認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中面向授權(quán)用戶自動(dòng)重傳請(qǐng)求的頻譜資源共享方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及認(rèn)知用戶頻譜接入方法及功率分配方案設(shè) 計(jì)，具體涉及一種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中面向授權(quán)用戶自動(dòng)重傳請(qǐng)求的頻譜資源共享方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線設(shè)備及無線傳輸需求的增加，可用無線頻譜資源越來越短缺。然而傳統(tǒng) 的固定頻譜分配方案沒有考慮到用戶在空間和時(shí)間上使用頻譜的差異，造成了頻譜資源的 浪費(fèi)。認(rèn)知無線電技術(shù)允許沒有授權(quán)頻譜的認(rèn)知用戶使用空閑或未被充分利用的無線頻譜 資源，從而提高頻譜利用率。
[0003] 在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，認(rèn)知用戶通過Interweave，Overlay或者Underlay方式共 享授權(quán)用戶的頻譜資源。由于在可行性及復(fù)雜度方面的優(yōu)勢(shì)，Underlay網(wǎng)絡(luò)得到了廣泛的 研宄。在Underlay認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中，授權(quán)用戶自動(dòng)重傳的確認(rèn)信號(hào)（ACK)及否認(rèn)信號(hào)（NACK) 可以被認(rèn)知用戶用來估計(jì)其認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)傳輸對(duì)授權(quán)用戶網(wǎng)絡(luò)帶來的影響。此外，授權(quán)用戶信 息重傳造成了信息冗余，而這些冗余信息可以被認(rèn)知用戶利用并通過解碼授權(quán)用戶信息來 消除授權(quán)用戶對(duì)認(rèn)知用戶的干擾。
[0004] 通過干擾消除，認(rèn)知用戶可以獲得更高的傳輸速率，同時(shí)授權(quán)用戶ARQ(自動(dòng)重傳 請(qǐng)求）信息可以被認(rèn)知用戶利用以保護(hù)授權(quán)用戶的傳輸以降低授權(quán)用戶的中斷概率?，F(xiàn)有 的基于ARQ的頻譜共享技術(shù)中，認(rèn)知用戶只在重傳時(shí)隙進(jìn)行傳輸，并且很多技術(shù)并沒有考 慮到認(rèn)知用戶的干擾消除，因此，現(xiàn)在的基于ARQ的頻譜共享技術(shù)會(huì)造成頻譜利用率低，認(rèn) 知用戶的傳輸速率也比較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中面向授權(quán)用戶自動(dòng)重傳請(qǐng)求的頻譜 資源共享方法，該方法能有效提高認(rèn)知用戶的傳輸速率，同時(shí)能夠降低授權(quán)用戶的中斷概 率。
[0006] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中面向授權(quán)用戶自動(dòng)重傳請(qǐng)求的頻譜資源共享方法，采用時(shí)分 機(jī)制，將認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)數(shù)據(jù)幀等分為兩個(gè)時(shí)隙：
[0008] 在第一個(gè)時(shí)隙內(nèi)授權(quán)用戶進(jìn)行首次傳輸，認(rèn)知用戶采用傳輸?shù)腢nderlay方式共 享信道；
[0009] 在第二個(gè)時(shí)隙內(nèi)授權(quán)用戶根據(jù)自動(dòng)重傳請(qǐng)求信息進(jìn)行重新傳輸，認(rèn)知用戶在保證 授權(quán)用戶中斷性能的情況下共享信道。
[0010] 在第二個(gè)時(shí)隙內(nèi)授權(quán)用戶根據(jù)自動(dòng)重傳請(qǐng)求信息進(jìn)行重新傳輸，利用重新傳輸帶 來的信息冗余進(jìn)行干擾消除，并以最大化傳輸速率為目標(biāo)，在授權(quán)用戶的中斷性能的約束 下，分配第二個(gè)時(shí)隙內(nèi)認(rèn)知用戶的傳輸功率。
[0011] 在第一個(gè)時(shí)隙內(nèi)，認(rèn)知用戶采用Underlay方式進(jìn)行傳輸，獲得傳輸速率為：
[0012]
[0013] 其中，Pp為授權(quán)用戶的發(fā)射功率，g12為授權(quán)用戶發(fā)射端PT到認(rèn)知用戶接收端SR 的信道功率增益，g22為認(rèn)知用戶發(fā)射端ST到認(rèn)知用戶接收端SR的信道功率增益，^是認(rèn) 知用戶的發(fā)射功率，^通過以下優(yōu)化得到：
[0014]
[0015]
[0016] 其中，匕為認(rèn)知用戶的最大發(fā)射功率，lth是授權(quán)用戶的干擾門限，表示期望結(jié) 果；為W的單調(diào)增函數(shù)，此時(shí)的傳輸功率為：
[0017]
；
[0018] 7為指數(shù)分布g21變量的參數(shù)。 ^21
[0019] 在第一個(gè)時(shí)隙內(nèi)授權(quán)用戶信息首次傳輸時(shí)，認(rèn)知用戶接收端SR首先解碼來自認(rèn) 知用戶的信息，然后解碼授權(quán)用戶的信息，利用授權(quán)用戶發(fā)射端PT到授權(quán)用戶接收端PR的 信道功率增益gll，PT到認(rèn)知用戶接收端SR的信道功率增益g21的統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息以及 g22的瞬時(shí)信道狀態(tài)信息，得到認(rèn)知用戶成功消除授權(quán)用戶干擾的概率如下：
[0020] 若認(rèn)知用戶信息被正確解碼且授權(quán)用戶信息也被正確解碼，則認(rèn)知用戶在第二個(gè) 時(shí)隙直接消除干擾，此種情況的概率為：
[0021
1 1
[0022] 其中，1和^為指數(shù)分布gn和g12的參數(shù)； ^11 ~
[0023]若授權(quán)用戶及認(rèn)知用戶信息都未被成功解碼，則認(rèn)知用戶接收端SR將存儲(chǔ)授權(quán) 用戶的信息以消除第二個(gè)時(shí)隙來自授權(quán)用戶的干擾，此種情況的概率為：
[0024]
；
[0025] 若認(rèn)知用戶信息未被成功解碼，而授權(quán)用戶信息被成功解碼，此種情況的概率 為：
[0026] ，i
[0027] 在第二個(gè)時(shí)隙內(nèi)認(rèn)知用戶首先計(jì)算干擾消除概率，并根據(jù)此概率分配功率：
[0028] 若認(rèn)知用戶在授權(quán)用戶信息首次傳輸時(shí)成功解碼授權(quán)用戶信息，則在授權(quán)用戶的 第二個(gè)時(shí)隙內(nèi)，認(rèn)知用戶直接消除干擾；
[0029] 若授權(quán)用戶信息未被成功解碼，則認(rèn)知用戶將利用授權(quán)用戶信息的冗余來消除干 擾；
[0030] 若首次傳輸時(shí)，認(rèn)知用戶信息被成功解碼，而授權(quán)用戶信息未被成功解碼，則在第 二個(gè)時(shí)隙內(nèi)，認(rèn)知用戶成功消除干擾的概率為：
[0031]
[0032] 其中，^為認(rèn)知用戶在第二個(gè)時(shí)隙內(nèi)的發(fā)送功率；
[0033] 若首次傳輸時(shí)隙內(nèi)，認(rèn)知用戶信息和授權(quán)用戶信息都未被成功解碼，則第二個(gè)時(shí) 隙內(nèi)，認(rèn)知用戶成功解碼的概率為：
[0034]
[0035] 在第二個(gè)時(shí)隙內(nèi)授權(quán)用戶根據(jù)自動(dòng)重傳請(qǐng)求信息進(jìn)行重新傳輸，若認(rèn)知用戶成功 消除干擾，則其傳輸速率 為：
[0036]
[0037] 否則，認(rèn)知用戶將會(huì)以速率<傳輸，^為
[0038]
[0039] 此時(shí)，得到認(rèn)知用戶在授權(quán)用戶信息重傳時(shí)的平均傳輸速率為：
[0040]
。
[0041] 在認(rèn)知用戶最大功率及授權(quán)用戶的中斷性能的約束下，優(yōu)化問題如下：
[0042]

9
[0043]
[0044] 其中，Pth是授權(quán)用戶在第二個(gè)時(shí)隙的中斷門限，是授權(quán)用戶在第二個(gè)時(shí)隙的 中斷概率，則有：
[0045]
[0046] 其中，Rp為授權(quán)用戶的中斷速率。
[0047] 認(rèn)知用戶的傳輸速率iT是f的增函數(shù)，求解i的范圍，由于^和g21服從指數(shù)分 布，可以近似為：
[0048]
；
[0049] 其中，（c)代表在高SNR區(qū)域的近似；由于〇4^4和/^<巧，因而，得到最優(yōu) 的傳輸功率W為：
[0053] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：
[0054] 本發(fā)明公開的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中面向授權(quán)用戶自動(dòng)重傳請(qǐng)求的頻譜資源共享方法， 在第一個(gè)時(shí)隙授權(quán)用戶進(jìn)行首次傳輸，認(rèn)知用戶采用傳輸?shù)腢nderlay方式共享信道，此時(shí) 認(rèn)知用戶監(jiān)聽授權(quán)用戶的ARQ(自動(dòng)重傳請(qǐng)求）信息并且解碼授權(quán)用戶信息；第二個(gè)時(shí)隙內(nèi) 認(rèn)知用戶利用授權(quán)用戶的信息冗余重新分配其傳輸功率來保證授權(quán)用戶的傳輸質(zhì)量，同時(shí) 利用冗余信息進(jìn)行干擾消除。本發(fā)明基于信道統(tǒng)計(jì)信息獲得認(rèn)知用戶在首次傳輸和重傳時(shí) 隙內(nèi)成功消除干擾的概率，并利用此概率計(jì)算認(rèn)知用戶的平均傳輸速率。本發(fā)明構(gòu)造了最 大化認(rèn)知用戶平均傳輸速率的優(yōu)化問題，并求解得到了認(rèn)知用戶在重傳時(shí)隙的功率分配方 案。通過干擾消除，認(rèn)知用戶可以獲得更高的傳輸速率，同時(shí)授權(quán)用戶ARQ(自動(dòng)重傳請(qǐng)求） 信息可以被認(rèn)知用戶利用以保護(hù)授權(quán)用戶的傳輸以降低授權(quán)用戶的中斷概率。
【附圖說明】
[0055] 圖1為認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)傳輸模型；
[0056] 圖2為認(rèn)知用戶的平均傳輸速率仿真圖；
[0057] 圖3為授權(quán)用戶的平均中斷概率仿真圖。
【具體實(shí)施方式】
[0058] 下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而 不是限定。
[0059] 本發(fā)明考慮一個(gè)Underlay網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。授權(quán)用戶網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)授權(quán)用戶發(fā)送 端（PT)和授權(quán)用戶接收端（PR)組成。當(dāng)授權(quán)用戶的首次傳輸經(jīng)歷中斷時(shí)（首次傳輸鏈路 經(jīng)歷了嚴(yán)重的衰落或干擾），PR將發(fā)送自動(dòng)重傳請(qǐng)求以進(jìn)行重傳傳輸。我們假設(shè)授權(quán)用戶 信息只有一次重傳機(jī)會(huì)，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)認(rèn)知發(fā)送端（ST)和一個(gè)認(rèn)知接收端（SR)組成。認(rèn) 知用戶將監(jiān)聽授權(quán)用戶的自動(dòng)重傳請(qǐng)求信號(hào)以分配功率并共享授權(quán)信道。
[0060] 假設(shè)認(rèn)知用戶網(wǎng)絡(luò)與授權(quán)用戶網(wǎng)絡(luò)是同步的，并且兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)都經(jīng)歷了獨(dú)立平穩(wěn)的 瑞利衰落，即：在每一幀內(nèi)，信道狀態(tài)保持不變，而在不同的幀間，信道狀態(tài)獨(dú)立變化。此外， 每個(gè)數(shù)據(jù)幀分為兩個(gè)時(shí)隙，分別對(duì)應(yīng)于授權(quán)用戶的首次傳輸及重新傳輸。我們假定ST可以 獲得ST到SR的信道狀態(tài)信息。對(duì)于PT到PR，ST到PR及PT到SR，ST只能得到其統(tǒng)計(jì)信 道狀態(tài)信息。
[0061] PT-PR，PT-PR，PT-PR及ST-PR的信道功率增益分別為gn，g12,g22和g21。 由于這些信道經(jīng)歷了瑞利衰落，因此變量gn，g12和g21服從指數(shù)分布，并且其參數(shù)分別為 1，一F和。假設(shè)系統(tǒng)中的噪聲為循環(huán)高斯白噪聲并且服從零均值單位方差的高斯CTU<721cr12 分布。授權(quán)用戶的傳輸功率為Pp并且其中斷速率為Rp。認(rèn)知用戶的最大傳輸功率為？3并 且其目標(biāo)速率為Rs。
[0062] 本發(fā)明所提出的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中面向授權(quán)用戶自動(dòng)重傳請(qǐng)求的頻譜資源共享方 法分為兩個(gè)時(shí)隙實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)過程為：
[0063] 1、在第一個(gè)傳輸時(shí)隙，認(rèn)知用戶采用Underlay模式接入頻譜。在授權(quán)用戶的干擾 門限約束下? iA鈾用戶M以莊徨的傳綸速率為：
[0064]
[0065] 其中，傳輸功率凡\是認(rèn)知用戶的發(fā)射功率，可以通過以下優(yōu)化問題得到
[0066]
[0067]
[0068] 因此，我們可以得到此時(shí)的傳輸功率為：
[0069]
[0070] 在授權(quán)用戶信息首次傳輸時(shí)，SR將受到授權(quán)用戶的干擾。假設(shè)ST和PR之間的距 離小于PT到SR之間的距離。此時(shí)，SR會(huì)首先解碼來自認(rèn)知用戶的信息，然后解碼授權(quán)用 戶的信息以便于在重傳時(shí)隙進(jìn)行干擾消除。gll和g21的統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息以及g22的瞬時(shí) 信道狀態(tài)信息，我們可以得到認(rèn)知用戶成功消除授權(quán)用戶干擾的概率如下：
[0071] (a)如果認(rèn)知用戶信息被正確解碼且授權(quán)用戶信息也被正確解碼的概率，認(rèn)知用 戶可以在重傳時(shí)隙直接消除干擾，此種情況的概率為：
[0072]
[0073] (b)如果