一种携能协作CR‑NOMA协作模式和中继选择算法的制作方法

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及基于认知网络非正交多址传输(cr-noma)携能协作通信中协作模式和中继选择算法。

背景技术：

随着无线通信业务的急剧增长和引发的环境问题，绿色通信和提高频谱效率成为学术关注的焦点，能量效率和频谱效率也成为无线通信设计的两个基本指标。认知无线电技术允许认知用户与授权用户共享频谱，是提高频谱效率的有效途径。无线信息和功率传输(swipt)也在08年被首次提出，其作为提高能效的有效途径近几年也得到广泛研究,如无线能量收集在点对点系统中，现有的认知激励的非正交多址传输(noma)下，由于受主用户信道链路限制，次用户性能比较差，有时甚至得不到信道资源进行传输的情况。

非正交多址传输可以提高频谱效率，通过引入中继可以更好地保证系统性能。实际中，中继节点可能受限于电池能量，充电或者替换电池不容易实现，可能会带来一个较大的开销。为了在中继网络中中继部署的灵活性和减少维护费用的开销，能量收集技术是一个很好的解决方案。能量收集可以从太阳能，风能等，但是这些能量收集受限于环境条件。swipt可以很好的解决这一问题，把noma传输与swipt中继相结合具有很好地现实意义。能量收集中继的协作相比较于认知激励的直传链路和有稳定能量提供的中继系统的性能相差多少还没有文献进行讨论，而且能量效率也是5g通信的重要指标，通过能量收集中继节点的协作在提高频谱效率的同时提高能量效率，这对认知激励的中继系统的设计有着重要的意义。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种携能协作cr-noma协作模式和中继选择算法，致力于解决通过中继解决cr-noma下认知用户性能较差的情况，进一步提升主用户的性能，使得系统整的频谱效率和能量效率都得到改善。

为实现上述目的，本发明提供了一种携能协作cr-noma协作模式和中继选择算法，其特征在于，

包括数据传输和数据解码，其中：

s11、数据传输第一阶段：基站bs广播要发送的数据给所有移动终端

s12、数据传输第二阶段，包括：

第一种情况：如果主用户pu能够在第一阶段正确接收数据，则会广播ack帧，如果节点srs在第一阶段正确解码主用户和次用户数据，它会广播sr-ack帧，如果基站bs收到该ack帧和sr-ack帧，则从节点srs选一个最佳中继，中继信息给次用户；

第二种情况：如果主用户在第一阶段错误的接收数据，它会反馈nack帧，同时如果节点srs也不能正确解码主用户和次用户的信息，它会反馈sr-nack帧，本次通信过程完成，基站bs在下一时隙开始新的传输过程；

第三种情况：如果主用户在第一阶段不能正确接收数据，它会反馈nack帧，如果节点srs在第一阶段正确解码主用户和次用户数据，它会广播sr-ack帧，这时利用中继选择策略选择一个最佳中继利用从基站bs收集的能量发送信息给主用户pu和认知用户su；

s21、主用户端数据解码阶段，包括：

第一种情况，主用户pu利用第一阶段收到的信息进行解码；

第二种情况同第一种情况；

第三种情况，主用户pu第一阶段直传的信息和第二阶段中继转发的信息进行选择合并解码；

s22、认知用户端数据解码阶段，包括：

第一种情况，认知用户su利用第一阶段和第二阶段收到的信息进行选择合并解码；

第二种情况，认知用户su利用第一阶段的信息进行解码；

第三种情况下，同第一种情况，认知用户su会收到来自基站bs和认知中继的两份信息，接收端采用选择合并的方式进行解码。

上述的一种携能协作cr-noma协作模式和中继选择算法，其特征在于，所述步骤s11具体为：

1)定义xp,xs为主用户和认知用户的所要传输的信息,ap,1和as,1，ap,2和as,2，分别为基站和中继为主用户和认知用户分配的功率系数，p为基站发送功率；

2)定义hb,p,hb,s,hb,ri,hri,p,hri,s分别表示bs-pu,bs-su,bs-sri,sri-pu以及sri-su的链路系数，d0,d1,d2,d3,d4分别表示bs-pu,bs-su,bs-sri,sri-pu以及sri-su的距离；

3)信道增益为|hb,p|²，|hb,s|²，|hb,ri|²，|hri,p|²，|hri,s|²，指数随机变量，参数分别是以及这里χ是路径损耗变量；

基站bs广播要发送的数据为：

ap,1xp+as,1xs，ap,1+as,1＝1且ap,1＞as,1

主用户pu、认知用户su和中继sri,(i＝1，2，3……n)接收的信息分别为：

wpu,1,wsu,1,wb,ri均为在接收端服从cn(0,n0)的高斯噪声，ypu,1是主用户在第一时隙接收的信号,ysu,1是认知用户在第一时隙接收的信号,ys,ri是中继i在第一时隙收到的信号。

上述的一种携能协作cr-noma协作模式和中继选择算法，其特征在于，所述步骤s12中的第三种情况如果第一阶段主用户解码失败，最佳中继重新编码并传输数据

ap,2xp+as,2xs，ap,2>as,2，且

主用户pu、认知用户su在第二阶段接收的信息为：

这里，ypu,2和ysu,2分别是主用户和次用户在第三种情况下第二时隙收到的信号，ωpu,2和ωsu,2为叠加的高斯噪声，均服从cn(0,n0)。

上述的一种携能协作cr-noma协作模式和中继选择算法，其特征在于，步骤s12中的第一种情况如果第一阶段主用户解码正确，且正确解码的中继集合不为空，则选择一个最佳中继利用收集的能量协助次用户进行信息传输，具体公式是：

上式中，ysu,21是认知用户在第一种情况下第二时隙接收到的信号，pri是中继的发送功率，ωsu,21是信道叠加高斯噪声。

上述的一种携能协作cr-noma协作模式和中继选择算法，其特征在于，所述的中继选择策略为：

(1)构建一个子集sr＝{i:1≤i≤n,|hb,ri|²＞ε}，在所有n个中继中，如果中继i能够正确解码主用户信息xp和认知用户信息xs,即满足条件|hb,ri|²＞ε，ε是中继能正确解码的门限，则属于集合sr；

(2)在集合sr中选择一个中继使得主用户的中断概率最小，具体步骤为：中继采用解码转发(df)方式，相较于放大转发(af)，df可以有效抑制噪声，中继采用功率分流进行能量收集和信息解码，功分系数为βi，即接收信息βi的部分用于能量收集，1-βi的部分用于信息解码，如果解码正确还有部分剩余能量，则进行能量收集用于下一跳的信息传输，如果中继满足：

则可以分别正确解码xp和xs。令且要满足如果βi＝0，则全部的信号用于信息解码，收集的能量为空，反之，βi>0，则中继sri吸收的能量为:

eri＝tηβip|hb,ri|²/2(8)

中继的发送功率为:

这里，(x)⁺＝max(0,x),η是能量转换效率η∈[0,1]。

本发明的有益结果是：

本发明使得主用户的分集增益达到中继数目加1的满分集增益，认知用户达到3阶分集增益，并且系统总的能量效率得到提高。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一种实施方式的结构示意图。

图2是本发明的仿真实施方式的结构示意图。

图3是主用户在不同中继数目下的蒙特卡洛仿真和分析图。

图4是次用户在不同中继数目下的蒙特卡洛仿真和分析图。

图5是主用户与传统cr-noma和传统协作noma的对比图。

图6是次用户与传统cr-noma和传统协作noma的对比图。

图7是系统与传统cr-noma和传统协作noma的能量效率对比图。

图8是主用户在不同中继选择算法下的对比图。

具体实施方式

如图1所示，一种携能协作认知网络noma协作模式和中继选择算法，其特征在于，

包括数据传输和数据解码，其中：

s11、数据传输第一阶段：基站bs广播要发送的数据给所有移动终端

s12、数据传输第二阶段，包括：

第一种情况：如果主用户pu能够在第一阶段正确接收数据，则会广播ack帧，如果节点srs在第一阶段正确解码主用户和次用户数据，它会广播sr-ack帧，如果基站bs收到该ack帧和sr-ack帧，则从节点srs选一个最佳中继，中继信息给次用户；

第二种情况：如果主用户在第一阶段错误的接收数据，它会反馈nack帧，同时如果节点srs也不能正确解码主用户和次用户的信息，它会反馈sr-nack帧，本次通信过程完成，基站bs在下一时隙开始新的传输过程；

第三种情况：如果主用户在第一阶段不能正确接收数据，它会反馈nack帧，如果节点srs在第一阶段正确解码主用户和次用户数据，它会广播sr-ack帧，这时利用中继选择策略选择一个最佳中继利用从基站bs收集的能量发送信息给主用户pu和认知用户su；

s21、主用户端数据解码阶段，包括：

第一种情况，主用户pu利用第一阶段收到的信息进行解码；

第二种情况同情况第一种情况1；

第三种情况，主用户pu第一阶段直传的信息和第二阶段中继转发的信息进行选择合并解码；

s22、认知用户端数据解码阶段，包括：

第一种情况，认知用户su利用第一阶段和第二阶段收到的信息进行选择合并解码；

第二种情况，认知用户su利用第一阶段的信息进行解码；

第三种情况下，同第一种情况，认知用户su会收到来自基站bs和认知中继的两份信息，接收端采用选择合并的方式进行解码。

本实施例中，所述步骤s11具体为：

1)定义xp,xs为主用户和认知用户的所要传输的信息,ap,1和as,1，ap,2和as,2，分别为基站和中继为主用户和认知用户分配的功率系数，p为基站发送功率；

2)定义hb,p,hb,s,hb,ri,hri,p,hri,s分别表示bs-pu,bs-su,bs-sri,sri-pu以及sri-su的链路系数，d0,d1,d2,d3,d4分别表示bs-pu,bs-su,bs-sri,sri-pu以及sri-su的距离；

3)信道增益为|hb,p|²，|hb,s|²，|hb,ri|²，|hri,p|²，|hri,s|²，指数随机变量，参数分别是以及这里χ是路径损耗变量；

基站bs广播要发送的数据为：

ap,1xp+as,1xs，ap,1+as,1＝1且ap,1＞as,1

主用户pu、认知用户su和中继sri,(i＝1，2，3……n)接收的信息分别为：

wpu,1,wsu,1,wb,ri均为在接收端服从cn(0,n0)的高斯噪声，ypu,1是主用户在第一时隙接收的信号,ysu,1是认知用户在第一时隙接收的信号,ys,ri是中继i在第一时隙收到的信号。

本实施例中，所述步骤s12中的第三种情况如果第一阶段主用户解码失败，最佳中继重新编码并传输数据

ap,2xp+as,2xs，ap,2>as,2，且

主用户pu、认知用户su在第二阶段接收的信息为：

这里，ypu,2和ysu,2分别是主用户和次用户在第三种情况下第二时隙收到的信号，ωpu,2和ωsu,2为叠加的高斯噪声，均服从cn(0,n0)。

本实施例中，步骤s12中的第一种情况如果第一阶段主用户解码正确，且正确解码的中继集合不为空，则选择一个最佳中继利用收集的能量协助次用户进行信息传输，具体公式是：

上式中，ysu,21是认知用户在第一种情况下第二时隙接收到的信号，pri是中继的发送功率，ωsu,21是信道叠加高斯噪声。

本实施例中，所述的中继选择策略为：

(1)构建一个子集sr＝{i:1≤i≤n,|hb,ri|²＞ε}，在所有n个中继中，如果中继i能够正确解码主用户信息xp和认知用户信息xs,即满足条件|hb,ri|²＞ε，ε是中继能正确解码的门限，则属于集合sr；

(2)在集合sr中选择一个中继使得主用户的中断概率最小，具体步骤为：中继采用解码转发(df)方式，相较于放大转发(af)，df可以有效抑制噪声，中继采用功率分流进行能量收集和信息解码，功分系数为βi，即接收信息βi的部分用于能量收集，1-βi的部分用于信息解码，如果解码正确还有部分剩余能量，则进行能量收集用于下一跳的信息传输，如果中继满足：

则可以分别正确解码xp和xs。令且要满足如果βi＝0，则全部的信号用于信息解码，收集的能量为空，反之，βi>0，则中继sri吸收的能量为:

eri＝tηβip|hb,ri|²/2(8)

中继的发送功率为:

这里，(x)⁺＝max(0,x),η是能量转换效率η∈[0,1]。

步骤s11情况下的基站到主用户，认知用户和n各个中继的链路可达速率为：

其中,cpu,1以及csu,1分别是主用户在第一时隙的链路可达速率，次用户在第一时隙的主用户和次用户本身的链路可达速率。

步骤s12第二时隙传输的第一种情况下，次用户的链路容量为：

csu,22＝1/2log2(1+ρη[|hb,ri|²-ε]|hri,s|²)(13)

其中csu,22是认知用户在第一种情况下在第二时隙信道容量。η是能量转换效率η∈[0,1]。ε是中继解码门限。具体见上面权利要求书第5点中继选择算法。

步骤s12第二时隙传输的第三种情况下，主用户和认知用户的信道容量为：

其中，cpu,2，和csu,2分别是在第三种情况下主用户在第二时隙的链路可达速率，次用户在第二时隙的主用户和次用户本身的链路可达速率。

综合源到中继和中继到目的节点两条独立信道的传输后，目的端采用选择合并的方法进行合并后，如果链路的可达速率小于目标速率，则视为信息发生中断。rp和rs分别是主用户和认知用户的目标速率，则中断概率统一表示为：

另外，一个完整传输过程后，第一种情况的主用户最终的可达速率为cpu＝cpu,1；第二种情况的主用户最终的可达速率为cpu＝cpu,1，同第一种情况；第三种情况的主用户最终的可达速率为cpu＝max{cpu,1,cpu,2}。通过计算得到主用户的中断概率闭式解为：

其中，ε＝max(a,b)，ε'＝max{a',b'}，k1(.)是一阶第二类贝塞尔修正函数。

一个传输过程后，第一种情况的认知用户最终的中断情况为:

第二种情况的认知用户最终的中断情况为：

第三种情况的认知用户最终的中断情况为：

所以，最终认知用户的中断概率的闭式解和大信噪比的近似解为：

这里，其他参数上文已经提到。

仿真结果：如图2所示，设终端的位置bs到pu的距离为d0，bs到su的距离为d1，bs到srs的距离为d2，srs到pu和su的距离分别为d3和d4，我们设定如下坐标，bs(0,0)，pu(3,0)，su(x,-1),srs(x,0),这里令x＝1,r1＝0.5bps/hz,r2＝2bps/hz；路径损耗系数为3，能量转换效率η＝1，ap,1＝ap,2＝0.8，as,1＝as,2＝0.2噪声为均值为0，功率为1的复高斯分布。

如图3和图4所示，分别是系统中主用户和次用户的中断概率的蒙特卡洛仿真，(仿真次数设为10^5)和分析结果，二者曲线基本一致，从而证明分析结果的正确性。当中继的数目为1，2，4，8时，随着中继数目的增多，主次用户的中断性均得到提高，达到了n阶满分集增益,认知用户可以达到3阶分集增益。图5和图6分别是主次用户在3种不同的系统下,即本发明所提的具有能量收集(energyharvesting,eh)中继协作系统、无协作的直传(direct)系统和一般的中继节点具有稳定的能量源的传统协作系统下的中断性能。从图中可以看出，直传系统下用户的性能最差，这是因为由于信号衰落，路径损耗等原因使得接收端的信噪比小于目标速率。能量受限的中继协作系统相对于一般中继协作系统的中断性能有所下降，这是由于当源端发送功率较低导致直传链路失败时，即使中继能够借助从第一时隙吸收的能量来完成正确解码两个用户的信息，但是可能由于剩余的能量不足，从而导致第二时隙转发链路中断。虽然采用本发明提出的策略会使得系统的谱效的降低，但是却获得了能效的提高。如图7所示。图7描述了在源端归一化信噪比为20db,中继数目为2和10，ap,1＝ap,2＝0.8，as,1＝as,2＝0.2，次用户目标速率仍然为2bps/hz时，随着主用户目标速率的变化，系统总的吞吐量和系统消耗的功率之比，即能量效率的变化。这里我们对于一般稳定能量源的中继发射功率和源端发射功率均为p。可以看出将信息和能量同时传输引入协作通信中可以通过回收能量，获得比一般协作通信更高的能量效率。未来5g系统，我们提倡节约能源，提高能量利用率和能量效率，这样看来，信息和能量同传技术是个很好的选择。图8是针对不同中继选择算法的仿真。本发明所提的两阶段中继选择算法，分别与只根据源端到中继节点第一跳信噪比最大,在中继集合选择中继到目的节点信噪比最大,和最大最小准则三种中继选择算法进行比较，从图中可以看出，两阶段传输可以更好地提到主用户的性能。在中继数目较少时，这种区别比较不明显，随着中继数目的增多，差别增大。这是因为针对能量受限的中继本发明联合考虑了能量和信道增益，使得主用户接收信噪比最大。而剩余的三种算法中，最大最小策略次之，其他两种中继选择策略系能相差不大，因为只考虑了源端到中继或者中继到目的节点的任何一条链路，由于信道的独立性，得到的性能相差不大。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。