本发明专利技术公开了一种基于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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种中继认知无线电系统中的资源分配技术，尤其是涉及一种基于DF(Decode and Forward，解码转发)协议的双向中继认知无线电系统中的资源分配方法。
技术介绍
近年来无线通信技术得到了快速发展，随着无线应用需求的增加，频谱紧缺的问题日益凸显。认知无线电技术通过允许认知用户在不影响授权用户正常工作的前提下，动态地接入授权频带，有效地提高了频谱利用效率。为了满足人们更高的无线通信业务需求，新一代的无线通信系统不仅需要能提供更高的系统容量，而且还需要能满足用户对服务质量的要求，如链路的可靠性以及网络的覆盖范围等。然而，考虑到无线信道的时变特性以及信号传输中的距离衰落等因素的影响，使得无线传输的可靠性以及网络的覆盖范围等方面遇到了严峻的挑战。而协作中继技术有效地改善了在无线环境中因为地理分布以及信道的深度衰减等因素所造成的信号可靠度降低，协作中继技术将有助于提高通信质量、增加无线通信系统的系统容量以及扩大网络的覆盖范围，因而，协作中继技术是当前最受到关注的无线通信技术之一。认知无线电中的中继网络可根据不同的形式进行分类。认知无线电中的中继网络根据数据流方向可分为两种：单向中继网络和双向中继网络。双向中继系统的整体系统容量是单向中继系统的整体系统容量的两倍，这使得双向中继网络更进一步地被关注。在双向中继系统中，基于物理层网络编码的双向中继系统应用最为广泛，其只需要两个时隙就可以完成双向数据的交互，因而比传统的单向中继系统提高了一倍的效率。认知无线电中的中继网络根据中继节点的双工方式又可分为两种：一种是半双工中继网络；另一种是全双工中继网络。考虑到实现复杂度，目前常见的中继系统一般都为半双工中继系统。采用半双工方式的协作中继节点根据信号处理策略可分为AF(Amplify and Forward，放大转发)、DF(Decode and Forward，解码转发)和CC(Coded Cooperation，编码协作)，其中，DF协议方式是中继在接收到源节点的信号后先进行解码，然后将解码后的数据重新编码后再转发给目的节点。双向中继认知无线电系统中，为了得到较高的系统容量，资源分配成了有待优化的问题。资源分配中，中继选择又是一个需要解决的问题。中继选择中，有选择单中继进行信号传输，有选择多中继进行信号传输。选择单中继使得资源分配优化问题简化易求解，但是系统容量有限。选择多中继会使得资源分配优化问题复杂化，但可以改善系统容量。双向中继认知无线电系统中的资源分配优化问题经典解决方法有三种，一是将优化问题转为凸优化问题进行求解；二是应用拉格朗日结合次梯度方法进行求解；三是应用平均功率方法求解。由于存在对认知用户发射功率的限制和对授权用户干扰的限制，因此将优化问题转为凸优化问题进行求解的方法和应用拉格朗日结合次梯度方法进行求解的方法的复杂度高，不易求解；而应用平均功率方法求解的方法不能得到较高的系统容量。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于DF协议的双向中继认知无线电系统中的资源分配方法，其不仅能够提高系统容量，而且能够简化功率分配，降低复杂度。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：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PCB，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PS，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，g3＝|hS-PU|2，g4＝|hCB-PU|2，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，hS-PU表示认知移动用户与授权用户之间的信道系数，hCB-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σn2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，SNRm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： max P S , P C B , P RS m , ϵ m R D F = 1 2 log 2 ( 1 + Σ 本文档来自技高网...
【技术保护点】
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PCB，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PS，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，g3＝|hS‑PU|2，g4＝|hCB‑PU|2，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，hS‑PU表示认知移动用户与授权用户之间的信道系数，hCB‑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σn2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，SNRm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：maxPS,PCB,PRSm,ϵmRDF=12log2(1+Σm=1Mϵm×SNRm)]]>s.t.0≤PS≤PS‾]]>0≤PCB≤PCB‾]]>0≤PRSm≤PRSm‾,∀m=1,2,...,M]]>PS×g3+PCB×g4≤IthΣm=1Mϵm×PRSm×g5≤Ith]]>ϵm∈{0,1},∀m=1,2,...,M]]>其中，max表示“使最大化”，εm为第m个中继的选择因子，当εm＝1时代表第m个中继被选中，当εm＝0时代表第m个中继未被选中，RDF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，Ith表示授权用户所能接受的最大干扰值，第1个约束条件为PS的限制条件，第2个约束条件为PCB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εm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...
【技术特征摘要】
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PCB，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PS，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，g3＝|hS-PU|2，g4＝|hCB-PU|2，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，hS-PU表示认知移动用户与授权用户之间的信道系数，hCB-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σn2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，SNRm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： m a x P S , P C B , P RS m ...
【专利技术属性】
技术研发人员：李婷，李有明，余明宸，付彩梅，周桂莉，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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