一种基于认知无线电双向中继的非正交多址传输方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A non orthogonal multiple access transmission method based on cognitive radio bidirectional relay

【技术实现步骤摘要】
一种基于认知无线电双向中继的非正交多址传输方法
本专利技术属于无线通信领域，尤其涉及认知无线非正交多址传输能效优化方法。
技术介绍
随着无线通信技术的发展，对于无线频谱资源的需求的不断增加与频谱资源的稀缺之间的矛盾不断的加剧，但是实际的测量结果表明大量授权频谱利用率很低，为了提高频谱利用率，认知无线电作为提高频谱利用率的关键技术而得到广泛的关注，同时非正交多址作为另一种提高频谱效率的技术广泛的用于多用户传输过程中，将非正交多址技术应用到认知无线电网络中既提高了频谱效率又增加了用户接入数量。然而CR-NOMA系统在信号传输过程中有两方面问题亟待解决，一方面由于为了减少对主用户产生的干扰，次用户的发射功率受限，从而影响其长距离传输。另一方面NOMA用户的大量接入，产生了大量的能源消耗，能源利用率较低，同时认知网络中有限的能源限制了网络容量进一步提高。针对CR-NOMA系统中次用户功率受限问题，通过CR-NOMA中增加中继协助用户传输可以有效地改善这一情况。现有的研究中，有的通过全双工中继辅助次用户传输，并利用系统的吞吐量作为系统评价的性能指标，为了进一步提高次用户传输系统的可靠性，采用中继选择的方式，挑选性能较好的中继辅助次用户传输。有的从多天线的天线选择上入手，提出了一种新的放大转发CR-NOMA系统的联合中继和天线选择策略，并且分析协作CR-NOMA网络的中断性能。然而以上研究均是通过单向中继辅助用户传输，相同时隙内中继只能发送或接收来自同一方向的信息，传输速率相对较慢，并且没有考虑系统能耗方面的影响，相同的发送功率和总体能量消耗的条件下系统能效相对比较低。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为提高CR-NOMA系统的能源效率，本专利技术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(二)技术方案为解决上述技术问题，本专利技术公开了无线通信系统中一种基于认知无线电双向中继的非正交多址传输方法，包括如下步骤：1、基于认知无线电双向中继的非正交多址传输方法是一种提高频谱资源利用率和能源效率的有效传输方式，其具体包括如下步骤：步骤A，本专利技术主要考虑的是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2hR1和hR2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，pr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，xi(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hRP和hPP分别为TWR到PR，和PT到PR的信道。x为TWR到PT的发送信号，sn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HR1＝hR1hR1T，HR2＝hR2hR2T，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pl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Rtot＝2(RS1+RS2)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Rp≥ith、R1→2≥rth、pr≤pmaxb3+b4＝1,0≤b3≤0.5、0≤ρ≤1，其中ith、rth、Emin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，pmax为中继最大发射功率。5、根据权利要求1所述的方法，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Rtot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pr的凸函数，并对约束项Rp和R1→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pr、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pr，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Rtot关于b3的导数可得Rtot'(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pr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ΕH≥Εmin、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＝Emin/(2ηHR1pr+2ηHR2pr)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pr，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pr，其他链路功耗pl,约束函数阈值rth、Εmin、pmax，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pr、b3、ρ和ηEE。(三)有益效果为了提高CR-NOMA系统的频谱效率和能源效率，在CR-NOMA系统中通过双向中继取代传统的单向中继，中继采用无线信息和能量同时传输方式，在保证用户服务质量和最小能量捕获条件下最大化次用户传输系统的能效。首先，根据次用户传输速率和实际能源消耗模型推导出次用户能本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，本专利技术主要考虑的是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2

【技术特征摘要】
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2hR1和hR2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，pr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，xi(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hRP和hPP分别为TWR到PR，和PT到PR的信道。x为TWR到PT的发送信号，sn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HR1＝hR1hR1T，HR2＝hR2hR2T，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pl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Rtot＝2(RS1+RS2)C2，根据C1得到的总体传输速率和B...

【专利技术属性】
技术研发人员：冉静学，贾玲玲，佘蕊，
申请(专利权)人：中央民族大学，
类型：发明
国别省市：北京,11