基于多維資源自適應(yīng)分配的協(xié)作認知傳輸方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，更進一步涉及協(xié)作認知無線電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域中的一種 基于多維資源自適應(yīng)分配的協(xié)作認知傳輸方法。該方法可以綜合利用了時域、頻域和空域 進行資源聯(lián)合共享的協(xié)作傳輸，提高了授權(quán)用戶的傳輸性能，使認知用戶獲得了通信傳輸 的機會，提高了頻譜利用率。該方法可以在改善授權(quán)傳輸?shù)那疤嵯拢箙⑴c協(xié)作的認知用戶 獲得公平的調(diào)度，獲得認知系統(tǒng)生存時間、認知用戶能量效率方面的性能提升。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線通信的快速發(fā)展，頻譜資源稀缺和頻譜利用率低的矛盾日益突出，如何 提高頻譜利用率始終是無線通信研究的核心問題之一。認知無線電作為一種非常有前景的 提高頻譜利用率的技術(shù)，自提出以來就受到人們廣泛的關(guān)注和研究。最近將認知無線電和 協(xié)作通信技術(shù)相結(jié)合的協(xié)作認知無線電網(wǎng)絡(luò)（Cooperativecognitiveradionetwork, CCRN)受到了人們的關(guān)注。在協(xié)作認知無線電網(wǎng)絡(luò)中，沒有通信資源的認知用戶為了得到通 信機會，消耗一定的功率幫助授權(quán)用戶轉(zhuǎn)發(fā)信息，以此獲得授權(quán)用戶給予的一部分通信資 源，如時間、頻率等作為回報，用于認知用戶自身的數(shù)據(jù)傳輸。通過招募認知用戶作為中繼， 授權(quán)用戶的傳輸?shù)玫礁纳疲J知用戶也獲得了通信機會，從而實現(xiàn)授權(quán)與認知系統(tǒng)的"雙 贏"，提高了頻譜利用率。而關(guān)于通信資源如何分配的協(xié)作認知傳輸方法的設(shè)計是CCRN的關(guān) 鍵問題，現(xiàn)有的協(xié)作認知傳輸方法主要有一下幾種：
[0003] JingT，ZhuS,LiH，etal·在其發(fā)表的論文"Cooperativerelayselectionin cognitiveradionetworks''([C]//INF0C0M, 2013ProceedingsIEEE.IEEE, 2013:175-179)中公開了一種基于時分多址(TDMA)的三階段協(xié)作傳輸方法。該方法在第一階段授權(quán)用 戶廣播授權(quán)信息，第二階段認知用戶轉(zhuǎn)發(fā)授權(quán)信息，第三階段認知用戶傳輸自身業(yè)務(wù)。該方 法存在的不足是:授權(quán)用戶需要將一部分時間資源作為回報給認知用戶，認知用戶則在相 同的信道上交替地進行授權(quán)信息轉(zhuǎn)發(fā)和自身數(shù)據(jù)發(fā)送，導(dǎo)致授權(quán)與認知業(yè)務(wù)的時延增加。
[0004]SuW,MatyjasJD，BatalamaS.在其發(fā)表的論文"Activecooperationbetween primaryusersandcognitiveradiousersincognitivead-hocnetworks"（[C]// AcousticsSpeechandSignalProcessing(ICASSP),2010IEEEInternational Conferenceon.IEEE,2010:3174-3177)中公開了一種基于頻分多址(FDMA)的兩階段協(xié)作 傳輸方法。該方法通過將將授權(quán)用戶的頻譜資源劃分為互不重疊的兩部分，一部分用于授 權(quán)數(shù)據(jù)的傳輸，在該頻帶上，授權(quán)用戶首先進行廣播(第一階段），然后認知用戶在相同頻帶 上對授權(quán)信息進行轉(zhuǎn)發(fā)(第二階段）；另一部分作為認知用戶協(xié)助授權(quán)通信的回報，認知用 戶在該頻帶上持續(xù)進行自身數(shù)據(jù)的發(fā)送。該方法存在的不足是:授權(quán)用戶需要犧牲一部分 帶寬以換取認知用戶的協(xié)助。
[0005]MannaR，LouieRΗY，LiY，etal·在其發(fā)表的論文"Cooperativespectrum sharingincognitiveradionetworkswithmultipleantennas"（[J]·Signal Processing，IEEETransactionson，2011，59( 11): 5509-5522)中公開了一種基于多輸入 多輸出(ΜΙΜΟ)的兩階段單中繼協(xié)作傳輸方法，授權(quán)用戶在第一階段進行廣播，第二階段認 知用戶采用空間復(fù)用的方式，實現(xiàn)授權(quán)與認知信息并發(fā)。該方法存在的不足是:該方法沒有 考慮多個認知用戶參與協(xié)作的場景，并且在信道質(zhì)量差的情況下，通信質(zhì)量嚴重下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于多維資源自適應(yīng)分配 的協(xié)作認知傳輸方法，以多維資源的自適應(yīng)分配，改善授權(quán)系統(tǒng)的傳輸，使認知用戶獲得公 平的調(diào)度，提高了頻譜利用率。
[0007]本發(fā)明實現(xiàn)的基本思路是，采用配置多天線的認知用戶充當(dāng)協(xié)作中繼，綜合利用 了時域、頻域和空域進行資源動態(tài)共享。按照時隙劃分因子將一個傳輸周期劃分成兩個階 段，在第一階段時，按照頻帶分配因子將授權(quán)用戶帶寬劃分成互不重疊的兩部分頻帶，授權(quán) 發(fā)射機和認知發(fā)射機分別利用該兩部分頻帶中的一個，以頻分多址的方式進行授權(quán)數(shù)據(jù)和 認知數(shù)據(jù)的無干擾的傳輸;在第二階段時，認知發(fā)射機占據(jù)所有授權(quán)用戶帶寬，利用多天線 提供的空間復(fù)用能力，在向授權(quán)接收機轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的同時，進行認知傳輸。
[0008]根據(jù)上述思路，本發(fā)明實現(xiàn)步驟包括如下：
[0009] (1)配置天線：
[0010] 將認知發(fā)射機配置多根天線，將授權(quán)發(fā)射機、授權(quán)接收機和認知接收機分別配置 單根天線；
[0011] (2)將傳輸周期t初始化為1;
[0012] (3)授權(quán)發(fā)射機PT獲取鏈路速率信息：
[0013] (3a)在協(xié)作認知傳輸系統(tǒng)的第t個傳輸周期中，授權(quán)發(fā)射機PT獲取授權(quán)發(fā)射機PT到認知發(fā)射機STk的鏈路速率信息；
[0014] (3b)認知發(fā)射機STk獲取認知發(fā)射機STk到認知接收機SRk的鏈路速率信息，并將該 鏈路速率信息反饋給授權(quán)發(fā)射機PT;
[0015] (3c)認知發(fā)射機STk根據(jù)認知發(fā)射機STk到授權(quán)接收機PR鏈路的預(yù)編碼向量，獲取 認知發(fā)射機STk到授權(quán)接收機PR的鏈路速率信息，并將該鏈路速率信息反饋給授權(quán)發(fā)射機 PT；
[0016] (3d)認知發(fā)射機STk根據(jù)認知發(fā)射機STk到認知接收機SRk鏈路的預(yù)編碼向量，獲取 認知發(fā)射機STk到認知接收機SRk的鏈路速率信息，并將鏈路速率信息反饋給授權(quán)發(fā)射機PT;
[0017](3e)授權(quán)發(fā)射機PT確定認知發(fā)射機STk的時隙劃分因子和頻率分配因子的值；
[0018] (3f)授權(quán)發(fā)射機PT根據(jù)認知發(fā)射機STk的時隙劃分因子和頻率分配因子的值得到 認知發(fā)射機STk作為中繼時授權(quán)發(fā)射機PT到授權(quán)接收機PR的端到端等效鏈路速率和認知發(fā) 射機STk到認知接收機SRk的平均鏈路速率；
[0019] (3g)判斷授權(quán)發(fā)射機PT是否獲取系統(tǒng)中所有鏈路的平均速率，若是，則執(zhí)行步驟 (4)，否則，執(zhí)行步驟(3a);
[0020] (4)考慮公平性的中繼選擇：
[0021] (4a)授權(quán)發(fā)射機PT根據(jù)授權(quán)傳輸速率和認知平均傳輸速率，確定各認知中繼的調(diào) 度權(quán)重；
[0022] (4b)從授權(quán)發(fā)射機PT從各認知中繼的調(diào)度權(quán)重中，選擇調(diào)度權(quán)重中最大的值所對 應(yīng)的認知中繼作為中繼；
[0023] (5)時域、頻域和空域的協(xié)作傳輸：
[0024] (5a)按照步驟4選擇的認知中繼的時隙劃分因子值，將一個傳輸周期劃分成兩個 階段；
[0025] (5b)在第一個階段，按照步驟4選擇的認知中繼的頻帶分配因子將授權(quán)用戶帶寬 劃分成互不重疊的兩部分頻帶，授權(quán)發(fā)射機占用該兩部分頻帶中的任意一個將授權(quán)數(shù)據(jù)發(fā) 送給認知發(fā)射機;認知發(fā)射機占用該兩部分頻帶的另外一個將認知數(shù)據(jù)發(fā)送給認知接收 機；
[0026] (5c)在第二個階段，認知發(fā)射機占用所有的授權(quán)帶寬，利用多根天線的空間復(fù)用 能力，在轉(zhuǎn)發(fā)授權(quán)數(shù)據(jù)給授權(quán)發(fā)射機的同時，將認知數(shù)據(jù)繼續(xù)發(fā)送給認知接收機；
[0027] (6)采用比例公平算法，授權(quán)發(fā)射機PT更新各認知中繼STk的平均速率；
[0028] (7)判斷授權(quán)發(fā)射機是否發(fā)送完所有授權(quán)數(shù)據(jù)，若是，則執(zhí)行步驟(8)，否則，將傳 輸周期t加1，執(zhí)行步驟(3);
[0029] (8)結(jié)束傳輸。
[0030]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：
[0031]第一、由于本發(fā)明綜合利用了時域、頻域和空域進行資源聯(lián)合共享的協(xié)作傳輸，克 服了現(xiàn)有技術(shù)僅聯(lián)合共享部分維度資源因而傳輸速率較低的問題，使得本發(fā)明提高了授權(quán) 用戶的傳輸性能，使認知用戶獲得了通信傳輸?shù)臋C會，提高了頻譜利用率。
[0032]第二、由于本發(fā)明通過基于認知用戶歷史平均速率進行調(diào)度權(quán)重的計算，選擇調(diào) 度權(quán)重最大的中繼實現(xiàn)了公平中繼選擇，克服了現(xiàn)有技術(shù)中中繼選擇未考慮公平性，導(dǎo)致 一部分有通信需求且愿意協(xié)作的認知用戶長時間得不到傳輸機會的問題，使得本發(fā)明中各 認知用戶均可得到公平的通信機會，獲得認知系統(tǒng)生存時間、認知用戶能量效率方面的性 能提升。
【附圖說明】
[0033]附圖1為本發(fā)明系統(tǒng)模型的示意圖；
[0034]附圖2為本發(fā)明的流程圖；
[0035]附圖3為本發(fā)明仿真效果圖。
【具體實施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述。
[0037]參照圖1，本發(fā)明的系統(tǒng)模型示意圖中包括一個授權(quán)發(fā)射機（Primary transmitter,PT),一個授權(quán)接收機(Primaryreceiver,PR)，K個認知用戶對（STi，SRi)，其 中i=l，···，!(，圖1中用不同的灰度表示不同維度的通信資源。SI\配置多根天線，其余節(jié)點 配置單根天線。PT從K個ST中選出一個STk(ke{l，···，!(})作為中繼協(xié)助授權(quán)傳輸;與STk對應(yīng) 的用戶對(STk，SRk)獲得一定的通信資源補償。中繼協(xié)作方式采用譯碼轉(zhuǎn)發(fā)，中繼在兩段互 不重疊的頻帶上實現(xiàn)全雙工。授權(quán)用戶總帶寬為W赫茲，一個傳輸周期為T秒，劃分為2個階 段，時長分別為&(t)T和[l-&(t)]T，&(t)表示第t個傳輸周期時當(dāng)51\被選為