一种基于性能最优的认知用户选择方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信领域中的认知无线电通信技术领域，尤其是一种认知用户选 择方法。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信技术的发展，无线通信用户不断增多，业务需求快速增长，有限的无 线频谱资源逐渐成为制约无线通信系统发展的瓶颈。大量研究报告表明当前无线频谱的 利用率只有15%~85%，大部分频谱在多数时候并没有得到充分的利用，并且频谱使用情 况非常不平衡，一些非授权频段占用过于拥挤，而某些授权频段则经常处于空闲状态。可见 造成频谱资源紧缺的主要原因是现有的这种固定式的频谱管理方式和频谱分配策略。认知 无线电技术可以通过感知周围的无线通信环境，在保证授权用户正常通信不受影响的前提 下，伺机接入授权频谱，能够有效提升频谱资源的利用率。
[0003] 在认知无线电共存式频谱接入方法中，认知用户在一定条件下接入授权频谱，与 授权用户同时使用相同的频段。所以在这种频谱接入方法中，认识用户和授权用户之间始 终存在干扰，使得原本就非常有限的频谱资源没有得到充分利用，授权用户和认知用户的 性能也会由于干扰受到影响。当认知系统中有多个认识用户时，选择不同的认知用户接入 授权用户的频谱后获得的性能会不一样。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有共存式频谱接入技术中授权用户和认知用户之间相互干扰、认知用 户性能较低的不足，本发明提供一种有效消除授权用户和认知用户之间相互干扰的问题、 提升认知用户性能的基于性能最优的认知用户选择方法。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] 一种基于性能最优的认知用户选择方法，无线电通信系统包括一个主系统和一个 认知系统，其中，授权系统由一个授权用户发送端和授权用户接收端组成，所述授权系统支 持中继功能，有一段W带宽组成的授权频谱；认知系统由L个认知用户发送端和一个共同的 认知用户接收端组成，其试图利用可能的传输机会接入授权系统的频谱。我们假定认知系 统能够模拟授权系统的无线电协议和系统参数；所述协作抗干扰频谱接入方法包括以下过 程：
[0007] 1)认知用户以协作方式接入授权用户的频谱，认知用户接收到授权用户的信息 后，通过解码转发协作方式帮助发送授权用户的信息到授权用户接收端；
[0008] 2)每个认知用户STk计算在自己接入授权用户频谱后能够帮助授权用户达到的速 率RP，k;
[0009] 3)找出所有能够帮助授权用户达到目标速率Rt的认知用户STk组成的集合M，M ={k|kGL,Rpik^RJ；
[0010] 4)在集合M中选择一个认知用户STb，
授权用户分配一部分时间 给该认知用户，授权其接入自己的频谱，STb接入授权用户的频谱后，利用一部分带宽转发 授权用户的信息帮助其达到目标速率，利用剩余的带宽发送自己的信息；如果M是空集，即 |M| = 〇,表示没有认知用户能够帮助授权用户达到目标速率，则授权用户继续通过直传发 送自己的信息；
[0011] 授权用户和认知用户之间的时间和带宽分配问题建模为：
[0015] 其中，Rt表示授权用户的目标速率，tk表示授权用户在第一时隙发送自己信息所 占的时间，bk表示认识用户STk在第二个时隙帮助授权用户达到目标速率所用的带宽。Rpik 和Rsik分别表示认知用户ST,接入授权用户的频谱后，授权用户和认知用户获得的速率，
[0016]
[0017] Rsjk= (l-tk) (l-bk)R4lk (4)
[0018]
，Psik表示认知用户STk的发射功率，y4ik表示认 知用户发送端到认知用户接收端链路的信道增益，N。表示噪声功率谱密度，和分别 表示授权用户在第一个时隙和第二个时隙获得的速率：
授权用户接收端和到认知用户发送端STk链路的信道增益，Y3ik表示认知用户发送端STk 到授权用户接收端链路的信道增益；
[0022] 通过数学优化方法获得上述的最优时间 < 和带宽分配
[0027] 其中 A = (R2,k-Rt)，B = (R5,k-Rd)，C = (R2,k+R3,k_R5, k)，D = (R2,k-Rd)。
[0028] 进一步，所述步骤1)中，认知用户通过两个时隙解码转发协作方式接入授权用户 的频谱；
[0029] 在第一个时隙，占用时间tk(0 < tk< 1)，授权用户发送端用全部W带宽发送信息 给授权接收端和认知用户发送端，所以授权用户发送端到认知用户发送端链路的速率为：
[0030]
[0031] 在第二个时隙，占用时间（l_tk)，认知用户发送端用bkW(0 < bk< 1)带宽帮助把 解码的授权用户发送端的信息发送给授权接收端，所以认知用户发送端到授权接收端链路 的速率为：
[0032]
[0033] 所以授权用户通过两个时隙在认知用户的帮助下获得的速率为：
[0034]
[0035] 同时，认知用户利用剩余的（l-b)W带宽来发送自己的信息，所以认知用户获得的 速率为：
[0036] Rsik= (l-tk) (l-bk)R4,k⑷。
[0037] 进一步，所述步骤4)中，认知用户5!；通过以下方法进行选择：选择能够获得最优 性能的认知用户接入授权用户的频谱，即选择认知用户STk，
V6eMjM ={k|kGL，Rp,k[i]彡RJ，接入授权用户的频谱。
[0038] 本发明的技术构思为：由于共存式频谱接入方法中，认知用户和授权用户使用相 同的频谱同时进行通信，互相之间始终存在干扰，使得原本就非常有限的频谱资源得不到 充分利用，授权用户和认知用户的性能也会由于干扰受到影响。当认知系统中有多个认识 用户时，选择不同的认知用户接入授权用户的频谱后获得的性能会不一样。本专利方法中 系统基于性能最优方式选择认知用户通过协作的方式接入授权用户的频谱，授权用户和认 知用户分别通过不同的时间和带宽来发送信息，能够有效解决授权用户和认知用户之间的 干扰问题，以及提高认知用户的性能。
[0039] 本发明的有益效果主要表现在：（1)消除了共存式频谱接入方法中授权用户和认 知用户的干扰问题；（2)提升了认识用户的性能。
【附图说明】
[0040] 图1是本发明方法的抗干扰频谱接入模型示意图，其中，匕为授权用户发送端到授 权接收端的信道系数，h2ik为授权用户发送端到认知用户发送端STk的信道系数，h3，k为认知 用户发送端STk到授权接收端的信道系数，h4k为认知用户发送端ST,到认知接收端的信道 系数。假设路径损耗指数V= 4,L= 20,W= 1，Pp/N。= 5dB，Rt= 2. 5bps/Hz，PS,k/N。= Ps/N〇;
[0041] 图2为认知用户选择图，图中PT和PR分别位于二维X-Y轴上的点（0,0)和（1，0) 上。SR位于（0? 5,-0? 5)，认知用户STk，kGL= {1，2, 3, ? ? ?，L}随机分布在PT和PR连线 的中点为圆心，0.5为半径的圆内。STb为采用本发明方法选择的认知用户；
[0042] 图3为授权用户和认知系统速率随着Ps/N。的变化图；
[0043] 图4为时间和带宽分配随着Ps/N。的变化图。
【具体实施方式】
[0044] 下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0045] 参照图1~图4,一种基于性能最优的认知用户选择方法，是基于现有的无线电通 信系统实现的。所述无线电通信系统包括一个主系统和一个认知系统，其中主系统由一个 授权用户发送端（PT)和授权接收端（PR)组成。主系统支持中继功能，有一段W带宽组成 的授权频谱。认知用户系统由L个认知用户发送端（STk，kGL= {1，2,3，...，L})和共同 的认知用户接收端（SR)组成。认知系统能够模拟主系统中的无线电协议和系统参数。
[0046] 本实施方式的方法中，认知用户以协作方式接入授权用户的频