一种基于时间和带宽分配的双向协作抗干扰频谱接入方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信领域中的认知无线电通信技术领域，尤其是一种频谱接入方 法。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信技术的发展，无线通信用户不断增多，业务需求快速增长，有限的无 线频谱资源逐渐成为制约无线通信系统发展的瓶颈。大量研究报告表明当前无线频谱的 利用率只有15%~85%，大部分频谱在多数时候并没有得到充分的利用，并且频谱使用情 况非常不平衡，一些非授权频段占用过于拥挤，而某些授权频段则经常处于空闲状态。可见 造成频谱资源紧缺的主要原因是现有的这种固定式的频谱管理方式和频谱分配策略。认知 无线电技术可以通过感知周围的无线通信环境，在保证授权用户正常通信不受影响的前提 下，伺机接入授权频谱，能够有效提升频谱资源的利用率。
[0003] 在认知无线电共存式频谱接入方法中，认知用户在一定条件下接入授权频谱，与 授权用户同时使用相同的频段。所以在这种频谱接入方法中，认识用户和授权用户之间始 终存在干扰，使得原本就非常有限的频谱资源没有得到充分利用，授权用户和认知用户的 性能也会由于干扰受到影响。而且这种频谱接入方法使用单向协作方式，由于其半双工的 工作模式造成了频谱效率的损失。
【发明内容】
[0004] 针对现有共存式频谱接入技术中的缺陷，解决授权用户和认知用户之间相互干扰 的问题、克服频谱效率损失的不足，本发明提供一种有效消除授权用户和认知用户之间相 互干扰的问题、提升频谱效率的基于时间和带宽分配的双向协作抗干扰频谱接入方法。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] -种基于时间和带宽分配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，其中，主系统由两个授权用户A和B组成，工作在半双工模式， 所述授权系统支持中继功能，有一段W带宽组成的授权频谱；认知系统由一个认知用户发 送端和认知接收端组成，所述认知系统能够模拟主系统中的无线电协议和系统参数；所述 协作抗干扰频谱接入方法包括以下过程：
[0007] 1)授权用户A和B计算自己通过直传时的速率和，:如果授权用户A和B达 不到自己的目标速率RAT和RBT，则允许认知用户以三个时隙解码转发协作方式接入自己的 频谱。否则授权用户通过直传发送自己的信息；
[0008] 2)认知用户接入授权用户的频谱后，授权用户A和B计算自己在第一个和第二个 时隙直传链路上的速率RAB和RBA。认知用户根据RAB和RBA是否能够达到目标速率，通过以 下四种不同方式接入授权用户的频谱；
[0009] 2. 1)当RAB<RAT和RBA<RBT时，计算授权用户A和B在认知用户的帮助下获得的 速率心和RB，如果RA>RAT和RRBT，则授权用户A和B就会允许认识用户在第三个时隙 接入自己的频谱。否则，授权用户A和B通过直传发送自己的信息。认知用户接入授权用 户A和B的频谱后，利用一部分的带宽转发授权用户A和B的信息，利用剩余的带宽发送自 己的信息。
[0010] 2. 2)当RAB彡RAT，RBA<RBT时，计算授权用户B在认知用户的帮助下获得的速率 RB，如果RB>RBT，则授权用户B就会允许认识用户在第三个时隙接入自己的频谱。否则，授 权用户A和B通过直传发送自己的信息。认知用户接入授权用户B的频谱后，利用一部分 带宽帮助转发授权用户B的信息，利用剩余的带宽发送自己的信息。授权用户A在第一个 时隙分配一部分时间给认知用户发送信息；
[0011] 2. 3)当RAB<RAT，RBA彡RBT时，计算授权用户A在认知用户的帮助下获得的速率 RA，如果RA>RAT，则授权用户A就会允许认识用户在第三个时隙接入自己的频谱。否则，授 权用户A和B通过直传发送自己的信息。认知用户接入授权用户A的频谱后，利用一部分 带宽帮助转发授权用户A的信息，利用剩余的带宽发送自己的信息。授权用户B在第二个 时隙分配一部分时间给认知用户发送信息；
[0012] 2. 4)当RAB彡RAT，RBA彡RBT时，则授权用户A和B在第一个和第二个时隙分配一部 分时间给认知用户发送信息。认知用户在剩余的第三个时隙利用全部的带宽发送自己的信 息；
[0013] 授权用户和认知用户之间的时间和带宽分配问题建模为：
[0014] maxRs⑴
[0015] 满足以下条件
[0016] (2)
[0017] 其中RA，RB，RS*别表示认知用户接入授权用户的频谱后授权用户A和B，以及认知 用户获得的速率，RAT和RBT分别表示授权用户A和B的目标速率，T= {m，η}，B= {α，β}， m和η分别表示授权用户Α和Β在第一个时隙和第二个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授权用户Α和Β达到目标速率所用的带宽。根 据RAB和RBA是否能够达到目标速率RAT和RBT，RA，私和Rs有四种不同的形式。其中RAB和RBA 分别表示授权用户A和B在第一个和第二个时隙直传链路上的速率：
[0018]
[0019]
[0020] P#P及别表示授权用户A和B的功率，γAB和γBA表示授权用户A和B互相之 间的信道增益，σ2表示噪声方差。
[0021] ①当RAB<RAT，RBA<RBT时，
[0022] Ra=min{RAS,RSB} (5)
[0023] Rb=min{RBS,RSA} (6)
[0024]
[0025] 其中匕表示认知用户的功率，γSD表示认知用户发送端到接收端的信道增益，Ras， Rsa，Rbs和Rsb分别表示授权用户A和认知用户S，以及授权用户B和认知用户S互相之间的 速率：
[0026]
[0027]
[0028]
[0029]
[0030] γAs，γSA，γBS，γSB分别表示授权用户A，B，授权用户A和认知用户S，以及授权用 户B和认知用户S互相之间的信道增益。
[0031] ②当RAB彡RAT，RBA<RBT时，
u
[0047] 通过数学优化方法获得上述四种情况的最优时间和带宽分配：
[0048] ①当RAB<RAT，RBA<RBT时，
[0057]③当RBA彡RBT，RAB<RA了时，
[0065] α *=β*= 〇 (36)。
[0066] 进一步，所述步骤2)中，认知用户通过三个时隙解码转发协作方式接入授权用户 的频谱；
[0067] 在第1个时隙，授权用户Α用全部W带宽发送信息给授权用户Β和认知用户S，则 A-B和A-S链路获得的速率可以分别表不为：
[0068]
[0069]
[0070] 在第2个时隙，授权用户B用全部W带宽发送信息给授权用户A和认知用户S，则 B-A和B-S链路的速率可以分别表示为
[0071]
[0072]
[0073] 根据RAB和RBA是否能够达到目标速率RAT和RBT，RA，私和Rs有四种不同的形式：
[0074] ①当RAB<RAT，RBA<RBT时，表示授权用户A和B在第1个和第2个时隙达不到目 标速率RAT和RBT，此时 = ?二j，
[0075] 在第3个时隙，占用1/3时隙，认知用户分别利用aW(〇 <a< 1)和βW(〇 <β < 1)带宽转发授权用户A和B的信息帮助授权用户达到目标速率，授权用户A和B经过3 个时隙后获得的速率可以分别表示为
[0076] Ra=min{RAS,RSB} (5)
[0077] Rb=min{RBS,RSA} (6)
[0078] 其中
[0079]
[0080]
[0081] 认知用户在第3个时隙同时利用剩余的[1-(a+i3)]W带宽发送自己的信息，则认 知用户获得的速率可以表示为
[0082] (7)
[0083] ②当RAB彡RAT，RBA<RBT时，表示授权用户A在第1个时隙获得的速率已经大于其 1Λ 目标速率RAT，授权用户Β在第2个时隙达不到目标速率，此时《 = = 0， 3
[0084] 授权用户Α在第1个时隙使用Μ:( 0 < <ν )的时隙就可以达到目标速率RAT，即 .3:
[0085]
(12)
[0086] 在第3个时隙，占用时隙（2/3-m)，认知用户利用带宽转发授权用户B的信息 帮助其达到目标速率，授权用户B经过3个时隙后获得的速率可以表示为
[0087] Rb=min{RBS,RSA} (13)
[0088] 其中
[0089]
[0090] 认知用户在第3个时隙同时利用剩余的（l-β)W带宽发送自己的信息，认知用户 获得的速率可以表示为
[0091]
(14)
[0092] ③当RAB<RAT，RBA彡RBT时，表示授权用户A在第1个时隙达不到目标速率，授权 用户B在第2个时隙获得的速率已经大于其目标速率RBT，此时W= β=〇; J
[0093] 授权用户B在第2个时隙使用《 ( 0 </?< 4 )的时隙就可以达到目标速率RBT，即 J
[0094]
(17)
[0095] 在第3个时隙，占用时隙（2