文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.10.026
中文引用格式: 宋明紅,,吳波,,劉春曉. 認(rèn)知多中繼網(wǎng)絡(luò)中聯(lián)合中繼選擇與預(yù)編碼算法[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,,42(10):100-103,,107.
英文引用格式: Song Minghong,Wu Bo,,Liu Chunxiao. Research on cognitive joint relay selection and precoding in multi relay network coding algorithm[J].Application of Electronic Technique,,2016,42(10):100-103,,107.
0 引言
認(rèn)知無線電技術(shù)(Cognitive Radio,CR)可在不影響主用戶(Primary User,,PU)正常通信的情況下,,智能地利用空閑頻譜以滿足認(rèn)知用戶(Secondary User,SU)的可靠通信,,從而提高頻譜利用率,。因此,CR是提高頻譜利用率的一種潛在技術(shù)[1,,2],。近年來,協(xié)作中繼技術(shù)可提高系統(tǒng)的傳輸能力,,將協(xié)作中繼技術(shù)與認(rèn)知無線電技術(shù)相結(jié)合,,不僅能夠降低發(fā)射功率(即減少對主用戶的干擾),增強(qiáng)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋,,而且能夠提高系統(tǒng)的吞吐量[3,,4]。因此研究這種場景下的資源分配問題尤為重要,。
目前研究較多的中繼策略有兩種:放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify and Forward,,AF)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode and Forward,DF),。在認(rèn)知協(xié)作中繼網(wǎng)站中,,文獻(xiàn)[5]提出了兩種信道和中繼分配算法,即:并行算法和貪婪算法,,能夠有效地改善認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的吞吐量,。文獻(xiàn)[6]研究了多個單天線認(rèn)知中繼節(jié)點(diǎn)分布式波束成形,提出了兩種方案:最大信干比的最優(yōu)策略和基于迫零準(zhǔn)則的次優(yōu)策略。文獻(xiàn)[7]研究了認(rèn)知中繼協(xié)作通信場景下基于放大轉(zhuǎn)發(fā)的功率分配問題,,提出了一種最優(yōu)功率分配算法,。文獻(xiàn)[8]研究了認(rèn)知無線電頻譜共享場景下基于放大轉(zhuǎn)發(fā)的多中繼選擇問題,通過分析認(rèn)知用戶信噪比的一階偏導(dǎo)數(shù)特征,,提出了一種迭代中繼選擇方案,。文獻(xiàn)[9]研究了非再生認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)中預(yù)編碼的設(shè)計,完美信道信息(Dhannel State Information,,CSI)和非完美CSI分別被考慮,,作者僅僅考慮了單個中繼節(jié)點(diǎn)。在保證授權(quán)用戶服務(wù)質(zhì)量和認(rèn)知用戶最大功率受限條件下,,文獻(xiàn)[10]提出一種新的機(jī)會式解碼轉(zhuǎn)發(fā)功率算法,。近年來,,單向和雙向認(rèn)知多中繼網(wǎng)絡(luò)預(yù)編碼設(shè)計方案也被研究[11-14],。文獻(xiàn)[11]提出了聯(lián)合中繼選擇和功率分配方案,在主用戶干擾功率受限的條件下最大化系統(tǒng)的吞吐量,。文獻(xiàn)[12]提出了一種最佳中繼選擇的自適應(yīng)協(xié)作分集方案,,并且推導(dǎo)出了認(rèn)知系統(tǒng)中斷概率表達(dá)式。文獻(xiàn)[13]考慮了雙向認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)中聯(lián)合預(yù)編碼與優(yōu)化功率分配方案,,每個通信節(jié)點(diǎn)配置單根天線,。文獻(xiàn)[14]提出了雙向認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)的預(yù)編碼方案,在每個節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率和主用戶干擾功率的約束下最小化認(rèn)知用戶均方誤差和,。然而,,文獻(xiàn)[11-14]工作只考慮了在多個中繼節(jié)點(diǎn)上放置單根天線,多輸入多輸出技術(shù)沒有被充分利用,。
針對上述多中繼選擇方案的不足,,在認(rèn)知無線電場景下,本文考慮了多個中繼節(jié)點(diǎn),。通過聯(lián)合優(yōu)化中繼選擇和預(yù)編碼,,最大化認(rèn)知用戶的吞吐量。同時保證了主用戶和認(rèn)知用戶的正常通信,。利用半定松弛技術(shù)和Charnes-Cooper變換,,每個中繼節(jié)點(diǎn)的預(yù)編碼設(shè)計轉(zhuǎn)化為凸的半定規(guī)劃。最后利用現(xiàn)有的內(nèi)點(diǎn)法,,即CVX工具箱得以解決,。
1 系統(tǒng)模型設(shè)計
本文考慮認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)與主網(wǎng)絡(luò)共享相同頻譜的場景,如圖 1所示,。假設(shè)認(rèn)知協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)中有一個認(rèn)知基站,、K個中繼節(jié)點(diǎn)、一個認(rèn)知用戶和一個主用戶。認(rèn)知基站,、認(rèn)知用戶和主用戶都配置單根天線,,每個中繼節(jié)點(diǎn)都配置N根天線。利用中繼節(jié)點(diǎn)通信可以擴(kuò)大認(rèn)知基站的輻射范圍,,從而降低了認(rèn)知基站的發(fā)射功率,。假設(shè)在認(rèn)知基站與認(rèn)知用戶之間不存在直接通信鏈路,整個系統(tǒng)工作在半雙工時分多址(TDD)模式下,。同時假設(shè)所有的信道都服從獨(dú)立同分布的瑞利衰落,。
在第一個時隙階段,認(rèn)知基站發(fā)射信號給中繼節(jié)點(diǎn),。第r個中繼節(jié)點(diǎn)接收到的信號表示為:
在第二個時隙階段,,選擇第r個中繼節(jié)點(diǎn)將接收到的信號放大并轉(zhuǎn)發(fā)給認(rèn)知用戶。因此,,認(rèn)知用戶接收到的信號可以表示為:
由于中繼節(jié)點(diǎn)的功率限制,,每個中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率不能超過最大允許值,因此第r個中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率受限于門限值pr,,max,,即:
為了保護(hù)主用戶的正常通信,認(rèn)知基站和中繼節(jié)點(diǎn)對主用戶產(chǎn)生的干擾功率不能大于主用戶預(yù)先設(shè)定的最大容忍干擾值,。因此,,在第一個時隙階段,認(rèn)知基站對主用戶產(chǎn)生的干擾功率約束可以表達(dá)為:
其中,,g1p表示認(rèn)知基站到主用戶的信道增益,。
在第二個時隙階段,第r個中繼節(jié)點(diǎn)對主用戶產(chǎn)生的干擾功率約束可以表示為:
本文研究的問題是:在中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率受限和主用戶干擾功率約束條件下,,最大化認(rèn)知用戶的吞吐量,。因此,優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型可以表示為:
其中,,目標(biāo)函數(shù)由香農(nóng)公式C=log2(1+SNR)得出,,系數(shù)表示中繼半雙工通信由兩個時隙組成。第一個約束條件表示中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率受限,,第二個約束條件表示主用戶干擾功率受限,。
2 預(yù)編碼設(shè)計方案
不難看出,上述問題是一個帶有多個二次約束條件的分?jǐn)?shù)二次約束非凸二次規(guī)劃問題(fractional Quadratically Constrained Quadratic Problem,,QCQP),,很難得到解決。為了解決問題式(8),,將其轉(zhuǎn)化為下面的半定規(guī)劃問題(Semidefinite Programming,,SDP):
從中容易看出,,問題式(10)是一個凸半定規(guī)劃問題,利用已有的內(nèi)點(diǎn)法能有效解決,,即CVX包[16],。需要注意的是,本文提出的預(yù)編碼設(shè)計方案的復(fù)雜度為O(O6.5)[17],。
3 仿真實(shí)驗與結(jié)果分析
本節(jié)將通過數(shù)值仿真分析前述所提出的認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)預(yù)編碼方案的性能,。仿真結(jié)果取1 000 次獨(dú)立蒙特卡洛試驗的平均值。假設(shè)所有信道是獨(dú)立同分布服從零均值,、單位方差的復(fù)高斯隨機(jī)變量,,噪聲變量=σ2。中繼節(jié)點(diǎn)最大發(fā)射功率與噪聲功率的比率為10 dB,。假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)K=3,,中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射天線數(shù)N=3。
在中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)射天線數(shù)分別為N=2,,N=3和N=4的條件下,,給出了平均吞吐量隨著發(fā)射天線數(shù)變化的性能差異曲線。從圖3中可以看出,,隨著發(fā)射天數(shù)的增加,,平均吞吐量也在不斷增加。同時還可以看出3條曲線之間的間隙在縮小,,這是因為天線數(shù)增加的同時,認(rèn)知用戶對主用戶造成的干擾也在增加,,從而限制了平均吞吐量的成倍增加,。
4 結(jié)束語
本文研究了認(rèn)知多中繼網(wǎng)絡(luò)中基于放大轉(zhuǎn)發(fā)的預(yù)編碼設(shè)計問題。在中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率約束和主用戶干擾功率約束的條件下,,聯(lián)合優(yōu)化中繼選擇和預(yù)編碼設(shè)計以便最大化認(rèn)知用戶的吞吐量,。采用半定松弛技術(shù),把復(fù)雜的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為半定規(guī)劃問題,,最終利用已有的內(nèi)點(diǎn)法工具箱CVX有效解決,。仿真結(jié)果表明,本文所提出方案相比傳統(tǒng)的認(rèn)知中繼預(yù)編碼方案能獲得更高的平均吞吐量,。
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