CN105813210B - 基于df协议的双向中继认知无线电系统中的资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DF协议的双向中继认知无线电系统中的资源分配方法，其在求解优化资源分配问题的过程中通过利用DF协议容量最大化特点，得到认知移动用户、基站与各个中继之间的功率关系；然后利用该关系及认知移动用户向中继传输信号时所用的功率限制条件、基站向中继传输信号时所用的功率限制条件、干扰限制条件得到通过每个中继传输信号时DF协议下的双向中继认知无线电系统的系统容量，并遍历出DF协议下的双向中继认知无线电系统的最大系统容量及最大系统容量对应的中继和该中继广播信号时所用的功率；优点是不仅改善了系统容量，而且仅求解每个中继广播信号时所用的功率即可，简化了功率求解过程，从而降低了求解的复杂度。

Description

基于DF协议的双向中继认知无线电系统中的资源分配方法

技术领域

本发明涉及一种资源分配方法，尤其是涉及一种基于DF(Decode and Forward，解码转发)协议的双向中继认知无线电系统中的资源分配方法。

背景技术

随着无线技术的快速发展以及无线通信用户量和业务量的快速增长，频谱紧缺问题日益突出。在认知无线电系统中合理地进行资源分配可以提高频谱的利用率和传输速率，缓解频谱利用率低的情况。认知无线电中的动态频谱接入有两种方式：频谱机会式接入和频谱共享式接入。在频谱机会式接入方式中，当检测到授权频带空闲时，认知用户便可以接入信道。在频谱共享式接入方式中，不管授权用户是否存在，在保证授权用户服务质量的情况下，认知用户均可接入信道。

为了满足人们更高的无线通信业务需求，新一代的无线通信系统不仅需要能提供更高的系统容量，而且还需要能满足用户对服务质量的要求，如链路的可靠性以及网络的覆盖范围等。然而，考虑到无线信道的时变特性以及信号传输中的距离衰落等因素的影响，使得无线传输的可靠性以及网络的覆盖范围等方面遇到了严峻的挑战。而协作中继技术有效地改善了在无线环境中因为地理分布以及信道的深度衰减等因素所造成的信号可靠度降低，它将有助于提高通信质量、增加无线通信系统的系统容量以及扩大网络的覆盖范围。因而，协作中继技术是当前最受到关注的无线通信技术之一。

认知无线电中的中继网络可根据不同的形式进行分类。认知无线电中的中继网络根据数据流方向可分为两种：一种是单向中继网络，即信号由源节点发送通过中继到达目的节点；另一种是双向中继网络，即信号由两端节点发送给中继，中继再分别转发给两端节点。双向中继系统的整体系统容量是单向中继系统的整体系统容量的两倍，这使得双向中继网络更进一步地被关注。在双向中继系统中，基于物理层网络编码的双向中继系统应用最为广泛，它只需要两个时隙就可以完成双向数据的交互，因而比传统的单向中继系统提高了一倍的效率。认知无线电中的中继网络根据中继节点的双工方式又可分为两种：一种是半双工中继网络；另一种是全双工中继网络。考虑到实现复杂度，目前常见的中继系统一般都为半双工中继系统。采用半双工方式的协作中继节点根据信号处理策略可分为AF(Amplify and Forward，放大转发)、DF(Decode and Forward，解码转发)和CC(CodedCooperation，编码协作)。DF协议方式是中继在接收到源节点的信号后先进行解码，然后将解码后的数据重新编码后再转发给目的节点。

在基于DF协议的双向中继认知无线电系统中，经典方法有三种，一是将优化问题转为凸优化问题进行求解；二是应用拉格朗日结合次梯度方法进行求解；三是应用注水法等传统方法求解。还有一些应用基于遗传算法的方法求解优化问题。由于存在对认知移动用户发射功率的限制和对授权用户干扰的限制，因此将优化问题转为凸优化问题进行求解的方法和应用拉格朗日结合次梯度方法进行求解的方法的复杂度高，不易求解；而应用传统的注水法求解的方法和应用基于遗传算法求解优化问题的方法不能得到较高的系统容量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于DF协议的双向中继认知无线电系统中的资源分配方法，其不仅提高了系统容量，而且简化了功率分配，降低了复杂度。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于DF协议的双向中继认知无线电系统中的资源分配方法，其特征在于包括以下步骤：

①设定双向中继认知无线电系统中的每个信道采用多瑞利衰落模型；设定双向中继认知无线电系统由一个认知移动用户、一个基站、M个中继及一个授权用户组成，其中，M>1；设定认知移动用户与基站之间没有直接链路，需选择1个中继进行信号传输；

设定每个中继选择半双工工作方式，每个中继进行信号传输的过程分为两个时隙：第一时隙为MA时隙，在第一时隙中，基站向所有中继传输信号，将基站的发射功率记为P_CB，同时认知移动用户向所有中继传输信号，将认知移动用户的发射功率记为P_S，基站和认知移动用户传输信号时是向同一个中继传输信号的；在第一时隙中，认知移动用户和基站均对授权用户产生干扰；第二时隙为BC时隙，在第二时隙中，每个中继对其接收到的来自基站的信号和来自认知移动用户的信号进行广播，将第m个中继广播信号时所用的功率记为在第二时隙中，每个中继也对授权用户产生干扰；上述，1≤m≤M；

设定基站与每个中继之间的信道增益、认知移动用户与每个中继之间的信道增益、认知移动用户与授权用户之间的信道增益、基站与授权用户之间的信道增益、每个中继与授权用户之间的信道增益都是已知的，将基站与第m个中继之间的信道增益、认知移动用户与第m个中继之间的信道增益、认知移动用户与授权用户之间的信道增益、基站与授权用户之间的信道增益、第m个中继与授权用户之间的信道增益对应记为g₁、g₂、g₃、g₄、g₅，其中，1≤m≤M，符号“||”为取绝对值符号，表示基站与第m个中继之间的信道系数，表示认知移动用户与第m个中继之间的信道系数，h^S-PU表示认知移动用户与授权用户之间的信道系数，h^CB-PU表示基站与授权用户之间的信道系数，表示第m个中继与授权用户之间的信道系数；设定认知移动用户与授权用户同时接入频谱进行信号传输；设定双向中继认知无线电系统中的所有噪声都为加性高斯白噪声σ_n ²；

②将通过第m个中继传输信号时DF协议下的双向中继认知无线电系统的系统容量 表示为R_DF，其中，1≤m≤M，此处min()为取最小 值函数，R₁表示在第一时隙中认知移动用户到第m个中继的速率，R₂ 表示在第一时隙中基站到第m个中继的速率，R₃表示在第二时隙中 第m个中继到基站的速率，R₄表示在第二时隙中第m个中继到认知移 动用户的速率，R₅表示在第二时隙中第m个中继能处理信号的最大 限制速率，

③构建DF协议下的双向中继认知无线电系统中的优化资源分配问题，描述为：其中，max表示“使最大化”，s.t.表示“受约束于”，表示认知移动用户的限制功率，表示基站的限制功率，表示第m个中继的限制功率，I_th表示授权用户所能接受的最大干扰值，第1个约束条件为P_S的限制条件，第2个约束条件为P_CB的限制条件，第3个约束条件为的限制条件，第4个约束条件表示在第一时隙中认知移动用户向第m个中继传输信号时认知移动用户对授权用户产生的干扰与基站向第m个中继传输信号时基站对授权用户产生的干扰之和不超过授权用户所能接受的最大干扰值，第5个约束条件表示在第二时隙中第m个中继广播信号时其对授权用户产生的干扰不超过授权用户所能接受的最大干扰值；

④求解步骤③中的优化资源分配问题，在求解过程中采用DF协议容量最大化的特点，求解得到认知移动用户、基站与各个中继之间的功率关系；然后用每个中继广播信号时所用的功率来表示认知移动用户向该个中继传输信号时所用的功率和基站向该个中继传输信号时所用的功率，获得通过每个中继传输信号时DF协议下的双向中继认知无线电系统的系统容量，从而得到DF协议下的双向中继认知无线电系统的最大系统容量及最大系统容量对应的中继和该中继广播信号时所用的功率。

所述的步骤④的具体过程为：

④_1、将转化成然后根据DF协议容量最大化的特点，当R₁等于R₃且R₂等于R₄时，R_DF的值最大，将转化成

④_2、根据R₁等于R₃及得到并根据R₂等于R₄及得到然后将转化成并将转化成

④_3、根据及和得到

④_4、结合中的5个约束条件，得到其中，此处min()为取最小值函数；

④_5、根据将转化成然后求解

得到通过各个中继传输信号时DF协议下的双向中继认知无线电系统的系统容量；

④_6、遍历所有中继各自传输信号时DF协议下的双向中继认知无线电系统的系统容量，获得DF协议下的双向中继认知无线电系统的最大系统容量，并获得最大系统容量对应的中继和该中继广播信号时所用的功率。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明方法在求解优化资源分配问题的过程中通过利用DF协议容量最大化特点，得到认知移动用户、基站与各个中继之间的功率关系；然后利用该关系及认知移动用户向中继传输信号时所用的功率限制条件、基站向中继传输信号时所用的功率限制条件、干扰限制条件得到通过每个中继传输信号时DF协议下的双向中继认知无线电系统的系统容量，并遍历出DF协议下的双向中继认知无线电系统的最大系统容量及最大系统容量对应的中继和该中继广播信号时所用的功率；本发明方法求解优化资源分配问题的过程简洁明了，不仅改善了系统容量，而且用每个中继广播信号时所用的功率来表示认知移动用户向该个中继传输信号时所用的功率和基站向该个中继传输信号时所用的功率，即仅求解每个中继广播信号时所用的功率即可，简化了功率求解过程，从而降低了求解的复杂度。

附图说明

图1为双向中继认知无线电系统的结构框图；

图2为本发明方法的总体实现框图；

图3a为在加性高斯白噪声σ_n ²的取值为10^-4，中继个数M＝4，授权用户所能接受的最大干扰值I_th的取值为20dBm时，认知移动用户的限制功率、基站的限制功率及每个中继的限制功率的取值从-20dBm～40dBm，本发明方法与现有的基于GA(Genetic Algorithm)的方法的系统容量随限制功率的变化曲线的对比图；

图3b为在加性高斯白噪声σ_n ²的取值为10^-4，中继个数M＝4，授权用户所能接受的最大干扰值I_th的取值为10dBm时，认知移动用户的限制功率、基站的限制功率及每个中继的限制功率的取值从-20dBm～40dBm，本发明方法与现有的基于GA(Genetic Algorithm)的方法的系统容量随限制功率的变化曲线的对比图；

图4a为在加性高斯白噪声σ_n ²的取值为10^-4，中继个数M＝4，认知移动用户的限制功率、基站的限制功率及每个中继的限制功率的取值为20dBm时，授权用户所能接受的最大干扰值I_th的取值从-10dBm～30dBm，本发明方法与现有的基于GA(Genetic Algorithm)的方法的系统容量随授权用户所能接受的最大干扰值的变化曲线的对比图；

图4b为在加性高斯白噪声σ_n ²的取值为10^-4，中继个数M＝4，认知移动用户的限制功率、基站的限制功率及每个中继的限制功率的取值为10dBm时，授权用户所能接受的最大干扰值I_th的取值从-10dBm～30dBm，本发明方法与现有的基于GA(Genetic Algorithm)的方法的系统容量随授权用户所能接受的最大干扰值的变化曲线的对比图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明提出的一种基于DF协议的双向中继认知无线电系统中的资源分配方法，其总体实现框图如图2所示，其包括以下步骤：

①设定双向中继认知无线电系统中的每个信道采用多瑞利衰落模型；设定双向中继认知无线电系统由一个认知移动用户、一个基站、M个中继及一个授权用户组成，将认知移动用户、基站、第m个中继及授权用户对应记为S、CB、RS_m及PU，如图1所示，其中，1≤m≤M，M>1；设定认知移动用户与基站之间没有直接链路，需选择1个中继进行信号传输。

设定每个中继选择半双工工作方式，每个中继进行信号传输的过程分为两个时隙：第一时隙为MA(Multiple Access，多址接入)时隙，在第一时隙中，基站向所有中继传输信号，将基站的发射功率记为P_CB，同时认知移动用户向所有中继传输信号，将认知移动用户的发射功率记为P_S，基站和认知移动用户传输信号时是向同一个中继传输信号的；在第一时隙中，认知移动用户和基站均对授权用户产生干扰；第二时隙为BC(Broadcast Channel，广播)时隙，在第二时隙中，每个中继对其接收到的来自基站的信号和来自认知移动用户的信号进行广播，将第m个中继广播信号时所用的功率记为在第二时隙中，每个中继也对授权用户产生干扰；上述，1≤m≤M。

设定基站与每个中继之间的信道增益、认知移动用户与每个中继之间的信道增益、认知移动用户与授权用户之间的信道增益、基站与授权用户之间的信道增益、每个中继与授权用户之间的信道增益都是已知的，将基站与第m个中继之间的信道增益、认知移动用户与第m个中继之间的信道增益、认知移动用户与授权用户之间的信道增益、基站与授权用户之间的信道增益、第m个中继与授权用户之间的信道增益对应记为g₁、g₂、g₃、g₄、g₅，其中，1≤m≤M，符号“||”为取绝对值符号，如图1所示，表示基站与第m个中继之间的信道系数，表示认知移动用户与第m个中继之间的信道系数，h^S-PU表示认知移动用户与授权用户之间的信道系数，h^CB-PU表示基站与授权用户之间的信道系数，表示第m个中继与授权用户之间的信道系数，在双向中继认知无线电系统中，基站与第m个中继之间的信道信息、认知移动用户与第m个中继之间的信道信息、基站与授权用户之间的信道信息、认知移动用户与授权用户之间的信道信息及第m个中继与授权用户之间的信道信息已知；设定认知移动用户与授权用户同时接入频谱进行信号传输；不失一般性，设定双向中继认知无线电系统中的所有噪声都为加性高斯白噪声σ_n ²。

②将通过第m个中继传输信号时DF协议下的双向中继认知无线电系统的系统容量 表示为R_DF，其中，1≤m≤M，此处min()为取最小 值函数，R₁表示在第一时隙中认知移动用户到第m个中继的速率，R₂ 表示在第一时隙中基站到第m个中继的速率，R₃表示在第二时隙中 第m个中继到基站的速率，R₄表示在第二时隙中第m个中继到认知移 动用户的速率，R₅表示在第二时隙中第m个中继能处理信号的最大 限制速率，

③构建DF协议下的双向中继认知无线电系统中的优化资源分配问题，描述为：其中，max表示“使最大化”，s.t.表示“受约束于”，表示认知移动用户的限制功率，表示基站的限制功率，表示第m个中继的限制功率，和的值均已知，I_th表示授权用户所能接受的最大干扰值(授权用户的限制干扰)，I_th的值已知，第1个约束条件为P_S的限制条件，第2个约束条件为P_CB的限制条件，第3个约束条件为的限制条件，第4个约束条件表示在第一时隙中认知移动用户向第m个中继传输信号时认知移动用户对授权用户产生的干扰与基站向第m个中继传输信号时基站对授权用户产生的干扰之和不超过授权用户所能接受的最大干扰值，第5个约束条件表示在第二时隙中第m个中继广播信号时其对授权用户产生的干扰不超过授权用户所能接受的最大干扰值。

④求解步骤③中的优化资源分配问题，在求解过程中采用DF协议容量最大化的特点，求解得到认知移动用户、基站与各个中继之间的功率关系；然后用每个中继广播信号时所用的功率来表示认知移动用户向该个中继传输信号时所用的功率和基站向该个中继传输信号时所用的功率，获得通过每个中继传输信号时DF协议下的双向中继认知无线电系统的系统容量，从而得到DF协议下的双向中继认知无线电系统的最大系统容量及最大系统容量对应的中继和该中继广播信号时所用的功率。

在此具体实施例中，步骤④的具体过程为：

④_1、将转化成然后根据DF协议容量最大化的特点，当R₁等于R₃且R₂等于R₄时，R_DF的值最大，将转化成

④_2、根据R₁等于R₃及得到并根据R₂等于R₄及得到然后将转化成并将转化成

④_3、根据及和得到

④_4、结合中的5个约束条件，得到其中，此处min()为取最小值函数。

④_5、根据将转化成然后求解

得到通过各个中继传输信号时DF协议下的双向中继认知无线电系统的系统容量。

④_6、遍历所有中继各自传输信号时DF协议下的双向中继认知无线电系统的系统容量，获得DF协议下的双向中继认知无线电系统的最大系统容量，并获得最大系统容量对应的中继和该中继广播信号时所用的功率。

为了进一步说明本发明方法的可行性和有效性，进行以下仿真。

双向中继认知无线电系统中的所有信道都假设为独立和服从多瑞利衰落。加性高斯白噪声σ_n ²的取值为10^-4，中继个数M＝4。

图3a给出了在加性高斯白噪声σ_n ²的取值为10^-4，中继个数M＝4，授权用户所能接受的最大干扰值I_th的取值为20dBm时，认知移动用户的限制功率、基站的限制功率及每个中继的限制功率的取值从-20dBm～40dBm，本发明方法与现有的基于GA(Genetic Algorithm)的方法的系统容量随限制功率的变化曲线的对比；图3b给出了在加性高斯白噪声σ_n ²的取值为10^-4，中继个数M＝4，授权用户所能接受的最大干扰值I_th的取值为10dBm时，认知移动用户的限制功率、基站的限制功率及每个中继的限制功率的取值从-20dBm～40dBm，本发明方法与现有的基于GA(Genetic Algorithm)的方法的系统容量随限制功率的变化曲线的对比。

分析图3a和图3b，可知当授权用户所能接受的最大干扰值I_th的取值为20dBm，认知移动用户的限制功率、基站的限制功率及每个中继的限制功率的取值小于20dBm时，本发明方法的系统容量随限制功率的增加而不断增加，而当认知移动用户的限制功率、基站的限制功率及每个中继的限制功率的取值大于20dBm时，本发明方法的系统容量保持不变；当授权用户所能接受的最大干扰值I_th的取值为10dBm，认知移动用户的限制功率、基站的限制功率及每个中继的限制功率的取值小于0dBm时，本发明方法的系统容量随限制功率的增加而不断增加，而当认知移动用户的限制功率、基站的限制功率及每个中继的限制功率的取值大于0dBm时，本发明方法的系统容量保持不变。当授权用户所能接受的最大干扰值I_th的取值为20dBm，认知移动用户的限制功率、基站的限制功率及每个中继的限制功率的取值小于20dBm时，现有的基于GA(Genetic Algorithm)的方法的系统容量随限制功率的增加而不断增加，而当认知移动用户的限制功率、基站的限制功率及每个中继的限制功率的取值大于20dBm时，现有的基于GA(Genetic Algorithm)的方法的系统容量随限制功率的增加而不断降低；当授权用户所能接受的最大干扰值I_th的取值为10dBm，认知移动用户的限制功率、基站的限制功率及每个中继的限制功率的取值小于0dBm时，现有的基于GA(GeneticAlgorithm)的方法的系统容量随限制功率的增加而不断增加，而当认知移动用户的限制功率、基站的限制功率及每个中继的限制功率的取值大于0dBm时，现有的基于GA(GeneticAlgorithm)的方法的系统容量随限制功率的增加而不断降低。由仿真结果对比可知，本发明方法使得系统容量更高。

图4a给出了在加性高斯白噪声σ_n ²的取值为10^-4，中继个数M＝4，认知移动用户的限制功率、基站的限制功率及每个中继的限制功率的取值为20dBm时，授权用户所能接受的最大干扰值I_th的取值从-10dBm～30dBm，本发明方法与现有的基于GA(Genetic Algorithm)的方法的系统容量随授权用户所能接受的最大干扰值的变化曲线的对比；图4b给出了在加性高斯白噪声σ_n ²的取值为10^-4，中继个数M＝4，认知移动用户的限制功率、基站的限制功率及每个中继的限制功率的取值为10dBm时，授权用户所能接受的最大干扰值I_th的取值从-10dBm～30dBm，本发明方法与现有的基于GA(Genetic Algorithm)的方法的系统容量随授权用户所能接受的最大干扰值的变化曲线的对比。

分析图4a和图4b，可知当认知移动用户的限制功率、基站的限制功率及每个中继的限制功率的取值为20dBm，授权用户所能接受的最大干扰值I_th的取值小于25dBm时，本发明方法的系统容量随授权用户所能接受的最大干扰值的增加而不断增加，而当授权用户所能接受的最大干扰值I_th的取值大于25dBm时，本发明方法的系统容量保持不变；当认知移动用户的限制功率、基站的限制功率及每个中继的限制功率的取值为10dBm，授权用户所能接受的最大干扰值I_th的取值小于15dBm时，本发明方法的系统容量随授权用户所能接受的最大干扰值的增加而不断增加，而当授权用户所能接受的最大干扰值I_th的取值大于15dBm时，本发明方法的系统容量保持不变。现有的基于GA(Genetic Algorithm)的方法，认知移动用户的限制功率、基站的限制功率及每个中继的限制功率不随授权用户所能接受的最大干扰值I_th变化而变化，当授权用户所能接受的最大干扰值I_th小于某个定值时，中继的限制功率取的最小值随着授权用户所能接受的最大干扰值I_th的增大而增大，现有的基于GA(GeneticAlgorithm)的方法的系统容量也会随之而增大；当授权用户所能接受的最大干扰值I_th超出此定值时，中继的限制功率则取最小值不变，则现有的基于GA(Genetic Algorithm)的方法的系统容量不变。由仿真结果对比可知，本发明方法使得系统容量更高。

Claims (1)

1.一种基于DF协议的双向中继认知无线电系统中的资源分配方法，其特征在于包括以下步骤：

①设定双向中继认知无线电系统中的每个信道采用多瑞利衰落模型；设定双向中继认知无线电系统由一个认知移动用户、一个基站、M个中继及一个授权用户组成，其中，M＞1；设定认知移动用户与基站之间没有直接链路，需选择1个中继进行信号传输；

设定每个中继选择半双工工作方式，每个中继进行信号传输的过程分为两个时隙：第一时隙为MA时隙，在第一时隙中，基站向所有中继传输信号，将基站的发射功率记为P_CB，同时认知移动用户向所有中继传输信号，将认知移动用户的发射功率记为P_S，基站和认知移动用户传输信号时是向同一个中继传输信号的；在第一时隙中，认知移动用户和基站均对授权用户产生干扰；第二时隙为BC时隙，在第二时隙中，每个中继对其接收到的来自基站的信号和来自认知移动用户的信号进行广播，将第m个中继广播信号时所用的功率记为在第二时隙中，每个中继也对授权用户产生干扰；上述，1≤m≤M；

设定基站与每个中继之间的信道增益、认知移动用户与每个中继之间的信道增益、认知移动用户与授权用户之间的信道增益、基站与授权用户之间的信道增益、每个中继与授权用户之间的信道增益都是已知的，将基站与第m个中继之间的信道增益、认知移动用户与第m个中继之间的信道增益、认知移动用户与授权用户之间的信道增益、基站与授权用户之间的信道增益、第m个中继与授权用户之间的信道增益对应记为g₁、g₂、g₃、g₄、g₅，g₃＝|h^S-PU|²，g₄＝|h^CB-PU|²，其中，1≤m≤M，符号“||”为取绝对值符号，表示基站与第m个中继之间的信道系数，表示认知移动用户与第m个中继之间的信道系数，h^S-PU表示认知移动用户与授权用户之间的信道系数，h^CB-PU表示基站与授权用户之间的信道系数，表示第m个中继与授权用户之间的信道系数；设定认知移动用户与授权用户同时接入频谱进行信号传输；设定双向中继认知无线电系统中的所有噪声都为加性高斯白噪声σ_n ²；

②将通过第m个中继传输信号时DF协议下的双向中继认知无线电系统的系统容量表示为R_DF，其中，1≤m≤M，此处min()为取最小值函数，R₁表示在第一时隙中认知移动用户到第m个中继的速率，R₂表示在第一时隙中基站到第m个中继的速率，R₃表示在第二时隙中第m个中继到基站的速率，R₄表示在第二时隙中第m个中继到认知移动用户的速率，R₅表示在第二时隙中第m个中继能处理信号的最大限制速率，

③构建DF协议下的双向中继认知无线电系统中的优化资源分配问题，描述为：其中，max表示“使最大化”，s.t.表示“受约束于”，表示认知移动用户的限制功率，表示基站的限制功率，表示第m个中继的限制功率，I_th表示授权用户所能接受的最大干扰值，第1个约束条件为P_S的限制条件，第2个约束条件为P_CB的限制条件，第3个约束条件为的限制条件，第4个约束条件表示在第一时隙中认知移动用户向第m个中继传输信号时认知移动用户对授权用户产生的干扰与基站向第m个中继传输信号时基站对授权用户产生的干扰之和不超过授权用户所能接受的最大干扰值，第5个约束条件表示在第二时隙中第m个中继广播信号时其对授权用户产生的干扰不超过授权用户所能接受的最大干扰值；

④求解步骤③中的优化资源分配问题，在求解过程中采用DF协议容量最大化的特点，求解得到认知移动用户、基站与各个中继之间的功率关系；然后用每个中继广播信号时所用的功率来表示认知移动用户向该个中继传输信号时所用的功率和基站向该个中继传输信号时所用的功率，获得通过每个中继传输信号时DF协议下的双向中继认知无线电系统的系统容量，从而得到DF协议下的双向中继认知无线电系统的最大系统容量及最大系统容量对应的中继和该中继广播信号时所用的功率；

所述的步骤④的具体过程为：

④_1、将转化成然后根据DF协议容量最大化的特点，当R₁等于R₃且R₂等于R₄时，R_DF的值最大，将转化成

④_2、根据R₁等于R₃及得到并根据R₂等于R₄及得到然后将转化成并将转化成

④_3、根据及和得到

④_4、结合中的5个约束条件，得到其中，此处min()为取最小值函数；

④_5、根据将转化成然后求解得到通过各个中继传输信号时DF协议下的双向中继认知无线电系统的系统容量；

④_6、遍历所有中继各自传输信号时DF协议下的双向中继认知无线电系统的系统容量，获得DF协议下的双向中继认知无线电系统的最大系统容量，并获得最大系统容量对应的中继和该中继广播信号时所用的功率。