一种基于时间和带宽联合优化的双向协作抗干扰频谱接入方法
【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，尤其是一种频谱接入方 法。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信的发展，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。美国联邦通信委员会(FCC)的大量研究报 告表明当前无线频谱的利用率很低，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静态频谱管理方 式和频谱分配策略。认知无线电技术能感知周围无线通信环境，在保证主用户正常通信不 受影响的前提下，伺机接入授权频谱，通过一定的学习和决策算法，自适应地改变系统工作 参数来适应运行环境的变化，可以对频谱在时间，频率，空间上进行多维复用，从而提升频 谱资源的利用率。
[0003] 在认知无线电共存式频谱接入方法中，认知用户被允许在满足一定前提下与主用 户共用同一频段。然而在这种接入方法中，主用户与认知用户之间始终存在干扰，使得原本 就非常有限的频谱资源得不到充分利用，主用户和认知用户的性能也会由于干扰受到影 响。并且这种频谱接入方法是单向协作的，存在固有频谱效率的损失。
【发明内容】
[0004] 针对现有共存式频谱接入技术中的缺陷，解决主用户和认知用户之间相互干扰的 问题、克服频谱利用率不高的不足，本发明提供一种有效消除主用户和认知用户之间相互 干扰的问题、提高频谱利用率的基于时间和带宽联合优化的双向协作抗干扰频谱接入方 法。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] -种基于时间和带宽联合优化的双向协作抗干扰频谱接入方法，无线电通信系统 包括一个主系统和一个认知系统，主系统包括主用户A和主用户B，认知系统由认知用户发 送端S和认知用户接收端D组成，能够模拟主系统中的无线电协议和系统参数;所述主系统 支持中继功能，有一段W带宽组成的授权频谱;所述基于时间和带宽联合优化的双向协作抗 干扰频谱接入方法包括以下步骤：
[0007] 1)认知用户以协作方式接入主用户的频谱，认知用户接收到主用户的信息后，通 过解码转发协作方式帮助转发主用户的信息；
[0008] 2)计算主用户A和B通过认知用户协作帮助后获得的速率Ra和Rb;
[0009] 3)如果RA 2 RAT且RB 2 RBT，则主用户就会分配一部分时间给认识用户，授权其接入 自己的频谱，认知用户接入主系统的频谱后，利用一部分的带宽转发主用户的信息，利用剩 余的带宽发送自己的信息；否则，主用户继续通过直传发送自己的信息；
[0010]主用户和认知用户之间的时间和带宽联合分配问题建模为：
[0014] 其中RAT和RBT分别表示主用户A和B的目标速率，T = {m，η}，B = {α，β}，!!1和11分别表 示主用户Α和Β在第一时隙和第二时隙发送自己信息所占的时间，α和β分别表示认识用户在 第三个时隙帮助主用户Α和Β转发信息所用的带宽。Ra、Rb和Rs分别表示认知用户接入主用户 频谱后，主用户A、主用户B和认知用户S获得的速率：
[0015] RA=min{RAs,RsB} (3)
[0016] RB=min{RBS,RsA} (4)
[0018]其中，Ps表示认知用户S的发射功率，ySD表示认知用户发送端到认知用户接收端 链路的信道增益，〇2表示噪声功率谱密度，Ras和Rsb分别表示主用户A在第一个和第二个时隙 获得的速率：
[0021]
Pa表示主用户A的发射功率，yAS，ySB和γΑΒ分别表示主用户A到认知用户发送端链路的信 道增益，认知用户发送端到主用户B链路的信道增益和主用户A到主用户B链路的信道增益， Rbs和Rsa分别表示主用户B在第一个和第二个时隙获得的速率：
[0024]
Pb表示主用户B的发射功率，yBS，ySA和γ BA分别表示主用户B到认知用户发送端链路的信 道增益，认知用户发送端到主用户A链路的信道增益和主用户B到主用户A链路的信道增益；
[0025] 通过数学优化方法获得上述的最优时间分配：
[0028]根据Rsb和Rsa的不同取值，得到4种不同情况下的最优带宽分配：
[0037]进一步，所述步骤2)中，认知用户通过三个时隙解码转发协作方式接入主用户的 频谱；
[0038]在第1个时隙，主用户A用m时隙向认知用户S发送信息，A-S链路的传输速率为：
[0040]在第2个时隙，主用户B用η时隙向认知用户S端发送信息，B-S链路的传输速率为：
[0042] 在第3个时隙，认知用户S利用aW带宽和Ps/3的功率来帮助主用户Α传输信息，用OT 带宽和Ps/3的功率来帮助主用户B传输信息，经过最大比合并，S-B链路和S-A链路的传输 速率分别为：
[0045] 所以主用户A和B通过三个时隙在认知用户S的帮助下获得的速率分别为：
[0046] RA=min{RAs,RsB} (3)
[0047] RB=min{RBS,RsA} (4)
[0048] 同时，认知用户利用剩余的（l-a-i3)W带宽和（l-m-η)时隙来发送自己的信息，所以 认知用户获得的速率为：
[0050] 本发明的技术构思为：由于共存式频谱接入方法中，认知用户和主用户使用相同 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，主用户和认知用户的性能也会由于干扰受到影响。而且这种频谱接入方法使用单 向协作方式，由于其半双工的工作模式造成了频谱效率的损失。本专利方法中认知用户通 过双向协作的方式接入主用户的频谱，主用户和认知用户分别通过不同的时间和带宽来发 送信息，能够有效解决主用户和认知用户之间的干扰问题。同时，认知系统以双向协作方式 接入主用户的频谱，能够提高频谱利用率。
[0051] 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主用户和认知 用户的干扰问题；（2)提高了频谱利用率。
【附图说明】
[0052]图1是本发明方法的双向协作抗干扰频谱接入模型示意图，其中1^，?，_]_Ε{Α，Β，5， D}，i矣j，为瑞利平坦衰落信道的信道系数，且= 服从CW((.W/)，其中v为路径损耗 指数，du为各发射端与接收端之间的归一化距离，（a)为主用户A和B广播各自的信息，（b)为 认知用户S广播主用户和自己的信息。
[0053]图2是本发明方法中时间和带宽联合优化系数α、β、πι和η随S位置的变化图。
[0054] 图3是当认知用户获得频谱接入时，主用户和认知用户的传输速率随S位置的变化 图。
【具体实施方式】
[0055] 下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0056] 参照图1~图3,一种基于时间和带宽联合优化的双向协作抗干扰频谱接入方法， 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，其中主系统由主用户Α和主用户Β组成，主系统支持中继功能，有一段W带宽组成的授权 频谱，认知系统由一个认知用户发送端S和认知接收端D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。
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