一种基于OFDM双向协作的频谱接入方法与流程

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：
：随着互联网的不断普及和人民生活水平的逐步提高，移动通信的用户数在快速增加，业务类型不断丰富，服务需求日益增长。为了更好的保证这些不断增长的业务需求和服务质量，建设更高传输速率、更广覆盖范围和更高频谱效率的宽带无线通信网络成为了亟待解决的问题。美国联邦通信委员会FCC研究表明，一些非授权频段如工业、科学、医用以及适于陆地通信的2GHz左右的授权频段占用拥挤，而有些授权频段则利用率非常低。认知无线电作为一种智能频谱共享技术，对不可再生的频谱资源进行再利用，能够显著提高频谱的利用率。协作通信技术凭借节点之间的协作来进行信息传输和处理，在提高系统可靠性、传输速率和节省功率等方面有突出优势。在现有基于协作的频谱接入方法中，认知用户使用相同的带宽发送授权用户和自己的信息，授权用户和认知用户之间始终存在干扰，他们的性能都会由于干扰受到影响。而且认知用户工作在单向协作方式，使得原本就非常有限的频谱资源得不到充分利用，带来吞吐量的损失。技术实现要素：针对现有单向协作技术中的缺陷，为了克服现有授权用户和认知用户之间相互干扰的问题、用户性能受限的不足，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、提升用户性能的基于OFDM双向协作的频谱接入方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于OFDM双向协作的频谱接入方法，无线通信系统包括一个主系统和一个认知系统，其中，主系统由两个授权用户P1和P2组成，所述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S1和认知接收端S2组成，所述认知系统能够模拟主系统中的无线电协议和系统参数，所述基于OFDM双向协作的频谱接入方法包括以下步骤：1)认知用户以双向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；2)计算授权用户通过认知用户协作帮助后获得的速率Rpi,i＝1,2；3)如果Rpi≥RT，则授权用户就会允许认识用户接入自己的频谱，认知用户接入授权用户的频谱后，利用一部分子载波和功率转发授权用户的信息，利用剩余的子载波和功率发送自己的信息；否则，授权用户继续通过直传发送自己的信息。进一步，授权用户和认知用户之间的子载波和功率分配问题建模为：maxGsp,pRs---(1)]]>满足以下条件Rpi≥RT,i∈{1,2}Σk′∈Gsppsp,k′+Σk′∈G‾sppss,k′≤Pspsp,k′>0,∀k′∈Gsp---(2)]]>其中，RT表示授权用户的目标速率，Ps表示认知用户的总功率，psp,k'和pss,k'分别表示认知用户在子载波k'上用于转发授权用户信息和发送自己信息时的功率，Gsp表示认知用户用于转发授权用户信息的子载波集合，Rpi和Rs分别表示认知用户接入授权用户频谱后，授权用户和认知用户获得的速率；pp1,k和pp2,k分别表示授权用户P1和P2第一个时隙在子载波k上用于发送授权用户信息时的功率，按照注水算法进行分配：pp1,k=[1βp1-1γ1,k]+---(10)]]>pp2,k=[1βp2-1γ2,k]+---(11)]]>其中，γ1,k＝|h1,k|2/N0,γ2,k＝|h2,k|2/N0，h1,k、h2,k分别表示P1、P2在子载波k到认知用户S1的信道增益，N0为加性高斯白噪声的单边功率谱密度，βp1和βp2表示拉格朗日乘子。通过拉格朗日乘子法获得上述的最优子载波和功率分配：psp,k'*＝[pp*]+(12)pss,k′*=[12βs-1γ3,k′]+---(13)]]>Gsp*=argmaxGspΣk∈GspEk---(14)]]>其中，βs表示拉格朗日乘子，Ek=βR1212In(1+γ2,k′psp,k′*)+βR2212In(1+γ1,k′psp,k′*)-12In(1+γ3,k′pss,k′*)-βs(psp,k′*-pss,k′*)---(15)]]>pp*为下面方程的解：2βsγ1,k′γ2,k′psp,k′2+[2βs(γ1,k′+γ2,k′)-(βR12+βR22)γ1,k′γ2,k′]psp,k′=(βR22γ1,k′+βR12γ2,k′)-2βs---(16)]]>其中，βR12和βR22表示拉格朗日乘子。进一步，所述步骤5)中，认知用户通过两个时隙解码转发双向协作方式接入授权用户的频谱；第一个时隙，授权用户P1和P2用全部的子载波发送信号到S1，则链路P1→S1，P2→S1的速率表示为:Rp1s1=12Σk=1Kln(1+γ1,kpp1,k1+γ2,kPp2,k)γ2,kPp2,k<γ1,kpp1,k12Σk=1Kln(1+γ1,kPp1,k)γ2,kPp2,k≥γ1,kpp1,k---(6)]]>Rp2s1=12Σk=1Kln(1+γ2,kpp2,k)γ2,kpp2,k<γ1,kPp1,k12Σk=1Kln(1+γ2,kPp2,k1+γ1,kPp1,k)γ2,kpp2,k≥γ1,kPp1,k---(7)]]>在第二个时隙，认知用户S1解码授权用户的信息，并利用Gsp中的子载波转发授权用户信息，则链路S1→P1，S1→P2上的速率表示为:Rs1p1=12Σk′∈Gspln(1+γ1,k′psp,k′)---(8)]]>Rs1p2=12Σk′∈Gspln(1+γ2,k′psp,k′)---(9)]]>同时，S1利用剩余的子载波发送自己的信息到S1，则链路S1→S2速率表示为:Rs=12Σk′∈G‾spln(1+γ3,k′pss,k′)---(5)]]>其中，表示认知用户用于转发自己信息的子载波集合，γ3,k'表示认知用户发送端到认知用户接收端链路在子载波k'上的信道增益；所以授权用户和认知用户通过两个时隙获得的速率表示为：Rp1＝min{Rp1s1,Rs1p2}(3)Rp2＝min{Rp2s1,Rs1p1}(4)。本发明的技术构思为：由于基于协作的频谱接入方法中，认知用户使用相同的带宽发送授权用户和自己的信息，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。而且认知用户工作在单向协作方式，使得原本就非常有限的频谱资源得不到充分利用，带来吞吐量的损失。本专利方法中认知用户通过双向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子载波发送信息，能够有效解决授权用户和认知用户之间的干扰问题。同时，认知采用双向协作方式接入授权用户的频谱，能够有效解决单向协作方式吞吐量低的问题。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)提升了授权用户和认知用户的吞吐量。附图说明图1是本发明方法的基于OFDM双向协作的频谱接入方法模型示意图；图2为在平均功率分配和固定子载波集合方法下与本发明提出的资源分配方法认知用户速率随着d1的对比图，其中d1为授权用户P1到认知用户发送端的距离；图3是认知用户的子载波和功率分配图；具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步描述:参照图1～图3，一种基于OFDM双向协作的频谱接入方法，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，其中主系统由两个授权用户P1和P2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S1和认知接收端S2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。本实施方式的方法中，认知用户以双向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利用一部分子载波帮助发送授权用户的信息。如果两个授权用户通过认知用户协作帮助后获得的速率Rpi都大于等于自己的目标速率RT，即Rpi≥RT,i∈{1,2}，则认知用户将会有机会接入授权用户的频谱，利用剩余的子载波转发送自己的信息。本实施方式中认知用户接入授权用户频谱后授权用户和认知用户获得的速率Rpi,i∈{1,2}和Rs可以通过如下方法获得：认知用户通过两个时隙译码转发协作方式接入授权用户的频谱。在第一个时隙，授权用户P1和P2使用全部子载波发送信息给认知用户S1，所以链路P1→S1和P2→S1的速率可以表示为:Rp1s1=12Σk=1KIn(1+γ1,kpp1,k1+γ2,kPp2,k)γ2,kPp2,k<γ1,kpp1,k12Σk=1KIn(1+γ1,kPp1,k)γ2,kPp2,k≥γ1,kpp1,k---(6)]]>Rp2s1=12Σk=1KIn(1+γ2,kpp2,k)γ2,kpp2,k<γ1,kPp1,k12Σk=1KIn(1+γ2,kPp2,k1+γ1,kPp1,k)γ2,kpp2,k≥γ1,kPp1,k---(7)]]>其中，pp1,k和pp2,k分别表示授权用户P1和P2第一个时隙在子载波k上用于发送授权用户信息时的功率，按照注水算法进行分配：pp1,k=[1βp1-1γ1,k]+---(10)]]>pp2,k=[1βp2-1γ2,k]+---(11)]]>其中γ1,k＝|h1,k|2/N0,γ2,k＝|h2,k|2/N0，h1,k、h2,k分别表示P1、P2在子载波k到认知用户S1的信道增益，N0为加性高斯白噪声的单边功率谱密度，βp1和βp2表示拉格朗日乘子。第二个时隙，认证用户S1解码授权用户的信息，并利用Gsp中的子载波转发授权用户信息，则链路S1→P1，S1→P2上的速率表示为:Rs1p1=12Σk′∈Gspln(1+γ1,k′psp,k′)---(8)]]>Rs1p2=12Σk′∈Gspln(1+γ2,k′psp,k′)---(9)]]>其中，psp,k'和pss,k'表示认知用户在子载波k'上用于转发授权用户信息的功率，Gsp表示认知用户用于转发授权用户信息的子载波集合，授权用户通过两个时隙在认知用户的帮助下获得的速率可以表示为：R1＝min{Rp1s1,Rs1p2}(3)R2＝min{Rp2s1,Rs1p1}(4)同时，认知用户利用剩余的子载波来发送自己的信息，所以认知用户可获得的速率可以表示为：Rs=12Σk′∈G‾spIn(1+γ3,k′pss,k′)---(5)]]>其中，表示认知用户用于转发自己信息的子载波集合，在子载波k上，pss,k'表示认知用户在子载波k'上发送自己信息时的功率，γ3,k'表示认知用户发送端到认知用户接收端链路在子载波k'上的信道增益。本实施方式中的子载波和功率分配方法具体为：授权用户和认知用户之间的子载波和功率分配可以建模为：maxGsp,pRs---(1)]]>满足以下条件Rpi≥RT,i∈{1,2}Σk′∈Gsppsp,k′+Σk′∈G‾sppss,k′≤Pspsp,k′>0,∀k′∈Gsp---(2)]]>通过拉格朗日乘子法获得上述的最优子载波和功率分配：psp,k'*＝[pp*]+(12)pss,k′*=[12βs-1γ3,k′]+---(13)]]>Gsp*=argmaxGspΣk∈GspEk---(14)]]>本实施例的基于OFDM的双向协作频谱接入方法，能够有效消除共存式频谱接入方法中授权用户和认知用户的干扰问题，能够有效提升认知用户的吞吐量。本实施的频谱接入方法中，认知用户在第二个时隙利用一部分子载波Gsp和功率psp,k'转发授权用户信息，利用剩余子载波和功率pss,k'发送自己的信息。授权用户和认知用户分别通过不同的子载波发送信息，互相之间不会产生干扰。在本实施方式中，假设P1，P2，S1和S2都在X轴上，其中P1和P2在(0,0)和(1,0)。S1在X正半轴上移动，S2在P1和S1的中间。所以d2＝|1-d1|，d3＝1/2d1。γi＝|hi|2,i＝(1,2,3)，路径衰耗指数v＝4。Pp/N0＝5dB,Ps/N0＝10dB，RT＝1bps/Hz，系统带宽为W＝1MHz。本实施例的频谱接入方法提升了授权用户和认知用户的性能。图2中显示了不同方法下的认知用户的速率，可以看出采用了本发明的频谱接入方法后认知用户的速率得到了提高。图3中显示了认知用户的子载波上和功率分配。当前第1页1 2 3