CN108632830B - 一种基于信息与能量协同传输的抗干扰协作频谱接入方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于信息与能量协同传输的抗干扰协作频谱接入方法，在该方法中，主用户发送端发送信息给认知用户发送端和主用户接收端，认知用户发送端将接收到的信号分为两部分，一部分用来信息解码，剩余部分用来能量收集，认知用户发送端利用一部分带宽和收集到的全部能量转发主用户发送端的信息到主用户接收端，同时用剩余的带宽和自己的能量发送自己的信号到认知用户接收端。本发明能够有效提高认知用户的频谱资源利用率和能量效率。

Description

一种基于信息与能量协同传输的抗干扰协作频谱接入方法
技术领域
本发明属于无线通信领域中的认知无线电技术领域，尤其是频谱接入方法。
背景技术
随着通信技术的不断发展，无线通信在人类生活中逐渐占据无比重要的地位，与此同时，不断增长的频谱资源需求制约着无线通信的进一步发展。认知无线电技术使得认知用户能够与所处的通信环境进行交互并根据交互结果改变自身传输参数，从而接入授权频谱。通过合理的动态频谱接入策略，可以有效提高频谱资源的利用率。认知用户接入授权频谱的方法主要有两种：填充式动态频谱接入方法和共存式动态频谱接入方法。填充式动态频谱接入方法中要求认知用户能够迅速准确的检测到频谱空洞，并及时进行频谱切换。共存式动态频谱接入方法中认知用户接入主用户的频谱与其同时发送信息，要求认知用户对主用户造成的干扰不能超过干扰门限，保证主用户的性能。
在现有共存式协作频谱接入方法中，认知用户接入主用户的频谱后，利用一部分能量帮助转发主用户的信息，然后利用剩余的能量发送自己的信息，会造成认知用户的能量损失；而且，由于主用户和认知用户使用相同的频谱发送信息，互相之间始终存在干扰，造成频谱资源的损失。
发明内容
为了克服现有共存式协作频谱接入方法中认知用户能量损失和主用户与认知用户之间的干扰问题，提高认知用户的频谱资源利用率和能量效率，本发明提供一种基于信息与能量协同传输的抗干扰协作频谱接入方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于信息与能量协同传输的抗干扰协作频谱接入方法，无线电通信系统由主系统和认知系统构成：其中主系统由一个主用户发送端PT和主用户接收端PR组成，主系统已获得一段W带宽的授权频谱，且支持中继功能；认知系统由一个认知用户发送端CT和认知用户接收端CR组成，认知系统通过寻找机会伺机接入授权频谱从而发送自己的信息；整个传输过程被分为两个时隙，每个时隙各占传输时间的
Figure GDA0003633750120000023
所述的基于信息与能量协同传输的抗干扰协作频谱接入方法包括以下步骤：
1)在第一时隙中，PT发送信息给PR和CT，PR用接收到的全部功率进行信息解码，CT用一部分接收到的功率进行信息解码，用接收到的剩余功率进行能量收集；
2)在第二时隙中，CT利用一部分带宽和收集到的全部能量Q转发PT的信息到PR，用剩余的带宽和自己的能量发送自己的信号到CR；
认知用户发送端的功率和带宽分配系数优化问题建模为：
Figure GDA0003633750120000021
满足以下条件
Figure GDA0003633750120000022
其中，α表示CT分配用于信息解码的功率分配系数，b表示CT转发PT信号的带宽分配系数，RT表示主用户的目标速率，Rp和Rc分别表示认知用户接入主用户频谱后，主用户和认知用户获得的速率；
通过求解获得功率分配系数α*和最优宽带b*：
Figure GDA0003633750120000031
Figure GDA0003633750120000032
其中，
Figure GDA0003633750120000033
σ2表示接收端的噪声功率，ε表示CT的能量转换效率，PP表示PT的发射功率，γ1＝|h1|2，γ2＝|h2|2，γ3＝|h3|2，h1，h2和h3分别表示链路PT→PR，PT→CT和CT→PR的信道系数。
进一步，所述步骤1)中，CT获得的速率表示为：
Figure GDA0003633750120000034
CT收集到的能量表示为：
Q＝ε(1-α)γ2PP (6)。
再进一步，所述步骤2)中，PR和CR获得的速率表示为：
Figure GDA0003633750120000035
Figure GDA0003633750120000036
其中，Pc表示CT的发射功率，γ4＝|h4|2，h4表示链路CT→CR的信道系数；
经过两个时隙传输后，主用户的速率表示为：
Figure GDA0003633750120000037
本发明的技术构思为：在现有共存式协作频谱接入方法中，认知用户接入主用户的频谱后，利用一部分能量帮助转发主用户的信息，然后利用剩余的能量发送自己的信息，会造成认知用户的能量损失；而且，由于主用户和认知用户使用相同的频谱发送信息，互相之间始终存在干扰，造成频谱资源的损失。本方法中，认知用户利用收集到的能量帮助转发主用户的信息，而且利用不同的带宽发送主用户和自己的信息，从而解决主用户和认知用户之间的干扰问题，并且提高认知用户的能量效率。
本发明的有益效果主要表现在：(1)提出了一种基于信息与能量协同传输的抗干扰协作频谱接入方法，提高认知用户的频谱利用率；(2)通过能量收集方法，保证了认知用户的能量效率。
附图说明
图1是本发明方法的基于信息与能量协同传输的抗干扰协作频谱接入方法系统模型示意图，其中PT和PR为主用户发送端和接收端，CT和CR为认知用户的发送端和接收端；hi表示不同端点之间的信道系数，其中i＝{1,2,3,4}，PP和Pc分别表示PT和CT的发射功率，Q表示CT收集到的能量。
图2是主用户和认知用户速率随着PT到CT距离d2的变化图；
图3是最优功率分配系数α和带宽分配系数b随着d2的变化图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图3，一种基于信息与能量协同传输的抗干扰协作频谱接入方法，无线电通信系统由主系统和认知系统构成，主系统由一个主用户发送端PT和主用户接收端PR组成，主系统已获得一段W带宽的授权频谱，且支持中继功能；认知系统由一个认知用户发送端CT和认知用户接收端CR组成，认知系统通过寻找机会伺机接入授权频谱从而发送自己的信息；整个传输过程被分为两个时隙，每个时隙各占传输时间的
Figure GDA0003633750120000041
本实施方式中，PT在第一时隙发送信息给PR和CT，PR用接收到的全部功率进行信息解码，CT用一部分接收到的功率进行信息解码，用接收到的剩余功率进行能量收集；在第二时隙，CT利用一部分带宽和收集到的全部能量Q转发PT的信息到PR，用剩余的带宽和自己的能量发送自己的信号到CR。
本实施方式中，CT在第一时隙获得的速率和收集到的能量可以通过以下方法获得：
Figure GDA0003633750120000051
Q＝ε(1-α)γ2PP (6)
其中，σ2表示接收端的噪声功率，α表示CT分配用于信息解码的功率分配系数，ε表示CT的能量转换效率，PP表示PT的发射功率，γ2＝|h2|2，h2表示链路PT→CT的信道系数。
PR和CR在第二时隙获得的速率表示为
Figure GDA0003633750120000052
Figure GDA0003633750120000053
其中，b表示CT转发PT信号的带宽分配系数，Pc表示CT的发射功率，γ1＝|h1|2，γ3＝|h3|2，γ4＝|h4|2，h1，h3和h4分别表示链路PT→PR，CT→PR和CT→CR的信道系数。
经过两个时隙传输后，主用户获得的速率表示为：
Figure GDA0003633750120000054
本发明联合资源优化的具体实施方法为：
认知用户发送端的功率和带宽分配系数优化问题建模为：
Figure GDA0003633750120000055
满足以下条件
Figure GDA0003633750120000061
其中，RT表示主用户的目标速率。
通过求解获得功率分配系数α*和最优宽带b*：
Figure GDA0003633750120000062
Figure GDA0003633750120000063
其中，
Figure GDA0003633750120000064
本实施例的基于信息与能量协同传输的抗干扰协作频谱接入方法，能够提高认知用户的频谱利用率和能量效率。
在本实施方式中，PT，PR和CT位于同一条直线上，PT和PR分别位于(0，0)和(0，1)，CR位于PT→PR链路垂直的线上，距离PR0.5处，所有链路的信道都假定为瑞利平坦衰落信道。噪声功率σ2＝1，能量转换效率ε＝1，PT和CT的发射功率分别为6dB和10dB，主用户的目标速率为2.5bps/Hz。图2显示了本发明中主用户和认知用户速率，图3显示了最优功率和带宽分配系数。从图中可以看出，采用本发明的接入策略后，不仅能够保证主用户达到目标速率，认知用户还能够获得比较好的传输速率，达到双赢的结果。

Claims (3)

1.一种基于信息与能量协同传输的抗干扰协作频谱接入方法，无线电通信系统由主系统和认知系统构成：其中主系统由一个主用户发送端PT和主用户接收端PR组成，主系统已获得一段W带宽的授权频谱，且支持中继功能；认知系统由一个认知用户发送端CT和认知用户接收端CR组成，认知系统通过寻找机会伺机接入授权频谱从而发送自己的信息；整个传输过程被分为两个时隙，每个时隙各占传输时间的
Figure FDA0003633928790000011
其特征在于，所述的基于信息与能量协同传输的抗干扰协作频谱接入方法包括以下步骤：
1)在第一时隙中，PT发送信息给PR和CT，PR用接收到的全部功率进行信息解码，CT用一部分接收到的功率进行信息解码，用接收到的剩余功率进行能量收集；
2)在第二时隙中，CT利用一部分带宽和收集到的全部能量Q转发PT的信息到PR，用剩余的带宽和自己的能量发送自己的信号到CR；
认知用户发送端的功率和带宽分配系数优化问题建模为：
Figure FDA0003633928790000012
满足以下条件
Figure FDA0003633928790000013
其中，α表示CT分配用于信息解码的功率分配系数，b表示CT转发PT信号的带宽分配系数，RT表示主用户的目标速率，Rp和Rc分别表示认知用户接入主用户频谱后，主用户和认知用户获得的速率；
通过求解获得功率分配系数α*和最优宽带b*：
Figure FDA0003633928790000021
Figure FDA0003633928790000022
其中，
Figure FDA0003633928790000023
σ2表示接收端的噪声功率，ε表示CT的能量转换效率，PP表示PT的发射功率，γ1＝|h1|2，γ2＝|h2|2，γ3＝|h3|2，h1，h2和h3分别表示链路PT→PR，PT→CT和CT→PR的信道系数。
2.如权利要求1所述的基于信息与能量协同传输的抗干扰协作频谱接入方法，其特征在于：所述步骤1)中，CT获得的速率表示为：
Figure FDA0003633928790000024
CT收集到的能量表示为：
Q＝ε(1-α)γ2PP (6)。
3.如权利要求1或2所述的基于信息与能量协同传输的抗干扰协作频谱接入方法，其特征在于：所述步骤2)中，PR和CR获得的速率表示为：
Figure FDA0003633928790000025
Figure FDA0003633928790000026
其中，Pc表示CT的发射功率，γ4＝|h4|2，h4表示链路CT→CR的信道系数；
经过两个时隙传输后，主用户的速率表示为：
Figure FDA0003633928790000027
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