一種基于時間和帶寬聯(lián)合優(yōu)化的雙向協(xié)作抗干擾頻譜接入方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域中的認(rèn)知無線電通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種頻譜接入方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線通信的發(fā)展，無線通信用戶不斷增多，業(yè)務(wù)需求快速增長，有限的無線頻 譜資源逐漸成為制約無線通信系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)的大量研究報 告表明當(dāng)前無線頻譜的利用率很低，只有15%~85%，大部分頻譜在多數(shù)時候并沒有得到 充分的利用，并且頻譜使用情況非常不平衡，一些非授權(quán)頻段占用過于擁擠，而某些授權(quán)頻 段則經(jīng)常處于空閑狀態(tài)?？梢娫斐深l譜資源緊缺的主要原因是現(xiàn)有的這種靜態(tài)頻譜管理方 式和頻譜分配策略。認(rèn)知無線電技術(shù)能感知周圍無線通信環(huán)境，在保證主用戶正常通信不 受影響的前提下，伺機接入授權(quán)頻譜，通過一定的學(xué)習(xí)和決策算法，自適應(yīng)地改變系統(tǒng)工作 參數(shù)來適應(yīng)運行環(huán)境的變化，可以對頻譜在時間，頻率，空間上進(jìn)行多維復(fù)用，從而提升頻 譜資源的利用率。
[0003] 在認(rèn)知無線電共存式頻譜接入方法中，認(rèn)知用戶被允許在滿足一定前提下與主用 戶共用同一頻段。然而在這種接入方法中，主用戶與認(rèn)知用戶之間始終存在干擾，使得原本 就非常有限的頻譜資源得不到充分利用，主用戶和認(rèn)知用戶的性能也會由于干擾受到影 響。并且這種頻譜接入方法是單向協(xié)作的，存在固有頻譜效率的損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有共存式頻譜接入技術(shù)中的缺陷，解決主用戶和認(rèn)知用戶之間相互干擾的 問題、克服頻譜利用率不高的不足，本發(fā)明提供一種有效消除主用戶和認(rèn)知用戶之間相互 干擾的問題、提高頻譜利用率的基于時間和帶寬聯(lián)合優(yōu)化的雙向協(xié)作抗干擾頻譜接入方 法。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0006] -種基于時間和帶寬聯(lián)合優(yōu)化的雙向協(xié)作抗干擾頻譜接入方法，無線電通信系統(tǒng) 包括一個主系統(tǒng)和一個認(rèn)知系統(tǒng)，主系統(tǒng)包括主用戶A和主用戶B，認(rèn)知系統(tǒng)由認(rèn)知用戶發(fā) 送端S和認(rèn)知用戶接收端D組成，能夠模擬主系統(tǒng)中的無線電協(xié)議和系統(tǒng)參數(shù);所述主系統(tǒng) 支持中繼功能，有一段W帶寬組成的授權(quán)頻譜;所述基于時間和帶寬聯(lián)合優(yōu)化的雙向協(xié)作抗 干擾頻譜接入方法包括以下步驟：
[0007] 1)認(rèn)知用戶以協(xié)作方式接入主用戶的頻譜，認(rèn)知用戶接收到主用戶的信息后，通 過解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作方式幫助轉(zhuǎn)發(fā)主用戶的信息；
[0008] 2)計算主用戶A和B通過認(rèn)知用戶協(xié)作幫助后獲得的速率Ra和Rb;
[0009] 3)如果RA 2 RAT且RB 2 RBT，則主用戶就會分配一部分時間給認(rèn)識用戶，授權(quán)其接入 自己的頻譜，認(rèn)知用戶接入主系統(tǒng)的頻譜后，利用一部分的帶寬轉(zhuǎn)發(fā)主用戶的信息，利用剩 余的帶寬發(fā)送自己的信息；否則，主用戶繼續(xù)通過直傳發(fā)送自己的信息；
[0010]主用戶和認(rèn)知用戶之間的時間和帶寬聯(lián)合分配問題建模為：
[0014] 其中RAT和RBT分別表示主用戶A和B的目標(biāo)速率，T = {m，η}，B = {α，β}，!!1和11分別表 示主用戶Α和Β在第一時隙和第二時隙發(fā)送自己信息所占的時間，α和β分別表示認(rèn)識用戶在 第三個時隙幫助主用戶Α和Β轉(zhuǎn)發(fā)信息所用的帶寬。Ra、Rb和Rs分別表示認(rèn)知用戶接入主用戶 頻譜后，主用戶A、主用戶B和認(rèn)知用戶S獲得的速率：
[0015] RA=min{RAs,RsB} (3)
[0016] RB=min{RBS,RsA} (4)
[0018]其中，Ps表示認(rèn)知用戶S的發(fā)射功率，ySD表示認(rèn)知用戶發(fā)送端到認(rèn)知用戶接收端 鏈路的信道增益，〇2表示噪聲功率譜密度，Ras和Rsb分別表示主用戶A在第一個和第二個時隙 獲得的速率：
[0021]
Pa表示主用戶A的發(fā)射功率，yAS，ySB和γΑΒ分別表示主用戶A到認(rèn)知用戶發(fā)送端鏈路的信 道增益，認(rèn)知用戶發(fā)送端到主用戶B鏈路的信道增益和主用戶A到主用戶B鏈路的信道增益， Rbs和Rsa分別表示主用戶B在第一個和第二個時隙獲得的速率：
[0024]
Pb表示主用戶B的發(fā)射功率，yBS，ySA和γ BA分別表示主用戶B到認(rèn)知用戶發(fā)送端鏈路的信 道增益，認(rèn)知用戶發(fā)送端到主用戶A鏈路的信道增益和主用戶B到主用戶A鏈路的信道增益；
[0025] 通過數(shù)學(xué)優(yōu)化方法獲得上述的最優(yōu)時間分配：
[0028]根據(jù)Rsb和Rsa的不同取值，得到4種不同情況下的最優(yōu)帶寬分配：

[0037]進(jìn)一步，所述步驟2)中，認(rèn)知用戶通過三個時隙解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作方式接入主用戶的 頻譜；
[0038]在第1個時隙，主用戶A用m時隙向認(rèn)知用戶S發(fā)送信息，A-S鏈路的傳輸速率為：
[0040]在第2個時隙，主用戶B用η時隙向認(rèn)知用戶S端發(fā)送信息，B-S鏈路的傳輸速率為：
[0042] 在第3個時隙，認(rèn)知用戶S利用aW帶寬和Ps/3的功率來幫助主用戶Α傳輸信息，用OT 帶寬和Ps/3的功率來幫助主用戶B傳輸信息，經(jīng)過最大比合并，S-B鏈路和S-A鏈路的傳輸 速率分別為：
[0045] 所以主用戶A和B通過三個時隙在認(rèn)知用戶S的幫助下獲得的速率分別為：
[0046] RA=min{RAs,RsB} (3)
[0047] RB=min{RBS,RsA} (4)
[0048] 同時，認(rèn)知用戶利用剩余的（l-a-i3)W帶寬和（l-m-η)時隙來發(fā)送自己的信息，所以 認(rèn)知用戶獲得的速率為：
[0050] 本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：由于共存式頻譜接入方法中，認(rèn)知用戶和主用戶使用相同 的頻譜同時進(jìn)行通信，互相之間始終存在干擾，使得原本就非常有限的頻譜資源得不到充 分利用，主用戶和認(rèn)知用戶的性能也會由于干擾受到影響。而且這種頻譜接入方法使用單 向協(xié)作方式，由于其半雙工的工作模式造成了頻譜效率的損失。本專利方法中認(rèn)知用戶通 過雙向協(xié)作的方式接入主用戶的頻譜，主用戶和認(rèn)知用戶分別通過不同的時間和帶寬來發(fā) 送信息，能夠有效解決主用戶和認(rèn)知用戶之間的干擾問題。同時，認(rèn)知系統(tǒng)以雙向協(xié)作方式 接入主用戶的頻譜，能夠提高頻譜利用率。
[0051] 本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：（1)消除了共存式頻譜接入方法中主用戶和認(rèn)知 用戶的干擾問題；（2)提高了頻譜利用率。
【附圖說明】
[0052]圖1是本發(fā)明方法的雙向協(xié)作抗干擾頻譜接入模型示意圖，其中1^，?，_]_Ε{Α，Β，5， D}，i矣j，為瑞利平坦衰落信道的信道系數(shù)，且= 服從CW((.W/)，其中v為路徑損耗 指數(shù)，du為各發(fā)射端與接收端之間的歸一化距離，（a)為主用戶A和B廣播各自的信息，（b)為 認(rèn)知用戶S廣播主用戶和自己的信息。
[0053]圖2是本發(fā)明方法中時間和帶寬聯(lián)合優(yōu)化系數(shù)α、β、πι和η隨S位置的變化圖。
[0054] 圖3是當(dāng)認(rèn)知用戶獲得頻譜接入時，主用戶和認(rèn)知用戶的傳輸速率隨S位置的變化 圖。
【具體實施方式】
[0055] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0056] 參照圖1~圖3,一種基于時間和帶寬聯(lián)合優(yōu)化的雙向協(xié)作抗干擾頻譜接入方法， 是基于現(xiàn)有的無線電通信系統(tǒng)實現(xiàn)的，所述無線電通信系統(tǒng)包括一個主系統(tǒng)和一個認(rèn)知系 統(tǒng)，其中主系統(tǒng)由主用戶Α和主用戶Β組成，主系統(tǒng)支持中繼功能，有一段W帶寬組成的授權(quán) 頻譜，認(rèn)知系統(tǒng)由一個認(rèn)知用戶發(fā)送端S和認(rèn)知接收端D組成。認(rèn)知系統(tǒng)能夠模擬主系統(tǒng)中 的無線電協(xié)議和系統(tǒng)參數(shù)。
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