本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種支持互信息積累的認知中繼網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合中繼選擇及資源分配方法。

背景技術(shù)：

無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展使得無線網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出高速化、寬帶化、異構(gòu)化等特點，同時也帶來了一系列嚴峻的挑戰(zhàn)，其中最為緊迫的即是用戶對頻譜資源需求的不斷增長，導致現(xiàn)有靜態(tài)分配的授權(quán)頻帶已無法滿足用戶通信需求。但另一方面，部分已分配授權(quán)頻帶在一些時間或者地區(qū)并沒有得到充分使用，導致頻譜利用率低下。為有效提高頻譜資源利用率，緩解頻譜資源匱乏問題，采用動態(tài)頻譜接入機制的認知無線電技術(shù)近年來受到廣泛關(guān)注。

認知無線電系統(tǒng)采用基于軟件無線電技術(shù)的認知無線電終端，能夠動態(tài)感知可用頻譜，分辨當前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，根據(jù)這些狀態(tài)進行規(guī)劃、決策和響應(yīng)，在不影響授權(quán)用戶(主用戶)正常通信情況下動態(tài)、智能接入頻譜進行數(shù)據(jù)傳輸，從而可有效實現(xiàn)頻譜資源共享，提高頻譜利用率，緩解頻譜資源稀缺的問題。中繼協(xié)作通信技術(shù)通過用戶之間的協(xié)同傳輸，可有效提高網(wǎng)絡(luò)容量和數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，并降低終端傳輸功率。認知網(wǎng)絡(luò)中采用協(xié)作通信技術(shù)能夠使網(wǎng)絡(luò)中各用戶在共享頻譜資源的情況下，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能增強及頻譜利用率的提高。

互信息積累技術(shù)是一種應(yīng)用在物理層的編碼技術(shù)，可使節(jié)點在一個數(shù)據(jù)包的多次傳輸中積累信息量，直到節(jié)點可以成功解碼該數(shù)據(jù)包。應(yīng)用互信息積累技術(shù)可有效降低瞬時信道狀態(tài)信息開銷。目前已有支持互信息積累的認知中繼系統(tǒng)的資源分配方法設(shè)計，如文獻[Mohamed Saad,Joint Optimal Routing and Power Allocation for Spectral Efficiency in Multi-hop Wireless Networks,IEEE Transactions on Wireless Communications,Volume:13,Issue:5,May 2014]中提出一種聯(lián)合路由選擇和功率分配方法，在不干擾主用戶正常通信的條件下，優(yōu)化中繼選擇和功率分配以實現(xiàn)認知用戶頻譜效率最大化。其中，文獻[M.Naeem,K.Illanko,Ashok K.Karmokar,A.Anpalagan,M.Jaseemuddin,Power allocation in decode and forward relaying for green cooperative cognitive radio systems,IEEE Wireless Communications and Networking Conference(WCNC),April.2013]中提出一種功率分配方法，在不干擾主用戶正常通信的條件下，優(yōu)化功率分配以實現(xiàn)認知用戶能效效率最大化。

現(xiàn)有研究主要以系統(tǒng)頻譜效率最大化為優(yōu)化目標，未考慮用戶能耗，可能導致用戶能耗較大，但是對使用能量敏感終端的用戶，業(yè)務(wù)體驗將受到嚴重影響；而且，現(xiàn)有研究較為孤立地考慮認知網(wǎng)絡(luò)中的路由選擇、子信道分配或功率分配問題，未綜合考慮多因素的聯(lián)合優(yōu)化，無法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)整體性能優(yōu)化。

因此，需要一種支持互信息積累的認知中繼網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合中繼選擇及資源分配方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出一種支持互信息積累的認知中繼網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合中繼選擇及資源分配方法；該方法解決了現(xiàn)有認知無線網(wǎng)絡(luò)中中繼選擇及頻譜、功率分配存在的技術(shù)問題；能有效實現(xiàn)認知網(wǎng)絡(luò)中頻譜資源共享，提高整個網(wǎng)絡(luò)的效用。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：

本發(fā)明提供的支持互信息積累的認知中繼網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合中繼選擇及資源分配方法，包括以下步驟：

步驟一：認知中繼網(wǎng)絡(luò)中的源節(jié)點擬傳輸信息量B至目的節(jié)點，則發(fā)送通信需求至資源管理實體；

步驟二：資源管理實體接收源節(jié)點通信請求，確定源節(jié)點與目的節(jié)點之間的候選中繼集合Ψ；

步驟三：資源管理實體建模優(yōu)化限制條件；

步驟四：在滿足優(yōu)化限制條件下，基于聯(lián)合發(fā)射功率最小化準則優(yōu)化確定中繼節(jié)點選擇、源節(jié)點及中繼節(jié)點發(fā)送功率、子信道分配策略。

進一步，所述認知中繼網(wǎng)絡(luò)中所有從用戶為互信息積累用戶，所述認知中繼網(wǎng)絡(luò)中存在M對主用戶，第m對主用戶占用第m個子信道；

所述認知中繼網(wǎng)絡(luò)中各用戶以時隙為單位進行傳輸，令時隙長度為T₀，在第一個時隙，源節(jié)點傳輸信息給中繼節(jié)點，目的節(jié)點進行信息積累；在第二個時隙，中繼節(jié)點傳輸信息至目的節(jié)點，所述目的節(jié)點完成信息積累，進行數(shù)據(jù)解碼，源至中繼鏈路和中繼至目的節(jié)點鏈路占用相同子信道進行信息傳輸；

所述源節(jié)點S的最大發(fā)射功率為中繼節(jié)點i的最大發(fā)射功率為P_i^max，1≤i≤N，N表示網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點數(shù)目。

進一步，所述步驟二的資源管理實體接收源節(jié)點通信請求，確定源節(jié)點與目的節(jié)點之間的候選中繼集合Ψ，具體步驟如下：

按照以下公式建模：

其中，表示源節(jié)點S占用信道m(xù)傳輸信息至中繼節(jié)點i時對應(yīng)的信息量，W表示信道帶寬，h_S,i表示源節(jié)點S到中繼節(jié)點i之間的信道增益，表示源節(jié)點S使用子信道m(xù)向中繼節(jié)點i傳輸信息時所使用的發(fā)射功率，N₀表示噪聲功率，表示主用戶對m的發(fā)送端到中繼節(jié)點i的信道增益，表示主用戶對m的發(fā)送端的發(fā)射功率；

按照以下公式建模：

其中，表示中繼節(jié)點i占用信道m(xù)傳輸信息至目的節(jié)點D時對應(yīng)的信息量，h_i,D表示中繼節(jié)點i到目的節(jié)點D之間的信道增益，表示中繼節(jié)點i占用子信道m(xù)向目的節(jié)點D傳輸信息時所采用的發(fā)射功率，表示主用戶對m的發(fā)送端到目的節(jié)點D之間的信道增益；

按照以下公式建模：

其中，表示源節(jié)點S占用信道m(xù)使用發(fā)射功率傳輸信息時目的節(jié)點D積累的信息量，h_S,D表示源節(jié)點S到目的節(jié)點D之間的信道增益；

按照以下公式建模：

其中，表示建模源節(jié)點S占用信道m(xù)傳輸信息至中繼節(jié)點i時到達的最大信息量；h_S,i表示源節(jié)點S到目的節(jié)點i之間的信道增益；

按照以下公式建模：

其中，表示中繼節(jié)點i占用信道m(xù)傳輸信息至目的節(jié)點D時到達的最大信息量；

按照以下公式建模：

其中，表示目的節(jié)點D在源節(jié)點S占用信道m(xù)傳輸信息時積累的到達的最大信息量；

僅當中繼節(jié)點i滿足信息積累限制條件，即存在子信道m(xù)，1≤m≤M，使得且則中繼節(jié)點i為源節(jié)點S的候選中繼。

進一步，所述優(yōu)化限制條件具體包括：

1)子信道分配二元限制：令表示中繼及信道分配標識，若源節(jié)點S選擇中繼節(jié)點i占用信道m(xù)進行信息傳輸，否則，即

2)中繼節(jié)點信息積累限制：為完成信息傳輸，在第一個時隙中繼節(jié)點需積累足夠的信息量B：

3)目的節(jié)點信息積累限制：目的節(jié)點在兩個時隙積累的信息量需不低于源節(jié)點傳輸信息量，即：

4)從用戶最大發(fā)射功率限制：從用戶發(fā)射功率需滿足：

5)從用戶對主用戶正常通信的干擾限制：令主用戶通信的干擾門限為I_T，則需滿足：

其中，和分別表示源節(jié)點S和中繼節(jié)點i到主用戶對m的接收端的信道增益。

進一步，所述源節(jié)點及中繼節(jié)點的總發(fā)射功率P按照以下公式進行計算：

其中，P表示源節(jié)點及中繼節(jié)點的總發(fā)射功率。

進一步，所述在滿足優(yōu)化限制的條件下，基于總發(fā)射功率最小化準則聯(lián)合優(yōu)化確定中繼節(jié)點選擇、源節(jié)點及中繼節(jié)點發(fā)送功率、子信道分配策略按照如下方式進行：

其中，

為源節(jié)點S和中繼節(jié)點i最優(yōu)發(fā)送功率方案；

為源節(jié)點i和中繼節(jié)點D最優(yōu)發(fā)送功率方案；

為中繼及子信道分配方案。

由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點：

本發(fā)明提供的支持互信息積累的認知中繼網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合中繼選擇及資源分配方法。具體包括：認知中繼網(wǎng)絡(luò)主、從用戶共享頻譜資源進行信息傳輸，各主用戶占用相應(yīng)授權(quán)頻帶進行通信，各從用戶對在不干擾主用戶通信的情況下，采用協(xié)作傳輸方式進行通信，從網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點均可進行互信息積累,資源管理實體接收各從用戶業(yè)務(wù)請求，執(zhí)行聯(lián)合中繼選擇及資源分配算法，在滿足優(yōu)化限制條件下，基于聯(lián)合發(fā)射功率最小化準則優(yōu)化確定中繼節(jié)點選擇、源節(jié)點及中繼節(jié)點發(fā)送功率、子信道分配策略。本發(fā)明可有效實現(xiàn)認知中繼網(wǎng)絡(luò)中中繼選擇及節(jié)點傳輸性能優(yōu)化，并實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化。

本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導。本發(fā)明的目標和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書來實現(xiàn)和獲得。

附圖說明

本發(fā)明的附圖說明如下。

圖1為認知中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型圖；

圖2為支持互信息積累的認知中繼網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合中繼選擇及資源分配算法流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

如圖所示，圖1為認知中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型圖，本實施例提供的支持互信息積累的認知中繼網(wǎng)絡(luò)中存在多個主用戶和從用戶的認知無線電網(wǎng)絡(luò)中，主、從用戶共享頻譜資源進行信息傳輸，各主用戶占用相應(yīng)授權(quán)頻帶進行通信，各從用戶對在不干擾主用戶通信的情況下，采用協(xié)作傳輸方式進行通信，從網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點均可進行互信息積累。若源—目的節(jié)點對擬進行通信，需將業(yè)務(wù)請求發(fā)送至資源管理實體，由資源管理實體執(zhí)行聯(lián)合中繼選擇及資源分配算法，為源—目的節(jié)點對選擇最優(yōu)中繼，并為源/中繼節(jié)點分配發(fā)送功率及子信道。

如圖所示，圖2為支持互信息積累的認知中繼網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合中繼選擇及資源分配算法流程圖，具體包括：

步驟一：認知源節(jié)點(簡稱源節(jié)點)擬傳輸信息量B至認知目的節(jié)點(簡稱目的節(jié)點)，則發(fā)送通信需求至資源管理實體；

認知中繼網(wǎng)絡(luò)中所有從用戶均可進行互信息積累，網(wǎng)絡(luò)中存在M對主用戶，第m對主用戶占用第m個子信道。網(wǎng)絡(luò)中各用戶以時隙為單位進行傳輸，令時隙長度為T₀，在第一個時隙，源節(jié)點傳輸信息給中繼節(jié)點，目的節(jié)點進行信息積累；在第二個時隙，中繼節(jié)點傳輸信息至目的節(jié)點，目的節(jié)點完成信息積累，進行數(shù)據(jù)解碼，源至中繼鏈路和中繼至目的節(jié)點鏈路占用相同子信道進行信息傳輸。令源節(jié)點S的最大發(fā)射功率為中繼節(jié)點i的最大發(fā)射功率為P_i^max，1≤i≤N，其中N表示網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點數(shù)目。

步驟二：資源管理實體接收源節(jié)點通信請求，確定源與目的節(jié)點之間的候選中繼集合Ψ；

令表示源節(jié)點S占用信道m(xù)傳輸信息至中繼節(jié)點i時對應(yīng)的信息量，建模為其中，W表示信道帶寬，h_S,i表示源節(jié)點S到中繼節(jié)點i之間的信道增益，表示源節(jié)點S使用子信道m(xù)向中繼節(jié)點i傳輸信息時所使用的發(fā)射功率，N₀表示噪聲功率，表示主用戶對m的發(fā)送端到中繼節(jié)點i的信道增益，表示主用戶對m的發(fā)送端的發(fā)射功率；令表示中繼節(jié)點i占用信道m(xù)傳輸信息至目的節(jié)點D時對應(yīng)的信息量，建模為其中，h_i,D表示中繼節(jié)點i到目的節(jié)點D之間的信道增益，表示中繼節(jié)點i占用子信道m(xù)向目的節(jié)點D傳輸信息時所采用的發(fā)射功率，表示主用戶對m的發(fā)送端到目的節(jié)點D之間的信道增益；令表示源節(jié)點S占用信道m(xù)使用發(fā)射功率傳輸信息時目的節(jié)點D積累的信息量，建模為其中，h_S,D表示源節(jié)點S到目的節(jié)點D之間的信道增益。建模源節(jié)點S占用信道m(xù)傳輸信息至中繼節(jié)點i時可到達的最大信息量中繼節(jié)點i占用信道m(xù)傳輸信息至目的節(jié)點D時可到達的最大信息量目的節(jié)點D在源節(jié)點S占用信道m(xù)傳輸信息時積累的可到達的最大信息量僅當中繼節(jié)點i滿足信息積累限制條件，即存在子信道m(xù)，1≤m≤M，使得且則中繼節(jié)點i為源節(jié)點S的候選中繼。

步驟三：資源管理實體建模優(yōu)化限制條件；優(yōu)化限制條件具體包括：

1)子信道分配二元限制：令表示中繼及信道分配標識，若源節(jié)點S選擇中繼節(jié)點i占用信道m(xù)進行信息傳輸，否則，即

2)中繼節(jié)點信息積累限制：為完成信息傳輸，在第一個時隙中繼節(jié)點需積累足夠的信息量B：

3)目的節(jié)點信息積累限制：目的節(jié)點在兩個時隙積累的信息量需不低于源節(jié)點傳輸信息量，即：

4)從用戶最大發(fā)射功率限制：從用戶發(fā)射功率需滿足：

5)從用戶對主用戶正常通信的干擾限制：令主用戶通信的干擾門限為I_T，則需滿足：其中，和分別表示源節(jié)點S和中繼節(jié)點i到主用戶對m的接收端的信道增益。

步驟四：在滿足優(yōu)化限制條件下，基于聯(lián)合發(fā)射功率最小化準則優(yōu)化確定中繼節(jié)點選擇、源節(jié)點及中繼節(jié)點發(fā)送功率、子信道分配策略。

源節(jié)點及中繼節(jié)點的總發(fā)射功率P可以表示為在滿足優(yōu)化限制的條件下，基于總發(fā)射功率最小化準則聯(lián)合優(yōu)化確定中繼節(jié)點選擇、源節(jié)點及中繼節(jié)點發(fā)送功率、子信道分配策略，即其中，為最優(yōu)發(fā)送功率方案，為中繼及子信道分配方案。

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍當中。