一種基于用戶公平性的抗干擾頻譜接入方法
【專利摘要】一種基于用戶公平性的抗干擾頻譜接入方法，在該方法中，如果認(rèn)知用戶能夠幫助授權(quán)用戶達(dá)到目標(biāo)速率，就能夠獲得機(jī)會(huì)接入授權(quán)用戶的頻譜，認(rèn)知系統(tǒng)根據(jù)認(rèn)知用戶的信道條件和總吞吐量選擇一個(gè)認(rèn)知用戶接入授權(quán)用戶的頻譜。認(rèn)知用戶接入授權(quán)用戶的頻譜后，利用一部分帶寬轉(zhuǎn)發(fā)授權(quán)用戶的信息幫助其達(dá)到目標(biāo)速率，然后利用剩余的帶寬發(fā)送自己的信息。本發(fā)明有效消除授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶之間相互干擾的問(wèn)題、提高認(rèn)知用戶間頻譜接入的公平性。
【專利說(shuō)明】一種基于用戶公平性的抗干擾頻譜接入方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線通信領(lǐng)域中的認(rèn)知無(wú)線電通信【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是一種頻譜接入方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，無(wú)線通信逐漸進(jìn)入到人們的生活工作的方方面面，并產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。 但受到硬件設(shè)備技術(shù)限制，適合無(wú)線通信的頻段和帶寬極為有限，隨著無(wú)線通信用戶的不 斷增多，通信業(yè)務(wù)需求快速增長(zhǎng)，有限的無(wú)線頻譜資源逐漸成為制約無(wú)線通信系統(tǒng)發(fā)展的 瓶頸。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC)的大量研究報(bào)告表明當(dāng)前無(wú)線頻譜的利用率很低，只有 15%?85%，大部分頻譜在多數(shù)時(shí)候并沒(méi)有得到充分利用，并且頻譜使用情況非常不平衡， 一些非授權(quán)頻段占用過(guò)于擁擠，而某些授權(quán)頻段則經(jīng)常處于空閑狀態(tài)。改變現(xiàn)有這種靜態(tài) 的頻譜管理方式和頻譜分配策略提高資源利用率是解決頻譜資源匱乏的有效途徑。認(rèn)知無(wú) 線電通過(guò)CR感知檢測(cè)空閑頻譜，實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)（如調(diào)制技術(shù)、工作頻率和傳輸功率等） 來(lái)適應(yīng)新的環(huán)境，在保證授權(quán)用戶的正常通信不受影響的前提下，伺機(jī)接入授權(quán)頻譜，大大 提高了頻譜的利用率。
[0003] 在認(rèn)知無(wú)線電共存式頻譜接入方法中，認(rèn)知用戶通過(guò)控制自己的發(fā)送功率，在不 影響授權(quán)用戶正常通信的前提下，接入授權(quán)用戶的頻譜，和授權(quán)用戶同時(shí)進(jìn)行通信。然而在 這種頻譜接入方法中，由于認(rèn)識(shí)用戶和授權(quán)用戶使用相同的頻譜同時(shí)進(jìn)行通信，他們之間 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(quán)用戶和認(rèn)知用戶的 性能也會(huì)由于干擾受到影響。而且在這種頻譜接入方法中，每次都是信道條件最好的認(rèn)知 用戶被選擇接入授權(quán)用戶的頻譜，而其他信道條件差的認(rèn)知用戶一直無(wú)法接入授權(quán)用戶的 頻譜，這樣會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知用戶間頻譜接入存在不公平的現(xiàn)象。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有共存式頻譜接入方法中授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶之間相互干擾的問(wèn)題、 以及認(rèn)知用戶頻譜接入的公平性問(wèn)題，本發(fā)明提供一種有效消除授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶之間 相互干擾的問(wèn)題、提升認(rèn)知用戶頻譜接入公平性的基于用戶公平性的抗干擾頻譜接入方 法。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：
[0006] -種基于用戶公平性的抗干擾頻譜接入方法，無(wú)線電通信系統(tǒng)包括一個(gè)授權(quán)系統(tǒng) 和一個(gè)認(rèn)知系統(tǒng)，其中，授權(quán)系統(tǒng)由一個(gè)授權(quán)用戶發(fā)送端和授權(quán)用戶接收端組成，所述授權(quán) 系統(tǒng)支持中繼功能，有一段W帶寬組成的授權(quán)頻譜；認(rèn)知系統(tǒng)由L個(gè)認(rèn)知用戶發(fā)送端和一 個(gè)共同的認(rèn)知用戶接收端組成，所述認(rèn)知系統(tǒng)能夠模擬授權(quán)系統(tǒng)中的無(wú)線電協(xié)議和系統(tǒng)參 數(shù)；所述基于用戶公平性的抗干擾頻譜接入方法包括以下過(guò)程：
[0007] 1)認(rèn)知用戶以協(xié)作方式接入授權(quán)用戶的頻譜，認(rèn)知用戶接收到授權(quán)用戶的信息 后，通過(guò)解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作方式幫助發(fā)送授權(quán)用戶的信息到授權(quán)用戶接收端；
[0008] 2)每個(gè)時(shí)刻i，計(jì)算授權(quán)用戶在認(rèn)知用戶STk協(xié)作幫助下獲得的速率Rp;k[i]， k e L, L = {1, 2, 3,..., L}；
[0009] 3)找出所有能夠幫助授權(quán)用戶達(dá)到目標(biāo)速率Rt的認(rèn)知用戶STk組成的集合M，Μ ={k|k e L, Rp；k[i] ^ Rt}；
[0010] 4)在集合M中選擇一個(gè)認(rèn)知用戶STb，

【權(quán)利要求】
1. 一種基于用戶公平性的抗干擾頻譜接入方法，無(wú)線電通信系統(tǒng)包括一個(gè)授權(quán)系統(tǒng)和 一個(gè)認(rèn)知系統(tǒng)，其中，授權(quán)系統(tǒng)由一個(gè)授權(quán)用戶發(fā)送端和授權(quán)用戶接收端組成，所述授權(quán)系 統(tǒng)支持中繼功能，有一段W帶寬組成的授權(quán)頻譜；認(rèn)知系統(tǒng)由L個(gè)認(rèn)知用戶發(fā)送端和一個(gè)共 同的認(rèn)知用戶接收端組成，所述認(rèn)知系統(tǒng)能夠模擬授權(quán)系統(tǒng)中的無(wú)線電協(xié)議和系統(tǒng)參數(shù)； 其特征在于：所述基于用戶公平性的抗干擾頻譜接入方法包括以下過(guò)程： 1) 認(rèn)知用戶以協(xié)作方式接入授權(quán)用戶的頻譜，認(rèn)知用戶接收到授權(quán)用戶的信息后，通 過(guò)解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作方式幫助發(fā)送授權(quán)用戶的信息到授權(quán)用戶接收端； 2) 每個(gè)時(shí)刻i，計(jì)算授權(quán)用戶在認(rèn)知用戶STk協(xié)作幫助下獲得的速率RRk[i]，keL，L ={1, 2, 3,. . . ,L}； 3) 找出所有能夠幫助授權(quán)用戶達(dá)到目標(biāo)速率Rt的認(rèn)知用戶STk組成的集合M，M= {k|keL,Rp；k[i] ^RJ； , ,- [/ ] 4) 在集合M中選擇一個(gè)認(rèn)知用戶STb，h=Mgmax-^7r ?授權(quán)用戶分配一部分時(shí)間給 t-cMTkV\ 該認(rèn)知用戶，授權(quán)其接入自己的頻譜，STb接入授權(quán)用戶的頻譜后，利用一部分帶寬轉(zhuǎn)發(fā)授 權(quán)用戶的信息幫助其達(dá)到目標(biāo)速率，利用剩余的帶寬發(fā)送自己的信息；如果M是空集，即 IMI= 0,表示沒(méi)有認(rèn)知用戶能夠幫助授權(quán)用戶達(dá)到目標(biāo)速率，則授權(quán)用戶繼續(xù)通過(guò)直傳發(fā) 送自己的信息； 授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶之間的時(shí)間和帶寬分配問(wèn)題建模為： maxR,[/] (i) 4Γ?Λ[? 滿足以下條件
其中，Rt表示授權(quán)用戶的目標(biāo)速率，tk[i]表示在授權(quán)用戶在時(shí)刻i第一個(gè)時(shí)隙發(fā)送自 己信息所占的時(shí)間，bk[i]表示認(rèn)識(shí)用戶STk在時(shí)刻i第二個(gè)時(shí)隙幫助轉(zhuǎn)發(fā)授權(quán)用戶信息所 占的帶寬，Rp，k[i]和Rs，k[i]分別表示認(rèn)知用戶STk接入授權(quán)用戶頻譜后，授權(quán)用戶和認(rèn)知 用戶獲得的速率： nimli?；Ji],^,[1]} (3) Rs；k[i] = (l~tk[i]) (l-bk[i])R4；k[i] (4) 其中，R4Jn=WlogM+ ^.....[.?，Ps，k表示認(rèn)知用戶STk的發(fā)射功率，Y4，k[i]表示認(rèn) 知用戶STk到認(rèn)知用戶接收端鏈路在時(shí)刻i的信道增益，Ntl表示噪聲功率譜密度，/?^[/]和 分別表示在時(shí)刻i授權(quán)用戶在第一個(gè)和第二個(gè)時(shí)隙獲得的速率： (5)
其中，
Rum=m〇gl(\+^^-),R5,[/] =Ifiog2(I+)?Pp表示授權(quán)用戶的發(fā) 2M52N0N0 射功率，h[i]和Y2ik[i]分別表示授權(quán)用戶發(fā)射端到授權(quán)用戶接收端和到認(rèn)知用戶發(fā)送 端STk路的信道增益，γ3，k[i]表示認(rèn)知用戶發(fā)送端STk到授權(quán)用戶接收端鏈路的信道增 M; 通過(guò)數(shù)學(xué)優(yōu)化方法獲得上述的最佳時(shí)間tk[i]和帶寬分配bk[i]:
將（7)、（8)代入（4)，得到認(rèn)識(shí)用戶的速率為
其中A= (R2，k[i]-Rt)，B= (R5，k[i]-Rd[i])，C= (R2，k[i]+R3，k[i]-R5，k[i]),D= (R2，k[i]-Rd[i])。
2.如權(quán)利要求I所述的基于用戶公平性的抗干擾頻譜接入方法，其特征在于：所述步 驟1)中，認(rèn)知用戶通過(guò)兩個(gè)時(shí)隙解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作方式接入授權(quán)用戶的頻譜； 在第一個(gè)時(shí)隙中，占據(jù)時(shí)間tk[i] (0 <tk[i] < 1)，授權(quán)用戶發(fā)送端用全部W帶寬發(fā)送 信息給授權(quán)接收端和認(rèn)知用戶發(fā)送端STk，所以授權(quán)用戶發(fā)送端到認(rèn)知用戶發(fā)送端STk鏈路 的速率為： 物(5) 在第二個(gè)時(shí)隙中，占據(jù)時(shí)間a-tk[i])，STk嘗試解碼授權(quán)用戶的信息，并分配由授權(quán)系 統(tǒng)授予的一部分帶寬bk[i] (0 <bk[i] < 1)W幫助轉(zhuǎn)發(fā)授權(quán)用戶的信息到授權(quán)用戶接收端， 在STk成功解碼的條件下，STk到授權(quán)用戶接收端鏈路的速率為：
所以授權(quán)用戶通過(guò)兩個(gè)傳輸時(shí)隙的速率表示為式（3);同時(shí)，在第二個(gè)時(shí)隙中，STk使 用剩余（l_bk[i])W帶寬發(fā)送自己的信息到認(rèn)知用戶接收端，認(rèn)知用戶STk的速率表示為式 ⑷。
3.如權(quán)利要求1或2所述的基于用戶公平性的抗干擾頻譜接入方法，其特征在于：所 述步驟4)中，認(rèn)知用戶STb通過(guò)以下方法進(jìn)行選擇： Rf/1 在任意時(shí)刻i，選擇認(rèn)知用戶STb，6 =argmax-^-V/>eM?M= "b?υ? {k|keL，Rp，k[i]彡Rt}，接入授權(quán)用戶的頻譜，其中Tk[i]表示認(rèn)知用戶STk在前i個(gè)時(shí)刻 的總吞吐量：
如果所有認(rèn)知用尸在前i個(gè)時(shí)刻的奮吐量都相問(wèn)，即T1Lij=T2Li」=...=Tk[i]... =IY[i]時(shí)，則認(rèn)知系統(tǒng)就會(huì)選擇信道條件最好的認(rèn)知用戶，即Rs，k[i]最大的認(rèn) 知用戶接入授權(quán)頻譜；而當(dāng)某個(gè)認(rèn)知用戶SL的吞吐量遠(yuǎn)小于其他用戶的吞吐量，即Tji] /?.[/] <<Tk[i]，j尹k時(shí)，則^會(huì)很大，認(rèn)知系統(tǒng)就會(huì)選擇總吞吐量最小的認(rèn)知用戶SL接入 r,[i] 授權(quán)頻譜。
【文檔編號(hào)】H04W74/00GK104270821SQ201410338515
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月16日
【發(fā)明者】盧為黨, 何娣, 王夢(mèng)云, 王凱, 彭宏, 徐志江, 華驚宇 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)