一種基于ofdm認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的分時協(xié)同通信的實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于0FDM認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的分時協(xié)同通信的實(shí)現(xiàn)方法，屬于無線通信
技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 移動通信系統(tǒng)的演進(jìn)與飛速發(fā)展，使其為移動用戶提供泛在無線接入以及高速寬 帶無線傳輸成為可能，但對能源需求日益增加。迅速升級的能源消耗不僅增加了通信系統(tǒng) 的運(yùn)行成本，同時也引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境問題。綠色通信技術(shù)，尤其是能量收集技術(shù)越來越受 到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。其中無線電信號的能量收集技術(shù)，使得無線網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可以 將漫布在空中的無線電信號轉(zhuǎn)換為電能加以利用，延長其生存周期；而無線電信號已經(jīng)廣 泛應(yīng)用于無線通信中。因此，同時為移動終端提供無線數(shù)據(jù)接入和無線能量具有很大的理 論和應(yīng)用價值。
[0003] 在傳統(tǒng)的頻譜共享方法中，次用戶或者使用主用戶未占用的頻段通信，或者在確 保主用戶通信質(zhì)量的前提下使用主用戶正在占用的頻段通信。而該方法中次用戶發(fā)射器不 但能解碼轉(zhuǎn)發(fā)主用戶信號以促進(jìn)主用戶信息傳輸，從而獲取更多使用主用戶頻譜進(jìn)行通信 的機(jī)會，還能從接收到的部分主用戶信號中收集能量，為主用戶信息的中繼傳輸和次用戶 本身的信息傳輸供能。通過上述方法，本發(fā)明利用對偶分解的思路求解，更快捷地得到協(xié)同 通信方案的中時間和功率的最優(yōu)分配，在確保主用戶服務(wù)質(zhì)量的前提下，有效地提高了次 用戶的系統(tǒng)容量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的在于解決了上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對具有能量收集功能的0FDM認(rèn) 知無線電網(wǎng)絡(luò)，提出了一種〇FDM(即：正交頻分復(fù)用技術(shù)）認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的分時協(xié)同通信的實(shí)現(xiàn) 方法，該方法支持主次用戶間的能量和信息的雙重合作，是基于系統(tǒng)能量效率和傳輸性能 最大化執(zhí)行時間和功率等資源的聯(lián)合分配。
[0005] 認(rèn)知無線電技術(shù)是提高頻譜利用率的一種有效途徑：次用戶監(jiān)測主用戶的頻帶使 用情況，選擇主用戶的授權(quán)頻譜未被占用的空隙進(jìn)行通信；或者次用戶采用undelay模式， 在不影響主用戶正常通信的情況下，允許次用戶使用主用戶的授權(quán)頻譜，而此時，為了不對 主用戶接收端產(chǎn)生顯著有害干擾，次用戶發(fā)送端的發(fā)射功率往往受到限制。與上述方法不 同，次用戶發(fā)送端可以作為協(xié)同中繼解碼轉(zhuǎn)發(fā)主用戶信號，促進(jìn)主用戶信息傳輸并獲取更 多使用主用戶頻譜進(jìn)行通信的機(jī)會；同時次用戶發(fā)送端還能從接收到的部分主用戶信號中 收集能量，為協(xié)同中繼傳輸和次用戶本身的信息傳輸供能。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：一種基于0FDM認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的分時協(xié) 同通信的實(shí)現(xiàn)方法，該方法包括如下步驟：
[0007] 步驟1:在能量合作傳輸階段（即：時隙tl k)，主用戶發(fā)送端PT通過第k個子載 波，以功率Ppli k向主用戶接收端PU 次用戶發(fā)送端ST 播信息x pli k。主用戶接收端PUjP 次用戶發(fā)送端STk的接收信號分別為
在本階段，主用戶接收端PUk的接收信號速率為
與 此同時，次用戶發(fā)送端將其接收到的信號轉(zhuǎn)換為電能，即
[0008] 步驟2 :在信息合作傳輸階段，次用戶發(fā)送端作為中繼，以半雙工的工作方式解碼 轉(zhuǎn)發(fā)主用戶發(fā)送端的信號。具體地，在時隙T2Uk，主用戶發(fā)送端PT通過第k個子載波，以 功率？|52115向主用戶接收端PU 次用戶發(fā)送端ST 射信號x p2ik。主用戶接收端？隊(duì)和次 用戶發(fā)送端STk的接收信號分別為
相應(yīng)的信號速率分別為
[0009]
[0010] 在接下來的時隙T22ik，次用戶發(fā)送端STk通過第k個子載波，以功率口^, 向主用戶接收端碼轉(zhuǎn)發(fā)Xp2ik，此時主用戶發(fā)送端PT保持空閑狀態(tài)。在本時 隙，主用戶接收端PUk的接收信號為
相應(yīng)的信號速率為
，因此，在本合作階段主用戶接收端的可達(dá)信號速率為
[0011] 步驟3:在次用戶信息單獨(dú)傳輸階段T3，g卩：保證主用戶可達(dá)速率要求后，次用戶 發(fā)送端ST k通過第k個子載波，以功率p ^，向次用戶接收端SU發(fā)送信號x、k，此時主用戶發(fā) 送端PT保持空閑狀態(tài)。在本階段，次用戶接收端SU的接收信號為# +心，相 應(yīng)的可達(dá)速率為
> 根據(jù)約束條件，使次用戶可達(dá)速率最大化 的最優(yōu)資源分配策略（T3，Ps2ik)，可以通過求解下式得到，即：

[0021] 步驟4 :對上述非凸問題進(jìn)行轉(zhuǎn)換，令p ' pl，k= p pl，ktl k，，p ' p2 k -Pp2，k T 21，k，P si, k - P sl，k T 22，k和P s2，k - P s2, k T 3, k0 Rpl，k ( T 1，k，Ppl，k)， ^ 巧J，成(匕太)，Rs，k(T 3，k，Ps2，k)可以表亦為關(guān)于（Tk，
問題重寫為凸問題。其證明的具體推導(dǎo)過程包括： C/Y
[0022] 通過觀察上述函數(shù)均具有如下形式，/(.切=&盡(1+〒)，其中〇^)為自變量， a彡0為常數(shù)。其Hessian矩陣為：
[0023]
[0024] 對給定的任意實(shí)向量z = [Zi, z2]，確
[0025] 即▽2/(x，〇為半負(fù)定矩陣，f(x，t)是關(guān)于（x，t)的凹函數(shù)。同理，可以證明 Rpl，k ( T l，k, P pl，k)，f ，礞、，A士和Rs，k ( T 3, k， P' s2,k)為相應(yīng) 自變量的凸函數(shù)。
[0026] 步驟5:應(yīng)用對偶分解法，針對上述凸問題中的各個約束條件引入對偶變 量及其拉格朗日算子 L (s)，將整個問題可以拆解成k個子問題 Lk(Sk，Pk，Tk)，艮口 ：
[0027]
[0028] 在內(nèi)層，固定對偶變量sk，對每個拉格朗日算子Lk(sk，pk，tk)并行應(yīng)用KKT條件， 得到對應(yīng)原自變量的最優(yōu)值(Pl，<)。在外層，將各原自變量匯集起來，根據(jù)次梯度法優(yōu)化整 體更新對偶變量，即^=&-《^，#，^)，0?為取值較小的步長。反復(fù)迭代，直到使得兩者同時 達(dá)到最優(yōu)。具體地，對于內(nèi)層迭代，將原自變量（Tk，p' k)分為TjPp',兩組交替優(yōu)化。 其中固定^，可通過以下各式進(jìn)一步優(yōu)化得到p' k;
[0029]
[0030]
其中ak= log(2) (y+ Kk) a k0k，
[0031] bk= log(2)(y + K k) ( a k+ 0 k) - ( y + k k) a k 0 k, ck= log(2) (y + k k) - ( A k 0 k+ y k a k),
[0034] 接著固定p' k，可通過以下各式進(jìn)一步優(yōu)化得到Tk，依次；優(yōu)化直到二者同時達(dá) 到最優(yōu)，即：
[0035]
[0041] 本發(fā)明所述的步驟4包括：證明 Rpl.k(T l,k)Ppl，k)，^ (%，1>和UTWP'O)為凸函數(shù)的具體推導(dǎo)過程 為：
[0042] 通過觀察上述函數(shù)均具有如下形式，
[0043]
[0044] 其中（X，t)為自變量，a多〇為常數(shù)，其Hessian矩陣為
[0045]
[0046] 對給定的任意實(shí)向量z = [Zi, z2]，有
[0047]
[0048] 即鏟/:以力為半負(fù)定矩陣，f (x，t)是關(guān)于（x，t)的凹函數(shù)；同理，可以證明 心1、（11、，？'01、），《（％戈，^2'山《（％^>；?)，^ 1〇：'22義，凡1)和1^，14(1：3，14，？' ！32，14)為相應(yīng) 自變量的凸函數(shù)。
[0049] 在本發(fā)明所述的步驟5包括：對于內(nèi)層迭代，將原自變量（Tk，p' k)分為^和 k兩組交替優(yōu)化，其中固定Tk，通過以下各式進(jìn)一步優(yōu)化得到p' k，即；
[0050]
[0051]
其中 ak= log(2) (y + K k) a k0k，
[0052] bk= log(2)(y + K k) ( a k+ 0 k) - ( y +kk) a k 0 k, ck= log(2) (y +kk) - ( A k 0 k+ y k a k),
[0055] 接著固定p' k，可通過以下各式進(jìn)一步優(yōu)化得到Tk，依次優(yōu)化直到二者同時達(dá)到 最優(yōu)，即：
[0056]
[0061]
[0062] 本發(fā)明應(yīng)用于無線信息和能量同步傳輸情景下的主次用戶間的合作傳輸模式中， 有效地提高了通信系統(tǒng)的吞吐量和系統(tǒng)的能效。
[0063] 有益效果：
[0064] 1、本發(fā)明通過引入次用戶作為協(xié)作中繼，有效地提高了系統(tǒng)傳輸速率和擴(kuò)大覆蓋 面積，在提高無線通信系統(tǒng)的傳輸性能方面具有廣闊前景。
[0065] 2、本發(fā)明針對無線信息和能量同步傳輸情景，通過引入主次用戶間無線信息和能 量的雙重合作傳輸模式，有效地提高了無線通信系統(tǒng)的能量效率。
【附圖說明】
[0066] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例中具有能量收集的0FDM認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)框圖。
[0067] 圖2為0FDM認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中多個主次用戶間分時協(xié)同通信方案的示意圖。
[0068] 圖3為0FDM認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中主次用戶協(xié)同通信方案中基于凸優(yōu)化的的資源分配流程 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0069] 下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明創(chuàng)造作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0070] 如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)中包括一個主用戶發(fā)送端PT、K個主用戶接收端PU、K個次用戶 發(fā)送端ST、一個次用戶目的接收端SU。所有主次用戶都是單天線的。其中主用戶發(fā)送端PT 和次用戶目的接收端SU分別在K個子載波信道發(fā)送和接收信號；而主用戶接收端？隊(duì)和次 用戶發(fā)送端STkI作在第k個子載波，并且次用戶發(fā)送端STk能夠?qū)χ饔脩艚邮斩薖U,信息 進(jìn)行解碼轉(zhuǎn)發(fā)