一种基于时间和带宽联合优化的双向协作抗干扰频谱接入方法

摘要

一种基于时间和带宽联合优化的双向协作抗干扰频谱接入方法，在该方法中，认知用户通过双向协作方式接入主用户的频谱；如果认知用户能够帮助主用户达到目标速率，则主用户就会分配一部分时间给认识用户，授权其接入自己的频谱；否则就不会允许认知用户接入自己的频谱。认知用户接入主用户的频谱后，分别利用不同的带宽发送主用户和自己的信息。本发明有效消除主用户和认知用户之间相互干扰和单向协作方式下半双工模式造成的频谱损失的问题，提升用户性能。

主权项

一种基于时间和带宽联合优化的双向协作抗干扰频谱接入方法，无线电通信系统包括一个主系统和一个认知系统，主系统包括主用户A和主用户B，认知系统由认知用户发送端S和认知用户接收端D组成，能够模拟主系统中的无线电协议和系统参数；其特征在于：所述主系统支持中继功能，有一段W带宽组成的授权频谱；所述基于时间和带宽联合优化的双向协作抗干扰频谱接入方法包括以下步骤：1)认知用户以协作方式接入主用户的频谱，认知用户接收到主用户的信息后，通过解码转发协作方式帮助转发主用户的信息；2)计算主用户A和B通过认知用户协作帮助后获得的速率R_A和R_B；3)如果R_A≥R_AT且R_B≥R_BT，则主用户就会分配一部分时间给认识用户，授权其接入自己的频谱，认知用户接入主系统的频谱后，利用一部分的带宽转发主用户的信息，利用剩余的带宽发送自己的信息；否则，主用户继续通过直传发送自己的信息；主用户和认知用户之间的时间和带宽联合分配问题建模为：$\underset{T,B}{max}{R}_S---\left(1\right)$满足以下条件$\left\{\begin{array}{c}{R}_A\ge R_{AT}\\ R_B\ge R_{BT}\\ 0<\alpha +\beta <1\\ 0<n+m<1\\ 0<\alpha <1\\ 0<\beta <1\\ 0<m<1\\ 0<n<1\end{array}\right.---\left(2\right)$其中R_AT和R_BT分别表示主用户A和B的目标速率，T＝{m,n}，B＝{α,β}，m和n分别表示主用户A和B在第一时隙和第二时隙发送自己信息所占的时间，α和β分别表示认识用户在第三个时隙帮助主用户A和B转发信息所用的带宽，R_A、R_B和R_S分别表示认知用户接入主用户频谱后，主用户A、主用户B和认知用户S获得的速率：R_A＝min{R_AS,R_SB}   (3)R_B＝min{R_BS,R_SA}   (4)$R_S=(1-m-n)(1-\alpha -\beta ){\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{P_S{\gamma }_{SD}}{3{\sigma }^2})---\left(5\right)$其中，P_S表示认知用户S的发射功率，γ_SD表示认知用户发送端到认知用户接收端链路的信道增益，σ²表示噪声功率谱密度，R_AS和R_SB分别表示主用户A在第一个和第二个时隙获得的速率：$R_{AS}={\mathrm{mWlog}}_2(1+\frac{P_A{\gamma }_{AS}}{{\sigma }^2})---\left(6\right)$$R_{SB}=\left\{\begin{array}{cc}[m-(1-m-n)\alpha ]R_{A1}+(1-m-n){\mathrm{\alpha R}}_{A2}& m\ge (1-m-n)\alpha \\ [(1-m-n)\alpha -m]R_{A3}+{\mathrm{mR}}_{A2}& m<(1-m-n)\alpha \end{array}\right.---\left(7\right)$其中，$R_{A1}={\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{P_A{\gamma }_{AB}}{{\sigma }^2}),$$R_{A2}={\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{P_S{\gamma }_{SB}}{3{\sigma }^2}+\frac{P_A{\gamma }_{AB}}{{\sigma }^2}),$P_A表示主用户A的发射功率，γ_AS,γ_SB和γ_AB分别表示主用户A到认知用户发送端链路的信道增益，认知用户发送端到主用户B链路的信道增益和主用户A到主用户B链路的信道增益，R_BS和R_SA分别表示主用户B在第一个和第二个时隙获得的速率：$R_{BS}={\mathrm{nWlog}}_2(1+\frac{P_B{\gamma }_{BS}}{{\sigma }^2})---\left(8\right)$$R_{SA}=\left\{\begin{array}{cc}[n-(1-m-n)\beta ]R_{B1}+(1-m-n){\mathrm{\beta R}}_{B2}& n\ge (1-m-n)\beta \\ [(1-m-n)\beta -n]R_{B3}+{\mathrm{nR}}_{B2}& n<(1-m-n)\beta \end{array}\right.---\left(9\right)$其中$R_{B1}={\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{P_B{\gamma }_{BA}}{{\sigma }^2}),$$R_{B2}={\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{P_S{\gamma }_{SA}}{3{\sigma }^2}+\frac{P_B{\gamma }_{BA}}{{\sigma }^2}),$P_B表示主用户B的发射功率，γ_BS,γ_SA和γ_BA分别表示主用户B到认知用户发送端链路的信道增益，认知用户发送端到主用户A链路的信道增益和主用户B到主用户A链路的信道增益；通过数学优化方法获得上述的最优时间分配：$m^{*}=\frac{R_{AT}}{{\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{P_A{\gamma }_{AS}}{{\sigma }^2})}---\left(10\right)$$n^{*}=\frac{R_{BT}}{{\mathrm{Wlog}}_2(1+\frac{P_B{\gamma }_{BS}}{{\sigma }^2})}---\left(11\right)$根据R_SB和R_SA的不同取值，得到4种不同情况下的最优带宽分配：①当$\left\{\begin{array}{c}{m}^{*}\ge (1-m^{*}-n^{*})\alpha \\ n^{*}\ge (1-m^{*}-n^{*})\beta \end{array}\right.$时，$\{\begin{array}{c}\alpha =\frac{R_{AT}-m^{*}{R}_{A1}}{(1-m^{*}-n^{*})(R_{A2}-R_{A1})}\\ \beta =\frac{R_{AB}-n^{*}{R}_{B1}}{(1-m^{*}-n^{*})(R_{B2}-R_{B1})}\end{array}---\left(12\right)$②当$\left\{\begin{array}{c}{m}^{*}\ge (1-m^{*}-n^{*})\alpha \\ n^{*}<(1-m^{*}-n^{*})\beta \end{array}\right.$时，$\{\begin{array}{c}\alpha =\frac{R_{AT}-m^{*}{R}_{A1}}{(1-m^{*}-n^{*})(R_{A2}-R_{A1})}\\ \beta =\frac{R_{AB}-n^{*}(R_{B2}-R_{B3})}{(1-m^{*}-n^{*})R_{B3}}\end{array}---\left(13\right)$③当$\left\{\begin{array}{c}{m}^{*}<(1-m^{*}-n^{*})\alpha \\ n^{*}\ge (1-m^{*}-n^{*})\beta \end{array}\right.$时，$\{\begin{array}{c}\alpha =\frac{R_{AT}-m^{*}(R_{A2}-R_{A3})}{(1-m^{*}-n^{*})R_{A3}}\\ \beta =\frac{R_{BT}-n^{*}{R}_{B1}}{(1-m^{*}-n^{*})(R_{B2}-R_{B1})}\end{array}---\left(12\right)$④当$\left\{\begin{array}{c}{m}^{*}<(1-m^{*}-n^{*})\alpha \\ n^{*}<(1-m^{*}-n^{*})\beta \end{array}\right.$时，$\{\begin{array}{c}\alpha =\frac{R_{AT}-m^{*}(R_{A2}-R_{A3})}{(1-m^{*}-n^{*})R_{A3}}\\ \beta =\frac{R_{BT}-n^{*}(R_{B2}-R_{B3})}{(1-m^{*}-n^{*})R_{B3}}\end{array}---\left(15\right).$