認知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )基于空分復用的機會(huì )頻譜接入

第33卷第5期電子與信息學(xué)報Vol 33No52011年5月Journal of Electronics Information TechnologyMay 2011認知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )基于空分復用的機會(huì )頻譜接入李釗”趙林靖劉勤(西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室西安710071)摘要:傳統的認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)采用機會(huì )頻譜接入,認知用戶(hù)的通信質(zhì)量難以得到保證。通過(guò)利用多天線(xiàn)技術(shù)提供的空間信號處理能力,該文提出一種基于空分復用的機會(huì )頻譜接入方法,當存在頻譜空洞時(shí),采用傳統的機會(huì )頻譜接入:無(wú)空閑頻率資源可用時(shí),認知系統利用空域信息完成發(fā)射預編碼與接收濾波,從而以空分復用的方式實(shí)現通信。文中對認知系統天線(xiàn)配置要求進(jìn)行了分析,當滿(mǎn)足該要求時(shí),認知系統能夠與授權系統在同一授權頻道實(shí)現無(wú)互擾共存。仿真結果表明,與傳統的機會(huì )頻譜接入相比,所提方法能夠在不影響授權系統性能的情況下有效改善認知系統的通信性能。關(guān)鍵詞:認知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò );多天線(xiàn);預編碼;空分復用;阻塞概率中圖分類(lèi)號:TN9295文獻標識碼:A文章編號:10095896(2011)05-117206DoI:10.3724/SPJ11462010.01051Space Division Multiplexing Based OpportunisticSpectrum Access in Cognitive Radio NetworkLi Zhao Zhao Lin-jing Liu Qin(State Key Laboratory of Integrated Service Networks, Xidian University, Xi'an 710071, China)Abstract: Traditional cognitive radio employs Opportunistic Spectrum Access(OSA), the quality of cognitivetransmission could not be guaranteed. By exploiting the spatial signal processing ability provided by multipleantennas,a Space Division Multiplexing based OSA (SDM-OSA)scheme for cognitive radio networks is proposedWhen spectrum holes exist traditional OSA is employed. While there is no idle spectrum available cognitive systemutilizes spatial information to implement transmit precoding and receive filtering, so that cognitive transmission iscarried out using SDM. Antenna requirements in cognitive system are further discussed. when this demand is metcognitive transmission could coexist with the primary(licensed )in an occupied authorized frequency channel withmutual interference eliminated. Compared with traditional cognitive radio which employs OSa to utilize thetemporally spare frequency resource, the proposed scheme could effectively improve the performance of cognitivesystem and impose no interference on the primaryKey words: Cognitive Radio Networks(CRN); Multiple antennas; Precoding: Space Division Multiplexing(SDM)Blocking probability1引言頻譜資源的高效利用。由于用戶(hù)業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)性,傳統的固定頻譜分配但是,傳統的有關(guān)CR或CRN的研究關(guān)注頻譜方式對頻率資源的利用率很低叫,因此,能夠根據電資源的機會(huì )共享,即認知用戶(hù)進(jìn)行通信環(huán)境檢測以磁環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻譜利用的認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)發(fā)現空閑頻譜,通過(guò)借用該頻率資源完成通信。由( Cognitive Radic,CR)應運而生。隨著(zhù)研究的深入,于認知用戶(hù)是非授權的,具有低優(yōu)先級,因此當授環(huán)境中認知無(wú)線(xiàn)電設備如何通過(guò)相互協(xié)作,達到對對于機會(huì )頻譜接入(sA,認知通信能否進(jìn)行取決于是否存在“機會(huì )”,即空閑頻譜。因此,采用傳統的OSA,認知用戶(hù)的通信質(zhì)量難以得到保證。20100929收到,20110214改回國家杰出青年科學(xué)基金(60725105),國家973計劃項目通信是對包括頻率在內的多種類(lèi)型資源,如時(shí)(2009cB3204041),長(cháng)江學(xué)者和創(chuàng )新團隊發(fā)展計劃(R0852),國冢間、功率、空間和計算能力等的綜合使用例,因此通自然科學(xué)基金(08082.高等學(xué)校引智計劃(B088.教育部科過(guò)資源維度拓展尋找接入“機會(huì )”成為可能。多天學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項日(107103),重大專(zhuān)項(2090070線(xiàn)技術(shù),包括多輸入多輸出(Muti- Input Multi-高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專(zhuān)項資金(K50510010022)資助課題Output,MMO)與智能天線(xiàn),通過(guò)空域信號處理能通信作者:李釗z199120126com第5期李釗等:認知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )基于空分復用的機會(huì )頻譜接入夠獲得傳輸效率與鏈路可靠性的提高,近年來(lái)得到認知技術(shù)研究人員的關(guān)注。文獻7提出一種基于多天線(xiàn)的頻譜感知方法,文獻8]對認知MIMO信道容(閑量進(jìn)行推導,文獻⑨從博弈論角度研究分布式認知MIMO用戶(hù)與授權用戶(hù)的共存通信,文獻10將蜂窩網(wǎng)作為研究場(chǎng)景,提出一種基于協(xié)作的上行鏈路圖2 Markov信道模型頻率復用機制,文獻[通過(guò)研究認知MMO傳輸與多天線(xiàn)安全通信的關(guān)系,對后者的可達信息速率的概率為a,保持在狀態(tài)0的概率為聞;類(lèi)似地,進(jìn)行了推導頻道v從狀態(tài)0轉移至狀態(tài)1的概率為1-B,保持但是,已有工作在討論認知系統與授權系統的在狀態(tài)1的概率為1-a。認知用戶(hù)的忙閑用另一頓譜共享時(shí),并未針對多域資源管理給出具體的信個(gè)獨立的 Markov過(guò)程模擬,與圖2類(lèi)似,其轉移號處理算法和頻譜共享方法,因此本文提出一種基概率分別為a和f于空分復用的機會(huì )頻譜接入方法(SDM-OSA),通過(guò)在時(shí)隙t,PBS能夠獲得其與占據頻道讠的空頻資源聯(lián)合管理,當認知系統檢測無(wú)線(xiàn)環(huán)境卻無(wú)PU(PU之間的信道信息丑P(),其中i=1…,N法獲得空閑頻率時(shí),仍能夠通過(guò)空分復用的方式完CBS能夠獲得其與CU以及與PU-i之間的信道信成通信。仿真結果表明,與傳統的機會(huì )頻譜接入相息F()和HP(),并通過(guò)與PBS交互獲得PBS與比,該方法能夠在不影響授權系統的情況下有效改U之間的信道信息H()。在本文的討論中,假善認知系統的通信性能設授權系統與認知系統間存在協(xié)作,各反饋鏈路(包2系統模型括CBS與PBS的信息交互)是可靠的,并且反饋時(shí)延相對于信道變化可以忽略131。以下敘述中,在考慮授權系統與認知系統共同覆蓋的單小區場(chǎng)個(gè)時(shí)隙內討論為了簡(jiǎn)便,省略時(shí)間標記t景,如圖1所示,研究下行通信。授權系統包含3信號處理算法與頻譜接入方法設計個(gè)基站和多個(gè)用戶(hù)。簡(jiǎn)單起見(jiàn),認知系統由一個(gè)基站和一個(gè)用戶(hù)構成,即不存在認知用戶(hù)( Cognitive對于傳統的OSA,認知用戶(hù)搜索并借用空閑的UBer,CU)之間的競爭與干擾。授權基站( Prim授權頻道以完成通信,但是認知通信不能與授權通Base station,PBS)天線(xiàn)數MF,授權用戶(hù)( Primary信同時(shí)同頻共存。一方面,當認知用戶(hù)試圖借用授User,PU)天線(xiàn)數為M;認知基站( Cognitive Base權頻道開(kāi)始一次新的通信而無(wú)法獲得相應資源時(shí),st,Js)天線(xiàn)數MF,認知用戶(hù)天線(xiàn)數為M.認知通信阻塞( Blocking:另一方面,當授權用戶(hù)在授權系統擁有N個(gè)頻道,假設各頻道的帶寬均認知通信進(jìn)行過(guò)程中出現時(shí),認知用戶(hù)必須及時(shí)釋為B,具有頻率平坦衰落特性。多個(gè)PU以動(dòng)態(tài)的放借用資源,若能夠找到備用頻道,則認知通信可方式共享頻率資源?；九c用戶(hù)的通信遵循時(shí)隙同持續,否則中斷( Outage)通過(guò)將多天線(xiàn)技術(shù)引入步結構,N個(gè)頻道的占用服從狀態(tài)數為M=2的離CRN,當認知用戶(hù)能夠獲得空閑頻譜時(shí),按照傳統散時(shí)間 Markov過(guò)程。 Markov信道模型如圖2所的OSA進(jìn)行機會(huì )接入:當無(wú)空閑頻率資源可用時(shí),示圖中,投權頻道i從狀態(tài))轉移至狀態(tài)0(閑)認知用戶(hù)仍能夠通過(guò)空分復用的方式完成通信(與授權用戶(hù)共存),同時(shí)避免對授權用戶(hù)產(chǎn)生干擾。以授權系統反饋信道下對共存場(chǎng)景中的信號處理算法進(jìn)行設計,并在此基礎上給出頻譜接入方法( SDM-OSA)授權系統數據傳輸31授權系統授權系統中占用頻道讠的用戶(hù)PU-i的接收信號為授權系統信息來(lái)自CBS的十擾來(lái)自PBS的y?=H=p+H,z+n其中可與x分別表示PBS和CBs的發(fā)射符號向認知系統數傳輸1量,等號右端第2項表示CBS發(fā)射信號對PU-i的干擾認知系統反饋信道在本文的討論中,假設授權系統采用波束成圖1系統模型形6( Beamforming,BF)的方式進(jìn)行通信(x1174電子與信息學(xué)報第33卷z0…0)。對H進(jìn)行奇異值分解H=UA其中rank()表示矩陣的秩VP)",PBs釆用v={嗎00對x進(jìn)行預處(3)對近歸一化,得到預編碼向量p=/理,其中為的主右奇異向量(與H的最大奇6|。異值對應):PUi采用!=00的共軛轉置注意到p存在非零解的條件是T列滿(mǎn)秩,即進(jìn)行接收濾波,1為丑的主左奇異向量,得到估 rank(T)M,即可r=0;否則,7>0。得到式(13)證畢SDM-OSA方法如下表1給出授權系統采用一些常見(jiàn)天線(xiàn)配置時(shí)認(1)根據環(huán)境感知結果及系統間協(xié)作,初始化資知系統的天線(xiàn)數要求。源矩陣Ry;(2B選擇授權頻道=agm(),并將相1認知系統天線(xiàn)配置要求關(guān)參數通知CU以完成認知通信。信號處理按照32Mr節進(jìn)行M121212對于第(2)步,當min(r)=0時(shí)表示有空閑頻M7道,認知通信按照傳統OSA以機會(huì )方式接入;當2233555min()>0時(shí)表示無(wú)空閑頻道,認知通信以空分復用方式選擇最佳(r最小)頻道實(shí)現共享注意到可能可以發(fā)現,為了實(shí)現與授權用戶(hù)的無(wú)干擾共存出現多個(gè)r均為最小值(或0)的情況,本文采取隨機通信,認知系統需配備較多的天線(xiàn)。實(shí)際設計中選擇的策略。需要在認知通信性能與系統復雜度及成本間進(jìn)行折根據以上討論可以發(fā)現,本文提出的頻譜共享衷。例如,通過(guò)放松系統間干擾約束,即將干擾控方法中基于SDM的系統共存設計是對傳統OSA的制于某一門(mén)限之下141,以降低認知系統復雜度。補充,即認知系統通過(guò)配置多天線(xiàn)并利用空域信息以上討論中,授權系統的通信方式不受限制,在無(wú)空閑頻譜時(shí)以空分方式實(shí)現通信,其代價(jià)包含認知系統采用BF方式,若認知通信采用多子數據天線(xiàn)配置(將在34節討論)以及空域信道信息感知流并行傳輸,如空間復用( Spatial Multiplexing,兩方面。SM),此時(shí)P=1“pmk)0…則,F=團34認知系統天線(xiàn)配置討論fnk(r)0…,rank(H)反映最大可能的并行子數理1認知通信采用BF方式,當天線(xiàn)配置滿(mǎn)據流個(gè)數。以P和f的計算為例(其它p和f的計算足條件式(12),式(13)時(shí),能夠根據321節計算p實(shí)與之類(lèi)似),為保證子數據流之間的正交性,CBs現CBS對PU無(wú)干擾,同時(shí)根據322節計算∫使預編碼中T的構造按照3.21節進(jìn)行,CU接收濾波CU消除來(lái)自PBS的干擾需重新構造R=,…,"kg"y",…,umk((12)有以下引理。MT >MR+MR引理1認知通信采用SM方式,無(wú)法在保證證明CBS對PU無(wú)干擾的同時(shí),于CU端完全消除來(lái)自。①根據31節,CBS預編碼向量p存在非零PBs的干擾,并且使認知通信子數據流之間無(wú)相互解的條件是rank(T)M且MG>M,否則易推5>M且M>MF得min(M,M)<1或者min(M5,MR)<1,不合理(2)類(lèi)似定理1的證明(2),CU接收濾波矩陣∫存在非零解得條件是rank(R)MR且M>M時(shí)ank(H)+rank(H)-1< MRMR+MR M1和M6時(shí),3種方法獲得的吞吐率吐率相同。對于認知系統,OSA的吞吐率最低,與參考上界相差無(wú)幾,這是由于該仿真結果是在授SDM-OSA增加了對空域資源的利用,避免了阻塞權系統業(yè)務(wù)較輕(a=0.2,=0.8,其中i=1與中斷,吞吐率有一定程度提高。 SDM-OSA1在,N)的情況下得到的。當授權業(yè)務(wù)繁忙時(shí),3種方SNR較高時(shí)優(yōu)于 SDM-OSA-2,而當SNR<4dB時(shí),法均需要在N更大時(shí)才能夠逼近參考上界。3信噪比(dB)信噪比(dB)授權頻道數授權系統(OSA)阻寒概率(OSA--授權系統( SDAI-OSA-1陽(yáng)塞概率( SDAI-OSA(SD\-OSA-1)認知系統( SDA-OSA1)斷概率( SDA-OSA認知系統(參與上界)圖3中斷概率和阻寒概率(N=2)圖4系統吞吐率(N=2)圖5中斷概率和阻塞概率(SNR=20dB)隨SAR變化的情況隨SAR變化的情況隨授權頻道數變化的情況第5期李釗等:認知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )基于空分復用的機會(huì )頻譜接入11778642Yocognitive radios: GLRT approach [J]. IEEE Transactionson Communication, 2010, 58(1): 84-88.·授權系統[81 Yong Peng and Rajan D. Capacity bounds for a cognitive◆。認知系統認知系統Transactions on Vehicular Technology, 2010, 59(4):865-1876.授權頻道數9 Scutari G and Palomar D P, MIMO cognitive radio: a game圖6系統吞吐率(SNR=20dB)theoretical approach J]. IEEE Transactions on Sigmal隨授權頻道數變化的情況Processing.2010,58(2):761-780.[10 Bakr O, Johnson M, and wild B, et al. A multi-antenna5結束語(yǔ)本文針對多天線(xiàn)認知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )提出一種基于cooperation [C]. IEEE Symposium on New Frontiers in空分復用的頻譜接入方法( SDM-OSA),并對認知系Dynamic Spectrum Access Networks, Chicago, 2008: 1-5.統發(fā)射端與接收端的信號處理算法進(jìn)行設計,當認[11] Zhang Lan, Zhang Rui, and Liang Ying-chang, et al. On therelationship between the multi-antenna secrecy知系統無(wú)法獲得空閑頻率資源時(shí),仍能夠通過(guò)空分communications and cognitive radio communications JI復用的方式完成通信。仿真結果表明,與傳統的非IEEE Transactions on Communications, 2010, 58(6)共存機會(huì )頻譜接入(OSA)相比,所提方法能夠在不1877-1886.影響授權系統性能的情況下降低認知通信的阻塞概12 Zhao Q, Tong l, and Swami a,tal. Decentralized cognitive率與中斷概率,并且顯著(zhù)提高認知系統的吞吐率。MAC for opportunistic spectrum access in Ad hoc networks參考文獻a POMDP framework J]. IEEE Jourmal on Selected Areas inCommunications, 2007, 25(3): 589-600[1] Krenik W and Batra A Cognitive radio techniques for wide (13) Bakr O, Johnson M, and Mudumbai R, et al.Multi-antennaa networks C] Design Automation Conference(DAC'05interference cancellation techniques for cognitive radioAnaheim,2005:409412.2 Mitola J. Cognitive radio for flexible mobile multimediaNetworking Conference, Budapest, 2009: 1-6.communication I C). IEEE International Workshop Mobile (14 Jitvanichphaibool K, Liang Ying-chang, and Zhang RuiMultimedia Communication, San Diego,3-10Beamforming and power control for multi-ar3 Haykin S. Cognitive radio: brain-empowered wirelesstwo-way relaying IC]. IEEE Wireless Communications andmmunications[J]. 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