一種基于性能最優(yōu)的認知用戶選擇方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信領域中的認知無線電通信技術領域，尤其是一種認知用戶選 擇方法。
【背景技術】
[0002] 隨著無線通信技術的發(fā)展，無線通信用戶不斷增多，業(yè)務需求快速增長，有限的無 線頻譜資源逐漸成為制約無線通信系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。大量研究報告表明當前無線頻譜的 利用率只有15%~85%，大部分頻譜在多數(shù)時候并沒有得到充分的利用，并且頻譜使用情 況非常不平衡，一些非授權頻段占用過于擁擠，而某些授權頻段則經(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。認知 無線電技術可以通過感知周圍的無線通信環(huán)境，在保證授權用戶正常通信不受影響的前提 下，伺機接入授權頻譜，能夠有效提升頻譜資源的利用率。
[0003] 在認知無線電共存式頻譜接入方法中，認知用戶在一定條件下接入授權頻譜，與 授權用戶同時使用相同的頻段。所以在這種頻譜接入方法中，認識用戶和授權用戶之間始 終存在干擾，使得原本就非常有限的頻譜資源沒有得到充分利用，授權用戶和認知用戶的 性能也會由于干擾受到影響。當認知系統(tǒng)中有多個認識用戶時，選擇不同的認知用戶接入 授權用戶的頻譜后獲得的性能會不一樣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有共存式頻譜接入技術中授權用戶和認知用戶之間相互干擾、認知用 戶性能較低的不足，本發(fā)明提供一種有效消除授權用戶和認知用戶之間相互干擾的問題、 提升認知用戶性能的基于性能最優(yōu)的認知用戶選擇方法。
[0005] 本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：
[0006] 一種基于性能最優(yōu)的認知用戶選擇方法，無線電通信系統(tǒng)包括一個主系統(tǒng)和一個 認知系統(tǒng)，其中，授權系統(tǒng)由一個授權用戶發(fā)送端和授權用戶接收端組成，所述授權系統(tǒng)支 持中繼功能，有一段W帶寬組成的授權頻譜；認知系統(tǒng)由L個認知用戶發(fā)送端和一個共同的 認知用戶接收端組成，其試圖利用可能的傳輸機會接入授權系統(tǒng)的頻譜。我們假定認知系 統(tǒng)能夠模擬授權系統(tǒng)的無線電協(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 程：
[0007] 1)認知用戶以協(xié)作方式接入授權用戶的頻譜，認知用戶接收到授權用戶的信息 后，通過解碼轉發(fā)協(xié)作方式幫助發(fā)送授權用戶的信息到授權用戶接收端；
[0008] 2)每個認知用戶STk計算在自己接入授權用戶頻譜后能夠幫助授權用戶達到的速 率RP，k;
[0009] 3)找出所有能夠幫助授權用戶達到目標速率Rt的認知用戶STk組成的集合M，M ={k|kGL,Rpik^RJ；
[0010] 4)在集合M中選擇一個認知用戶STb，
授權用戶分配一部分時間 給該認知用戶，授權其接入自己的頻譜，STb接入授權用戶的頻譜后，利用一部分帶寬轉發(fā) 授權用戶的信息幫助其達到目標速率，利用剩余的帶寬發(fā)送自己的信息；如果M是空集，即 |M| = 〇,表示沒有認知用戶能夠幫助授權用戶達到目標速率，則授權用戶繼續(xù)通過直傳發(fā) 送自己的信息；
[0011] 授權用戶和認知用戶之間的時間和帶寬分配問題建模為：
[0015] 其中，Rt表示授權用戶的目標速率，tk表示授權用戶在第一時隙發(fā)送自己信息所 占的時間，bk表示認識用戶STk在第二個時隙幫助授權用戶達到目標速率所用的帶寬。Rpik 和Rsik分別表示認知用戶ST,接入授權用戶的頻譜后，授權用戶和認知用戶獲得的速率，
[0016]
[0017] Rsjk= (l-tk) (l-bk)R4lk (4)
[0018]
，Psik表示認知用戶STk的發(fā)射功率，y4ik表示認 知用戶發(fā)送端到認知用戶接收端鏈路的信道增益，N。表示噪聲功率譜密度，和分別 表示授權用戶在第一個時隙和第二個時隙獲得的速率：
授權用戶接收端和到認知用戶發(fā)送端STk鏈路的信道增益，Y3ik表示認知用戶發(fā)送端STk 到授權用戶接收端鏈路的信道增益；
[0022] 通過數(shù)學優(yōu)化方法獲得上述的最優(yōu)時間 < 和帶寬分配
[0027] 其中 A = (R2,k-Rt)，B = (R5,k-Rd)，C = (R2,k+R3,k_R5, k)，D = (R2,k-Rd)。
[0028] 進一步，所述步驟1)中，認知用戶通過兩個時隙解碼轉發(fā)協(xié)作方式接入授權用戶 的頻譜；
[0029] 在第一個時隙，占用時間tk(0 < tk< 1)，授權用戶發(fā)送端用全部W帶寬發(fā)送信息 給授權接收端和認知用戶發(fā)送端，所以授權用戶發(fā)送端到認知用戶發(fā)送端鏈路的速率為：
[0030]
[0031] 在第二個時隙，占用時間（l_tk)，認知用戶發(fā)送端用bkW(0 < bk< 1)帶寬幫助把 解碼的授權用戶發(fā)送端的信息發(fā)送給授權接收端，所以認知用戶發(fā)送端到授權接收端鏈路 的速率為：
[0032]
[0033] 所以授權用戶通過兩個時隙在認知用戶的幫助下獲得的速率為：
[0034]
[0035] 同時，認知用戶利用剩余的（l-b)W帶寬來發(fā)送自己的信息，所以認知用戶獲得的 速率為：
[0036] Rsik= (l-tk) (l-bk)R4,k⑷。
[0037] 進一步，所述步驟4)中，認知用戶5!；通過以下方法進行選擇：選擇能夠獲得最優(yōu) 性能的認知用戶接入授權用戶的頻譜，即選擇認知用戶STk，
V6eMjM ={k|kGL，Rp,k[i]彡RJ，接入授權用戶的頻譜。
[0038] 本發(fā)明的技術構思為：由于共存式頻譜接入方法中，認知用戶和授權用戶使用相 同的頻譜同時進行通信，互相之間始終存在干擾，使得原本就非常有限的頻譜資源得不到 充分利用，授權用戶和認知用戶的性能也會由于干擾受到影響。當認知系統(tǒng)中有多個認識 用戶時，選擇不同的認知用戶接入授權用戶的頻譜后獲得的性能會不一樣。本專利方法中 系統(tǒng)基于性能最優(yōu)方式選擇認知用戶通過協(xié)作的方式接入授權用戶的頻譜，授權用戶和認 知用戶分別通過不同的時間和帶寬來發(fā)送信息，能夠有效解決授權用戶和認知用戶之間的 干擾問題，以及提高認知用戶的性能。
[0039] 本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：（1)消除了共存式頻譜接入方法中授權用戶和認 知用戶的干擾問題；（2)提升了認識用戶的性能。
【附圖說明】
[0040] 圖1是本發(fā)明方法的抗干擾頻譜接入模型示意圖，其中，匕為授權用戶發(fā)送端到授 權接收端的信道系數(shù)，h2ik為授權用戶發(fā)送端到認知用戶發(fā)送端STk的信道系數(shù)，h3，k為認知 用戶發(fā)送端STk到授權接收端的信道系數(shù)，h4k為認知用戶發(fā)送端ST,到認知接收端的信道 系數(shù)。假設路徑損耗指數(shù)V= 4,L= 20,W= 1，Pp/N。= 5dB，Rt= 2. 5bps/Hz，PS,k/N。= Ps/N〇;
[0041] 圖2為認知用戶選擇圖，圖中PT和PR分別位于二維X-Y軸上的點（0,0)和（1，0) 上。SR位于（0? 5,-0? 5)，認知用戶STk，kGL= {1，2, 3, ? ? ?，L}隨機分布在PT和PR連線 的中點為圓心，0.5為半徑的圓內(nèi)。STb為采用本發(fā)明方法選擇的認知用戶；
[0042] 圖3為授權用戶和認知系統(tǒng)速率隨著Ps/N。的變化圖；
[0043] 圖4為時間和帶寬分配隨著Ps/N。的變化圖。
【具體實施方式】
[0044] 下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
[0045] 參照圖1~圖4,一種基于性能最優(yōu)的認知用戶選擇方法，是基于現(xiàn)有的無線電通 信系統(tǒng)實現(xiàn)的。所述無線電通信系統(tǒng)包括一個主系統(tǒng)和一個認知系統(tǒng)，其中主系統(tǒng)由一個 授權用戶發(fā)送端（PT)和授權接收端（PR)組成。主系統(tǒng)支持中繼功能，有一段W帶寬組成 的授權頻譜。認知用戶系統(tǒng)由L個認知用戶發(fā)送端（STk，kGL= {1，2,3，...，L})和共同 的認知用戶接收端（SR)組成。認知系統(tǒng)能夠模擬主系統(tǒng)中的無線電協(xié)議和系統(tǒng)參數(shù)。
[0046] 本實施方式的方法中，認知用戶以協(xié)作方式接入授權用戶的頻