于多维资源自适应分配的协作认知传输方法，其特征在于，步骤(3b)中所述的认知发射机STk获取认知发射机STk到认知接收机SRk的链路速率信息的步骤如下：
第一步，按照下式，计算认知发射机STk向认知接收机SRk传输的频谱效率：
其中，表示认知发射机STk向认知接收机SRk传输的频谱效率；Ps表示认知发射机发射认知数据的发射功率；hSS表示STk到SRk链路的信道状态信息；表示高斯白噪声方差；|·|2表示求模值平方操作；log2(·)表示求以2为底的对数操作；
第二步，按照下式，计算认知发射机STk到认知接收机SRk链路速率信息：
其中，表示在第t个传输周期中认知发射机STk到认知接收机SRk链路速率信息；βk(t)表示在第t个传输周期时在认知发射机STk作为中继时的时隙划分因子，其取值范围为(0,1)；αk(t)表示第t个传输周期在认知发射机STk作为中继时的频率分配因子，其取值范围为(0,1]；W表示授权发射机PT的总带宽；表示认知发射机STk向认知接收机SRk传输的频谱效率。
4.根据权利要求1所述的基于多维资源自适应分配的协作认知传输方法，其特征在于，步骤(3c)中所述的认知发射机STk获取认知发射机STk到授权接收机PR的链路速率信息的步骤如下：
第一步，按照下式，获取一个与认知发射机STk到授权接收机PR链路的预编码向量同方向的向量：
其中，p′p表示一个与认知发射机STk到授权接收机PR链路的预编码向量同方向的向量；GSP表示STk与PR之间的2行1列的信道状态信息矩阵，其元素服从零均值、单位方差的复高斯分布；GSS表示STk与SRk之间的2行1列的信道状态信息矩阵，其元素服从零均值、单位方差的复高斯分布；|·|2表示求模值平方操作；H表示求向量的共轭转置操作；
第二步，按照下式，计算认知发射机STk到授权接收机PR链路的预编码向量：
其中，pp表示认知发射机STk到授权接收机PR链路的预编码向量；|·|表示求模值操作；
第三步，按照下式，计算认知发射机STk向授权接收机PR传输的频谱效率：
其中，CSP表示认知发射机STk向授权接收机PR传输的频谱效率；Pr表示授权发射机STk转发授权数据时的发射功率；GSP表示STk与PR之间的2行1列的信道状态信息矩阵，其元素服从零均值、单位方差的复高斯分布；pp表示认知发射机STk到授权接收机PR链路的预编码向量；表示高斯白噪声方差；|·|2表示求模值平方操作；log2(·)表示求以2为底的对数操作；
第四步，按照下式，计算认知发射机STk到授权接收机PR的链路速率信息：
RSP(t)＝[1-βk(t)]WCSP
其中，RSP(t)表示在第t个传输周期中认知发射机STk到授权接收机PR的链路速率信息；βk(t)表示在第t个传输周期时在认知发射机STk作为中继时的时隙划分因子，其取值范围为(0,1)；W表示授权发射机PT的总带宽；CSP表示认知发射机STk向授权接收机PR传输的频谱效率。
5.根据权利要求1所述的基于多维资源自适应分配的协作认知传输方法，其特征在于，步骤(3d)中所述的认知发射机STk获取认知发射机STk到认知接收机SRk的链路速率信息的步骤如下：
第一步，按照下式，获取一个与认知发射机STk到认知接收机SRk链路的预编码向量同方向的向量：
其中，ps′表示一个与认知发射机STk到认知接收机SRk链路的预编码向量同方向的向量；GSP表示STk与PR之间的2行1列信道状态信息矩阵，其元素服从零均值、单位方差的复高斯分布；GSS表示STk与SRk之间的2行1列的信道状态信息矩阵，其元素服从零均值、单位方差的复高斯分布；|·|2表示求模值平方操作；H表示求向量的共轭转置操作；
第二步，按照下式，计算认知发射机STk到认知接收机SRk链路的预编码向量：
其中，ps表示认知发射机STk到认知接收机SRk链路的预编码向量；|·|表示求模值操作；
第三步，按照下式，计算认知发射机STk向认知接收机SRk传输的频谱效率：
其中，表示认知发射机STk进行并发传输时认知发射机STk到认知接收机SRk链路的频谱效率；Ps表示认知发射机发送认知数据时的发射功率；GSS表示STk与SRk之间的2行1列的信道状态信息矩阵，其元素服从零均值、单位方差的复高斯分布；ps表示认知发射机STk到认知接收机SRk链路的预编码向量；表示高斯白噪声方法；|·|2表示求模值平方操作；log2(·)表示求以2为底的对数操作；
第四步，按照下式，计算认知发射机STk到认知接收机SRk的链路速率信息：
其中，表示在第t个传输周期中在认知发射机STk进行并发传输时认知发射机STk到认知接收机SRk的链路速率信息；βk(t)表示在第t个传输周期时在认知发射机STk作为中继时的时隙划分因子，其取值范围为(0,1)；W表示授权发射机PT的总带宽；表示认知发射机STk进行并发传输时认知发射机STk到认知接收机SRk链路的频谱效率。
6.根据权利要求1所述的基于多维资源自适应分配的协作认知传输方法，其特征在于，步骤(3e)中所述的认知发射机STk的时隙划分因子和频率分配因子的值获取步骤如下：
第一步，按照下式，计算信道状态条件：
其中，CSP表示认知发射机STk向授权接收机PR传输的频谱效率；CPS表示授权发射机PT向认知发射机STk进行数据传输的频谱效率；表示在认知发射机STk进行并发传输时认知发射机STk到认知接收机SRk链路频谱效率；表示在认知发射机STk向认知接收机SRk传输的频谱效率；
第二步，当信道状态条件成立时，按照下式，计算时隙划分因子：
其中，βk(t)表示在第t个传输周期时在认知发射机STk作为中继时的时隙划分因子；CSP表示认知发射机STk向授权接收机PR传输的频谱效率；CPS表示授权发射机PT向认知发射机STk进行数据传输的频谱效率；
第三步，当信道状态条件不成立时，按照下式，计算时隙划分因子的最小值：
其中，表示第t个传输周期时时隙分配因子的最小值；CSP表示认知发射机STk向授权接收机PR传输的频谱效率；CPS表示授权发射机PT向认知发射机STk进行数据传输的频谱效率；
第四步，当信道状态条件不成立时，按照下式，计算认知发射机STk的临界时隙划分因子：
其中，表示认知发射机STk的临界时隙划分因子；βk(t)表示在第t个传输周期时在认知发射机STk作为中继时的时隙划分因子；表示第t个传输周期时时隙分配因子的最小值；Rp,k(t)表示在认知发射机STk作为中继时授权发射机PT到授权接收机PR的端到端等效链路速率；表示授权用户的速率要求；arg[·]表示符合条件的参数；t表示传输周期；
第五步，当信道状态条件不成立时，按照下式，计算认知发射机STk的奖励因子：
其中，ηk表示认知发射机STk的奖励因子；表示认知用户对(STk,SRk)的前t-1个传输周期平均速率，表示认知系统前t-1个传输周期的平均速率；
第六步，当信道状态条件不成立时，按照下式，计算βk(t)认知发射机STk的时隙划分因子：
其中，βk(t)认知发射机STk的时隙划分因子；表示第t个传输周期时时隙分配因子的最小值；ηk表示认知发射机STk的奖励因子；表示认知发射机STk的临界时隙划分因子；
第七步，按照下式，计算认知发射机STk的带宽分配因子的值：
其中，αk(t)表示认知发射机STk的带宽分配因子；βk(t)认知发射机STk的时隙划分因子；CSP表示认知发射机STk向授权接收机PR传输的频谱效率；CPS表示授权发射机PT向认知发射机STk进行数据传输的频谱效率。
7.根据权利要求1所述的基于多维资源自适应分配的协作认知传输方法，其特征在于，步骤(3f)中所述的认知发射机STk作为中继时授权发射机PT到授权接收机PR的端到端等效链路速率和认知发射机STk到认知接收机SRk的平均链路速率按照如下公式得到：
Rp,k(t)＝[1-βk(t)]WCSP
其中，Rp,k(t)表示在第t个传输周期时认知发射机STk作为中继授权发射机PT到授权接收机PR的端到端等效链路速率；βk(t)表示在第t个传输周期时在认知发射机STk作为中继时的时隙划分因子；W表示发射机总功率；CSP表示认知发射机STk向授权接收机PR传输的频谱效率；Rs,k(t)表示认知发射机STk到认知接收机SRk的平均链路速率；表示认知发射机STk到认知接收机SRk链路速率；表示在认知发射机STk进行并发传输时认知发射机STk到认知接收机SRk链路速率；t表示第t个传输周期。
8.根据权利要求1所述的基于多维资源自适应分配的协作认知传输方法，其特征在于，步骤(4a)中所述的认知中继STk的调度权重根据授权传输速率和认知平均传输速率，按照如下公式得到：
其中，wk(t)表示第t个传输周期中认知中继STk的调度权重；Rp,k(t)表示第t个传输周期中授权发射机PT到授权接收机PR的端到端等效链路速率；表示认知用户对(STk,SRk)的前t-1个传输周期平均速率。
9.根据权利要求1所述的基于多维资源自适应分配的协作认知传输方法，其特征在于，步骤(6)中所述的比例公平算法的公式如下：
其中，表示在第t个传输周期时各认知用户的平均传输速率；Rs,k(t)表示被授权发射机被选作中继时认知用户的传输速率；δc表示第t个传输周期内(STk,SRk)的可达速率Rs,k(t)对其平均速率的影响程度，δc的取值范围为[0,1]；K表示系统中认知用户对的个数。
CN201510761125.0A 2015-11-10 2015-11-10 基于多维资源自适应分配的协作认知传输方法 Active CN105450280B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510761125.0A CN105450280B (zh) 2015-11-10 2015-11-10 基于多维资源自适应分配的协作认知传输方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510761125.0A CN105450280B (zh) 2015-11-10 2015-11-10 基于多维资源自适应分配的协作认知传输方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105450280A CN105450280A (zh) 2016-03-30
CN105450280B true CN105450280B (zh) 2018-07-27

Family

ID=55560123

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510761125.0A Active CN105450280B (zh) 2015-11-10 2015-11-10 基于多维资源自适应分配的协作认知传输方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105450280B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105979556B (zh) * 2016-04-14 2019-06-21 西安电子科技大学 兼顾速率和能量效率的公平中继选择方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101867424A (zh) * 2010-06-25 2010-10-20 西安交通大学 一种认知无线电网络的协作频谱感知方法
CN102014396A (zh) * 2010-12-16 2011-04-13 北京航空航天大学 一种基于能量和转发速率的认知无线电网络中协作节点的选择方法
CN102412915A (zh) * 2011-11-09 2012-04-11 南京邮电大学 认知传感器网络中一种基于能耗的分簇频谱感知方法
CN102468890A (zh) * 2010-11-09 2012-05-23 上海无线通信研究中心 认知无线网络中的多用户协作信道选择方法
CN102595422A (zh) * 2012-03-22 2012-07-18 哈尔滨工业大学 一种认知无线电系统中垂直并行的频谱分配方法
WO2013042934A2 (en) * 2011-09-19 2013-03-28 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and system for implementing mobile relay

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8655283B2 (en) * 2007-04-23 2014-02-18 Lingna Holdings Pte., Llc Cluster-based cooperative spectrum sensing in cognitive radio systems

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101867424A (zh) * 2010-06-25 2010-10-20 西安交通大学 一种认知无线电网络的协作频谱感知方法
CN102468890A (zh) * 2010-11-09 2012-05-23 上海无线通信研究中心 认知无线网络中的多用户协作信道选择方法
CN102014396A (zh) * 2010-12-16 2011-04-13 北京航空航天大学 一种基于能量和转发速率的认知无线电网络中协作节点的选择方法
WO2013042934A2 (en) * 2011-09-19 2013-03-28 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and system for implementing mobile relay
CN102412915A (zh) * 2011-11-09 2012-04-11 南京邮电大学 认知传感器网络中一种基于能耗的分簇频谱感知方法
CN102595422A (zh) * 2012-03-22 2012-07-18 哈尔滨工业大学 一种认知无线电系统中垂直并行的频谱分配方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN105450280A (zh) 2016-03-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hua et al. Exploiting MIMO antennas in cooperative cognitive radio networks
KR101524689B1 (ko) 간섭 정렬을 위하여 선택적으로 간섭 채널들에 대한 정보를피드백하는 통신 시스템 및 그 방법
Björnson et al. Cell-free versus cellular massive MIMO: What processing is needed for cell-free to win?
CN101784119B (zh) Ofdma分布式天线网络资源的分配方法
US20120170442A1 (en) System and Method for Transceiver Design
CN102882570B (zh) 移动通信网络下设备间通信的最优收发联合处理方法
CN105450274B (zh) 基于能效最优的大规模多天线中继系统用户数优化方法
Ju et al. Performance analysis for cooperative NOMA with opportunistic relay selection
CN110149127B (zh) 一种基于noma技术的d2d通信系统预编码向量优化方法
KR102306100B1 (ko) Ｍｕ­ｍｉｍｏ 간섭 채널 네트워크 환경에서의 간섭정렬 송수신 신호처리 장치 및 방법
WO2012015391A1 (en) Method and apparatus for cooperation in cognitive radio networks
Al-Abbasi et al. Resource allocation for MU-MIMO non-orthogonal multiple access (NOMA) system with interference alignment
CN106231665A (zh) 数能一体化网络中基于rrh动态模式切换的资源分配方法
Alsharoa et al. Joint bandwidth and power allocation for MIMO two-way relays-assisted overlay cognitive radio systems
CN102833038A (zh) 多小区多播mimo移动通信系统下行多业务协作预编码方法
Zhang et al. Outage probability analysis of NOMA within massive MIMO systems
CN105450280B (zh) 基于多维资源自适应分配的协作认知传输方法
CN111800217A (zh) 非理想信道状态下全双工认知多输入多输出中继协作方法
Sarker et al. Uplink power allocation scheme for user-centric cell-free massive MIMO systems
Jiang et al. Max–min weighted downlink SINR with uplink SINR constraints for full-duplex MIMO systems
CN105188123B (zh) 用于双向中继网络的中继处理和功率控制联合优化方法
Hsu et al. Client-AP association for multiuser mimo networks
CN106209335B (zh) 一种用于d2d通信系统的导频复用方法
Zhao et al. User admission and clustering for uplink multiuser wireless systems
Krishnan et al. D-MIMOO–Distributed MIMO for Office Wi-Fi Networks

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant