存在主用户干扰时的认知正交协同传输方法与流程

本发明属于通信技术领域，涉及协作中继技术，更进一步涉及一种认知正交协同传输，可用于对存在主用户干扰时的认知无线电通信。

背景技术：

无线通信的飞速发展和大量新兴无线应用的涌现为人们的工作、生活提供了愈渐丰富和便利的服务。然而，随着移动通信系统和无线设备的迅猛增长，可以利用的频谱变得日渐紧张，已无法满足人们日益复杂的无线应用需求。与此同时，按照美国联邦通信委员会FCC的统计结果，大部分已授权频谱在不同区域或时段经常处于闲置状态，导致频谱资源实际的平均利用率仅有大约30％。为了缓解不断增长的无线通信需求和频谱资源紧缺之间的矛盾，认知无线电CR技术应运而生。在实际的认知无线电通信中，由于功率限制、多径衰落、阴影遮蔽、干扰噪声等因素影响而导致现有的“点对点”通信性能恶化，降低了认知网络中单点信号传输和接收的可靠性。

相对于直接传输系统，中继节点协助源节点传输的系统可以获得容量增益，最典型的协作中继传输是包括源节点、中继节点和目的节点的三节点单中继两跳协作中继传输。在单中继协作传输中，不同的传输节点之间通过共享彼此的天线，形成虚拟的多输入多输出MIMO天线阵列，使得单天线节点也可以获得空间分集增益，以实现抵抗无线通信信道衰落的效果。相对于MIMO技术，协作中继传输技术不需要在无线终端配备多根天线，为不适宜安装多根天线的手持终端、传感器节点等增加信道容量提供了可行途径。

因此，研究基于协作中继思想的认知传输理论对保障无线通信系统的高可靠传输具有重要的研究意义和研究价值。

在传统的基于时分复用的协作分集系统中，典型的两用户协作场景为：每个用户将自身可用时隙的一半来发送本地信息，另一半用来发送伙伴的中继信息。显然，此类协作资源分配方式并不是最优的，它会导致系统带宽扩展和协作用户的速率损失。因此如何设计更为高效的协作资源分配方式是协作分集领域的一个重要研究方向。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种存在主用户干扰时的认知正交协同传输方法，以在不增加系统带宽的情况下进行协作传输，同时减小协作用户的速率损失。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

(1)次用户源节点s估计自己与主用户接收机v_q之间的瞬时信道状态信息a_q，确定自己的发射功率P_s，并以发射功率P_s广播导频信号，1≤q≤M,M表示主用户接收机数目；

(2)次用户目的节点d估计主用户发射机与次用户目的节点之间的瞬时信道状态信息e_j，同时根据接收到的信号质量估计其接收信干噪比ε_j，并根据估计的信干噪比ε_j解码接收到的信号，1≤j≤N,N表示主用户的发射机数目；

(3)次用户目的节点对解码后的信号进行循环冗余校验，若校验成功则次用户源节点开始发送数据；若校验失败，则执行步骤4；

(4)所有的中继节点根据接收到的次用户源节点的导频信号估计接收信干噪比γ_i，并根据自己估计的接收信干噪比γ_i解码接收到的信号，1≤i≤K，K表示中继节点数目；

(5)所有的中继节点对解码后的信号进行循环冗余校验：

若没有通过校验，则视为解码失败，中继节点不再转发源节点信息至次用户目的节点；

若通过校验，则视为解码成功，执行步骤(6)；

(6)中继节点估计自己与主用户接收机之间的信道状态信息f_iq，确定发射功率P_i,并以发射功率P_i发送导频信号给次用户目的节点，次用户目的节点在接收到中继节点发送的导频信号后回复一个应答信号；

(7)各中继节点根据接收到次用户目的节点的应答信号估计其与次用户目的节点之间的信道状态信息h_i，并结合主用户发射机与次用户目的节点之间的瞬时信道状态信息e_j，得到各中继在次用户目的节点的接收信干噪比δ_i；

(8)基于分布式计时器的方法将计时器中1/δ_i最先减为0的中继节点选为最佳中继r_b，并由其转发重新编码后的次用户源节点信息的正交复本至次用户目的节点；

(9)次用户目的节点采用最大比值合并法合并两个时隙接收到的次用户源节点信号,完成认知正交协同传输。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明考虑了存在主用户干扰时的认知正交协同传输，在主用户通信约束下选择最优中继发送正交信息，较之现有的不考虑主用户通信限制的协同传输方法能够在满足户中断概率要求的前提下实现次用户协作通信。

2、本发明使用中继协作传输，不同的传输节点之间通过共享彼此的天线，使得单天线节点也可以获得多天线节点的空间分集增益，同时避免了多天线空间相关性对系统性能的影响，进而提高了系统的性能和容量，不仅适合宽带蜂窝网络，而且适合无线Ad-Hoc网络和无线传感网络。

3、本发明在整个协同传输过程中，根据直接传输链路信道质量决定是否使用中继协同传输，既满足了通信质量的要求，又节约发送功率。

附图说明

图1是本发明使用的认知协同传输中继网络模型图；

图2是本发明的实现流程图；

图3是本发明在存在多个主用户干扰时的中断概率随系统信噪比SNRγ的变化曲线；

图4是本发明在存在多个主用户干扰时的中断概率与主用户发射机数目N的关系；

图5是本发明在存在多个主用户干扰时的中断概率与主用户接收机数目M的关系；

图6是本发明在存在多个主用户干扰时的中断概率随主用户中断门限ξ的变化曲线。

具体实施方式

如图1所示，在瑞利衰落环境下且存在主用户干扰时的潜伏式认知协同传输中继网络，包括主用户网络和次用户网络。其中，主用户网络由N个主用户发射机u_j和M个主用户接收机v_q组成，1≤q≤M，1≤j≤N；次用户网络由次用户源节点s、K个中继节点r_i及次用户目的节点d组成，1≤i≤K。

在次用户网络中，次用户源节点s试图通过次用户源节点与次用户目的节点之间的直接链路或与K个选择协作解码，转发中继的帮助与次用户目的节点通信。图1中实线表示次用户源节点的传输链路，虚线表示主用户发射机的传输链路，点虚线表示中继节点的传输链路。网络中所有节点配以单根全向天线且工作在半双工模式，整个认知协作中继传输过程分为两个时隙。假设接收机的背景噪声服从均值为0、方差为N₀的加性高斯白噪声。

在本发明中，根据次用户源节点与次用户目的节点之间的信道质量情况，自适应地选择直接传输或中继传输。在传输的第一时隙，次用户源节点广播信息给次用户目的节点和所有的中继节点，根据次用户目的节点的接收信干噪比，次用户目的节点决定是否需要中继节点协作传输次用户源节点信息。如果次用户目的节点的接收信干噪比超过门限γ_s′＝2^Rs-1，则次用户目的节点发送肯定的反馈信息，且次用户源节点在接下来的时隙中发送新的信息，其中R_s表示次用户的传输速率；否则，次用户目的节点发送否定的反馈信息，且在认知协作中继传输的第二时隙从可以正确解码次用户源节点信息中继中选择一个最佳中继转发次用户源节点信息至次用户目的节点。对于后一种情况，次用户目的节点采用最大比值合并法合并两个时隙接收到的次用户源节点信号。

参照图1，本发明基于上述网络在存在主用户干扰时的进行认知正交协同传输的步骤包含如下：

步骤1，次用户源节点s确定自己的发射功率P_s，并广播导频信号。

(1a)次用户源节点s通过主用户与次用户之间的频段管理设备或者不需要反馈的信道估计器估计自己与主用户接收机v_q之间的瞬时信道状态信息a_q；

(1b)根据估计的瞬时信道状态信息a_q，次用户源节点s确定发射功率P_s：

式中，M表示主用户接收机数目，ξ表示主用户的中断门限，即主用户传输中的最大中断概率，其中R_p表示主用户的传输速率，N₀表示接收机加性高斯白噪声的方差，P_q表示主用户接收机v_q对应的发射机的发射功率，表示主用户接收机v_q对应的发射机与主用户接收机v_q之间的瑞利信道衰落系数的方差，表示次用户源节点s与主用户接收机v_q之间瞬时信道状态信息a_q的瑞利衰落系数的方差。

(1c)次用户源节点以发射功率P_s广播导频信号。

步骤2，次用户目的节点估计接收信干噪比ε_j并解码接收到的信号。

由于次用户目的节点接收到的信号除次用户源节点广播的导频信号外还有主用户发射机发送的信号，因此需要估计主用户发射机与次用户目的节点之间的瞬时信道状态信息。

(2a)采用与步骤(1a)中获得a_q相同的方法或者通过侦听主用户发射机发送的导频信号，估计主用户发射机与次用户目的节点之间的瞬时信道状态信息e_j；

(2b)次用户目的节点根据接收到的信号质量和瞬时信道状态信息e_j估计自己的接收信干噪比ε_j；

(2c)次用户目的节点根据估计的信干噪比ε_j解码接收到的信号。

步骤3，次用户目的节点对解码后的信号进行循环冗余校验。

在传输开始时次用户源节点和次用户目的节点约定生成多项式，若解码后的码字多项式能被约定的生成多项式整除则校验成功，表明次用户源节点与次用户目的节点之间的直接传输信道质量较好不需要中继节点协作传输，次用户源节点开始发送数据；否则校验失败，执行步骤4。

步骤4，中继节点估计接收信干噪比γ_i并解码接收到的信号。

中继节点接收到的信号除次用户源节点的信号外还有主用户发射机发送的信号，因此需要估计主用户发射机与中继节点之间的瞬时信道状态信息。

(4a)中继节点采用与步骤(2a)中获得e_j相同的方法估计主用户发射机与中继节点之间的瞬时信道状态信息；

(4b)中继节点根据接收到的信号质量和主用户发射机与中继节点之间的瞬时信道状态信息估计自己的接收信干噪比γ_i，1≤i≤K；

(4c)中继节点根据自己估计的接收信干噪比γ_i解码接收到的信号。

步骤5，所有的中继节点对解码后的信号进行循环冗余校验。

在传输开始时次用户源节点和中继节点约定生成多项式，若解码后的码字多项式不能被约定的生成多项式整除，则视为解码失败，中继节点不再转发源节点信息至次用户目的节点；若能够整除，则视为解码成功，执行步骤(6)。

步骤6，中继节点以发射功率P_i发送导频信号，次用户目的节点回复应答信号；

(6a)中继节点采用与步骤(1a)中获得a_q相同的方法估计自己与主用户接收机之间的信道状态信息f_iq；

(6b)根据估计的信道状态信息，中继节点确定发射功率P_i：

式中，M表示主用户接收机数目，ξ表示主用户的中断门限，即主用户传输中的最大中断概率，其中R_p表示主用户的传输速率，N₀表示接收机加性高斯白噪声的方差，P_q表示主用户接收机v_q对应的发射机的发射功率，表示主用户接收机v_q对应的发射机与主用户接收机v_q之间的瑞利信道衰落系数的方差，表示中继节点r_i与主用户接收机v_q之间信道状态信息f_iq的瑞利衰落系数的方差；

(6c)中继节点以发射功率P_i发送导频信号给次用户目的节点；

(6d)次用户目的节点在接收到中继节点发送的导频信号后回复一个应答信号；

步骤7，解码成功的各中继节点得到自己在次用户目的节点的接收信干噪比δ_i。

(7a)中继节点根据接收到次用户目的节点的应答信号估计其与次用户目的节点之间的信道状态信息h_i；

(7b)中继节点结合信道状态信息h_i和主用户发射机与次用户目的节点之间的瞬时信道状态信息e_j，得到各中继在次用户目的节点的接收信干噪比δ_i：

式中，P_i表示次用户中继节点r_i的发射功率，h_i表示中继节点r_i与次用户目的节点之间的信道状态信息，P_j表示主用户发射机u_j的发射功率，ε_j表示主用户发射机u_j与次用户目的节点d之间的信道状态信息，N₀表示接收机加性高斯白噪声的方差。

步骤8，选出最佳中继解码转发源节点信息的正交复本。

基于分布式计时器的方法将计时器中1/δ_i最先减为0的中继节点选为最佳中继r_b，最佳中继r_b重新编码次用户源节点信息，并将该信息的正交复本转发至次用户目的节点。

步骤9，次用户目的节点采用最大比值合并法将两个时隙接收到的次用户源节点信号进行合并，完成认知正交协同传输。

本发明的效果可以通过仿真进一步说明：

A、仿真条件

假设P_j＝P_q＝P_u，1≤q≤M，1≤j≤N，1≤i≤K，其中，表示主用户接收机v_q对应的发射机与主用户接收机v_q之间的瑞利信道衰落系数的方差，表示次用户源节点s与主用户接收机v_q之间的瑞利信道衰落系数的方差，表示中继节点r_i与主用户接收机v_q之间的瑞利信道衰落系数的方差，表示次用户源节点s与中继节点r_i的瑞利信道衰落系数的方差，表示次用户源节点s与次用户目的节点d之间的瑞利信道衰落系数的方差，表示中继节点r_i次用户目的节点d之间的瑞利信道衰落系数的方差，表示主用户发射机u_j与中继节点r_i之间的瑞利信道衰落系数的方差，表示主用户发射机u_j与次用户目的节点d之间的瑞利信道衰落系数的方差，P_j表示主用户发射机u_j的发射功率，P_q表示主用户接收机v_q的发射功率。

假设主用户传输链路、次用户直接链路及中继传输链路的平均信道增益和相对较大，而次用户节点与主用户节点及主用户节点与次用户节点之间的平均信道增益和相对较小。

仿真使用的现有方法有三种：1.次用户源节点与次用户目的节点之间的直接传输链路不可用时的选择协作中继传输，简写为无直接链路场景；2.次用户源节点与次用户目的节点之间的直接传输链路可用且采用SC合并次用户目的节点接收到的信号的选择协作中继传输，简写为SC；3.次用户目的节点采用MRC合并通过直接传输链路接收到的信号和通过中继传输链路接收到的信号的选择协作中继传输，简写为MRC。

B、仿真内容

仿真1：在系统SNR γ＝1/N₀变化的条件下，取P_u＝3dB，R_p＝1bit/s/Hz，R_s＝1bit/s/Hz，ξ＝0.1，K＝3，N＝2，M＝2，仿真本发明和现有三种方法的中断概率随系统SNR产生的变化曲线，结果如图3所示。

仿真2：在主用户发射机数目为2和8时，取P_u＝3dB，R_p＝1bit/s/Hz，R_s＝1bit/s/Hz，ξ＝0.1，K＝6，M＝2，仿真主用户发射机数目变化对本发明和现有三种方法的中断概率产生的影响，结果如图4所示。

仿真3：在主用户接收机数目为2和8时，取P_u＝3dB，R_p＝1bit/s/Hz，R_s＝1bit/s/Hz，ξ＝0.1，K＝6，N＝2，仿真主用户接收机数目变化对本发明和现有三种方法的中断概率产生的影响，结果如图5所示。

仿真4：在主用户的中断门限ξ变化情况下，取P_u＝3dB，R_p＝1bit/s/Hz，R_s＝1bit/s/Hz，N₀＝0dB，K＝3，N＝2，M＝2，仿真本发明和现有三种方法的中断概率随主用户的中断门限ξ产生的变化曲线，结果如图6所示。

C、仿真结果

由图3可见，随着SNRγ的增加，当γ相对较小时认知次用户的中断概率随之减小，然而，当γ相对较大时，认知次用户的中断概率基本保持不变。可以看出，次用户直接链路可用场景的中断性能优于次用户直接链路不可用场景的中断概率，四种选择协作中继传输策略中本发明的性能最优。这是因为，通过采用合并技术合并次用户目的节点接收到的来自次用户直接链路的信号和来自中继链路的信号加强了次用户目的节点的接收信号强度。图3中还给出了中断概率的仿真结果和渐近结果，且仿真结果和理论分析结果完全重合，高SNR区域的渐近值与理论值非常接近。

由图4可见，当主用户发射机的数目增加时，对中继节点和次用户目的节点的接收信号带来更多的干扰，由此导致认知次用户的性能降低。此外，通过仔细观察可以发现，在主用户接收机数目较多的场景中，本发明的性能较好。

由图5可见，当主用户接收机的数目增加时，次用户网络中发射节点的发射功率受到更严格的限制，因此，认知次用户的中断概率增加。与图4相同，采用MRC的选择协作中继传输与正交协同传输之间的中断概率差随着主用户接收机数目的增加而增加，比较而言本发明的性能较好。

由图6可见，认知次用户的中断概率性能随着主用户干扰限制的减弱而增加，即认知次用户的中断概率随着主用户中断门限ξ的增加而减小；同时还可以看出在给定主用户的中断门限时，主用户发射机与其对应的接收机之间的平均信道增益越大，认知次用户的中断概率越小，这是由于认知次用户的发射功率随的增加而增加，比较而言仍然是本发明的性能较好。

综合，本发明方法在存在主用户干扰时的认知正交协同传输上，其性能优于现有方法。