CN109862601A - 一种基于非正交多址的认知网络中继选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信领域，具体是一种基于非正交多址的认知网络中继选择方法，包括以下步骤：1)从所有次级用户中选择能够解码的主用户，并且转发信号后，主用户速率可以得到保障的用户集S_D，表示为：S_D＝{γ_sp＞τ_sp,γ_p＞τ_p,s∈(1,...,S)}；2)从用户集S_D中选出能使min(γ_s,γ_n)最大的用户作为中继：本发明相比于非协作传输，协作传输策略取得了更高的性能，并且本发明提升了整个网络的中断性能，并且相较于传统的中继选择方案，本发明性能提升巨大。

Description

一种基于非正交多址的认知网络中继选择方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体是一种基于非正交多址的认知网络中继选择方法。

背景技术

科技在不断进步，人们的生活也日新月异，促使无线通信技术飞速发展。然而，随着用户设备数目的增多，用户对通信质量要求越来越高，频谱资源也越来越稀缺，现有的通信技术渐渐不能满足人们的需要。

非正交多址技术(Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA)是新一代的无线通信技术，通过在编码端采用叠加编码技术(Superposition Coding，SC)同时发送多个用户信号，在接收端采用串行干扰消除技术(Successive Interference Cancellation，SIC)分离用户信号，使得更多用户能够接入频谱，从而提升了频谱效率。另一方面，认知无线电技术(Cognitive Radio，CR)也是一种能够提高频谱效率，提高用户间公平性的技术。关于两种技术的研究已经取得重大进展，而在进一步的研究中，将其与NOMA技术相结合是一大研究热点，因为这样能够进一步改善频谱效率，提高网络性能。

现有的研究更多是以协作传输的方式将两种技术相结合，一般来说，将离基站较近的用户作为次级用户，离基站较远的用户作为主用户，利用次级用户协助主用户进行信号传输，既保证了主用户的服务质量，次级用户也能够获得接入频谱的机会。然而，这些技术对于网络性能的提升也依靠于其他因素，如合适的中继选择策略以及功率分配等。

综上所述，现有技术存在的问题是：对于多用户的中继选择策略研究不足，以及现有的中继选择策略并不能有效的提升网络性能。因此，针对以上现状，迫切需要开发一种基于非正交多址的认知网络中继选择方法，以克服当前实际应用中的不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于非正交多址的认知网络中继选择方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于非正交多址的认知网络中继选择方法，包括以下步骤：

1)从所有次级用户中选择能够解码的主用户，并且转发信号后，主用户速率可以得到保障的用户集S_D，表示为：

S_D＝{γ_sp＞τ_sp,γ_p＞τ_p,s∈(1,...,S)}；

2)从用户集S_D中选出能使min(γ_s,γ_n)最大的用户作为中继：

作为本发明进一步的方案：在步骤1)中，基站以多播的形式向次级用户发送消息：其中，x₁和x₂分别表示主用户和次级用户需要接受的信号；a₁和a₂分别表示主用户和次级用户的功率分配因子，需满足a₁＞a₂且a₁+a₂＝1；P_s表示基站的发送功率。

作为本发明进一步的方案：所有的次级用户在收到基站发送的信号后，利用串行干扰消除技术对接收信号进行解码。

作为本发明进一步的方案：在步骤1)中，中继选择出一个次级用户n来转发信号，且信号干噪比需满足：

其中，h_n是基站到中继用户的信道增益；R_sp表示次级用户能够成功解码主用户信号的目标速率，而中继用户自身的信噪比需满足：

γ_s＝|h_n|²a₂ρ_p＞τ_s；

其中，R_s表示中继用户能够成功解码自身信号的目标速率。

作为本发明进一步的方案：在步骤1)中，次级用户在作为中继时，存在S_a、S_b和S_c三种集合状态，三种集合的大小分别表示为|S_a|、|S_b|和|S_c|；其中，集合S_a表示既可以解码主用户信号，又可以解码次级用户信号的用户；集合Sb表示可以解码主用户信号，但不可以解码次级用户信号的用户；集合S_c表示既不可以解码主用户信号，又不可以解码次级用户信号的用户。

作为本发明进一步的方案：当|S_a|＞0时，即次级用户中存在能够将x₁和x₂都成功解码的用户；若从次级用户中选择出一个用户作为中继用户，将叠加信号分别以多播和单播的方式分别转发给次级用户和主用户，主用户成功解码自身信号需满足：

其中，R_p表示主用户能够成功解码自身信号的目标速率；ρ_s＝P_s/N₀表示传输的信噪比。

作为本发明进一步的方案：当|S_a|＝0且|S_b|＞0时，即没有用户能够成功解码全部信号；若能够解码主用户信号的用户选择作为中继用户，将只转发信号给主用户，次级用户将只作为中继使用。

作为本发明进一步的方案：当|S_a|＝0且|S_b|＝0_时，即所有用户既不能成功解码主用户信号，也无法成功解码自身信号，此时主用户和次级用户均中断，信号传输终止。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

该基于非正交多址的认知网络中继选择方法，给出了完整的中断概率表达式，并分析了大信噪比时的中断概率，从而计算出不同策略下网络的分集增益；结果表明，所有用户获得了满的分集增益，网络性能获得了极大地提升；本发明相比于非协作传输，协作传输策略取得了更高的性能，并且本发明提升了整个网络的中断性能，并且相较于传统的中继选择方案，本发明性能提升巨大。

附图说明

图1为本发明实施例提供的实例场景图。

图2为本发明的中断概率对比图。

图3为本发明的用户数目对中断概率的影响图。

图中：1-基站，2-主用户，3-次级用户。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1-3，本发明实施例中，一种基于非正交多址的认知网络中继选择方法，包括以下步骤：

1)从所有次级用户3中选择能够解码的主用户2，并且转发信号后，主用户2速率可以得到保障的用户集S_D，表示为：

S_D＝{γ_sp＞τ_sp,γ_p＞τ_p,s∈(1,...,S)}；

2)从用户集S_D中选出能使min(γ_s,γ_n)最大的用户作为中继：

研究协作CR-NOMA场景下，多个多播次级用户3将作为候选中继，协助主用户2进行传输，同时选择出的中继也将协作其他次级用户3传输信号，在满足门限速率的要求时，中继用户将以NOMA的方式传输信号以协作其他用户，这样的传输策略不仅能够协作主用户2传输，同时也能提升整个次级网络的性能。

针对认知网络中主用户2可能存在信道质量较差无法与基站1通信的问题，利用网络中信道质量条件较好的次级用户3协助主用户2传输，不仅使得主用户2能够得到服务，也使得次级用户3获得了接入频谱的机会，提升了频谱效率。

在分析网络的传输过程下，提出了基于网络的中继选择策略，旨在同时提升主用户2以及次级用户3的中断性能。

实施例2

本发明实施例中，中继的选择策略对于整个网络信号的传输至关重要，对于认知网络而言，首先要保障的是主用户2的服务不受到影响，因此中继的选择策略必须优先考虑主用户2信号的传输。其次，在保证主用户2信号传输的前提下，尽可能提升整个次级网络的服务质量。本发明给出一个两步的中继选择策略，旨在达到一个“双赢”的效果。

整个系统传输过程分为两个时隙，通信过程如下：

在第一时隙中，基站1以多播的形式向次级用户3发送消息：其中，x₁和x₂分别表示主用户2需要接收的信号和次级用户3需要接受的信号；a₁和a₂分别表示主用户2的功率分配因子和次级用户3的功率分配因子，并且由于主用户2的高优先级，需要满足a₁＞a₂且a₁+a₂＝1；P_s表示基站1的发送功率；所有的次级用户3在第一时隙收到基站1发送的信号后，需要利用串行干扰消除技术对接收信号进行解码。

在第二时隙中，需要进行中继选择，选择出一个次级用户n来转发信号，由于采用解码的转发模式，中继用户要想成功转发信号，它的信号干噪比需要满足：

其中，h_n是基站1到中继用户的信道增益；R_sp表示次级用户3能够成功解码主用户2信号的目标速率，而中继用户自身的信噪比需要满足：

γ_s＝|h_n|²a₂ρ_p＞τ_s；

其中，Rs表示中继用户能够成功解码自身信号的目标速率。

次级用户3在作为中继时有可能存在三种解码状态。根据这三种情况，可以将所有次级用户3分为三个集合。用集合S_a来表示既可以解码主用户2信号，又可以解码次级用户3信号的用户，用集合S_b表示可以解码主用户2信号，但不可以解码次级用户₃信号的用户，用集合S_c表示既不可以解码主用户2信号，又不可以解码次级用户3信号的用户。另外，三种集合的大小分别表示为|S_a|、|S_b|和|S_c|。

当|S_a|＞0时，即次级用户3中存在能够将x₁和x₂都成功解码的用户，此时若从中选择出一个用户作为中继用户，将会把叠加信号分别以多播和单播的方式分别转发给次级用户3和主用户2。主用户2要想成功解码自身信号，必须满足：

其中，R_p表示主用户2能够成功解码自身信号的目标速率；ρ_s＝P_s/N₀表示第二时隙传输的信噪比。

当|S_a|＝0且|S_b|＞0时，此时没有一个用户能够成功解码全部信号，但是存在一些用户能够解码主用户2的信号，那么如果这些用户最终被选作中继用户，将只转发信号给主用户2，而无法向其他次级用户3转发信号。而此时由于所有次级用户3都无法解码自身信号，并且也无法转发自身信号，基于多播网络的性质，次级网络将会产生中断。因此，此时的传输策略会转变成传统的中继协作转发。次级用户3将只作为中继使用以保障主用户2信号的传输。

当|S_a|＝0且|S_b|＝0时，此时所有用户既不能成功解码主用户2信号，也无法成功解码自身信号，自然无法作为中继转发信号。很容易可以看出，此时主用户2和次级用户3均会发生中断，信号传输也将终止。

图2是本发明的中断概率对比图，可以看出，本发明相较于其他中继选择策略，中断性能获得了巨大的提升。

图3是用户数目对中断概率的影响图，可以看出，通过增加用户数目，可以进一步减少中断概率。

为了尽可能提升网络性能，最明智的做法就是将所有次级用户3都作为候选中继用户，并采取适当的中继选择策略，以达到主用户2和次级用户3“双赢”的局面。因此，提出了该基于非正交多址的认知网络中继选择方法，旨在同时提升两种用户的中断性能，本发明给出了完整的中断概率表达式，并分析了大信噪比时的中断概率，从而计算出不同策略下网络的分集增益；结果表明，所有用户获得了满的分集增益，网络性能获得了极大地提升；本发明相比于非协作传输，协作传输策略取得了更高的性能，并且本发明提升了整个网络的中断性能，并且相较于传统的中继选择方案，本发明性能提升巨大。

以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (8)

1.一种基于非正交多址的认知网络中继选择方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)从所有次级用户(3)中选择能够解码的主用户(2)，并且转发信号后，主用户(2)速率可以得到保障的用户集S_D，表示为：

S_D＝{γ_sp＞τ_sp,γ_p＞τ_p,s∈(1,...,S)}；

2)从用户集S_D中选出能使min(γ_s,γ_n)最大的用户作为中继：

2.根据权利要求1所述的基于非正交多址的认知网络中继选择方法，其特征在于，在步骤1)中，基站(1)以多播的形式向次级用户(3)发送消息：其中，x₁和x₂分别表示主用户(2)和次级用户(3)需要接受的信号；a₁和a₂分别表示主用户(2)和次级用户(3)的功率分配因子，需满足a₁＞a₂且a₁+a₂＝1；P_s表示基站(1)的发送功率。

3.根据权利要求2所述的基于非正交多址的认知网络中继选择方法，其特征在于，所有的次级用户(3)在收到基站(1)发送的信号后，利用串行干扰消除技术对接收信号进行解码。

4.根据权利要求1所述的基于非正交多址的认知网络中继选择方法，其特征在于，在步骤1)中，中继选择出一个次级用户n来转发信号，且信号干噪比需满足：

其中，h_n是基站(1)到中继用户的信道增益；R_sp表示次级用户(3)能够成功解码主用户(2)信号的目标速率，而中继用户自身的信噪比需满足：

γ_s＝|h_n|²a₂ρ_p＞τ_s；

其中，R_s表示中继用户能够成功解码自身信号的目标速率。

5.根据权利要求1或4所述的基于非正交多址的认知网络中继选择方法，其特征在于，在步骤1)中，次级用户(3)在作为中继时，存在S_a、S_b和S_c三种集合状态，三种集合的大小分别表示为|S_a|、|S_b|和|S_c|；其中，集合S_a表示既可以解码主用户(2)信号，又可以解码次级用户(3)信号的用户；集合S_b表示可以解码主用户(2)信号，但不可以解码次级用户(3)信号的用户；集合S_c表示既不可以解码主用户(2)信号，又不可以解码次级用户(3)信号的用户。

6.根据权利要求5所述的基于非正交多址的认知网络中继选择方法，其特征在于，当|S_a|＞0时，即次级用户(3)中存在能够将x₁和x₂都成功解码的用户；若从次级用户(3)中选择出一个用户作为中继用户，将叠加信号分别以多播和单播的方式分别转发给次级用户(3)和主用户(2)，主用户(2)成功解码自身信号需满足：

其中，R_p表示主用户(2)能够成功解码自身信号的目标速率；ρ_s＝P_s/N₀表示传输的信噪比。

7.根据权利要求5所述的基于非正交多址的认知网络中继选择方法，其特征在于，当|S_a|＝0且|S_b|＞0时，即没有用户能够成功解码全部信号；若能够解码主用户(2)信号的用户选择作为中继用户，将只转发信号给主用户(2)，次级用户(3)只作为中继使用。

8.根据权利要求5所述的基于非正交多址的认知网络中继选择方法，其特征在于，当|S_a|＝0且|S_b|＝0时，即所有用户既不能成功解码主用户(2)信号，也无法成功解码自身信号，此时主用户(2)和次级用户(3)均中断，信号传输终止。