[发明专利]基于DF协议的双向中继认知无线电系统中的资源分配方法

摘要

本发明公开了一种基于DF协议的双向中继认知无线电系统中的资源分配方法，其利用DF协议容量最大化特点，得到认知移动用户、基站与各个中继之间的功率关系；然后利用该关系及认知移动用户向中继传输信号时所用的功率限制条件、基站向中继传输信号时所用的功率限制条件，得到通过每个中继传输信号时双向中继认知无线电系统的信噪比，接着通过对所有信噪比进行排列组合，找到一组信噪比组合，其所有信噪比的和值在满足干扰限制条件下最大，再根据找到的信噪比组合中的所有信噪比的和值，获得最大系统容量及对应的中继和中继广播信号时所用的功率；优点是提高了系统容量，且仅求解每个中继广播信号时所用的功率即可，简化了功率求解过程，降低了复杂度。

主权项

1.一种基于DF协议的双向中继认知无线电系统中的资源分配方法，其特征在于包括以下步骤：①设定双向中继认知无线电系统中的每个信道采用多瑞利衰落模型；设定双向中继认知无线电系统由一个认知移动用户、一个基站、M个中继及一个授权用户组成，其中，M＞1；设定认知移动用户与基站之间没有直接链路，需选择L个中继进行信号传输，其中，1≤L≤M；设定每个中继选择半双工工作方式，每个中继进行信号传输的过程分为两个时隙：第一时隙为多路访问时隙，在第一时隙中，基站向所有中继传输信号，将基站的发射功率记为P_CB，同时认知移动用户向所有中继传输信号，将认知移动用户的发射功率记为P_S，基站和认知移动用户传输信号时是向同一个中继传输信号的；在第一时隙中，认知移动用户和基站均对授权用户产生干扰；第二时隙为广播时隙，在第二时隙中，每个中继对其接收到的来自基站的信号和来自认知移动用户的信号进行广播，将第m个中继广播信号时所用的功率记为在第二时隙中，每个中继也对授权用户产生干扰；上述，1≤m≤M；设定基站与每个中继之间的信道增益、认知移动用户与每个中继之间的信道增益、认知移动用户与授权用户之间的信道增益、基站与授权用户之间的信道增益、每个中继与授权用户之间的信道增益都是已知的，将基站与第m个中继之间的信道增益、认知移动用户与第m个中继之间的信道增益、认知移动用户与授权用户之间的信道增益、基站与授权用户之间的信道增益、第m个中继与授权用户之间的信道增益对应记为g₁、g₂、g₃、g₄、g₅，其中，1≤m≤M，符号“| |”为取绝对值符号，表示基站与第m个中继之间的信道系数，表示认知移动用户与第m个中继之间的信道系数，h^S‑PU表示认知移动用户与授权用户之间的信道系数，h^CB‑PU表示基站与授权用户之间的信道系数，表示第m个中继与授权用户之间的信道系数；设定认知移动用户与授权用户同时接入频谱进行信号传输；设定双向中继认知无线电系统中的所有噪声都为σ_n²的加性高斯白噪声；②将通过第m个中继传输信号时DF协议下的双向中继认知无线电系统的速率记为根据认知移动用户到第m个中继的速率、基站到第m个中继的速率、第m个中继到基站的速率、第m个中继到认知移动用户的速率及第m个中继能处理信号的最大限制速率，将描述为：并根据香浓定律，将R_DFm描述为：然后结合和得到进而得到其中，1≤m≤M，min()为取最小值函数，R₁表示在第一时隙中认知移动用户到第m个中继的速率，R₂表示在第一时隙中基站到第m个中继的速率，R₃表示在第二时隙中第m个中继到基站的速率，R₄表示在第二时隙中第m个中继到认知移动用户的速率，R₅表示在第二时隙中第m个中继能处理信号的最大限制速率，SNR_m表示通过第m个中继传输信号时DF协议下的双向中继认知无线电系统的信噪比；③构建DF协议下的双向中继认知无线电系统中的优化资源分配问题，描述为：P_S×g₃+P_CB×g₄≤I_th其中，max表示“使最大化”，ε_m为第m个中继的选择因子，当ε_m＝1时代表第m个中继被选中，当ε_m＝0时代表第m个中继未被选中，R_DF表示选择L个中继进行信号传输时DF协议下的双向中继认知无线电系统的系统容量，s.t.表示“受约束于……”，表示认知移动用户的限制功率，表示基站的限制功率，表示第m个中继的限制功率，I_th表示授权用户所能接受的最大干扰值，第1个约束条件为P_S的限制条件，第2个约束条件为P_CB的限制条件，第3个约束条件为的限制条件，第4个约束条件表示在第一时隙中认知移动用户向第m个中继传输信号时认知移动用户对授权用户产生的干扰与基站向第m个中继传输信号时基站对授权用户产生的干扰之和不超过授权用户所能接受的最大干扰值，第5个约束条件表示在第二时隙中M个中继广播信号时其对授权用户产生的干扰不超过授权用户所能接受的最大干扰值，第6个约束条件表示ε_m的取值限制；④求解步骤③中的优化资源分配问题，在求解过程中采用DF协议容量最大化的特点，求解得到认知移动用户、基站与各个中继之间的功率关系；然后用每个中继广播信号时所用的功率来表示认知移动用户向该个中继传输信号时所用的功率和基站向该个中继传输信号时所用的功率，获得通过每个中继传输信号时DF协议下的双向中继认知无线电系统的信噪比的值；接着通过对所有信噪比的值进行排列组合，找到一种信噪比组合，该信噪比组合中的所有信噪比的值的和值在满足步骤③中的优化资源分配问题中的第5个约束条件下最大；再根据找到的信噪比组合中的所有信噪比的值的和值，获得DF协议下的双向中继认知无线电系统的最大系统容量及最大系统容量对应的L个中继和L个中继各自广播信号时所用的功率；所述的步骤④的具体过程为：④_1、根据DF协议容量最大化的特点，当R₁＝R₃且R₂＝R₄时，R_DF取值最大；然后根据及R₁＝R₃，得到并根据及R₂＝R₄，得到接着根据和将转化为并得到和④_2、根据和将转化为P_S×g₃+P_CB×g₄≤I_th然后结合中的前4个约束条件，得到接着根据将转化为④_3、当R₁＝R₃且R₂＝R₄时，将转化为然后根据及和求解得到SNR_m的值；④_4、对步骤④_3求解得到的M个信噪比的值进行排列组合，当选择1个中继时，中继有种选择，信噪比有种组合；当选择2个中继时，中继有种选择，信噪比有种组合；依次类推，当选择M个中继时，中继有种选择，信噪比有种组合；然后计算每种信噪比组合中的所有信噪比的值的和值；接着从个和值中找出满足的最大值，记为SNR_max；再结合SNR_max和得到进而得到R_DF的值，该值为DF协议下的双向中继认知无线电系统的最大系统容量，并得到最大系统容量对应的L个中继和L个中继各自广播信号时所用的功率。