一種基于時(shí)間和帶寬分配的雙向協(xié)作抗干擾頻譜接入方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線通信領(lǐng)域中的認(rèn)知無(wú)線電通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種頻譜接入方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線通信用戶不斷增多，業(yè)務(wù)需求快速增長(zhǎng)，有限的無(wú) 線頻譜資源逐漸成為制約無(wú)線通信系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。大量研究報(bào)告表明當(dāng)前無(wú)線頻譜的 利用率只有15%~85%，大部分頻譜在多數(shù)時(shí)候并沒(méi)有得到充分的利用，并且頻譜使用情 況非常不平衡，一些非授權(quán)頻段占用過(guò)于擁擠，而某些授權(quán)頻段則經(jīng)常處于空閑狀態(tài)。可見 造成頻譜資源緊缺的主要原因是現(xiàn)有的這種固定式的頻譜管理方式和頻譜分配策略。認(rèn)知 無(wú)線電技術(shù)可以通過(guò)感知周圍的無(wú)線通信環(huán)境，在保證授權(quán)用戶正常通信不受影響的前提 下，伺機(jī)接入授權(quán)頻譜，能夠有效提升頻譜資源的利用率。
[0003] 在認(rèn)知無(wú)線電共存式頻譜接入方法中，認(rèn)知用戶在一定條件下接入授權(quán)頻譜，與 授權(quán)用戶同時(shí)使用相同的頻段。所以在這種頻譜接入方法中，認(rèn)識(shí)用戶和授權(quán)用戶之間始 終存在干擾，使得原本就非常有限的頻譜資源沒(méi)有得到充分利用，授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶的 性能也會(huì)由于干擾受到影響。而且這種頻譜接入方法使用單向協(xié)作方式，由于其半雙工的 工作模式造成了頻譜效率的損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有共存式頻譜接入技術(shù)中的缺陷，解決授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶之間相互干擾 的問(wèn)題、克服頻譜效率損失的不足，本發(fā)明提供一種有效消除授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶之間相 互干擾的問(wèn)題、提升頻譜效率的基于時(shí)間和帶寬分配的雙向協(xié)作抗干擾頻譜接入方法。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：
[0006] -種基于時(shí)間和帶寬分配的雙向協(xié)作抗干擾頻譜接入方法，無(wú)線電通信系統(tǒng)包括 一個(gè)主系統(tǒng)和一個(gè)認(rèn)知系統(tǒng)，其中，主系統(tǒng)由兩個(gè)授權(quán)用戶A和B組成，工作在半雙工模式， 所述授權(quán)系統(tǒng)支持中繼功能，有一段W帶寬組成的授權(quán)頻譜；認(rèn)知系統(tǒng)由一個(gè)認(rèn)知用戶發(fā) 送端和認(rèn)知接收端組成，所述認(rèn)知系統(tǒng)能夠模擬主系統(tǒng)中的無(wú)線電協(xié)議和系統(tǒng)參數(shù)；所述 協(xié)作抗干擾頻譜接入方法包括以下過(guò)程：
[0007] 1)授權(quán)用戶A和B計(jì)算自己通過(guò)直傳時(shí)的速率和，:如果授權(quán)用戶A和B達(dá) 不到自己的目標(biāo)速率RAT和RBT，則允許認(rèn)知用戶以三個(gè)時(shí)隙解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作方式接入自己的 頻譜。否則授權(quán)用戶通過(guò)直傳發(fā)送自己的信息；
[0008] 2)認(rèn)知用戶接入授權(quán)用戶的頻譜后，授權(quán)用戶A和B計(jì)算自己在第一個(gè)和第二個(gè) 時(shí)隙直傳鏈路上的速率RAB和RBA。認(rèn)知用戶根據(jù)RAB和RBA是否能夠達(dá)到目標(biāo)速率，通過(guò)以 下四種不同方式接入授權(quán)用戶的頻譜；
[0009] 2. 1)當(dāng)RAB<RAT和RBA<RBT時(shí)，計(jì)算授權(quán)用戶A和B在認(rèn)知用戶的幫助下獲得的 速率心和RB，如果RA>RAT和RRBT，則授權(quán)用戶A和B就會(huì)允許認(rèn)識(shí)用戶在第三個(gè)時(shí)隙 接入自己的頻譜。否則，授權(quán)用戶A和B通過(guò)直傳發(fā)送自己的信息。認(rèn)知用戶接入授權(quán)用 戶A和B的頻譜后，利用一部分的帶寬轉(zhuǎn)發(fā)授權(quán)用戶A和B的信息，利用剩余的帶寬發(fā)送自 己的信息。
[0010] 2. 2)當(dāng)RAB彡RAT，RBA<RBT時(shí)，計(jì)算授權(quán)用戶B在認(rèn)知用戶的幫助下獲得的速率 RB，如果RB>RBT，則授權(quán)用戶B就會(huì)允許認(rèn)識(shí)用戶在第三個(gè)時(shí)隙接入自己的頻譜。否則，授 權(quán)用戶A和B通過(guò)直傳發(fā)送自己的信息。認(rèn)知用戶接入授權(quán)用戶B的頻譜后，利用一部分 帶寬幫助轉(zhuǎn)發(fā)授權(quán)用戶B的信息，利用剩余的帶寬發(fā)送自己的信息。授權(quán)用戶A在第一個(gè) 時(shí)隙分配一部分時(shí)間給認(rèn)知用戶發(fā)送信息；
[0011] 2. 3)當(dāng)RAB<RAT，RBA彡RBT時(shí)，計(jì)算授權(quán)用戶A在認(rèn)知用戶的幫助下獲得的速率 RA，如果RA>RAT，則授權(quán)用戶A就會(huì)允許認(rèn)識(shí)用戶在第三個(gè)時(shí)隙接入自己的頻譜。否則，授 權(quán)用戶A和B通過(guò)直傳發(fā)送自己的信息。認(rèn)知用戶接入授權(quán)用戶A的頻譜后，利用一部分 帶寬幫助轉(zhuǎn)發(fā)授權(quán)用戶A的信息，利用剩余的帶寬發(fā)送自己的信息。授權(quán)用戶B在第二個(gè) 時(shí)隙分配一部分時(shí)間給認(rèn)知用戶發(fā)送信息；
[0012] 2. 4)當(dāng)RAB彡RAT，RBA彡RBT時(shí)，則授權(quán)用戶A和B在第一個(gè)和第二個(gè)時(shí)隙分配一部 分時(shí)間給認(rèn)知用戶發(fā)送信息。認(rèn)知用戶在剩余的第三個(gè)時(shí)隙利用全部的帶寬發(fā)送自己的信 息；
[0013] 授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶之間的時(shí)間和帶寬分配問(wèn)題建模為：
[0014] maxRs⑴
[0015] 滿足以下條件
[0016] (2)
[0017] 其中RA，RB，RS*別表示認(rèn)知用戶接入授權(quán)用戶的頻譜后授權(quán)用戶A和B，以及認(rèn)知 用戶獲得的速率，RAT和RBT分別表示授權(quán)用戶A和B的目標(biāo)速率，T= {m，η}，B= {α，β}， m和η分別表示授權(quán)用戶Α和Β在第一個(gè)時(shí)隙和第二個(gè)時(shí)隙發(fā)送自己信息所占的時(shí)間，α 和β分別表示認(rèn)識(shí)用戶在第三個(gè)時(shí)隙幫助授權(quán)用戶Α和Β達(dá)到目標(biāo)速率所用的帶寬。根 據(jù)RAB和RBA是否能夠達(dá)到目標(biāo)速率RAT和RBT，RA，私和Rs有四種不同的形式。其中RAB和RBA 分別表示授權(quán)用戶A和B在第一個(gè)和第二個(gè)時(shí)隙直傳鏈路上的速率：
[0018]
[0019]
[0020] P#P及別表示授權(quán)用戶A和B的功率，γAB和γBA表示授權(quán)用戶A和B互相之 間的信道增益，σ2表示噪聲方差。
[0021] ①當(dāng)RAB<RAT，RBA<RBT時(shí)，
[0022] Ra=min{RAS,RSB} (5)
[0023] Rb=min{RBS,RSA} (6)
[0024]

[0025] 其中匕表示認(rèn)知用戶的功率，γSD表示認(rèn)知用戶發(fā)送端到接收端的信道增益，Ras， Rsa，Rbs和Rsb分別表示授權(quán)用戶A和認(rèn)知用戶S，以及授權(quán)用戶B和認(rèn)知用戶S互相之間的 速率：
[0026]
[0027]
[0028]
[0029]
[0030] γAs，γSA，γBS，γSB分別表示授權(quán)用戶A，B，授權(quán)用戶A和認(rèn)知用戶S，以及授權(quán)用 戶B和認(rèn)知用戶S互相之間的信道增益。
[0031] ②當(dāng)RAB彡RAT，RBA<RBT時(shí)，
u
[0047] 通過(guò)數(shù)學(xué)優(yōu)化方法獲得上述四種情況的最優(yōu)時(shí)間和帶寬分配：
[0048] ①當(dāng)RAB<RAT，RBA<RBT時(shí)，
[0057]③當(dāng)RBA彡RBT，RAB<RA了時(shí)，
[0065] α *=β*= 〇 (36)。
[0066] 進(jìn)一步，所述步驟2)中，認(rèn)知用戶通過(guò)三個(gè)時(shí)隙解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作方式接入授權(quán)用戶 的頻譜；
[0067] 在第1個(gè)時(shí)隙，授權(quán)用戶Α用全部W帶寬發(fā)送信息給授權(quán)用戶Β和認(rèn)知用戶S，則 A-B和A-S鏈路獲得的速率可以分別表不為：
[0068]
[0069]
[0070] 在第2個(gè)時(shí)隙，授權(quán)用戶B用全部W帶寬發(fā)送信息給授權(quán)用戶A和認(rèn)知用戶S，則 B-A和B-S鏈路的速率可以分別表示為
[0071]
[0072]
[0073] 根據(jù)RAB和RBA是否能夠達(dá)到目標(biāo)速率RAT和RBT，RA，私和Rs有四種不同的形式：
[0074] ①當(dāng)RAB<RAT，RBA<RBT時(shí)，表示授權(quán)用戶A和B在第1個(gè)和第2個(gè)時(shí)隙達(dá)不到目 標(biāo)速率RAT和RBT，此時(shí) = ?二j，
[0075] 在第3個(gè)時(shí)隙，占用1/3時(shí)隙，認(rèn)知用戶分別利用aW(〇 <a< 1)和βW(〇 <β < 1)帶寬轉(zhuǎn)發(fā)授權(quán)用戶A和B的信息幫助授權(quán)用戶達(dá)到目標(biāo)速率，授權(quán)用戶A和B經(jīng)過(guò)3 個(gè)時(shí)隙后獲得的速率可以分別表示為
[0076] Ra=min{RAS,RSB} (5)
[0077] Rb=min{RBS,RSA} (6)
[0078] 其中
[0079]
[0080]
[0081] 認(rèn)知用戶在第3個(gè)時(shí)隙同時(shí)利用剩余的[1-(a+i3)]W帶寬發(fā)送自己的信息，則認(rèn) 知用戶獲得的速率可以表示為
[0082] (7)
[0083] ②當(dāng)RAB彡RAT，RBA<RBT時(shí)，表示授權(quán)用戶A在第1個(gè)時(shí)隙獲得的速率已經(jīng)大于其 1Λ 目標(biāo)速率RAT，授權(quán)用戶Β在第2個(gè)時(shí)隙達(dá)不到目標(biāo)速率，此時(shí)《 = = 0， 3
[0084] 授權(quán)用戶Α在第1個(gè)時(shí)隙使用Μ:( 0 < <ν )的時(shí)隙就可以達(dá)到目標(biāo)速率RAT，即 .3:
[0085]
(12)
[0086] 在第3個(gè)時(shí)隙，占用時(shí)隙（2/3-m)，認(rèn)知用戶利用帶寬轉(zhuǎn)發(fā)授權(quán)用戶B的信息 幫助其達(dá)到目標(biāo)速率，授權(quán)用戶B經(jīng)過(guò)3個(gè)時(shí)隙后獲得的速率可以表示為
[0087] Rb=min{RBS,RSA} (13)
[0088] 其中
[0089]
[0090] 認(rèn)知用戶在第3個(gè)時(shí)隙同時(shí)利用剩余的（l-β)W帶寬發(fā)送自己的信息，認(rèn)知用戶 獲得的速率可以表示為
[0091]
(14)
[0092] ③當(dāng)RAB<RAT，RBA彡RBT時(shí)，表示授權(quán)用戶A在第1個(gè)時(shí)隙達(dá)不到目標(biāo)速率，授權(quán) 用戶B在第2個(gè)時(shí)隙獲得的速率已經(jīng)大于其目標(biāo)速率RBT，此時(shí)W= β=〇; J
[0093] 授權(quán)用戶B在第2個(gè)時(shí)隙使用《 ( 0 </?< 4 )的時(shí)隙就可以達(dá)到目標(biāo)速率RBT，即 J
[0094]
(17)
[0095] 在第3個(gè)時(shí)隙，占用時(shí)隙（2