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
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，涉及认知用户频谱接入方法及功率分配方案设 计，具体涉及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。
【背景技术】
[0002] 随着无线设备及无线传输需求的增加，可用无线频谱资源越来越短缺。然而传统 的固定频谱分配方案没有考虑到用户在空间和时间上使用频谱的差异，造成了频谱资源的 浪费。认知无线电技术允许没有授权频谱的认知用户使用空闲或未被充分利用的无线频谱 资源，从而提高频谱利用率。
[0003] 在认知无线电网络中，认知用户通过Interweave，Overlay或者Underlay方式共 享授权用户的频谱资源。由于在可行性及复杂度方面的优势，Underlay网络得到了广泛的 研宄。在Underlay认知网络中，授权用户自动重传的确认信号（ACK)及否认信号（NACK) 可以被认知用户用来估计其认知网络传输对授权用户网络带来的影响。此外，授权用户信 息重传造成了信息冗余，而这些冗余信息可以被认知用户利用并通过解码授权用户信息来 消除授权用户对认知用户的干扰。
[0004] 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。现有 的基于ARQ的频谱共享技术中，认知用户只在重传时隙进行传输，并且很多技术并没有考 虑到认知用户的干扰消除，因此，现在的基于ARQ的频谱共享技术会造成频谱利用率低，认 知用户的传输速率也比较低。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供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，该方法能有效提高认知用户的传输速率，同时能够降低授权用户的中断概 率。
[0006] 本发明是通过以下技术方案来实现：
[0007] -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，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：
[0008] 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；
[0009] 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。
[0010] 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，并以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。
[0011] 在第一个时隙内，认知用户采用Underlay方式进行传输，获得传输速率为：
[0012]
[0013] 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，^通过以下优化得到：
[0014]
[0015]
[0016] 其中，匕为认知用户的最大发射功率，lth是授权用户的干扰门限，表示期望结 果；为W的单调增函数，此时的传输功率为：
[0017]
；
[0018] 7为指数分布g21变量的参数。 ^21
[0019] 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gll，PT到认知用户接收端SR的信道功率增益g21的统计信道状态信息以及 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：
[0020] 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：
[0021
1 1
[0022] 其中，1和^为指数分布gn和g12的参数； ^11 ~
[0023]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 用户的信息以消除第二个时隙来自授权用户的干扰，此种情况的概率为：
[0024]
；
[0025] 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：
[0026] ，i
[0027] 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：
[0028] 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；
[0029] 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；
[0030] 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：
[0031]
[0032] 其中，^为认知用户在第二个时隙内的发送功率；
[0033] 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：
[0034]
[0035] 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 为：
[0036]
[0037] 否则，认知用户将会以速率<传输，^为
[0038]
[0039] 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：
[0040]
。
[0041] 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：
[0042]
9
[0043]
[0044] 其中，Pth是授权用户在第二个时隙的中断门限，是授权用户在第二个时隙的 中断概率，则有：
[0045]
[0046] 其中，Rp为授权用户的中断速率。
[0047] 认知用户的传输速率iT是f的增函数，求解i的范围，由于^和g21服从指数分 布，可以近似为：
[0048]
；
[0049] 其中，（c)代表在高SNR区域的近似；由于〇4^4和/^<巧，因而，得到最优 的传输功率W为：
[0053] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0054] 本发明公开的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， 在第一个时隙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，此时 认知用户监听授权用户的ARQ(自动重传请求）信息并且解码授权用户信息；第二个时隙内 认知用户利用授权用户的信息冗余重新分配其传输功率来保证授权用户的传输质量，同时 利用冗余信息进行干扰消除。本发明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。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。
【附图说明】
[0055] 图1为认知无线电网络传输模型；
[0056] 图2为认知用户的平均传输速率仿真图；
[0057] 图3为授权用户的平均中断概率仿真图。
【具体实施方式】
[0058] 下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而 不是限定。
[0059] 本发明考虑一个Underlay网络，如图1所示。授权用户网络由一个授权用户发送 端（PT)和授权用户接收端（PR)组成。当授权用户的首次传输经历中断时（首次传输链路 经历了严重的衰落或干扰），PR将发送自动重传请求以进行重传传输。我们假设授权用户 信息只有一次重传机会，认知网络由一个认知发送端（ST)和一个认知接收端（SR)组成。认 知用户将监听授权用户的自动重传请求信号以分配功率并共享授权信道。
[0060] 假设认知用户网络与授权用户网络是同步的，并且两个网络都经历了独立平稳的 瑞利衰落，即：在每一帧内，信道状态保持不变，而在不同的帧间，信道状态独立变化。此外， 每个数据帧分为两个时隙，分别对应于授权用户的首次传输及重新传输。我们假定ST可以 获得ST到SR的信道状态信息。对于PT到PR，ST到PR及PT到SR，ST只能得到其统计信 道状态信息。
[0061] PT-PR，PT-PR，PT-PR及ST-PR的信道功率增益分别为gn，g12,g22和g21。 由于这些信道经历了瑞利衰落，因此变量gn，g12和g21服从指数分布，并且其参数分别为 1，一F和。假设系统中的噪声为循环高斯白噪声并且服从零均值单位方差的高斯CTU<721cr12 分布。授权用户的传输功率为Pp并且其中断速率为Rp。认知用户的最大传输功率为？3并 且其目标速率为Rs。
[0062] 本发明所提出的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 法分为两个时隙实现，具体实现过程为：
[0063] 1、在第一个传输时隙，认知用户采用Underlay模式接入频谱。在授权用户的干扰 门限约束下? iA铀用户M以莊徨的传綸速率为：
[0064]
[0065] 其中，传输功率凡\是认知用户的发射功率，可以通过以下优化问题得到
[0066]
[0067]
[0068] 因此，我们可以得到此时的传输功率为：
[0069]
[0070] 在授权用户信息首次传输时，SR将受到授权用户的干扰。假设ST和PR之间的距 离小于PT到SR之间的距离。此时，SR会首先解码来自认知用户的信息，然后解码授权用 户的信息以便于在重传时隙进行干扰消除。gll和g21的统计信道状态信息以及g22的瞬时 信道状态信息，我们可以得到认知用户成功消除授权用户干扰的概率如下：
[0071] (a)如果认知用户信息被正确解码且授权用户信息也被正确解码的概率，认知用 户可以在重传时隙直接消除干扰，此种情况的概率为：
[0072]
[0073] (b)如果