基于df协议的双向中继认知无线电系统中的资源分配方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于DF协议的双向中继认知无线电系统中的资源分配方法，其利用DF协议容量最大化特点，得到认知移动用户、基站与各个中继之间的功率关系；然后利用该关系及认知移动用户向中继传输信号时所用的功率限制条件、基站向中继传输信号时所用的功率限制条件，得到通过每个中继传输信号时双向中继认知无线电系统的信噪比，接着通过对所有信噪比进行排列组合，找到一组信噪比组合，其所有信噪比的和值在满足干扰限制条件下最大，再根据找到的信噪比组合中的所有信噪比的和值，获得最大系统容量及对应的中继和中继广播信号时所用的功率；优点是提高了系统容量，且仅求解每个中继广播信号时所用的功率即可，简化了功率求解过程，降低了复杂度。
【专利说明】
基于DF协议的双向中继认知无线电系统中的资源分配方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种中继认知无线电系统中的资源分配技术，尤其是涉及一种基于DF (Decode and Forward，解码转发)协议的双向中继认知无线电系统中的资源分配方法。
【背景技术】
[0002] 近年来无线通信技术得到了快速发展，随着无线应用需求的增加，频谱紧缺的问 题日益凸显。认知无线电技术通过允许认知用户在不影响授权用户正常工作的前提下，动 态地接入授权频带，有效地提高了频谱利用效率。
[0003] 为了满足人们更高的无线通信业务需求，新一代的无线通信系统不仅需要能提供 更高的系统容量，而且还需要能满足用户对服务质量的要求，如链路的可靠性以及网络的 覆盖范围等。然而，考虑到无线信道的时变特性以及信号传输中的距离衰落等因素的影响， 使得无线传输的可靠性以及网络的覆盖范围等方面遇到了严峻的挑战。而协作中继技术有 效地改善了在无线环境中因为地理分布以及信道的深度衰减等因素所造成的信号可靠度 降低，协作中继技术将有助于提高通信质量、增加无线通信系统的系统容量以及扩大网络 的覆盖范围，因而，协作中继技术是当前最受到关注的无线通信技术之一。
[0004] 认知无线电中的中继网络可根据不同的形式进行分类。认知无线电中的中继网络 根据数据流方向可分为两种:单向中继网络和双向中继网络。双向中继系统的整体系统容 量是单向中继系统的整体系统容量的两倍，这使得双向中继网络更进一步地被关注。在双 向中继系统中，基于物理层网络编码的双向中继系统应用最为广泛，其只需要两个时隙就 可以完成双向数据的交互，因而比传统的单向中继系统提高了一倍的效率。认知无线电中 的中继网络根据中继节点的双工方式又可分为两种:一种是半双工中继网络；另一种是全 双工中继网络。考虑到实现复杂度，目前常见的中继系统一般都为半双工中继系统。采用半 双工方式的协作中继节点根据信号处理策略可分为AF(Amplify and Forward，放大转发）、 DF(Decode and Forward，解码转发)和CC(Coded Cooperation，编码协作），其中，DF协议方 式是中继在接收到源节点的信号后先进行解码，然后将解码后的数据重新编码后再转发给 目的节点。
[0005] 双向中继认知无线电系统中，为了得到较高的系统容量，资源分配成了有待优化 的问题。资源分配中，中继选择又是一个需要解决的问题。中继选择中，有选择单中继进行 信号传输，有选择多中继进行信号传输。选择单中继使得资源分配优化问题简化易求解，但 是系统容量有限。选择多中继会使得资源分配优化问题复杂化，但可以改善系统容量。双向 中继认知无线电系统中的资源分配优化问题经典解决方法有三种，一是将优化问题转为凸 优化问题进行求解;二是应用拉格朗日结合次梯度方法进行求解;三是应用平均功率方法 求解。由于存在对认知用户发射功率的限制和对授权用户干扰的限制，因此将优化问题转 为凸优化问题进行求解的方法和应用拉格朗日结合次梯度方法进行求解的方法的复杂度 高，不易求解;而应用平均功率方法求解的方法不能得到较高的系统容量。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于DF协议的双向中继认知无线电系统 中的资源分配方法，其不仅能够提高系统容量，而且能够简化功率分配，降低复杂度。
[0007] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种基于DF协议的双向中继认知 无线电系统中的资源分配方法，其特征在于包括以下步骤：
[0008] ①设定双向中继认知无线电系统中的每个信道采用多瑞利衰落模型;设定双向中 继认知无线电系统由一个认知移动用户、一个基站、Μ个中继及一个授权用户组成，其中，M> 1;设定认知移动用户与基站之间没有直接链路，需选择L个中继进行信号传输，其中，1<L ^M；
[0009] 设定每个中继选择半双工工作方式，每个中继进行信号传输的过程分为两个时 隙：第一时隙为多路访问时隙，在第一时隙中，基站向所有中继传输信号，将基站的发射功 率记为Pcb，同时认知移动用户向所有中继传输信号，将认知移动用户的发射功率记为Ps，基 站和认知移动用户传输信号时是向同一个中继传输信号的；在第一时隙中，认知移动用户 和基站均对授权用户产生干扰;第二时隙为广播时隙，在第二时隙中，每个中继对其接收到 的来自基站的信号和来自认知移动用户的信号进行广播，将第m个中继广播信号时所用的 功率记为;在第二时隙中，每个中继也对授权用户产生干扰;上述，1 ;
[0010] 设定基站与每个中继之间的信道增益、认知移动用户与每个中继之间的信道增 益、认知移动用户与授权用户之间的信道增益、基站与授权用户之间的信道增益、每个中继 与授权用户之间的信道增益都是已知的，将基站与第m个中继之间的信道增益、认知移动用 户与第m个中继之间的信道增益、认知移动用户与授权用户之间的信道增益、基站与授权用 户之间的信道增益、第m个中继与授权用户之间的信道增益对应记为g 1、g 2、g 3、g 4、g 5， & = 1?响叫2，g2 = ?I:2，g3 = I hs-pγ，g4 = I hCB-? 丨 2，=卜心彬 " I I "为取绝对值符号，Λ%%表示基站与第m个中继之间的信道系数，表示认知移动 用户与第m个中继之间的信道系数，hs_pu表示认知移动用户与授权用户之间的信道系数， h eB_pu表示基站与授权用户之间的信道系数，ft-~表示第m个中继与授权用户之间的信道 系数;设定认知移动用户与授权用户同时接入频谱进行信号传输;设定双向中继认知无线 电系统中的所有噪声都为σ η2的加性高斯白噪声；
[0011] ②将通过第m个中继传输信号时DF协议下的双向中继认知无线电系统的速率记为 6?，根据认知移动用户到第m个中继的速率、基站到第m个中继的速率、第m个中继到基站 的速率、第m个中继到认知移动用户的速率及第m个中继能处理信号的最大限制速率，将
[0012]其中，l<m<M，min()为取最小值函数，心表示在第一时隙中认知移动用户到第m 个中继的速率
，R 2表示在第一时隙中基站到第m个中继的速率，
，R 3表示在第二时隙中第m个中继到基站的速率，
，:R4表示在第二时隙中第m个中继到认知移动用户的速率，
，R5表示在第二时隙中第m个中继能处理信号的最大限制速率，
，SNRm表示通过第m个中继传输信号时DF协议下的双向中继认 知无线电系统的信噪比；
[0013]③构建DF协议下的双向中继认知无线电系统中的优化资源分配问题，描述为：
[0021]其中，max表示"使最大化"，em为第m个中继的选择因子，当￡m=l时代表第m个中继 被选中，当em=0时代表第m个中继未被选中，Rdf表示选择L个中继进行信号传输时DF协议下 的双向中继认知无线电系统的系统容量，s.t.表示"受约束于……"，f表示认知移动用户 的限制功率，^表示基站的限制功率，^表示第m个中继的限制功率，1*表示授权用户所 能接受的最大干扰值，第1个约束条件为Ps的限制条件，第2个约束条件为PCB的限制条件，第 3个约束条件为尽^的限制条件，第4个约束条件表示在第一时隙中认知移动用户向第m个中 继传输信号时认知移动用户对授权用户产生的干扰与基站向第m个中继传输信号时基站对 授权用户产生的干扰之和不超过授权用户所能接受的最大干扰值，第5个约束条件表示在 第二时隙中Μ个中继广播信号时其对授权用户产生的干扰不超过授权用户所能接受的最大 干扰值，第6个约束条件表示^的取值限制；
[0022]④求解步骤③中的优化资源分配问题，在求解过程中采用DF协议容量最大化的特 点，求解得到认知移动用户、基站与各个中继之间的功率关系;然后用每个中继广播信号时 所用的功率来表示认知移动用户向该个中继传输信号时所用的功率和基站向该个中继传 输信号时所用的功率，获得通过每个中继传输信号时DF协议下的双向中继认知无线电系统 的信噪比的值;接着通过对所有信噪比的值进行排列组合，找到一种信噪比组合，该信噪比 组合中的所有信噪比的值的和值在满足步骤③中的优化资源分配问题中的第5个约束条件 下最大;再根据找到的信噪比组合中的所有信噪比的值的和值，获得DF协议下的双向中继 认知无线电系统的最大系统容量及最大系统容量对应的L个中继和L个中继各自广播信号 时所用的功率。
[0023]所述的步骤④的具体过程为：
[0024] (D_l、根据DF协议容量最大化的特点，当Ri = R3且R2 = R4时，Rdf取值最大;然后根据
[0061] (D_4、对步骤@_3求解得到的Μ个信噪比的值进行排列组合，当选择1个中继时，中
继有Ct种选择，信噪比有^种组合；当选择2个中继时，中继有Ct,种选择，信噪比有Ct,种 组合;依次类推，当选择Μ个中继时，中继有种选择，信噪比有Ctf种组合;然后计算每种 信噪比组合中的所有信噪比的值的和值；接着从…个和值中找出满足
的最大值，记为SNRmax;再结合SNR max和
[0065；
进而得到Rdf的值，该值为DF协议下的双向中继认知无线 电系统的最大系统容量，并得到最大系统容量对应的L个中继和L个中继各自广播信号时所 用的功率。
[0066] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0067] 1)本发明方法选择若干个中继进行信号传输，选择多个中继进行信号传输会使得 系统容量进一步提升。
[0068] 2)本发明方法在求解优化资源分配问题的过程中通过利用DF协议容量最大化特 点，得到认知移动用户、基站与各个中继之间的功率关系;然后利用该关系及认知移动用户 向中继传输信号时所用的功率限制条件、基站向中继传输信号时所用的功率限制条件，得 到通过每个中继传输信号时DF协议下的双向中继认知无线电系统的信噪比的值，接着通过 对所有信噪比的值进行排列组合，找到一种信噪比组合，该信噪比组合中的所有信噪比的 值的和值在满足干扰限制条件下最大，再根据找到的信噪比组合中的所有信噪比的值的和 值，获得DF协议下的双向中继认知无线电系统的最大系统容量及最大系统容量对应的中继 和中继广播信号时所用的功率;本发明方法求解优化资源分配问题的过程简洁明了，不仅 提高了系统容量，而且用每个中继广播信号时所用的功率来表示认知移动用户向该个中继 传输信号时所用的功率和基站向该个中继传输信号时所用的功率，即仅求解每个中继广播 信号时所用的功率即可，简化了功率求解过程，从而降低了求解的复杂度。
【附图说明】
[0069] 图1为双向中继认知无线电系统的组成示意图；
[0070] 图2为本发明方法的总体实现框图；
[0071] 图3a为在加性高斯白噪声为〇n2 = l(T4W、中继个数M=4、授权用户所能接受的最大 干扰值I th的取值为1 OdBm时，认知移动用户的限制功率、基站的限制功率及每个中继的限制 功率的取值从-10dBm~30dBm，本发明方法与现有的双路多中继选择方法、双路单中继选择 方法及单路多中继选择方法的系统容量随限制功率的变化曲线的对比图；
[0072]图3b为在加性高斯白噪声为〇n2 = l(T4W、中继个数M=4、授权用户所能接受的最大 干扰值Ith的取值为20dBm时，认知移动用户的限制功率、基站的限制功率及每个中继的限制 功率的取值从-10dBm~30dBm，本发明方法与现有的双路多中继选择方法、双路单中继选择 方法及单路多中继选择方法的系统容量随限制功率的变化曲线的对比图；
[0073]图4a为在加性高斯白噪声为〇n2 = 1 (T4W、中继个数Μ = 4、认知移动用户的限制功 率、基站的限制功率及每个中继的限制功率的取值20dBm时，授权用户所能接受的最大干扰 值Ith的取值从-1 OdBm~40dBm，本发明方法与现有的双路多中继选择方法、双路单中继选择 方法及单路多中继选择方法的系统容量随干扰限制的变化曲线的对比图；
[0074]图4b为在加性高斯白噪声为〇n2 = 1 (T4W、中继个数Μ = 4、认知移动用户的限制功 率、基站的限制功率及每个中继的限制功率的取值25dBm时，授权用户所能接受的最大干扰 值Ith的取值从-1 OdBm~40dBm，本发明方法与现有的双路多中继选择方法、双路单中继选择 方法及单路多中继选择方法的系统容量随干扰限制的变化曲线的对比图。
【具体实施方式】
[0075] 以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0076] 本发明提出的一种基于DF协议的双向中继认知无线电系统中的资源分配方法，其 总体实现框图如图2所示，其包括以下步骤：
[0077] ①设定双向中继认知无线电系统中的每个信道采用多瑞利衰落模型;设定双向中 继认知无线电系统由一个认知移动用户、一个基站、Μ个中继及一个授权用户组成，将认知 移动用户、基站、第m个中继及授权用户对应记为S、CB、RS m及PU，如图1所示，其中，Μ>1，在本 实施例中取M=4，1 ;设定认知移动用户与基站之间没有直接链路，需选择L个中继进 行信号传输，其中，KLSM。
[0078] 设定每个中继选择半双工工作方式，每个中继进行信号传输的过程分为两个时 隙：第一时隙为多路访问时隙，在第一时隙中，基站向所有中继传输信号，将基站的发射功 率记为Pcb，同时认知移动用户向所有中继传输信号，将认知移动用户的发射功率记为Ps，基 站和认知移动用户传输信号时是向同一个中继传输信号的；在第一时隙中，认知移动用户 和基站均对授权用户产生干扰;第二时隙为广播时隙，在第二时隙中，每个中继对其接收到 的来自基站的信号和来自认知移动用户的信号进行广播，将第m个中继广播信号时所用的 功率记为4& ;在第二时隙中，每个中继也对授权用户产生干扰;上述，1 <m<M。
[0079] 设定基站与每个中继之间的信道增益、认知移动用户与每个中继之间的信道增 益、认知移动用户与授权用户之间的信道增益、基站与授权用户之间的信道增益、每个中继 与授权用户之间的信道增益都是已知的，将基站与第m个中继之间的信道增益、认知移动用 户与第m个中继之间的信道增益、认知移动用户与授权用户之间的信道增益、基站与授权用 户之间的信道增益、第m个中继与授权用户之间的信道增益对应记为g 1、g 2、g 3、g 4、g 5， gl: = 叫2,為=-私 |2，g3 = I hs-pu 12，g4 = I hCB-pu 12，g5 = |/产|\ "I I"为取绝对值符号，如图1所示，表示基站与第m个中继之间的信道系数，夂·表示 认知移动用户与第m个中继之间的信道系数，hs_pu表示认知移动用户与授权用户之间的信 道系数，h^ pu表示基站与授权用户之间的信道系数，表示第m个中继与授权用户之间 的信道系数，在双向中继认知无线电系统中，基站与第m个中继之间的信道信息、认知移动 用户与第m个中继之间的信道信息、认知移动用户与授权用户之间的信道信息、基站与授权 用户之间的信道信息及第m个中继与授权用户之间的信道信息已知；设定认知移动用户与 授权用户同时接入频谱进行信号传输;不失一般性，设定双向中继认知无线电系统中的所 有噪声都为σ η2的加性高斯白噪声，在本实施例中取〇n2=l(T 4W。
[0080] ②将通过第m个中继传输信号时DF协议下的双向中继认知无线电系统的速率记为 ，根据认知移动用户到第m个中继的速率、基站到第m个中继的速率、第m个中继到基站 的速率、第m个中继到认知移动用户的速率及第m个中继能处理信号的最大限制速率，将
[0081] 其中，1彡m彡M，min()为取最小值函数，心表示在第一时隙中认知移动用户到第m 个中继的速率
，R2表示在第一时隙中基站到第m个中继的速率，
，R 3表示在第二时隙中第m个中继到基站的速率，
，R 4表示在第二时隙中第m个中继到认知移动用户的速率， ，R5表示在第二时隙中第m个中继能处理信号的最大限制速率，
，SNRm表示通过第m个中继传输信号时DF协议下的双向中继认
知无线电系统的信噪比。
[0082]③构建DF协议下的双向中继认知无线电系统中的优化资源分配问题，描述为：
[0090]其中，max表示"使最大化"，em为第m个中继的选择因子，当￡m=l时代表第m个中继 被选中，当em=0时代表第m个中继未被选中，Rdf表示选择L个中继进行信号传输时DF协议下 的双向中继认知无线电系统的系统容量，s.t.表示"受约束于……"，6表示认知移动用户 的限制功率，耳;表示基站的限制功率，&表示第m个中继的限制功率，g^和^^的 值均已知，Ith表示授权用户所能接受的最大干扰值(授权用户的限制干扰），Ith的值已知， 第1个约束条件为Ps的限制条件，第2个约束条件为P CB的限制条件，第3个约束条件为的 限制条件，第4个约束条件表示在第一时隙中认知移动用户向第m个中继传输信号时认知移 动用户对授权用户产生的干扰与基站向第m个中继传输信号时基站对授权用户产生的干扰 之和不超过授权用户所能接受的最大干扰值，第5个约束条件表示在第二时隙中Μ个中继广 播信号时其对授权用户产生的干扰不超过授权用户所能接受的最大干扰值，第6个约束条 件表示k的取值限制。
[0091]④求解步骤③中的优化资源分配问题，在求解过程中采用DF协议容量最大化的特 点，求解得到认知移动用户、基站与各个中继之间的功率关系;然后用每个中继广播信号时 所用的功率来表示认知移动用户向该个中继传输信号时所用的功率和基站向该个中继传 输信号时所用的功率，获得通过每个中继传输信号时DF协议下的双向中继认知无线电系统 的信噪比的值;接着通过对所有信噪比的值进行排列组合，找到一种信噪比组合，该信噪比 组合中的所有信噪比的值的和值在满足步骤③中的优化资源分配问题中的第5个约束条件 下最大;再根据找到的信噪比组合中的所有信噪比的值的和值，获得DF协议下的双向中继 认知无线电系统的最大系统容量及最大系统容量对应的L个中继和L个中继各自广播信号 时所用的功率。
[0092]在此具体实施例中，步骤④的具体过程为：
[0093] (D_l、根据DF协议容量最大化的特点，当心=1?3且R2 = R4时，Rdf取值最大;然后根据
[0130] (D_4、对步骤@_3求解得到的Μ个信噪比的值进行排列组合，当选择1个中继时，中
继有(6,种选择，信噪比有种组合；当选择2个中继时，中继有Ct,种选择，信噪比有Ct种 组合;依次类推，当选择Μ个中继时，中继有'种选择，信噪比有0种组合，表1给出了当Μ =4时所有的信噪比组合，共15种信噪比组合;然后计算每种信噪比组合中的所有信噪比的 值的和值;接着从(64+ + 个和值中找出满足
的最大值，记为 SNRmax;再结合 SNRmax
[0134]
，进而得到Rdf的值，该值为DF协议下的双向中继认知无线 电系统的最大系统容量，并得到最大系统容量对应的L个中继和L个中继各自广播信号时所 用的功率。
[0135] 表1当Μ = 4时所有的信噪比组合
[0137] 为了进一步说明本发明方法的可行性和有效性，进行以下仿真。
[0138] 双向中继认知无线电系统中的所有信道都假设为独立和服从多瑞利衰落，加性高 斯白噪声为〇n2 = 1 (T4W，中继个数Μ=4。
[0139] 图3a给出了在加性高斯白噪声为〇n2 = l(T4W、中继个数Μ=4、授权用户所能接受的 最大干扰值Ith的取值为10dBm时，认知移动用户的限制功率、基站的限制功率及每个中继的 限制功率的取值从-10dBm~30dBm，本发明方法与现有的双路多中继选择方法、双路单中继 选择方法及单路多中继选择方法的系统容量随限制功率的变化曲线的对比图；图3b给出了 在加性高斯白噪声为σ η2 = 10、、中继个数M = 4、授权用户所能接受的最大干扰值Ith的取值 为20dBm时，认知移动用户的限制功率、基站的限制功率及每个中继的限制功率的取值从-1 OdBm~30dBm，本发明方法与现有的双路多中继选择方法、双路单中继选择方法及单路多 中继选择方法的系统容量随限制功率的变化曲线的对比图。
[0140]分析图3a和图3b可知，当授权用户所能接受的最大干扰值Ith的取值为10dBm，认知 移动用户的限制功率、基站的限制功率及每个中继的限制功率的取值小于5dBm时，四种方 法的系统容量随限制功率的增加而不断增加，而当认知移动用户的限制功率、基站的限制 功率及每个中继的限制功率的取值大于5dBm时，本发明方法与单路多中继选择方法的系统 容量基本保持不变，而双向多中继选择方法与双向单中继选择方法的系统容量随限制功率 的增加而不断降低；当授权用户所能接受的最大干扰值Ith的取值为20dBm，认知移动用户的 限制功率、基站的限制功率及每个中继的限制功率的取值小于15dBm时，四种方法的系统容 量随限制功率的增加而不断增加，而当认知移动用户的限制功率、基站的限制功率及每个 中继的限制功率的取值大于15dBm时，本发明方法与单路多中继选择方法的系统容量基本 保持不变，而双路多中继选择方法与双路单中继选择方法的系统容量随限制功率的增加而 不断降低；由仿真结果对比可知，本发明方法使得系统容量更高。
[0141]图4a给出了在加性高斯白噪声为〇n2 = l(T4W、中继个数M=4、认知移动用户的限制 功率、基站的限制功率及每个中继的限制功率的取值20dBm时，授权用户所能接受的最大干 扰值Ith的取值从-lOdBm~40dBm，本发明方法与现有的双路多中继选择方法、双路单中继选 择方法及单路多中继选择方法的系统容量随干扰限制的变化曲线的对比图；图4b给出了在 加性高斯白噪声为ση 2 = 1 (T4W、中继个数Μ = 4、认知移动用户的限制功率、基站的限制功率 及每个中继的限制功率的取值为25dBm时，授权用户所能接受的最大干扰值I th的取值从-1 OdBm~40dBm，本发明方法与现有的双路多中继选择方法、双路单中继选择方法及单路多 中继选择方法的系统容量随干扰限制的变化曲线的对比图。
[0142] 分析图4a和图4b可知，当认知移动用户的限制功率、基站的限制功率及每个中继 的限制功率的取值为20dBm，授权用户所能接受的最大干扰值Ith的取值小于15dBm时，四种 方法的系统容量随授权用户所能接受的最大干扰值Ith的取值的增加而不断增加，而当授权 用户所能接受的最大干扰值Ith的取值大于15dBm时，本发明方法与单路多中继选择方法的 系统容量基本保持不变，双路多中继选择方法与双路单中继选择方法的系统容量随授权用 户所能接受的最大干扰值Ith的取值的增加而不断降低；当认知移动用户的限制功率、基站 的限制功率及每个中继的限制功率的取值为25dBm，授权用户所能接受的最大干扰值I th的 取值小于25dBm时，四种方法的系统容量随授权用户所能接受的最大干扰值Ith的取值的增 加而不断增加，而当授权用户所能接受的最大干扰值Ith的取值大于25dBm时，本发明方法与 单路多中继选择方法的系统容量基本保持不变，双路多中继选择方法与双路单中继选择方 法的系统容量随授权用户所能接受的最大干扰值Ith的取值的增加而不断降低；由仿真结果 对比可知，本发明方法使得系统容量更高。
【主权项】
1. 一种基于DF协议的双向中继认知无线电系统中的资源分配方法，其特征在于包括以 下步骤： ① 设定双向中继认知无线电系统中的每个信道采用多瑞利衰落模型;设定双向中继认 知无线电系统由一个认知移动用户、一个基站、M个中继及一个授权用户组成，其中，M>1;设 定认知移动用户与基站之间没有直接链路，需选择L个中继进行信号传输，其中，KLSM; 设定每个中继选择半双工工作方式，每个中继进行信号传输的过程分为两个时隙：第 一时隙为多路访问时隙，在第一时隙中，基站向所有中继传输信号，将基站的发射功率记为 Pcb，同时认知移动用户向所有中继传输信号，将认知移动用户的发射功率记为Ps，基站和认 知移动用户传输信号时是向同一个中继传输信号的；在第一时隙中，认知移动用户和基站 均对授权用户产生干扰;第二时隙为广播时隙，在第二时隙中，每个中继对其接收到的来自 基站的信号和来自认知移动用户的信号进行广播，将第m个中继广播信号时所用的功率记 为;在第二时隙中，每个中继也对授权用户产生干扰;上述，ISmSM; 设定基站与每个中继之间的信道增益、认知移动用户与每个中继之间的信道增益、认 知移动用户与授权用户之间的信道增益、基站与授权用户之间的信道增益、每个中继与授 权用户之间的信道增益都是已知的，将基站与第m个中继之间的信道增益、认知移动用户与 第m个中继之间的信道增益、认知移动用户与授权用户之间的信道增益、基站与授权用户之 间的信道增益、第m个中继与授权用户之间的信道增益对应记为gl、g2、g3、g4、g5，其中，I彡m彡M，符号 "I I"为取绝对值符号，/严夂表示基站与第m个中继之间的信道系数，Λ5-夂表示认知移动用 户与第m个中继之间的信道系数，hs_pu表示认知移动用户与授权用户之间的信道系数，h^ pu 表示基站与授权用户之间的信道系数，表示第m个中继与授权用户之间的信道系数； 设定认知移动用户与授权用户同时接入频谱进行信号传输;设定双向中继认知无线电系统 中的所有噪声都为σ η2的加性高斯白噪声； ② 将通过第m个中继传输信号时DF协议下的双向中继认知无线电系统的速率记为Sw,， 根据认知移动用户到第m个中继的速率、基站到第m个中继的速率、第m个中继到基站的速 率、第m个中继到认知移动用户的速率及第m个中继能处理信号的最大限制速率，将描 述为t根据香浓定律，将、描述为+ 然后结^，得到，进而得到其中，l<m<M，min()为取最小值函数，办表示在第一时隙中认知移动用户到第m个中继 的速率，S1 =￥[i+^^R2表示在第一时隙中基站到第m个中继的速_.R3 表示在第二时隙中第m个中继到基站的速率R4表示在第二时隙中 第m个中继到认知移动用户I €示在第二时隙中第m个中继信号时DF协议下的双向中继认知无线电系统的信噪比；③ 构建DF协议下的双向中继认知无线电系统中的优化资源分配问题，描述为： 能处理信号的最大限制速_ NRm表示通过第m个中继传输其中，max表示"使最大化"，em为第m个中继的选择因子，当em = 1时代表第m个中继被选 中，当em=0时代表第m个中继未被选中，Rdf表示选择L个中继进行信号传输时DF协议下的双 向中继认知无线电系统的系统容量，s.t.表示"受约束于……"，g表示认知移动用户的限 制功率，表示基站的限制功率，&表示第m个中继的限制功率，Ith表示授权用户所能接 受的最大干扰值，第1个约束条件为Ps的限制条件，第2个约束条件为Pra的限制条件，第3个 约束条件为A、,.的限制条件，第4个约束条件表示在第一时隙中认知移动用户向第m个中继 传输信号时认知移动用户对授权用户产生的干扰与基站向第m个中继传输信号时基站对授 权用户产生的干扰之和不超过授权用户所能接受的最大干扰值，第5个约束条件表示在第 二时隙中M个中继广播信号时其对授权用户产生的干扰不超过授权用户所能接受的最大干 扰值，第6个约束条件表示^的取值限制； ④ 求解步骤③中的优化资源分配问题，在求解过程中采用DF协议容量最大化的特点， 求解得到认知移动用户、基站与各个中继之间的功率关系;然后用每个中继广播信号时所 用的功率来表示认知移动用户向该个中继传输信号时所用的功率和基站向该个中继传输 信号时所用的功率，获得通过每个中继传输信号时DF协议下的双向中继认知无线电系统的 信噪比的值;接着通过对所有信噪比的值进行排列组合，找到一种信噪比组合，该信噪比组 合中的所有信噪比的值的和值在满足步骤③中的优化资源分配问题中的第5个约束条件下 最大;再根据找到的信噪比组合中的所有信噪比的值的和值，获得DF协议下的双向中继认 知无线电系统的最大系统容量及最大系统容量对应的L个中继和L个中继各自广播信号时 所用的功率。2.根据权利要求1所述的基于DF协议的双向中继认知无线电系统中的资源分配方法， 其特征在于所述的步骤④的具体过程为：
【文档编号】H04W72/04GK106028455SQ201610534493
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月4日
【发明人】李婷, 李有明, 余明宸, 付彩梅, 周桂莉
【申请人】宁波大学