基于多維資源自適應分配的協作認知傳輸機制

李 釗 李意文

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基于多維資源自適應分配的協作認知傳輸機制

李 釗*李意文

(西安電子科技大學綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室 西安 710071)

該文針對協作認知無線電網絡提出一種時域、頻域和空域資源聯合分配的傳輸機制，在改善授權用戶傳輸性能的前提下使參與協作的認知用戶獲得合理的回報。所提機制利用多天線認知節點擔任中繼，通過自適應的時隙劃分與帶寬分配，對兩跳傳輸鏈路中的瓶頸予以消除；并在包含多個協作認知用戶的場景中，給出一種考慮公平性的中繼選擇算法。該方法一方面采用比例公平的思想實現認知用戶間的公平性，另一方面通過調整獎勵因子，使中繼獲得合理的回報。仿真結果表明，所提算法能夠改善授權與認知系統的數據速率，同時給予認知中繼公平的回報。

協作認知無線電網絡；資源分配；自適應；中繼選擇；公平

1 引言

隨著無線通信技術的快速發展，頻譜資源稀缺和頻譜利用率低的矛盾日益突出，如何提高頻譜利用率始終是一個亟待研究的核心問題。認知無線電[1]作為一種非常有前景的提高頻譜利用率的技術，自提出以來就受到廣泛的關注。近年來，將認知無線電與協作通信[2]相結合的協作認知無線電網絡(Cooperative Cognitive Radio Network, CCRN)[3]使認知技術進一步發展。在CCRN中，沒有通信資源的認知用戶為了得到通信機會，消耗一定的功率幫助授權用戶轉發信息，以此獲得授權用戶給予的一部分通信資源，如時間、頻率等作為回報，用于認知用戶自身的數據傳輸。通過招募認知用戶作為中繼，授權通信系統的性能得到改善，認知用戶也獲得了通信機會，從而實現授權與認知系統的“雙贏”。

在CCRN中，通信資源的合理分配是一個關鍵問題，文獻[4-9]分別進行了研究。其中，文獻[4, 5]采用基于TDMA的3階段協作傳輸模型，第1階段授權用戶廣播授權信息，第2階段認知用戶轉發授權信息，第3階段認知用戶傳輸自身業務。文獻[4]將授權數據速率作為授權用戶的效用函數，將認知業務速率與協作認知節點能耗的差值作為認知用戶的效用函數。授權與認知用戶均希望最大化其效用函數，該文獻采用Stackelberg模型，通過求解NASH平衡點，解決了協作傳輸機制的時間分配問題。文獻[5]利用最優停止理論進行認知中繼的選擇，在此基礎上進行3階段協作傳輸。采用以上方法[4, 5]，授權用戶需要將一部分時間資源作為回報分配給認知用戶，認知用戶則在相同的信道上交替地進行授權信息轉發和自身數據發送，導致授權與認知業務的時延增加。文獻[6]提出一種基于FDMA的兩階段協作傳輸機制，授權用戶將頻譜資源劃分為互不重疊的兩部分，一部分用于授權數據的傳輸，在該頻帶上，授權用戶首先進行廣播(第1階段)，然后認知用戶在相同頻帶上對授權信息進行轉發(第2階段)；另一部分作為認知用戶參與協作的回報，認知用戶在該頻帶上持續進行自身數據的發送。文獻[7]針對多跳協作認知無線電網絡提出一種FDMA與TDMA相結合的傳輸機制，授權與認知用戶的資源共享方式與文獻[4]相同，多跳中繼之間以TDMA的方式共享回報帶寬，并且多個中繼對這部分帶寬的使用時長與其轉發授權信息的能耗成正比。相比于文獻[4, 5]，文獻[6, 7]改善了時延，并且由于認知用戶能夠獲得一定的傳輸帶寬作為回報，其性能得到了保障。但是，授權用戶需要犧牲一部分帶寬以換取認知用戶的協助。文獻[8]將多天線技術引入CCRN，提出一種基于MIMO的單中繼協作傳輸機制，認知用戶采用空間復用的方式，實現授權與認知信息并發。文獻[9]設計一種基于MIMO的兩階段雙中繼協作傳輸機制，實現了兩對認知用戶與授權用戶的共存傳輸。

2 系統模型

本文研究由一個授權發射機(Primary Transmitter,)，一個授權接收機(Primary Receiver,),個認知用戶對，其中，組成的協作認知無線電系統，如圖1所示。圖中用不同的灰度表示不同維度的通信資源。配置雙天線，其余節點配置單天線。假設與之間由于距離較遠或信道衰落嚴重等原因，無法直接通信[10]，因此PT從個中選出一個()作為中繼協助授權傳輸；作為回報，與對應的用戶對獲得一定的通信資源補償。認知中繼在兩段互不重疊的頻帶上實現全雙工[11]，協作方式采用譯碼轉發(Decode-and-Forward, DF)[12]。假設授權帶寬為Hz，一個傳輸周期為s，劃分為2個階段，時長分別為和,表示當被選為中繼時的時隙劃分因子。在階段1, PT占用的帶寬為,作為對認知中繼的回報，表示作為中繼時的頻率分配因子。PT的發送數據為,在階段1和階段2發送的數據分別用和表示。授權業務的最低速率要求用表示。本文假設PT和的發射功率相同，并且用于轉發授權信息的功率()和發送自身數據的功率()相同，令的發射功率為，有。

圖1 系統模型

3 基于多維資源自適應分配的協作認知傳輸

本節設計一種基于多維資源自適應分配的協作傳輸機制(Adaptive Multi-Dimensional Resource Allocation based Cooperative Transmission, AMDRACT)，在傳輸周期的第1階段，用一根天線接收通過頻帶發送的數據，同時用另一根天線在頻帶上向發送認知數據。在第2階段，占據整個授權頻譜，并利用多天線提供的空間復用能力，在向轉發數據的同時，向發送認知數據。特別地，當時，將認知中繼的第2根天線切換至接收PT發送的數據，即的兩個天線均在頻帶進行數據接收。

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4 授權優先兼顧認知的公平中繼選擇

考慮到實際系統中通常存在多個有通信需求的認知用戶，且它們都希望通過參與協助授權通信獲得通信機會，本節給出一種授權優先、兼顧認知的公平中繼選擇算法(Fair Cognitive Relay Selection, FCRS)，實現候選認知中繼之間以及被選認知中繼所獲回報的公平性。一方面，FCRS根據比例公平[13]的思想計算每個候選認知中繼的調度權重，并選擇權重最大的認知用戶參與協作；另一方面，根據被選中繼業務傳輸的歷史統計確定其獎勵因子，使之獲得公平的回報。FCRS算法由PT執行，以第個傳輸周期()為研究對象，具體步驟如下：

(2)如果式(20)不成立，令，由的值，根據式(18)計算,表示第個傳輸周期作為中繼時授權系統的最大傳輸速率。如果，取，并根據式(18)計算，根據式(14)和式(11)計算；否則，取，其中,稱為獎勵因子，由式(21)確定。

步驟3 根據式(22)進行中繼選擇：

步驟4 按照式(23)各個認知中繼的平均速率：

在步驟2中，當式(20)成立時，根據第3節的討論可知傳輸周期授權系統的可達速率和認知用戶對的速率都是的遞減函數，所以取，可以使和的值同時達到最大。當式(20)不滿足時，是的增函數，而是的減函數。若，表明授權業務的速率要求無法滿足，該情況下應使授權速率最大化(取)，而不再考慮認知傳輸。若，則在保證授權速率達到的前提下，對認知用戶對予以回報。令在區間上取值，可保證授權速率不低于,由和共同決定，反映接近的程度。當趨于時，授權速率減小，認知速率增大。特別地，當時，，此時,則在保證授權業務需求的前提下達到最大值；當時，,達到最大，而最小。設計中采用參數(式(21))對協作回報的公平性進行控制，對于前個傳輸周期的平均速率越小的認知用戶對，在第個傳輸周期，其獎勵因子越大，對應的協作回報也會越高。

在步驟3中，根據式(22), FCRS采用比例公平的思想計算候選中繼的調度權重，并選擇權重最大的用戶作為中繼。若前個傳輸周期較少被調度，相應的越小，的調度權重權重越大。步驟4中，按照比例公平的思想更新在前個周期的平均速率，其中表示第個傳輸周期內的可達速率對其平均速率的影響程度。如果用戶在時間窗口內更新平均速率，則,越大意味著平均速率的更新越緩慢()，本文取[14]。

5 仿真結果

本節采用MATLAB仿真對所提算法的性能進行評估。中繼選擇方面，選取了4種算法與FCRS進行比較，包括(1) 輪詢(Round Robin, RR)，輪流選擇各個認知中繼。(2)授權性能最優的認知中繼選擇(Primary-Rate Optimal Cognitive Relay Selection, PROCRS)，即令，并且選擇使授權速率最大的認知中繼。(3) 系統和速率最優的認知中繼選擇(Sum-Rate Optimal Cognitive Relay Selection, SROCRS)。(4)授權優先的非公平中繼選擇(UnFair Cognitive Relay Selection, UFCRS)，即將FCRS步驟3中的調度權重改為，其它步驟不變。UFCRS不考慮中繼選擇的公平性，只選擇能使授權速率最大的認知中繼?？紤]以下幾種授權業務類型的最低速率要求，如表1所示[15]。

課題組所在學校同時舉辦了遠程開放教育（廣東開放大學）和高等職業教育（廣東理工職業學院），兩類教育具有“大職教”的共同屬性。依托廣東省自2015年來開展的“創新強校工程”項目，課題組對兩個學校的繼續教育改革開展了有益探索。探索了“前期項目申報引導、期中過程檢查、期末績效考核”的全過程業務指引，構建了“制度規范和績效考核”相輔相成的運行機制，完善了繼續教育發展的新思路，提升了繼續教育的建設成效。

表1不同業務的最低速率需求

當傳輸帶寬取1.4 MHz[16]時，與上述3種業務對應的最低帶寬歸一化速率要求分別為0.3571, 0.7143和1.4286。信道采用Dent模型[17]產生，其中最大多普勒頻移取7，合成路徑數為32。仿真中定義信噪比(SNR)為。

圖2 授權和認知系統的帶寬歸一化數據速率

圖3 端到端可達速率對不同類型授權業務的支持

圖4 不同中繼選擇算法的歸一化數據速率

圖5 FCRS與UFCRS算法認知中繼選擇概率比較

6 結束語

本文針對協作認知無線電網絡，提出一種綜合利用時域、頻域、空域資源的傳輸機制(AMDRACT)。通過自適應的時隙劃分與帶寬分配，消除兩跳傳輸的瓶頸。并且給出一種考慮公平性的中繼選擇算法(FCRS)，通過調度權重和獎勵因子的調整，實現候選認知中繼之間以及被選中繼所獲回報的公平性。所提機制能夠通過多維資源的綜合利用改善授權和認知系統的傳輸速率，同時給予認知中繼公平的回報。

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Cooperative Cognitive Transmission Scheme Based on Adaptive Multi-dimensional Resource Allocation

LI Zhao LI Yiwen

(State Key Laboratory of Integrated Service Networks, Xidian University, Xi’an 710071, China)

A transmission mechanism based on the joint management of time, frequency and space domain resources is proposed in the Cooperative Cognitive Radio Network (CCRN), with which the cooperative cognitive users can obtain proper reward under the premise of improving the primary user’s transmission. The proposed scheme employs multi-antenna cognitive user as a relay. Via adaptive time-slot and bandwidth allocation, bottleneck in the two-hop transmission can be eliminated. Furthermore, a relay selection algorithm taking fairness into account is given for the situation where multiple cooperative cognitive users exist. On one hand, the relay selection utilizes proportional fair to achieve inter-cognitive-user fairness. On the other hand, proper reward is determined by adjusting the incentive factor. Simulation results show that the proposed mechanism can improve the data rate of both primary and cognitive systems, and afford fair reward to the cognitive relays.

Cooperative Cognitive Radio Network (CCRN); Resource allocation; Adaptive; Relay selection; Fairness

TN929.5

A

1009-5896(2016)09-2248-07

10.11999/JEIT151286

2015-11-17；

2016-06-13；

2016-07-19

國家自然科學基金(61401354, 61401320, 61501285, 61102057)，高等學校引智計劃基金(B08038)

The National Natural Science Foundation of China (61401354, 61401320, 61501285, 61102057), The 111 Project (B08038)

李釗 zli@xidian.edu.cn

李 釗： 男，1981年生，博士，副教授，從事認知無線電、MIMO無線通信等研究.

李意文： 男，1990年生，碩士，研究方向為認知無線電.