一种中继辅助非授权用户的半双工/全双工混合传输方法与流程

本发明涉及认知无线电技术领域，具体涉及一种中继辅助非授权用户的半双工/全双工混合传输方法。

背景技术：

现如今，随着信息化产业的迅猛发展，无线移动通信业务量正在急剧增长，这就使得可用的频谱资源变得越来越稀缺，尽管新的频带不断被开发和利用，但是对于现有可用的频谱资源来说，仍然难以满足海量用户高速率、高可靠通信的需求。认知无线电技术通过对空闲的授权频段再次利用，提高了无线频谱的利用率，具体表现在，次用户可以在对授权用户不产生强烈干扰以保证正常工作的情况下，对未被充分利用的授权频段进行近一步利用，以免频谱资源的浪费，这一概念已然成为解决无线频谱资源匮乏等问题的重要途径。

在认知中继网络中，中继协作在系统中可以有效对抗信道衰落带来的影响。由此可见，中继技术在下一代无线网络中，可以有效的提高网络容量。同样，在认知无线电网络中也具有着非凡的应用价值。经过研究发现，在认知无线电网络中，通过利用中继协作技术进行传输，可以提高非授权用户的传输容量。同时还可以利用中继协作技术来提高认知无线电网络的分集增益，使得频谱利用率进一步的得到改善。

中继系统通信时能够同时发送和接收信息，这在以前是不被看好的，故以前半双工传输模式占据了主流地位。但随着干扰消除技术的发展，人们逐渐意识到全双工模式是可以实现的。它指的是中继通信时不占用两个频带也不占用两个时隙便可以实现发送和接收同时进行。研究表明，理论上全双工相比半双工的吞吐量可以提高一倍，但是实际上自我干扰不能完全消除，吞吐量达不到理论最高值。

人们已经提出很多种认知中继网络的半双工传输方法，证明了它们相比直传链路而言，能够提高系统的吞吐量、降低其中断概率。随着自我干扰消除技术的发展，认知中继网络的全双工传输也逐渐得到研究，并揭示了自我干扰对吞吐量和中断概率的影响。

但是，现有的认知中继网络技术存在以下问题：关注授权主用户的信息传输和非授权用户对授权用户的干扰问题，而忽略了同样需要优化传输的非授权用户。

技术实现要素：

针对现有的认知中继网络传输只单独考虑半双工、全双工传输方法的技术问题，本发明的目的是提供一种中继辅助非授权用户的半双工/全双工混合传输方法，根据自我干扰的功率在半双工传输和全双工传输之间切换，从而利用全双工的吞吐量优势又弱化自我干扰对吞吐量性能的不利影响，从而最大化中继辅助非授权用户的传输容量。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

中继辅助非授权用户的半双工/全双工混合传输方法，其特征在于：

中继辅助非授权系统包括一对授权用户发射机PU_TX和接收机PU_RX两个节点，一对非授权用户发射机SU_S和接收机SU_D两个节点，以及由若干非授权用户构成的潜在协作中继SU_K的节点，并且所有节点都是全双工的，潜在的非授权用户作为协作中继SU_K的节点装有一根发射天线和一根接收天线，其它不是潜在的非授权用户作为协作中继的用户的节点都只装有一根接收天线；

半双工传输时，一个中继传输帧分成两个相等的时隙，分别标记为时隙1和时隙2，

在时隙1，非授权用户发射机SU_S节点以发射功率P_S(W)发送一个信号x_s(t)，同时授权用户PU_TX节点以发射功率P_P(W)发送信号x_p(t)，系统其他节点进行监听；

在时隙2，潜在中继SU_K将接收来自SU_S的信号x_s(t)以及PU_TX的信号x_p(t)组合，得到组合信号x_c(t)，然后将该组合信号放大转发给非授权用户接收机SU_D，同时授权用户接收机PU_RX接收到来自中继的信号，再根据时隙1和时隙2收到信号解码x_p(t)，忍受的干扰功率为P_R(W)，潜在中继SU_K处的放大增益记为β，非授权用户接收机SU_D根据时隙2接收到的信号解码x_s(t)，信息传输速率为R_half，

全双工传输时，每个中继传输帧不划分时隙，

潜在中继SU_K将接收来自SU_S的信号x_s(t)和来自PU_TX的发射信号x_p(t)合并，并且立即放大转发出去，产生自我干扰x_k(t)，非授权用户接收机SU_D和授权用户接收机PU_RX都接收到信号，授权用户接收机PU_RX根据时隙1和时隙2接收的信号解码x_p(t)，忍受的干扰功率为非授权用户接收机SU_D根据时隙2接收的信号解码x_s(t)，信息传输速率为R_full(bit/s)，

当自我干扰x_k(t)的功率P_k(W)低于设定阈值Γ时，潜在中继SU_K就采用全双工模式传输；否则采用半双工传输，据此得到半双工/全双工混合传输的信息传输速率R，

在中继节点SU_K的发射功率约束和授权用户接收机PU_RX的干扰约束下最大化非授权用户接收机SU_D处的信息传输速率，建立优化问题如下，

其中I是授权用户接收机PU_RX能忍受的最大干扰功率，由中继节点SU_K的最大发射功率决定，

对该优化问题求解，得到最优的放大增益β，

如果该优化问题是凸的，采用拉格朗日乘数法求解，

如果该优化问题是非凸的，先转化为凸优化问题，再用拉格朗日乘数法或者内点法求解，

得到最优的放大增益β后，中继节点SU_K对接收信号的处理完全确定，

通过上述优化后得到最优放大增益β后，再根据最优β值算出潜在中继的发射功率，再在主用户接收机PU_RX能够忍受最大干扰功率和残留自我干扰功率两个条件下选出最优潜在中继进行传输，从而最大化中继辅助非授权用户的传输容量。

本发明实现了以下有益技术效果：

1)本发明可用于异构网络中授权用户和非授权用户共享频带时通过中继辅助提高非授权用户吞吐量情形；

2)本发明的模型方案具有较广的适用范围、低复杂度；

3)能够利用全双工的吞吐量优势；

4)弱化自我干扰对吞吐量性能的不利影响。

本发明解决了在认知中继网络系统中，非授权用户在对主用户干扰约束条件下，通过潜在中继的半双工/全双工混合传输方式，将非授权用户信息传输效率最大化的问题，在认知无线电技术领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为中继辅助非授权系统示意图；

图2为信息传输时隙示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，中继辅助非授权系统包括一对授权用户发射机PU_TX和接收机PU_RX、一对非授权用户发射机SU_S和接收机SU_D以及由若干非授权用户构成的潜在协作中继(从中选择一个作为中继，第K个潜在中继记为SU_K)。所有节点都是全双工的，潜在非授权用户SU_K装有一根发射天线和一根接收天线，其它用户节点都只装有一根天线。在中继端采用半双工传输时，如图2所示，一个中继传输帧分成两个相等的时隙。在时隙1，非授权用户发射机SU_S以发射功率P_S(W)发送一个信号x_s(t)，同时授权用户PU_TX以发射功率P_P(W)发送信号x_p(t)，系统其他节点进行监听。则此时非授权用户接收机SU_D、中继SU_K以及授权用户接收机PU_RX接收到的信号可以分别表示为

其中P_P、P_S分别是是授权用户发射机PU_TX和非授权用户发射机SU_S的发射功率，x_p(t)、x_s(t)分别是是授权用户发射机PU_TX和非授权用户发射机SU_S的发送信号，它们的均值为0、方差归一化为1，其中h_ij(i,j＝s,k,d,p)表示用户i到用户j之间的信道系数。n₁(t)、n₂(t)、n₃(t)是均值为零、方差为σ²的加性高斯白噪声。设所有信道都是准静态的瑞利块衰落信道而且信道系数在一个传输帧内保持不变。

在时隙2，潜在中继SU_K将接收来自SU_S的信号x_s(t)以及PU_TX的信号x_p(t)组合，得到组合信号x_c(t)，然后将该组合信号放大转发给非授权用户接收机SU_D，SU_K转发的信号表示为

其中β是中继SU_K的放大增益，授权用户接收机PU_RX和非授权用户接收机SU_D的接收信号分别表示为

其中h_ij(i,j＝k,d,p)表示用户i到用户j之间的信道系数。v₁(t)和v₃(t)是均值为零、方差为σ²的加性高斯白噪声。

授权用户接收机PU_RX根据两个时隙接收的信号解码x_p(t)，忍受的干扰功率为

P_R(W)＝β|h_kp|² (7)

非授权用户接收机SU_D根据时隙2接收的信号解码x_s(t)，信息传输速率表示为:

受潜在中继SU_K的最大发射功率P_k,max约束，放大增益β必须满足

如果采用全双工传输，每个中继传输帧不划分时隙。潜在中继SU_K将接收来自SU_S的信号x_s(t)和来自PU_TX的发射信号x_P(t)合并，并且立即放大转发出去，产生自我干扰x_k(t)。潜在中继SU_K的发送信号可表示为：

其中P_k是干扰消除后的残留自我干扰功率，h_kk是潜在中继SU_K发射端到接收端的信道系数，自我干扰建模为授权用户接收机PU_RX和非授权用户接收机SU_D的接收信号分别表示为

授权用户接收机PU_RX根据两个时隙接收的信号解码x_p(t)，忍受的干扰功率为

非授权用户接收机SU_D根据时隙2接收的信号解码x_s(t)，信息传输速率表示为

当自我干扰x_k(t)的功率P_k低于阈值Γ时，采用全双工传输；否则采用半双工传输。因此半双工/全双工混合传输的信息传输速率为

R＝P(P_k<Γ)R_full+P(P_k≥Γ)R_half (15)

其中P(P_k<Γ)是P_k低于Γ的概率。优化问题建立为

其中I是授权用户接收机PU_RX能忍受的最大干扰功率。参数P_K,max、P_S、P_P、I、Γ是给定的，参数h_ij(i,j＝s,k,d,p,k)以及σ²可以通过测量获得。参数P_k取决于全双工使用的干扰消除方法。给定某种干扰消除方法，一个传输帧的P_k值是固定的，可以根据很多个传输帧的P_k值变化统计概率P(P_k<Γ)和P(P_k≥Γ)，从而得到式(16)所示的R，代入式(17)对优化问题进行求解。该优化问题的约束函数都是凸的，但是目标函数不一定是凸的。如果它是凸的，采用拉格朗日乘数法求解；如果它是非凸的，先将它转化为凸优化问题，再用拉格朗日乘数法或者内点法求解。得到最优的放大增益β后，潜在中继对接收信号的处理完全确定。实际应用时在每个传输帧只要P_k低于阈值_Γ时，就采用全双工模式传输；否则采用半双工模式传输，这样看来在整个信息传输过程就实现了半/全双工混合传输。