CN111787545B - 基于能量收集的全双工认知中继功率分配方法 - Google Patents

基于能量收集的全双工认知中继功率分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于能量收集的全双工认知中继功率分配方法，该方法中的认知中继节点对于从主用户发射的信号和次用户发射的信号中接收的信号按分配系数ρ进行功率分配，在实现频谱资源共享的同时，充分再利用了无线射频环境中的能量资源，解决了中继节点自身能量受限的问题；本发明方法中主用户收发者和次用户收发者均采用underlay频谱接入模式进行网络频谱接入，主次用户同时共享频段。本发明方法中的最优化中继节点的收集能量，可以实现认知网络的吞吐量的最大化，且中继节点采用全双工的通信模式，适用于目前5G环境下的车联网等对网络吞吐量和时延要求较高的场景。

Description

基于能量收集的全双工认知中继功率分配方法
技术领域：
本发明涉及一种基于能量收集的全双工认知中继功率分配方法，属于无线网络通信领域。
背景技术：
随着社会经济和新兴技术的快速发展，无线通信业务需求急剧增长，对无线通信提出更高的要求，采用电池供电的便携式无线通信设备剧增，无线频谱资源的短缺与便携式设备能量的受限己成为制约无线通信的重要因素。如何在提高无线中继网络频谱利用率的同时解决便携式设备能量供应的问题尤为重要。
近几年，将无线射频信号能量转化为设备能量的能量收集技术已经成为延长能量受限网络生存时间的有效手段。而认知无线电技术能有效缓解频谱资源短缺问题，提高频谱的利用率。因此，结合能量收集技术的认知无线网络在解决频谱资源匮乏的同时又能解决节点能量不足的问题，实现无线网络的持续有效工作。现有的技术只适合半双工模式下的认知网络，对于时延及吞吐量等QoS性能要求较高的场景并不适用。如何将授权频谱资源与无线环境的能量资源进行综合优化分配，保证认知网络次用户通信的传输连续性及通信质量，进一步提高认知网络的吞吐量，降低认知网络时延，是一个尚未解决的难题。
发明内容：
为解决上述问题，本发明提出一种基于能量收集的全双工认知中继功率分配方法，该方法的技术方案如下：
一种基于能量收集的全双工认知中继功率分配方法，在包括至少一对主用户收发者、至少一对次用户收发者和至少一个能量受限的全双工认知中继节点R的认知无线网络中，主用户发射端PU_Tx向主用户接收端PU_Rx发射信号，同时次用户发射端SU_Tx通过全双工认知中继节点R向次用户接收端SU_Rx发射信号，
全双工认知中继节点R对于在第k抽样时刻从主用户发射端和次用户发射端发射的信号中接收到的信号yR[k]按分配系数ρ进行关于能量收集和信号接收的功率分配，其中，
Figure GDA0003933064060000021
用于节点R的能量收集，
Figure GDA0003933064060000022
用于节点R的信号接收；所述分配系数ρ和次用户发射端的信号发射功率按如下方法进行取值：
对考虑主用户干扰门限约束条件下次用户发射端功率可达到的最大值Pth和次用户发射端允许的最大发射功率Ps,max进行比较，
如果Pth≤Ps,max，则次用户发射端的信号发射功率PST＝Pth，分配系数ρ取考虑主用户干扰门限约束条件下次用户系统达到最大吞吐量时的分配系数ρth；
如果Pth＞Ps,max，则次用户发射端的信号发射功率PST＝Ps,max，分配系数ρ取不考虑主用户干扰门限约束下次用户系统达到最大吞吐量时的分配系数ρ1；
Figure GDA0003933064060000023
Figure GDA0003933064060000024
Figure GDA0003933064060000025
上式中，G＝η|hsr|2|hrp|2；
Figure GDA0003933064060000029
M＝|hsp|2；
a1＝BDPST+BE；b1＝-(CDPST+CE+AFPST)；c1＝AFPST，A＝|hsr|2；
Figure GDA0003933064060000026
D＝η|hrs|2|hsr|2；
Figure GDA0003933064060000027
a2＝K2M2+2KM(CD+AF)+4ABDF；
b2＝-2[K2IthM+KIth(CD+AF)-KMCE-2ABEF]；c2＝K2Ith-2KIthCE；
Figure GDA0003933064060000028
PST为次用户发射端的发射功率；PPT为主、次用户发射的信号功率；hpr为主用户发射端PU_Tx到中继节点R的信道增益；hps为主用户发射端PU_Tx到次用户接收端SU_Rx的信道增益；hsp为次用户发射端SU_Tx到主用户接收端PU_Rx的信道增益；hsr为次用户发射端SU_Tx到中继节点R的信道增益；hrp为中继节点R到主用户接收端PU_Rx的信道增益；hrs为中继节点R到次用户接收端SU_Rx的信道增益；fr为中继节点R的自干扰信道增益；
Figure GDA0003933064060000031
为中继节点接收端高斯噪声的方差；QSI为经自干扰消除后的剩余自干扰高斯噪声的方差；Ith为主用户干扰门限；
Figure GDA0003933064060000032
为能量采集时射频高斯噪声的方差；
Figure GDA0003933064060000033
为次用户接收端高斯噪声的方差；η为中继节点R的能量收集效率，η∈(0,1)。
优选地，所述主用户收发者和次用户收发者均采用underlay频谱接入模式进行网络频谱接入。
优选地，所述全双工认知中继R在第k抽样时刻从主、次用户发射端发射的信号中接收到的信号yR[k]为：
Figure GDA0003933064060000034
其中，xPT[k]、xST[k]分别为第k抽样时刻主用户发射端和次用户发射端的功率归一化发射信号；PPT、PST分别为主、次用户发射的信号功率；nR[k]为第k抽样时刻中继接收端的噪声，服从均值为0、方差为
Figure GDA0003933064060000035
的高斯分布；
Figure GDA0003933064060000036
为第k抽样时刻经过自干扰消除技术后的剩余自干扰信号，服从均值为0、方差为QSI的高斯分布。
优选地，所述主用户收发者、次用户收发者和全双工认知中继选用单天线设备或多天线设备。
本发明相比现有技术具有如下有益效果：
本发明方法中的认知中继节点对于从主用户发射的信号和次用户发射的信号中接收的信号按分配系数ρ进行功率分配，在实现频谱资源共享的同时，充分再利用了无线射频环境中的能量资源，解决了中继节点自身能量受限的问题；
本发明方法中主用户收发者和次用户收发者均采用underlay频谱接入模式进行网络频谱接入，主次用户同时共享频段。
本发明方法中的最优化中继节点的收集能量，可以实现认知网络的吞吐量的最大化，且中继节点采用全双工的通信模式，适用于目前5G环境下的车联网等对网络吞吐量和时延要求较高的场景。
附图说明:
图1为实施例中认知无线网络系统模型示意图。
具体实施方式：
下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例：
本实施例对某认知无线网络模拟实施本发明的基于能量收集的全双工认知中继功率分配方法，如图1所示，该认知无线网络系统包括一对主用户收发者、一对次用户收发者和一个能量受限的全双工认知中继节点R，在该认知无线网络中，主用户收发者、次用户收发者和全双工认知中继选用单天线设备或多天线设备，并且主用户收发者和次用户收发者均采用underlay频谱接入模式进行网络频谱接入；在一个工作周期T内，主用户发射端PU_Tx向主用户接收端PU_Rx发射信号，同时次用户发射端SU_Tx通过中继节点R向次用户接收端SU_Rx发射信号；该功率分配方法包括：
全双工认知中继节点R对于在第k抽样时刻从主用户发射端和次用户发射端发射的信号中接收到的信号yR[k]进行关于能量收集和信号接收的功率分配，分配系数为ρ，其中，
Figure GDA0003933064060000041
用于节点R的能量收集，缓解其自身的能量受限问题，
Figure GDA0003933064060000042
用于节点R的信号接收：
Figure GDA0003933064060000043
其中，xPT[k]、xST[k]分别为第k抽样时刻主用户发射端和次用户发射端的功率归一化发射信号；PPT、PST分别为主、次用户发射的信号功率；nR[k]为第k抽样时刻中继接收端的噪声，服从均值为0、方差为
Figure GDA0003933064060000044
的高斯分布；
Figure GDA0003933064060000045
为第k抽样时刻经过自干扰消除技术后的剩余自干扰信号，可等效为噪声信号，服从均值为0、方差为QSI的高斯分布。
上述分配系数ρ和次用户发射端的信号发射功率按如下方法进行取值：
对考虑主用户干扰门限约束条件下次用户发射端功率可达到的最大值Pth和次用户发射端允许的最大发射功率Ps,max进行比较，
如果Pth≤Ps,max，则次用户发射端的信号发射功率PST＝Pth，分配系数ρ取考虑主用户干扰门限约束条件下次用户系统达到最大吞吐量时的分配系数ρth；
如果Pth＞Ps,max，则次用户发射端的信号发射功率PST＝Ps,max，分配系数ρ取不考虑主用户干扰门限约束下次用户系统达到最大吞吐量时的分配系数ρ1；
Figure GDA0003933064060000051
Figure GDA0003933064060000052
Figure GDA0003933064060000053
上式中，G＝η|hsr|2|hrp|2；
Figure GDA0003933064060000054
M＝|hsp|2；
a1＝BDPST+BE；b1＝-(CDPST+CE+AFPST)；c1＝AFPST，A＝|hsr|2；
Figure GDA0003933064060000055
D＝η|hrs|2|hsr|2；
Figure GDA0003933064060000056
a2＝K2M2+2KM(CD+AF)+4ABDF；
b2＝-2[K2IthM+KIth(CD+AF)-KMCE-2ABEF]；c2＝K2Ith-2KIthCE；
Figure GDA0003933064060000057
PST为次用户发射端的发射功率；PPT为主用户发射的信号功率；hpp为主用户发射端PU_Tx到主用户接收端PU_Rx的信道增益；hpr为主用户发射端PU_Tx到中继节点R的信道增益；hps为主用户发射端PU_Tx到次用户接收端SU_Rx的信道增益；hsp为次用户发射端SU_Tx到主用户接收端PU_Rx的信道增益；hsr为次用户发射端SU_Tx到中继节点R的信道增益；hrp为中继节点R到主用户接收端PU_Rx的信道增益；hrs为中继节点R到次用户接收端SU_Rx的信道增益；fr为中继节点R的自干扰信道增益；
Figure GDA0003933064060000058
为中继节点接收端高斯噪声的方差；QSI为经自干扰消除后的剩余自干扰高斯噪声的方差；Ith为主用户干扰门限；
Figure GDA0003933064060000061
为能量采集时射频高斯噪声的方差；
Figure GDA0003933064060000062
为次用户接收端高斯噪声的方差；η为中继节点R的能量收集效率，η∈(0,1)。

Claims (3)

1.一种基于能量收集的全双工认知中继功率分配方法，在包括至少一对主用户收发者、至少一对次用户收发者和至少一个能量受限的全双工认知中继节点R的认知无线网络中，主用户发射端PU_Tx向主用户接收端PU_Rx发射信号，同时次用户发射端SU_Tx通过全双工认知中继节点R向次用户接收端SU_Rx发射信号，其特征在于：
全双工认知中继节点R对于在第k抽样时刻从主用户发射端和次用户发射端发射的信号中接收到的信号yR[k]按分配系数ρ进行关于能量收集和信号接收的功率分配，其中，
Figure FDA0003933064050000011
用于节点R的能量收集，
Figure FDA0003933064050000012
用于节点R的信号接收；
所述全双工认知中继R在第k抽样时刻从主、次用户发射端发射的信号中接收到的信号yR[k]为：
Figure FDA0003933064050000013
其中，xPT[k]、xST[k]分别为第k抽样时刻主用户发射端和次用户发射端的功率归一化发射信号；PPT、PST分别为主、次用户发射的信号功率；nR[k]为第k抽样时刻中继接收端的噪声，服从均值为0、方差为
Figure FDA0003933064050000014
的高斯分布；
Figure FDA0003933064050000015
为第k抽样时刻经过自干扰消除技术后的剩余自干扰信号，服从均值为0、方差为QSI的高斯分布；
所述分配系数ρ和次用户发射端的信号发射功率按如下方法进行取值：
对考虑主用户干扰门限约束条件下次用户发射端功率可达到的最大值Pth和次用户发射端允许的最大发射功率Ps,max进行比较，
如果Pth≤Ps,max，则次用户发射端的信号发射功率PST＝Pth，分配系数ρ取考虑主用户干扰门限约束条件下次用户系统达到最大吞吐量时的分配系数ρth；
如果Pth＞Ps,max，则次用户发射端的信号发射功率PST＝Ps,max，分配系数ρ取不考虑主用户干扰门限约束下次用户系统达到最大吞吐量时的分配系数ρ1；
Figure FDA0003933064050000021
Figure FDA0003933064050000022
Figure FDA0003933064050000023
上式中，G＝η|hsr|2|hrp|2；
Figure FDA0003933064050000024
M＝|hsp|2；
a1＝BDPST+BE；b1＝-(CDPST+CE+AFPST)；c1＝AFPST，A＝|hsr|2；
Figure FDA0003933064050000025
D＝η|hrs|2|hsr|2；
Figure FDA0003933064050000026
a2＝K2M2+2KM(CD+AF)+4ABDF；
b2＝-2[K2IthM+KIth(CD+AF)-KMCE-2ABEF]；c2＝K2Ith-2KIthCE；
Figure FDA0003933064050000027
PST为次用户发射端的发射功率；PPT为主用户发射的信号功率；hpr为主用户发射端PU_Tx到中继节点R的信道增益；hps为主用户发射端PU_Tx到次用户接收端SU_Rx的信道增益；hsp为次用户发射端SU_Tx到主用户接收端PU_Rx的信道增益；hsr为次用户发射端SU_Tx到中继节点R的信道增益；hrp为中继节点R到主用户接收端PU_Rx的信道增益；hrs为中继节点R到次用户接收端SU_Rx的信道增益；fr为中继节点R的自干扰信道增益；
Figure FDA0003933064050000028
为中继节点接收端高斯噪声的方差；QSI为经自干扰消除后的剩余自干扰高斯噪声的方差；Ith为主用户干扰门限；
Figure FDA0003933064050000029
为能量采集时射频高斯噪声的方差；
Figure FDA00039330640500000210
为次用户接收端高斯噪声的方差；η为中继节点R的能量收集效率，η∈(0,1)。
2.根据权利要求1所述的基于能量收集的全双工认知中继功率分配方法，其特征在于：所述主用户收发者和次用户收发者均采用underlay频谱接入模式进行网络频谱接入。
3.根据权利要求1所述的基于能量收集的全双工认知中继功率分配方法，其特征在于：所述主用户收发者、次用户收发者和全双工认知中继选用单天线设备或多天线设备。
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CN107071785A (zh) * 2016-10-09 2017-08-18 南通大学 一种协作多中继认知无线网络的频谱分配方法
CN109450571A (zh) * 2018-10-12 2019-03-08 南京邮电大学 一种射频能量收集认知无线网络中的高能效信道和功率联合分配方法
CN109547183A (zh) * 2018-12-06 2019-03-29 电子科技大学 一种全双工环境反向散射通信系统、传输方法及资源分配方法

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