CN107071785A - 一种协作多中继认知无线网络的频谱分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种协作多中继认知无线网络频谱分配方法，依托协作中继认知无线网络，次用户通过协助主用户数据传输，提高自身频谱接入机会，进一步提高认知网络系统的容量。本发明根据信道实际工作状况和主用户传输数据要求，合理选择多中继路径，对信道进行最优分配，以获取最大的认知网络容量。本发明采用上述手段达到了在多中继协作系统中提高认知网络吞吐量的目的。

Description

一种协作多中继认知无线网络的频谱分配方法

技术领域

本发明涉及无线通信网络领域中多中继协通信技术，更具体地说涉及一种在认知无线信道环境下协作中继选择、信道分配和功率分配方法。

背景技术

随着无线通信业务的快速发展，不断增长的频谱需求和日益匮乏的频谱资源之间的矛盾越来越突出。将认知技术和协作中继引入到无线网络中可以有效解决这一矛盾，协作中继认知无线网络得到了人们的青睐。

在认知无线网络中，次用户(认知用户)可以占用未被主用户(授权用户)占用的信道。为了提高次用户网络的容量，得到最大的网络吞吐量，认知用户应该尽可能多的利用空闲频谱。现有的认知技术一般采用非中继方式，次用户通过对主用户占用状态的检测，在频谱空闲的情况下，占用系统频谱。

当通信信道衰落较大时，协作中继有利于提高系统性能。在协作中继认知无线电网络中，通常次用户作为中继节点。中继节点既可以作为次用户通信之间的中继，也可以作为主用户的中继。次用户作为主用户中继，可以提高主用户的传输速率，节省主用户的传输时间，从而增加次用户利用系统频谱的机会,提高次用户的传输容量。但如何合理选择中继、如何进行频谱资源分配和功率分配，以获取最大的网络吞吐量，成为协作多中继认知无线网络频谱分配的一个主要难题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，解决协作多中继认知无线网络频谱分配的难题，本发明提出了一种具有最大吞吐量的协作多中继认知网络频谱分配方法，根据网络系统的信道状况和主用户的速率要求，合理选择中继集合，信道分配和功率分配，以最大化系统容量。

为了达到上述目的，本发明协作中继认知无线网络时隙分配方法，包括如下步骤：

第1步、网络系统配置，在协作多中继认知网络中有一个主用户发送机PT、一个主用户接收机PR、L个次用户对，每个次用户对均由次用户发送机ST和次用户接收机SR构成，集合用L表示，多中继认知网络的归一化频谱带宽为B，子信道数为N，子信道集合为N，则子信道带宽B₀＝B/N，次用户采用自适应调制进行数据传输，数据传输率根据信道的质量自动调整；

第2步、系统参数设置，在该系统下，主用户发送机PT在每个子信道上的发送功率为定值P_pu，次用户系统的总发送功率为P_su，主用户发送机PT与次用户发送机ST、次用户发送机ST与主用户接收机PR以及次用户发送机ST与次用户接收机SR之间在信道n上的信道增益分别定义为和信道噪声是均值为0，方差分别为的高斯白噪声，主用户的目标速率为R_T；

第3步、中继选择和信道分配，具体步骤如下：

a1、计算主用户发送机PT与次用户发送机ST_l在第n个信道上的通信速率其计算如下式：

定义主用户与次用户发送机ST_l的在第n个信道上的通信速率与主用户目标速率之比作为中继选择和信道分配的性能评估参数：

从而获得中继认知无线网络性能评估参数矩阵：

定义参数β_sum＝0；

a2、选择性能评估参数矩阵中最大值

对应的次用户作为最优中继，对应的信道作为最优信道，即主用户选择ST_l’作为中继并占用信道n'进行数据传输；

a3、更新β_sum，

由于一个信道在同一时间只能被一个用户占用，所以最优信道n'不再参与下面的次用户信道选择，即令

a4、循环a2、a3,直到β_sum≥1，即满足主用户速率要求；

第4步、第一时隙子信道分配，在第3步中主用户在满足自身速率要求的情况下，可以释放未被占用的信道，次用户便可以占用未被主用户占用的信道进行数据传输，本分配方法下，为了体现用户间的公平性，在第一时隙中仅允许参与协作的中继次用户有权占用剩余信道进行自身数据传输，假设中继集合为L*，其数目为L*，剩余信道集合为数目为对应的信道增益矩阵可以表示为

定义第l^*个次用户对的性能参数：

可以获得性能矩阵如下式：

利用Hungarian算法，获得最优的信道分配方案，由于Hungarian算法解决的是方阵问题，当剩余信道与用户数量不同时，需构造方阵，此时存在两种情况：

b1、当剩余信道数小于用户数，需构造虚拟信道，信道增益令为0，即：

b2、当剩余信道数大于用户数，需构造虚拟用户，每个用户最多可能占用的信道数为构造性能方阵如下式：

第5步、第一时隙功率分配，根据各中继占用的剩余信道数分配发送功率，次用户发送机ST_l*分得功率如下：

其中，表示第一时隙次用户发送机ST_l对信道n的占用情况，当占用时，值为1，否则为0，利用注水算法对参与中继的次用户发送机在各占用的信道上进行功率分配；

第6步、第二时隙中，由作为中继的次用户发送机向主用户接收机转发主 用户数据，所有的次用户发送机向次用户接收机发送自身传输数据。

注水算法参见文献：Q.Qi,A.Minturn,and Y.Yang.An Efficient Water-FillingAlgorithm for Power Allocation in OFDM-Based Cognitive Radio Systems.InProc.2012 International Conference on Systems and Informatics(ICSAI 2012),pp.2069-2073,2012.

本发明还具有如下进一步的特征：

1、所述第6步具体包含以下步骤：

c1、第二时隙中，对转发主用户信号时的信道进行选择并且对所占信道的发送功率进行分配，中继转发主用户信号的信道可以与第一时隙中主用户向中继节点传输信号的信道不同，在第一时隙中优先被选做中继的次用户发送机具有优先选择信道增益最大的信道n”作为第二时隙向主用户接收机PR转发信号时占用的信道，计算作为中继的次用户发送机ST_l*在第二时隙转发主用户所需的发送功率

c2、第二时隙信道分配，在该时隙中，各次用户发送机均能占用空闲子信道，同样利用Hungarian算法，获得最优的信道分配方案，同样当信道数与用户数不同时，需构造方阵进行信道分配；

c3、第二时隙功率分配，第二时隙中次用户发送机ST_l”向次用户接收机的发送功率如下：

其中表示第二时隙次用户发送机ST_l对信道n的占用情况，同样利用采用注 水算法求得次用户发送机在该时隙中在各信道上分配的功率；

c4、根据两个时隙的信道与功率分配情况，进行资源分配，完成数据传输。

2、步骤3中，中继的选择取决于性能评估参数其大小取决于主用户的目标速率为R_T，主用户发送功率P_pu，主用户发送机和次用户发送机之间的信道增益以及噪声功率

3、步骤4中，对剩余信道的分配采用Hungarian算法，其参数的值取决于次用户发送机与接收机之间的信道增益，其参数定义如式7。

5、采用对剩余功率的分配，取决于分配信道数与次用户系统占用总信道的比值。

本发明依托协作多中继认知无线网络，次用户通过协作主用户数据传输，提高主用户传输速率，获取更多的频谱资源，从而提高信道容量。本发明根据主用户的速率要求，合理选择多中继集合，以获取最大的认知网络容量。本发明采用上述手段实现多中继协作系统，达到提高认知网络吞吐量的目的。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是协作多中继认知无线电网络示意图。

图2是本发明实施例频谱分配的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示为本实施例协作多中继认知无线电网络示意图，从图中可知，该网络中具有一个主用户发送机PT、一个主用户接收机PR、L个次用户对(发送机ST和次用户接收机SR)，次用户采用自适应调制进行数据传输，数据传输率根据信道的质量自动调整。

在协助中继模型中，数据转发周期包括两个阶段(时隙)，主用户向次用户发送数据阶段和次用户转发主用户数据阶段。在每个阶段中次用户都可以占用 未被主用户占用的信道。因此，每个阶段都有信道分配和功率分配问题。

本发明实施协作多中继认知无线电网络频谱分配方法(流程图见图2)，包括如下步骤：

第1步、网络系统配置，在协作多中继认知网络中有一个主用户发送机PT、一个主用户接收机PR、L个次用户对，每个次用户对均由次用户发送机ST和次用户接收机SR构成，集合用L表示。多中继认知网络的归一化频谱带宽为B，子信道数为N，子信道集合为N，则子信道带宽B₀＝B/N。次用户采用自适应调制进行数据传输，数据传输率根据信道的质量自动调整。本实施例中，主用户带宽为B＝160MHz，L＝4，N＝16；

第2步、系统参数设置，在该系统下，主用户发送机PT在每个子信道上的发送功率为定值P_pu，次用户系统的总发送功率为P_su，主用户发送机PT与次用户发送机ST、次用户发送机ST与主用户接收机PR以及次用户发送机ST与次用户接收机SR之间在信道n上的信道增益分别定义为和信道噪声是均值为0，方差分别为的高斯白噪声，主用户的目标速率为R_T。在本实例中：噪声方差主用户在每个子信道上的发送机功率P_pu＝20mW，主用户目标速率R_T＝1bit/s/Hz；

第3步、中继选择和信道分配，具体步骤如下：

a1、计算主用户发送机PT与次用户发送机ST_l在第n个信道上的通信速率其计算如下式：

定义主用户与次用户发送机ST_l的在第n个信道上的通信速率与主用户目标速率之比作为中继选择和信道分配的性能评估参数：

从而获得中继认知无线网络性能评估参数矩阵：

定义参数β_sum＝0；

a2、选择性能评估参数矩阵中最大值

对应的次用户作为最优中继，对应的信道作为最优信道，即主用户选择ST_l’作为中继并占用信道n'进行数据传输；

a3、更新β_sum，

由于一个信道在同一时间只能被一个用户占用，所以最优信道n'不再参与下面的次用户信道选择，即令

a4、循环a2、a3,直到β_sum≥1，即满足主用户速率要求；

第4步、第一时隙子信道分配，在第3步中主用户在满足自身速率要求的情况下，可以释放未被占用的信道，次用户便可以占用未被主用户占用的信道进行数据传输，本分配方法下，为了体现用户间的公平性，在第一时隙中仅允许参与协作的中继次用户有权占用剩余信道进行自身数据传输，假设中继集合为L*，其数目为L*，剩余信道集合为数目为对应的信道增益矩阵可以表示为

定义第l^*个次用户对的性能参数：

可以获得性能矩阵如下式：

利用Hungarian算法，获得最优的信道分配方案，由于Hungarian算法解决的是方阵问题，当剩余信道与用户数量不同时，需构造方阵，此时存在两种情况：

b1、当剩余信道数小于用户数，需构造虚拟信道，信道增益令为0，即：

b2、当剩余信道数大于用户数，需构造虚拟用户，每个用户最多可能占用的信道数为构造性能方阵如下式：

第5步、第一时隙功率分配，根据各中继占用的剩余信道数分配发送功率，次用户发送机ST_l*分得功率如下：

其中，表示第一时隙次用户发送机ST_l对信道n的占用情况，当占用时，值为1，否则为0，利用注水算法对参与中继的次用户发送机在各占用的信道上进行功率分配；

第6步、第二时隙中，对转发主用户信号时的信道进行选择并且对所占信道的发送功率进行分配，中继转发主用户信号的信道可以与第一时隙中主用户向中继节点传输信号的信道不同，在第一时隙中优先被选做中继的次用户发送机具有优先选择信道增益最大的信道n”作为第二时隙向主用户接收机PR转发信号时占用的信道，计算作为中继的次用户发送机ST_l*在第二时隙转发主用户所需的发送功率

第7步、第二时隙信道分配，在该时隙中，各次用户发送机均能占用空闲子信道，同样利用Hungarian算法，获得最优的信道分配方案，同样当信道数与用户数不同时，需构造方阵进行信道分配；

第8步、第二时隙功率分配，第二时隙中次用户发送机ST_l”向次用户接收机的发送功率如下：

其中表示第二时隙次用户发送机ST_l对信道n的占用情况，同样利用采用注水算法求得次用户发送机在该时隙中在各信道上分配的功率；

第9步、根据两个时隙信道分配与功率分配情况，进行资源分配，完成数据传输。

对本实施例的协作多中继认知网络进行仿真，仿真结果表明采用本案的多中继协作方案，可以根据主用户的速率要求、信道状况选择中继并进行信道分配、功率分配，最终实现次用户网络的容量最大化。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种协作多中继认知无线网络频谱分配方法，包括如下步骤：

第1步、网络系统配置，在协作多中继认知网络中有一个主用户发送机PT、一个主用户接收机PR、L个次用户对，每个次用户对均由次用户发送机ST和次用户接收机SR构成，集合用L表示，多中继认知网络的归一化频谱带宽为B，子信道数为N，子信道集合为N，则子信道带宽B₀＝B/N，次用户采用自适应调制进行数据传输，数据传输率根据信道的质量自动调整；

第2步、系统参数设置，在该系统下，主用户发送机PT在每个子信道上的发送功率为定值P_pu，次用户系统的总发送功率为P_su，主用户发送机PT与次用户发送机ST、次用户发送机ST与主用户接收机PR以及次用户发送机ST与次用户接收机SR之间在信道n上的信道增益分别定义为和信道噪声是均值为0，方差分别为的高斯白噪声，主用户的目标速率为R_T；

第3步、中继选择和信道分配，具体步骤如下：

a1、计算主用户发送机PT与次用户发送机ST_l在第n个信道上的通信速率其计算如下式：

定义主用户与次用户发送机ST_l的在第n个信道上的通信速率与主用户目标速率之比作为中继选择和信道分配的性能评估参数：

从而获得中继认知无线网络性能评估参数矩阵：

定义参数β_sum＝0；

a2、选择性能评估参数矩阵中最大值

对应的次用户作为最优中继，对应的信道作为最优信道，即主用户选择ST_l’作为中继并占用信道n′进行数据传输；

a3、更新β_sum，

由于一个信道在同一时间只能被一个用户占用，所以最优信道n′不再参与下面的次用户信道选择，即令

a4、循环a2、a3,直到β_sum≥1，即满足主用户速率要求；

第4步、第一时隙子信道分配，在第3步中主用户在满足自身速率要求的情况下，可以释放未被占用的信道，次用户便可以占用未被主用户占用的信道进行数据传输，本分配方法下，为了体现用户间的公平性，在第一时隙中仅允许参与协作的中继次用户有权占用剩余信道进行自身数据传输，假设中继集合为L*，其数目为L*，剩余信道集合为数目为对应的信道增益矩阵可以表示为

定义第l^*个次用户对的性能参数：

可以获得性能矩阵如下式：

利用Hungarian算法，获得最优的信道分配方案，由于Hungarian算法解决的是方阵问题，当剩余信道与用户数量不同时，需构造方阵，此时存在两种情况：

b1、当剩余信道数小于用户数，需构造虚拟信道，信道增益令为0，即：

b2、当剩余信道数大于用户数，需构造虚拟用户，每个用户最多可能占用的信道数为构造性能方阵如下式：

第5步、第一时隙功率分配，根据各中继占用的剩余信道数分配发送功率，次用户发送机分得功率如下：

其中，表示第一时隙次用户发送机ST_l对信道n的占用情况，当占用时，值为1，否则为0，利用注水算法对参与中继的次用户发送机在各占用的信道上进行功率分配；

第6步、第二时隙中，由作为中继的次用户发送机向主用户接收机转发主用户数据，所有的次用户发送机向次用户接收机发送自身传输数据。

2.根据权利要求1所述的协作多中继认知无线网络频谱分配方法，其特征在于：所述第6步具体包含以下步骤：

c1、第二时隙中，对转发主用户信号时的信道进行选择并且对所占信道的发送功率进行分配，中继转发主用户信号的信道可以与第一时隙中主用户向中继节点传输信号的信道不同，在第一时隙中优先被选做中继的次用户发送机具有优先选择信道增益最大的信道n″作为第二时隙向主用户接收机PR转发信号时占用的信道，计算作为中继的次用户发送机ST_l*在第二时隙转发主用户所需的发送功率

c2、第二时隙信道分配，在该时隙中，各次用户发送机均能占用空闲子信道，同样利用Hungarian算法，获得最优的信道分配方案，同样当信道数与用户数不同时，需构造方阵进行信道分配；

c3、第二时隙功率分配，第二时隙中次用户发送机ST_l”向次用户接收机的发送功率如下：

其中表示第二时隙次用户发送机ST_l对信道n的占用情况，同样利用采用注水算法求得次用户发送机在该时隙中在各信道上分配的功率；

c4、根据两个时隙的信道与功率分配情况，进行资源分配，完成数据传输。