CN107248908B - 一种基于中继选择的认知中继网络中混合双工传输方法 - Google Patents

一种基于中继选择的认知中继网络中混合双工传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于中继选择的认知中继网络中混合双工传输方法。所述内容包括：认知中继网络包括授权用户和非授权用户的发射机和接收机各一对，以及由若干空闲非授权用户构成的潜在协作中继。首先由瞬时信道状态信息，选择使得授权用户和非授权用户端到端信噪比之和达到最大的潜在中继作为最优中继。半双工传输时，一个中继传输帧分成两个相等的时隙。全双工传输时，中继传输帧不划分时隙。当中继接收到的信干噪比低于阈值时，采用全双工传输，否则采用半双工传输。本方法根据中继接收到的信干噪比在半双工和全双工传输之间切换，从而利用全双工的传输容量优势又弱化自我干扰对传输容量性能的不利影响，进而提高认知中继网络总传输容量。

Description

一种基于中继选择的认知中继网络中混合双工传输方法
技术领域
本发明涉及认知无线电技术领域，具体涉及一种基于中继选择的认知中继网络中混合双工传输方法。
背景技术
当今世界已经迈入信息社会，信息通信技术已经深入到人们生活的各个方面，其中无线通信技术的发展更是日新月异，各种新的无线通信系统和业务不断涌现。这就使得可用的频谱资源变得越来越稀缺，尽管新的频带不断被开发和利用，但是对于现有可用的频谱资源来说，仍然难以满足海量用户高速率、高可靠通信的需求。这种频谱资源紧缺和利用率低下之间日益激化的矛盾促使认知无线电得到了广泛的关注和研究，其基本思路就是允许非授权用户在不干扰授权用户的情况下使用空闲授权无线电频段，以便充分利用现有的无线电资源，最大限度地提高无线电频谱资源的利用率。
在认知中继网络中，由于中继协作的引入，使得传输接收的信号在对抗信道衰落方面有较大的改善。因此，使得中继技术在下一代无线网络中，可以有效的提高网络传输容量。同样，其在认知无线电网络中也具有非凡的应用价值，经研究发现，在认知无线电网络中，通过利用中继协作技术进行传输，可以提高授权和非授权用户的传输容量。同时还可以利用中继协作技术来提高认知无线电网络中用户的分集增益，使得频谱利用率进一步的得到改善。
由于以前自干扰消除技术的限制，使得中继系统通信时不能够同时发送和接收信息。但随着干扰消除技术的不断发展，人们逐渐意识到全双工模式是可以实现的。它指的是中继通信时不占用两个频带或时隙便可以实现发送和接收同时进行。研究表明，理论上全双工相比半双工的传输容量可以提高一倍，但实际上由于自我干扰不能完全被消除，所以传输容量达不到理论最高值。
人们已经提出很多种基于中继选择的认知中继网络的半双工传输方法，证明了它们相比直传链路而言，能够提高系统的传输容量、降低其中断概率。随着自我干扰消除技术的不断发展，基于中继选择的认知中继网络的全双工传输也逐渐得到研究，并揭示了自我干扰对传输容量和中断概率的影响。
但是，现有的认知中继网络技术存在以下问题：仅仅只是关注授权主用户的信息传输、只单独考虑半双工、全双工传输以及非授权用户对授权用户的干扰等问题，而忽略了考虑中继选择下对授权用户和非授权用户整体传输容量的提升。
发明内容
针对现有的认知中继网络传输只单独考虑半双工、全双工传输方法，而没有考虑半双工、全双工混合传输的技术问题，本发明的目的是提供一种基于中继选择的认知中继网络中混合双工传输方法，根据中继接收到的信干噪比在半双工传输和全双工传输之间切换，从而利用全双工的传输容量优势又弱化自我干扰对传输容量性能的不利影响；最终达到最大化中继辅助下认知网络的整体传输容量的目的。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
基于中继选择的认知中继网络中混合双工传输方法，
认知中继网络包括一对授权用户发射机PT和接收机PR，一对非授权用户发射机ST和接收机SR，以及k个空闲非授权用户组成的潜在协作中继R，所有节点都是全双工的，其中协作中继R装有一根发射天线和一根接收天线并且采用放大转发协议进行协作传输，其它用户节点都只装有一根天线；
首先假设所有中继节点R开始均以半双工方式参与协作传输，然后依据瞬时信道状态信息，计算出所有中继辅助下的授权用户和非授权用户端到端信噪比之和γ，接下来选取使γ达到最大值的中继作为最优中继，记为Ri(1≤i≤k)，最后将所选最优中继用于辅助授权用户和非授权用户的协作传输中去；
半双工传输时，一个中继传输帧分成两个相等的时隙，
在时隙1，授权用户发射机PT以发射功率PP(W)发送一个信号xp(t)，同时非授权用户ST以发射功率PS(W)发送信号xs(t)，系统其他节点进行监听；
在时隙2，协作最优中继Ri将接收来自ST的信号xs(t)以及PT的信号xp(t)组合，得到组合信号xc(t)，然后将该组合信号放大转发出去，此时授权用户接收机PR和非授权用户接收机SR分别接收到来自中继转发信号，授权用户接收机PR根据两个时隙收到信号解码xp(t)，忍受的干扰功率为PR(W)，信息传输速率为
Figure GDA0001393523370000021
非授权用户接收机SR根据时隙2接收到的信号解码xs(t)，信息传输速率为
Figure GDA0001393523370000022
协作最优中继Ri处的放大增益记为β，信干噪比为
Figure GDA0001393523370000023
系统总传输容量为
Figure GDA0001393523370000024
全双工传输时，每个中继传输帧不划分时隙，
协作最优中继Ri将接收来自PT的信号xp(t)和来自ST的发射信号xs(t)合并，并且立即放大转发出去，产生自我干扰xk(t)，授权用户接收机PR和非授权用户接收机SR都接收到信号，授权用户接收机PR根据两个时隙接收的信号解码xp(t)，忍受的干扰功率为
Figure GDA0001393523370000025
得到的信息传输速率为
Figure GDA0001393523370000026
非授权用户接收机SR根据两个时隙接收的信号解码xs(t)，信息传输速率为
Figure GDA0001393523370000027
协作最优中继Ri处的放大增益记为β′，信干噪比为
Figure GDA0001393523370000028
系统总传输容量
Figure GDA0001393523370000029
当协作最优中继Ri接收到的信干噪比
Figure GDA00013935233700000210
低于设定阈值Γ时，中继Ri就采用全双工模式传输，否则采用半双工传输，据此得到半双工/全双工混合传输的信息传输速率C，
在最优中继节点Ri的发射功率约束和对授权用户接收机PR的干扰约束下最大化系统总的传输容量，建立优化问题如下，
Figure GDA0001393523370000031
其中I是授权用户接收机PR能忍受的最大干扰功率，PP,max和PS,max分别是授权用户和非授权用户所允许的最大发射功率，
Figure GDA0001393523370000032
和
Figure GDA0001393523370000033
由中继节点Ri的最大发射功率决定，
对该优化问题求解，得到最优的放大增益β和β′，以及最优非授权用户发射功率PS、授权用户发射功率PP，
如果它是凸的，采用拉格朗日乘数法求解，
如果它是非凸的，先将它转化为凸优化问题，再用拉格朗日乘数法或者内点法求解，
得到最优的放大增益β和β′，以及最优授权和非授权用户发射功率PP和PS后，中继节点Ri对接收信号的处理完全确定，从而最终最大化认知中继网络总传输容量。
本发明实现了以下有益技术效果：
1)本发明可用于异构网络中授权用户和非授权用户共享频带时通过中继辅助提高认知中继网络的整体传输容量情形；
2)将中继选择和半双工/全双工切换结合，利用协作分集增益和全双工的传输容量优势同时弱化了自我干扰对传输容量性能的不利影响。
本发明解决了在认知中继网络系统中，非授权用户在对主用户干扰约束条件下，通过潜在协作中继中最优中继的半双工/全双工混合传输方式，提高系统总传输效率问题，在认知无线电技术领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为中继辅助授权和非授权系统示意图；
图2为信息传输时隙示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
一种基于中继选择的认知中继网络中混合双工传输方法。
如图1所示，认知中继网络包括一对授权用户发射机PT和接收机PR、一对非授权用户发射机ST和接收机SR以及k个空闲非授权用户组成的潜在协作中继R。所有节点都是全双工的，协作中继R均装有一根发射天线和一根接收天线并且采用发大转发协议进行协作传输，其它用户节点都只装有一根天线。
本发明所涉及到的无线信道均为准静态的瑞利块衰落和加性高斯白噪声信道。为了简化分析，我们假设所有信道状态信息在一个时隙内是保持不变的，并且已知。ht(t＝1.2.3.4.5.6.7.8)分别表示PT→PR、PT→Ri、PT→SR、ST→SR、ST→Ri、ST→PR、Ri→PR和Ri→SR的信道系数。首先根据已知的信道状态信息，求得潜在k个中继中使得授权和非授权用户端到端的瞬时信噪比和γ达到最大的那个最优中继，记为
Ri(1≤i≤k)。最优中继Ri可以表示为
Figure GDA0001393523370000041
其中γP和γS分别表示授权和非授权用户端到端的信噪比，并且
Figure GDA0001393523370000042
Figure GDA0001393523370000043
和
Figure GDA0001393523370000044
(其中
Figure GDA0001393523370000045
是协作中继全双工是的自干扰信道系数，PR是残留自我干扰功率并且由所采用的自干扰消除技术决定)分别是链路PT→Ri、ST→Ri、Ri→PR、Ri→SR和Ri→Ri(环路自干扰)的瞬时信噪比，σ2为噪声功率；
当最优中继端采用半双工传输时，如图2所示，一个中继传输帧分成两个相等的时隙，在时隙1，授权用户发射机PT以发射功率PP(W)发送一个信号xp(t)，同时非授权用户ST以发射功率PS(W)发送信号xs(t)，系统其他节点进行监听。则此时授权用户接收机PR、中继Ri以及非授权用户接收机RX接收到的信号可以分别表示为
Figure GDA0001393523370000051
Figure GDA0001393523370000052
Figure GDA0001393523370000053
其中PP、PS分别是是授权用户发射机PT和非授权用户发射机ST的发射功率，xp(t)、xs(t)分别是是授权用户发射机PT和非授权用户发射机ST的发送信号，它们的均值为0、方差归一化为1。n1(t)、n2(t)、n3(t)是均值为零、方差为σ2的加性高斯白噪声；
在时隙2，协作最优中继Ri将接收来自ST的信号xs(t)以及PT的信号xp(t)组合，得到组合信号xc(t)，然后将该组合信号放大转发给授权用户接收机PR和非授权用户接收机SR，中继Ri转发的信号和接收信噪比分别表示为，
Figure GDA0001393523370000054
Figure GDA0001393523370000055
其中β是中继Ri的放大增益，授权用户接收机PR和非授权用户接收机SR的接收信号分别表示为
Figure GDA0001393523370000056
Figure GDA0001393523370000057
其中h7是最优中继Ri到授权用户接收机PR的信道系数，h8是最优中继Ri到非授权用户接收机SR的信道系数。v1(t)和v3(t)是均值为零、方差为σ2的加性高斯白噪声，
授权用户接收机PR根据两个时隙接收的信号解码xp(t)，忍受的干扰功率为
PR(W)＝β|h6|2 (10)
授权用户接收机PR根据两个时隙接收的信号解码xp(t)且解码成功，最后运用最大比合并得到信息传输速率表示为
Figure GDA0001393523370000061
非授权用户接收机SR根据两个时隙接收的信号解码xs(t)且解码成功，最后运用最大比合并得到信息传输速率表示为
Figure GDA0001393523370000062
由此得到半双工传输时系统总传输容量为
Figure GDA0001393523370000063
受协作中继Ri的最大发射功率PS,max约束，放大增益β必须满足
Figure GDA0001393523370000064
如果采用全双工传输，每个中继传输帧不划分时隙，协作最优中继Ri将接收来自ST的信号xs(t)和来自PT的发射信号xP(t)合并，并且立即放大转发出去，产生自我干扰xk(t)。协作最优中继Ri的发送信号和接收信干噪比可分别表示为：
Figure GDA0001393523370000065
Figure GDA0001393523370000066
其中PR是干扰消除后的残留自我干扰功率，由所采用的自干扰消除技术决定，
Figure GDA00013935233700000610
是协作中继Ri发射端到接收端的信道系数，β′是全双工时的放大增益，自我干扰建模为
Figure GDA0001393523370000067
授权用户接收机PR和非授权用户接收机SR的接收信号分别表示为
Figure GDA0001393523370000068
Figure GDA0001393523370000069
授权用户接收机PR根据两个时隙接收的信号解码xp(t)，忍受的干扰功率为
Figure GDA0001393523370000071
授权用户接收机PR根据两个时隙接收的信号解码xs(t)且解码成功，最后运用最大比合并得到信息传输速率表示为，
Figure GDA0001393523370000072
非授权用户接收机SR根据两个时隙接收的信号解码xs(t)且解码成功，最后运用最大比合并得到信息传输速率表示为
Figure GDA0001393523370000073
由此得到全双工传输时系统总传输容量为
Figure GDA0001393523370000074
当协作中继Ri接收到的信干噪比
Figure GDA0001393523370000075
低于设定阈值Γ时，中继Ri就采用全双工模式传输；否则采用半双工传输。因此半双工/全双工混合传输的信息传输速率为
Figure GDA0001393523370000076
其中
Figure GDA0001393523370000077
是
Figure GDA0001393523370000078
低于Γ的概率。优化问题建立为
Figure GDA0001393523370000079
其中I是授权用户接收机PR能忍受的最大干扰功率。参数PS,max、PP,max、I、Γ、PR是给定的，参数hi(i＝1,2,3,4,5,6,7,8)以及σ2可以通过测量获得。将式(21)所示的C代入式(22)对优化问题进行求解。该优化问题的约束函数并非都是凸的，使得对该优化问题直接解变得很困难。所以我们首先优化问题变量中的一个，使另一个变量固定，此时针对该子优化问题：如果它是凸的，采用拉格朗日乘数法求解；如果它是非凸的，先将它转化为凸优化问题，再用拉格朗日乘数法或者内点法求解。对另一变量重复上述优化步骤。最后针对分别优化的约束变量，运用一维搜索优化方法或交替迭代优化方法得到最优放大增益β和β′，以及最佳授权和非授权用户发射功率PP和PS，据此中继对接收信号的处理完全确定。实际应用时当每个传输帧只要
Figure GDA0001393523370000081
低于阈值Γ时，就采用全双工模式传输；否则采用半双工模式传输，这样看来在整个信息传输过程就实现了半/全双工混合传输。

Claims (1)

1.一种基于中继选择的认知中继网络中混合双工传输方法，其特征在于：
认知中继网络包括一对授权用户发射机PT和接收机PR，一对非授权用户发射机ST和接收机SR，以及k个空闲非授权用户组成的潜在协作中继R，所有节点都是全双工的，其中协作中继R装有一根发射天线和一根接收天线并且采用放大转发协议进行协作传输，其它用户节点都只装有一根天线；
首先假设所有中继节点R开始均以半双工方式参与协作传输，然后依据瞬时信道状态信息，计算出所有中继辅助下的授权用户和非授权用户端到端信噪比之和γ，接下来选取使γ达到最大值的中继作为协作最优中继，记为Ri，1≤i≤k，最后将所选协作最优中继用于辅助授权用户和非授权用户的协作传输中去；
所涉及到的无线信道均为准静态的瑞利块衰落和加性高斯白噪声信道，为了简化分析，我们假设所有信道状态信息在一个时隙内是保持不变的，并且已知，ht，t＝1.2.3.4.5.6.7.8分别表示PT→PR、PT→Ri、PT→SR、ST→SR、ST→Ri、ST→PR、Ri→PR和Ri→SR的信道系数，首先根据已知的信道状态信息，求得潜在k个中继中使得授权和非授权用户端到端的瞬时信噪比和γ达到最大的那个协作最优中继，记为Ri，1≤i≤k，协作最优中继Ri可以表示为
Figure FDA0002419595870000011
其中，γP和γS分别表示授权和非授权用户端到端的信噪比，并且
Figure FDA0002419595870000012
Figure FDA0002419595870000013
和
Figure FDA0002419595870000014
分别是链路PT→Ri、ST→Ri、Ri→PR、Ri→SR和Ri→Ri环路自干扰的瞬时信噪比，其中
Figure FDA0002419595870000015
是协作中继全双工是的自干扰信道系数，PR是残留自我干扰功率并且由所采用的自干扰消除技术决定，σ2为噪声功率；
半双工传输时，一个中继传输帧分成两个相等的时隙，
在时隙1，授权用户发射机PT以发射功率PP(W)发送一个信号xp(t)，同时非授权用户ST以发射功率PS(W)发送信号xs(t)，系统其他节点进行监听；
在时隙2，协作最优中继Ri将接收来自ST的信号xs(t)以及PT的信号xp(t)组合，得到组合信号xc(t)，然后将该组合信号放大转发出去，此时授权用户接收机PR和非授权用户接收机SR分别接收到来自中继转发信号，授权用户接收机PR根据两个时隙收到信号解码xp(t)，忍受的干扰功率为PR(W)，信息传输速率为
Figure FDA0002419595870000016
非授权用户接收机SR根据两个时隙接收到的信号解码xs(t)，信息传输速率为
Figure FDA0002419595870000021
协作最优中继Ri处的放大增益记为β，信干噪比为
Figure FDA0002419595870000022
系统总传输容量为
Figure FDA0002419595870000023
全双工传输时，每个中继传输帧不划分时隙，
协作最优中继Ri将接收来自PT的信号xp(t)和来自ST的发射信号xs(t)合并，并且立即放大转发出去，产生自我干扰xk(t)，授权用户接收机PR和非授权用户接收机SR都接收到信号，授权用户接收机PR根据两个时隙接收的信号解码xp(t)，忍受的干扰功率为
Figure FDA0002419595870000024
得到的信息传输速率为
Figure FDA0002419595870000025
非授权用户接收机SR根据两个时隙接收的信号解码xs(t)，信息传输速率为
Figure FDA0002419595870000026
协作最优中继Ri处的放大增益记为β＇，信干噪比为
Figure FDA0002419595870000027
系统总传输容量
Figure FDA0002419595870000028
当协作最优中继Ri接收到的信干噪比
Figure FDA0002419595870000029
低于设定阈值G时，中继Ri就采用全双工模式传输，否则采用半双工传输，据此得到半双工/全双工混合传输的信息传输速率C，
在协作最优中继节点Ri的发射功率约束和对授权用户接收机PR的干扰约束下最大化系统总的传输速率，建立优化问题如下，
Figure FDA00024195958700000210
Figure FDA00024195958700000211
其中，I是授权用户接收机PR能忍受的最大干扰功率，PP、PS分别是是授权用户发射机PT和非授权用户发射机ST的发射功率，PP,max和PS,max分别是授权用户和非授权用户所允许的最大发射功率；
对该优化问题求解，得到最优的放大增益β和β＇，以及最优非授权用户发射功率PS、授权用户发射功率PP，
如果它是凸的，采用拉格朗日乘数法求解，
如果它是非凸的，先将它转化为凸优化问题，再用拉格朗日乘数法或者内点法求解，得到最优的放大增益β和β＇，以及最优授权和非授权用户发射功率PP和PS后，中继节点Ri对接收信号的处理完全确定，从而最终最大化中继辅助下认知中继网络的总传输容量。
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