[发明专利]一种基于认知双向中继网络的信息能量协作波束成形方法

说明书

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种在理想信道状态信息下，基于认知双向中继网络的信息能量协作波束成形方法。

背景技术

认知无线电是近年来提高无线频谱资源利用率的有效技术。在认知无线电网络中，主用户(PUs)和次用户(SUs)同时存在，这两类用户分别属于不同的通信系统，次用户在不影响主用户正常通信的情况下，与主用户共享频谱资源。由于对主用户的干扰功率限制，次用户的发送功率受限，从而降低了次用户服务质量以及认知网络的覆盖范围。为了进一步提高频谱利用率，改善主用户的服务质量，主用户和次用户的协作最近被提了出来，其中次用户帮助中继转发主用户间的信号，作为交换次用户利用主用户的频谱来传递次用户的信号。以前提出来的种种方案都是在次用户发送端进行波束成形设计从而最大化次用户处的可达速率或者最大化次用户接收端的信噪比以达到主用户处的服务质量。

所有上述的工作考虑的只是主用户与次用户间的信息协作。如果次用户的能量受限，考虑到信息和能量的同时无线传输(SWIPT)，主用户与次用户间的信息能量协作则是一个解决频谱和能量不足问题的可能办法。SWIPT是一个很有前景的能量采集技术，可用来解决在受能量限制的无线通信中的能量不足问题。SWIPT的最初研究成果集中在点对点的单天线无线通信系统。后来将SWIPT方法应用在多天线的无线通信系统中被广泛地进行研究。

在文献Information and energy cooperation in cognitive radio networks，IEEE Trans.Signal Process，vol.62，no.9，pp.2290-2303，May 2014.中提出过一个在认知无线电网络中新颖的信息能量协作方法。这样的协作分为两个时隙。在第一时隙中主用户发送端同时传递信息和能量到次用户发送端，次用户发送端利用功率分配方案采集能量。在第二时隙中，次用户发送端转发信号给主用户接收端并且同时传输信号给次用户接收端。仿真结果显示了同时有信息能量协作的波束成形方案要好过没有能量协作的情况。

上述文献中考虑的只是主用户间的单向通信，如果考虑主用户间的双向通信就可以达到更高的谱效率。我们研究在认知双向中继网络中的信息能量协作，目标是设计出合理的次用户发送端的波束成形矩阵和向量以及功率分配因子使得次用户处的可达速率最大，同时还要满足主用户处的可达速率要求使其在次用户发送端的发射功率约束内。不像传统的没有能量协作的非再生双向中继网络，这里考虑次用户发送端的部分或全部传输能量都是通过功率分配方案从主用户处采集到的，这也导致了功率分配因子是一个重要的优化变量。除此之外，在第二时隙中，次用户发送端转发信号给主用户接收端并且同时传输信号给次用户接收端。这导致了主用户接收的信号和次用户接收端接收的信号相互干扰。

这里我们基于次用户发送端已知所有链路的理想信道状态信息。当次用户发送端知晓所有链路的理想信道状态信息时，我们理论上可以得到次用户处的最优波束成形结构以及提出一个基于Charnes-Cooper转换和一维搜索的优化方案，其中在每一步搜索中都会有一个凸的半正定规划问题(SDP)被解决。

发明内容

技术问题：本发明公开了一种基于认知双向中继网络的信息能量协作波束成形方法。我们的目标是设计次用户发送端的波束成形矩阵和向量以及功率分配因子使得次用户处的可达速率最大，同时满足主用户处的可达速率要求使其在次用户发送端的发射功率约束内。本发明降低了系统间的干扰，提高了系统性能。

技术方案：为实现上述目标，本发明的主要步骤如下：

在认知双向中继网络中，我们考虑一个主系统与一个次系统的信息能量协作。主系统由两个单天线的主用户1、主用户2组成，它们彼此之间交换信息。次系统由一个多天线的次用户发送端和一个单天线的次用户接收端组成。次用户发送端配备有N根天线，帮助主用户间进行双向通信。其特征包括以下步骤：

步骤一：第一时隙中，主用户1和主用户2同时发射信号给次用户发送端，次用户发送端用功率分配器来分配它所接收到的信号，用于信息处理(IP)和能量采集(EH)。

步骤二：第二时隙中，次用户发送端将一波束成形矩阵与接收到的信号相乘。它们的积与原本要传递给次用户接收端的信号之和即为从次用户发送端传递给主用户和次用户接收端的信号。

步骤三：在满足次用户发送端发射功率约束的前提下最大化次用户处的可达速率，同时还要满足在两个主用户处的可达速率约束。从而在理想信道状态信息下进行次用户发送端的波束成形和功率分配因子设计。