CN106912059A - 支持互信息积累的认知中继网络联合中继选择及资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持互信息积累的认知中继网络联合中继选择及资源分配方法，具体包括：认知中继网络主、从用户共享频谱资源进行信息传输，各主用户占用相应授权频带进行通信，各从用户对在不干扰主用户通信的情况下，采用协作传输方式进行通信，从网络中所有节点均可进行互信息积累,资源管理实体接收各从用户业务请求，执行联合中继选择及资源分配算法，在满足优化限制条件下，基于联合发射功率最小化准则优化确定中继节点选择、源节点及中继节点发送功率、子信道分配策略。本发明可有效实现认知中继网络中中继选择及节点传输性能优化，并实现网络性能优化。

Description

支持互信息积累的认知中继网络联合中继选择及资源分配 方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是一种支持互信息积累的认知中继网络联合中继选择及资源分配方法。

背景技术

无线通信技术的飞速发展使得无线网络呈现出高速化、宽带化、异构化等特点，同时也带来了一系列严峻的挑战，其中最为紧迫的即是用户对频谱资源需求的不断增长，导致现有静态分配的授权频带已无法满足用户通信需求。但另一方面，部分已分配授权频带在一些时间或者地区并没有得到充分使用，导致频谱利用率低下。为有效提高频谱资源利用率，缓解频谱资源匮乏问题，采用动态频谱接入机制的认知无线电技术近年来受到广泛关注。

认知无线电系统采用基于软件无线电技术的认知无线电终端，能够动态感知可用频谱，分辨当前网络状态，根据这些状态进行规划、决策和响应，在不影响授权用户(主用户)正常通信情况下动态、智能接入频谱进行数据传输，从而可有效实现频谱资源共享，提高频谱利用率，缓解频谱资源稀缺的问题。中继协作通信技术通过用户之间的协同传输，可有效提高网络容量和数据传输质量，并降低终端传输功率。认知网络中采用协作通信技术能够使网络中各用户在共享频谱资源的情况下，实现网络性能增强及频谱利用率的提高。

互信息积累技术是一种应用在物理层的编码技术，可使节点在一个数据包的多次传输中积累信息量，直到节点可以成功解码该数据包。应用互信息积累技术可有效降低瞬时信道状态信息开销。目前已有支持互信息积累的认知中继系统的资源分配方法设计，如文献[Mohamed Saad,Joint Optimal Routing and Power Allocation for SpectralEfficiency in Multi-hop Wireless Networks,IEEE Transactions on WirelessCommunications,Volume:13,Issue:5,May 2014]中提出一种联合路由选择和功率分配方法，在不干扰主用户正常通信的条件下，优化中继选择和功率分配以实现认知用户频谱效率最大化。其中，文献[M.Naeem,K.Illanko,Ashok K.Karmokar,A.Anpalagan,M.Jaseemuddin,Power allocation in decode and forward relaying for greencooperative cognitive radio systems,IEEE Wireless Communications andNetworking Conference(WCNC),April.2013]中提出一种功率分配方法，在不干扰主用户正常通信的条件下，优化功率分配以实现认知用户能效效率最大化。

现有研究主要以系统频谱效率最大化为优化目标，未考虑用户能耗，可能导致用户能耗较大，但是对使用能量敏感终端的用户，业务体验将受到严重影响；而且，现有研究较为孤立地考虑认知网络中的路由选择、子信道分配或功率分配问题，未综合考虑多因素的联合优化，无法实现网络整体性能优化。

因此，需要一种支持互信息积累的认知中继网络联合中继选择及资源分配方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种支持互信息积累的认知中继网络联合中继选择及资源分配方法；该方法解决了现有认知无线网络中中继选择及频谱、功率分配存在的技术问题；能有效实现认知网络中频谱资源共享，提高整个网络的效用。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的支持互信息积累的认知中继网络联合中继选择及资源分配方法，包括以下步骤：

步骤一：认知中继网络中的源节点拟传输信息量B至目的节点，则发送通信需求至资源管理实体；

步骤二：资源管理实体接收源节点通信请求，确定源节点与目的节点之间的候选中继集合Ψ；

步骤三：资源管理实体建模优化限制条件；

步骤四：在满足优化限制条件下，基于联合发射功率最小化准则优化确定中继节点选择、源节点及中继节点发送功率、子信道分配策略。

进一步，所述认知中继网络中所有从用户为互信息积累用户，所述认知中继网络中存在M对主用户，第m对主用户占用第m个子信道；

所述认知中继网络中各用户以时隙为单位进行传输，令时隙长度为T₀，在第一个时隙，源节点传输信息给中继节点，目的节点进行信息积累；在第二个时隙，中继节点传输信息至目的节点，所述目的节点完成信息积累，进行数据解码，源至中继链路和中继至目的节点链路占用相同子信道进行信息传输；

所述源节点S的最大发射功率为中继节点i的最大发射功率为P_i ^max，1≤i≤N，N表示网络中继节点数目。

进一步，所述步骤二的资源管理实体接收源节点通信请求，确定源节点与目的节点之间的候选中继集合Ψ，具体步骤如下：

按照以下公式建模：

其中，表示源节点S占用信道m传输信息至中继节点i时对应的信息量，W表示信道带宽，h_S,i表示源节点S到中继节点i之间的信道增益，表示源节点S使用子信道m向中继节点i传输信息时所使用的发射功率，N₀表示噪声功率，表示主用户对m的发送端到中继节点i的信道增益，表示主用户对m的发送端的发射功率；

按照以下公式建模：

其中，表示中继节点i占用信道m传输信息至目的节点D时对应的信息量，h_i,D表示中继节点i到目的节点D之间的信道增益，表示中继节点i占用子信道m向目的节点D传输信息时所采用的发射功率，表示主用户对m的发送端到目的节点D之间的信道增益；

按照以下公式建模：

其中，表示源节点S占用信道m使用发射功率传输信息时目的节点D积累的信息量，h_S,D表示源节点S到目的节点D之间的信道增益；

按照以下公式建模：

其中，表示建模源节点S占用信道m传输信息至中继节点i时到达的最大信息量；h_S,i表示源节点S到目的节点i之间的信道增益；

按照以下公式建模：

其中，表示中继节点i占用信道m传输信息至目的节点D时到达的最大信息量；

按照以下公式建模：

其中，表示目的节点D在源节点S占用信道m传输信息时积累的到达的最大信息量；

仅当中继节点i满足信息积累限制条件，即存在子信道m，1≤m≤M，使得且则中继节点i为源节点S的候选中继。

进一步，所述优化限制条件具体包括：

1)子信道分配二元限制：令表示中继及信道分配标识，若源节点S选择中继节点i占用信道m进行信息传输，否则，即

2)中继节点信息积累限制：为完成信息传输，在第一个时隙中继节点需积累足够的信息量B：

3)目的节点信息积累限制：目的节点在两个时隙积累的信息量需不低于源节点传输信息量，即：

4)从用户最大发射功率限制：从用户发射功率需满足：

5)从用户对主用户正常通信的干扰限制：令主用户通信的干扰门限为I_T，则需满足：

其中，和分别表示源节点S和中继节点i到主用户对m的接收端的信道增益。

进一步，所述源节点及中继节点的总发射功率P按照以下公式进行计算：

其中，P表示源节点及中继节点的总发射功率。

进一步，所述在满足优化限制的条件下，基于总发射功率最小化准则联合优化确定中继节点选择、源节点及中继节点发送功率、子信道分配策略按照如下方式进行：

其中，

为源节点S和中继节点i最优发送功率方案；

为源节点i和中继节点D最优发送功率方案；

为中继及子信道分配方案。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明提供的支持互信息积累的认知中继网络联合中继选择及资源分配方法。具体包括：认知中继网络主、从用户共享频谱资源进行信息传输，各主用户占用相应授权频带进行通信，各从用户对在不干扰主用户通信的情况下，采用协作传输方式进行通信，从网络中所有节点均可进行互信息积累,资源管理实体接收各从用户业务请求，执行联合中继选择及资源分配算法，在满足优化限制条件下，基于联合发射功率最小化准则优化确定中继节点选择、源节点及中继节点发送功率、子信道分配策略。本发明可有效实现认知中继网络中中继选择及节点传输性能优化，并实现网络性能优化。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为认知中继网络系统模型图；

图2为支持互信息积累的认知中继网络联合中继选择及资源分配算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图所示，图1为认知中继网络系统模型图，本实施例提供的支持互信息积累的认知中继网络中存在多个主用户和从用户的认知无线电网络中，主、从用户共享频谱资源进行信息传输，各主用户占用相应授权频带进行通信，各从用户对在不干扰主用户通信的情况下，采用协作传输方式进行通信，从网络中所有节点均可进行互信息积累。若源—目的节点对拟进行通信，需将业务请求发送至资源管理实体，由资源管理实体执行联合中继选择及资源分配算法，为源—目的节点对选择最优中继，并为源/中继节点分配发送功率及子信道。

如图所示，图2为支持互信息积累的认知中继网络联合中继选择及资源分配算法流程图，具体包括：

步骤一：认知源节点(简称源节点)拟传输信息量B至认知目的节点(简称目的节点)，则发送通信需求至资源管理实体；

认知中继网络中所有从用户均可进行互信息积累，网络中存在M对主用户，第m对主用户占用第m个子信道。网络中各用户以时隙为单位进行传输，令时隙长度为T₀，在第一个时隙，源节点传输信息给中继节点，目的节点进行信息积累；在第二个时隙，中继节点传输信息至目的节点，目的节点完成信息积累，进行数据解码，源至中继链路和中继至目的节点链路占用相同子信道进行信息传输。令源节点S的最大发射功率为中继节点i的最大发射功率为P_i ^max，1≤i≤N，其中N表示网络中继节点数目。

步骤二：资源管理实体接收源节点通信请求，确定源与目的节点之间的候选中继集合Ψ；

令表示源节点S占用信道m传输信息至中继节点i时对应的信息量，建模为其中，W表示信道带宽，h_S,i表示源节点S到中继节点i之间的信道增益，表示源节点S使用子信道m向中继节点i传输信息时所使用的发射功率，N₀表示噪声功率，表示主用户对m的发送端到中继节点i的信道增益，表示主用户对m的发送端的发射功率；令表示中继节点i占用信道m传输信息至目的节点D时对应的信息量，建模为其中，h_i,D表示中继节点i到目的节点D之间的信道增益，表示中继节点i占用子信道m向目的节点D传输信息时所采用的发射功率，表示主用户对m的发送端到目的节点D之间的信道增益；令表示源节点S占用信道m使用发射功率传输信息时目的节点D积累的信息量，建模为其中，h_S,D表示源节点S到目的节点D之间的信道增益。建模源节点S占用信道m传输信息至中继节点i时可到达的最大信息量中继节点i占用信道m传输信息至目的节点D时可到达的最大信息量目的节点D在源节点S占用信道m传输信息时积累的可到达的最大信息量仅当中继节点i满足信息积累限制条件，即存在子信道m，1≤m≤M，使得且则中继节点i为源节点S的候选中继。

步骤三：资源管理实体建模优化限制条件；优化限制条件具体包括：

1)子信道分配二元限制：令表示中继及信道分配标识，若源节点S选择中继节点i占用信道m进行信息传输，否则，即

2)中继节点信息积累限制：为完成信息传输，在第一个时隙中继节点需积累足够的信息量B：

3)目的节点信息积累限制：目的节点在两个时隙积累的信息量需不低于源节点传输信息量，即：

4)从用户最大发射功率限制：从用户发射功率需满足：

5)从用户对主用户正常通信的干扰限制：令主用户通信的干扰门限为I_T，则需满足：其中，和分别表示源节点S和中继节点i到主用户对m的接收端的信道增益。

步骤四：在满足优化限制条件下，基于联合发射功率最小化准则优化确定中继节点选择、源节点及中继节点发送功率、子信道分配策略。

源节点及中继节点的总发射功率P可以表示为在满足优化限制的条件下，基于总发射功率最小化准则联合优化确定中继节点选择、源节点及中继节点发送功率、子信道分配策略，即其中，为最优发送功率方案，为中继及子信道分配方案。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims (6)

1.支持互信息积累的认知中继网络联合中继选择及资源分配方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：认知中继网络中的源节点拟传输信息量B至目的节点，则发送通信需求至资源管理实体；

步骤二：资源管理实体接收源节点通信请求，确定源节点与目的节点之间的候选中继集合Ψ；

步骤三：资源管理实体建模优化限制条件；

步骤四：在满足优化限制条件下，基于联合发射功率最小化准则优化确定中继节点选择、源节点及中继节点发送功率、子信道分配策略。

2.如权利要求1所述的支持互信息积累的认知中继网络联合中继选择及资源分配方法，其特征在于：所述认知中继网络中所有从用户为互信息积累用户，所述认知中继网络中存在M对主用户，第m对主用户占用第m个子信道；

所述认知中继网络中各用户以时隙为单位进行传输，令时隙长度为T₀，在第一个时隙，源节点传输信息给中继节点，目的节点进行信息积累；在第二个时隙，中继节点传输信息至目的节点，所述目的节点完成信息积累，进行数据解码，源至中继链路和中继至目的节点链路占用相同子信道进行信息传输；

所述源节点S的最大发射功率为，中继节点i的最大发射功率为，1≤i≤N，N表示网络中继节点数目。

3.如权利要求1所述的支持互信息积累的认知中继网络联合中继选择及资源分配方法，其特征在于：所述步骤二的资源管理实体接收源节点通信请求，确定源节点与目的节点之间的候选中继集合Ψ，具体步骤如下：

按照以下公式建模：

$B_{S,i}^m=T_{0}W{\log }_2(1+\frac{h_{S,i}{P}_{S,i}^m}{N_0+g_{t,i}^m{P}_m^P});$

其中，表示源节点S占用信道m传输信息至中继节点i时对应的信息量，W表示信道带宽，h_S,i表示源节点S到中继节点i之间的信道增益，表示源节点S使用子信道m向中继节点i传输信息时所使用的发射功率，N₀表示噪声功率，表示主用户对m的发送端到中继节点i的信道增益，表示主用户对m的发送端的发射功率；

按照以下公式建模：

$B_{i,D}^m=T_{0}W{\log }_2(1+\frac{h_{i,D}{P}_{i,D}^m}{N_0+g_{t,D}^m{P}_m^P});$

其中，表示中继节点i占用信道m传输信息至目的节点D时对应的信息量，h_i,D表示中继节点i到目的节点D之间的信道增益，表示中继节点i占用子信道m向目的节点D传输信息时所采用的发射功率，表示主用户对m的发送端到目的节点D之间的信道增益；

按照以下公式建模：

$B_{S,i,D}^m=T_{0}W{\log }_2(1+\frac{h_{S,D}{P}_{S,i}^m}{N_0+g_{t,D}^m{P}_m^P});$

其中，表示源节点S占用信道m使用发射功率传输信息时目的节点D积累的信息量，h_S,D表示源节点S到目的节点D之间的信道增益；

按照以下公式建模：

$B_{S,i}^{m,\max }=T_{0}W{\log }_2(1+\frac{h_{S,i}{P}_S^{\max }}{N_0+g_{t,i}^m{P}_m^P});$

其中，表示建模源节点S占用信道m传输信息至中继节点i时到达的最大信息量；h_S,i表示源节点S到目的节点i之间的信道增益；

按照以下公式建模：

$B_{i,D}^{m,max}=T_{0}W{\log }_2(1+\frac{h_{i,D}{P}_i^{\max }}{N_0+g_{t,D}^m{P}_m^P});$

其中，表示中继节点i占用信道m传输信息至目的节点D时到达的最大信息量；

按照以下公式建模：

$B_{S,i,D}^{m,\max }=T_{0}W{\log }_2(1+\frac{h_{S,D}{P}_S^{\max }}{N_0+g_{t,D}^m{P}_m^P});$

其中，表示目的节点D在源节点S占用信道m传输信息时积累的到达的最大信息量；

当中继节点i满足信息积累限制条件，即存在子信道m，1≤m≤M，使得且则中继节点i为源节点S的候选中继；

其中，B表示源节点拟传输的信息量。

4.如权利要求1所述的支持互信息积累的认知中继网络联合中继选择及资源分配方法，其特征在于：所述优化限制条件具体包括：

1)子信道分配二元限制：令表示中继及信道分配标识，若源节点S选择中继节点i占用信道m进行信息传输，否则，即

2)中继节点信息积累限制：为完成信息传输，在第一个时隙中继节点需积累足够的信息量B：

3)目的节点信息积累限制：目的节点在两个时隙积累的信息量需不低于源节点传输信息量，即：

4)从用户最大发射功率限制：从用户发射功率 需满足：

5)从用户对主用户正常通信的干扰限制：令主用户通信的干扰门限为I_T，则需满足：

其中，和分别表示源节点S和中继节点i到主用户对m的接收端的信道增益。

5.如权利要求1所述的支持互信息积累的认知中继网络联合中继选择及资源分配方法，其特征在于：所述源节点及中继节点的总发射功率P按照以下公式进行计算：

$P=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{S,i}^m(P_{S,i}^m+P_{i,D}^m);$

其中，P表示源节点及中继节点的总发射功率。

6.如权利要求5所述的支持互信息积累的认知中继网络联合中继选择及资源分配方法，其特征在于：所述在满足优化限制的条件下，基于总发射功率最小化准则联合优化确定中继节点选择、源节点及中继节点发送功率、子信道分配策略按照如下方式进行：

$({P_{S,i}^m}^{*},{P_{i,D}^m}^{*},{{\mathrm{\α}}_{S,i}^m}^{*})=\arg \min P;$

其中，

为源节点S和中继节点i最优发送功率方案；

为源节点i和中继节点D最优发送功率方案；

为中继及子信道分配方案。