授权用户及认知用户信息都未被成功解码，此时SR将会存储授权用户的 信息以消除重传时隙来自授权用户的干扰，此时的概率为：
[0074]
V x v / * \ v y/
[0075] (c)如果认知用户信息未被成功解码，而授权用户信息被成功解码，此时的概率 为：
[0076]
[0077] 在首次传输时，如果授权用户的信息被成功解码，则认知用户可以在重传时隙直 接消除干扰，如果授权用户信息未被成功解码，则此信息会被认知用户存储以便于在重传 时隙进行干扰消除。
[0078] 2、在第二个传输时隙认知用户首先计算干扰消概率并根据此概率分配功率。如果 认知用户在授权用户信息首次传输时已成功解码授权用户信息，那么在授权用户的重传时 隙内，认知用户可以直接消除干扰。如果授权用户信息未被成功解码，则认知用户将利用授 权用户信息的冗余来消除干扰。
[0079] (a)如果首次传输时，认知用户信息被成功解码，而授权用户信息未被成功解码， 则在重传时隙内，认知用户成功消除干扰的概率为：
[0080]
[0081] (b)如果首次传输时隙内，认知用户信息和授权用户信息都未被成功解码，则重传 时隙内，认知用户可以成功解码的概率为：
[0082]
[0083] 在授权用户重传时隙内，如果认知用户成功消除干扰，则其传输速率1^为：
[0084]
[0085] 否则，认知用户将会以速率传输，馬为
[0086]
[0087] 此时，我们可以得到认知用户在授权用户信息重传时的平均传输速率为：
[0088]
[0089] 在认知用户最大功率及授权用户的中断性能的约束下，我们的功率分配优化问题 如下：
[0090]
[0091]
[0092] 其中，Pth是授权用户在重传时隙的中断门限，凡^是授权用户在重传时隙的中断 概率：
[0093]
[0094] 其中，由于认知用户的传输速率是f的增函数，因此我们需要求解f的范围。 由于gn和g21服从指数分布，可以近似为
[0095]
[0096] 由于0<凡2 和&，因而我们可以得到最优的传输功率为：
[0097]
[0098]
[0099]
[0100] 仿真实验：
[0101] 我们将对我们所提出的频谱共享方案进行仿真验证。在我们的仿真中，授权用户 以固定功率0. 5W进行传输，而认知用户的最大传输功率也为0. 5W。授权用户和认知用户的 中断传输速率分别为4bps/Hz和2bps/Hz。
[0102] 此外，参见图2,我们也将仿真KMK方案作为我们所提方案的对比。KMK方案中，认 知用户将监视授权用户传输速率，只有当授权用户传输速率大于某一门限时，认知用户才 会接入信道。在仿真中，我们将仿真认知用户的平均传输速率及授权用户的中断概率。
[0103] 我们得到了认知用户平均传输速率随授权用户的中断概率门限Pth的变化情况并 且我们的理论分析结果和实际仿真结果很好的吻合。随着Pth的增大，授权用户可以容忍更 大的干扰，因而认知用户可以以更高的功率接入信道，得到较高的传输速率。由于我们利用 了授权用户重传所造成的冗余信息，认知用户可以以更高的概率的消除授权用户带来的干 扰，因而在我们的方案中，认知用户的平均传输速率最高。
[0104] 在图3中，我们得到了授权用户的平均中断概率随授权用户传输功率变化的曲 线。授权用户传输功率的增大，意味着授权用户可以容忍更大的干扰，因而授权用户的中断 概率下降。由于我们的方案充分考虑了授权用户的中断性能要求，因此授权用户的中断性 能最优。而KMK方案在授权用户的传输速率大于某一门限接入信道，因此在授权用户功率 比较高时，对授权用户影响比较小，性能优于Underlay，而在授权用户功率比较低时，性能 比Underlay差。
[0105] 本发明公开了认知无线网络中面向授权用户ARQ频谱资源的共享方案。在认知 无线电网络中，授权用户的信息重传可能会带来信息冗余，并且此冗余信息可以被认知用 户利来来消除干扰，以提高平均传输速率。因此本发明提出了一种利用授权用户信息得传 的频谱共享方案。此方案分为两个时隙实现。认知用户在授权用户信息首次传输时采用 Underlay模式进行传输。在此时隙结束时，认知用户将解码授权用户信息，用于消除授权用 户的干扰。并进一步监听授权用户的ARQ信号。在授权用户ARQ时隙中，如果认知用户已经 成功解码授权用户的首次传输信息，认知用户可以利用解码信息直接进行消除干扰。如果 认知用户未能成功解码授权用户首次传输信息，则认知用户利用授权用户重传带来的信息 冗余进行干扰抑制。在此方案中，我们将基于信道统计信息获得认知用户在首次传输和重 传时隙内成功消除干扰的概率，并利用此概率计算认知用户的平均传输速率。在此基础上， 我们构造了最大化认知用户平均传输速率的优化问题，并求解得到了认知用户在重传时隙 的功率分配方案。仿真结果表明我们所提方案在认知用户的平均传输速率及授权用户的中 断概率方面优于传统的ARQ频谱共享方案。
【主权项】
1. 一种认知无线网络中面向授权用户自动重传请求的频谱资源共享方法，其特征在 于，采用时分机制，将认知无线电网络的每个数据帖等分为两个时隙： 在第一个时隙内授权用户进行首次传输，认知用户采用传输的化derlay方式共享信 道； 在第二个时隙内授权用户根据自动重传请求信息进行重新传输，认知用户在保证授权 用户中断性能的情况下共享信道。2. 根据权利要求1所述的一种认知无线网络中面向授权用户自动重传请求的频谱资 源共享方法，其特征在于，在第二个时隙内授权用户根据自动重传请求信息进行重新传输， 利用重新传输带来的信息冗余进行干扰消除，并W最大化传输速率为目标，在授权用户的 中断性能的约束下，分配第二个时隙内认知用户的传输功率。3. 根据权利要求1所述的一种认知无线网络中面向授权用户自动重传请求的频谱资 源共享方法，其特征在于，在第一个时隙内，认知用户采用化derlay方式进行传输，获得传 输速率为：其中，Pp为授权用户的发射功率，g12为授权用户发射端PT到认知用户接收端SR的信 道功率增益，g22为认知用户发射端ST到认知用户接收端SR的信道功率增益，是认知用 户的发射功率，；7;通过W下优化得到：其中，P,为认知用户的最大发射功率，ith是授权用户的干扰口限，表示期望结果；ic'为化1的单调增函数，此时的传输功率为：9 ^为指数分布g21变量的参数。 贫214. 根据权利要求3所述的一种认知无线网络中面向授权用户自动重传请求的频谱资 源共享方法，其特征在于，在第一个时隙内授权用户信息首次传输时，认知用户接收端SR 首先解码来自认知用户的信息，然后解码授权用户的信息，利用授权用户发射端PT到授权 用户接收端PR的信道功率增益gii，PT到认知用户接收端SR的信道功率增益g2i的统计信 道状态信息W及g22的瞬时信道状态信息，得到认知用户成功消除授权用户干扰的概率如 下： 若认知用户信息被正确解码且授权用户信息也被正确解码，则认知用户在第二个时隙 直接消除干扰，此种情况的概率为：11 其中，^和；T为指数分布gll和g12的参数； 巧1 ^2 若授权用户及认知用户信息都未被成功解码，则认知用户接收端SR将存储授权用户 的信息W消除第二个时隙来自授权用户的干扰，此种情况的概率为：若认知用户信息未被成功解码，而授权用户信息被成功解码，此种情况的概率为： 巧4=1-巧-哎-巧。5.根据权利要求1所述的一种认知无线网络中面向授权用户自动重传请求的频谱资 源共享方法，其特征在于，在第二个时隙内认知用户首先计算干扰消除概率，并根据此概率 分配功率： 若认知用户在授权用户信息首次传输时成功解码授权用户信息，则在授权用户的第二 个时隙内，认知用户直接消除干扰； 若授权用户信息未被成功解码，则认知用户将利用授权用户信息的冗余来消除干扰； 若首次传输时，认知用户信息被成功解码，而授权用户信息未被成功解码，则在第二个 时隙内，认知用户成功消除干扰的概率为：其中，为认知用户在第二个时隙内的发送功率； 若首次传输时隙内，认知用户信息和授权用户信息都未被成功解码，则第二个时隙内， 认知用户成功解码的概率为：6. 根据权利要求5所述的一种认知无线网络中面向授权用户自动重传请求的频谱资 源共享方法，其特征在于，在第二个时隙内授权用户根据自动重传请求信息进行重新传输， 若认知用户成功消除干扰，则其传输速率4为：否则，认知用户将会W速率每传输，巧三为此时，得到认知用户在授权用户信息重传时的平均传输速率为：7. 根据权利要求2或6所述的一种认知无线网络中面向授权用户自动重传请求的频谱 资源共享方法，其特征在于，在认知用户最大功率及授权用户的中断性能的约束下，优化问 题如下：其中，Pth是授权用户在第二个时隙的中断口限，少二,是授权用户在第二个时隙的中断 概率，则有；其中，Rp为授权用户的中断速率。8. 根据权利要求7所述的一种认知无线网络中面向授权用户自动重传请求的频谱资 源共享方法，其特征在于，认知用户的传输速率iT是的增函数，求解的范围，由于gii 和g2i服从指数分布，巧L可W近似为：其中，（C)代表在高SNR区域的近似；由于0含片 <巧和巧已^ ，因而，得到最优的传 输功率片为：
【专利摘要】本发明公开了一种认知无线网络中面向授权用户自动重传请求的频谱资源共享方法，属于无线通信技术领域。技术方案为：采用时分机制，将认知无线电网络的每个数据帧等分为两个时隙：在第一个时隙内授权用户进行首次传输，认知用户采用传输的Underlay方式共享信道；在第二个时隙内授权用户根据自动重传请求信息进行重新传输，认知用户在保证授权用户中断性能的情况下共享信道。本发明构造了最大化认知用户平均传输速率的优化问题，并求解得到了认知用户在重传时隙的功率分配方案。通过干扰消除，认知用户可以获得更高的传输速率，同时授权用户ARQ(自动重传请求)信息可以被认知用户利用以保护授权用户的传输以降低授权用户的中断概率。
【IPC分类】H04W16/14, H04W16/10
【公开号】CN104936191
【申请号】CN201510305842
【发明人】任品毅, 王大伟, 王熠晨, 杜清河, 孙黎
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年9月23日
【申请日】2015年6月4日