[发明专利]一种基于认知无线电双向中继的非正交多址传输方法

摘要

本发明公开了一种基于认知无线电双向中继的非正交多址传输方法。该方法首先通过认知无线电双向中继网络模型，定义了在保证用户服务质量和最小能量捕获等约束下系统能效的评价指标；并通过优化双向中继发射功率分配，用户接收功率分配因子和中继发射功率最终得到一种能够最大化能效的认知无线电双向中继的非正交传输方法。本发明不但提高了系统频谱资源的利用率，同时也提高了系统能源利用率。

主权项

1.基于认知无线电双向中继的非正交多址传输方法，其具体包括如下步骤：步骤A，本发明主要考虑的是CR‑NOMA网络，根据传输机制确定基于双向中继的认知无线非正交多址(CR‑NOMA)传输系统模型，并计算各个节点的接收信号。步骤B，根据用户和中继的输入输出信号计算对应的传输速率为和次用户传输系统能耗值。步骤C，根据次用户节点传输速率和总体能耗模型，确定系统关于次用户能效的评估指标。步骤D，将安全能效变为等式最优问题进行求解，并通过优化功率分配和中继发射功率最优系统安全能效。步骤E，通过联合优化算法以得到系统能效的最优解。其中，步骤A具体包括：A1，构建基于认知无线电双向中继的非正交多址传输方式的系统模型，该模型中包含一对主用户，主用户发送(PT)和主用户接收端(PR)，两对次用户，一个双向中继(TWR)。两对次用户之间通过TWR进行信息交换，进行信息交换的过程中采用NOMA的传输方式。A2，对步骤A1的系统模型，计算用户1和用户2h_R1和h_R2分别为TWR到用户1和用户2的传输信道，n₁和n₂为用户1和用户2所受到的噪声，p_r为TWR发射功率，为次用户接收端用于信息接收的能量，b₃和b₄为TWR端的发送功率分配因子，x_i(i＝3,4)为TWR发送信号。A3，整个传输过程中主用户接收信号为h_RP和h_PP分别为TWR到PR，和PT到PR的信道。x为TWR到PT的发送信号，s_n为PT到PR的发送信号，为PT接收信号噪声。A3，对步骤A1的系统模型，计算用户1和用户2的接受能量分别为其中H_R1＝h_R1h_R1^T，H_R2＝h_R2h_R2^T，η为能效转化因子。ρ为用户接收端用于接收能量的功率分配系数。其中，步骤B具体包括：B1，通过用户节点接收信号确定用户接收信噪比，用户1和用户2的接收信噪比分别为和分别为用户1和用户接收信号的噪声功率。主用户接收信噪比为其中为主用户接收端噪声功率。B2，由步骤B1得到的用户接受信噪比，确定用户1和用户2的接收速率分别为和近用户解码远用户的速率为主用户接收信号速率为B3，由步骤A3得到的用户捕获的能量和TWR发送功率确定次用户传输系统实际能源消耗为p_l为除TWR发射功率之外的所有次用户的链路功耗和发射功率。其中，步骤C具体包括：C1，根据用户1和用户2的接收信号的速率确定次用户接收系统总体接收功率为R_tot＝2(R_S1+R_S2)C2，根据C1得到的总体传输速率和B3的实际能耗，建立系统的系统能效的评估指标为C3，由于整个系统为保证能效最大化也受到其他条件的制约，其约束条件具体为R_p≥i_th、R_1→2≥r_th、p_r≤p_max b₃+b₄＝1,0≤b₃≤0.5、0≤ρ≤1，其中i_th、r_th、E_min分别为主用户最小传输速率、近用户成功解码远用户和最低能量捕获的阈值，p_max为中继最大发射功率。其中，步骤D具体包括：D1，由于能效最优问题为复杂的分式规划问题，对此将其转为等式最优问题进行求解式中：是根据对数函数的性质对R_tot进行变形得到，其具体表达形式为D2，通过优化中继发射功率以得到能效的局部最优解，首先将和速率进行凸优化变换将其转化为关于发送给功率p_r的凸函数，并对约束项R_p和R_1→2也进行进凸优化变换。D3，根据D2得到的凸函数，利用采用拉格朗日对偶算法求最优解，优化问题的拉格朗日函数为。ω、μ、γ和ν分别为约束项对应的拉格朗日乘子。通过对p_r、ω、μ、γ和ν求偏导的获得相应的极值点ω^*、μ^*、γ^*、ν^*，并得到关于中继发射功率的局部最优解。D4在给定中继发射功率p_r，次用户功率分配因子ρ的条件下优化中继发射功率，其优化问题可重新表示为，通过求解R_tot关于b₃的导数可得R_tot'(b₃)＞0，因此系统能效是关于功率分配b₃的递增函数。从而确定最优发送功率分配值为D5，假定变量p_r和b₃已知的条件下，对接收端的功率分配因子进行优化，其优化问题为：约束函数为Ε_H≥Ε_min、0≤ρ≤1。通过对约束项进行便变换得到次用户发接收功率分配的取值范围为Ξ≤ρ≤1，其中Ξ＝E_min/(2ηH_R1p_r+2ηH_R2p_r)为接收功率分配因子的下限，并利用二分搜索算法得到最优接收功率分配值。其中，步骤E具体包括：E1，为了最大化次用户传输系统能效，需对中继发射功率p_r，TWR功率分配b₃和用户接收功率分配因子进行联合优化，初始化变量，η＝0.8中继传输功率p_r，其他链路功耗p_l,约束函数阈值r_th、Ε_min、p_max，迭代次数i＝0，ρ⁽⁰⁾＝0.5，收敛精度∈。E2，判断能效指标的收敛性，当时迭代因子i＝i+1，并根据ρ^(i‑1)、计算最优传输功率E3，根据E1和E2中求得的ρ^(i‑1)、并通过公式计算中继最优功率分配E4，通过上述求得的并根据二分搜索算法计算中继最优功率分配ρ⁽ⁱ⁾。E5，结合前面求得的和ρ⁽ⁱ⁾根据公式计算输出p_r、b₃、ρ和η_EE。