石露露，楊守義，張瑞哲，李 燕

(鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院，鄭州450001)

協(xié)作多組多播認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的資源優(yōu)化配置*

石露露，楊守義**，張瑞哲，李 燕

(鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院，鄭州450001)

考慮到無線電頻譜資源日益緊缺，提出了一種基于組間組內(nèi)協(xié)作傳輸?shù)亩嗖ソM新機(jī)制，涉及多個多播組并使用同一頻譜資源以協(xié)作方式傳輸信息?；谡J(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中該機(jī)制，研究了系統(tǒng)的資源優(yōu)化配置，理論分析得出了功率分配方案，進(jìn)而討論了系統(tǒng)加權(quán)總傳輸速率的優(yōu)化，同時考慮了主用戶和認(rèn)知用戶之間信號干擾及功率限制對傳輸速率的影響，最優(yōu)化用戶性能。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化方案下多播組傳輸速率隨用戶人數(shù)的增加而上升，達(dá)到最優(yōu)化用戶服務(wù)質(zhì)量；當(dāng)功率限制時，通過設(shè)置加權(quán)因子，能夠保證主用戶擁有良好的通信性能。

認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)；多播組；干擾限制；功率優(yōu)化；資源優(yōu)化配置

1 引 言

隨著人們對無線通信數(shù)據(jù)的傳輸量和移動多媒體服務(wù)體驗的需求越來越大，對有限頻譜資源的使用率也越來越高。在多用戶使用同一接入網(wǎng)絡(luò)或接入信道前提下，移動多媒體允許用戶通過共用資源傳輸數(shù)據(jù)，因而使用多播機(jī)制可降低帶寬消耗，提高頻譜利用率。多播技術(shù)可將同一數(shù)據(jù)發(fā)送給連接相同基站的數(shù)據(jù)接收組，其方法是將一個數(shù)據(jù)包傳輸給該接收組的所有用戶[1-3]。

無線應(yīng)用服務(wù)種類多樣，多播組類別也各不相同，使得多組多播系統(tǒng)可共存于同一個蜂窩網(wǎng)絡(luò)。然而，由于多媒體服務(wù)對數(shù)據(jù)傳輸速率要求高，所需頻段也更多，所以多組多播所面臨的最大挑戰(zhàn)之一就是系統(tǒng)頻譜資源的匱乏。為解決這一問題，認(rèn)知無線電技術(shù)[4]得以快速發(fā)展。簡言之，認(rèn)知無線電技術(shù)允許認(rèn)知用戶與授權(quán)用戶通過感知一起使用授權(quán)頻段，提高頻譜效率。

多播組總傳輸速率取決于組中傳輸情況最差用戶[5]，總服務(wù)速率也會隨多播組用戶人數(shù)的增長而降低，同時考慮到個別用戶位于網(wǎng)絡(luò)覆蓋邊緣，服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)無法得以保證。為此，人們采用協(xié)作通信來解決這類問題，它通過形成空間分集的形式，提高吞吐量，并且減小來信號衰落帶來的不利影響，改善通信系統(tǒng)性能[6]。

多播通信和協(xié)同通信近期已有研究。例如：文獻(xiàn)[7]對信道感知和無線資源分配技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性描述，其中后者多應(yīng)用于基于正交頻分多址系統(tǒng)中下行鏈路的多播服務(wù)；文獻(xiàn)[8]研究了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)最大最小化公平性準(zhǔn)則下的多播容量；文獻(xiàn)[9]提出了一種被稱為多中繼的協(xié)同多播新方案；文獻(xiàn)[10]研究了無線協(xié)作組播多用戶傳輸方案，并對所提方案性能和時間分配策略進(jìn)行了徹底分析。

上述文獻(xiàn)主要研究多播通信系統(tǒng)中組間協(xié)作方案及其資源優(yōu)化配置，均沒有考慮到組內(nèi)協(xié)作及其資源優(yōu)化配置的方案，由此課題組提出了基于組內(nèi)組間協(xié)作傳輸?shù)亩嗖ソM(Multi-group Multicast,MGMC)新機(jī)制。本文著重探討認(rèn)知無線電(Cognitive Radio，CR)網(wǎng)絡(luò)中該傳輸機(jī)制下無線資源配置優(yōu)化，并考慮了主用戶和認(rèn)知用戶之間的信號干擾及各用戶的功率限制問題。

2 系統(tǒng)模型

如圖1所示，假設(shè)兩個多播組(Group1和 Group2)的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)與主用戶共存。其中，每個多播組由3個類型的認(rèn)知用戶(即CUs)組成：第一類認(rèn)知用戶直接從認(rèn)知無線電基站接收信號，并用作中繼，如圖1 Group1中的Relay1；第二類認(rèn)知用戶在中繼的幫助下接收信號,如圖1 Group1中的CU2；第三類認(rèn)知用戶直接從認(rèn)知無線電基站接收信號，但不發(fā)揮中繼作用，如圖1 Group1中的CU1,n。為方便討論，將一個多播組中的前兩類認(rèn)知用戶數(shù)量各設(shè)為1，并將第三類認(rèn)知用戶數(shù)量設(shè)為多個(表達(dá)為1-n)。此處考慮為半雙工譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼，此時信號發(fā)射和信號接收不能同時進(jìn)行。

圖1 多播組認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

Fig.1 The structure of a MGMC CR network

設(shè)hBP、hCU1,n、hCR1、hCR2和hCU3,m分別表示認(rèn)知無線電基站和主用戶接收端、CU1,n、Relay1、Relay2、CU3,m之間的信道系數(shù)，hR1P、hRU2、hR1R2分別表示Relay1和主用戶接收機(jī)、CU2、Relay2之間的信道系數(shù)，hR2P和hRU4分別表示Relay2和主用戶接收端、CU4之間的信道系數(shù)，假定認(rèn)知無線電基站了解所有信道狀態(tài)，則基于多播組的組內(nèi)組間協(xié)同傳輸機(jī)制如下。

該傳輸方案有3個階段：

(1)在階段1中，認(rèn)知無線電基站將數(shù)據(jù)x1傳輸給Group1,CU1,n和Relay1均接收到x1，同時，Group2中的Relay2也接收到該數(shù)據(jù)。

(2)在階段2中，Relay1將數(shù)據(jù)x1傳輸給CU2，而認(rèn)知無線電基站則將數(shù)據(jù)x2傳輸給Group2,CU3,m和Relay2均接收到x2,同時，Relay2還從Relay1接收到x1。因此，本階段中Relay2可使用其在階段1所獲信息抵消從Relay1接收的干擾信號。

(3)在階段3中，Relay2將信號x2發(fā)送給CU4，從而提高系統(tǒng)吞吐量。

由于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)對主用戶來說是透明的，來自主用戶的干擾信號是不可控的，通常將其視為噪聲，并在下文分析中將其忽略。

在階段1中，CU1,n、Relay1和Relay2接收的信號分別為

(1)

(2)

(3)

式中：P1是認(rèn)知無線電基站在階段1采用的信號功率；nCU1,n[1]、nR1[1]和nR2[1]分別是CU1,n、Relay1、Relay2的復(fù)高斯白噪聲，服從復(fù)高斯白噪聲分布CN(0，σ2)。

在階段2中，CU2、CU3,m和Relay2接收的信號分別為

(4)

(5)

(6)

式中：P2和P3分別是Relay2和認(rèn)知無線電基站在階段2中采用的信號功率；nCU2[2]、nCU3,m[2]和nR2[2]分別是CU2、CU3,m和 Relay 2的復(fù)高斯白噪聲，并服從復(fù)高斯白噪聲分布CN(0，σ2)。

在階段3中，CU4接收的信號為

(7)

式中:P4是Relay2在階段3采用的信號功率。

假設(shè)多播組1和組2中分別有N個和M個第三類認(rèn)知用戶。由于傳輸方案將傳輸過程分為3個時隙，且采用半雙工譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)方式，信號從源端發(fā)送到中繼，在中繼進(jìn)行譯碼后再轉(zhuǎn)發(fā)，兩條鏈路取最小值，可知x1的傳輸速率為

(8)

其中:

x2的傳輸速率為

(9)

其中:

上述認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中兩個多播組的總傳輸速率是Group1和Group2傳輸速率總和，它取決于認(rèn)知無線電基站在階段1和階段2所采用的功率P1和P3，Relay1和Relay2在階段2、階段3采用的功率P2、P4。實際上，考慮到絕大多數(shù)用戶的滿意度，即當(dāng)多播組中用戶較多時用戶可以獲得更高傳輸速率，本文提出了加權(quán)總傳輸速率，如下所示：

(10)

第三部分將著重探討功率分配方案，以優(yōu)化這兩個多播組的總傳輸速率。

3 總傳輸速率的優(yōu)化

本文研究允許認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)與主用戶同時傳輸數(shù)據(jù)的接入方案。主用戶擁有對授權(quán)頻段的優(yōu)先使用權(quán)，應(yīng)當(dāng)受到保護(hù)，因此，控制認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的功率是非常重要的。在主用戶所受干擾處于可接受范圍的前提下，為求最大限度提高上述總傳輸速率，本文提出了數(shù)據(jù)傳輸功率控制問題，解決方法是在考慮實際限制的同時優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸功率P1、P2、P3和P4。

考慮到各認(rèn)知用戶所受限制，該優(yōu)化問題所述如下：

(11)

P1|hBP|2≤I,

(12)

P2|hR1P|2+P3|hBP|2≤I,

(13)

P4|hR2P|2≤I,

(14)

P1≤PCR,

(15)

P2≤PR1,

(16)

P3≤PCR,

(17)

P4≤PR2,

(18)

P1,P2,P3,P4≥0。

(19)

方程(12)～(14)得出了上述階段1、階段2和階段3中的干擾限制，以防認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)對主用戶產(chǎn)生不利干擾，其中I是主用戶接收端可容忍的干擾閾值。方程(15)～(18)分別給出了認(rèn)知無線電基站、Relay1和Relay2的數(shù)據(jù)傳輸峰值功率限制。

在實際中，第一和第三類認(rèn)知用戶一般比第二類認(rèn)知用戶擁有更好的性能，而多播組總傳輸速率取決于組內(nèi)情況最差的認(rèn)知用戶[5]。由此，本文簡化了問題(11)，并設(shè)第三類認(rèn)知用戶只含一個用戶。簡化問題后各多播組的傳輸速率所示如下：

(20)

(21)

首先，討論認(rèn)知無線電基站在階段1時的信號功率P1。由式(8)可知，β1,2和r1,1是P1的單調(diào)遞增函數(shù)，而β1,3和R2不受P1支配。因此，在滿足限制條件(12)和(15)的情況下，P1應(yīng)取最大，即

(22)

同理，P4的特點與P1相似，在滿足限制條件(14)和(18)的情況下，它也應(yīng)取最大，即

(23)

根據(jù)(13)及各限制條件，對于P2和P3的最優(yōu)解將分為兩種情況討論。

(1)β1,2≥β1,3,γ1,1≥β1,3,β2,2≥β2,3,γ2,1≤β2,3

可得γ2,1≤β2,3≤β2,2。進(jìn)而可知

故問題(11)可簡化為

(24)

由式(24)可知P2、P3是R的單調(diào)遞增函數(shù)，結(jié)合方程(13)、(16)、(17)干擾閾值限制條件，P2和P3應(yīng)取最大,故P2和P3的最優(yōu)值應(yīng)為

(25)

(26)

(2)β1,2≥β1,3,γ1,1≤β1,3,β2,2≥β2,3,γ2,1≤β2,3

得出γ2,1≤β2,3≤β2,2,γ1,1≤β1,3≤β1,2。同理，問題(11)可簡化為

(27)

由式(27)可知P3是R的單調(diào)遞增函數(shù)，因此，只要滿足相關(guān)干擾閾值限制條件，P3應(yīng)取最大，故P2和P3的最優(yōu)值應(yīng)為

(28)

(29)

實際上，根據(jù)各用戶所受限制可將問題分解成16種情況，限于篇幅，我們只討論上述兩種情況，其他情況與其類似。

本文僅描述了兩個多播組參與協(xié)作通信,然而，如圖2所示,實際中可能有3個及3個以上多播組參與協(xié)作通信，此時通信效率更高。當(dāng)有3個多播組參與協(xié)作通信時，完成數(shù)據(jù)傳輸需要4個階段，此時無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)傳輸方案如下所示:

(1)在階段1中，認(rèn)知無線電基站將數(shù)據(jù)x1傳輸至Group1,CU1,n和Relay1接收x1,同時，Group2中的Relay2也接收該數(shù)據(jù)。

(2)在階段2，Relay1將數(shù)據(jù)發(fā)送給CU2，而認(rèn)知無線電基站將數(shù)據(jù)x2傳輸給Group2,CU3,m和Relay2、Relay3均接收數(shù)據(jù)x2，與此同時，Relay2從Relay1接收數(shù)據(jù)x1。因此，在本階段中Relay2可使用在階段1中所獲有關(guān)x1的信息來撤消從Relay1接收干擾信號。

(3)在階段3中，Relay2將數(shù)據(jù)x2發(fā)送給CU4，而認(rèn)知無線電基站將信號x3傳輸給Group3,CU5,l和Relay3均接收信號x3，與此同時，Relay3還從Relay2接收信號x2。因此，在本階段中Relay3可使用其在階段1所獲有關(guān)x2的信息撤消從Relay2接收干擾信號，而只接收x3。

(4)在階段4，Relay3將信號x3發(fā)送給CU6，從而提高系統(tǒng)吞吐量。

圖2 多播組認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(3個多播組)

Fig.2 The structure of a MGMC CR network (3 multicast groups as a group)

從上述討論可知，當(dāng)M個多播組參與協(xié)同通信時，完成數(shù)據(jù)傳輸需要M+1個階段。當(dāng)使用傳統(tǒng)互不相干的多播組時，完成數(shù)據(jù)傳輸需要2M個階段，較新傳輸機(jī)制繁瑣很多。

4 仿真與分析

本節(jié)主要討論功率優(yōu)化分配方案的性能。假定所有信道均為瑞利衰落信道，且信道增益在傳輸各個階段均恒定不變。路徑增益服從瑞利分布，并取決于信號發(fā)射端與信號接收端之間的距離，表示為

(30)

式中:φ代表路徑損耗，它與傳輸距離成反比，并含一個路徑損耗指數(shù)α，即φ=d-α;ε為單位方差瑞利分布的隨機(jī)變量。假定主用戶發(fā)射端、主用戶接收端、認(rèn)知無線電基站、CU1,1、CU2、CU3,1和CU4的位置固定，它們的坐標(biāo)分別是(0,1)、(2,1)、(0,0)、(1,0)、(3,0)、(1,-1)和(3,-1)；另假定Relay1和Relay2的坐標(biāo)分別是(2,0)和(2,-1)。基本仿真參數(shù)參考文獻(xiàn)[10]設(shè)置如下：將A組峰值功率限制設(shè)為PCR=8，PR1=PR2=8；B組峰值功率限制設(shè)為PCR=10，PR1=PR2=10,考慮實際限制在對比Group1、Group2傳輸速率的同時，對比A組、B組峰值功率增加對多播組總傳輸速率的影響;另外，將干擾功率限制設(shè)為I=0每個信道的噪聲功率為σ2=1，路徑損耗指數(shù)為α=4。

圖3表示功率分配方案下，當(dāng)Group2用戶人數(shù)不同且N=1時，Group1和Group2傳輸速率的對比情況。從圖中可發(fā)現(xiàn)，組2的傳輸速率隨用戶人數(shù)的增加而上升，而組1的情況則相反。這是因為，本文為每個多播組均設(shè)置了加權(quán)因子，而加權(quán)因子會隨該組用戶人數(shù)的增加而減小，驗證了在功率一定的情況下此方式可為更多用戶提供更高的傳輸速率。從圖3可知，當(dāng)M=6時組2傳輸速率達(dá)到最大值，實現(xiàn)最優(yōu)化用戶服務(wù)質(zhì)量。

圖3 M值不同且N=1時組1和組2傳輸速率比較

Fig.3 Rate comparison between Group 1 and Group 2 for differentMwhenN=1

圖4所示的多播組總傳輸速率與圖3相對應(yīng)，從圖中可以發(fā)現(xiàn)總傳輸速率隨M值的增加而降低，峰值功率增加時總傳輸速率增加。本文考慮到了多播組的優(yōu)先級別，多播組用戶增加時總傳輸速率會有所下降，此時可以通過提高峰值功率來緩解這種下降趨勢。

圖4 M值不同、N=1且峰值功率不同時總傳輸速率比較

Fig.4 Sum rate of the system for differentMand peak power whenN=1

5 結(jié)束語

本文介紹了一種基于組內(nèi)組間協(xié)作傳輸?shù)亩嗖ソM新機(jī)制，將信號傳輸過程分為3個時隙，進(jìn)一步探討該機(jī)制下資源優(yōu)化配置。首先討論了兩個多播組參與協(xié)作通信的情況，理論分析得出功率分配方案，提出多播組用戶較多時的加權(quán)傳輸速率，為更多的用戶提供更好的服務(wù)。仿真結(jié)果表明，基于組內(nèi)組間協(xié)作傳輸?shù)亩嗖ソM認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)，在功率分配方案下，可以使更多用戶擁有更高的傳輸速率，當(dāng)功率限制時，通過加權(quán)因子，可使主用戶保持良好的用戶性能。另外，本文還描述了3個及3個以上多播組參與協(xié)同通信時的傳輸方案。下一步將繼續(xù)深入研究認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳感不完善情況下的傳輸機(jī)制以及各用戶的位置對總傳輸速率的影響。

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SHI Lulu was born in Shangqiu,Henan Province,in 1990. She received the B.S. degree from Zhengzhou University in 2014. She is now a graduate student. Her research concerns resource allocation and optimization in cognitive radio networks.

Email:aprilshi@foxmail.com

楊守義(1965—)，男，河南鄭州人，2003年獲博士學(xué)位，現(xiàn)為教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向為無線通信系統(tǒng)、認(rèn)知無線電、通信信號處理;

YANG Shouyi was born in Zhengzhou,Henan Province,in 1965. He received the Ph.D. degree in 2003. He is now a professor and also the Ph. D. supervisor. His research concerns wireless communication systems,cognitive radio,communication signal processing,etc.

Email:iesyyang@zzu.edu.cn

張瑞哲(1989—)，男，河南鄭州人，2014年于英國曼徹斯特大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院博士研究生，主要研究方向為認(rèn)知無線電資源優(yōu)化分配;

ZHANG Ruizhe was born in Zhengzhou,Henan Province,in 1989. He received the M.S. degree from the University of Manchester,UK,in 2014. He is currently working toward the Ph.D. degree. His research concerns resource allocation and optimization in cognitive radio networks.

Email:iezhangruizhe@gs.zzu.edu.cn

李 燕(1989—)，女，河南鄭州人，現(xiàn)為鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院碩士研究生，主要研究方向為認(rèn)知無線電資源分配。

LI Yan was born in Zhengzhou,Henan Province,in 1989. She is now a graduate student. Her research concerns resource allocation in cognitive radio networks.

Email:liyanzzu@foxmail.com

Optimal Resource Allocation for Cognitive Radio Networks with Multi-group Multicast

SHI Lulu,YANG Shouyi，ZHANG Ruizhe,LI Yan

(School of Information Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China)

For the increasing shortage of radio spectral resource,a new multi-group multicast(MGMC) mechanism based on inter-group and inner-group cooperative transmission is proposed,which relates to multiple multicast groups and uses the same spectrum resource to transmit information in a cooperative way. In cognitive radio(CR) network based on this new transmission mechanism,the optimal resource allocation of system is presented. The power allocation scheme is derived from theoretical analysis,and then the optimization of system weighted overall rate is discussed. Moreover,the impact of the signal interference between primary user(PU) and CR users and the power constraint on the transmission rate is considered to optimize user performance.Simulation result indicates that the transmission rate of multi-group multicast rises with the increasing number of users,and optimal user quality of service(QoS) is achieved;when power is constrainted,the PU can be ensured to have good communication performance by setting weighted factors for every multicast group.

cognitive radio network;multi-group multicast;interference constraint;power optimization;optimal resource allocation

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.12.002

石露露，楊守義，張瑞哲，等.協(xié)作多組多播認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的資源優(yōu)化配置[J].電訊技術(shù)，2016,56(12):1310-1315.[SHI Lulu,YANG Shouyi，ZHANG Ruizhe,et al.Optimal resource allocation for cognitive radio networks with multi-group multicast[J].Telecommunication Engineering,2016,56(12):1310-1315.]

2016-03-25；

2016-08-05 Received date:2016-03-25；Revised date：2016-08-05

國家自然科學(xué)基金資助項目(61271421)

Foundation Item：The National Natural Science Foundation of China(No. 61271421)

TN92

A

1001-893X(2016)12-1310-06

石露露(1990—)，女，河南商丘人，2014年于鄭州大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向為認(rèn)知無線電資源優(yōu)化分配;

**通信作者：iesyyang@zzu.edu.cn Corresponding author：iesyyang@zzu.edu.cn