认知中继网络中基于能效的协作传输技术研究
一种全双工认知中继网络中实现能量高效的安全传输方法
一种全双工认知中继网络中实现能量高效的安全传输方法张培;张建明;王良民【期刊名称】《计算机科学》【年(卷),期】2017(044)009【摘要】在“绿色”安全通信背景下,提出了一种保证同时同频全双工认知中继网络物理层安全、不影响主用户性能且能量高效的中继簇功率分配方案,该网络包含两个认知源节点、多个认知中继节点、多个主用户节点以及多个主用户窃听节点.在考虑了自干扰消除率以及中继转发信息的公平性的基础上,分别针对中继节点选择放大转发与译码转发策略的情形,设计协作波束成形向量及人工噪声矩阵,并通过一种结合半定松弛技术的爬山算法来获取最优解.仿真结果与理论分析表明了方案的有效性与合理性,同时表明选择放大转发策略能够获取更高的总能量效率.%Under the "green" and secure communication background,we studied the co-time co-frequency full-duplex cognitive relay networks consisting of two secondary source nodes,multiple cognitive relay nodes,multiple primary nodes and multiple primary eavesdroppers.To improve the total energy efficiency on the premise of ensuring the physical-layer security and the primary node's performance whether the selection relay protocol is the amplify-and-forward or decode-and-forward,we proposed the power allocation schemes to obtain a cooperative beamforming coefficient and an artificial noise matrix after taking both self-cancellation and forwarding fairness into consideration.It is mainly optimized by the "hill climbing" algorithm that combines the semidefinite relaxation (SDR)technology.Simulation results and theoretical analysis show the effectiveness and rationality of our scheme.Moreover,the choice of amplify-and-forward relay protocol contributes to the higher total energy efficiency.【总页数】6页(P172-177)【作者】张培;张建明;王良民【作者单位】江苏大学计算机科学与通信工程学院镇江212013;江苏大学计算机科学与通信工程学院镇江212013;江苏大学计算机科学与通信工程学院镇江212013【正文语种】中文【中图分类】TN929.5【相关文献】1.能量收集全双工中继网络中的中继选择策略研究 [J], 刘杰群;陈瑾;任国春;黄育侦2.基于能量收集的全双工认知中继网络功率分配算法 [J], 张士兵;韩刘可;张美娟3.非理想CSI下全双工双向中继网络安全性能研究 [J], 丁青锋;吴泽祥;刘梦霞;奚韬4.双向无线携能全双工认知中继网络的能效优化 [J], 王令照;仇润鹤5.全双工认知NOMA网络下中继选择策略性能分析 [J], 杨键泉;贺玉成;马梦欢;周林因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于OFDM-IM的认知无线电协作中继性能分析
第３ ９卷第 ８期
２ ０ １ ７年 ８月
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① （ Ｎ ａ ｔ ｉ ０ 佗 ０ ｌ Ｋ ｅ ０ ｂ ０ ｍｔ Ｄ ｒ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ 佗 ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ Ｄ ｌ ｏ ｇ ｙ ０ ｎ Ｃ ｏ ｍ ｍｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ， Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ０ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ０ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏ ｆ
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认知网络能效性协作功率分配算法
认知网络能效性协作功率分配算法贾鹤萍;郭艳艳;卫霞;杨荣草【摘要】当前认知无线电(cognitive radio,CR)协作策略的目的主要是为了提高认知系统的容量、中断概率或带宽利用率,而对于能量有限认知网络,如传感器网络,协作传输减少传输能量消耗和延长网络生命周期才是最关键的问题.协作提高CR系统能效性策略和现在的研究相比,中继节点选择及功率分配有所不同.本文提出了一种基于共存式频谱共享情况下的CR协作功率分配策略,目的是最小化CR系统的能量消耗.%The aim of cognitive radio(CR) cooperative strategy in many existing works is to improve the capacity,outage probability or bandwidth utilization of cognitive systems.For the limited energy cognitive networks,such as sensor networks,reducing the transmission energy consumption and prolonging the network life cycle by cooperative transmission are the most critical paring the cooperative CR system with those of the current researches,the relay node selection and power allocation are quite different.This paper proposes a cooperative power allocation strategy for cooperative CR system based on coexistence spectrum sharing with the aim of minimizing the energy consumption of CR system.【期刊名称】《测试技术学报》【年(卷),期】2017(031)005【总页数】7页(P377-383)【关键词】认知无线电;共存式频谱共享;能量受限的认知网络;CR协作系统【作者】贾鹤萍;郭艳艳;卫霞;杨荣草【作者单位】山西大学物理电子工程学院,山西太原030006;山西大学物理电子工程学院,山西太原030006;山西大学物理电子工程学院,山西太原030006;山西大学物理电子工程学院,山西太原030006【正文语种】中文【中图分类】TN925.1Abstract : The aim of cognitive radio(CR) cooperative strategy in many existing works is to improve the capacity, outage probability or bandwidth utilization of cognitive systems. For the limited energy cognitive networks, such as sensor networks, reducing the transmission energy consumption and prolonging the network life cycle by cooperative transmission are the most critical issues. Comparing the cooperative CR system with those ofthe current researches, the relay node selection and power allocation are quite different. This paper proposes a cooperative power allocation strategy for cooperative CR system based on coexistence spectrum sharing with the aim of minimizing the energy consumption of CR system.Key words: cognitive radio； the underlay sharing-spectrum； energy-constrained cognitive networks； cooperative CR system随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源变得越来越紧张,尤其是随着无线局域网(WLAN)技术、无线个人域网络(WPAN)技术的发展，越来越多的人通过这些技术以无线的方式进行通信[1]. 这些无线接入技术大多使用非授权的频段(UFB)工作，与授权频段相比，非授权频段的频谱资源要少很多(大部分的频谱资源均被用来做授权频段使用). 于是就出现了某些部分的频谱资源相对较少但其上承载的业务量很大，而另外一些已授权的频谱资源利用率却很低[1]的现象. 为了解决上述频谱利用率低下的问题，近年来，被业界称为认知无线电(Cognitive Radio，简称CR)的新频谱使用模式正逐渐受到人们的关注[1,2].另一方面，分集技术能改善无线信道衰落特性，提高传输的可靠性[3,4]. 因此，将认知无线电技术与协作通信技术相结合，发挥各自优势，寻求对无线通信的解决方案，在提高频谱使用效率的同时，尽可能地提高系统的信道容量或提升各用户的抗衰落性能[5-8].对于能量有限CR网络，如传感器网络，协作传输减少传输能量消耗，延长网络生命周期才是最关键的问题[9,10]. 因此本文将认知无线电技术和协作通信技术相结合，并借用了几何分析的方法，得到功率分配优化值，以最小化CR系统传输能量. 利用这种算法，只要知道CR系统内部节点间及CR节点和授权系统接收设备间的信道状态信息， CR源和中继节点就可以利用优化算法自动调整传输功率，得到CR系统最小的传输能量消耗. 算法针对信道发生相位衰落与不发生相位衰落两种情况分别进行分析，信道不发生相位衰落可以看作发生相位衰落的特例.考虑到共存式频谱共享模式下认知无线电系统协作传输应用场景，授权系统包括一对发送/接收设备， CR系统中节点能量受限，以Ad-hoc模式进行通信. 假设授权系统发送/接收设备间以固定速率R0，固定传输功率P0进行通信，而CR 系统和授权系统同时工作在相同的信道上， CR系统的数据传输应该保证授权系统的传输不被打断. 假设CR系统的中继节点及目的节点距离授权系统的源足够远，不受授权系统的干扰. 定义hs,p， hr,p， hs,d， hs,r， hr,d和hp分别表示CR 源节点到授权系统接收设备、 CR中继到授权系统接收设备、 CR源节点到目的节点、 CR源节点到中继、 CR中继到目的节点及授权发送/接收设备间的信道增益.CR系统内部的信道为AWGN信道，而CR系统和授权系统间，及授权系统内的信道为独立同分布的瑞利信道.定义认知系统的干扰温度为Q[1]，那么，授权系统接收设备容忍的最大峰值接收功率不能超过这个干扰温度门限Q，假设CR系统的发送/接收节点知道精确的信道信息(CSI)(包括CR系统内部的及和授权用户之间的信道信息).对于能量受限的CR系统，在CR源节点和中继节点间的功率分配需要满足: 消耗最少的能量来满足自己的QoS要求，同时不要干扰到授权系统的正常通信.当CR源节点以传输功率PCR直接传输给目的节点时， CR系统容量和发送每比特消耗的最少能量为[9]式中： PCR是CR源节点直接传输需要的传输功率，由于是考虑到授权系统的峰值干扰温度限制，必须满足不等式两边同除以pCR，得到为了分析简单，设定R=C. 采用DF模式进行协作通信，假设中继是一个随机分布的节点，发送/接收节点知道精确的信道信息(CSI).CR系统的协作分为两个阶段，在广播阶段， CR源节点广播数据给中继和目的节点， CR目的节点和中继节点同时接收；第2阶段， CR源节点和中继节点一起协作向目的节点发送数据， CR目的节点将合并源节点和中继节点发来的信号，这样，可以获的两阶协作增益. 第2阶段CR用户协作的目的是为了最小化传输功率，提高系统的能效性.图 1 为详细协作过程，第1阶段， CR源节点以速率为R发送长度为L的码本(Gaussian codebook)，源节点的传输功率为P，中继节点接收，直到接收的信息长度超过μL时，对接收的信息进行译码(见图 1(a))，成功译码L长度的数据后，以传输功率转发与源节点相同的码本给目的节点. 同时，源节点降低功率到[0,1])继续发送剩余数据(见图 1(b)).在接收[μL]符号后，中继节点能够全部正确译码源节点发送的消息，这里[10] 当μ≥1，中继节点不参与协作传输，在下面的描述中，假定总是满足μ<1.考虑到授权系统的峰值干涉功率限制，在第2协作阶段，源节点和协作节点传输功率必须满足不等式两边同除以PCR，得到结合式(4)和式(7)，可以设置也就是说，协作传输对授权系统的峰值干涉小于直接传输对授权系统的峰值干涉. 分为两种情况(信道不发生相位衰落和发生相位衰落)进行分析.假定信道不发生相位旋转，则式中： dij是两个节点i和j的距离；γ≥2是信道衰落因子. 在第2阶段， CR目的节点接收的信号表示为式中： zd[t]为0均值，分布为高斯白噪声.考虑的授权系统峰值干涉限制，第2协作阶段CR协作系统应该调整传输功率参数α1和αr需要解决下面优化问题从式(11)可以看出，共存式频谱共享模式下CR节点间的功率分配优化方法和非CR系统下优化方法有所不同，不仅和hs,d和hr,d有关，而且与CR和授权系统间的信道状态hs,p和 hr,p有关.显然，式(11)利用拉格拉日(Lagrangian)算法很难得到优化参数α1和αr. 因此，提出一种简单的数学方法来处理这个问题. 图 2 是不发生相位衰落信道功率优化参数计算示意图，定义它为图中所示的曲面，α1和αr为两坐标轴，当α1=0 和αr=0时，曲面f(α1,αr)=0，曲面从坐标原点(α1和αr)向外单调上升.由于协作传输和直接传输有相同的有效传输容量，则优化值α1和αr应该位于直线hs,dα1+hr,dαr=hs,d(也可表示为αr=(hs,d/hr,d)(1-α1))上. 由上节可知，不考虑授权用户峰值干涉功率限制式(11)的优化值α1和αr是在直线hs,dα1+hr,dαr=hs,d距离原点最近的点，如图 2 中的优化值.对于共存式频谱共享模式下CR协作策略，优化参数α1和αr另外还要满足也就是图 3 中的阴影部分. 因此，要求图 2 中距离坐标原点最近的的点，不仅位于直线hs,dα1+hr,dαr=hs,d上，而且落入图 3 阴影部分，需要解方程如图 3 所示，得到两组解这里，当α1=1和αr=0，中继不参与协作，源节点直接传输. 优化方法有如下两种情况: 1) ≥可能的优化方案见图 3(a) 所示，从图3(a)中可以看到，直线hs,dα1+hr,dαr=hs,d上距离原点最近的点落在阴影区域内，因此干扰温度限制没有影响到CR协作策略，和非认知无线电下的优化值相同，优化值α1和αr分别为及传输每比特的能量消耗2) <可能的优化方案见图3(b)所示，从图3(b)中可以看到，在直线hs,dα1+hr,dαr=hs,d上落在阴影区域内到原点最近的距离的点是直线hs,dα1+hr,dαr=hs,d和曲线的交叉点，因此优化值α1和αr分别为αr==.CR系统协作传输每比特消耗的能量优化为从上面的两种情况可以看出，对于信道不发生相位衰落(no phase fading)，当hs<hsr， CR中继节点提供能量增益.这一节，信道除了能量衰减外，还经历相位衰落(phase fading)，即式中：θij为随机变量，满足[0,2π]的均匀分布. 那么，第2阶段，目的节点接收的信号为根据文献[10]，协作系统容量表示为考虑到干扰温度限制， CR协作系统得到和直接传输相同的有效容量，需要解决下面的优化问题同样，图4 展示了这种情况下功率分配参数优化示意图. 同样定义和为两坐标轴，这里，是平面. 当和那么，回顾上节，不考虑授权系统峰值接收功率限制，式(24)的优化值α1和αr应该是位于直线hs,dα1+hr,dαr=hs,d上且距离原点最近的点，如图 4 中的优化值.而对于共存式频谱共享模式下CR协作策略，考虑到干扰温度限制，优化值还必须满足也就是优化值必须落在图 5 中的阴影部分.图 5 展示了CR系统在信道发生相位衰落情况下的功率分配方法，可以分为下面几种情况:1) hs,d≥hr,d或者>当>(如图5(a)所示)或者hs,d≥hr,d(如图5(b)所示)，仅仅源节点发送数据. CR协作没有带来能量增益.2) hs,d<hr,d且≤这种情况下，直线整个落在阴影区域内，优化值α1和αr如图5(c)所示，为最小的传输每比特的能量消耗同非CR系统一样，如式(17).从上面的两种情况可以看出，只有当hs,d<hs,r, hs,d<hr,d且≤，才能带来协作能量增益.在这一节，将仿真CR系统协作能量增益，并把非CR协作传输策略和CR源节点直接传输两种情况作为参考. 定义系统参数见表 1.授权系统接收设备、 CR源节点及CR目的节点位置分别为 (0,0), (1,1), (2,0). CR中继在(x,y)轴上移动；定义能量增益为来量化CR系统协作带来的能量增益.首先，设置γp=32 dB, Q=17 dB， CR中继的位置为(x,0)，让中继在x轴上移动. 从图 6 中可以看到，无论信道存在相位衰落与否，相比直接传输， CR协作带来了能量增益. 另外，信道无相位衰落比衰落时得到更好的能量增益，于是信道无衰落可以认为是衰落的特殊情况(θij=0). 也观察到，由于干扰温度的影响，当中继距离授权系统接收设备比较近时， CR协作比非CR协作带来的能量增益要小.图 7 表示授权系统链路性能和CR中继节点位置的关系. 可以看到，比较直接传输，CR系统协作减少了授权系统链路的中断概率. 这主要是由于CR协作分集有效地减少了对授权系统链路的干扰. 但是，当CR中继距离授权系统接收设备比较近时，授权链路性能下降.其次， CR中继位置分别固定在坐标(0.3,0) 和(1.3,0)，图8表明了当Q=17 dB，授权系统接收信噪比γp变化时，中继对授权系统中断概率的影响，可以看出，授权系统接收信噪比越高，系统性能越好，和直接传输相比，提出的CR协作情况下可以得到更好的授权系统性能. 也可以看出，中继节点在坐标(1.3, 0)比在坐标(0.3, 0)时授权系统链路性能更好，这是由于坐标(0.3, 0)距离授权系统接收设备比较近.图 9 表明了当信噪比γp=32 dB， Q变化时授权系统链路性能. 首先观察到: 干扰温度门限Q越高，授权系统性能越差，因此，要进行频谱感知，以确定合适的干扰温度门限值Q，以保证授权系统的正常传输，同上面的情况一样， CR协作比直接传输情况的授权系统性能要好.针对能量受限的CR网络，提出了一种基于共存式频谱共享模式的高能效CR协作优化功率分配模型，仿真结果表明，和直接传输相比，提出的CR协作功率优化方法带来了CR网络的能量增益. 仿真还表明，信道不发生相位衰落的情况下，得到更好的协作能量增益. 另外，和CR直接传输相比， CR的协作分集可以带来授权系统性能的提高.【相关文献】[1] Kolodzy P, Avoidance I. Spectrum policy task force[J]. Federal Commun. Comm., Washington, DC, Rep. ET Docket, 2002, 40(4)： 147-158.[2] Jing Tao, Zhu Shixiang, Li Hongjuan, et al. Cooperative relay selection in cognitive radio networks[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2015, 64(5)： 1872-1881. [3] Tan L T, Ying Lei, Bliss D W. Power allocation for full-duplex relay selection in underlay cognitive radio networks： Coherent versus non-coherent scenarios[J]. arXiv preprint arXiv, 2017, 1703: 1527-1532.[4] Luo Changqing， Min Geyong, Yu F R， et al. Joint relay scheduling, channel access, and power allocation for green cognitive radio communications[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2015, 33(5)： 922-932.[5] Majhi S, Banerjee A. Asymptotic outage analysis of incremental decode and forward cognitive radio relay network[C]. Communication Systems and Networks (COMSNETS), 2015 7th International Conference on. IEEE, 2015： 1-8.[6] Hussein J, Ikki S, Boussakta S, et al. Study of a multi-relay scheme and co-channel interference within an underlay cognitive radio network[C]. Ubiquitous and Future Networks (ICUFN), 2016 Eighth International Conference on. IEEE, 2016： 25-29.[7] Lopez O L A, Sanchez S M, Mafra S B, et al. Power Control and Relay Selection in Cognitive Radio Ad Hoc Networks Using Game Theory[J]. IEEE Systems Journal, 2016,pp(99): 1-12.[8] Singh J, Singh R, Rai M, et al. Cooperative Sensing for Cognitive Radio： A Powerful Access Method for Shadowing Environment[J]. Wireless Personal Communications, 2015, 80(4): 1363-1379.[9] Cover T M, Thomas J A. Elements of Information Theory[M]. New York： Wiley, 1991.[10] Lai Lifeng, El Gamal H. On cooperation in energy efficient wireless networks： the role of altruistic nodes[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2008, 7(5): 1868-1878.。
认知协作无线电网络下基于能效的资源联合分配
认知协作无线电网络下基于能效的资源联合分配杨路;黄凯;杨品章【摘要】在认知协作无线电网络中,当次用户盲目地参与到中继主用户中,会选择不利于次用户系统能效的主用户,从而降低次用户系统整体的能效.针对该问题,提出一种资源联合分配方案.次用户有权拒绝不利于自身系统的协助申请,而是选择有利于其系统能效的主用户进行协助.在确定主用户集合的情况下,通过有效地分配带宽和功率来提高次用户系统的能效.仿真结果表明,该方案能够在保证各用户服务质量的情况下,实现次用户系统能效的提高.%In the Cognitive Cooperative Radio Network(CCRN),when the secondary users blindly to participate in relay primary users,they will choose the primary users that is not conducive to energy efficiency of the system,thus reduces the overall energy efficiency of secondary user system.To solve the problem,this paper proposes a resource joint allocation scheme.The secondary users have the fight to reject the assistance applications that are not conducive to the performance of system,and select primary users who are beneficial to their energy efficiency to assist.In the case of determining the primary user set,through the effective allocation of bandwidth and power,the energy efficiency of the secondary user system is increased.Simulation results show that the scheme can improve the efficiency of secondary system in the condition of ensuring the quality of service for all users.【期刊名称】《计算机工程》【年(卷),期】2018(044)001【总页数】6页(P134-138,143)【关键词】认知协作无线电网络;能效;带宽分配;功率分配;资源分配【作者】杨路;黄凯;杨品章【作者单位】重庆邮电大学通信与信息工程学院,重庆400065;重庆邮电大学通信与信息工程学院,重庆400065;重庆邮电大学通信与信息工程学院,重庆400065【正文语种】中文【中图分类】TP3930 概述在认知协作无线电网络(Cognitive Cooperative Radio Network,CCRN)中,将拥有频谱资源的授权系统称为主系统,共享主用户频谱资源的系统称为次级系统。
认知无线电网络中基于协作水平的协作门限与功率联合优化
认知无线电网络中基于协作水平的协作门限与功率联合优化张纬良;郑宝玉;岳文静【期刊名称】《电子与信息学报》【年(卷),期】2011(033)010【摘要】将协作传输技术用于认知无线电网络不仅增强了系统抗衰落能力,而且有效提高了频带利用率.但是,中继节点何时必须参与协助源节点传输信息是一个值得考虑的问题.该文提出一种基于协作水平的中继协作准则.首先给出协作水平的定义和表达式,并基于此式推导了系统平均带宽利用率和误符号率公式,然后由二者的折中得到关于协作门限和功率比的性能函数.为了使系统获得最优性能,文中采用粒子群优化算法联合优化协作门限和功率比.仿真结果表明,良好的源节点到目的节点的链路状态和尽量使用中继参与协作均有助于系统性能的最优化.%Cooperative transmission for cognitive radio networks not only enhances the anti-fading capability of the system, but also improves the bandwidth efficiency. But it's really a worth considering issue when the relay node should assit the source node to transmit information. This paper proposes a cooperative guideline based on cooperative level. Firstly the notion of cooperative level is defined, then the expressions of system bandwidth utilization and the average symbol error rate are deduced, finally the system performance function is got through the compromise between the coorperative thresholds and power ratio. This paper also employs particle swarm optimization algorithm to solve optimal cooperative threshold and optimal power ratio. The simulation results verify the performance of theproposed scheme and show that good link state from source node to destination node and cooperative transmission by the relay node are both useful for optimizing the system performance.【总页数】6页(P2322-2327)【作者】张纬良;郑宝玉;岳文静【作者单位】南京邮电大学信号处理与传输研究院南京210003;南京邮电大学信号处理与传输研究院南京210003;南京邮电大学信号处理与传输研究院南京210003【正文语种】中文【中图分类】TN92【相关文献】1.基于认知无线电网络的协作功率和频谱分配研究 [J], 田雯;郭艳艳;卫霞;贾鹤萍2.协作异构网络中的用户接入与功率控制联合优化 [J], 赵景;韩圣千3.基于功率分配与中继选择联合优化的协作MAC [J], 喻超;芮雄丽;曹雪虹4.基于信噪比门限的车载协作通信功率分配优化方案 [J], 吴琪; 邱斌; 蒋为; 李婉莹5.B3G/4G协作通信中基于MCPA门限的功率分配方法 [J], 蒋武扬;桂林卿;罗汉文;周小林因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
面向协作中继的信息和能量联合传输技术研究
面向协作中继的信息和能量联合传输技术研究近年来,随着无线携能通信和中继技术的不断发展,信息和能量联合协作中继传输技术以其可以扩展通信网络的覆盖范围、增强传输可靠性、提高能量效率等优点受到了广泛关注。
然而在协作中继传输中,能量传输损耗严重,且由于能量传输需要占用时频资源,导致传输频谱效率降低,因此需要对协作中继传输策略进行联合设计,提升能量获取效率和频谱效率。
针对上述问题,本文研究了面向协作中继的信息和能量联合传输的资源分配问题和频谱共享机制,主要研究内容包括:(1)研究了基于无源中继的信息和能量联合传输的资源分配问题。
提出了一种最大化收集能量的子载波分配和功率分配的联合优化算法。
由于原始问题是一个整型非凸问题,通过对偶分解法对原始问题进行解耦,能够实现最优的系统性能。
仿真验证表明,所提算法相比于传统算法,性能提升明显。
(2)研究了基于认知中继的信息和能量联合传输的频谱共享问题。
提出了一种自适应的频谱共享机制,即认知中继以一定的规则自适应地选择对主系统进行仅能量协作或者信息和能量协作从而实现主系统吞吐量与次系统吞吐量的折中。
分析了该机制下系统中各条链路的吞吐量的闭式解,并通过优化自适应因子、时间分配系数使得在满足主系统性能限制的条件下最大化次系统吞吐量。
仿真验证表明,所提频谱共享机制相比于其他非自适应机制,性能有显著提升。
(3)研究了基于认知中继环境反向散射辅助的信息和能量联合传输的频谱共享问题。
环境反向散射技术使得通信节点通过修改和反射周围环境中的射频信号来调制和传输信息,可以同时提高能效和频谱效率,因此提出了一种频谱共享机制,其中次用户不仅协助主系统进行信息和能量传输,同时次用户在能量传输阶段利用环境散射技术调制周围的能量信号来实现自身的信息传输。
分析了该机制下主、次系统吞吐量的闭式解,并通过优化时间分配系数使得在满足主系统性能限制的条件下最大化整个系统吞吐量。
仿真验证表明,所提频谱共享机制相比于非协作模式,系统性能成倍提升。
协同中继传输处理技术研究
研究内容与结构安排
02
协同中继传输技术概述
起源于通信领域，为了解决通信系统的可靠性和容量问题。
协同中继传输技术的产生
经历了从传统中继传输、协同传输到协同中继传输的不同阶段。
协同中继传输技术的发展
协同中继传输技术的产生与发展
协同中继传输的基本原理
采用多个中继节点来协同传递信息，从而提高通信系统的可靠性和吞吐量。
2023
协同中继传输处理技术研究
引言协同中继传输技术概述协同中继传输处理技术研究协同中继传输在通信系统中的应用协同中继传输性能分析与优化结论与展望
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引言
1
研究背景与意义
2
3
随着通信技术的快速发展，无线通信网络面临着越来越高的传输速率和可靠性需求。
协同中继传输技术作为无线通信领域中的一种重要技术，可以有效提高网络覆盖、传输速率和可靠性。
协同中继传输在卫星通信系统中的应用
扩展覆盖范围
02
通过协同中继传输，可以将多个卫星的信号覆盖范围进行扩展，从而提高整个卫星网络的覆盖率。
提高数据传输速率
03
利用协同中继传输，可以将多个卫星接收到的数据进行合并和压缩，从而提高数据传输速率。
有线通信系统中，由于信号传输距离较长，信号衰减和噪声干扰较大，传输质量会受到影响。协同中继传输可以利用多个中继器接力传输，提高传输质量。
协同中继传输的分类
根据中继节点的处理方式，可分为解码转发中继传输、编码协作中继传输等。
协同中继传输的基本原理与分类
协同中继传输的关键技术
合理选择和配置中继节点，能够提高协同中继传输的性能。
中继节点的选择与配置
WSN中一种基于能量效率的协同中继传输方案
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簇 头之 间的信道状态信息选择最优 中继节点 ；协 同传输数据时 ， 目的节点接 收到两 个时 隙的信 号后进行 最大 比合并 ，并 根 据设定 的接 收信 噪 比门限范围在确认帧 中给 中继 节点反馈 功率调 整信息 ，以减 少重 传次数 或降低 中继节 点 的发射功率 ，在
不 增 加 开销 的情 况 下 可 以 减 少 系 统 总 的能 量 消耗 。文 章利 用 概 率 密 度 函 数 推 导 － 于部 分 信 道 状 态 信 息 选 择 中继 协 同 的误 ｒ基
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认知中继网络中基于能效的协作传输技术研究冯立;邝育军;吴斌伟;付新川【摘要】针对协作认知网络设计了一种高能效(energy efficiency)最佳中继协作传输方案(BCT).基于BCT机制,考虑次级中断概率为约束条件,在衰落信道下建模了以感知时间与功率为优化变量的系统平均能效最大化问题.借助Jensen不等式,并将原问题分解成2个相对独立的子问题来分别求解感知时间与功率分配,提出了一种高效的交叉迭代算法得到系统次优解.理论分析与仿真结果表明,在系统服务质量要求较高的情况下,与非协作传输机制相比,BCT机制不仅能提升次级传输的能量效率,还可显著提高次级传输的可靠性.%An innovative EE-oriented cooperative sensing and transmission scheme in relay-assisted cognitive radio networks,called energy-efficient best-relay cooperative transmission (BCT) was proposed.Based on the BCT scheme,mean energy efficiency (MEE) maximization problem with sensing duration and transmitting power as optimization variables was modeled for fading channels under constraint of minimal secondary outage probability.By virtue of Jensen's inequality,the original optimization problem was decomposed into two relatively independent subproblems which solved sensing duration and power allocation respectively.And for the two subproblems,an efficient cross iteration based algorithm was proposed to obtain the suboptimal solutions.Both analytical and simulation results demonstrate that the proposals can achieve significantly higher EE while enhancing reliability of secondary transmission remarkably compared to non-cooperation single cognitive transmission schemesin high QoS requirement.【期刊名称】《通信学报》【年(卷),期】2017(038)005【总页数】12页(P145-156)【关键词】认知无线电;协作感知;中继传输;能量效率;资源分配【作者】冯立;邝育军;吴斌伟;付新川【作者单位】电子科技大学通信与信息工程学院,四川成都611731;四川广播电视大学工程技术学院,四川成都610073;电子科技大学通信与信息工程学院,四川成都611731;电子科技大学通信与信息工程学院,四川成都611731;电子科技大学通信与信息工程学院,四川成都611731【正文语种】中文【中图分类】TN92随着移动用户数量和无线数据业务的不断快速增加，提升移动通信传输的能量效率成为一个迫在眉睫的问题。
尤其是当下数字媒体业务的急剧增长，在考虑到用户更高传输速率需求的驱动下，如何实现高能效传输就变得尤为关键[1]。
与此同时，认知无线电(CR, cognitive radio)与协作通信(CC, cooperative communication)技术被认为是实现高能效通信的重要手段[2]。
一方面，认知无线电技术内在的感知能力使其能充分检测频谱空穴，在不对授权终端引起干扰的情况下，利用空闲频谱通信有效改善传输速率[3]。
另一方面，由于中继用户能辅助转发源用户信号，使通信覆盖范围、链路频谱效率以及传输可靠性等方面性能显著提升[4]。
现有研究也显示运用认知与协作技术可以降低网络能耗[5~7]。
文献[5]研究了在异构认知网络中的高能效协作传输问题，提出了在满足最低服务质量要求下，系统能效最大化的功率分配方案。
在基于正交频分复用的认知无线电系统中，文献[6]分析了多个次级用户基于能效的机会频谱接入策略问题，提出了一种低复杂度的启发式算法来求解能效优先的最优功率分配方案。
文献[7]提出了一种基于审查机制的分布式协作频谱感知策略，研究表明在不降低感知性能的情况下，可以显著降低能耗。
文献[8]研究了通过联合优化次级帧周期和频谱感知时间来提高认知无线电网络中能量效率问题，并提出了一种次优的最大化网络能量效率算法。
结果表明，与固定感知时间方案相比，所提方案可显著降低能耗。
文献[9]建模了在快衰落场景中认知用户的平均能效最大传输问题，并考虑传输中断概率约束的条件，提出了一种实现认知用户平均能效最大化的功率分配策略。
与文献[9]中快衰落单跳认知传输场景类似，文献[10]考虑感知与传输2个阶段认知用户的平均能效最大传输问题，联合优化认知用户的频谱感知时间和发射功率，提出了近似最优的认知网络能量效率最大化算法。
与文献[9,10]单跳认知传输不同，文献[11]讨论了在检测概率和协作传输误码率的限制下协作认知网中节能传输问题，提出了一种加权目标能耗函数最优中继用户数目的选择方案，实现了频谱感知精度和能耗之间的折中。
此外，文献[12]考虑了最佳中继协作传输，针对多个主次用户的网络场景，定义次级传输能量效率为收益函数，提出了一种分布式的次级用户联盟博弈形成算法。
上述研究分别从不同角度讨论了认知无线网络传输的高能效问题，但存在不同方面的局限性。
事实上，文献[8~10]考虑单跳认知网络存在2个方面的不足，一方面，次级系统较大的虚警概率会浪费次级用户接入空洞的机会，即损失了传输机会而降低吞吐量；另一方面，次级系统需较高的传输服务质量，必然消耗大量发射功率出现低能效。
文献[11,12]虽然考虑了协作感知与传输问题，但没有考虑优化感知时间与传输功率的资源来最大化系统能效。
另外，认知用户链路传输的QoS衡量标准通常也没有考虑采用中断概率来刻画。
因此，针对上述不足，与文献[8,10~12]类似，本文考虑次级用户感知和传输2个阶段，提出了一种基于能效优先的最佳中继协作传输(BCT, best-relay cooperation transmission)机制。
其主要思想是在感知阶段次级中继用户参与感知来提高传输机会，并在传输阶段通过最佳协作用户辅助次级传输来改善通信质量，进而提升次级能效。
同时，通过次级传输能量效率最大化的感知时间与次级用户功率联合资源分配算法，实现在保证主系统传输质量的前提下，提高次级传输能量效率，降低传输的中断概率。
为方便下文分析和描述进行如下定义：和。
2.1 系统模型本文假设的认知中继网络如图1所示，其中包含一对主用户（,），一对次级用户（ST, SD）和个次级中继协作用户。
并假设各认知用户均采用能量检测(ED, energy detect)方法去执行本地感知，并且通过协作感知进行判决融合的方式伺机接入。
用和分别表示授权信道繁忙（链路存在）和信道空闲（链路不存在）2种情况，且用和分别表示感知结果为主用户信道繁忙和空闲的状态。
根据文献[13]的结论，考虑主用户信号为复PSK信号，对于给定检测阈值，认知用户的虚警概率和检测概率分别近似表示为其中，表示采样频率，，，，为标准正态分布的截尾函数，即。
此外，表示次级用户上加性高斯白噪声（AWGN, additive white Gaussian noise）功率。
BCT机制采用“AND准则”方式进行判决融合，其目的是在满足检测门限的前提下，通过降低联合虚警概率来提高次级系统传输机会。
为方便分析，假设次级用户接收到信号具有相同的接收信噪比，则联合检测概率和联合虚警概率的表达式为该认知中继网络中，在感知过程中让参与协作感知来提高次级传输机会，并在传输过程中从中选择最佳中继用户辅助次级传输来改善通信质量，进而提升次级能效。
需要说明的是，一方面，认知系统中为刻画次级传输机会一般要求，通过分析式(1)有。
另一方面，为充分保证主系统的传输质量，联合检测概率需不低于目标检测概率，，则有，不难通过分析式(2)得到。
基于上述思想，本文提出了BCT传输机制，实现认知中继网络的高能效传输。
2.2 基于用户选择的次级传输机制本文考虑下行链路场景。
令、和分别表示到、到和到链路上的信道系数。
不失一般性，假设无线信道建模为衰落独立的瑞利(Rayleigh)衰落，并且链路的信道系数服从均值为的指数分布。
与文献[7~12]类似，BCT传输机制采用帧长为T的周期过程。
从图2的帧结构中可以看出，BCT传输机制与传统的单跳认知传输(SCT, single cognitive transmission)过程完全不同。
在BCT通信机制中，每个次级传输帧划分成时长为的协作感知阶段和时长为的协作传输阶段，并且协作传输阶段进一步划分为个等间隔的子时隙，分别记为和。
提出的BCT通信机制可具体描述如下。
1) 协作感知过程。
次级中继用户参与协作频谱感知，并将感知结果汇报给次级源用户。
假定感知时间内主用户信号保持不变，若次级源用户给出的联合决策结果是授权信道空闲，则才利用剩余的时间进行次级传输，否则等待下一个周期。
需要指出的是在BCT机制中，由于判决融合时间较短，且并非本文研究的重点，故将其忽略。
2) 协作传输过程。
如图2所示，时长为的传输阶段进一步划分为和这2个等时长的传输子时隙。
在子时隙里，将在感知空闲频谱上，用功率将数据广播给所有次级中继用户。
接着，在次级中继协作用户集合中挑选具有最大端到端信噪比的协作用户作为最优中继，其选择的标准可描述为然后，基于上述准则挑选的最佳协作中继进行协助传输。
更具体地说，将接收数据解码后，在子时隙里以功率用DF协议方式转发给。
值得注意的是，在BCT机制中，协作感知与协作传输阶段都是通过中继协作用户集合的协助完成的，此时的协作用户数。
事实上，为节省能耗，次级源用户可根据实际信道状态，选择合适的协作用户集合，其具体的思路可参考文献[12]，这里，不对其进行具体论述。