一种认知网络中不依赖非因果信息的无线中继方法与流程

本发明涉及中继通信领域，尤其涉及一种认知网络中不依赖非因果信息的无线中继方法。

背景技术：

认知无线电(cr)以动态频谱分配为基础来实现智能的频谱共享，能够极大的提高频谱利用率。一个次要用户应该能够可靠地感知周围的频谱环境，准确的探测合法主要用户的边带信息，从而自适应地调整发射参数来进行通信，并且保证在整个通信过程中不会对主要用户造成通信性能的下降。然而，由于次要用户对主要用户的感知是建立在反馈和无线链路对称性的基础之上的，无线链路的不确定性使得次要用户对主要用户的感知很难做到完美，所以，在实际的应用中次要用户的通信无可避免的对主要用户通信性能有所影响。如何消除这种影响成为认知无线电研究的热点之一。

overlay的认知网络假设次要用户在主要用户发送信息之前就非因果的感知了主要用户的发送信息，所以在overlaycr中的很多研究都是利用合作编码的方式来对于主要用户给予一定的补偿，使得在存在次要用户的情况下主要用户的通信性能不受影响。但是这些方法都建立在次要用户成功感知主要用户信息的前提条件下，这样的前提条件给主要用户的信息安全带来了很大的问题，而且对次要用户来说获得主要用户的信息的过程也是非因果的，因此很难在实际的系统中得到应用。在无法感知主要用户信息的情况下，例如：在underlay的认知网络中，如何实现次要用户对主要用户的通信性能的补偿还是一个需要研究的问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种认知网络中不依赖非因果信息的无线中继方法。

一种认知网络中不依赖非因果信息的无线中继方法，应用于认知无线电系统中，所述认知无线电系统包括：主用户发射端pt、主用户接收端pr、第一从用户发射端st1、第一从用户接收端sr1、第二从用户发射端st2和第二从用户接收端sr2；其特征在于，所述一种认知网络中不依赖非因果信息的无线中继方法，具体包括如下步骤：

s101：主用户发射端pt以广播的方式发送消息包至主用户接收端pr，同时第一从用户发射端st1和第二从用户发射端st2分别向第一从用户接收端sr1和第二从用户接收端sr2发送第一消息包和第二消息包；

s102：pr是否接收到pt发送的所述消息包？若是，则到步骤s103；否则，到步骤s104；

s103：pr以广播的方式发送确认接收信号ack至pt、sr1和sr2；sr1和sr2接收到所述确认接收信号ack后，即解码所需信号，丢弃接收到的其余数据包，pt接收到所述确认接收信号ack，准备下一次通信的消息包；并返回步骤s101；

s104：pr以广播的方式发送接收失败信号nak至pt、sr1和sr2；

s105：sr1接收到所述接收失败信号nak后，解码st1发送的所述第一消息包，保留pt发送的所述消息包和st2发送的所述第二消息包，并将所述第二消息包和所述消息包一起作为第一中继信号；sr2接收到所述接收失败信号nak后，解码st2发送的所述第二消息包，并将st1发送的所述第一消息包和pt发送的所述消息包一起作为第二中继信号；且sr1和sr2将分别向st1和st2发送中继预备信号ctr，以分别告知st1和st2，暂停发送数据；

s106：pt再次以广播的方式发送所述消息包至pr；同时，sr1和sr2分别将所述第一中继信号和所述第二中继信号发送至主pr；

s107：pr采用干扰对齐中和的方法去除所述第二中继信号中的第一消息包和所述第一中继信号中的第二消息包，并将接收到的所述第一中继信号、所述第二中继信号和所述消息包中的所述消息包解码保留，以达到信号中继增强的目的；

s108：pr是否接收到pt发送的所述消息包？若是，则返回到步骤s103；否则，pr以广播的方式发送接收失败信号nak至pt、sr1和sr2；并返回步骤s106。

进一步地，步骤s102中，pr成功解码pt发送的所述消息包，即代表pr接收到了pt发送的所述消息包。

进一步地，步骤s103中，sr1和sr2接收到所述确认接收信号ack后，即解码所需信号，丢弃接收到的其余数据包，具体为：sr1解码st1发送的所述第一消息包，丢弃pt发送的所述消息包和st2发送的所述第二消息包,sr2解码st2发送的所述第二消息包，丢弃pt发送的所述消息包和st1发送的所述第一消息包。

进一步地，步骤s108中，pr以广播的方式发送接收失败信号nak至sr1和sr2后，st1和st2即暂停下一轮通信的消息包的传输。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明所提出的技术方案可以在从用户对主用户发送的信息完全未知的情况下，降低主用户的中断概率，不依耐于非因果的主用户信息；不同于以往的中继策略，并不需要从用户等待主用户传递发送信号来实现数据共享，以达到对主用户进行中继的目的；不但能够有效的降低主用户的中断概率，还可以在从用户自身的通信信号发射功率不高于10db的时候很好的保证主用户通信性不受从用户的影响。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例中一种认知网络中不依赖非因果信息的无线中继方法的流程图；

图2是本发明实施例中认知无线电系统的模型示意图；

图3是本发明实施例中一种认知网络中不依赖非因果信息的无线中继方法的通信状态转换图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明的实施例提供了一种认知网络中不依赖非因果信息的无线中继方法。

请参考图1，图1是本发明实施例中一种认知网络中不依赖非因果信息的无线中继方法的流程图，应用于图2所示的认知无线电系统中，所述认知无线电系统包括：主用户发射端pt、主用户接收端pr、第一从用户发射端st1(从用户1发射端)、第一从用户接收端sr1(从用户1接收端)、第二从用户发射端st2(从用户2发射端)和第二从用户接收端sr2(从用户2接收端)；其特征在于，所述一种认知网络中不依赖非因果信息的无线中继方法，具体包括如下步骤：

s101：主用户发射端pt以广播的方式发送消息包至主用户接收端pr，同时第一从用户发射端st1和第二从用户发射端st2分别向第一从用户接收端sr1和第二从用户接收端sr2发送第一消息包和第二消息包；

s102：pr是否接收到pt发送的所述消息包？若是，则到步骤s103；否则，到步骤s104；

s103：pr以广播的方式发送确认接收信号ack至pt、sr1和sr2；sr1和sr2接收到所述确认接收信号ack后，即解码所需信号，丢弃接收到的其余数据包，pt接收到所述确认接收信号ack，准备下一次通信的消息包；并返回步骤s101；

s104：pr以广播的方式发送接收失败信号nak至pt、sr1和sr2；

s105：sr1接收到所述接收失败信号nak后，解码st1发送的所述第一消息包，保留pt发送的所述消息包和st2发送的所述第二消息包，并将所述第二消息包和所述消息包一起作为第一中继信号；sr2接收到所述接收失败信号nak后，解码st2发送的所述第二消息包，并将st1发送的所述第一消息包和pt发送的所述消息包一起作为第二中继信号；且sr1和sr2将分别向st1和st2发送中继预备信号ctr，以分别告知st1和st2，暂停发送数据；

s106：pt再次以广播的方式发送所述消息包至pr；同时，sr1和sr2分别将所述第一中继信号和所述第二中继信号发送至主pr；

s107：pr采用干扰对齐中和的方法去除所述第二中继信号中的第一消息包和所述第一中继信号中的第二消息包，并将接收到的所述第一中继信号、所述第二中继信号和所述消息包中的所述消息包解码保留，以达到信号中继增强的目的；

s108：pr是否接收到pt发送的所述消息包？若是，则返回到步骤s103；否则，pr以广播的方式发送接收失败信号nak至pt、sr1和sr2；并返回步骤s106。

步骤s102中，pr成功解码pt发送的所述消息包，即代表pr接收到了pt发送的所述消息包。

步骤s103中，sr1和sr2接收到所述确认接收信号ack后，即解码所需信号，丢弃接收到的其余数据包，具体为：sr1解码st1发送的所述第一消息包，丢弃pt发送的所述消息包和st2发送的所述第二消息包,sr2解码st2发送的所述第二消息包，丢弃pt发送的所述消息包和st1发送的所述第一消息包。

步骤s108中，pr以广播的方式发送接收失败信号nak至sr1和sr2后，st1和st2即暂停下一轮通信的消息包的传输。

步骤s107中，pr采用干扰对齐中和的方法去除所述第二中继信号中的第一消息包和所述第一中继信号中的第二消息包，并将接收到的所述第一中继信号、所述第二中继信号和所述消息包中的所述消息包解码保留的方法为：

为了实现中继并且最大化主用户接收的信噪比，在sr1和sr2作为中继节点的时候采用预编码矢量v1和v2；

当所述第一中继信号、所述第二中继信号以及所述消息包到达pr时，pr接收到的信号为：

上式中，等号右边的第一项为有用信号，第二、三项为干扰信号，第四项为噪声；其中，pp和pr分别是主用户发射端pt的发射功率和从用户发射端(st1和st2)的中继发射功率；和分别表示t时隙中pt和pr之间的信道、sr1与pr之间的信道以及sr2与pr之间的信道；xp、xr1和xr2分别是pt的发射信号、sr1的中继信号和sr2中继信号；n0是高斯白噪声；

令预编码矢量v1和v2分别为下式所示的值，以最大化有用信号信噪比并且中和掉干扰项：

上式中，dp1、d12和dp2分别是主用户和第一从用户、第一从用户和第二从用户、主用户和第二从用户之间的距离；α为信道随距离衰减的参数(在本发明实施例中的取值为2)；ps为第一和第二从用户在t-1时隙的发射功率；β为预编码矢量的归一化系数(预设值)；不带上标r的信道代表是t-1时隙的信道：h1p为t-1时隙的sr1与pt之间的信道。h12为t-1时隙的sr1与st2之间的信道。

请参阅图3，图3为本发明实施例中一种认知网络中不依赖非因果信息的无线中继方法的通信状态转换图；如图3所示，在t-1时隙，主用户对和次要用户对同时通信。如果pr成功解码，则它发出ack。接受到ack后，次要用户接收机sr将解码所需信号并丢弃接收到的其余数据包，此时为正常通信状态s0。然后，所有pt、st1和st2都准备发送新的消息包；其中，pt和pr组成主用户对；st1和sr1，st2和sr2分别组成两个次要用户对；

如果pr无法解码，则pr发出nak，由pt、sr1和sr2同时接收到，次要用户接收机sr解码自己所需的信号，并将接受到的其余的信号(“干扰”)存储在其缓冲器中，且sr1和sr2将分别向st1和st2发送“中继预备”(ctr)信号；此时为中继通信状态s1；

在时隙t，pt重新发送消息包至pr。如果存在次要用户接收机发送了ctr，则发送了ctr的次要用户接收机sr将在这个时隙发送存储在其缓冲器中“干扰”作为其中继信号。主要用户接收器pr通过组合接收的方式接收来自sr和pt的信号。

本发明所提出的a方法在瑞利信道和uwb信道中的性能通过蒙特卡洛方法进行仿真，可对效果进行验证。

本发明的有益效果是：本发明所提出的技术方案可以在从用户对主用户发送的信息完全未知的情况下，降低主用户的中断概率，不依耐于非因果的主用户信息；不同于以往的中继策略，并不需要从用户等待主用户传递发送信号来实现数据共享，以达到对主用户进行中继的目的；不但能够有效的降低主用户的中断概率，还可以在从用户自身的通信信号发射功率不高于10db的时候很好的保证主用户通信性不受从用户的影响。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。