一种能效优先的全双工认知系统频谱共享方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种高能效的全双工认知系统频谱共享方法。

背景技术：

在全双工认知无线电网络中，现有的频谱共享方式主要是从提升无线通信频谱效率的角度而设计。例如，基于全双工的频谱共享方式包括全双工interweave、全双工underlay以及全双工hybrid等，这些频谱共享方法虽然能提升频谱利用率，但是欠缺对能量效率的考虑，其能量效率仍有进一步提升的空间。全双工interweave方式下的认知用户在授权用户不存在时才传输数据。全双工underlay方式下的认知用户不管授权用户是否存在，都以固定的较小功率发送数据。全双工hybrid方式则结合了上述两种方式来进一步提升频谱效率，当授权用户不出现时，全双工hybrid方式与全双工interweave方式相同，以正常功率发送数据；而当授权用户出现时，全双工hybrid方式与全双工underlay方式相同，以较小功率发送数据以避免对授权用户造成干扰。然而，虽然上述全双工频谱共享方式一定程度地提升了频谱利用率，但提升吞吐量所带来的能量消耗也相应增加，因此，上述全双工方案的能量效率(即传输单位比特数据所消耗的能量值)有待提升。

技术实现要素：

为了提升全双工认知无线电的能量效率，本发明提出一种能效优先的全双工认知系统频谱共享方法(又称自适应方法)，全双工认知用户可根据授权频谱空闲和占用期间的能量效率大小关系决定是否接入授权频段，从而使认知频谱共享方法适应动态变化的无线频谱环境，最大限度地提升能量效率。

本发明的技术方案是：

一种能效优先的全双工认知系统频谱共享方法，在认知用户活动的时间轴上，将授权用户对频谱的占用描述为交替的占用期和空闲期，将每个占用期和接下来的一个空闲期视为一个授权通信周期，所述授权通信周期的总时长以及其中的空闲期时长与占用期时长的比例不要求完全一致；

在第i个授权通信周期内，初始化既得能量效率e1＝0，其中，i＝1…n，n表示采样时间轴上的授权通信到达-离去的次数；初始化既得能量效率e1＝0；认知用户在授权频段上实施频谱检测及信道增益参数估计，并基于频谱检测结果实时判断授权用户占用频谱的情况；

若授权用户不存在，则认知用户以正常的发送功率传输数据，并计算此时的既得能量效率e1；

若授权用户存在，则估计接入授权频谱的潜在能量效率e2，并将所述潜在能量效率e2与所述既得能量效率e1进行比较，当所述潜在能量效率e2高于所述既得能量效率e1时，认知用户接入授权频段，否则不接入授权频谱。

其中，所述既得能量效率e1的计算公式如下：

式中，参数ti为空闲期时长，w表示认知用户占用的频带宽度，pt表示授权用户不存在时认知用户的正常发送功率，hs(t)表示认知用户发送端和接收端之间的信道增益，表示认知用户接收端的噪声方差，ps表示认知用户用于频谱感知的功率。

其中，所述潜在能量效率e2的计算公式如下：

式中，参数τi为占用期时长，pt'表示授权用户存在的情况下，认知用户为了避免对其造成较强干扰而采用的较小的发送功率，pp表示授权用户的发送功率，hps(t)表示从授权用户到认知用户之间的信道增益，pl表示认知用户用于估计信道增益消耗的功率。

有益效果：

认知用户通过自适应地根据每个授权通信到达周期内的既得频谱效率和估算频谱效率的大小关系来决定频谱决策行为，当接入授权频谱不利于提升能量效率时，认知用户不接入授权频段，仅当存在提升能量效率的机会时，认知用户才会接入授权频段，可以将能量投入到较高的吞吐量收益中。因此，本发明通过对认知用户占用频谱与不占用频谱两种情况下的能量效率比较，进而进行频谱接入行为决策，能大大节省能量、提升能量效率，有效地克服现有技术方案在能量利用上的不足，可以较好地从能量效率的角度改善对授权频段的利用。

该方法能使认知频谱共享方法适应动态变化的无线频谱环境，最大限度地提升能量效率，可用于无线通信领域以提升无线通信的能量效率。

附图说明

图1认知用户与授权用户共存场景示意图；

图2全双工认知用户及授权用户帧结构示意图；

图3三种共享方法能量效率对比图。

具体实施方式

通常授权用户不存在(授权频段空闲)情况下，认知用户投入一定的能量获得的吞吐量可能较大，因为此时没有授权用户对授权用户的干扰，因此能量效率可能较高。授权用户存在时，会对认知用户造成干扰，认知用户投入同样的能量产生的吞吐量相对较低，因此认知用户能量效率较低。

本发明中，认知用户在授权频段执行频谱检测与信道增益参数估计，并基于频谱检测的结果可实时判断授权用户占用频谱的情况。若授权用户不存在(即空闲时段)，则接入授权频谱传输数据，并记录此时的能量效率；若授权用户存在(即占用频谱)，则估计接入授权频谱的能量效率。将此估计的能量效率与空闲时段记录的能量效率相比较，若估计的能量效率更高则接入授权频段，否则认知用户不接入授权频谱。其中，信道增益参数估计作为认知用户进行功率控制的基础，授权用户存在的情况下，认知用户以较小功率发送数据，授权用户不存在时，认知用户以正常功率发送数据。此外，信道参数的估计值还用于能量效率的估计。

如图1所示，在认知用户与授权用户的共存场景中，不仅认知用户发送端会对授权用户接收端造成干扰，而且授权用户发送端也会对认知用户接收端造成干扰，因此，为了避免相互干扰，认知用户需要了解授权用户的状态(即授权用户是否占用授权频段，包括空闲状态和占用状态)。

在全双工技术的支持下，认知用户可以同时发送和接收数据。接收端主要用于学习授权频谱环境(授权用户是否出现)，而发送端主要用于传输自身的数据。结合图1和图2所示的授权用户以及全双工认知用户的通信状态，在时间轴上，将授权用户对频谱的占用描述为交替的空闲期(时长为ti)与占用期(时长为τi)，设第i次到达到第i+1次到达的期间为一个授权通信周期，并且各周期的时长不一定相等，各周期内的占有和空闲时间比例也不一定相等。另一方面，全双工认知用户可以同时学习授权频谱环境和传输数据。

对于每一次授权用户到达和离去，认知用户都记录在空闲时段的既得能量效率并且估算占用时段的潜在能量效率，进而对两者进行比较。仅当潜在能量效率高于既得能量效率的情况下，认知用户才接入授权频段传输数据。否则，认知用户不接入授权频谱。

结合图2所示，该方法的具体实施步骤为：

s1、在第i(i＝1…n，n表示采样时间轴上的授权通信到达-离去的次数，也就是授权通信周期的个数)次授权通信周期(包含ti和τi)内，初始化既得能量效率e1＝0；

s2、认知用户在授权频段上实施频谱检测；

s3、按照下述条件决定认知用户是否接入授权频段：

若授权用户不存在，那么认知用户以正常的发送功率pt传输数据，并计算此时的既得能量效率e1为：

式中，参数w表示认知用户占用的频带宽度，pt表示授权用户不存在时认知用户的正常发送功率，hs(t)表示认知用户发送端和接收端之间的信道增益，表示认知用户接收端的噪声方差，ps表示认知用户用于频谱感知的功率，ti是授权用户第i次授权通信周期内的空闲期时长。

反之，若授权用户存在，那么按照下式估算认知用户接入授权频段的潜在能量效率e2：

式中，参数pt'表示授权用户存在的情况下，认知用户为了避免对其造成较强干扰而采用的较小的发送功率，pp表示授权用户的发送功率，hps(t)表示从授权用户到认知用户之间的信道增益，hs(t)表示从认知用户发送端到认知用户接收端之间的信道增益，pl表示认知用户用于估计信道增益消耗的功率，τi表示授权用户第i次授权通信周期内的占用期时长。

经比较：如果e2＞e1成立，那么认知用户接入授权频谱；如果不等式e2≤e1成立，那么认知用户不接入授权频段。

如图3所示，与传统的interweave与混合式频谱共享方法相比，本发明提出的全双工自适应频谱共享方法(即自适应方法)能取得更高的能量效率。图3水平坐标的物理量是授权通信强度，它表征了授权通信占用授权频段的强度，授权通信强度越大，授权通信到达越频繁，即授权用户对授权频段的占用率越高，反之亦然，因此，随着授权通信强度的增加，认知用户受到的干扰随之增加，认知用户以相同的能量投入获得的数据率降低，从而导致能量效率降低。从对比图看，采用本发明的自适应方法，能获得更高的能量效率。

综上可见，从一个授权通信周期来看，在授权频谱空闲期，认知用户必然接入授权频谱，而在授权频谱占用期，认知用户接入授权频谱可能反而不如不接入(从能量效率上看)。在授权频谱占用期，认知用户接入授权频谱会提高能量效率的情况，就对应着估计的能量效率高于记录的能量效率。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。