CN106961738B - 一种协作认知网络中基于误码率的功率及频谱分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种协作认知网络中基于误码率的功率及频谱分配方法，主用户源节点和主用户目的节点在授权频带Β上进行通信，次用户系统中的协作中继节点协助主用户源节点向主用户目的节点转发数据以获得次用户系统接入授权频带传输数据的机会。主用户授权频谱被分为α(0＜α＜1)和1‑α两部分。在α部分频谱上，协作中继节点协助以放大转发的方式协助主用户源节点向主用户目的节点转发数据；在1‑α部分频谱上，次用户源节点发送自身数据。在保证主用户系统通信要求，以最小化次用户误码率为目标进行功率分配，以及授权频谱的分配。本发明方法在保证主用户系统通信质量条件下，能够有效提升次用户接入主用户系统授权频谱的概率，提高频谱的利用率。

Description

一种协作认知网络中基于误码率的功率及频谱分配方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是一种协作认知网络中基于误码率的功率及频谱分配方法。
背景技术
随着信息技术的快速发展，各种各样的无线业务如雨后春笋般的涌现，使得原本宝贵的无线电频谱资源显得日益紧张。如何满足日益增长的无线电频谱需求这个严峻的问题引起了广泛关注。研究表明，人类在任意时刻所使用到的无线频谱只占所有频谱资源的2％～6％。与此同时，美国联邦通讯委员会(FCC)的调查也表明全球的无线频谱资源使用情况极度不平衡，有些授权频谱经常处于空闲状态。
频谱资源紧张的主要原因并不是没有更多的无线频谱资源可以被使用，而是现有的固定的分配式的无线频谱管理政策导致无线频谱资源没有被充分利用。认知无线电(Cognitive Radio,CR)认为是能有效解决上述问题的关键技术。它是一种既能确保授权用户(Primary User,PU)通信需求，又允许非授权用户(Second User,SU)自动感知、获取授权用户空闲授权频谱并且不引进干扰的方式来提高网络中频谱的利用效率。
影响无线通信系统中的信息传输主要障碍有：由于信道时变特性引起的频谱扩展、多径效应引起的时延扩展以及空间相关引起的角度扩展。如在加性高斯白噪声环境中，通过增加1～2dB的信噪比就可以把误码率降低一个数量级。然而，无线衰落信道中的快速衰落深度可达30～40dB，面对这种情况再利用增加天线尺寸和高度、提高发射功率(1000～10000倍)等方法会造成对其他电台的干扰。分集技术是用来解决这些问题的重要技术。分集技术通过利用多根天线发送(或接收)包含同一信息的多个独立信号副本，接收机使用其中信号强度足够强大的一路信号。近年来，为了提高认知通信的可靠性和有效性，研究者们将认知无线电技术与协作中继技术相结合，充分利用了认知无线电的动态频谱接入的特性和无线中继通信带来的通信距离扩展与系统可靠性的提升，提出了中继认知网络。
无线通信环境中由于衰落、多径效应以及阴影效应等因素影响通信系统的正常工作，以及目前无线通信业务日益剧增，而现有频谱资源分配方案会造成频谱稀缺的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种协作认知网络中基于误码率的功率及频谱分配方法，以有效的增加次用户接入主用户授权频谱的机会，提高频谱的利用率。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种协作认知网络中基于误码率的功率及频谱分配方法，包括以下步骤：
步骤1)授权频谱被分成两个部分，分别用α和(1-α)表示；在α部分频谱上，协作中继节点R协助主用户源节点PT向主用户目的节点PD传输数据，传输分成两个阶段；
在第一个阶段中，主用户源节点PT以广播的形式发送包含数据信息的信号x1、发送功率为Ppth，主用户目的节点PD和协作中继节点R同时接受该信号；
在第二个阶段中，协作中继节点R以功率Pst1、放大转发方式向主用户目的节点PD转发从主用户源节点PT接收到的信号x1；
主用户目的节点PD以最大合并比方式对第一阶段、第二阶段接收到的信号进行合并，主用户系统的平均信道容量为合并后信号包含的信息量；
通过香农公式计算主用户系统的平均信道容量RMRC，其中Ppth表示主用户源节点的发射功率，Pst1表示协作中继节点协助主用户源节点转发数据的发射功率，设定信道服从平坦瑞利衰落，为主用户源节点PT、主用户目的节点PD之间的信道增益参数，为主用户源节点PT、协作中继节点R之间的信道增益参数，为作中继节点R、主用户目的节点PD之间的信道增益参数，N0表示高斯白噪声的方差；
在节省下来的(1-α)部分频谱上，次用户源节点ST以功率Pst2向次用户目的节点SD发送自己的数据信号x2；通过香农公式计算次用户系统的平均信道容量RS：Pst2表示次用源节点ST发射功率，为次用户源节点ST到次用户目的节点SD的信道增益；
步骤2)系统误码率分析；
考虑在瑞利衰落环境中，每个节点都掌握到与自身通信的所有节点之间的信道状态信息，定义主用户系统的限制误码率ε，主用户系统的平均误码率Pe0＜ε；
信号x1、x2在通过多进制绝对相位调制的调制方式中，误码率为：其中，PSER表示误码率，M表示多进制，Nγ()表示信噪比函数，gmpsk＝sin2(π/M)，θ表示相位；
计算主用户系统的平均误码率Pe0：
计算次用户系统的平均误码率Pe1：
步骤3)在保证主用户系统自身数据传输不受影响，并且在次用户发射功率Psth受限的条件下，对Pst1和Pst2进行优化分配，最小化认知用户系统的误码率为目标；
通过使次用户系统的误码率最小建立最优化模型：
s.t.Pe0＜ε
Pst1+Pst2＜Psth
将上述模型所描述的使次用户系统的误码率最小的该最优化问题作为凸优化问题，利用库恩塔克条件建立拉格朗日函数，得到目标函数：
对目标函数中的λ1，λ2分别进行求导得到：
Pst1+Pst2＝Psth；
计算协作中继节点最优发射功率和认知用户最优发射功率分别为：
其中，
步骤4)在保证主用户的误码率的条件下，根据步骤3求得的协作中继节点用于协助主用户传输数据的功率得到在保证主用户数据传输速率所需要的带宽；通过满足主用户系统的传输速率，得到由于协作中继节点协助主用户转发数据后空闲出来的那部分授权频谱α*，具体计算公式如下：
其中，RP表示主用户系统所要达到的数据传输速率；
则次用户系统的平均误码率Pe1和平均信道容量Rs为：
作为本发明所述的一种协作认知网络中基于误码率的功率及频谱分配方法进一步优化方案，所述香农公式为：C＝Wlog2(1+γ)，其中，C表示信道容量，W表示频谱带宽，γ表示信噪比。
作为本发明所述的一种协作认知网络中基于误码率的功率及频谱分配方法进一步优化方案，整个系统发射的信号均是多相位绝对调制信号；
作为本发明所述的一种协作认知网络中基于误码率的功率及频谱分配方法进一步优化方案，所述步骤1中授权频谱B＝1赫兹。
作为本发明所述的一种协作认知网络中基于误码率的功率及频谱分配方法进一步优化方案，所述步骤2中，M＝4，表示采用QPSK调制，gmpsk＝sin2(π/4)＝1/2。
作为本发明所述的一种协作认知网络中基于误码率的功率及频谱分配方法进一步优化方案，所述步骤3中的库恩塔克条件是一个非线性规划问有最优化解法的一个必要和充分条件。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明的协作中继节点检测到主用户的质量要求，在授权频谱上利用一部分功率帮助主用户转发数据在保证误码率的条件下来达到主用户的通信速率，从而可以节省一部分授权频谱。同时次用户利用节约出来的频谱传输自身数据。以达到次用户增加接入授权频谱的机会，提高频谱的利用率。具体来说：
(1)在主用户系统中，由于有协作中继节点的协助传输数据，使主用户目的节点具有分集收益，有效的对抗了无线通信信道中的各种衰落；
(2)在满足主用户通信速率下，使系统的误码率低于希望的值之下，减少数据重传的次数，提高了系统的可靠性和有效性；
(3)次用户系统增加了接入授权频谱的机会，提高了此用户系统的数据传输的有效性，并使次用户系统的误码率最小化，提高了次用户系统的可靠性；
(4)整个系统提高了频谱的利用率，缓解了日益增长的无线电频谱需求。
附图说明
图1是协作认知网络中基于误码率的功率及频谱分配方法流程。
图2是两跳协作通信系统实例。
图3是传输时隙和频谱分布。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
在具体实施中，图1是协作认知网络中基于误码率的功率及频谱分配方法流程，如图2所示，建立一个基于AF传输协议的两跳协作通信系统。主用户系统中，主用户源节点PT和主用户目的节点PD在带宽为B的授权频带上进行通信。次用户系统为了获得授权频谱资源，利用协作中继节点R帮助主用户进行传输。主用户频谱分为α(0＜α≤1)和1-α两部分，在α上，协作中继节点帮助主用户源节点转发数据给主用户目的节点，在剩余的1-α频谱上，认知用户源节点ST传输自己的数据到目的节点SD。假定主用户的总带宽Β＝1Hz。
如图3所示，在α部分频谱上，中继R协助主用户源节点PT向主用户目的节点PD传输数据，传输分成两个阶段，第一个阶段主用户源节点PT以广播的形式发送信号x1、发送功率为Ppth，主用户目的节点PD和协作中继节点R同时接受该信号；第二个阶段协作中继节点R以功率Pst1、放大转发(AF)方式向目的节点PD转发从主用户源节点PT接收到的主用户信号。最后PD将两路接收到的信号通过最大合并比方式(maximal ratio combining,MRC)进行合并。在空闲的1-α部分频谱上，次用户源节点ST以功率Pst2通过直接链路发送自己的数据信号x2给次用户目的节点SD。
设定信道服从平坦瑞利衰落，为主用户源节点PT、主用户目的节点PD之间的信道增益参数，为主用户源节点PT、协作中继节点R之间的信道增益参数，为作中继节点R、主用户目的节点PD之间的信道增益参数，它们在一个时隙内保持不变，并且相互之间独立；N0表示高斯白噪声的方差。
在α部分频谱上，主用户目的节点PD将接收到的两路信号通过MRC合并后的瞬时接 受信噪比SNR是γ0是主用户源节点到主 用户目的节点直接链路的接受信噪比，γR含义是通过协作中继节点所在的两跳链路的接 受性噪比。发送信号x1的平均能量为1。若系统采用MPSK调制技术，则主用户系统的系统误 码率可表示为， 系统数据传输速率表示为，
在剩余的1-α频谱上，次用户源节点传输自己的数据到次用户目的节点，则次用户系统的误码率表示为，由香农公式得出次用户的传输速率为，
认知无线电系统接入主用户授权频谱的前提是必须在满足主用户传输的条件，因此我们定义主用户有一个限制误码率ε和限制速率RP。在保证主用户系统误码率的条件下，并且次用户发送功率Psth受限的条件下，以最小化次用户的误码率进行最优化功率分配问题可表示为
s.t.Pe0＜ε
Pst1+Pst2＜Psth
上述描述的最优化问题是凸优化问题，所以这里利用KKT(Karush-Kuhn-Tucker)条件建立拉格朗日函数，可以得到目标函数：
对λ1，λ2分别求导，得到：
Pst1+Pst2＝Psth
因此，协作中继节点最优发射功率和认知用户最优发射功率分别为：
所述，
在功率分配的基础上进行频谱分配，在保证主用户的误码率的条件下，并且已经求得协作中继节点用于协助主用户传输数据的功率我们可以得到在保证主用户数据传输速率所需要的带宽。因此，我们可以得到由于协作中继节点协助主用户转发数据后空闲出来的那部分授权频谱α*，可表示为：
则次用户系统的误码率和平均信道容量为：
本发明不但使主用户系统由于协作中继节点协助传输数据获得了分集增益有效抵抗了通信过程衰落、多径效应以及阴影效应造成的不良影响，提升了通信系统的可靠性和有效性；而且增加了次用户系统接入无线频谱资源传输数据的机会，提高了频谱资源的利用率。

Claims (6)

1.一种协作认知网络中基于误码率的功率及频谱分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)授权频谱被分成两个部分，分别用α和(1-α)表示；在α部分频谱上，协作中继节点R协助主用户源节点PT向主用户目的节点PD传输数据，传输分成两个阶段；
在第一个阶段中，主用户源节点PT以广播的形式发送包含数据信息的信号x1、发送功率为Ppth，主用户目的节点PD和协作中继节点R同时接受该信号；
在第二个阶段中，协作中继节点R以功率Pst1、放大转发方式向主用户目的节点PD转发从主用户源节点PT接收到的信号x1；
主用户目的节点PD以最大合并比方式对第一阶段、第二阶段接收到的信号进行合并，主用户系统的平均信道容量为合并后信号包含的信息量；
通过香农公式计算主用户系统的平均信道容量RMRC，其中Ppth表示主用户源节点的发射功率，Pst1表示协作中继节点协助主用户源节点转发数据的发射功率，设定信道服从平坦瑞利衰落，为主用户源节点PT、主用户目的节点PD之间的信道增益参数，为主用户源节点PT、协作中继节点R之间的信道增益参数，为作中继节点R、主用户目的节点PD之间的信道增益参数，N0表示高斯白噪声的方差；
在节省下来的(1-α)部分频谱上，次用户源节点ST以功率Pst2向次用户目的节点SD发送自己的数据信号x2；通过香农公式计算次用户系统的平均信道容量RS：Pst2表示次用户源节点ST发射功率，为次用户源节点ST到次用户目的节点SD的信道增益；
步骤2)系统误码率分析；
考虑在瑞利衰落环境中，每个节点都掌握到与自身通信的所有节点之间的信道状态信息，定义主用户系统的限制误码率ε，主用户系统的平均误码率Pe0＜ε；
信号x1、在通过多进制绝对相位调制的调制方式中，误码率为：其中，PSER表示误码率，M表示多进制，Nγ()表示信噪比函数，gmpsk＝sin2(π/M)，θ表示相位；
计算主用户系统的平均误码率Pe0：
计算次用户系统的平均误码率Pe1：
步骤3)在保证主用户系统自身数据传输不受影响，并且在次用户发射功率Psth受限的条件下，对Pst1和Pst2进行优化分配，最小化认知用户系统的误码率为目标；
通过使次用户系统的误码率最小建立最优化模型：
s.t.Pe0＜ε
Pst1+Pst2＜Psth
将上述模型所描述的使次用户系统的误码率最小的该最优化问题作为凸优化问题，利用库恩塔克条件建立拉格朗日函数，得到目标函数：
对目标函数中的λ1，λ2分别进行求导得到：
Pst1+Pst2＝Psth；
计算协作中继节点最优发射功率和认知用户最优发射功率分别为：
其中，
步骤4)在保证主用户的误码率的条件下，根据步骤3求得的协作中继节点用于协助主用户传输数据的功率得到在保证主用户数据传输速率所需要的带宽；通过满足主用户系统的传输速率，得到由于协作中继节点协助主用户转发数据后空闲出来的那部分授权频谱α*，具体计算公式如下：
其中，RP表示主用户系统所要达到的数据传输速率；
则次用户系统的平均误码率Pe1和平均信道容量Rs为：
2.根据权利要求1所述的一种协作认知网络中基于误码率的功率及频谱分配方法，其特征在于，所述香农公式为：C＝W log2(1+γ)，其中，C表示信道容量，W表示频谱带宽，γ表示信噪比。
3.根据权利要求1所述的一种协作认知网络中基于误码率的功率及频谱分配方法，其特征在于，整个系统发射的信号均是多相位绝对调制信号；
4.根据权利要求1所述的一种协作认知网络中基于误码率的功率及频谱分配方法，其特征在于，所述步骤1中授权频谱B＝1赫兹。
5.根据权利要求1所述的一种协作认知网络中基于误码率的功率及频谱分配方法，其特征在于，所述步骤2中，M＝4，表示采用QPSK调制，gmpsk＝sin2(π/4)＝1/2。
6.根据权利要求1所述的一种协作认知网络中基于误码率的功率及频谱分配方法，其特征在于，所述步骤3中的库恩塔克条件是一个非线性规划问题有最优化解法的一个必要和充分条件。
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Address after: Yuen Road Qixia District of Nanjing City, Jiangsu Province, No. 9 210046

Applicant after: Nanjing Post & Telecommunication Univ.

Address before: 210003, No. 66, new exemplary Road, Nanjing, Jiangsu

Applicant before: Nanjing Post & Telecommunication Univ.

GR01 Patent grant
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