一种基于中继选择的认知中继网络中混合双工传输方法技术

本发明专利技术公开了一种基于中继选择的认知中继网络中混合双工传输方法。所述内容包括：认知中继网络包括授权用户和非授权用户的发射机和接收机各一对，以及由若干空闲非授权用户构成的潜在协作中继。首先由瞬时信道状态信息，选择使得授权用户和非授权用户端到端信噪比之和达到最大的潜在中继作为最优中继。半双工传输时，一个中继传输帧分成两个相等的时隙。全双工传输时，中继传输帧不划分时隙。当中继接收到的信干噪比低于阈值时，采用全双工传输，否则采用半双工传输。本方法根据中继接收到的信干噪比在半双工和全双工传输之间切换，从而利用全双工的传输容量优势又弱化自我干扰对传输容量性能的不利影响，进而提高认知中继网络总传输容量。

A hybrid duplex transmission method based on relay selection in cognitive relay networks

The present invention discloses a hybrid duplex transmission method based on relay selection in cognitive relay network. The contents include: the cognitive relay network includes the transmitter and receiver of the authorized and unauthorized users, and the potential cooperative relay made up of a number of idle non authorized users. Firstly, the instantaneous channel state information is chosen to make the maximum potential of the authorized user and the non authorized user reach the sum of the terminal signal-to-noise ratio (SNR) as the optimal relay. In half duplex transmission, a relay frame is divided into two equal slots. In full duplex transmission, the frame of the relay does not divide the slot. When the signal to noise ratio (SNR) of the relay is lower than the threshold, full duplex transmission is used, otherwise half duplex transmission is adopted. The method according to relay the received SINR switching between half duplex and full duplex transmission, thus the use of full duplex transmission capacity advantage and weaken the self interference adverse effects on the performance of transmission capacity, and improve the cognitive relay network total transmission capacity.

【技术实现步骤摘要】
一种基于中继选择的认知中继网络中混合双工传输方法
本专利技术涉及认知无线电
，具体涉及一种基于中继选择的认知中继网络中混合双工传输方法。
技术介绍
当今世界已经迈入信息社会，信息通信技术已经深入到人们生活的各个方面，其中无线通信技术的发展更是日新月异，各种新的无线通信系统和业务不断涌现。这就使得可用的频谱资源变得越来越稀缺，尽管新的频带不断被开发和利用，但是对于现有可用的频谱资源来说，仍然难以满足海量用户高速率、高可靠通信的需求。这种频谱资源紧缺和利用率低下之间日益激化的矛盾促使认知无线电得到了广泛的关注和研究，其基本思路就是允许非授权用户在不干扰授权用户的情况下使用空闲授权无线电频段，以便充分利用现有的无线电资源，最大限度地提高无线电频谱资源的利用率。在认知中继网络中，由于中继协作的引入，使得传输接收的信号在对抗信道衰落方面有较大的改善。因此，使得中继技术在下一代无线网络中，可以有效的提高网络传输容量。同样，其在认知无线电网络中也具有非凡的应用价值，经研究发现，在认知无线电网络中，通过利用中继协作技术进行传输，可以提高授权和非授权用户的传输容量。同时还可以利用中继协作技术来提高认知无线电网络中用户的分集增益，使得频谱利用率进一步的得到改善。由于以前自干扰消除技术的限制，使得中继系统通信时不能够同时发送和接收信息。但随着干扰消除技术的不断发展，人们逐渐意识到全双工模式是可以实现的。它指的是中继通信时不占用两个频带或时隙便可以实现发送和接收同时进行。研究表明，理论上全双工相比半双工的传输容量可以提高一倍，但实际上由于自我干扰不能完全被消除，所以传输容量达不到理论最高值。人们已经提出很多种基于中继选择的认知中继网络的半双工传输方法，证明了它们相比直传链路而言，能够提高系统的传输容量、降低其中断概率。随着自我干扰消除技术的不断发展，基于中继选择的认知中继网络的全双工传输也逐渐得到研究，并揭示了自我干扰对传输容量和中断概率的影响。但是，现有的认知中继网络技术存在以下问题：仅仅只是关注授权主用户的信息传输、只单独考虑半双工、全双工传输以及非授权用户对授权用户的干扰等问题，而忽略了考虑中继选择下对授权用户和非授权用户整体传输容量的提升。
技术实现思路
针对现有的认知中继网络传输只单独考虑半双工、全双工传输方法，而没有考虑半双工、全双工混合传输的技术问题，本专利技术的目的是提供一种基于中继选择的认知中继网络中混合双工传输方法，根据中继接收到的信干噪比在半双工传输和全双工传输之间切换，从而利用全双工的传输容量优势又弱化自我干扰对传输容量性能的不利影响；最终达到最大化中继辅助下认知网络的整体传输容量的目的。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：基于中继选择的认知中继网络中混合双工传输方法，认知中继网络包括一对授权用户发射机PT和接收机PR，一对非授权用户发射机ST和接收机SR，以及k个空闲非授权用户组成的潜在协作中继R，所有节点都是全双工的，其中协作中继R装有一根发射天线和一根接收天线并且采用放大转发协议进行协作传输，其它用户节点都只装有一根天线；首先假设所有中继节点R开始均以半双工方式参与协作传输，然后依据瞬时信道状态信息，计算出所有中继辅助下的授权用户和非授权用户端到端信噪比之和γ，接下来选取使γ达到最大值的中继作为最优中继，记为Ri(1≤i≤k)，最后将所选最优中继用于辅助授权用户和非授权用户的协作传输中去；半双工传输时，一个中继传输帧分成两个相等的时隙，在时隙1，授权用户发射机PT以发射功率PP(W)发送一个信号xp(t)，同时非授权用户ST以发射功率PS(W)发送信号xs(t)，系统其他节点进行监听；在时隙2，协作最优中继Ri将接收来自ST的信号xs(t)以及PT的信号xp(t)组合，得到组合信号xc(t)，然后将该组合信号放大转发出去，此时授权用户接收机PR和非授权用户接收机SR分别接收到来自中继转发信号，授权用户接收机PR根据两个时隙收到信号解码xp(t)，忍受的干扰功率为PR(W)，信息传输速率为非授权用户接收机SR根据时隙2接收到的信号解码xs(t)，信息传输速率为协作最优中继Ri处的放大增益记为β，信干噪比为系统总传输容量为全双工传输时，每个中继传输帧不划分时隙，协作最优中继Ri将接收来自PT的信号xp(t)和来自ST的发射信号xs(t)合并，并且立即放大转发出去，产生自我干扰xk(t)，授权用户接收机PR和非授权用户接收机SR都接收到信号，授权用户接收机PR根据两个时隙接收的信号解码xp(t)，忍受的干扰功率为得到的信息传输速率为非授权用户接收机SR根据两个时隙接收的信号解码xs(t)，信息传输速率为协作最优中继Ri处的放大增益记为β′，信干噪比为系统总传输容量当协作最优中继Ri接收到的信干噪比低于设定阈值Γ时，中继Ri就采用全双工模式传输，否则采用半双工传输，据此得到半双工/全双工混合传输的信息传输速率C，在最优中继节点Ri的发射功率约束和对授权用户接收机PR的干扰约束下最大化系统总的传输容量，建立优化问题如下，其中I是授权用户接收机PR能忍受的最大干扰功率，PP,max和PS,max分别是授权用户和非授权用户所允许的最大发射功率，和由中继节点Ri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β和β′，以及最优非授权用户发射功率PS、授权用户发射功率PP，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β和β′，以及最优授权和非授权用户发射功率PP和PS后，中继节点Ri对接收信号的处理完全确定，从而最终最大化认知中继网络总传输容量。本专利技术实现了以下有益技术效果：1)本专利技术可用于异构网络中授权用户和非授权用户共享频带时通过中继辅助提高认知中继网络的整体传输容量情形；2)将中继选择和半双工/全双工切换结合，利用协作分集增益和全双工的传输容量优势同时弱化了自我干扰对传输容量性能的不利影响。本专利技术解决了在认知中继网络系统中，非授权用户在对主用户干扰约束条件下，通过潜在协作中继中最优中继的半双工/全双工混合传输方式，提高系统总传输效率问题，在认知无线电
具有广阔的应用前景。附图说明图1为中继辅助授权和非授权系统示意图；图2为信息传输时隙示意图。具体实施方式以下结合附图及实施例对本专利技术做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例一种基于中继选择的认知中继网络中混合双工传输方法。如图1所示，认知中继网络包括一对授权用户发射机PT和接收机PR、一对非授权用户发射机ST和接收机SR以及k个空闲非授权用户组成的潜在协作中继R。所有节点都是全双工的，协作中继R均装有一根发射天线和一根接收天线并且采用发大转发协议进行协作传输，其它用户节点都只装有一根天线。本专利技术所涉及到的无线信道均为准静态的瑞利块衰落和加性高斯白噪声信道。为了简化分析，我们假设所有信道状态信息在一个时隙内是保持不变的，并且已知。ht(t＝1.2.3.4.5.6.7.8)分别表示PT→PR、PT→Ri、PT→SR、ST→SR、ST→Ri、ST→PR、Ri→PR和Ri→SR的信道系数。首先根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于中继选择的认知中继网络中混合双工传输方法，其特征在于：认知中继网络包括一对授权用户发射机PT和接收机PR，一对非授权用户发射机ST和接收机SR，以及k个空闲非授权用户组成的潜在协作中继R，所有节点都是全双工的，其中协作中继R装有一根发射天线和一根接收天线并且采用放大转发协议进行协作传输，其它用户节点都只装有一根天线；首先假设所有中继节点R开始均以半双工方式参与协作传输，然后依据瞬时信道状态信息，计算出所有中继辅助下的授权用户和非授权用户端到端信噪比之和γ，接下来选取使γ达到最大值的中继作为最优中继，记为Ri(1≤i≤k)，最后将所选最优中继用于辅助授权用户和非授权用户的协作传输中去；半双工传输时，一个中继传输帧分成两个相等的时隙，在时隙1，授权用户发射机PT以发射功率PP(W)发送一个信号xp(t)，同时非授权用户ST以发射功率PS(W)发送信号xs(t)，系统其他节点进行监听；在时隙2，协作最优中继Ri将接收来自ST的信号xs(t)以及PT的信号xp(t)组合，得到组合信号xc(t)，然后将该组合信号放大转发出去，此时授权用户接收机PR和非授权用户接收机SR分别接收到来自中继转发信号，授权用户接收机PR根据两个时隙收到信号解码xp(t)，忍受的干扰功率为PR(W)，信息传输速率为...

【技术特征摘要】
1.一种基于中继选择的认知中继网络中混合双工传输方法，其特征在于：认知中继网络包括一对授权用户发射机PT和接收机PR，一对非授权用户发射机ST和接收机SR，以及k个空闲非授权用户组成的潜在协作中继R，所有节点都是全双工的，其中协作中继R装有一根发射天线和一根接收天线并且采用放大转发协议进行协作传输，其它用户节点都只装有一根天线；首先假设所有中继节点R开始均以半双工方式参与协作传输，然后依据瞬时信道状态信息，计算出所有中继辅助下的授权用户和非授权用户端到端信噪比之和γ，接下来选取使γ达到最大值的中继作为最优中继，记为Ri(1≤i≤k)，最后将所选最优中继用于辅助授权用户和非授权用户的协作传输中去；半双工传输时，一个中继传输帧分成两个相等的时隙，在时隙1，授权用户发射机PT以发射功率PP(W)发送一个信号xp(t)，同时非授权用户ST以发射功率PS(W)发送信号xs(t)，系统其他节点进行监听；在时隙2，协作最优中继Ri将接收来自ST的信号xs(t)以及PT的信号xp(t)组合，得到组合信号xc(t)，然后将该组合信号放大转发出去，此时授权用户接收机PR和非授权用户接收机SR分别接收到来自中继转发信号，授权用户接收机PR根据两个时隙收到信号解码xp(t)，忍受的干扰功率为PR(W)，信息传输速率为非授权用户接收机SR根据时隙2接收到的信号解码xs(t)，信息传输速率为协作最优中继Ri处的放大增益记为β，信干噪比为系统总传输容量为全双工传输时，每个中继传输帧不划分时隙，协作最优中继Ri将接收来自PT的信号xp(t)和来自ST的发射信号xs(t)合并，并且立即放大转发出去，产生自我干扰xk(t)，授权用户接...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈宏滨，程子胜，赵峰，
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