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利用双边合作认知无线电网络频谱共享策略的匹配

Yujie Tang, Yongkang Liu, Jon W. Mark and Xuemin (Sherman) Shen

Centre for Wireless Communications, University of Waterloo, ON, Canada, N2L 3G1

Email:{y59tang, y257liu, jwmark, sshen}@uwaterloo.ca

摘要：在本文中，在协作认知无线电网络频谱共享策略（CCRN）的影响。具体而言，多相合作架构包括合作伙伴的选择和次用户之间的频谱共享（SUS）。从SUS主要用户数据中选择合作伙伴（PUs），然后获得频谱接入机会作为对自己传输的奖励。为了提高PU-SU合作伙伴的公共事业，合作伙伴选择模拟为一个最佳赋权的匹配问题，并以最大限度地提高总效用，其中的能源效率也被考虑了。合作伙伴SU通过合作网络编码与周围的SUs共享采集道德光谱，以此进一步提高频谱利用率。仿真结果表明，所提出的合作伙伴选择和频谱共享的方法可以很好地适应在CCRN动态交通负荷。

1 介绍

认知无线电（CR）已成为一个很有前途的解决方案，它允许二级用户（SUS）动态访问空闲频段变速器，来提高频谱效率。在通常情况下，利用有频谱存取能力的SU探头，通过频谱感知来防止对正在进行传输的初级用户（PUS）产生有害干扰。在现实网络操作中，感测误差是不可避免的，例如：估计，量化和延迟的反馈，这会对网络性能产生负面影响。作为替代的，合作的认知无线电网络（CCRN）提出，在初级传输中信道条件变差时，PU有义务找到适当的节点让流量转移到目的地。在CCRN中，PUs积极参与频谱复用以及传输过程中与SU的合作，同时充分利用对两个用户群体的传输来避免造成检测误差，为了回报传输机会，SU通过合作的通信技术来传输PU的流量，如先进的编码或协作中继。

在CCRN上，最近的工程主要集中于PU和SUS之间关于传输信道的合作，在一个PU与多个SU合作候选人之间的操作参数的设置方面，通过调整发射功率电平，和/或用于指导和发送传输的执行时隙分配。然而，在实际的网络中，合作关系通常更为复杂，例如，在CCRN中有可能存在多个并发的传输。因此，有必要从整个网络的角度开发一个合作策略。此外，自从SU去提高自己拥有的公用事业的合作能力，无论个别或者整体，在CCRN合作交点方面，资源分配需要重新审查，包括时隙分配和能力分配。如上所述，选择一个SU是对合作的第一步,中继选择方面的工作还要继续探讨，在研究蜂窝网络的合作伙伴选择算法，以及在认知无线网络的中继选择问题的提出。在CCRN中，PU拥有特权去确定其中继节点，而SU会去评估在与特殊PU合作时的自身收益，这是在中继选择中独特的功能。因此，要提高CCRN的性能，研究如何选择合适的中继SU设置是必不可少的。

在本文中，我们考虑了PU和SUS之间以及SU之间为了应对上述挑战和调查所并存的问题。有些前文工作集中于一个PU和SU之间的合作方案，但PU未必总是愿意这样做，一方面，在协调开销和复杂的分配算法，增加了参与的SU的数目。如果不精心挑选SU，他会成为一个大问题，由于会增加协调成本，可能会毁掉从多用户分集得到的利益。合适的SU选择会保证PU可以获得通过合作的服务质量（QoS），即使一个单一的SU也可以足够实现目标。另一方面，在电流继电器和支付政策下，其中只有中继SU可以访问剩余时隙。如果PU只和特殊的SU合作，一些SU会因为缺乏吸引中继能力挨饿。在这种情况下，从整个网络角度来看，频谱接入机会将减小。因此，一种多相合作方案被提出，他同时考虑到合作伙伴的效用和频谱接入机会的共享。此外，合作伙伴的选择方案会进一步提高CCRN网络性能的发挥。

本文的贡献有三：首先，多相合作方案的提出，以提高网络的利用率和频谱接入机会。我们分配选定中继的SU作为组里的中间用户（IUs），这是与PU在电流继电器和频谱接入机会的合作。在IUs的帮助下，PU可以提高他们自己的性能以及没有参与多个与SU的复杂合作方案。同时，SUS通过频谱访问机会来获得他们想要的。第二，一个IU选择方案是由最大加权二分匹配算法实现的，并且合作伙伴的效用可以通过利用合作对比率的效用与考虑IU总能耗的能源效率来增强。第三，通过IU和周边SU的合作，使用合作网络编码，形成集群的SU可以得到传输机会而不消耗过多的能量来中继PU的流量。相反，IU的效用和通信可靠性可以被提高。

本文的其余部分安排如下。系统模型在第二部分中描述。在第三节中，会详细描述频谱共享战略。数值结果在第四节介绍。最后，结束语在第五节给出。

2. 系统模型

A 网络模型

我们认为PU和SUS均匀地分布在一个CCRN中，如图所示。一种基站（BS）服务M PU和每个PU向BS传输的数据在授权信道给PU的频率上空间正交。K访问点（APs）和服务N的SU与每个SU进行将对应的AP通信时在同一地方共存。

图1 CCRN的情景

如图2所示，SUS和的PU之间的合作发生在两相合作方案的每个时隙T中。第一阶段合作是PU与选定集群IU之间，而第二阶段的合作是集群和其它的SU集群之间。首先进行伙伴IU选择方案，然后集群IU用PU用TDMA方式合作，PU把他的包传递给与他合作的IU和IU继电器，同时把最后一个包发送给BS。PU与IU合作之后，IU发现由周围饥饿的SU组成的与他合作的SU，然后，在集群中的IU和SU利用合作网络编码进行合作。

图2 时间框架结构的频谱共享策略

B 信道模型

频谱共享策略用一个时槽的方式操作，并把传输信道假定为遵循瑞利平坦衰落模型。此信道条件被假定为在一个修复时间内是稳定的。但是从一个时隙到另一个是独立变化的。CSI是可用的，这是通过利用技术来评估诸如最小二乘（LS）估计和最小均方误差（MMSE）估计的方法。

在第一阶段的合作处理中，PU的发送传输需求被假定为N个符号。BS和SU在一个时隙内从PU接收到的信号可以被写为：

??,0 [?] =radic;??ℎ?,0?? [?] ??,0 [?] （1）

??,? [?] =radic;??ℎ?,??? [?] ??,? [?] （2）

从n=1,2hellip;hellip;hellip;Np，其中P是PU的发射功率和PU对BS和SU的信道衰落系数，分别表示为ℎ?,0和ℎ?,?，?? [?]是PU的传输信号，??,0 [?] 和 ??,? [?]是加性高斯白噪声（AWGN）与方差NW（N表示噪声的片面功率谱密度，W是带宽）。

在本文中，每一个潜在的合作SU采用了放大 - 转发（AF）计划来中继相应PU的流量。SU 接收PU发的信号??,? [?]，然后处理该信号，SU传输中继信号。

??,0 [?] =radic;??ℎ?,0????,? [? minus; 1] ??,0 [?] (3)

其中P是SU的发射功率，用于配合PU和ℎ?,0表示信道从SU衰落到BS的系数，??,0 [?] 也是AWGN，??是放大增益。因此，在执行IU选择方案后，通过合作得到PU的效用，其中??是用于每个PU-IU对其中IU PU转发的流量协同传输的时间比例，每个PU为了简单起见具有同等带宽，这意味着W=Wi。ℎ2?,0, ℎ2?,?和 ℎ2?,0遵循指数分布

?? = ??? sdot;?? log2(1 ℎ2?,0?? ℎ2?,?ℎ2?,0????ℎ2?,??? ℎ2?,0?? 1) (4)

为IU的发送的交通需求被假定为???。以下第一阶段的合作，PU租赁IU的剩余时隙，IU可以选择单独占据频谱或寻找一些合作者来改善自己的表现。在AP? 中接收到IU的信号，在一个固定的时隙而不用协作，如下所示，

??,? [?] =radic;??ℎ?,??? [?] ??,? [?] (5)

其中?? [?]表示发射信号的IU，ℎ?,?是IU对应AP的信道衰落系数。??,? [?]是AWGN。

没有协作的IU的效用被描述为：

?? = (1 minus; ??) ? sdot;?? log2(1 ℎ2?,???). (6)

然而，由于该IU和其相应的AP之间信道条件较差或进一步提高频谱效率等原因，对IU寻找一些可以合作的正在等待频谱访问机会有强烈需要求。

3. 频谱共享策略

两相合作的一个频谱共享策略建议。第一阶段合作是PU和所选择的集群IU，而第二阶段是集群中IU和SU进行的合作。选择的集群，简称为IU，同时PU与集群中的SU相配合。IU选择后，每个IU通过帮助各自的PU去中继通信来获得频谱访问机会。然后，IU和剩余的SU配合，所提出的频谱共享策略有利于PU所选择的IU以及每个SU二级网络。

A 频谱共享策略概述

为了提高主网络的性能，BS给他周围的SU讲了合作选择要求，参与了与PU合作的SU，发送反馈给提供流量的PU。如果一个SU可以给多个PU作中继，给PU到BS发送相对应的功率值。然而，在实际网络中，某些SU可能不愿意与PU配合，因为它是相应能量消耗来中继PU的流量而实用的增益可能是比较低的，也即公用的能量消耗是比较低的，但SU仍然希望获得次级传输机会来提高实用性。为了解决上述问题，所选择的IU是和剩余的SU协作来给他们利益。同时，在集群中的IU和其他的SU的合作下，IU可以提高自己的表现。

时间帧结构包括两种合作方式：第一阶段合作和第二阶段合作，如图所示，在第一阶段IU选择期间，BS获取到确定的潜在的IU信息后，该BS利用的最大加权二分匹配算法来找到最适当的合作的SU，合作伙伴IU选择后，PU与IU以TDMA方式合作。然后，IU传播选择要求，开始第二阶段的合作，SU希望确认IU加入合作中，在此之后，IU给关联的AP发送封包，在传输过程中，周围参与合作的SU都可以听到数据信息。然后，通过使用网络编码，在集群中的SU把接收到的封包和传送给AP 的包重新创建一个封包。集群IU和集群SU之间的合作方案被称为协作网络编码。其中IU是源，响应的AP是目的。并且SU形成了一个集群去帮助IU从源中继到目的地。

B.IU的选择

IU选择是选择谁与PU进行合作，这些IU是一组比其他SU拥有更好的信道条件去中继PU 的流量的SU。能量效率在系统中通过使用一定比例的公共事业能源来考虑，在效用和能耗间得到权衡，并且IU的选择被配置为一个优化问题。

maximize??,???Sigma;?=1Sigma;??=1??,?(?? (??) ??,??? (??, ??)?? ??)

Sigma;??=1??,? le; 1, ??,? isin; {0, 1}

??,? isin; {0, 1}

0 lt; ?? lt; 1

0 lt; ?? ⩽ ???? (7)

Ui在（4）中给出，而Uj在（6）中给出，Ei和Ej分别代表合作期间PU和SU的能耗，??,? 和 ??,?氏二进制数，??,? = 1确定了SU可以被选择作为潜在的IU和PU，如果??,? = 1 意味着SUj可以被选择作为和PU合作的IU，SUj的功率约束为Pmax。因此?? = ?? sdot;? 和 ?? = ?? sdot;?，我们可以简化通过描述上述优化问题

maximize??,???Sigma;?=1Sigma;??=1??,?(Th? (??) ??,?Th? (??, ??)?? ??)

Sigma;??=1??,? le; 1, ??,? isin; {0, 1} （8）

??,? isin; {0, 1}

0 lt; ?? lt; 1

0 lt; ?? ⩽ ????

Thi是PU的实用性，Thj是SU的实用性，是与PU合作得到的。

上述优化问题（8）是表示M个PU和N个SU的Mtimes;N个二分图的最大加权匹配的问题。这种优化问题可以在中央网络中用多项式时间来解决。

我们专注于不干扰PU-IU之间的正交信道情况，边缘表示PU和一个二分图SU之间存在可以被选择作为PU的中继信道。该边缘的权重由下式给出(Th? Th?) / (?? ??)，形成了加权矩阵Phi;。

PU和SU在图中顶点处形成了一组V，E表示PU和SU之间的合作关系，Phi;是一个加权矩阵，权重中的V和E表示PU中总效能，从SU合作中得到。? = (?,?)是一个二分图，? isin; ? ，? isin; ? ，(?, ?) isin; ?。矩阵Phi;在上边缘? (?, ?)给每个(?, ?) isin; ?权重。定义可行标注如下功能：如果? isin; ?; ℓ (?) = 0, ? isin; ? ;?ℓ = {(?, ?) isin; ?∣ℓ (?) ℓ (?) = ? (?, ?)}，ℓ (?) ℓ (?

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