一种基于ofdm认知网络的分时协同通信的实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于0FDM认知网络的分时协同通信的实现方法，属于无线通信
技术领域。
【背景技术】
[0002] 移动通信系统的演进与飞速发展，使其为移动用户提供泛在无线接入以及高速宽 带无线传输成为可能，但对能源需求日益增加。迅速升级的能源消耗不仅增加了通信系统 的运行成本，同时也引发了严重的环境问题。绿色通信技术，尤其是能量收集技术越来越受 到学术界和工业界的关注。其中无线电信号的能量收集技术，使得无线网络中的设备可以 将漫布在空中的无线电信号转换为电能加以利用，延长其生存周期；而无线电信号已经广 泛应用于无线通信中。因此，同时为移动终端提供无线数据接入和无线能量具有很大的理 论和应用价值。
[0003] 在传统的频谱共享方法中，次用户或者使用主用户未占用的频段通信，或者在确 保主用户通信质量的前提下使用主用户正在占用的频段通信。而该方法中次用户发射器不 但能解码转发主用户信号以促进主用户信息传输，从而获取更多使用主用户频谱进行通信 的机会，还能从接收到的部分主用户信号中收集能量，为主用户信息的中继传输和次用户 本身的信息传输供能。通过上述方法，本发明利用对偶分解的思路求解，更快捷地得到协同 通信方案的中时间和功率的最优分配，在确保主用户服务质量的前提下，有效地提高了次 用户的系统容量。
【发明内容】
[0004] 本发明目的在于解决了上述现有技术的不足，针对具有能量收集功能的0FDM认 知无线电网络，提出了一种〇FDM(即：正交频分复用技术）认知网络的分时协同通信的实现 方法，该方法支持主次用户间的能量和信息的双重合作，是基于系统能量效率和传输性能 最大化执行时间和功率等资源的联合分配。
[0005] 认知无线电技术是提高频谱利用率的一种有效途径：次用户监测主用户的频带使 用情况，选择主用户的授权频谱未被占用的空隙进行通信；或者次用户采用undelay模式， 在不影响主用户正常通信的情况下，允许次用户使用主用户的授权频谱，而此时，为了不对 主用户接收端产生显著有害干扰，次用户发送端的发射功率往往受到限制。与上述方法不 同，次用户发送端可以作为协同中继解码转发主用户信号，促进主用户信息传输并获取更 多使用主用户频谱进行通信的机会；同时次用户发送端还能从接收到的部分主用户信号中 收集能量，为协同中继传输和次用户本身的信息传输供能。
[0006] 本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于0FDM认知网络的分时协 同通信的实现方法，该方法包括如下步骤：
[0007] 步骤1:在能量合作传输阶段（即：时隙tl k)，主用户发送端PT通过第k个子载 波，以功率Ppli k向主用户接收端PU 次用户发送端ST 播信息x pli k。主用户接收端PUjP 次用户发送端STk的接收信号分别为
在本阶段，主用户接收端PUk的接收信号速率为
与 此同时，次用户发送端将其接收到的信号转换为电能，即
[0008] 步骤2 :在信息合作传输阶段，次用户发送端作为中继，以半双工的工作方式解码 转发主用户发送端的信号。具体地，在时隙T2Uk，主用户发送端PT通过第k个子载波，以 功率？|52115向主用户接收端PU 次用户发送端ST 射信号x p2ik。主用户接收端？队和次 用户发送端STk的接收信号分别为
相应的信号速率分别为
[0009]
[0010] 在接下来的时隙T22ik，次用户发送端STk通过第k个子载波，以功率口^, 向主用户接收端码转发Xp2ik，此时主用户发送端PT保持空闲状态。在本时 隙，主用户接收端PUk的接收信号为
相应的信号速率为
，因此，在本合作阶段主用户接收端的可达信号速率为
[0011] 步骤3:在次用户信息单独传输阶段T3，g卩：保证主用户可达速率要求后，次用户 发送端ST k通过第k个子载波，以功率p ^，向次用户接收端SU发送信号x、k，此时主用户发 送端PT保持空闲状态。在本阶段，次用户接收端SU的接收信号为# +心，相 应的可达速率为
> 根据约束条件，使次用户可达速率最大化 的最优资源分配策略（T3，Ps2ik)，可以通过求解下式得到，即：
[0021] 步骤4 :对上述非凸问题进行转换，令p ' pl，k= p pl，ktl k，，p ' p2 k -Pp2，k T 21，k，P si, k - P sl，k T 22，k和P s2，k - P s2, k T 3, k0 Rpl，k ( T 1，k，Ppl，k)， ^ 巧J，成(匕太)，Rs，k(T 3，k，Ps2，k)可以表亦为关于（Tk，
问题重写为凸问题。其证明的具体推导过程包括： C/Y
[0022] 通过观察上述函数均具有如下形式，/(.切=&尽(1+〒)，其中〇^)为自变量， a彡0为常数。其Hessian矩阵为：
[0023]
[0024] 对给定的任意实向量z = [Zi, z2]，确
[0025] 即▽2/(x，〇为半负定矩阵，f(x，t)是关于（x，t)的凹函数。同理，可以证明 Rpl，k ( T l，k, P pl，k)，f ，礞、，A士和Rs，k ( T 3, k， P' s2,k)为相应 自变量的凸函数。
[0026] 步骤5:应用对偶分解法，针对上述凸问题中的各个约束条件引入对偶变 量及其拉格朗日算子 L (s)，将整个问题可以拆解成k个子问题 Lk(Sk，Pk，Tk)，艮口 ：
[0027]
[0028] 在内层，固定对偶变量sk，对每个拉格朗日算子Lk(sk，pk，tk)并行应用KKT条件， 得到对应原自变量的最优值(Pl，<)。在外层，将各原自变量汇集起来，根据次梯度法优化整 体更新对偶变量，即^=&-《^，#，^)，0?为取值较小的步长。反复迭代，直到使得两者同时 达到最优。具体地，对于内层迭代，将原自变量（Tk，p' k)分为TjPp',两组交替优化。 其中固定^，可通过以下各式进一步优化得到p' k;
[0029]
[0030]
其中ak= log(2) (y+ Kk) a k0k，
[0031] bk= log(2)(y + K k) ( a k+ 0 k) - ( y + k k) a k 0 k, ck= log(2) (y + k k) - ( A k 0 k+ y k a k),
[0034] 接着固定p' k，可通过以下各式进一步优化得到Tk，依次；优化直到二者同时达 到最优，即：
[0035]
[0041] 本发明所述的步骤4包括：证明 Rpl.k(T l,k)Ppl，k)，^ (%，1>和UTWP'O)为凸函数的具体推导过程 为：
[0042] 通过观察上述函数均具有如下形式，
[0043]
[0044] 其中（X，t)为自变量，a多〇为常数，其Hessian矩阵为
[0045]
[0046] 对给定的任意实向量z = [Zi, z2]，有
[0047]
[0048] 即铲/:以力为半负定矩阵，f (x，t)是关于（x，t)的凹函数；同理，可以证明 心1、（11、，？'01、），《（％戈，^2'山《（％^>；?)，^ 1〇：'22义，凡1)和1^，14(1：3，14，？' ！32，14)为相应 自变量的凸函数。
[0049] 在本发明所述的步骤5包括：对于内层迭代，将原自变量（Tk，p' k)分为^和 k两组交替优化，其中固定Tk，通过以下各式进一步优化得到p' k，即；
[0050]
[0051]
其中 ak= log(2) (y + K k) a k0k，
[0052] bk= log(2)(y + K k) ( a k+ 0 k) - ( y +kk) a k 0 k, ck= log(2) (y +kk) - ( A k 0 k+ y k a k),
[0055] 接着固定p' k，可通过以下各式进一步优化得到Tk，依次优化直到二者同时达到 最优，即：
[0056]
[0061]
[0062] 本发明应用于无线信息和能量同步传输情景下的主次用户间的合作传输模式中， 有效地提高了通信系统的吞吐量和系统的能效。
[0063] 有益效果：
[0064] 1、本发明通过引入次用户作为协作中继，有效地提高了系统传输速率和扩大覆盖 面积，在提高无线通信系统的传输性能方面具有广阔前景。
[0065] 2、本发明针对无线信息和能量同步传输情景，通过引入主次用户间无线信息和能 量的双重合作传输模式，有效地提高了无线通信系统的能量效率。
【附图说明】
[0066] 图1为本发明实施例中具有能量收集的0FDM认知网络的系统框图。
[0067] 图2为0FDM认知网络中多个主次用户间分时协同通信方案的示意图。
[0068] 图3为0FDM认知网络中主次用户协同通信方案中基于凸优化的的资源分配流程 图。
【具体实施方式】
[0069] 下面结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。
[0070] 如图1所示，网络中包括一个主用户发送端PT、K个主用户接收端PU、K个次用户 发送端ST、一个次用户目的接收端SU。所有主次用户都是单天线的。其中主用户发送端PT 和次用户目的接收端SU分别在K个子载波信道发送和接收信号；而主用户接收端？队和次 用户发送端STkI作在第k个子载波，并且次用户发送端STk能够对主用户接收端PU,信息 进行解码转发