认知无线电中的协作通信方法

摘要

一种通信技术领域的认知无线电中的协作通信方法，本发明中，若主要用户和二级用户在无协作模式下工作，主要用户可随时接入信道，二级用户只有在信道空闲时才能使用；若认知无线电网络中只存在一个二级用户，根据信道质量信息判断该二级用户的吞吐量提高率是否达到设定的阈值，如果大于等于设定的阈值选择该二级用户采用TDMA-AF协议技术与主要用户进行协作通信，否则不参与主要用户的通信；若认知无线电网络中存在多个二级用户，选择吞吐量提高量最大的二级用户做为接力用户进行协作通信。使用本发明二级用户的吞吐量可提高8％～20％。

权利要求

1.一种认知无线电中的协作通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，主要用户和二级用户构成认知无线电网络，主要用户和二级用户在无协作模式下工作，主要用户可随时接入信道，若二级用户正在使用信道，则二级用户必须退出将信道交还于主要用户，二级用户只有在信道空闲时才能使用；

步骤二，若认知无线电网络中只存在一个二级用户，根据信道质量信息判断该二级用户的吞吐量提高率是否达到设定的阈值，如果大于等于设定的阈值选择该二级用户采用TDMA-AF协议技术与主要用户进行协作通信，否则不参与主要用户的通信；若认知无线电网络中存在多个二级用户，选择吞吐量提高量最大的二级用户做为接力用户进行协作通信；

所述的协作通信包括两个时隙：在第一个时隙，主要用户发送信息，中继站和二级用户同时收到信息，在第二个时隙，主要用户和二级用户同时发送信息，中继站同时接收到两者的信息。

2.根据权利要求1所述的认知无线电中的协作通信方法，其特征是，所述TDMA-AF协议，其工作于半双工模式下，其前向放大技术直接使用硬件实现。

3.根据权利要求1所述的认知无线电中的协作通信方法，其特征是，所述吞吐量提高率的阈值设为5％。

4.根据权利要求1所述的认知无线电中的协作通信方法，其特征是，所述第一个时隙中，主要用户发送信息，中继站和二级用户同时收到信息，二级用户在第一时隙只将接收到信息储存在缓冲区中，留在下一个时隙发送，其中，主要用户与中继站的通信输入输出关系为：

式中，下标S、D分别代表主要用户和中继站，yD，1代表中继站所接收到的信息，x1代表主要用户发送的信息，ESD是在一个时隙中平均接收能量，代表了大尺度衰减，即路径衰减和屏蔽，hSD是单位化的随机复数变量，代表信道增益也即是小尺度衰减，噪声分量nD，1是中继站在第一个时隙所接收到的高斯白噪声；

主要用户与二级用户的输入输出关系为：

式中，下标S、R分别代表主要用户和二级用户，yR，1代表二级用户所接收到的信息，x1代表主要用户发送的信息，ESR是在一个时隙中平均接收能量，代表了大尺度衰减，hSR是单位化的随机复数变量，代表信道增益也即是小尺度衰减，噪声分量nR，1是二级用户在第一个时隙所接收到的高斯白噪声。

5.根据权利要求1或4所述的认知无线电中的协作通信方法，其特征是，所述主要用户和二级用户，其信息均以包为基本单位，包的进入按照泊松分布，包的长度为任意分布。

6.根据权利要求1或4所述的认知无线电中的协作通信方法，其特征是，所述二级用户，其在前向放大技术中，只将接收到的信号进行线性放大。

说明书

认知无线电中的协作通信方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种通信技术领域的方法，具体是一种认知无线电中的协作通信方法。

背景技术

[0002] 随着无线电的广泛使用，频谱的占用使得频谱资源愈加稀少。而不同用户的需求将造成一定的频谱的利用空间。认知无线电正是利用频谱机会，接入频道从而最大限度地利用频谱。在认知无线电网络中，一般分为主要用户和二级用户(也称次级用户)。主要用户为授权用户，拥有对频道的所有权，能够随时地接入信道而不会受到任何干扰。二级用户为非授权用户，只有在主要用户不使用信道时才可以占用，也即是机会式地占用信道从而获得最大吞吐量。在认知无线电通信中，二级用户必须等待主要用户使用完毕才能接入信道，主要用户在使用信道时，二级用户只能监听而不能产生干扰。协作通信是一种利用协作多样性克服无线信道衰落特性的新技术。在三点通信模式中，接力节点通过接受源节点的信息，处理后再发送至目的节点。协作式通信为无线电带来了协作多样性，有效地降低了传输中断率。

[0003] 经对现有技术文献的检索发现，H.-P.Shiang等在《IEEE Transactions onMultimedia，vol.10，no.5，pp.896-909，Aug.2008》(电气电子工程师协会多媒体领域期刊，2008年8月出版，第10卷，第5期，第896-909页).上发表的“Queuing-Based Dynamic Channel Selection for Heterogeneous MultimediaApplications Over Cognitive Radio Networks”(基于队列的动态信道选择在认知无线电多媒体网络中的应用)，该文提出了一种用基于队列的方法，并应用于认知无线电中，但该文提出的方法为近似解，不足以精确地解释认知无线电中的现象。

[0004] 经检索 还发现，0.Simeone等 在《IEEE Transactions on Communications，vol.55，no.12，pp.2351-2360，Dec.2007》(电气电子工程师协会通信领域期刊，2007年12月出版，第55卷，第12期，第2351-2360页)上发表的“Stable Throughput ofCognitive Radios With and Without Relaying Capability”(认知无线电在接力情况下的稳态吞吐量表现)，该文提出了协作通信在认知无线电的应用，但没有提出具体的接力协议，并且仅限于研究稳态条件下的现象，不足以完全解释协作式通信在认知无线电中的应用。

发明内容

[0005] 本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种认知无线电中的协作通信方法，使得在具体的接力协议下，二级用户在主要用户使用信道时，协作主要用户通信，主要用户可以尽快使用完毕资源，从而为二级用户提供新的频谱机会，最终二级用户的吞吐量得到提升。

[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤：

[0007] 步骤一，主要用户和二级用户构成认知无线电网络，主要用户和二级用户在无协作模式下工作，主要用户可随时接入信道，若二级用户正在使用信道，则二级用户必须退出将信道交还于主要用户，二级用户只有在信道空闲时才能使用；

[0008] 步骤二，若认知无线电网络中只存在一个二级用户，根据信道质量信息判断该二级用户的吞吐量提高率是否达到设定的阈值，如果大于等于设定的阈值选择该二级用户采用TDMA-AF(时分复用-前向放大)协议技术与主要用户进行协作通信，否则不参与主要用户的通信；若认知无线电网络中存在多个二级用户，选择吞吐量提高量最大的二级用户做为接力用户进行协作通信。完成一次协作通信包括两个时隙：在第一个时隙，主要用户发送信息，中继站和二级用户同时收到信息，在第二个时隙，主要用户和二级用户同时发送信息，中继站同时接收到两者的信息。

[0009] 所述主要用户和二级用户，其信息均以包为基本单位，包的进入按照泊松分布，包的长度为任意分布。

[0010] 所述主要用户与二级用户，其吞吐量分别为：

[0011] 式一

[0012] i＝1，2，...，N

[0013] 式二

[0014] 其中，下标0代表主要用户，下标i代表二级用户(这里允许多个二级用户)，L代表平均包长，ρ代表交通负载量，R代表物理层传输速率，P代表误包率。

[0015] 所述TDMA-AF协议，其工作于半双工模式下，并且前向放大技术可直接使用硬件实现，易于在实际应用中实施。

[0016] 所述第一个时隙中，主要用户发送信息，中继站和二级用户同时收到信息，二级用户在第一时隙只将接收到信息储存在缓冲区中，留在下一个时隙发送，

[0017] 其中，主要用户与中继站的通信输入输出关系为：

[0018]

[0019] 式中，下标S、D分别代表主要用户和中继站，yD，1代表中继站所接收到的信息，x1代表主要用户发送的信息，Esd是在一个时隙中平均接收能量，代表了大尺度衰减(路径衰减和屏蔽)，hsd是单位化的随机复数变量，代表信道增益也即是小尺度衰减，噪声分量n是代表高斯白噪声，方差为N0；

[0020] 主要用户与二级用户的输入输出关系为：

[0021]

[0022] 公式中的参数含义与主要用户与中继站的通信输入输出关系中的参数含义相同，只是下标不同，式中下标S、R分别代表主要用户和二级用户。

[0023] 所述第二个时隙中，主要用户和二级用户同时发送信息，中继站同时接收两者的信息，二级用户将接收到的信息放大 倍使得发射功率最大化，中继站将同时接收到的来自两个用户的信息分离，完成协作通信，

[0024] 其中，中继站接收主要用户和二级用户的信号输入输出关系为：

[0025]

[0026] 其中，下标R代表二级用户，x2是主要用户在第二个时隙所发送的信息，yD，2是中继站在第二个时隙所接收到的信息。

[0027] 所述二级用户，其在前向放大技术中，作为接力节点时不使用任何编解码或解调功能，只将接收到的信号进行线性放大。

[0028] 所述吞吐量提高率的阈值为5％，这是因为若二级用户的提高量较小，效果不明显反而增加二级用户的功率损耗。

[0029] 所述协作通信，在第一个时隙中，有两个节点在接收信息；在第二个时隙，有两个节点在发送信息，每个时隙都充分利用了每个节点，，因此最大化了协作多样性。

[0030] 所述主要用户，其在使用此协作通信协议，小尺度衰减为瑞利分布的情况下，中断率的上界为：

[0031]

[0032] 其中

[0033]

[0034]

[0035] E代表功率增益，下标S、R、D分别代表主要用户、二级用户和中继站。N0代表平均噪声功率。

[0036] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：在认知无线电中，由于二级用户的低优先级，往往无法获得较理想的吞吐量，本发明提出了一种具体的认知无线电协作式通信方法，采用协作式通信后，二级用户的吞吐量可以得到8％～20％的提高。

附图说明

[0037] 图1本发明的实施例协作式认知无线电的结构示意图。

[0038] 图2本发明的实施例在无协作式通信时主要用户和二级用户吞吐量的三维曲面示意图；

[0039] 其中：(a)是主要用户关于误包率和包到达率的吞吐量示意图，(b)是二级用户关于误包率和包到达率的吞吐量示意图。

[0040] 图3是本发明的实施例在协作通信下，主要用户表现示意图；

[0041] 其中：(a)是主要用户信道误包率关于信噪比的数据示意图，(b)是二级用户吞吐量关于主要用户信噪比的数据示意图。

[0042] 图4是本发明的实施例在协作通信下，二级用户吞吐量的增加量和主要用户包到达率之间的曲线关系示意图。

具体实施方式

[0043] 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0044] 如图1所示，是应用本实施例方法的协作式认知无线电的结构示意图，一个主要用户与多个次级用户(次级用户即二级用户)同时接入中继站而构成了认知无线电网络。各个用户需要发送的包分别进入发送队列中，其中主要用户的发送队列优先级最高，二级用户的优先级最低。在主要用户的发送队列为空，也即主要用户信道空闲时，二级用户才能将各自队列中的包发送出。在主要用户有包到达时，二级用户立刻被剥夺信道使用权，二级用户尚未发送完毕的包放回该用户的队列中，主要用户得以使用信道。在图1中，二级用户
1做为接力节点，按照TDMA-AF(时分复用-前向放大)协议技术与主要用户进行协作通信。

[0045] 本实施例的环境参数为：

[0046] 主要用户：信道频谱利用率为0.2，物理层速率1Mbps，平均包长1KBytes，误包率0.1，包到达速率30个每秒，信道平均功率增益0dB。

[0047] 二级用户：信道频谱利用率为0.2，物理层速率1Mbps，平均包长1KBytes，误包率0.1，包到达速率10个每秒，主要用户-次要用户信道平均功率增益30dB，次要用户-中继站信道平均功率增益30dB。

[0048] 本实施例包括如下具体步骤：

[0049] 步骤一，主要用户与二级用户构成认知无线电网络，主要用户和二级用户在无协作模式下工作，主要用户可随时接入信道，若二级用户正在使用信道，则二级用户必须退出将信道交还于主要用户，二级用户只有在信道空闲时才能使用；

[0050] 利用式一与式二，得到主要用户与二级用户的吞吐量分别为0.75Mbps，0.613Mbps，图2(a)是主要用户在物理层速率为1Mbps，平均包长为1KByte下，关于误包率和包到达率的吞吐量示意图，图2(b)是二级用户在误包率为0.1，物理层速率和平均包长与主要用户相同的情况下，关于误包率和包到达率的吞吐量示意图。

[0051] 步骤二，若认知无线电网络中只存在一个二级用户，根据信道质量信息判断该二级用户的吞吐量提高率是否达到设定的阈值，如果大于等于设定的阈值选择该二级用户采用TDMA-AF(时分复用-前向放大)协议技术与主要用户进行协作通信，否则不参与主要用户的通信；若认知无线电网络中存在多个二级用户，选择吞吐量提高量最大的二级用户做为接力用户进行协作通信。完成一次协作通信包括两个时隙：在第一个时隙，主要用户发送信息，中继站和二级用户同时收到信息，在第二个时隙，主要用户和二级用户同时发送信息，中继站同时接收到两者的信息。

[0052] 所述第一个时隙中，主要用户发送信息，中继站和二级用户同时收到信息，二级用户在第一时隙只将接收到信息储存在缓冲区中，留在下一个时隙发送，其中，主要用户与中继站的通信输入输出关系为：

[0053]

[0054] 式中，下标S、D分别代表主要用户和中继站，yD，1代表中继站所接收到的信息，x1代表主要用户发送的信息，Esd是在一个时隙中平均接收能量，代表了大尺度衰减(路径衰减和屏蔽)，hsd是单位化的随机复数变量，代表信道增益也即是小尺度衰减，噪声分量n是代表高斯白噪声，方差为N0；

[0055] 主要用户与二级用户的输入输出关系为：

[0056]

[0057] 公式中的参数含义与主要用户与中继站的通信输入输出关系中的参数含义相同，只是下标不同，式中下标S、R分别代表主要用户和二级用户。

[0058] 所述第二个时隙中，主要用户和二级用户同时发送信息，中继站同时接收两者的信息，二级用户将接收到的信息放大 倍使得发射功率最大化，中继站将同时接收到的来自两个用户的信息分离，完成协作通信，

[0059] 其中，中继站接收主要用户和二级用户的信号输入输出关系为：

[0060]

[0061] 其中，下标R代表二级用户，x2是主要用户在第二个时隙所发送的信息，yD，2是中继站在第二个时隙所接收到的信息。

[0062] 图3(a)是主要用户信道误包率关于信噪比的数据示意图，图3(b)是二级用户吞吐量关于主要用户信噪比的数据示意图。由于只存在一个二级用户，只需判断吞吐量提高量是否超过最低值，经计算主要用户信道的误码率从0.138下降至0.0454，此时二级用户的吞吐量提高为0.667Mbps。

[0063] 图4为改变主要用户的包到达速率后，二级用户吞吐量的增加量的表现示意图，通过观察可以得出结论，主要用户包到达率调整为63.58包/秒时，二级用户的吞吐量得到最大提高。