认知无线电网络中的多媒体通信协作多播传输方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及无线通信领域，特别是一种认知无线电网络中多媒体通信协作多播传 输方法。
【背景技术】
[0002] 由于无线通信技术W及各种终端应用的快速发展，人们对无线频谱的需求大幅增 长。在日益增长的社会需求下，人们需要将文本、图形、图像、音频和视频等业务集中呈现在 终端。在可预见的未来，人们对无线频谱的需求集中体现在诸如视频网站、点对点多媒体网 络、分布式游戏等多媒体应用中。然而，频谱资源是非常有限的宝贵资源，由于现有频谱管 理的固定分配机制，随着各种通信业务的快速发展，无线频谱已经成为了一种稀缺资源。然 而研究表明，无线频谱利用率低是造成频谱资源短缺的主要原因。认知无线电技术由于能 够在不影响授权用户传输的前提下，动态的接入授权频谱，充分的利用频谱资源而被广泛 的研究。
[0003] 多媒体业务大多被多个用户同时订阅，而多播技术利用无线传输的广播特性，将 对同一内容感兴趣的用户作为一个多播组，为其提供多播业务，使得相同的无线网络资源 服务更多的用户，能够在很大程度上提高频谱利用率。多播传输中，为了保证最差信道的目 的端节点能够正确接收信息，源节点的传输速率受限于最差信道状态的链路，然而由于无 线信道固有的信道衰落，路径损耗W及阴影效应等影响，当多播组用户数增多时，多播通信 的系统吞吐量遭受严重的限制。
[0004] 对抗多播通信系统中路径损耗与衰落可采用协作多播技术，该技术的传输时隙主 要分成两个阶段，第一阶段源节点向所有的多播组用户传输数据，第二阶段，成功接收数据 的用户作为中继向其他用户传输数据。解决上述问题的另一种有效技术是源端分层编码， 该技术将原始的多播数据分成基本层和增强层，基本层数据保证基本的多媒体质量，增强 层数据能够提高接收到的多媒体质量。通过使用可伸缩视频编码技术，信道质量好的用户 能够获得较高的解码质量，提高系统吞吐量。
[0005] 目前已经有不少关于认知无线电网络中研究多媒体通信多播技术的论文及专利 申请等成果，也有较多的关于在普通无线网络中使用编码技术的研究成果。2010年Donglin Hu等在"I邸E Journal on SelectedAreas in Communications"(《国际电气电子工程师协 会通信特定领域期刊》）（2010年4月第28卷）发表的"Scalable Video Multicast in Cognitive RadioNetworks"(认知无线电网络中可伸缩视频编码研究）公开了一种用于认 知无线电网络中的跨层多播视频优化方法，具体内容是:该方法考虑基于基础设施的认知 无线电网络与多个主用户网络共存，并且认知网络中的基站W机会接入主用户信道的方式 向多播组用户多播实时视频，然后提出一个跨层优化方法来提高认知无线电网络的多播视 频质量。该技术方案存在的不足是:该方法在传输多媒体数据时，使用的是基站直接多播的 方式，虽然该方法使用可伸缩视频编码来保证信道状况好的用户解码的视频质量较高，但 是由于信道衰落和路径损耗，当多播组用户数增多时，发射端为了保证所有的用户都能够 正确解码出视频数据，发射端的速率势必会有所降低，运限制了整个网络的系统吞吐量。
[0006] 2010年H.Vicky Zhao等在"I邸E Transactions onWireless Communications" (国际电气电子工程师协会无线通信汇刊）（2010年6月第9卷）发表的"Cooperative Wireless Multicast performance Analysis and Power/Location Optimization"(协作 无线多播:性能分析和功率/位置优化)公开了一种针对无线协作多播策略的提升多播中断 性能的方法，具体内容是:该方法采用用户间协作来保证多播通信的有效传输，通过结合最 大比合并技术，分析了动态中继的联合最优功率及位置分配。该技术方案存在的不足是:首 先，该方法采用用户间协作来实现多播数据的有效传输，并假定用户是无私的作为中继，然 而该假设不可靠，因为用户都是自私的，只考虑自己的利益；其次，该方法不适用于认知无 线电网络中，不能够充分调动主次用户双方的积极性，激励作用不显著。
【发明内容】
[0007] 针对上述现有技术的不足，本发明旨在提出一种认知无线电网络中的多媒体通信 协作多播方法，通过主网络指定各层数据传输时间比例和释放给认知网络传输的时间比 例，W及认知网络选择合理的协作努力程度，一方面充分调动主网络和认知网络的积极性， 另一方面提高主网络系统吞吐量的同时增加认知网络的频谱接入机会，达到双赢。
[0008] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0009] 认知无线电网络中的多媒体通信协作多播方法，包括一个主网络和一个认知网 络。主网络包含一个主用户发射机和Μ个网络多播组用户;认知网络包含一个认知用户发射 机和一个认知用户接收机，其中认知用户发射作为认知中继协助主网络。系统的调度单位 是一帖，每一帖包含Ν个时间单元(一个时间单元代表一个时隙和频段的组合）。所述方法包 括如下步骤：
[0010] S1主网络设定系统参数，并将参数信息发送给认知中继；
[0011] S2认知中继根据系统参数中主网络的初始协作传输时间比例α，计算出在该时间 单元内最优协作功率Ps与协作传输时间比例α的关系，并将其反馈给主网络用户发射机，主 网络用户根据认知中继反馈的最优协作功率Ps与协作传输时间比例α的关系，计算出多播 组用户m(meU，U = {1，2, . . .，Μ})的主网络最优协作传输时间比例碱，并由
确定出在时间单元内多播组用户m对应的最优协作传输功率，然后将 巧反馈给主网络。主网络根据认知中继反馈的最优协作传输时间比例eCW及最优协作传 输功率巧"，计算出多播组用户m在该时间单元内可传输的最大数据比特量馬,。，。
[0012] S3主网络根据历史时间单元累积传输的基本层比特量媒判断其是否已满足要求， 若不满足，转到S4;若满足，转到S5;
[0013] S4主网络结合其基本层数据传输目标，确定出最终的协作传输时间比例卸W及协 作功率巧,，主用户使用前α/部分传输基本层数据，认知用户使用剩下的1-如部分传输自 己的数据信息。
[0014] S5主网络结合其增强层数据传输目标，确定出最终的协作传输时间比例及协 作功率，主用户使用前部分传输基本层数据，认知用户使用剩下的部分传输自 己的数据信息。
[0015] S6判断该帖数据是否传输结束，若未结束，转到S2,否则，该帖数据传输结束。
[0016] 进一步需要说明的是，步骤S1的具体方法如下：
[0017] 1.1)在传输开始阶段，主网络设定系统基本层最低数据比特量需求为Rreq，主网络 初始协作传输时间比例为α，基本层初始数据传输比特量为0。
[0018] 1.2)主网络将初始协作传输时间比例参数发送给认知中继。
[0019] 进一步需要说明的是，步骤S2的具体方法如下：
[0020] 2.1)认知用户根据主网络初始传输时间比例α，计算出在该时间单元内的最优协 作功率Ps与协作传输时间比例α的关系为；
[0021]
[0022] 其中，cos是等价的单位数据速率对整个认知用户效用的贡献，Gs表示认知用户发 射机与认知用户接收机之间的信道增益，σ2为噪声功率。
[0023] 2.2)主网络根据认知中继反馈的最优协作功率Ps与协作传输时间比例α的关系， 及多播组用户m在单位时间单元内能够获得的数据比特量化,m(a，Ps)确定出主网络多播组 用户m(meU，U = {1，2，...，M})在该时间单元内的最优传输时间比例α三:，
[0024] 其中，多播组用户m在单位时间单元内能够获得的数据比特量Rp,m(a，Ps)可表示 为：
[0025]
[0026] Gps为主网络用户发射机与认知中继之间的信道增益，GPm为主网络用户发射机与 多播用户m的接收端之间的信道增益，Gsm为认知中继与主网络多播用户m之间的信道增益， 最优传输时间比例喊是召
时所对应的α值。
[0027] 2.3)认知中继根据多播组用户m的主网络最优协作传输时间比例<,，确定在该时 间单元内多播组用户m对应的最优协作传输功率
I并反馈给主网络。
[0028] 2.4)主网络根据认知中继反馈的最优协作传输时间比例cCW及最优协作传输功 率写;"，计算出多播组用户m在该时间单元内可传输的最大数据比特量巧为
[0029]
[0030] 其中，Tp,m为直传情况下多播组用户能够获得的信噪比，Ts,m为协作情况下用户 能够获得的信噪比。
[0031] 进一步需要说明的是，步骤S3的具体方法如下：
[0032] 3.1)计算所有历史时间单元的基本层数据比特量=巧f + 巧??，其中，i援代表当 前时间单元基本层数据比特的累积量，W苗为上个一时间单元内所传输的基本层数据比特 量；
[0033] 3.2)若締 S為巧，则转到S4;否则转到S5;
[0034] 进一步需要说明的是，步骤S4的具体方法如下：
[0035] 4.1)本发明结合主网络基本层数据传输目标，即确保所有的主网络多播用户都能 够接收到基本层的数据