及从接受信号中收集能量。次用户发送STk协助主用户发送端PT完成通信 后，占用各个子载波向次用户接收端SU传输次用户自身信息。
[0071] 步骤1 :在能量合作传输阶段（即：时隙\k)，主用户PT发送端通过第k 个子载波，以功率Pplik向主用户接收端PUjP次用户发送端31\广播信息x pl，k。主 用户接收端PUjP次用户发送端STk的接收信号分别为
和-yjPjrl.k^ps,kXpl,k+ 9在本阶段，王用户接收纟而的接收彳曰号速率为
。与此同时，次用户发送端将其接收到的信号转换为 电能，即
[0072] 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T 21ik，主用户发送端通过第k个子载波，以功率 口^^向主用户接收端PUjP次用户发送端STk&射信号xp2ik。主用户接收端PUk和次用户发 送端STkStl接收彳目号分别为./i =^Pp2,k ^p,kXp2tk+心和几=?JPp：,l,^pi,k^Cpi；Je+ "t%.，相应 的信号速率分别为
[0073]
[0074] 在接下来的时隙t22, k，次用户发送端STk通过第k个子载波，以功率p sli k 向主用户接收端码转发xp2ik，此时主用户发送端保持空闲状态。在本时隙， 主用户接收端PUk的接收信号为>'f22 = ，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
[0075] 步骤3 :在次用户信息单独传输阶段t3，即：保证主用户可达速率要求后，次用户 发送端STk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 送端保持空闲状态。在本阶段，次用户接收端SU的接收信号为.vf +zst，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（、，^^^，，可以通过求解下式得到^口：
[0085] 步骤4 :对上述非凸问题进行转换，令p ' pl,k= ppl,ktlik,，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, k。Rpl, k (T1, k, Ppl, k)，
可以表示为关于（Tk，P',)的
问题重写为凸问题。
[0086] 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s=(X^v， Y.ttXK.(M>)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，p k，Tk)，如下式。在内层，固定对偶变量％，对每个拉格朗曰算Tk)并行 应用KKT条件，得到对应原自变量的最优值(《，<)。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- 〃为取值较小的步长。反复迭代，直 到使得两者同时达到最优。
[0087]
[0088] 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;
[0091] 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),
[0092]
[0093] 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。
[0094]
[0100] 最终，原自变量（t，P')和对偶变量s同时达到最优，并由此计算出次用户的可 达和速率。
[0101]进一步的，在本发明所述的步骤4中，证明Rpl,k( Tlik,p ' pl,k)，
和Rs,k(T 3,k，p' s2,k)为凸函数的具体推导过程 为：
[0102] 通过观察上述函数均具有如下形式，
[0103]
[0104] 其中（X，t)为自变量，a多〇为常数，其Hessian矩阵为
[0105]
[0106] 对给定的任意实向量z = [ZdZ；；]，有
[0107]
[0108] 即f/Cr,/)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(Tl，k,Ppl，k)，€、似，P，Pu)^Rs，k(T3,k，P' s2,k)为相应 自变量的凸函数。
[0109] 进一步的，在本发明所述的步骤5中，对于内层迭代，将原自变量（Tk，p' k)分为 TjPp' k两组交替优化，其中固定T k，通过以下各式进一步优化得到P' k，即；
[0110]
[0111]
，其中 ak= log(2) (y + K k) a k0k，
[0112] 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),
[0115] 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；
[0116]
[0117]
o
[0122] 本发明描述的实施例仅为优选实施方式，而并非本发明保护范围的限定，任何基 于本发明精神所做的改进或者等同替换，只要不脱离本发明的精神和范围，均应涵盖在本 发明保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于OFDM认知网络的分时协同通信的实现方法，其特征在于，所述方法包括以 下步骤： 步骤1 :在能量合作传输阶段，即：时隙Tlik，主用户发送端PT通过第k个子载波，以功 率Pplik向主用户接收端PU ,和次用户发送端ST ,广播信息X u主用户接收端PU ,和次用户 发送端STk的接收信号分别为阶段，主用户接收端的接收信号速率为；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；在时隙τ 21，k，主用户发送端PT通过第k个子载波，以功率pp2ik向主 用户接收端PUdP次用户发送端SI\&射信号X^主用户接收端PU JP次用户发送端ST k 的接收信号分别为I相应的信号速 率分别为：在接下来的时隙τ22Λ，次用户发送端STk通过第k个子载波，以功率pslik向 主用户接收端PU1JI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，，相应的信号速率为在本合作阶段主用户接收端的可达信号速率为步骤3 :在次用户信息单独传输阶段τ 3 k，g卩：保证主用户可达速率要求后，次用户发 送端STk通过第k个子载波，以功率p s2，k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（τ 3, Ps2ik)，通过求解下式得到：非凸问题重写为凸问题； 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 s=(X^v.'/.wac(M))及其拉格朗曰算子L(S)，将整个问题拆解成k个子问题Lk(sk，p k，τ k)， 即：在内层，固定对偶变量sk，对每个拉格朗日算子1^(%，^ Tk)并行应用KKT条件，得到 对应原自变量的最优值(pK);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，即为取值较小的步长，反复迭代，直到使得两者同时达 到最优。2. 根据权利要求1所述的一种基于OFDM认知网络的分时协同通 信的实现方法，其特征在于，所述步骤4包括：证明Rpl, k( τ lik，p ' pl,k)，为凸函数的具体推导过程 为： 通过观察上述函数均具有如下形式，即▽ 2f(x，t)为半负定矩阵，f(x，t)是关于（x，t)的凹函数；同理，可以证明h为相应自变 量的凸函数。3. 根据权利要求1所述的一种基于OFDM认知网络的分时协同通信的实现方法，其特征 在于，所述步骤5包括：对于内层迭代，将原自变量（T k，p' k)分为,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；接着固定V 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：4.根据权利要求1所述的一种基于OFDM认知网络的分时协同通信的实现方法，其特征 在于：所述方法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。
【专利摘要】本发明公开了一种基于OFDM认知网络的分时协同通信的实现方法，该方法是针对具有能量收集功能的OFDM认知网络，属于无线通信技术领域。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。
【IPC分类】H04W16/14, H04L27/26
【公开号】CN105072621
【申请号】CN201510443233
【发明人】王保云, 高赞
【申请人】南京邮电大学
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年7月24日