一种能量有效的次用户信息传输方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种能量有效的次用户信息传输方法，包括以下步骤：（1）控制次用户在下垫式的频谱接入方式下接入主用户频谱；（2）基于直接链路次用户SU1和次用户SU2完成彼此之间的信息交换，次用户中继SR处于休眠状态；（3）基于次用户SU1和次用户SU2的供电模块的电压和电流值计算传输功率，基于正交导频估计信道状态信息；（4）根据信道状态信息和传输功率分别预估直接传输模式和物理层网络编码传输模式的能量效率，进行次用户SU1和次用户SU2的传输模式选择，选择预估的能量效率高的传输模式完成信息传输；本发明专利技术发挥直接传输和物理层网络编码传输两种方法的优点，使两个次用户之间信息交换的能量效率提高。

An Energy-efficient Subuser Information Transmission Method and System

The invention discloses an energy-efficient secondary user information transmission method, which includes the following steps: (1) controlling the secondary user to access the primary user spectrum under the underlying spectrum access mode; (2) completing information exchange between the secondary user SU 1 and the secondary user SU2 based on the direct link, and the secondary user relay SR is in a dormant state; (3) power supply mode based on the secondary user SU 1 and the secondary user SU2. The transmission power is calculated based on the voltage and current of the block, and the channel state information is estimated based on the orthogonal pilot; (4) The energy efficiency of the direct transmission mode and the physical layer network coding transmission mode is estimated according to the channel state information and transmission power respectively, and the transmission modes of the secondary user SU1 and the secondary user SU2 are selected to complete the information transmission by choosing the predicted energy-efficient transmission mode. The advantages of direct transmission and physical layer network coding transmission are brought into full play to improve the energy efficiency of information exchange between two secondary users.

【技术实现步骤摘要】
一种能量有效的次用户信息传输方法及系统
本专利技术属于认知无线电
，具体涉及一种能量有效的次用户信息传输方法。
技术介绍
认知无线电(CR,cognitiveradio)可以允许次用户(SU,secondaryuser)接入主用户(PU,primaryuser)频谱进行通信以提高频谱效率。次用户SU可以在下垫式(underlay)方式下接入主用户频谱，即次用户控制传输功率为确保对主用户接收机的干扰不超过主用户接收机预设的干扰容忍门限，保证主用户的服务质量(QoS,qualityofservice)。此外，次用户双向信息传输的吞吐量可以通过双向次用户中继(SR,secondaryrelay)传输改善，如物理层网络编码(PNC,physical-layernetworkcoding)模式和模拟网络编码(ANC,analognetworkcoding)模式。与此同时，随着通信技术的应用和发展，能源消耗急剧增加，次用户双向信息传输的能量效率(EE,energyefficiency)，如bit/J，受到越来越多的关注。CR网络的EE尤为重要，这是因为认知功能的实现比非CR网络需要消耗更多的能量。现有的一些文献通过增强中继的传输能力来改善双向中继传输的EE。文献《underlay认知多用户双向中继网络的能量效率》(Q.Li,F.Liu,andX.Zhou,“Energyefficiencyforunderlaycognitivemultiusertwo-wayrelaynetworks,”WirelessPers.Commun.,vol.86,no.3,pp.1541-1555,Feb.2016.)中，次用户在具有多个天线的双向中继辅助下传输，并且求解在干扰约束下的最优EE。文献《具有非理想功率放大器和不可忽略电路功率的全双工双向继电的能效最大化》(Q.Cui,T.Zhang,andM.Valkama,“Energyefficiencymaximizationoffull-duplextwo-wayrelaywithnon-idealpoweramplifiersandnon-negligiblecircuitpower,”IEEETrans.WirelessCommun.,vol.16,no.9,pp.2809-2823,Sept.2017.)中，两个次用户在全双工双向中继的辅助下传输，并求解在传输速率和发射功率约束下的最优EE。对于半双工和单天线的一般中继辅助的双向信息传输，传输选择方案能够有效提高EE。在《能量效率最大化的自适应无线传输策略》(C.Cai,R.Qiu,andX.Jiang,“Adaptivewirelesstransmissionstrategyformaximizingenergyefficiency,”EurasipJournal.WirelessCommun.&Networking,vol.20,pp.1–10,Dec.2016.)中，次用户基于传输速率，在直接传输(DT,directtransmission)模式和ANC模式之间选择更高能效的传输模式。这是因为DT和中继传输有它们自己的优点，并且需要根据系统要求来选择。然而，与ANC模式相比，PNC模式可以在中继接收信号并重新编码时减少中继噪声的影响。基于PNC方式的优点，本专利技术提出了一种通过选择DT或PNC传输模式来获得高EE的传输方案。与《能量效率最大化的自适应无线传输策略》不同，本专利技术提出的方案是在两个传输模式中选择能量效率高的那个进行通信。需要根据信道状态信息(CSI,channelstateinformation)和发射功率等实际传输条件估计DT和PNC模式的EE。因此，可以确认所采用的传输模式具有较高的EE，不需要对系统进行参数优化。为了进一步改善CR系统的EE，在认知中继网络中引入能量收集(EH,energyharvesting)可以解决高能耗问题，延长次用户的寿命。EH技术将可再生资源(如，热能、振动、太阳能、声能、射频信号等)转化为电能，包括时间切换方案(TS,time-switchingscheme)和功率分配方案(PS,power-splittingscheme)。在TS中，信号接收和EH按预定顺序执行，而在PS中，它们同时执行。根据CSI和信噪比，认知中继系统可以自适应地调整TS因子(《基于能量收集中继的自适应时间切换协议》H.Ding,X.Wang,andD.B.D.Costa,“Adaptivetime-switchingbasedenergyharvestingrelayingprotocols,”IEEETrans.Commun.,vol.65,no.7,pp.2821-2837,Apr.2017.)或PS比(《协作能量收集通信系统中容量最大化自适应功率分配协议》M.Ashraf,J.W.Jang,andJ.K.Han,“CapacityMaximizingAdaptivePowerSplittingProtocolforCooperativeEnergyHarvestingCommunicationSystems,”IEEECommun.Letters,vol.22,no.5,pp.902–905,May.2018.)，以达到最优吞吐量。在文献《认知中继网络中的无线能量收集》(Y.Liu,S.A.Mousavifar,andY.Dend,“Wirelessenergyharvestinginacognitiverelaynetwork,”IEEETrans.WirelessCommun.,vol.15,no.4,pp.2498–2508,Apr.2016.)中，分析了TS中，认知中继系统的中断概率和吞吐量。在文献《基于能量收集的DF增量中继在underlay认知无线电网络中的性能》(K.JanghelandS.Prakriya,“PerformanceofDFincrementalrelayingwithenergyharvestingrelaysinunderlayCRNs,”IEEEConf.WPMC,Yocyakarta,Indonesia,pp.494-499,2017.)中，当直接链路中断时，可以利用EH中继对次用户信号进行转发，以达到最优吞吐量。上述EH方案表明，采用EH中继可以有效地提高CR系统的传输性能。因此，本专利技术将EH结合到双向中继传输中，以提高次用户双向传输的EE。对比现有专利技术关于认知无线电网络中的信息传输方法，《一种基于LT码重要性采样的高能效感知信息传输方法》(中国，公开号：104158622A，公开日：2014-11-19，申请号：201410351433.1)所述信息传输方式为感知用户将感知信息传输至所在簇的簇头的方式；《一种认知无线电传感器网络信息传输方法》(中国，公开号：102083101B，公开日：2013-10-30，申请号：201110026362.4)是考虑多跳中继的多路由规划，选择具有最小转发代价的路径，以获得网络吞吐量和生命周期的最大化；《一种应用于认知无线电系统中的认知用户信息传输方法》(中国，公开号：105049139A，公本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种能量有效的次用户信息传输方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)控制次用户在下垫式的频谱接入方式下接入主用户频谱；(2)基于直接链路次用户SU1和次用户SU2完成彼此之间的信息交换，次用户中继SR处于休眠状态；(3)基于次用户SU1和次用户SU2的供电模块的电压和电流值计算传输功率，基于正交导频估计信道状态信息；(4)根据信道状态信息和传输功率分别预估直接传输模式和物理层网络编码传输模式的能量效率，进行次用户SU1和次用户SU2的传输模式选择，选择预估的能量效率高的传输模式完成信息传输。

【技术特征摘要】
1.一种能量有效的次用户信息传输方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)控制次用户在下垫式的频谱接入方式下接入主用户频谱；(2)基于直接链路次用户SU1和次用户SU2完成彼此之间的信息交换，次用户中继SR处于休眠状态；(3)基于次用户SU1和次用户SU2的供电模块的电压和电流值计算传输功率，基于正交导频估计信道状态信息；(4)根据信道状态信息和传输功率分别预估直接传输模式和物理层网络编码传输模式的能量效率，进行次用户SU1和次用户SU2的传输模式选择，选择预估的能量效率高的传输模式完成信息传输。2.根据权利要求1所述的一种能量有效的次用户信息传输方法，其特征在于，信道状态信息包括信道增益。3.根据权利要求1所述的一种能量有效的次用户信息传输方法，其特征在于，所述步骤(4)选择预估的能量效率高的传输模型并完成信息传输，具体包括以下步骤：(401)当物理层网络编码传输模式的能量效率小于等于直接传输模式的能量效率，选择直接传输模式；在第一时隙，控制次用户SU1通过直接链路将信息发送给次用户SU2，在第二时隙，控制次用户SU2通过直接链路将信息发送给次用户SU1，次用户中继SR处于休眠状态；(402)当物理层网络编码传输模式的能量效率大于直接传输模式的能量效率，选择物理层网络编码传输模式；控制次用户SU1和次用户SU2向次用户中继SR发送请求信号，次用户中继SR被激活且发送应答信号至次用户SU1和次用户SU2，次用户SU1和次用户SU2接收到应答信号后利用次用户中继SR进行双向信息传输；在第一个时隙，控制次用户SU1和次用户SU2向次用户中继SR发送信息，次用户中继SR基于功率分配器将接收到的信号分为两部分，一部分用于能量收集，另一部分用于信息解码；在第二个时隙，次用户中继SR将解码的信息重新编码并转发信息至次用户SU1和次用户SU2。4.根据权利要求1所述的一种能量有效的次用户信息传输方法，其特征在于，直接传输模式的能量效率预估方法，具体包括以下步骤：在第一时隙，控制次用户SU1通过直接链路将信息传输给次用户SU2，定义第一时隙成功传输的事件为在第二时隙，控制次用户SU2将信息直接发送给SU1，定义第二时隙成功传输的事件为事件和为：其中，|hss|2表示次用户SU1和次用户SU2之间的信道增益，次用户SU1和次用户SU2之间的信道增益是均值为的指数随机变量；γs＝Ps/N0，所有的终端都存在均值为0，方差为N0的高斯白噪声，Ps表示次用户SU1与次用户SU2的传输功率；数据传输速率为R；只有当次用户SU1向次用户SU2成功传输信息，且次用户SU2向次用户SU1成功传输信息，则次用户SU1和次用户SU2成功完成信息交换；直接传输模式中，系统吞吐量CDT为：其中，Λ1＝(22R-1)/γs，λss表示指数随机变量|hss|2均值的倒数，T为传输周期；表示事件和同时存在的概率；直接传输模式的能耗EDT为：EDT＝PsT(3)系统的能量效率定义为系统吞吐量与系统能量消耗的比值；直接传输模式的能量效率ηDT计算公式为式(4)：ηDT＝CDT/EDT＝[Rexp(-λssΛ1)]/Ps(4)。5.根据权利要求1所述的一种能量有效的次用户信息传输方法，其特征在于，物理层网络编码传输模式的能量效率预估方法，具体包括以下步骤：在第一个时隙，控制次用户SU1和次用户SU2向次用户中继SR发送信息，事件表示次用户SU1向次用户中继SR成功传输信息，事件表示次用户SU2向次用户中继SR成功传输信息，事件表示次用户SU1和次用户SU2同时向次用户中继SR成功传输信息；次用户中继SR基于功率分配器将接收到的信号分为两部分，一部分为用于能量收集的信号，用于能量收集的信号为ρ且0＜ρ＜1，另一部分1-ρ的信号用于信息解码；次用户中继SR所收集的能量计算为：其中0＜μ＜1表示能量收集电路的能量转换效率；次用户SUi(i＝1，2)和次用户中继SR之间的信道增益是均值为的指数随机变量，定义次用户中继SR的传输功率为次用户中继SR对主用户接收机PUR的干扰不超过主用户接收机PUR的预设门限Pth，次用户中继SR的发射功率Pr为：其中，主用户接收机PUR和次用户中继SR之间的道增益是均值为的指数随机变量；次用户SU1和次用户SU2的传输功率Ps对主用户接收机PUR的干扰不超过预设门限Pth，Ps∈(0,Pthλps]；其中表示主用户接收机PUR和次用户SUi(i＝1，2)之间的信道增益，该信道增益是均值为的指数随机变量，设定事件和计算为：在第二个时隙，次用户中继SR将解码的信息按位异或进行网络编码并转发信息至次用户SU1和次用户SU2；事件表示次用户中继SR向次用户SU2成功传输信息；事件代表次用户中继SR向次用户SU1成功传输信息；事件计算为：其中γr＝Pr/N0，Pr表示次用户中继SR的传输功率；所以物理层网络编码传输模式中，系统吞吐量CPNC为：其中T为传输周期；物理层网络编码传输模式的能耗EPNC计算公式为：EPNC＝PsT(11)系统的能量效率定义为系统吞吐量与系统能量消耗的比值，即bit/J；物理层网络编码传输模式，能量效率ηPNC计算为ηPNC＝CPNC/EPNC(12)。6.一种能量有效的次用户信息传输系统，其特征在于，包括频谱接入方式控制单元、直接链路信息交换单元、信道信息计算单元和传输模式选择单元；...

【专利技术属性】
技术研发人员：何海霞，高远，谭蓉俊，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏,32