一種協作中繼認知無線網絡時隙分配方法
【專利摘要】本發明涉及以一種協作中繼認知無線網絡時隙分配方法，依托協作中繼認知無線網絡，在認知網絡傳輸時隙分配中，最優設計頻譜感知時間、主用戶傳輸時間、中繼轉發時間和頻譜接入時間，合理選擇工作模型，以獲取最大的認知網絡吞吐量。本發明采用上述兩個手段達到了最優分配協作中繼認知無線網絡時隙，提高認知網絡吞吐量的目的。
【專利說明】
-種協作中繼認知無線網絡時隙分配方法
技術領域
[0001] 本發明設及無線通信網絡領域中的頻譜感知與頻譜接入時間設計技術，更具體地 說設及一種在無線信道環境下協作中繼認知網絡中的時隙分配方法。
【背景技術】
[0002] 隨著無線通信業務的快速發展，不斷增長的頻譜需求和日益匿乏的頻譜資源之間 的矛盾越來越突出。將認知技術和協作中繼引入無線網絡中可W有效解決運一矛盾，協作 中繼認知無線網絡得到了人們的青睞。
[0003] 在認知無線網絡中，次用戶（認知用戶）首先感知自身周圍的頻譜環境。當他發現 存在空閑頻譜時，他將調整自身的工作參數，接入空閑頻段，傳輸數據。同時，次用戶不停地 檢測信道狀態。一旦發現主用戶（授權用戶）在該頻段上工作（存在），次用戶得必須立刻退 出該頻段W免干擾主用戶的信號傳輸，然后尋找新的空閑頻譜重新接入。
[0004] 為了得到最大的網絡吞吐量（網絡容量），認知無線網絡的頻譜感知時間要盡可能 的短，W增加頻譜接入時間。但頻譜感知時間越短，認知網絡的頻譜檢測率越低，對主用戶 產生干擾的可能性就越大。現有的技術采用分散式Q-學習算法優化頻譜感知與接入時間， 或者采用最佳感知時間與功率優化分配策略，或者采用中繼選擇與功率優化分配策略來實 現認知網絡吞吐量的最大化。但在協作中繼認知無線網絡中，網絡吞吐量除了與認知用戶 的頻譜感知時間有關外，還與主用戶的傳輸時間、中繼節點的轉發時間等因素有關。因此， 如何合理分配協作中繼認知無線網絡的頻譜感知時間、主用戶傳輸時間、中繼轉發時間和 頻譜接入時間，W獲取最大的網絡吞吐量，成為設計協作中繼認知無線網絡時隙的一個主 要難題。

【發明內容】

[0005] 為了克服上述現有技術的不足，本發明提出了一種具有最大吞吐量的協作中繼認 知網絡時隙分配方法，根據認知網絡的頻譜檢測率、次用戶接收到信號的信噪比和系統抽 樣率，合理分配次用戶的頻譜感知時間，中繼轉發時間W及頻譜接入時間，W最大化系統容 量。
[0006] 為了達到上述目的，本發明一種協作中繼認知無線網絡時隙分配方法，包括如下 步驟：
[0007] 第1步、網絡系統配置，在協作中繼認知網絡中有一個主用戶PT、一個主用戶基站 BS、一個次用戶對:分別為次用戶ST和次用戶SR,次用戶ST和次用戶SR采用自適應調制進行 數據的傳輸，數據傳輸率根據信道的質量自行動態調整；
[000引第2步、系統參數設置，主用戶PT發射的功率為Ppt,次用戶ST發射的功率為Pst,主 用戶PT與主用戶基站BS間的信道增益為hpb，主用戶PT與次用戶ST間的信道增益為hps，次用 戶ST與主用戶基站BS間的信道增益為hsb，次用戶SR與次用戶ST間的信道增益為hss，所有信 道噪聲功率均為No，認知網絡的傳輸時隙長度為T，系統抽樣率為f S，系統頻譜檢測率為Pd;
[0009] 第3步、時隙分配，具體步驟如下：
[0010] al、根據認知網絡系統參數和信道增益分別計算得到主用戶傳輸時間ti和次用戶 ST中繼轉發時間t2
[0014] 或 3
[0011] 式 1
[0012] 式 2
[001引曰2、建立與頻譜感知時間T相關的函數
[0015] I函數Q(X)的反函數
丫為次用戶ST接收信號的信噪比；
[0016]
[0017] a3、計算具有最大網絡吞吐量的頻譜感知時間
[001 引 I = Ti(Z) 式 4
[0019] 其中，
[0020]
或 5
[0021] Ti(Z)為函數f (T)的反函數，q為主用戶的活動概率；
[0022] 第4步、次用戶S巧良據第3步計算的頻譜感知時間T對主用戶PT信號進行檢測；
[0023] 第5步、次用戶ST依據頻譜檢測結果，選擇不同的工作模型接入頻譜，傳輸自己數 據給次用戶SR, W獲取最大的認知網絡吞吐量；
[0024] 當次用戶檢測到主用戶PT存在時，次用戶ST首先作為主用戶PT的中繼節點幫助主 用戶PT傳輸數據，等主用戶PT工作完畢后再接入該頻道工作，此時，整個系統傳輸的時隙T 分成4部分:頻譜感知時間T，主用戶PT將數據傳輸給次用戶ST的時間ti，次用戶ST向主用戶 基站BS中繼主用戶數據的時間t2,次用戶ST傳輸自己數據給次用戶SR的時間，即頻譜接入 時間為T-T-t廣t2;
[0025] 當次用戶ST檢測不到主用戶PT存在時，次用戶ST即刻接入該頻道工作，此時，整個 系統傳輸的時隙T分成部分:感知時間T和次用戶ST傳輸自身數據給次用戶SR的時間，即頻 譜接入時間為T-T。
[0026] 本發明進一步的設計在于，步驟5中，工作模型的選擇依據步驟4頻譜檢測結果選 定。
[0027] 本發明進一步的設計在于，步驟5中，次用戶接入頻譜的時間根據選定的工作模型 決定。
[0028] 本發明依托協作中繼認知無線網絡，在認知網絡傳輸時隙分配中，最優設計頻譜 感知時間、主用戶傳輸時間、中繼轉發時間和頻譜接入時間，合理選擇工作模型，W獲取最 大的認知網絡吞吐量。本發明采用上述兩個手段達到了最優分配協作中繼認知無線網絡時 隙，提高認知網絡吞吐量的目的。
【附圖說明】
[0029] 下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
[0030] 圖1是協作中繼認知無線電網絡示意圖。
[0031] 圖2是主用戶存在時的認知網絡工作模型。
[0032] 圖3是主用戶不存在時的認知網絡工作模型。
[0033] 圖4是本發明實施例時隙分配流程圖。
【具體實施方式】
[0034] 下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步說明。
[0035] 如圖1所示為本實施例協作中繼認知無線網絡示意圖，從圖中可知，該網絡中具有 一個主用戶對:主用戶基站BS和主用戶PT,-個次用戶對:次用戶ST、次用戶SR,其中次用戶 ST為次用戶發射機，次用戶SR為次用戶接收機。次用戶ST和次用戶SR采用自適應調制進行 數據的傳輸，數據傳輸率根據信道的質量自行動態調整。
[0036] 本發明實施協作中繼認知無線網絡時隙分配方法(流程圖見圖3)，包括如下步驟：
[0037] 第1步、網絡系統配置，在協作中繼認知網絡中有一個主用戶發射機PT、一個主用 戶基站BS、一個次用戶發射機ST和一個次用戶接收機SR,主用戶的授權頻譜的歸一化帶寬 為W。次用戶采用自適應調制進行數據的傳輸，數據傳輸率根據信道的質量自行動態調整； 本實施例中，主用戶帶寬為W=IOMHZd
[003引第2步、系統參數設置，主用戶發射機功率為Ppt,次用戶ST發射的功率為Pst,主用 戶與基站間的信道增益為hpb，主用戶與次用戶ST間的信道增益為hps，次用戶ST與基站間的 信道增益為hsb，次用戶SR與次用戶ST間的信道增益為hss，所有信道噪聲功率均為No,認知網 絡的傳輸時隙長度為T，系統抽樣率為fs，系統頻譜檢測率為Pd;在本實例中：噪聲功率No = 1 0-3mW，主用戶發射機功率時T = 20mW，次用戶ST發射的功率Pst = 50mW，主用戶與基站間的信 道增益hpb = 0.01，主用戶與次用戶ST間的信道增益hps = 0.6,次用戶ST與基站間的信道增 益hsb = 0.6，次用戶SR與次用戶ST間的信道增益hss = 0.9，時隙長度T= 1000 iiS，系統抽樣率 fs= IOOMHz O
[0039] 第3步、時隙分配，次用戶ST在檢測主用戶是否存在時有四種可能：（1)主用戶存在 并且被檢測到是存在的，（2)主用戶存在但沒有被檢測到，（3)主用戶不存在但被檢測到是 存在的，（4)主用戶不存在同時也沒有檢測到主用戶存在;根據運四種可能得到認知網絡的 平均容量為
[0040]
或 6
[0041] 其中，q為主用戶的活動概率，ti為主用戶將數據傳輸給次用戶的時間
[0042]
[0043]
[0044]
[0045]
[0046]
[0047] 柴比；
[004引
[0049]
[(K)加]
[0化1 ]
[0化2]
[0化3]
[0化4]
[0055] Gri(X)為函數Q(X)的反函數；
[0056] 顯然，口'如）<0，口"如）〉0。由于*1〉0山〉0，因此可^證明
[0化7]
[0化引也就是說，竊;巧是一個嚴格的凸函數；由此得出C(r)的嚴格凸優化解(全局最優 解）
[0059] T = f-i(Z)
[0060] 其中，
[0061]
[0062]
[0063] 本實施例中q = 0.35。
[0064] 第4步、次用戶S巧良據步驟3計算的最優頻譜感知時間對主用戶信號進行檢測；
[0065] 第5步、次用戶ST依據頻譜檢測結果，選擇不同的工作模型接入頻譜，傳輸自己數 據，W獲取最大的認知網絡吞吐量；
[0066] 當次用戶ST檢測到主用戶存在時，次用戶ST首先作為主用戶的中繼節點幫助主用 戶傳輸數據，等主用戶工作完畢后在接入該頻道工作，此時的網絡工作模型如圖2所示，整 個系統傳輸的時隙T分成4部分:頻譜感知時間T，主用戶將數據傳輸給次用戶ST的時間ti， 次用戶ST向基站中繼主用戶數據的時間t2,認知用戶傳輸自己數據給次用戶SR的時間（頻 譜接入時間）T-T-t廣t2 ;
[0067] 當次用戶ST檢測不到主用戶存在時，次用戶ST可即刻接入該頻道工作，此時的網 絡工作模型如圖3所示，整個系統傳輸的時隙T分成2部分:感知時間T和次用戶ST傳輸自身 數據給次用戶SR的時間(頻譜接入時間)T-T;
[0068] 對本實施例的協作中繼認知網絡進行仿真，仿真結果表明采用本案的時隙設計方 法，可W根據不同的檢測概率要求、接收信號信噪比的大小、信道增益的變化找到最優的時 隙分配方案，提高網絡吞吐量。可見，本發明實施例與已有的時隙分配方法相比顯著提高了 協作中繼認知無線網絡的吞吐量。
[0069] 除上述實施例外，本發明還可W有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形 成的技術方案，均落在本發明要求的保護范圍。
【主權項】
1. 一種協作中繼認知無線網絡時隙分配方法，包括如下步驟： 第1步、網絡系統配置，在協作中繼認知網絡中有一個主用戶PT、一個主用戶基站BS，和 一個次用戶對:分別為次用戶ST和次用戶SR，次用戶ST和次用戶SR采用自適應調制進行數 據的傳輸，數據傳輸率根據信道的質量自行動態調整； 第2步、系統參數設置，主用戶PT發射的功率為PPT，次用戶ST發射的功率為PST，主用戶PT 與主用戶基站BS間的信道增益為hpb，主用戶PT與次用戶ST間的信道增益為hps，次用戶ST與 主用戶基站BS間的信道增益為h sb，次用戶SR與次用戶ST間的信道增益為hss，所有信道噪聲 功率均為No，認知網絡的傳輸時隙長度為T，系統抽樣率為f s，系統頻譜檢測率為Pd; 第3步、時隙分配，具體步驟如下： al、根據認知網絡系統參數和信道增益分別計算得到主用戶傳輸時間七和次用戶ST中 繼轉發時間t2a2、建立與頻譜感知時間τ相關的函數為函數Q(x)的反函數為次用戶ST接收信號的信噪比； a3、計算具有最大網絡吞吐量的頻譜感知時間 T = f-HZ)式 4 其中，ΓΗΖ)為函數f(T)的反函數，q為主用戶的活動概率； 第4步、次用戶ST根據第3步計算的頻譜感知時間τ對主用戶PT信號進行檢測； 第5步、次用戶ST依據頻譜檢測結果，選擇不同的工作模型接入頻譜，傳輸自己數據給 次用戶SR，以獲取最大的認知網絡吞吐量； 當次用戶檢測到主用戶ΡΤ存在時，次用戶ST首先作為主用戶ΡΤ的中繼節點幫助主用戶 ΡΤ傳輸數據，等主用戶ΡΤ工作完畢后再接入該頻道工作，此時，整個系統傳輸的時隙Τ分成4 部分:頻譜感知時間τ，主用戶ΡΤ將數據傳輸給次用戶ST的時間t，次用戶ST向主用戶基站 BS中繼主用戶數據的時間t2,次用戶ST傳輸自己數據給次用戶SR的時間，即頻譜接入時間 為T-T-tl_t2; 當次用戶ST檢測不到主用戶PT存在時，次用戶ST即刻接入該頻道工作，此時，整個系統 傳輸的時隙T分成部分:感知時間τ和次用戶ST傳輸自身數據給次用戶SR的時間，即頻譜接 入時間為Τ_τ。2. 根據權利要求1所述協作中繼認知無線網絡時隙分配方法，其特征在于:步驟5中，次 用戶發射機的工作模型依據步驟4頻譜檢測結果選定。3. 根據權利要求1所述協作中繼認知無線網絡時隙分配方法，其特征在于:步驟5中，次 用戶ST接入頻譜的時間根據選定的工作模型來決定。
【文檔編號】H04W24/02GK105828442SQ201610264776
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月26日
【發明人】張士兵, 郭欣, 朱志佩, 陳蔣婧嫻, 包志華
【申請人】南通大學