CN114302365A - 一种v2v通信网络主次用户协作频谱感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种V2V通信网络主次用户协作频谱感知方法。该方法使用时域正交码辅助信号传输，在接收端可根据时域正交码去除多余信号，通过时域正交码可有效缓解主次系统之间的干扰。本发明采用次用户辅助主用户通信的传输方式，将主用户信号与次用户信号有机的结合，增加了次用户在传输主用户信号和次用户信号时所使用的频带宽度，可采用放大转发或解码转发，具有搭建简单、适用范围广、灵活多变、对无线通信信道变化适应性强等优点，为加快无线通信技术的研发与应用提供了便利条件。

Description

一种V2V通信网络主次用户协作频谱感知方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体地说是一种V2V通信网络主次用户协作频谱感知方法。

背景技术

由于全球数据应用和服务的增加，全球数据流量和数据量呈指数级增长，导致频谱稀缺，这种稀缺性更多的是由于对可用频谱的未充分利用，而不是由于实际缺乏频谱。在无线通信系统中频谱资源的宽度是决定通信质量的关键因素。近年来，随着无线通信技术的快速发展对通信速度与质量要求的不断提高，对于频谱资源需求显得尤为迫切。然而频谱资源分配方案利用率低，严重影响了通信技术的进一步发展。因此设计一种复杂度低、频谱利用率高和易于实现的V2V通信网络主次用户协作频谱感知方法显得尤为重要。

现有的V2V通信网络主次用户协作频谱感知方法中采用将次用户授权频段宽度分为两部分，在保障主用户信号传输的前提下剩余带宽用于传输自身信号以实现协作通信。

发明内容

本发明的目的就是提供一种V2V通信网络主次用户协作频谱感知方法，该方法将主用户信号与次用户信号有机的结合，增加了次用户在传输主用户信号和次用户信号时所使用的频带宽度，提高了频谱利用率，实施简单且扩展容易，为加快无线通信技术的研发与应用提供了便利条件。

本发明是这样实现的：

一种V2V通信网络主次用户协作频谱感知方法，该方法使用时域正交码辅助传输，在接收端可根据时域正交码去除多余信号，通过时域正交码可有效缓解主次系统之间的干扰。

该方法中所采用系统的构成(结合图1和图2)包括中央控制器1、主用户发射机2、次用户发射机3、主用户接收机4、次用户接收机5，所述中央控制器为所述系统提供一个信道和两个时域正交码以及关于通信频谱、定时和关于区域内可能合作伙伴的信息，主用户发射机向次用户发射机和主用户接收机发射主用户信号并使主用户信号乘以指定的时域正交码，次用户发射机向主用户接收机和次用户接收机发射其接收到的主用户信号和次用户信号并使次用户信号乘以指定的时域正交码，该认知无线网络主次用户频谱协作方案按如下方式运行：

a.中央控制器接收到主用户发射机的合作请求后，为其选择合适的协作伙伴，并为通信系统提供一个频段和两个时域正交码以及关于通信频谱、定时、持续时间控制的信息。

b.主用户发射机接收到中央控制器提供的信息后，使主用户信号乘以指定的时域正交码，并向次用户发射机和主用户接收机发射主用户信号。

c.次用户发射机使次用户信号乘以指定的时域正交码，并向主用户接收机和次用户接收机发射其接收到的主用户信号和次用户信号。

d.主用户接收机和次用户接收机接收到来自次用户发射机的信号后根据各自发射机的时域正交码进行处理提取自身所需信号，主用户接收机将从次用户发射机接收到的信号与主用户发射机接收到的信号有效的结合获得性能增益。

主用户发射机与次用户发射机使主次用户信号分别乘以指定的时域正交码可以分别表示为：

s_p＝t₁x_p

s_s＝t₂x_s

式中，x_p和x_s分别是主用户信号和次用户信号，t₁和t₂是两个正交时域码。

次用户发射机对接收到的主用户信号进行的处理，根据转发方式的不同(放大转发或解码转发)进行不同的处理，处理后次用户发射机发射的信号x'_s可以表示为：

式中，C[.]代表次用户发射机对接收到的主用户信号进行的处理(放大或解码)，P_s是次用户发射机的发射功率，α是次用户发射机为主用户信号分配的功率占比，1-α是次用户发射机为次用户信号分配的功率占比，为满足总功率限制0＜α＜1，P_p是主用户发射机的发射功率，h_ps是主用户发射机到次用户发射机之间的信道系数，n_ps是均值为零，方差为σ²的高斯白噪声。

主用户接收机和次用户接收机接收到来自次用户发射机的信号后根据各自发射机的时域正交码进行处理提取自身所需信号y_p，y_s可以分别表示为：

式中，h_sp和h_ss分别为次用户发射机到主用户接收机和次用户接收机之间的信道系数，n_sp和n_ss均是均值为零，方差为σ²的高斯白噪声，

和

分别表示t₁和t₂的共轭。

在不同情况下主用户接收机总是可以获得来自次用户发射机的性能增益。

本发明采用次用户辅助主用户通信的传输方式，将主用户信号与次用户信号有机的结合，增加了次用户在传输主用户信号和次用户信号时所使用的频带宽度，可采用放大转发或解码转发，具有搭建简单、适用范围广、灵活多变、对无线通信信道变化适应性强等优点，为加快无线通信技术的研发与应用提供了便利条件。

附图说明

图1和图2为本发明的两个实施案例的结构示意图。

图3和图4分别为两个实施案例在第一时隙和第二时隙的信号传输示意图。

图中各符号为：x_p,m、x_s,m分别为主次用户信号，PT是主用户发射机，PR是主用户接收机，ST是次用户发射机，SR是次用户接收机，h_ps,m、h_pp,m、h_sp,m和h_ss,m分别是主用户发射机到次用户发射机、主用户发射机到主用户接收机、次用户发射机到主用户接收机、次用户发射机到次用户接收机的信道系数，y′_p,m和x′_p,m分别是第一时隙主用户接收机与次用户发射机接收到的信号，x'_s,m是第二时隙次用户发射机发射的信号，y″_p,m和y_s,m分别是第二时隙主用户接收机和次用户接收机接收到的信号。

具体实施方式

本发明由河北省自然科学基金青年基金(项目号：F2019201362)，河北省自然科学基金(项目号：F2020201025)，河北省高等学校科学技术研究项目青年拔尖项目(项目号：BJ2020030)，河北省高等学校科学技术研究项目(项目号：QN2017306)、河北大学校长基金(项目号：XZJJ201909)，河北大学高层次人才科研启动经费项目(项目号：8012605)研究完成。

参看图1，考虑认知无线网络主次用户频谱协作方案。主用户和次用户均拥有M个子载波。主系统中包含主用户发射机(PT)2和主用户接收机(PR)4，主用户拥有使用和分配频谱的功能；次系统中包含次用户发射机(ST)3和次用户接收机(SR)5，次用户采用解码转发的方式协助主用户完成信息传递，因此可以获得主用户频谱的使用机会。整个通信协作过程分为两个时隙：第一时隙PT可使用所有子载波，即在子载波集合Ω＝{1,2,...,M}上将主用户信号发射给ST和PR。第二时隙ST以广播的形式在子载波集合Ω上发射处理后的自身信息与主用户信息。

假设主次用户传输系统均为瑞利衰落信道。主用户使用的授权频带宽度为B，且每个子载波的频带宽度相同，即子载波频带宽度为B₀＝B/M。在子载波m上PT→ST、PT→PR、ST→PR、ST→SR的信道系数分别表示为h_ps,m、h_pp,m、h_sp,m、h_ss,m。x_p,m为主用户在子载波m上传输的信号，满足

为x_p,m的共轭。中央控制器为主次用户提供一个信道f和两个时域正交码t₁和t₂，如PT→{f,t₁}，ST→{f,t₂}。

考虑一种两时隙的传输协议。在第一时隙，如图1中的实线部分所示。主用户发射机PT将信号在子载波m上发送给潜在目的主用户接收机PR和次用户发射机ST。PT在子载波m上的传输功率为p_p,m，并且满足总功率限制

p_p为主用户发射机总功率。

第一时隙在子载波m上信号的传输过程如图3(a)所示，ST和PR在子载波m上接收到的信号分别为：

式中，

为t₁的共轭。n_ps,m是PT→ST处在子载波m上的高斯白噪声，其均值为零，方差为

n_pp,m是PT→PR处在子载波m上的高斯白噪声，其均值为零，方差为

x_p,m是来自于主用户发射机的主用户信号，其满足

为x_p,m的共轭。

第二时隙如图1中虚线部分所示，ST对第一时隙接收到的来自PT的信号用可变放大因子

进行放大处理，并使次用户信号乘以指定的时域正交码t₂，即得到第二时隙ST在子载波m上发射的信号为：

式中，α是次用户发射机为主用户信号分配的功率占比，1-α是次用户发射机为次用户信号分配的功率占比，为满足总功率限制0＜α＜1。ST在子载波m上的传输功率为p_s,m，并且满足总功率限制

p_s为次用户发射机总功率。x_s,m为来自于次用户发射机的次用户信号，满足

为x_s,m的共轭。

在子载波m上信号的传输过程如图4(a)所示，PR和SR在子载波m上接收到的数据分别为：

式中，

和

分别为t₁和t₂的共轭，n_pr是第二时隙在PR处的子载波m上的高斯白噪声，其均值为零，方差为

可以将式(4)展开为：

式中

对主用户信号进行整理可得：

y_p,m＝H_mx_m+n_m (7)

式中，y_p,m＝[y'_p,m y″_p,m]^T，

n_m＝[n_pp,m n'_pr,m]^T，(.)^T表示矩阵的转置，H_m是有效信道的2×2矩阵，可表示为：

基于上述通信过程，主用户接收机在第m个子载波上的第一和第二时隙传输信噪比，分别表示为SNR_1,m，SNR_2,m，可按以下公式计算：

SNR_1,m＝γ_pp,m

主次用户在第m个子载频上的信道容量R_pm和R_sm可分别表示为：

式中，r_ij(i,j＝1,2)中若i＝j则表示时域正交码的自相关系数，若i≠j则表示时域正交码的互相关系数，则主次用户信号的信道容量R_pu和R_su可分别表示为：

实施例2

采用图2的V2V通信网络主次用户协作频谱感知方法。主用户和次用户均拥有M个子载波，由于V2V通信中主用户发射机与主用户接收机之间存在的障碍物、路径损耗等各种因素而导致无法直接实现数据传输。主系统中包含主用户发射机(PT)和主用户接收机(PR)，主用户拥有使用和分配频谱的功能；次系统中包含次用户发射机(ST)和次用户接收机(SR)，次用户采用解码转发的方式协助主用户完成信息传递，因此可以获得主用户频谱的使用机会。整个通信协作过程分为两个时隙：第一时隙PT可使用所有子载波，即在子载波集合Ω＝{1,2,...,M}上将需要协作传输的信息发射给ST。第二时隙ST以广播的形式在子载波集合Ω上发射处理后的自身信息与主用户信息。

假设主次用户传输系统均为瑞利衰落信道。主用户使用的授权频带宽度为B，且每个子载波的频带宽度相同，即子载波频带宽度为B₀＝B/M。在子载波m上PT→ST、ST→PR、ST→SR的信道系数分别表示为h_ps,m、h_sp,m、h_ss,m。x_p,m为主用户在子载波m上传输的信号，满足

为x_p,m的共轭。中央控制器为主次用户发射机提供一个信道f和两个时域正交码t₁和t₂，如PT→{f,t₁}，ST→{f,t₂}。

考虑一种两时隙的传输协议。在第一时隙，如图2中的实线部分所示。使用一个时域正交码t₁对主用户信号进行处理后，主用户发射机PT将信息x_p,m在子载波m上发送给次用户发射机ST。PT在子载波m上的传输功率为p_p,m，则满足总功率限制

p_p为主用户发射机总功率。

第一时隙在子载波m上信号的传输过程如图3(b)所示，ST在子载波m上接收到的信号为：

式中，n_ps,m是PT→ST处在子载波m上的高斯白噪声，即n_ps,m的均值为零，方差为

x_p,m为主用户信号。

主用户在第一时隙的信道容量为：

p_p,m为PT在子载波m上的传输功率。

第二时隙如图2中虚线部分所示，ST对第一时隙接收到的来自PT的信息进行正确译码，得到PT发送的原始发送信号t₁x_p,m，同时，使次用户信号乘以指定的时域正交码t₂，即得到第二时隙ST在第m个子载波上发射的原始信号，如下：

式中，α是次用户发射机为主用户信号分配的功率占比，1-α是次用户发射机为次用户信号分配的功率占比，为满足总功率限制0＜α＜1。ST在子载波m上的传输功率为p_s,m，x_s,m为次用户信号，满足

为x_s,m的共轭。

ST发射的信号同第一时隙占用全部子载波Ω，在子载波m上信号的传输过程如图4(b)所示，PR和SR在子载波m上接收到的数据分别为：

式中，

和

分别为t₁和t₂的共轭，n_sp,m是ST→PR处在子载波m上的高斯白噪声，即n_sp,m的均值为零，方差为

n_ss,m是ST→SR处在子载波m上的高斯白噪声，即n_ss,m的均值为零，方差为

主用户在第二时隙的信道容量为：

式中，r_ij(i,j＝1,2)中若i＝j则表示时域正交码的自相关系数，若i≠j则表示时域正交码的互相关系数。

次用户在第二时隙的信道容量为：

所以，主用户的最终信道容量为：

R_pu＝min{R¹,R²} (23)

本发明未尽事宜为公知技术。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种V2V通信网络主次用户协作频谱感知方法，其特征是，该方法采用时域正交码辅助信号传输，具体包括如下步骤：

a、中央控制器接收到主用户发射机的合作请求后，为其选择协作伙伴，并为通信系统提供一个频段、两个时域正交码以及关于通信频谱、定时、持续时间控制的信息；

b、主用户发射机接收到中央控制器提供的信息后，使主用户信号乘以第一时域正交码t₁，并向次用户发射机和主用户接收机发射主用户信号；

c、次用户发射机使次用户信号乘以第二时域正交码t₂，并向主用户接收机和次用户接收机发射其接收到的主用户信号和次用户信号；

d、主用户接收机和次用户接收机接收到来自次用户发射机的信号后根据各自发射机的时域正交码进行处理提取自身所需信号，主用户接收机将从次用户发射机接收到的信号与从主用户发射机接收到的信号结合获得性能增益。

2.根据权利要求1所述的V2V通信网络主次用户协作频谱感知方法，其特征是，步骤b中，主用户发射机使主用户信号乘以第一时域正交码t₁，表示为：

s_p＝t₁x_p

x_p是主用户信号；

步骤c中，次用户发射机使次用户信号乘以第二时域正交码t₂，表示为：

s_s＝t₂x_s

x_s是次用户信号；

步骤c中，次用户发射机对接收到的主用户信号进行处理，处理后次用户发射机发射的信号x'_s表示为：

式中，C[.]代表次用户发射机对接收到的主用户信号进行的放大或解码的处理，P_p是主用户发射机的发射功率，P_s是次用户发射机的发射功率，α是次用户发射机为主用户信号分配的功率占比，1-α是次用户发射机为次用户信号分配的功率占比，0＜α＜1，h_ps是主用户发射机到次用户发射机之间的信道系数，n_ps是均值为零、方差为σ²的高斯白噪声。

3.根据权利要求2所述的V2V通信网络主次用户协作频谱感知方法，其特征是，步骤d中，主用户接收机接收到来自次用户发射机的信号后根据第一时域正交码进行处理提取自身所需信号y_p，表示如下：

次用户接收机接收到来自次用户发射机的信号后根据第二时域正交码进行处理提取自身所需信号y_s，表示如下：

式中，h_sp为次用户发射机到主用户接收机之间的信道系数，h_ss为次用户发射机到次用户接收机之间的信道系数，n_sp和n_ss均是均值为零、方差为σ²的高斯白噪声，

和

分别表示t₁和t₂的共轭。

4.根据权利要求1～3任一项所述的V2V通信网络主次用户协作频谱感知方法，其特征是，步骤d中，在不同情况下主用户接收机总是可以获得来自次用户发射机的性能增益。

Images