本發(fā)明涉及無線通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中多中繼協(xié)通信技術(shù)，更具體地說涉及一種在認(rèn)知無線信道環(huán)境下協(xié)作中繼選擇、信道分配和功率分配方法。

背景技術(shù)：

隨著無線通信業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，不斷增長的頻譜需求和日益匱乏的頻譜資源之間的矛盾越來越突出。將認(rèn)知技術(shù)和協(xié)作中繼引入到無線網(wǎng)絡(luò)中可以有效解決這一矛盾，協(xié)作中繼認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)得到了人們的青睞。

在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，次用戶(認(rèn)知用戶)可以占用未被主用戶(授權(quán)用戶)占用的信道。為了提高次用戶網(wǎng)絡(luò)的容量，得到最大的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，認(rèn)知用戶應(yīng)該盡可能多的利用空閑頻譜。現(xiàn)有的認(rèn)知技術(shù)一般采用非中繼方式，次用戶通過對主用戶占用狀態(tài)的檢測，在頻譜空閑的情況下，占用系統(tǒng)頻譜。

當(dāng)通信信道衰落較大時，協(xié)作中繼有利于提高系統(tǒng)性能。在協(xié)作中繼認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，通常次用戶作為中繼節(jié)點。中繼節(jié)點既可以作為次用戶通信之間的中繼，也可以作為主用戶的中繼。次用戶作為主用戶中繼，可以提高主用戶的傳輸速率，節(jié)省主用戶的傳輸時間，從而增加次用戶利用系統(tǒng)頻譜的機會,提高次用戶的傳輸容量。但如何合理選擇中繼、如何進行頻譜資源分配和功率分配，以獲取最大的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，成為協(xié)作多中繼認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)頻譜分配的一個主要難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決協(xié)作多中繼認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)頻譜分配的難題，本發(fā)明提出了一種具有最大吞吐量的協(xié)作多中繼認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)頻譜分配方法，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信道狀況和主用戶的速率要求，合理選擇中繼集合，信道分配和功率分配，以最大化系統(tǒng)容量。

為了達到上述目的，本發(fā)明協(xié)作中繼認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)時隙分配方法，包括如下步驟：

第1步、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置，在協(xié)作多中繼認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中有一個主用戶發(fā)送機pt、一個主用戶接收機pr、l個次用戶對，每個次用戶對均由次用戶發(fā)送機st和次用戶接收機sr構(gòu)成，集合用l表示，多中繼認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的歸一化頻譜帶寬為b，子信道數(shù)為n，子信道集合為n，則子信道帶寬b0＝b/n，次用戶采用自適應(yīng)調(diào)制進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸率根據(jù)信道的質(zhì)量自動調(diào)整；

第2步、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，在該系統(tǒng)下，主用戶發(fā)送機pt在每個子信道上的發(fā)送功率為定值ppu，次用戶系統(tǒng)的總發(fā)送功率為psu，主用戶發(fā)送機pt與次用戶發(fā)送機st、次用戶發(fā)送機st與主用戶接收機pr以及次用戶發(fā)送機st與次用戶接收機sr之間在信道n上的信道增益分別定義為和信道噪聲是均值為0，方差分別為的高斯白噪聲，主用戶的目標(biāo)速率為rt；

第3步、中繼選擇和信道分配，具體步驟如下：

a1、計算主用戶發(fā)送機pt與次用戶發(fā)送機stl在第n個信道上的通信速率其計算如下式：

定義主用戶與次用戶發(fā)送機stl的在第n個信道上的通信速率與主用戶目標(biāo)速率之比作為中繼選擇和信道分配的性能評估參數(shù)：

從而獲得中繼認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)性能評估參數(shù)矩陣：

定義參數(shù)βsum＝0；

a2、選擇性能評估參數(shù)矩陣中最大值

對應(yīng)的次用戶作為最優(yōu)中繼，對應(yīng)的信道作為最優(yōu)信道，即主用戶選擇stl’作為中繼并占用信道n'進行數(shù)據(jù)傳輸；

a3、更新βsum，

由于一個信道在同一時間只能被一個用戶占用，所以最優(yōu)信道n'不再參與下面的次用戶信道選擇，即令

a4、循環(huán)a2、a3,直到βsum≥1，即滿足主用戶速率要求；

第4步、第一時隙子信道分配，在第3步中主用戶在滿足自身速率要求的情況下，可以釋放未被占用的信道，次用戶便可以占用未被主用戶占用的信道進行數(shù)據(jù)傳輸，本分配方法下，為了體現(xiàn)用戶間的公平性，在第一時隙中僅允許參與協(xié)作的中繼次用戶有權(quán)占用剩余信道進行自身數(shù)據(jù)傳輸，假設(shè)中繼集合為l*，其數(shù)目為l*，剩余信道集合為數(shù)目為對應(yīng)的信道增益矩陣可以表示為

定義第l^*個次用戶對的性能參數(shù)：

可以獲得性能矩陣如下式：

利用hungarian算法，獲得最優(yōu)的信道分配方案，由于hungarian算法解決的是方陣問題，當(dāng)剩余信道與用戶數(shù)量不同時，需構(gòu)造方陣，此時存在兩種情況：

b1、當(dāng)剩余信道數(shù)小于用戶數(shù)，需構(gòu)造虛擬信道，信道增益令為0，即：

b2、當(dāng)剩余信道數(shù)大于用戶數(shù)，需構(gòu)造虛擬用戶，每個用戶最多可能占用的信道數(shù)為構(gòu)造性能方陣如下式：

第5步、第一時隙功率分配，根據(jù)各中繼占用的剩余信道數(shù)分配發(fā)送功率，次用戶發(fā)送機stl*分得功率如下：

其中，表示第一時隙次用戶發(fā)送機stl對信道n的占用情況，當(dāng)占用時，值為1，否則為0，利用注水算法對參與中繼的次用戶發(fā)送機在各占用的信道上進行功率分配；

第6步、第二時隙中，由作為中繼的次用戶發(fā)送機向主用戶接收機轉(zhuǎn)發(fā)主用戶數(shù)據(jù)，所有的次用戶發(fā)送機向次用戶接收機發(fā)送自身傳輸數(shù)據(jù)。

注水算法參見文獻：q.qi,a.minturn,andy.yang.anefficientwater-fillingalgorithmforpowerallocationinofdm-basedcognitiveradiosystems.inproc.2012internationalconferenceonsystemsandinformatics(icsai2012),pp.2069-2073,2012.

本發(fā)明還具有如下進一步的特征：

1、所述第6步具體包含以下步驟：

c1、第二時隙中，對轉(zhuǎn)發(fā)主用戶信號時的信道進行選擇并且對所占信道的發(fā)送功率進行分配，中繼轉(zhuǎn)發(fā)主用戶信號的信道可以與第一時隙中主用戶向中繼節(jié)點傳輸信號的信道不同，在第一時隙中優(yōu)先被選做中繼的次用戶發(fā)送機具有優(yōu)先選擇信道增益最大的信道n”作為第二時隙向主用戶接收機pr轉(zhuǎn)發(fā)信號時占用的信道，計算作為中繼的次用戶發(fā)送機stl*在第二時隙轉(zhuǎn)發(fā)主用戶所需的發(fā)送功率

c2、第二時隙信道分配，在該時隙中，各次用戶發(fā)送機均能占用空閑子信道，同樣利用hungarian算法，獲得最優(yōu)的信道分配方案，同樣當(dāng)信道數(shù)與用戶數(shù)不同時，需構(gòu)造方陣進行信道分配；

c3、第二時隙功率分配，第二時隙中次用戶發(fā)送機stl”向次用戶接收機的發(fā)送功率如下：

其中表示第二時隙次用戶發(fā)送機stl對信道n的占用情況，同樣利用采用注水算法求得次用戶發(fā)送機在該時隙中在各信道上分配的功率；

c4、根據(jù)兩個時隙的信道與功率分配情況，進行資源分配，完成數(shù)據(jù)傳輸。

2、步驟3中，中繼的選擇取決于性能評估參數(shù)其大小取決于主用戶的目標(biāo)速率為rt，主用戶發(fā)送功率ppu，主用戶發(fā)送機和次用戶發(fā)送機之間的信道增益以及噪聲功率

3、步驟4中，對剩余信道的分配采用hungarian算法，其參數(shù)的值取決于次用戶發(fā)送機與接收機之間的信道增益，其參數(shù)定義如式7。

5、采用對剩余功率的分配，取決于分配信道數(shù)與次用戶系統(tǒng)占用總信道的比值。

本發(fā)明依托協(xié)作多中繼認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)，次用戶通過協(xié)作主用戶數(shù)據(jù)傳輸，提高主用戶傳輸速率，獲取更多的頻譜資源，從而提高信道容量。本發(fā)明根據(jù)主用戶的速率要求，合理選擇多中繼集合，以獲取最大的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)容量。本發(fā)明采用上述手段實現(xiàn)多中繼協(xié)作系統(tǒng)，達到提高認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)吞吐量的目的。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。

圖1是協(xié)作多中繼認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)示意圖。

圖2是本發(fā)明實施例頻譜分配的流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步說明。

如圖1所示為本實施例協(xié)作多中繼認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)示意圖，從圖中可知，該網(wǎng)絡(luò)中具有一個主用戶發(fā)送機pt、一個主用戶接收機pr、l個次用戶對(發(fā)送機st和次用戶接收機sr)，次用戶采用自適應(yīng)調(diào)制進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸率根據(jù)信道的質(zhì)量自動調(diào)整。

在協(xié)助中繼模型中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)周期包括兩個階段(時隙)，主用戶向次用戶發(fā)送數(shù)據(jù)階段和次用戶轉(zhuǎn)發(fā)主用戶數(shù)據(jù)階段。在每個階段中次用戶都可以占用未被主用戶占用的信道。因此，每個階段都有信道分配和功率分配問題。

本發(fā)明實施協(xié)作多中繼認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜分配方法(流程圖見圖2)，包括如下步驟：

第1步、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置，在協(xié)作多中繼認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中有一個主用戶發(fā)送機pt、一個主用戶接收機pr、l個次用戶對，每個次用戶對均由次用戶發(fā)送機st和次用戶接收機sr構(gòu)成，集合用l表示。多中繼認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的歸一化頻譜帶寬為b，子信道數(shù)為n，子信道集合為n，則子信道帶寬b0＝b/n。次用戶采用自適應(yīng)調(diào)制進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸率根據(jù)信道的質(zhì)量自動調(diào)整。本實施例中，主用戶帶寬為b＝160mhz，l＝4，n＝16；

第2步、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，在該系統(tǒng)下，主用戶發(fā)送機pt在每個子信道上的發(fā)送功率為定值ppu，次用戶系統(tǒng)的總發(fā)送功率為psu，主用戶發(fā)送機pt與次用戶發(fā)送機st、次用戶發(fā)送機st與主用戶接收機pr以及次用戶發(fā)送機st與次用戶接收機sr之間在信道n上的信道增益分別定義為和信道噪聲是均值為0，方差分別為的高斯白噪聲，主用戶的目標(biāo)速率為rt。在本實例中：噪聲方差主用戶在每個子信道上的發(fā)送機功率ppu＝20mw，主用戶目標(biāo)速率rt＝1bit/s/hz；

第3步、中繼選擇和信道分配，具體步驟如下：

a1、計算主用戶發(fā)送機pt與次用戶發(fā)送機stl在第n個信道上的通信速率其計算如下式：

定義主用戶與次用戶發(fā)送機stl的在第n個信道上的通信速率與主用戶目標(biāo)速率之比作為中繼選擇和信道分配的性能評估參數(shù)：

從而獲得中繼認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)性能評估參數(shù)矩陣：

定義參數(shù)βsum＝0；

a2、選擇性能評估參數(shù)矩陣中最大值

對應(yīng)的次用戶作為最優(yōu)中繼，對應(yīng)的信道作為最優(yōu)信道，即主用戶選擇stl’作為中繼并占用信道n'進行數(shù)據(jù)傳輸；

a3、更新βsum，

由于一個信道在同一時間只能被一個用戶占用，所以最優(yōu)信道n'不再參與下面的次用戶信道選擇，即令

a4、循環(huán)a2、a3,直到βsum≥1，即滿足主用戶速率要求；

第4步、第一時隙子信道分配，在第3步中主用戶在滿足自身速率要求的情況下，可以釋放未被占用的信道，次用戶便可以占用未被主用戶占用的信道進行數(shù)據(jù)傳輸，本分配方法下，為了體現(xiàn)用戶間的公平性，在第一時隙中僅允許參與協(xié)作的中繼次用戶有權(quán)占用剩余信道進行自身數(shù)據(jù)傳輸，假設(shè)中繼集合為l*，其數(shù)目為l*，剩余信道集合為數(shù)目為對應(yīng)的信道增益矩陣可以表示為

定義第l^*個次用戶對的性能參數(shù)：

可以獲得性能矩陣如下式：

利用hungarian算法，獲得最優(yōu)的信道分配方案，由于hungarian算法解決的是方陣問題，當(dāng)剩余信道與用戶數(shù)量不同時，需構(gòu)造方陣，此時存在兩種情況：

b1、當(dāng)剩余信道數(shù)小于用戶數(shù)，需構(gòu)造虛擬信道，信道增益令為0，即：

b2、當(dāng)剩余信道數(shù)大于用戶數(shù)，需構(gòu)造虛擬用戶，每個用戶最多可能占用的信道數(shù)為構(gòu)造性能方陣如下式：

第5步、第一時隙功率分配，根據(jù)各中繼占用的剩余信道數(shù)分配發(fā)送功率，次用戶發(fā)送機stl*分得功率如下：

其中，表示第一時隙次用戶發(fā)送機stl對信道n的占用情況，當(dāng)占用時，值為1，否則為0，利用注水算法對參與中繼的次用戶發(fā)送機在各占用的信道上進行功率分配；

第6步、第二時隙中，對轉(zhuǎn)發(fā)主用戶信號時的信道進行選擇并且對所占信道的發(fā)送功率進行分配，中繼轉(zhuǎn)發(fā)主用戶信號的信道可以與第一時隙中主用戶向中繼節(jié)點傳輸信號的信道不同，在第一時隙中優(yōu)先被選做中繼的次用戶發(fā)送機具有優(yōu)先選擇信道增益最大的信道n”作為第二時隙向主用戶接收機pr轉(zhuǎn)發(fā)信號時占用的信道，計算作為中繼的次用戶發(fā)送機stl*在第二時隙轉(zhuǎn)發(fā)主用戶所需的發(fā)送功率

第7步、第二時隙信道分配，在該時隙中，各次用戶發(fā)送機均能占用空閑子信道，同樣利用hungarian算法，獲得最優(yōu)的信道分配方案，同樣當(dāng)信道數(shù)與用戶數(shù)不同時，需構(gòu)造方陣進行信道分配；

第8步、第二時隙功率分配，第二時隙中次用戶發(fā)送機stl”向次用戶接收機的發(fā)送功率如下：

其中表示第二時隙次用戶發(fā)送機stl對信道n的占用情況，同樣利用采用注水算法求得次用戶發(fā)送機在該時隙中在各信道上分配的功率；

第9步、根據(jù)兩個時隙信道分配與功率分配情況，進行資源分配，完成數(shù)據(jù)傳輸。

對本實施例的協(xié)作多中繼認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)進行仿真，仿真結(jié)果表明采用本案的多中繼協(xié)作方案，可以根據(jù)主用戶的速率要求、信道狀況選擇中繼并進行信道分配、功率分配，最終實現(xiàn)次用戶網(wǎng)絡(luò)的容量最大化。

除上述實施例外，本發(fā)明還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護范圍。