一种频谱效率和能量效率平衡的全双工认知中继通信方法技术

本发明专利技术公开了一种频谱效率和能量效率平衡的全双工认知中继通信方法，所述方法包括：一对授权用户的发射机和接收机、一对非授权用户的发射机和接收机、一个全双工中继；全双工中继有只协助授权用户模式、只协助非授权用户模式以及同时协助授权用户和非授权用户模式等三种中继通信模式，在频谱效率约束下通过比较能量效率最优值的大小，选择对应最优能量效率值最大的中继通信模式。本发明专利技术根据能量效率最优值选择最佳中继通信模式，达到系统的频谱效率和能量效率平衡，适用于不同优先级节点在全双工中继协助下共享频带的异构网络。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设及认知无线电
，具体设及一种频谱效率和能量效率平衡的全双 工认知中继通信方法。
技术介绍
认知中继网络在异构网络领域具有潜在的应用价值，在异构网络中，很多不同类 型的无线节点工作在同一区域，拥有不同的优先级。高优先级节点被分配授权的频带，低优 先级节点共享高优先级节点的频带，对高优先级节点造成干扰。为了保证高优先级节点的 信干噪比高于阔值并且提高低优先级节点的吞吐量，中继被引入到异构网络中。 除了吞吐量和频谱效率，衡量无线通信系统可持续运行能力的能量效率也是近年 来国内外学界和工业界的追逐目标，特别频谱效率和能量效率平衡已经成为关注焦点。人 们已经提出很多种频谱效率和能量效率平衡的认知无线通信方法，包括半双工的认知中继 通信，但是很少有人考虑频谱效率和能量效率平衡的全双工认知中继通信方法，它将进一 步提高低优先级节点的吞吐量同时保证高优先级节点的信干噪比高于阔值。
技术实现思路
针对现有技术现状，本专利技术提供一种频谱效率和能量效率平衡的全双工认知中继 通信方法，根据自我干扰的功率让中继在只协助授权用户、只协助非授权用户W及同时协 助授权用户和非授权用户=种模式之间切换，从而利用全双工的吞吐量优势又弱化自我干 扰对授权用户、非授权用户吞吐量的不利影响，达到系统的频谱效率和能量效率平衡。本发 明可用于一对授权用户收发机和一对非授权用户收发机在全双工中继协助下共享频带的 异构网络，具有中继通信模式自适应、能够达到系统的频谱效率和能量效率平衡等优点。 阳0化]如图1所示，全双工认知中继通信系统包括一对授权用户的发射机PT和接收机 PR、一对非授权用户的发射机ST和接收机SR、一个全双工中继节点R。所有站点都只装有 一根天线。授权用户发射机PTW发射功率Pp发送一个信号Xp(t)给接收机PR,同时非授 权用户发射机STW发射功率Pg发送一个信号Xg(t)给接收机SR。中继节点R接收到信号 后立即放大转发出去，产生自我干扰Xq(t)。非授权用户接收机SR和授权用户接收机PR都 接收到信号。授权用户接收机PR根据同时接收的两个信号解码Xp(t)，忍受的干扰功率为 Pi,信息传输速率为Rp。非授权用户接收机SR也根据同时接收的两个信号解码Xg(t)，信息 传输速率为Rs。系统的频谱效率定义为，其中W是带宽。系统的能量效率定义为，其中Pt。,是总的功率消耗。在系统的频谱效率约束、授权用户接收机PR的 干扰约束和全双工中继节点R的发射功率约束下最大化系统的能量效率，建立优化问题如 下： 阳007] maxW,,,,St.可祉 >r，尸,, < 八，公 < 声 （1) g[000引其中：0是全双工中继节点R的放大增益；r是系统频谱效率的最低限；A是授 权用户接收机PR能忍受的最大干扰功率；梦由全双工中继节点R的最大发射功率决定。 对该优化问题求解，得到最优的放大增益0。如果它是凸的，采用拉格朗日乘数法 求解；如果它是非凸的，先将它转化为凸优化问题，再用拉格朗日乘数法或者内点法求解。 得到最优的放大增益0后，全双工中继节点R对接收信号的处理完全确定。 全双工中继节点R可W有只协助授权用户、只协助非授权用户W及同时协助授权 用户和非授权用户=种中继通信模式，在运=种模式下分别对优化问题（1)求解，得到各 自的最优能量效率值。全双工中继节点R通过比较=种中继通信模式下最优能量效率 值的大小，选择对应最优能量效率值最大的中继通信模式。【附图说明】 图1为全双工认知中继通信系统示意图。【具体实施方式】 W下是结合附图及实施例对本专利技术所作的详细说明。[001引如图1所示，授权用户发射机PT向接收机PR发送一个信号Xp(t)，同时非授权用 户发射机ST向接收机SR发送一个信号Xg(t)。授权用户接收机PR、非授权用户接收机SR 和全双工中继节点R接收到的信号分别表示为： 其中：Pp和PS分别是授权用户发射机PT和非授权用户发射机ST的发射功率； Xp(t)和x,(t)分别是授权用户发射机PT和非授权用户发射机ST的信号，它们的均值为0、 方差归一化为1 ;hp是授权用户发射机PT到授权用户接收机PR的信道系数，hgp是非授权用 户发射机ST到授权用户接收机的信道系数，h,是非授权用户发射机ST到非授权用户接 收机SR的信道系数，Iv是授权用户发射机PT到非授权用户接收机SR的信道系数，hpt是 授权用户发射机PT到全双工中继R的信道系数，hgf是非授权用户发射机ST到全双工中继 1?的信道系数；11。(*)、^(*)、11,(*)是均值为零、方差为〇2的加性高斯白噪声。设所有信道 都是准静态的瑞利块衰落信道而且信道系数在一个传输帖内保持不变。 全双工中继节点R将接收信号立即转发出去，产生自我干扰Xq(t)。全双工中继节 点R的发送信号表示为： 其中：0是全双工中继R的放大增益；Pq是干扰消除后的残留自我干扰功率出q是 全双工中继R发射端到接收端的信道系数；自我干扰建模为： 授权用户接收机PR和非授权用户接收机SR的接收信号分别表示为： 阳023] Zp(t) = hrpXr(t)+Vp(t); z,(t) =h"Xr(t)+V,(t)O 阳0巧]其中屯P是全双工中继R到授权用户接收机PR的信道系数；hU是全双工中继R到非授权用户接收机SR的信道系数；Vp(t)、Vg(t)是均值为零、方差为O2的加性高斯白噪 声。授权用户接收机PR根据接收信号yp(t)+Zp(t)解码Xp(t)，忍受的干扰功率为： Pi = P SI hsp r+ 0 I h J 2 (P」h J 2+P。I hq I中」h J 2)。 信息传输速率表示为： 其中：W是带宽。非授权用户接收机SR根据接收信号y,(t)+z,(t)解码x,(t)，信息传输速率表示 为： 系统的频谱效率定义为：系统的能量效率定义为：优化问题建立为： 其中：r是系统频谱效率的最低限；A是授权用户接收机PR能忍受的最大干扰 功率；是全双工中继R允许的最大发射功率；参数PPp、P.、r、A是给定的；参数 hp、h,p、h,、lV、lV、h,j^、hj^p、h"、lvO2可W通过信道估计和测量获得。参数Pq取决于全双工 中继节点R采用的干扰消除方法，给定某种干扰消除方法，一个传输帖内的Pq值是固定的。 该优化问题的约束函数都是凸的，但是目标函数不一定是凸的。如果它是凸的，采用拉格朗 日乘数法求解；如果它是非凸的，先将它转化为凸优化问题，再用拉格朗日乘数法或者内点 法求解。 全双工中继节点R可W有只协助授权用户、只协助非授权用户W及同时协助授权 用户和非授权用户=种中继通信模式。在运=种模式下分别对优化问题（2)求解，得到各 自的最优能量效率值。全双工中继节点R通过比较=种中继通信模式下最优能量效率 值的大小，选择对应最优能量效率值最大的中继通信模式。【主权项】1. ，所述方法包括：(1) 系统至少包含一对授权用户的发射机PT与接收机PR、一对非授权用户的发射机ST 与接收机SR和一个全双工中继节点R; (2) 定义系统的频谱效率系统的能量效率 其中：Rp是 授权用户接收机PR的信息传输速率；RS是非授权用户接收机SR的信息传输速率;W是本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种频谱效率和能量效率平衡的全双工认知中继通信方法，所述方法包括：(1)系统至少包含一对授权用户的发射机PT与接收机PR、一对非授权用户的发射机ST与接收机SR和一个全双工中继节点R；(2)定义系统的频谱效率为系统的能量效率为其中：Rp是授权用户接收机PR的信息传输速率；Rs是非授权用户接收机SR的信息传输速率；W是带宽；Ptot是总的功率消耗；(3)在系统的频谱效率约束、授权用户接收机PR的干扰约束和全双工中继节点R的发射功率约束下最大化系统的能量效率，建立如下优化问题：maxβηEE s.t. ηSE≥Γ,PI≤Λ,β≤β‾;]]>对该优化问题求解，得到最优的β值；其中：β是全双工中继节点R的放大增益，Γ是系统频谱效率的最低限，Λ是授权用户接收机PR能忍受的最大干扰功率，由全双工中继节点R的最大发射功率决定；(4)全双工中继节点R分别在只协助授权用户模式、只协助非授权用户模式以及同时协助授权用户和非授权用户模式下对优化问题求解，得到各自的最优能量效率值通过比较三种模式下最优能量效率值的大小，选择对应最优能量效率值最大的模式作为中继通信模式。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈宏滨，赵峰，陈晶，聂化芝，姬四林，许晓菲，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西;45