一种应用于认知无线电系统中的认知用户信息传输方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于认知无线电技术，特别涉及一种应用于认知无线电系统中的认知用户 信息传输方法。
【背景技术】
[0002] 传统的静态频谱分配体制，使频谱资源的利用出现了浪费。认知无线电 (Cognitive Radio)是专门解决无线电频谱资源短缺与低效利用问题的方法。与传统的频 谱利用方法相比，认知无线电的优势在于它使用动态频谱接入方式。即在不影响授权频带 用户（也称主用户PU，primary users)正常通信的情况下，非授权用户（也称次用户SU， secondary users，或认知用户，cognitive users)智能地感知主用户暂时未使用的空闲频 谱（也称频谱空穴），通过接入空闲频谱进行认知用户间的通信，从而实现主、认知用户间 的频谱资源共享，提高无线频谱的利用率。然而，在认知无线电网络中，由于不完美频谱感 知的存在，主次用户间会有相互干扰，这将降低主、次用户系统性能。
[0003] 协作技术可以有效改善频谱感知和认知用户信息传输性能。对于协作技术 改善认知用户信息传输性能的研究，文献《认知无线电网络中多中继辅助的认知传输》 (Y. L. Zou, Y. D. Yao, B. Y. Zheng. ^Cognitive transmissions with multiple relays in cognitive radio networks"，IEEE Trans, on Wireless Commun. , vol. 10,no.2, pp. 648-659, 2011)提出的单向中继辅助的认知用户源节点与目的节点通信方案，与直接传 输方案相比，获得了更低的认知用户通信中断概率。然而，在实际收发信机半双工工作模 式的条件下，单向协作中继技术的频谱效率受到限制，尤其是实现两个终端用户之间的双 向信息交换时，传统的单向中继需要四个时隙。因此，双向中继技术被引入认知无线网络。 文献《认知OFDMA网络中的频谱租赁和协作资源分配》（M. Tao, Y. Liu. "Spectrum leasing and cooperative resource allocation in cognitive OFDMA networks"，Journal of Communications and Networks, vol. 15, no. 1，pp. 102-110, 2013)的研究表明，主、次用户 通过双向中继协作，完成各自信息传输，可以使主、次用户的系统性能都得到提升。
[0004] 以上提到的协作方案，都是基于固定中继的协作，即中继总是参与源节点和目的 节点之间的通信，而不考虑这种中继协作是否适合实际的网络状况，如源和目的节点之 间的直接链路质量、系统带宽的限制或数据速率的需求。文献《下垫式认知网络中瑞利 信道下选择性协作性能分析》（S. I. Hussain, Μ. M. Abdallah, M.-S Alouini, M. Hasna, and K. Qaraqe, "Performance analysis of selective cooperation in underlay cognitive networks over Rayleigh channels,'，in Proc.2011IEEE International Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications,pp. 116-120, 2011)石开 究表明，基于固定中继的协作，存在浪费系统资源的可能性，尤其是当源、目的节点间的 信道质量很好的时候。为此，有研究者提出考虑实际网络状况的自适应认知用户信息 传输方法。文献《认知无线电中选择性协作的分集复用折中性能》（Y. Zou, Y. Yao, and B.Zheng, "Diversity-multiplexing tradeoff in selective cooperation for cognitive radio, y, IEEE Trans. Commun. , vol. 60, no. 9, pp. 2467-2481, Sept. 2012)和文 献《下垫式认知无线电网络中的混合协作》（Ν· H. Mahmood, F. Yilmaz, G. E. Oien, and M. -S. Alouini, "On hybrid cooperation in underlay cognitive radio networks, '，IEEE Trans. Wireless Commun.，vol. 12, no. 9, pp. 4422-4433, Sept. 2013)分别提出 了基于 ACK 的选择性协作方案和混合协作方案。在这两个方案中，系统中存在单向中继，但它仅在认知 源节点到目的节点的直接链路传输失败后，才被激活，用以辅助源到目的节点的通信。这 两种自适应方案结果显示，系统中断概率和分集复用折中性能都好于基于固定中继协作 的方案。文献《基于自适应双向中继的填充式认知无线系统》（A. Hyadi, E.-M. Driouch, W. Ajib, and M.-S. Alouini, uOverlay cognitive radio systems with adaptive two-way relaying, " 2013IEEE Global Communications Conference(GLOBECOM), pp. 937-942, 9-13 Dec. 2013)提出了自适应双向中继传输方案，即认知双向中继根据是否成功解码所接收信 息，选择解码前传或放大前传中继方式。结果表明，此自适应传输方案比单纯的解码前传和 放大前传方案，获得了更好的中断概率性能。综上可见，考虑网络实际状况的各种自适应协 作传输方法，比固定中继协作，在性能上具有明显的优势。
[0005] 本发明也属于自适应协作传输方法。与以上已有方法不同的是，在源节点和目的 节点之间的直接链路传输失败时，单向和双向中继两种方式被分别选择（已有方法仅采用 一种中继方式），保证源和目的节点之间的信息交换，在3个时隙内完成。这种方法，比利 用纯粹的单向中继传输，完成双向信息交换所需的4个时隙，节省了 1个时隙。而与纯粹的 双向中继传输，完成双向信息交换所需的3个时隙，一样多，没有增加额外开销。更重要的 是，在源和目的节点之间的直接链路传输成功时，只要2个时隙就可完成双向信息交换，从 而充分利用了源和目的节点之间的直接链路。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种应用于认知无线电系统中的，可以根据非中继直接传 输链路信道质量，自适应进行认知中继选择的协作双向信息传输方法，以降低认知用户信 息传输的中断概率，改善分集复用折中性能。
[0007] 本发明的技术方案。
[0008] -种应用于认知无线电系统中的认知用户信息传输方法，具体步骤如下：
[0009] (1)认知用户进行频谱感知，检测到主用户未使用的空闲频谱后，认知用户SUJP 认知用户SUjlj用此空闲频谱进行信息传输，完成彼此之间的信息交换。
[0010] (2)认知用户SU1首先利用与认知用户SU2之间的直接链路发信息给认知用户su 2， 并对所发信息进行循环冗余编码。认知用户SU2接收后，进行循环码的解码，如果解码正确， 则反馈一个应答（acknowledgement)信号给认知用户SU 1和认知中继CR，认知中继CR包括 单向中继CR1和双向中继CR 2。此时，认知用户SU2接收信息为
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[0012] 其中PjP P ^别表示认知用户SU^主用户PU的发射功率，h12(k)和hp2(k)表示 在此认知用户通信的第k个时隙里，认知用户SU1到认知用户SU 2的信道系数，h p2表示第k 个时隙PU到SU2的信道系数，X i (k，1)和Xp (k，1)分别表示认知用户SU^主用户PU在第k 个时隙的第1个子阶段发送的信息，n2(k，1)表示第k个时隙第1个子阶段认知用户SUdi 收到的高斯白噪声，其方差为N。。由此得到，认知用户SU2接收到的信号干扰噪声比（SINR) 为
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[0014] 其中Y1= P/N。，γp= P P/N。。Ihp2I2Yp表示来自主用户的干扰，由对主用户的 误检引起（即感知结果为主用户不存在而实际主用户存在）。如果不存在对主用户的误检 (即感知结果为主用户不存在而实际主用户也确实未占用频谱），则认知用户31] 2的接收信 噪比（SNR)为SNR2= I h 1212 γ i。另一方面，如果认知用户SU2进行循环码解码时，解码失败， 则不反馈应答信号给认知用户SU1和双向中继CR。<