认知解码转发中继系统的功率分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了认知解码转发中继系统的功率分配方法，属于无线通信的技术领 域。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信技术的迅猛发展，频谱变得越来越稀缺，传统的频谱管理方法无法 满足实际的需要。为了解决频谱资源稀缺和频谱使用率低的问题，提出了认知无线电 (Cognitive radio,CR)技术。与此同时，由于中继通信技术可W减少多径衰落、提高信道容 量，中继通信技术正成为无线通信系统中空间分集的关键技术之一。因此，将中继通信技术 与CR结合，能够进步一提高无线网络的性能。
[0003] 传统的针对认知中继系统的研究主要集中在功率分配、中继分配/选择、服务质量 和子信道分配等方面，没有考虑系统的能耗问题。虽然中继系统能够很好地利用空间增益 克服信道衰落，但是采用中继转发信号引起了额外的能量消耗，因此在使用中继系统时需 要进行权衡。近年来，W指数增长的数据业务和无处不在的访问需求，引发了网络基础设施 的巨大扩张，运使得无线网络的能量消耗非常快，并产生了大量的二氧化碳。因此，提高能 量效率化ne巧y EffiCiency，EE)在未来的无线通信设计中变得越来越重要。
[0004] 另外，通常在计算次用户（SecondaiT User,SU)对主用户（PrimaiT User,PU)产生 的干扰功率时，均假设SU与PU之间的信道状态信息（化annel State Information ,CSI)对 于SU来讲都是已知的。在实际应用中，由于SU与PU之间缺少协作W及其他一些因素（如：信 道估计误差、时间延迟、频率偏移等），很少能够获得它们之间的准确CSI。
[0005] 申请号为201410097168.9，发明名称为"一种认知中继网络中功率分配方法"的申 请，引入柯西-施瓦茨不等式，避免使用迭代方法，大大降低计算复杂度，达到了与基于内点 法的最优功率分配方法十分接近的性能。
[0006] 申请号为201510254819.5,发明名称为"基于博弈论的多用户多天线认知无线电 系统功率分配方法"的申请，采用博弈论算法来优化分配在多用户天线系统中各用户节点 的发送功率，首先每个中继节点的所有天线作为一个整体参与博弈，采用非合作博弈，挑选 出其中能够参与通信的中继节点并分配功率，达到纳什均衡后每个节点获得的功率作为它 们自身的总功率;然后每一节点内部的各根天线作为博弈的参与者，在总功率一定的约束 条件下进行非合作博弈，得到每个节点内每根天线的实际发送功率。
[0007] 上述申请中均未考虑在SU与PU之间的信道状态信息不明情况下如何计算次用户 对主用户产生的干扰功率。
【发明内容】
[000引本发明所要解决的技术问题是针对上述【背景技术】的不足，提供了认知解码转发中 继系统的功率分配方法，在考虑SU与PU之间的CSI无法准确获取的情况下，从提高系统能量 效率的角度出发，提供了一种在保障PU用户传输的情况下提高系统能量效率的功率分配方 法，解决了假设SU与PU之间CSI已知来分配认知无线中继系统功率的方案忽略了 SU与PU之 间CSI难W准确获取的实际情况的技术问题。
[0009] 本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
[0010] 认知解码转发中继系统的功率分配方法，包括如下步骤：
[00" ] A、建立系统會糧效率最大化的鐵优化目标函数：
其中，试为次用户发射机在第n个子信道上的发射功率，试为中继在第n个子信道上的发射功 率，Xn为与第n个子信道有关的变量，引入变量Xn的约束条件：
入表示各信道信息传输速率之和与系统总功耗之比的参数，N为子信道个数，1/tS和1/^分别 为次用户发射机端和中继端功率放大器的漏极效率，巧和皆为分别次用户发射机端和中 继端的电路功率，为从次用户发射机到中继的信道增益，/f为从次用户发射机到次用 户接收机的信道增益，巧S为从中继到次用户接收机的信道增益，為和的分别为中继端和
次用户接收机端的加性高斯白噪声方差，IP哺I?分别为主用户对次用户和中继的干扰功 率，
[001。 初始化参数側及使参数优化目标函数中 相近的阔值S;
[0013] B、根据次用户发射机与主用户之间的信道统计信息W及中继与主用户之间的信 道统计信息分别建立信道状态不明情况下的次用户发射机对主用户的干扰功率约束条件 和中继对主用户的干扰功率约束条件；
[0014] C、联立步骤A建立的参数优化目标函数和引入的变量Xn的约束条件、步骤B建立的 信道状态不明情况下的次用户发射机对主用户的干扰功率约束条件和中继对主用户的干 扰功率约束条件、次用户发射机发射功率约束条件和中继发射功率约束条件，得到认知中 继系统能量效率最大化的等效优化问题；
[0015] D、求解步骤C所述优化问题得到次用户发射机在第n个子信道上的发射功率和 中继在n个子信道上的发射功率试W及变量Xn;
[0016] E、由步骤D求解的次用户发射机在第n个子信道上的发射功率妃和中继在n个子信 道上的发射功率姑W及变量Xn,更新参数入；
[0017] F、将当前迭代计算得到的次用户发射机在第n个子信道上的发射功率试和中继在 n个子信道上的发射功率好W及变量Xn和参数A带入参数优化目标函数求解，求解的结果在 阔值S范围内时确定当前迭代计算的次用户发射机在第n个子信道上的发射功率记和中继 在n个子信道上的发射功率孩f为最优解，求解的结果超出阔值S范围时重复步骤D和步骤E 直至求得最优解。
[0018] 作为所述认知解码转发中继系统的功率分配方法的进一步优化方案，步骤B中建 立的信道状态不明情况下的次用户发射机对主用户的干扰功率约束条件和中继对主用户 的干扰功率约束条件为：
[0020] 其中，p(*)表示概率，Af为从次用户发射机到主用户发射机的信道增益，Af为从 中继到主用户发射机的信道增益
Ts为正交频分多址的符号周期，dn 为主用户频带到第n个子信道的频谱距离，B为主用户占用的带宽，f为子信道带宽，货第n 个子信道的干扰口限值，nth为概率口限值。
[0021] 进一步的，所述认知解码转发中继系统的功率分配方法中，信道状态不明情况下 的次用户发射机对主用户的干扰功率约束条件和中继对主用户的干扰功率约束条件等效 为：
[0023] 其中，asP和QRP为次用户发射机与主用户之间信道W及中继与主用户之间信号服 从瑞丽衰落的参数。
[0024] 作为所述认知解码转发中继系统的功率分配方法的再进一步优化方案，步骤E中 由表达式：
更新参数A，其中，t表示迭代次数，（Xt，pt)和(，PW)分别表示 第t次和第t+1求得的解，
[0025] 作为所述认知解码转发中继系统的功率分配方法的更进一步优化方案，步骤C中 所述次用户发射机发射功率约束条件和中继发射功率约束条件为
其中，巧为次用户发射机发射功率口限值，理为中继发射功率口限值。
[0026] 本发明采用上述技术方案，具有W下有益效果:本发明考虑到次用户与主用户之 间信道状态信息难W准确获取的实际情况，在优化认知解码转发中继系统中功率分配方案 的过程中，引入了根据次用户与主用户之间统计信息确定的信道状态不明情况下的次用户 发射机对主用户的干扰功率约束条件，W及根据中继与主用户之间统计信息确定的信道状 态不明情况下的中继对主用户的干扰功率约束条件，首先对统计干扰约束条件进行等效变 换，然后引入变量将原优化问题转化为等效的凸优化问题得到本发明的技术方案，利用本 发明的方法能够在保证主用户通信质量的情况下获得较高的系统能量效率。
[0027] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，运些将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明提出方法中系统能量效率随概率口限IUh变化的曲线。
[0029] 图2为本发明提出方法中系统能量效率随次用户功率口限巧变化的曲线。
[0030] 图3为本发明提出方法中系统能量效率随中继功率口限巧变换的曲线。
[0031] 图4为本发明提出方法中系统能量效率随干扰功率口限Ith变化的曲线。
【具体实施方式】
[0032] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。
[0033] 本领域的技术人员可W理解，除非另外定义，运里使用的所有术语(包括技术术语 和科学术语)具有本发明所属技术领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该 理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意 义一致的意义，并且除非像运里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0034] 考虑一个认知0FDMA(0;rthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)中继系统，该系统包含一个次用户发射机（SecondaiT User Transmitter, SUT)、一 个次用户接收机(SecondaiT User Receiver,SUR)W及一个中继节点，SUT通过中继与SUR 进行通信，该认知中继系统与一个授权的PU共存。假设PU占用的带宽为BHz, SU可用的子信 道个数N，子信道带宽为A f Hz。该认知中继系统采用半双工解码转发（〇6。〇(16-曰11(1-化rward，DF)协作通信方式。在第一个时隙，SUT直接发送数据给中继和SUR。在第二个时隙， 中继转发译码后的数据给SUR。
[0035] 令达和试分别表示洲T和中继在第n个子信道上的发射功率，那么在两个时隙中 SUT与中继链路、SUT与SUR链路、中继与SUR链路的信噪比皆、、好S分别为：
(1)
[0037] 其中，/f为从SUT到中继的信道增益，Af为从洲T到洲R的信道增益，为从中继 到洲R的信道增益，诚和口分别为中继端和洲R端的加性高斯白噪声方差，和I?分别为 PU对SU和中继的干扰功率。
[0038] 令rn表示第n个子信道上的信息传输速率，那么rn可通过下式计算得到：
(2)
[0040] SUT和中继消耗的功率ps、pK分别表示为：
[0042] 其中，IAS和1/非为洲T端和中继端功率放大器的漏极效率，巧和巧为洲T端和中 继端的电路功率。那么，SUT和中继消耗的总功率为：
片）
[0044]认知中继系统的能量效率定义为：
巧）
[0046] SUT和中继分别在第一个时隙和第二个时隙对PU产生干扰，假设PU对干扰比较敏 感，为了保护PU,每个子信道都设有干扰n限(聲为第n个子信道的干扰口限值）。那么，SUT 和中继在每个子信道上对PU产生的干扰功率应满足如下约束条件：
掛
[004引其中，皆和C分别为洲T和中继与PU之间的信道增益，
为OFDMA符号周期，dn为PU频