CN106535201B - 下一代移动通信中认知无线电网络用户协作传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种下一代移动通信中认知无线电网络用户协作传输方法，将主系统带宽释放一部分频谱供次级系统使用，将数据传输时隙划分为两个子时隙，在第一个子时隙时由主发送用户将主信号进行广播至主接收用户和次级用户，从次级用户中筛选出最优次级用户，然后在第二个子时隙，由最优次级用户将主信号中继发送给主接收用户，主接收用户对所接收到的主信号进行接收合并；在整个数据传输时隙，当需要向次级用户发送下行数据时，中心控制器调用主系统和次级系统以数据分流方式向该次级用户发送数据。本发明将次级用户作为中继协作进行主信号传输，从主系统换取部分频谱供次级用户进行数据分流，从而降低次级能耗，提高次级传输的能量效率。
Description
技术领域
本发明属于下一代移动通信中认知无线电网络技术领域，更为具体地讲，涉及一种下一代移动通信中认知无线电网络用户协作传输方法。
背景技术
通信技术的发展蒸蒸日上，移动通信系统经历了从1G到4G的不断演进。移动通信支持的数据速率从1G时代的几kbit/s到现在5G标准的Gbit/s数量级。随着物联网(Internet-of-things)和M2M(machine-to-machine)通信的快速发展，通过无线连接的设备数量将会是现在的10-100倍左右。密集的网络部署和超高的数据速率要求使得能耗问题成为应该考虑的重要因素。第四代移动通信网络(4G)在数据速率、网络容量、频谱等各个方面已经不能满足用户的需求，第五代移动通信网络(5G)在满足客户需求方面做了很大改进。低时延、高速率、低能耗等是5G将要面临的挑战。5G潜在的关键技术包括：D2D通信、大规模MIMO、超密集异构部署、绿色通信。绿色通信旨在提高通信网络的能源使用率、明显降低网络能耗。低功耗是未来移动通信系统的一个重要设计目标。
为达成绿色通信的目的，学术界、产业界、以及一些国际组织纷纷加入，积极推动通信节能方法的研究。而无线接入网的能耗占有很大的比重，因此对现有的无线接入技术和网络结构进行改进，对实现绿色通信有很大的促进作用。文献“侯延昭,陶小峰.面向绿色无线通信的基站体系结构[J].中兴通讯技术,2010,16(6):16-19.”中提出了一种基于软件无线电的基站体系结构，能够很好提高通信系统的能效。文献“张武雄,胡宏林,杨旸.基于协同覆盖的绿色无线网络技术[J].中兴通讯技术,2010,16(6):4-7.”研究了在协同覆盖的网络条件下，基站的协同，达到整体节能，同时满足服务质量。文献“Ismail M,Serpedin E,Qaraqe K.A win-win cooperative downlink resource allocation for greencommunications in a heterogeneous wireless medium[C]//Globecom Workshops(GCWkshps),2014.IEEE,2015.”探讨异构无线网的下行绿色通信，覆盖重叠的基站相互协作通过高效的功率分配到具有多点接入功能的移动终端来节约能源。文献“Fu L,Zhang Y J A,Huang J.Energy Efficient Transmissions in MIMO Cognitive Radio Networks[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2013,31(11):2420-2431.”中，Fu L等人研究了在MIMO技术的帮助下，认知无线电网络的节能传输，满足次级用户速率要求和主接收器的干扰限制的条件下，最小化次级用户的总能量消耗。文献“Yang C,Yue J,Sheng M,et al.Tradeoff between energy-efficiency and spectral-efficiency bycooperative rate splitting[J].Journal of Communications&Networks,2014,16(16):121-129.”研究了一种协作速率分解方法，以此来达到能量效率和频谱效率的平衡。文献“张平,崔琪楣,侯延昭,等.移动大数据时代:无线网络的挑战与机遇[J].科学通报(中文版),2015,60(5/6):433-438.”中张平等人提出了利用移动大数据，分析用户习惯、移动性、业务特征等相关信息，通过对用户行为进行预测，从而为绿色通信提供参考，网络侧可以更好地掌握不同区域的用户业务需求，完成基站的智能化部署，动态分配资源，达到无线网络低能耗的目的。与此同时，EARTH、TREND、3GPP、ITU等国际组织也在积极推动绿色通信的发展。
在下一代移动通信中存在多个技术分支，其中认知无线电网络被认为是一种能够有效节约频谱资源的通信技术，由于当前频谱资源日趋紧张，使得认知无线电网络逐渐受到重视。在认知无线电中，当主用户空闲的情况下，运行次级用户访问许可的频谱，这样就可以大大地提高频谱利用率。
图1是认知无线电网络结构示意图。如图1所示，典型的认知无线电网络中，包括中心控制器、主系统RAT2和次级系统RAT1，其中主系统RAT2中包括一个主发送用户PU(TX)、一个主接收用户PU(RX)，通过主基站PBS进行通信，主系统的通信带宽记为W2；次级系统中包括若干个用于中继的具有多点接入功能的次级用户MUEi，通过次级基站SBS进行通信，次级系统的通信带宽记为W1。假设主发送用户PU(TX)的发射信号是SPU，发射功率为EPU(dBm)，数据速率为RP(bps)；假设次级用户中，有一个次级用户SU需要进行下行通信，次级基站SBS到该次级用户SU的发射信号为SSU，发射功率为ESBS(dBm)，数据速率为RS(bps)。
图2是认知无线电网络中现有传输方法的时隙结构图。如图2所示，在时隙Tk里，当主用户之间需要通信时，主用户和次级用户是分别采用主系统RAT2和次级系统RAT1进行通信。根据香农定理，当主用户和次级用户的传输速率要求较高的时候，基站的能量消耗呈指数增加。不利于实现绿色通信。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种下一代移动通信中认知无线电网络用户协作传输方法，通过将次级用户作为中继协作进行主信号传输，从主系统换取部分频谱供次级用户进行数据分流，从而降低次级能耗，提高次级传输的能量效率。
为实现上述发明目的，本发明所针对的下一代移动通信中认知无线电网络中包括中心控制器、主系统RAT2和次级系统RAT1，其中主系统中的主用户通过主基站PBS进行通信，次级系统中的次级用户通过次基站SBS进行通信，主系统的通信带宽记为W2，次级系统的通信带宽记为W1，认知无线电网络用户协作传输方法包括以下步骤：
将主系统RAT2的带宽W2释放一部分频谱供次级系统使用，将数据传输时隙Tk划分为两个子时隙Tk,1和Tk,2；
在子时隙Tk,1，主发送用户PU(TX)通过主基站PBS广播主信号SPU至主接收用户PU(RX)和次级用户MUEi，其中i＝1,...,M，M表示次级用户数量；每个次级用户MUEi对所接收的主信号SPU进行解码，如果解码成功则向主发送用户PU(TX)发送确认信号，并向认知无线电网络的中心控制器发送参与协作信号，如果解码不成功，则不作任何操作；中心控制器在子时隙Tk,1结束时，对已接收到参与协作信号的次级用户MUEi，实时测试每个次级用户MUEi到主接收用户PU(RX)的信噪比，筛选信噪比最大的次级用户MUEi作为最佳次级用户MUEbest，向其发送协作传输指令，如果中心控制器没有接收到参与协作信号，则不作任何操作；
在子时隙Tk,2，如果主发送用户PU(TX)在子时隙Tk,1收到次级用户MUEi发送的确认信号，则不作任何操作，否则通过主基站PBS将主信号SPU重传至主接收用户PU(RX)；如果在子时隙Tk,1最佳次级用户MUEbest接收到协作传输指令，则在子时隙Tk,2作为中继将其在子时隙Tk,1接收到的主信号SPU转发给主接收用户PU(RX)，如果没有任何次级用户接收到协作传输指令，则不作任何操作；主接收用户PU(RX)将其在子时隙Tk,1、Tk,2内接收到的所有主信号SPU进行接收合并，对合并后的信号进行解码；
在整个数据传输时隙Tk内，当需要向次级用户发送下行数据时，中心控制器调用主系统RAT2和次级系统RAT1以数据分流方式向该次级用户发送数据。
本发明下一代移动通信中认知无线电网络用户协作传输方法，将主系统的带宽释放一部分频谱供次级系统使用，将数据传输时隙划分为两个子时隙，在第一个子时隙时由主发送用户将主信号进行广播至主接收用户和次级用户，从次级用户中筛选出最优次级用户，然后在第二个子时隙，由最优次级用户将主信号中继发送给主接收用户，主接收用户对所接收到的主信号进行接收合并；在整个数据传输时隙中，当需要向次级用户发送下行数据时，则中心控制器调用主系统和次级系统以数据分流方式向该次级用户发送数据。
本发明通过将次级用户作为中继协作进行主信号传输，满足主用户传输质量，从而从主系统中换取部分频谱供次级系统使用，次级用户实现数据分流，次级传输能耗因此得到降低，从而降低次级能耗，提高次级传输的能量效率。
附图说明
图1是认知无线电网络结构示意图；
图2是认知无线电网络中现有传输方法的时隙结构图；
图3是采用用户协作传输的认知无线电网络结构示意图；
图4是本发明下一代移动通信中认知无线电网络用户协作传输方法的时隙结构图；
图5是比例θ的最优值搜索算法流程图；
图6是本实施例中基于图1系统模型的用户和基站位置坐标示意图；
图7是本发明协作传输方法与传统方法在不同主用户传输功率下的次级能量效率对比图；
图8是本发明协作传输方法与传统方法在不同主用户传输功率下的次级能耗对比图；
图9是本发明协作传输方法与传统方法在不同SU传输速率下的次级能量效率对比图；
图10是本发明协作传输方法与传统方法在不同SU传输速率下的次级能耗对比图；
图11是本发明协作传输方法与传统方法在不同次级用户传输带宽下的次级能量效率对比图；
图12是本发明协作传输方法与传统方法在不同次级用户传输带宽下的次级能耗对比图；
图13是本发明传输方法与传统方法在不同主用户传输带宽下的次级能量效率对比图；
图14是本发明传输方法与传统方法在不同主用户传输带宽下的次级能耗对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
图3是采用用户协作传输的认知无线电网络结构示意图。图4是本发明下一代移动通信中认知无线电网络用户协作传输方法的时隙结构图。如图4所示，本发明中在主用户进行传输时，MUEi通过协助主用户的数据传输来换取一部分授权频谱给次级用户SU。这样一来，方便了需要下行通信的次级用户SU通过网络协作在不同的通信上进行数据分流，从而可以降低次级传输的能量消耗。
本发明下一代移动通信中认知无线电网络用户协作传输方法的具体过程可以描述如下：
将主系统RAT2的带宽W2释放一部分频谱供次级系统使用，将数据传输时隙Tk划分为两个子时隙Tk,1和Tk,2。
在子时隙Tk,1，主发送用户PU(TX)通过主基站PBS广播主信号SPU至主接收用户PU(RX)和次级用户MUEi，其中i＝1,...,M，M表示次级用户数量；每个次级用户MUEi对所接收的主信号SPU进行解码，如果解码成功则向主发送用户PU(TX)发送确认信号，并向中心控制器发送参与协作信号，如果解码不成功，则不作任何操作；中心控制器在子时隙Tk,1结束时，对已接收到参与协作信号的次级用户MUEi，实时测试每个次级用户MUEi到主接收用户PU(RX)的信噪比，筛选信噪比最大的次级用户MUEi作为最佳次级用户MUEbest，向其发送协作传输指令，如果中心控制器没有接收到参与协作信号，则不作任何操作。
在子时隙Tk,2，如果主发送用户PU(TX)在子时隙Tk,1收到次级用户MUEi发送的确认信号，则不作任何操作，否则通过主基站PBS将主信号SPU重传至主接收用户PU(RX)；如果在子时隙Tk,1最佳次级用户MUEbest接收到协作传输指令，则在子时隙Tk,2作为中继将其在子时隙Tk,1接收到的主信号SPU转发给主接收用户PU(RX)，本实施例中中继协议采用DF(Decode-and-Forward,解码转发)协议如果没有任何次级用户接收到协作传输指令，则不作任何操作；主接收用户PU(RX)将其在子时隙Tk,1、Tk,2内接收到的所有主信号SPU进行接收合并，对合并后的信号进行解码。本实施例中，接收合并采用MRC(maximum ratio Combining，最大比合并)算法。
根据以上过程可知，在本发明中，由于主发送用户和主接收用户之间不需要直接传输，而是可以通过广播和中继方式来传输，因此其占用带宽可以缩减，从而可以在不牺牲主传输性能的情况下，主系统释放一部分频谱给次级系统中的级用户使用。
在整个数据传输时隙Tk内，当需要向次级用户发送下行数据时，中心控制器调用主系统RAT2和次级系统RAT1以数据分流方式向该次级用户发送数据。具体来说，就是次级基站SBS以数据速率R1来传输次级信号SSU到SU；同时，PBS以数据速率R2bps来传输次级信号SSU到SU，其中R1+R2＝RS。显而易见，通过数据传输分流，次级系统RAT1上的数据速率相对于传统方法减小了，从而次级传输的能量消耗将会降低。
为了说明本发明在能量消耗方面的优势，接下来对于传统方法和本发明的能量效率进行理论分析。
根据图2所示的传统方法可知，在传统传输方法中，即不采用协作传输时，在时隙Tk里，PU(RX)的接收信号为：
其中，EPU表示信号SPU的发射功率，nPr(k)表示信号SPU的接收信号的AWGN((Additive White Gaussian Noise，加性高斯白噪声)，其功率谱密度(PSD，PowerSpectrum Density)为hPt,Pr表示主发送用户PU(TX)到主接收用户PU(RX)的信道系数。
此外，次级用户SU在Tk里的接收信号为：
其中，表示信号SSU的发射功率，nSU(k)表示信号SSU的接收信号的AWGN噪声，表示次级基站SBS到次级用户SU的信道系数。
根据图4所示的本发明传输方法可知，主接收用户PU(RX)和MUEi在Tk,1里的接收信号可分别表示为：
其中，nPr(k,1)和分别表示主接收用户PU(RX)和MUEi在Tk,1里的接收信号的AWGN噪声，表示主发送用户PU(TX)到次级用户MUEi的信道系数。
若次级用户MUEi中有用户在Tk,1里成功解码SPU，则主接收用户PU(RX)在Tk,2里的接收信号为：
其中，EMUE表示最佳次级用户MUEbest作为中继转发给主接收用户PU(RX)的发射功率，nPr(k,1)和分别表示表示主接收用户PU(RX)在Tk,2里的接收信号的AWGN噪声，表示最佳次级用户MUEbest到主接收用户PU(RX)的信道系数。
否则，若次级用户MUEi在Tk,1里解码SPU均失败，则主接收用户PU(RX)在Tk,2里的接收信号为：
另一方面，在本发明传输方法中，SU上的主系统RAT2和次级系统RAT1在Tk里的接收信号可分别表示为：
其中，表示主基站PBS到次级用户SU的发射功率，表示主基站PBS到次级用户SU的信道系数，nSU,1(k)和nSU,2(k)分别表示次级用户SU通过次级系统RAT1和主系统RAT2接收信号的AWGN噪声。
根据式(1)可以推导出传统方法中的主传输中断概率为：
其中，RP表示主传输速率，表示主发送用户和主接收用户之间信道系数的方差，e表示自然常数。
本发明传输方法中主传输有两种情况，取决于MUEi能否成功解码SPU。设可以成功解码SPU的次级用户MUEi构成一个集合Φ，Θ表示空集，Ω表示{MUE1,MUE2,...,MUEM}构成的集合，Ωn表示有n个次级用户MUEi可以成功解码SPU。
第一种情况：Φ＝Θ，此时所有的MUEi在Tk,1都不能成功解码SPU。出现此种状况的概率为：
其中θ表示主系统释放频谱后保留频谱的带宽占W2的比例，也
就是说释放频谱1-θ给次级系统，表示主发送用户和次级用户之间信道系数的方差。
在此种状态下，主发送用户PU(TX)会在时隙Tk,2重新传输主信号SPU到主接收用户PU(RX)，因此主中断概率可以表示为：
其中，表示主发送用户和主接收用户之间信道系数的方差。
第二种情况：Φ＝Ωn，此时Ωn中的MUEi在Tk,1内能成功解码SPU。出现此种状况的概率为：
其中，是Ωn的补集。
在此种状态下，选择最优的MUEbest进行转发，假设MUEi作为最优中继，到PU(RX)的信噪比SNR是最高的。PU(RX)在Tk,2的接收信号为：
其中，表示次级用户MUEi到主接收用户PU(RX)的信道系数。
Φ＝Ωn的中断概率可以表示为：
其中，表示次级用户到主接收用户之间信道系数的方差。
因而，本发明协作传输方法的主中断概率为：
主传输的QoS需要得到保证，因此，改进方法的主中断概率不能大于传统方法的主中断概率，即，
Poutpro≤Pouttra (16)
若存在一个非零的θ值满足不等式(16)，则次级系统RAT1和主系统RAT2上的数据分流将能够实现，进而次级传输的能量消耗便会降低。
在传统方法中，当主用户存在时，只有RAT2可以用来进行次级传输。因此，为了达到SU的目标速率，SBS的发射功率应该满足：
由(17)可以得到，
因此，在传统方法中，SU次级传输的最小发射功率为：
另一方面，在改进的方法中，SBS和PBS的发射功率应分别满足：
由式(20)和(21)可得，
本实施例中设置因此，由式(22)和(23)可得，本发明传输方法的次级传输的速率分配为：
为了求解式(24)，这里令x＝R1，并定义如下函数：
定理1：f(x)＝0的解存在并唯一。
证明：函数f(x)的一阶倒数为：
由式(26)可知，这意味着f(x)是一个单调递增函数。当x＝0时，有：
另一方面，当x＝RS时，有：
由此可知，f(x)＝0的解存在并且唯一。
定理1表明，式(24)的速率分配可以很容易地通过线性搜索的方法获得。为了标记方便，这里用f-1表示f的逆函数。因而，本发明传输方法中SU的速率分配可表示为：
本发明传输方法中，主系统释放的频谱越多，次级传输的功耗就越低。因此，改进方法次级传输功耗的最小化问题可描述如下：
由于最佳次级用户MUEbest协助主用户传输的功率为EMUE，次级系统RAT1次级传输的功率和主系统RAT2次级传输的功率两者被假定为一样都为ES，所以改进方法的次级传输的总功率消耗为2ES+EMUE，如式(30)所示。当比例θ的值越小，表示分配给次级用户的频谱越大，从而次级能耗就会越小，但是当比例θ过小时，又会干扰主用户的传输，无法满足Poutpro≤PoutTra，因此需要搜索得到一个比例θ的最优值。
根据以上理论分析，可以得到释放频谱后保留频谱的带宽占W2的比例θ的最优值搜索算法。图5是比例θ的最优值搜索算法流程图。如图5所示，比例θ的最优值搜索算法的具体步骤包括：
S501：初始化参数：
令迭代次数d＝1，设置步长初始值τ0，其中0＜τ0＜1，并根据式(9)计算得到主中断概率参考值Pouttra，即计算公式为：
S502：令θ＝1-dτ0。
S503：计算协作传输的主中断概率：
根据式(15)计算协作传输的主中断概率Poutpro，即：
其中：
S504：判断是否Poutpro≤Pouttra，如果是，进入步骤S505，否则进入步骤S506。
S505：令d＝d+1，返回步骤S502。
S506：确定比例θ的最优值：
令θ＝θ+τ0，将此时得到的θ值作为比例θ的最优值。
从以上算法流程可以看出，d是迭代索引，τ0是迭代步长。当d＝1时，若Poutpro＞Pouttra，则表示主传输不能从MUEi的协助中得到好处。在这种情况下，MUEi将不会协助主传输，因而主用户也不会释放频谱给次级用户，即θ＝1。此时，只有SBS能够为S提供数据服务，也就是说SU的所有数据速率RS将分配给次级系统RAT1(相当于为传统的传输方法)。在步骤S506中，在确定比例θ的最优值时，需要将当前所得到的θ加上τ0，即θ＝θ+τ0。这是因为，未加τ0的θ无法满足Poutpro≤Pouttra。即本发明中搜索算法是一直增加比例θ，使Poutpro尽量接近于Pouttra却不超过Pouttra。
在通过搜索算法得到比例θ的最优值后，就可以式(29)进行向次级用户发送下行数据的速率分配，然后计算根据式(22)和式(23)来计算得到主基站PBS和次级基站SBS的发射功率和从而就可以根据式(30)得到次级传输的总功率消耗E＝2ES+EMUE。该搜索算法可以适用于主用户不同的QoS要求，即Pouttra可以选取为0到1之间的任何数。显而易见，只要τ0被设置得足够小，次级传输的总功率消耗E就能够收敛到一个最优值。然而，减小τ0会增加计算的复杂度。因此，在实际应用中，应选择一个合适τ0值，从而在计算复杂度和搜索精度之间作一个折中。
实施例
为了更好地说明本发明的技术效果，采用一个具体的实例对本发明进行仿真验证。本次仿真中设置用于中继主用户信号的功率为EMUE，传输次级用户信号的功率为SBS的发送功率W1＝106Hz，RAT1＝2.4GHz，PBS的发送功率W2＝W1，RAT2＝2.1GHz。主发送用户PU(TX)的发送功率EPU＝5w，RP＝106bps，中继个数M＝5。次级用户SU的数据速率RS＝2*107bps。在仿真验证中，各个信道系数hij的方差建模为其中dij是链路i→j的距离，L为载波波长，LC为路径衰减系数。此外，天线增益假定为1。图6是本实施例中基于图1系统模型的用户和基站位置坐标示意图。
图7是本发明协作传输方法与传统方法在不同主用户传输功率下的次级能量效率对比图。图8是本发明协作传输方法与传统方法在不同主用户传输功率下的次级能耗对比图。如图7和图8所示，在满足主用户的QoS要求的情况下，与传统方法相比，本发明提出的协作传输方法大大减少了次级传输的功耗，提高的次级能量效率。由于传统方法和本发明中的主中断概率都会随着EPU的增加而减小，因此本发明中主系统释放频谱的增加量很小，进而此时次级传输的功耗几乎保持不变。此外，当主用户的QoS要求不严格时，放松主用户的QoS要求可以减小次级传输的功耗。
图9是本发明协作传输方法与传统方法在不同SU传输速率下的次级能量效率对比图。图10是本发明协作传输方法与传统方法在不同SU传输速率下的次级能耗对比图。如图9和图10所示，当Rs较大时，相比于传统方法，本发明协作传输方法可以显著降低次级传输的功耗。因为在传统方法中，根据香农定理高数据速率会造成大量的功率消耗。但是，在本发明协作传输方法中，通过中继作用，次级传输的功耗大大降低了。当Rs较小时，传统方法能效反而较高。这是因为，传统方法只需要较低的传输功率便可满足次级用户的低数据速率要求。但是，本发明协作传输方法需要增加额外的功率来协助主传输，从而比传统方法消耗了更多的次级传输功率。
图11是本发明协作传输方法与传统方法在不同次级用户传输带宽下的次级能量效率对比图。图12是本发明协作传输方法与传统方法在不同次级用户传输带宽下的次级能耗对比图。如图11和图12所示，当W1较小时，本发明协作传输方法的次级传输功耗比传统方法的次级传输功耗小。然而，当W1较大时，本发明协作传输方法的次级传输功耗比传统方法的次级传输功耗大。这是因为，当W1较小时，传统方法中的RAT1需要较大的传输功率来满足次级用户数据速率的要求。而当引入的中继，本发明协作传输方法可以大大减少次级传输的功耗。而当W1较大时，传统方法中的RAT1所消耗的功率较小。此时，由于本发明协作传输方法需要消耗额外的功率来协助主传输，因而此时它的次级传输功率比传统方法的次级传输功率大。显而易见，随着W1的增加，次级系统所需的传输功率减少了，进而次级传输的总功耗会相应减少。
图13是本发明传输方法与传统方法在不同主用户传输带宽下的次级能量效率对比图。图14是本发明传输方法与传统方法在不同主用户传输带宽下的次级能耗对比图。图13和图14给出了授权频谱带宽W2对次级传输功耗的影响。可以看出，与传统方法相比，本发明协作传输方法大大减少了次级传输的功耗。并且，随着W2的增加，主用户释放的频谱会增多，因此本发明协作传输方法的次级传输功耗会减少。
根据以上仿真结果可以看出，本发明通过选择次级用户作为中继，协助主用户进行数据传输，满足主用户传输质量，从而换取部分频谱供次级用户使用，次级用户实现数据分流，次级传输能耗因此得到降低，有助于在认知无线电网络中实现绿色通信。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (2)
1.一种下一代移动通信中认知无线电网络用户协作传输方法，认知无线电网络中包括中心控制器、主系统RAT2和次级系统RAT1，其中主系统中的主用户通过主基站PBS进行通信，次级系统中的次级用户通过次级基站SBS进行通信，主系统的通信带宽记为W2，次级系统的通信带宽记为W1，其特征在于，将主系统RAT2的带宽W2释放一部分频谱供次级系统使用，记释放频谱后保留频谱的带宽占W2的比例为θ，θ值根据以下算法确定：
S2.1：令迭代次数d＝1，设置步长初始值τ0，其中0＜τ0＜1，并计算得到主中断概率参考值Pouttra：
其中，表示信号SPU的接收信号的加性高斯白噪声，RP表示主传输速率，EPU表示信号SPU的发射功率，表示主发送用户和主接收用户之间信道系数的方差；
S2.2：令θ＝1-dτ0；
S2.3：计算协作传输的主中断概率Poutpro：
其中：
表示主发送用户和次级用户之间信道系数的方差，表示次级用户到主接收用户之间信道系数的方差，EMUE表示最佳次级用户MUEbest作为中继转发给主接收用户PU(RX)的发射功率，Ω表示{MUE1,MUE2,...,MUEM}构成的集合，Ωn表示有n个次级用户MUEi可以成功解码SPU，Θ表示空集；
S2.4：如果Poutpro≤Pouttra，d＝d+1，返回步骤2.2，否则令θ＝θ+τ0，将此时得到的θ值作为比例θ的最优值；
将数据传输时隙Tk划分为两个子时隙Tk,1和Tk,2；
在子时隙Tk,1，主发送用户PU(TX)通过主基站PBS广播主信号SPU至主接收用户PU(RX)和次级用户MUEi，其中i＝1,...,M，M表示次级用户数量；每个次级用户MUEi对所接收的主信号SPU进行解码，如果解码成功则向主发送用户PU(TX)发送确认信号，并向中心控制器发送参与协作信号，如果解码不成功，则不作任何操作；中心控制器在子时隙Tk,1结束时，对已接收到参与协作信号的次级用户MUEi，实时测试每个次级用户MUEi到次主接收用户PU(RX)的信噪比，筛选信噪比最大的次级用户MUEi作为最佳次级用户MUEbest，向其发送协作传输指令，如果中心控制器没有接收到参与协作信号，则不作任何操作；
在子时隙Tk,2，如果主发送用户PU(TX)在子时隙Tk,1收到次级用户MUEi发送的确认信号，则不作任何操作，否则通过主基站PBS将主信号SPU重传至主接收用户PU(RX)；如果在子时隙Tk,1最佳次级用户MUEbest接收到协作传输指令，则在子时隙Tk,2作为中继将其在子时隙Tk,1接收到的主信号SPU转发给主接收用户PU(RX)，如果没有任何次级用户接收到协作传输指令，则不作任何操作；主接收用户PU(RX)将其在子时隙Tk,1、Tk,2内接收到的所有主信号SPU进行接收合并，对合并后的信号进行解码；
在整个数据传输时隙Tk内，当需要向次级用户发送下行数据时，中心控制器调用主系统RAT2和次级系统RAT1以数据分流方式向该次级用户发送数据。
2.根据权利要求1所述的认知无线电网络用户协作传输方法，其特征在于，所述向次级用户发送下行数据时，主系统RAT2和次级系统RAT1的发送信号速率值R2和R1按照以下方法计算：
其中，f-1表示f的逆函数，RS表示次级基站SBS到次级用户SU的发射信号SSU的数据速率，表示主基站PBS到次级用户SU的信道系数，表示次级基站SBS到次级用户SU的信道系数。
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Non-Patent Citations (1)
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| 认知无线网络中的协作传输技术研究;代泽洋;《电子科技大学博士学位论文》;20160603;第44-49、83-90页 |
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