利用复合式编码提高认知无线电系统带宽的方法与流程

【技术领域】

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种利用复合式编码提高认知无线电系统带宽的方法。

背景技术：

信息通信技术的发展和5g通信标准化的深入，加速了5g相关技术的突破和实践，同时也为5g&beyond(5g&b)等未来通信技术的发展提供了参考，其本质就是通过高速互联互通、泛在处理能力、增强虚拟现实等5g及未来通信技术手段，实现传输速率、传输时延、链路可靠性、能量效率、体验质量(qualityofexperience,qoe)等移动通信核心性能指标的全方位提升。

认知无线电网络(cognitiveradio,cr)具备在频域开发频谱空洞的能力，如果一个频谱段没有被授权用户占用，则非授权用户有机会接入并基于协作技术进行其第二次通信传输。利用协作通信(cooperativecommunication)技术在cr网络中完成频谱分享已被广泛的使用。其中，动态网络编码(dnc，dynamicnetworkcodes)提出的每个用户可在广播阶段将个人信息广播给基站以及其他用户们。

然而，在授权用户将信息传输到基站的过程中，由于各种原因会不可避免的导致基站难以接收到全部信息，进而造成认知无线电网络中系统传输效率低下，难以实现系统吞吐量最大化。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种利用复合式编码提高认知无线电系统带宽的方法，以提高认知无线电网络中系统吞吐量，解决系统带宽短缺的问题。

本发明采用以下技术方案：利用复合式编码提高认知无线电系统带宽的方法，认知无线电系统包括授权用户发送端、授权用户接收端和非授权用户发送端，方法运行于非授权用户发送端，具体包括：

接收授权用户接收端发出的反馈信息；其中，反馈信息为授权用户接收端在未成功解码授权用户发送端的广播信息时生成的反馈信息；

将接收到的授权用户发送端发出的广播信息进行解码解调；

将解码解调后的广播信息与信道状态信息进行编码并调制；

将编码调制后的信息发送至授权用户接收端。

进一步地，编码调制后的信息定义为：

其中，rk表示第k个非授权用户发送端，n表示当前信息流的序号，ma×b(i,j)为非授权用户发送端中编码器的转换矩阵，a为转换矩阵的行数上限值，b为转换矩阵的列数上限值，i和j分别为转换矩阵的当前行数和列数，为解码解调后的广播信息，sl表示第l个授权用户发送端发出的广播信息，为经过非授权用户发送端解码并重新译码后的单位矩阵，为与单位矩阵相关的奇偶矩阵。

进一步地，将解码解调后的广播信息与信道状态信息进行编码并调制包括：

获取当前非授权用户发送端的信噪比实时值；

将信噪比实时值与预定信噪比临界值进行比较，并根据比较结果设置调制参数。

进一步地，信噪比实时值通过调制方式的误帧率计算得出。

进一步地，奇偶矩阵生成方法为：

根据单位矩阵和变量pl,k生成奇偶矩阵；

当第l个授权用户发送端发射出的信息流成功的被第k个非授权用户发送端所接收，则pl,k＝1；

当第l个授权用户发送端发射出的信息流未成功的被第k个非授权用户发送端所接收，则pl,k＝0。

本发明的另一种技术方案：利用复合式编码提高认知无线电系统带宽的装置，认知无线电系统包括授权用户发送端、授权用户接收端和非授权用户发送端，非授权用户发送端具体包括：

接收模块，用于接收授权用户接收端发出的反馈信息；其中，反馈信息为授权用户接收端在未成功解码授权用户发送端的广播信息时生成的反馈信息；

解码解调模块，用于将接收到的授权用户发送端发出的广播信息进行解码解调；

编码调制模块，用于将解码解调后的广播信息与信道状态信息进行编码并调制；

发送模块，用于将编码调制后的信息发送至授权用户接收端。

本发明的再一种技术方案：利用复合式编码提高认知无线电系统带宽的方法，认知无线电系统包括授权用户发送端、授权用户接收端和非授权用户发送端，方法运行于授权用户接收端，具体包括：

接收授权用户发送端的广播信息；

对广播信息进行解码解调，当未成功解码解调广播信息时，生成反馈信息；

将反馈信息发送至非授权用户发送端；其中，反馈信息用于使非授权用户发送端对接收到的广播信息和信道状态信息进行编码并调制，并将编码调制后的信息发送至当前授权用户接收端。

本发明的再一种技术方案：利用复合式编码提高认知无线电系统带宽的装置，认知无线电系统包括授权用户发送端、授权用户接收端和非授权用户发送端，授权用户接收端具体包括：

接收模块，用于接收授权用户发送端的广播信息；

解码解调模块，用于对广播信息进行解码解调，当未成功解码解调广播信息时，生成反馈信息；

发送模块，用于将反馈信息发送至非授权用户发送端；其中，反馈信息用于使非授权用户发送端对接收到的广播信息和信道状态信息进行编码并调制，并将编码调制后的信息发送至当前授权用户接收端。

本发明的再一种技术方案：利用复合式编码提高认知无线电系统带宽的系统，包括授权用户发送端、授权用户接收端和非授权用户发送端；

授权用户发送端用于：

将待发送信息进行编码调制并进行广播；

授权用户接收端用于：

接收授权用户发送端的广播信息；

对广播信息进行解码解调，当未成功解码解调广播信息时，生成反馈信息；

将反馈信息发送至非授权用户发送端；其中，反馈信息用于使非授权用户发送端对接收到的广播信息和信道状态信息进行编码并调制，并将编码调制后的信息发送至当前授权用户接收端；

非授权用户发送端用于：

接收授权用户接收端发出的反馈信息；其中，反馈信息为授权用户接收端在未成功解码授权用户发送端的广播信息时生成的反馈信息；

将接收到的授权用户发送端发出的广播信息进行解码解调；

将解码解调后的广播信息与信道状态信息进行编码并调制；

将编码调制后的信息发送至授权用户接收端。

本发明的有益效果是：本发明通过结合自适应动态网络编码以及自适应涡轮增压编码的编码调制方式，用于解决协作式认知无线电网络(cooperativecognitiveradio，ccr)中频谱资源的管理，以最大化授权用户在信息传输过程中的总吞吐量为目的，通过非授权用户进行信息重传，降低授权用户的传输时间，进而提高授权用户的传输特性，提高系统吞吐量，解决了系统带宽短缺的问题；本发明中将非授权用户发送端作为中继帮助授权用户发送端传输信息，以此提高授权用户发送端的传输时间以及传输速率，基于此非授权用户发送端可以利用节约的时隙传输其个人信息。

【附图说明】

图1为本发明的一个实施例的方法流程图；

图2为的本发明另一实施例的装置模块示意图；

图3为本发明的再一实施例的方法流程图；

图4为本发明的再一实施例的装置模块示意图；

图5为本发明的再一实施例的系统结构示意图；

图6为本发明实施例中涡轮增压编码的信噪比和误帧率的仿真图；

图7为本发明实施例中基于不同的信噪比在协作式认知无线电场景下对于本发明的节约带宽能力比较的性能仿真图。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明实施例提供了一种利用复合式编码提高认知无线电系统带宽的方法，该认知无线电系统包括授权用户发送端、授权用户接收端和非授权用户发送端。在本方法中，非授权用户为k个，作为授权用户之间的中继。授权用户l个，包括每个授权用户既可以作为信息发送端，也可以作为信息接收端。

本发明的一种实施例中的方法运行于非授权用户发送端，如图1所示，具体包括：

步骤s110、接收授权用户接收端发出的反馈信息；其中，反馈信息为授权用户接收端在未成功解码授权用户发送端的广播信息时生成的反馈信息。

步骤s120、将接收到的授权用户发送端发出的广播信息进行解码解调。该广播信息可以是上一时隙授权用户发送端发出的广播信息。

步骤s130、将解码解调后的广播信息与信道状态信息混合后，进行编码并调制。

步骤s140、将编码调制后的信息发送至授权用户接收端。

具体的，在非授权用户发送端开始编码前，设置转换矩阵ma×b,定义新型转换矩阵设置transfermatrixma×b的目的是为了检测在特定的传输链条中，每段链条的传输是否成功完成。为了更好的检测授权用户发送端的信息传输帧，授权用户接收端需要知道作为中继的非授权用户段形成了多少帧的基偶传输链(parityframe，pf)。编码调制后的信息定义为：

其中，因为是由非授权用户发送端重新编码发送出的，r是中继relay的缩写，非授权用户是作为中继的，则rk表示第k个非授权用户；n表示当前信息流的序号，k为非授权用户发送端的序号，ma×b(i,j)为非授权用户发送端中编码器的转换矩阵，a为转换矩阵中的行数上限值，b为转换矩阵中的列数上限值，i和j分别为当前转换矩阵的行数和列数，为解码解调后的广播信息，sl表示第l个授权用户发送出的信息流，l为授权用户的序号，i为编码器的原始单位矩阵，为经过非授权用户解码并重新译码后的单位矩阵，pk为第k个非授权用户发送端的编码器的奇偶矩阵，且为与单位矩阵相关的奇偶矩阵。

ma×b(i,j)＝[il|pk]由两部分组成，分别是单位矩阵{i}l(l∈l)和奇偶矩阵{p}l×k(k∈k)。单位矩阵i由在广播时隙中授权用户端发射出的信息序列决定，当授权用户接收端成功接收授权用户发送端的信息时，单位矩阵中的元素il＝1；反之，il＝0。

奇偶矩阵p是由在协作时隙内非授权用户发送端的传输环境所决定的。具体的，奇偶矩阵p是由单位矩阵i和另一个变量pl,k所决定。当pl,k＝1时，则说明在该传输时隙，由第l个授权用户发送端发射出的信息流成功的被第k个非授权用户发送端所接收，反之，当第l个授权用户发送端发射出的信息流未成功的被第k个非授权用户发送端所接收，则pl,k＝0。

同时，奇偶矩阵中的参数pl,k是根据线性区块码中伽罗瓦域gf(|q|)所决定的，gf(|q|)是由sage软件直接生成。由此，非授权用户发送端进行重传的奇偶帧可表示为

在本发明的方法中，作为信息发送端的授权用户发送端，将待发送的个人信息在第一时隙进行广播，以此来发送至授权用户接收端和非授权用户发送端。授权用户发送端和授权用户接收端均可以为移动终端，也可以为基站，非授权用户发送端也可以为移动终端或基站。

在该系统中，授权用户端将用户的待发送信息通过自适应动态网络编码进行编码，再经过自适应涡轮增压编码器进行调制，即将用户的待发送信息通过自适应调制模式转化后进行广播。

在授权用户接收端，设置有自适应动态网络解码器，以及自适应涡轮增压解码调制器。该授权用户接收端先通过自适应涡轮增压解码调制器对收到的广播信息进行解调，再通过自适应动态网络解码器进行译码，根据译码结果生成反馈信息流(即上文中的反馈信息)，并将该反馈信息流发送至非授权用户发送端，根据该反馈信息流，决定了非授权用户发送端的网络解码器的传输情况，换句话说，是否发送奇偶帧序列是由反馈信息决定，奇偶帧序列以及如何生成新型转换矩阵是由伽利略矩阵决定。。

在本发明中，反馈信息流是一个单一的信号sf，当授权用户接收端译码正确时，该反馈信息流sf＝1，非授权用户发送端接收到该信息后不进行任何动作。当授权用户接收端译码错误时，该反馈信息流sf＝0，非授权用户发送端在下一时隙进行信息的重发。

在非授权用户发送端进行信息重发时，首先对上一时隙接收到的授权用户发送端的广播信息进行解调译码，得到广播信息，再将该广播信息和信道状态信息混合后进行重发。非授权用户发送端采用自适应动态网络编码(adnc)进行编码，在每个传输时间段中，adnc可以自适应的调节非授权用户发送端发出的帧的数量。

本发明中的自适应动态网络编码不同于一般的动态网络编码，其是通过在解码器上安装反馈标志将解码器是否成功解码的信息传输至网络编码器处而设置，因此，编码器将根据其收到的反馈信息，决定是否需要重传信息。假设由解码器端反馈的单一比特sf＝0，说明在解码器端解码信息失败，因此编码器端需重新将信息发送。反之，若解码器端解码信息成功，则sf＝1。

非授权用户发送端通过自适应涡轮增压解码调制器产生单位矩阵i，再根据授权用户接收端返回的反馈信息流，将单位矩阵i通过自适应涡轮增压编码调制器产生相对应的奇偶矩阵p；该奇偶矩阵p将通过自适应涡轮增压编码调制器将广播信息与信道状态信息混合，再发送到授权用户接收端。

具体的，非授权用户发送端进行信号调制时，选择了自适应涡轮增压编码调制器，该编码调制器可以设计为多种模式，具体选择方式如表1所示，ibps具体为informationbitpersymbol，在本发明中通过非授权用户发送端的信噪比来选择具体的调制方式，表中γ0、γ1、γ2、γ3和γ4分别为预先设置的信噪比临界值，γr为非授权用户发送端的信噪比实时值，根据非授权用户发送端信噪比的实时值和预先设置的信噪比临界值具体选择涡轮增压编码的调制方式。

表1

在本实施例中，将解码解调后的广播信息与信道状态信息进行编码并调制包括：获取当前非授权用户发送端的信噪比实时值；将信噪比实时值与预定信噪比临界值进行比较，并根据比较结果设置调制参数。具体的，信噪比实时值通过调制方式的误帧率计算得出。

本发明中的认知无线电网络采取上行传输模式。假设每个授权用户发送端与唯一的授权用户接收端都拥有直接的传输链环。该网络具备两种传输时隙，分别为广播时隙和合作时隙：在广播时隙中每个授权用户发送端将各自的待发送信息同时广播给授权用户接收端和被作为中继的k个非授权用户发送端；在接下来的合作时隙中，k个非授权用户发送端将根据其收到的由授权用户接收端发出的反馈信息流，选择性的将信息重传至授权用户接收端。

非授权用户发送端对应信道的信道增益为gk^cu(cu为cognitiveuser(cu)的缩写，即为非授权用户发送端)，授权用户发送端对应的信道增益为gl^pu(pu为primaryuser(pu)的缩写，即为授权用户端)、传输功率为ps，在非授权用户发送端使用了译码转发模式(decodeandforward，daf)。

上行传输(即本发明中的授权用户发送端与授权用户接收端之间的信道增益、授权用户发送端与非授权用户发送端的信道增益，或者非授权用户发送端与授权用户接收端的信道增益)时的信道增益方式h＝hs·hf，其中，hs表示的是慢衰落的系数，其在整个传输帧中对于所有符号都保持一致，hf表示快衰落的系数，其在每个传输帧中都会发生变化。

另外，本发明中在某一节点(即授权用户接收端，非授权用户发送端)处所接收的信噪比为γr，具体表示为：

其中，对于一个不相关的锐利衰落信道，设置e{|x|²}＝1和e{|hf|²}＝1，相对应的值随着符号的变化而改变。

本发明在上述场景的实现步骤如下：

在授权用户发送端，用户信息将通过自适应涡轮增压编码调制器(adaptivetrellisturbocodedmodulation，attcm)，将输入的信道状态信息通过自适应调制模式转化。

在授权用户接收端，来自授权用户发送端的信息以及非授权用户发送端的复合信息(该复合信息指的是非授权用户发送端转发的授权用户的信息以及其个人信息)将先通过自适应涡轮增压解码解调器后，再经由自适应动态网络解码器将信息解码后形成反馈信息流。

作为中继的非授权用户发送端先经过自适应动态网络解码器解调后将通过自适应涡轮增压解码解调器产生单位矩阵i，其根据授权用户接收端返回的反馈信息将单位矩阵通过自适应涡轮增压编码调制器产生相对应的奇偶矩阵p。该奇偶矩阵将通过自适应涡轮增压编码调制器将信息与信道状态信息混合，最后将信息输送至授权用户接收端。

本发明基于由自适应动态网络编码和自适应涡轮增压编码调制组成的复合式编码调制方式，解决协作式认知无线电网络的频谱资源管理方案下，本发明提出了一种切实可行的系统上行传输方式，旨在实现认知无线电网络中系统吞吐量的最大化。

而在相对应的传输阶段，每个授权用户发送端将传输非二进制的线性复合传输帧至授权用户接收端，其中包括其个人信息以及其他授权用户发送端的信息。基于此，普遍式动态网络编码(generalizeddynamicnetworkcodes,gdnc)被提出，与dnc不同的是，gdnc准许每个用户在其广播阶段通过正交信道将多个信息帧广播，并且可同时传输多个非二进制的线性组合帧。

在cr网络的频谱资源分配方案中，非授权用户发送端将作为授权用户发送端的中继帮助授权用户发送端将他们的信息传输至授权用户接收端。更详细的说，非授权用户发送端具备将自身信息与授权用户发送端的信息叠加的能力。因此，该结构模型下，系统整体的吞吐量将会增大，对于授权用户发送端和非授权用户发送端所要求的传输时间则会减少，减少的时隙将会用来支持其他用户的传输。

本发明中的非授权用户发送端将作为中继帮助授权用户传输信息，通过将自适应动态网络编码应用于非授权用户发送端，使其通过授权用户接收端反馈回来的信息调整进行信息重传，从而在降低授权用户发送端的传输时间以及传输功率，并大幅度提升系统的吞吐量。

本发明中将自适应调制编码(即自适应涡轮增压编码调制方式)应用于自适应动态网络编码的协作认知无线电网络系统中的非授权用户发送端和授权用户接收端，根据传输链上的信道强弱选择使用的对应的不同调制方式，并输出相对应的比特速率，因此，在授权用户发送端与非授权用户发送端之间考虑主动的调制解调方式，从资源分配的源头环节解决了传输时间的问题，最终提升整个系统的传输速率，且适用于数量大的授权用户发送端以及非授权用户发送端的情况。

本发明的另一实施例公开了一种利用复合式编码提高认知无线电系统带宽的装置，如图2所示，认知无线电系统包括授权用户发送端、授权用户接收端和非授权用户发送端，非授权用户发送端具体包括：

接收模块110，用于接收授权用户接收端发出的反馈信息；其中，反馈信息为授权用户接收端在未成功解码授权用户发送端的广播信息时生成的反馈信息。该广播信息可以为上一时隙授权用户发送端发出的广播信息。

解码解调模块120，用于将接收到的授权用户发送端发出的广播信息进行解码解调。

编码调制模块130，用于将解码解调后的广播信息与信道状态信息进行编码并调制；

发送模块140，用于将编码调制后的信息发送至授权用户接收端。

本发明的再一实施例公开了一种利用复合式编码提高认知无线电系统带宽的方法，如图3所示，认知无线电系统包括授权用户发送端、授权用户接收端和非授权用户发送端，方法运行于授权用户接收端，具体包括：

步骤s210、接收授权用户发送端的广播信息；

步骤s220、对广播信息进行解码解调，当未成功解码解调广播信息时，生成反馈信息；

步骤s230、将反馈信息发送至非授权用户发送端；其中，反馈信息用于使非授权用户发送端对接收到的广播信息和信道状态信息进行编码并调制，并将编码调制后的信息发送至当前授权用户接收端。该广播信息可以为上一时隙授权用户发送端的广播信息。

本发明的再一实施例公开了一种利用复合式编码提高认知无线电系统带宽的装置，如图4所示，认知无线电系统包括授权用户发送端、授权用户接收端和非授权用户发送端，授权用户接收端具体包括：

接收模块210，用于接收授权用户发送端的广播信息；

解码解调模块220，用于对广播信息进行解码解调，当未成功解码解调广播信息时，生成反馈信息；

发送模块230，用于将反馈信息发送至非授权用户发送端；其中，反馈信息用于使非授权用户发送端对接收到的广播信息和信道状态信息进行编码并调制，并将编码调制后的信息发送至当前授权用户接收端。该广播信息可以为上一时隙授权用户发送端的广播信息。

本发明还公开了一种利用复合式编码提高认知无线电系统带宽的系统，如图5所示，包括授权用户发送端310、授权用户接收端330和非授权用户发送端320；

授权用户发送端310用于：

将待发送信息进行编码调制并进行广播。

授权用户接收端330用于：

收授权用户发送端的广播信息；

对广播信息进行解码解调，当未成功解码解调广播信息时，生成反馈信息；

将反馈信息发送至非授权用户发送端；其中，反馈信息用于使非授权用户发送端对接收到的广播信息和信道状态信息进行编码并调制，并将编码调制后的信息发送至当前授权用户接收端。

非授权用户发送端320用于：

接收授权用户接收端发出的反馈信息；其中，反馈信息为授权用户接收端在未成功解码授权用户发送端的广播信息时生成的反馈信息；

将接收到的授权用户发送端发出的广播信息进行解码解调；

将解码解调后的广播信息与信道状态信息进行编码并调制；

将编码调制后的信息发送至授权用户接收端。

验证实施例：

1.仿真条件：假设协作认知无线电网络中，使用锐利衰落和准静态衰落的复合式信道。在一段传输链条上，可根据信道条件的强弱使用6种调制方式。使用了两种不同的转换矩阵，包括m2*4和m4*8。

2.仿真内容：对本发明中自适应涡轮增压编码调制的相对应的接收端的信噪比是根据涡轮增压编码的误帧率与发送端信噪比比较得到，结果如图6。图6中，纵坐标为“误帧率frameerrorratefer”，横坐标为“发送端的信噪比”。

根据图6仿真结果，设定固定的误帧率，比如fer＝10^-3。由该误帧率得到相对应的传输端的信噪比，根据信噪比并由表1选择自适应涡轮增压编码在某种区间范围内所输出的不同调制方式以及相对应的速率。

3.仿真内容：对协作式认知无线电网络中，采用本发明的上行传输方式和传统的传输方式进行仿真比较，结果如图7。图7中，纵坐标为“授权用户节约的带宽量”；横坐标为“发送端的信噪比”。

由图7仿真结果可知，在已定的传输端信噪比不同的情况下，采用本发明的协作式认知无线网络中，根据自适应网络编码的上行传输方式相对于传统的传输方式可帮助授权用户发送端解决更多的带宽，并且将多节约的带宽给予非授权用户发送端进行其二次传输。由此可以证明本发明的传输方案适用于不同的系统用户数量以及网络编码中的不同转移矩阵，且效果明显优于传统的传输方案。