一种基于认知无线电的多中继选择方法与流程

本发明涉及一种认知中继网络中的中继选择方法，属于无线通信技术领域。

背景技术：

随着智能手机的普及和无线局域网技术、无线个域网技术等短距离传输技术的发展，越来越多的人通过这些技术以无线的方式接入互联网。然而，这些技术之所以能给人们提供免费又便捷的宽带接入，是因为它们大多工作于不需要购买的非授权频段。与授权频段相比，这些非授权频段大多是政府当初规划给不需要大量频段资源的业余用户的，因此，这些非授权频段的可用资源比起授权频段要少得多，而资源更多的授权频谱的使用率却非常低。根据美国联邦通信委员会的调查，美国的整体频谱利用率较低，部分地区授权频段的平均使用率甚至不到5％。为了解决频谱资源匮乏的问题，提高现有的频谱利用率，近年来业界广泛开展了对认知无线电、认知无线网络及协作通信等方面的研究，这也意味着人们向着未来实现智能化无线移动通信网迈出了重要一步。

认知无线电技术是一种可以有效提高频谱利用率的技术，它允许认知用户(次用户)在保证主用户正常通信的前提下，机会地接入主用户的授权频段，其基本出发点是：为了提高频谱利用率，使得认知无线通信设备能够伺机地与主用户共享授权频段，同时保证非授权用户的接入不会对授权频段内用户通信造成干扰。目前，该技术己经引起工业和学术领域的高度重视，并己被认作为5G通信系统中的关键技术之一。

采用认知无线电技术虽然能有效地提高整体的频谱利用率，但是同时，由于需要优先保证主网络的通信性能，往往需要对次级用户的发送功率做出限制，这就使得单个认知用户的性能受到影响，降低了认知网络的覆盖范围和系统信道容量。协作通信技术为解决上述问题提供了一个可行的方向。已有大量研究表明，当两个通信实体之间物理距离较远或链路质量不佳时，在两者之间插入一个或多个中继节点，这些节点利用相应的中继转发技术辅助源节点进行信号发送，能够有效地降低路径损耗和信道质量对源信号的影响。研究表明，认知无线网络与协作通信技术的结合，能有效地提高认知网络的性能，提高网络的覆盖率。因此，认知中继技术成为当前学术界和工业界研究的热点问题之一。

多中继选择具有比单中继选择更多的分集增益，尤其是其能在不需要通信设备配有多根天线的条件下，达到类似MIMO系统的信道增益。因此，也有许多学者针对多中继选择的相关问题展开了研究。在认知网络中应用多中继技术，也成为了学术界和工业界关注的热点之一。

但是，认知无线电技术和协作通信技术的融合也会产生许多难以解决的问题。为了满足不干扰主用户的正常通信这一前提，在认知网络下应用协作通信技术必须考虑相应的功率控制的问题，然而功率控制的目的不应该仅仅是为了满足这一限制条件，还应尽可能地提高认知网络的通信性能，与此同时，认知中继网络还要兼顾系统实现复杂度的问题，过于复杂的优化算法虽然能得到较好的性能，但是往往不具有实用性。特别是认知多中继选择技术由于具有复杂度较大，资源开销较多的缺点，大大阻碍了其进一步的应用和发展。

针对这些问题，本发明提出了一种基于认知无线电的多中继选择方法。该方法首先通过中继节点可用功率进行了量化分级，将连续功率分配问题转变为离散功率分配，以降低算法实现复杂度。同时，针对现存方法中存在的在中继选择时未充分考虑中继节点造成的干扰的问题，提出了一种根据中继因子的启发式中继选择方法，并结合上述功率分配方法形成了本发明所述的一种基于认知无线电的多中继选择方法。

技术实现要素：

本发明适用的网络由主用户网络和认知用户网络构成，称为认知中继网络，其中包括一个拥有授权频段使用权的主用户(PU)，一个需要发送信息的认知源节点(CS)和其对应的认知目的节点(CD)，以及L个暂时没有任务的空闲节点，作为认知中继节点(CR)。假设CS和CD之间不存在直传链路，因此，当CS需要向CD发送信息时，可以通过一个或者多个CR进行协作中继传输。假设所有中继节点工作在放大转发(AF)模式下，中继节点将收到的源信号直接进行发大后转发给目的节点。所有认知节点工作于半双工模式下，即在同一时隙内，节点只可进行信号发送或者接收。整个传输过程是基于时隙的，每次传输分为两个时隙，在第一时隙，源节点向外发送信号，中继节点接收信号后，在第二个时隙，系统根据相应的中继选择和功率控制算法选择若干个中继，将收到的信号放大后转发给目的节点，整个传输过程，认知用户使用和主用户一样的频段。主用户预先设定了一个干扰温度门限I_th，认知用户必须保证它们造成的干扰在经过信道衰落后低于该门限。h_s,i表示认知源节点与第i个中继之间的信道增益系数，h_i,d表示第i个中继与认知目的节点之间的信道增益，h_s,p表示认知源节点到主用户之间的信道增益系数，h_i,p表示第i个中继到目的节点的信道增益系数。源节点发射功率用P_s来表示，第i个中继节点的发射功率用P_i来表示。由于距离较远，假设主网络基站的发送功率对认知网络用户的影响可忽略不计。所有信道系数在当次传输过程中假设不变。

则此时的系统信道容量可表示为:

定义参数b_i如下：

系统的端到端信噪比可表示为：

定义λ表示各中继节点早成的总干扰表示如下：

为了联合考虑中继节点对系统信道容量的提升和其造成的干扰，定义中继节点传输因子为：

其中，γ_i表示通过将中继节点i加入协作中继集后，目的节点的接收信噪比。类似地，λ_i表示通过将中继i加入协作中继集后，所有被激活中继造成的总干扰。η_i表示中继R_i在单位功率增长下认知中继系统接收端信噪比与系统总干扰的比值，其意义在于表示通过将R_i加入协作中继集后整个系统端到端信噪比相对于总干扰的增长速度。

本发明在每次迭代过程中，通过比较所有候选中继节点的传输因子，选择出在接收端信噪比和干扰同步增长的情况下能使接收端信噪比最大的那个中继节点，即等同于选择能使信道容量最大化的那个中继节点。比起直接根据信噪比大小进行中继选择，根据传输因子进行中继选择，可以防止因为在前面几次迭代中被选中的中继对主用户干扰过大，导致在后续的选择过程中将潜在的可能使系统性能更佳的中继排除掉而造成的性能损失。同时，本发明结合相应的功率分配机制，根据传输因子进行选择中继，传输因子越高的中继节点所能分配的功率也越高，对系统信道容量的提升也就越大。

本发明的具体步骤如下：

第一步：源节点收集各参数，进行初始化。并假设当前中继发送功率P_i为

第二步：根据式(1)至(3)计算出各参数，判断当前中继集造成的干扰是否超过主用户干扰文献，若未超过，将各值代入式(4)求出当前候选中继集中各中继的传输因子η_i，若超过，令当前中继节点的传输因子为0。

第三步：选出具有最大传输因子的中继节点。将其加入当前选择中继集L'_opt。

第四步：判断当前选择中继集L'_opt和P_i下求得系统容量是否比上一次迭代过程中增大，若增大，则将刚刚选择出的具有最大传输因子的那个中继节点加入最优中继集L_opt，并记录下其当前使用的发送功率，返回到第二步。若没增大，则将中继节点发送功率降低一个量化等级，再返回第二步。

第五步：若当前发送功率P_i降为零，则搜索结束。输出最优中继集L_opt和相应的功率分配和

具体的功率分配机制如下：

系统根据量化等级数N，将中继节点发功率分为其中表示中继节点最大可支持的发送功率，系统初始化时，各中继的发送功率都暂时设为然后，系统将根据权利要求2所述步骤500对各中继节点功率进行调整，具体表现为，若当前发送功率符合步骤500所述要求，则保持不变，若不符合要求，则系统将中继发送功率降低一个量化等级，比如由降至

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点。

图1为本发明一个实施例的认知多中继网络场景图。

图2是本发明一个实施例的具体方法流程图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例的具体方法流程图，对本发明进行详细阐述。

图1为本发明适用的认知多中继网络场景图。图中包含一个主用户网络，由主网络基站和主用户PU组成，一个次级通信网络，由认知源节点CS、多个认知中继节点CR和认知目的节点CD构成。次级通信系统的通信过程会对主用户造成一定的干扰。

图2主要包括以下步骤。

在步骤201中，源节点初始化选择中继集

在步骤202中，源节点收集所需的系统信息，然后进行相应的初始化。

在步骤203中，源节点依次计算各中继参数，并判断此时次级通信系统造成的干扰是否超过主用户干扰门限，然后根据结果计算各中继传输因子。

在步骤204中，源节点选择出具有最高传输因子的那个中继节点，并更新相应的参数。

在步骤205中，源节点判断当前选择中继集及功率分配是否使系统信道容量增大，并进行相应的功率分配机制。

在步骤206中，中继功率降为0，搜索结束，输出最终选择的中继集及分配给被选择的各中继的功率。