認知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )基于空分復用的聯(lián)合頻譜共享

2011年12月北京郵電大學(xué)學(xué)報Dec.2011第34卷第6期Journal of Beijing University of Posts and TelecommunicationsVol 34 No 6文章編號:10075321(2011)060028405認知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )基于空分復用的聯(lián)合頻譜共享李釗,楊家瑋,肖麗媛(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:針對多天線(xiàn)認知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )提出一種基于空分復用的收發(fā)聯(lián)合頻譜共享方法.綜合利用認知通信與系統間干擾的空間相關(guān)特性,在無(wú)空閑頻譜資源可用時(shí)合理選擇授權系統及其頻道并以空分復用的方式實(shí)現頻譜共享相比于僅在認知基站端進(jìn)行選擇以及窮舉搜索該方法能獲得接近最佳的系統吞吐率特性,并且具有低的復雜度關(guān)詞:認知無(wú)線(xiàn)電;多天線(xiàn);空分復用;波束成形;預編碼中圖分類(lèi)號:TN929.5文獻標志碼:ASpace Division Multiplexing Based Joint SpectrumSharing in Cognitive Radio NetworksLI Zhao, YANG Jia-wei, XIAO Li-yuan(State Key Laboratory of Integrated Service Networks, Xidian University, Xi'an710071,ChinaAbstract: A space division multiplexing based joint transmit-receive spectrum sharing method in cognitive radio networks is proposed. By exploiting spatial correlation features between cognitive transmissionand interference among different systems, appropriate primary system and its channel could be selectedunder the condition that no idle spectrum resource is available. Consequently, the spectrum sharing iscarried out using space division multiplexing. Compared with the method implemented only at cognitivebase station and exhaustive searching, the proposed scheme could achieve near-optimal system throughputperformance with reduced complexityKey words: cognitive radio; multiple antennas; space division multiplexing; beamforming; precoding近年來(lái)頻譜資源稀缺與傳統的固定頻譜分配在實(shí)際應用中,多種通信系統覆蓋同一地區非常普方式導致的頻譜資源利用率低的矛盾日益突出,遍,筆者針對多天線(xiàn)CRN設計了一種基于空分復用作為頻譜共享與重用技術(shù)重要研究?jì)热莸恼J知無(wú)線(xiàn)的收發(fā)聯(lián)合頻譜共享方法,綜合利用認知通信與授電2(CR)和認知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )(CRN)技術(shù)受到了權通信和系統間干擾的空間特征,實(shí)現了基于空分廣泛關(guān)注,傳統的CR或CRN關(guān)注頻譜資源的機會(huì )復用的聯(lián)合頻譜共享共享,而通信是對包括頻率在內的多種類(lèi)型資源1系統模型的綜合使用,一部分研究將多輸入多輸出技術(shù)與CR結合,設計頻譜共享和聯(lián)合資源管理方法63研究K個(gè)授權系統與認知系統共同覆蓋的下收稿日期:201101-12基金項目:國家杰出青年科學(xué)基金項目(60725105);國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃項目(2009cB20404);長(cháng)江學(xué)者和創(chuàng )新團隊發(fā)展計劃項目(Rm0852);國家自然科學(xué)基金項目(61102057);高等學(xué)校引智計劃項目(B08038);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專(zhuān)項資金項目(K50510010022);ISN項目(IsN作者簡(jiǎn)介:李釗(1981-),男,博士,副教授,E-mal:ii1912@126.com第6期李釗等:認知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )基于空分復用的聯(lián)合頻譜共享行通信場(chǎng)景,每個(gè)授權系統包含1個(gè)基站和多個(gè)用下討論在授權頻道全忙的假設下進(jìn)行,這與傳統認戶(hù),認知系統中包含1個(gè)基站和1個(gè)用戶(hù),即不考慮知的機會(huì )頻譜接入并不矛盾,而是作為存在空閑頻認知用戶(hù)(cU, cognitive user)之間的競爭與干擾,譜時(shí)機會(huì )接入策略的補充如圖1所示2.1信號處理研究下行通信時(shí),PBS與CBS的發(fā)射功率分別波束成陷對準為E和E,為便于分析,假設各基站發(fā)射功率相認知通信同,有E=E=E.基站與用戶(hù)采用波束成形(BF,A.8陷動(dòng)8“8beamforming)的方式進(jìn)行通信,則PBS向占用頻道l的PUa發(fā)射的符號為x,CBS發(fā)送給CU的符號為x.用P表示PBS4向PU4發(fā)射的預編碼向量,P表圖1系統模型示CBS向共享授權系統k中頻道l的CU發(fā)射的預編碼向量.類(lèi)似地,PU4與CU的接收濾波向量為f授權系統k(k=1,2,…,K)中,授權基站(PBS,和faprimary base station)天線(xiàn)數為Mk;授權用戶(hù)(PU,對m進(jìn)行奇異值分解H=UAB(V)",Aprimary user,)天線(xiàn)數為M";認知基站(CBS, cognI-為Hl的最大奇異值.PBS采用主右奇異向量tive base station)天線(xiàn)數為M;CU天線(xiàn)數為M,授(與A,對應)對x進(jìn)行預處理;PU采用主左奇異權系統k擁有L4個(gè)頻道,假設各頻道的帶寬均為向量的共軛轉置(u1)"進(jìn)行接收濾波,即p=B,具有頻率平坦衰落特性為便于討論,假設所有v1J"=:PU獲得的估計信號為授權系統天線(xiàn)配置、授權頻道數相同,有MA=My=(u.1)“吟1x+(uB1)"H田px”+MPA=M",L4=L.多個(gè)PU以動(dòng)態(tài)的方式共享頻率(uB)"n=AL XI+(up.i"HiPur+(ui,)"n資源,任一時(shí)刻1個(gè)授權頻道至多由1個(gè)PU占用基站與移動(dòng)臺采用時(shí)分雙工方式進(jìn)行通信,即上下行信道具有相同特性,基站與用戶(hù)的通信遵循時(shí)隙其中,n為加性高斯白噪聲向量,各分量的方差均為σ2.式(1)等號右端第2項表示來(lái)自認知通信的干同步結構某一時(shí)隙授權系統k中,PBS,與占用其頻道擾需要合理設計p,使(1)"Hp=0.L(l=1,2,…,L)的PU(PUn)之間的信道矩陣為當認知通信無(wú)法獲得空閑頻譜并嘗試以空分復用方式與授權通信進(jìn)行頻譜共享時(shí),某一時(shí)隙共享H:CBS與共享授權系統k中頻道的CU之間的授權系統k中頻道的CU接收到的信號為信道矩陣為H;CBS與PU之間(干擾)的信道矩陣yu=H Pux +Hi vIxi +n(2)為B;PBS與共存于其頻道中CU之間的信道矩式(2)等號右端第2項表示來(lái)自PBS的干擾采用陣為H·假設系統能準確獲得信道信息,并且用于進(jìn)行接收濾波后cU的估計信號為信道信息傳遞的鏈路是可靠的,其時(shí)延相對于信道=(5)"Hrnx+()r以,x+()"n變化可以忽略9,即信道具有準靜態(tài)特性(3)為便于分析,假設所研究的授權頻段有限,且具∫的設計目標是在CU端消除來(lái)自PBS的干有平穩的頻率特性,即PBS4與CU以及CBS與CU之間的信道狀態(tài)主要取決于設備的空間位置和通信擾即(fa)"Bν1=0.對H進(jìn)行奇異值分解環(huán)境中的散射體分布,工作頻率的影響可以忽略,有H=UA(V)",通過(guò)對a和v進(jìn)行處理獲得HH=…=HB=HF,H1=…=BWx=H^P和瓜,下面分別給出CBS預編碼和CU接收濾波算法2收發(fā)聯(lián)合頻譜共享CBS預編碼算法如下本文研究認知系統利用空域信息選擇適合共存1)構造矩陣T=[v1,…,",m(,",¨,的授權系統及其頻道,從而在無(wú)空閑頻譜可用的情"a(n],采用 Gram-Schmidt方法對T標準正交化,況下實(shí)現認知通信,并保證對授權用戶(hù)無(wú)干擾.以得到T=[…,;…,Cm(鵬,,…,m(m]大學(xué)學(xué)報第34卷2)將v投影到T4的正交子空間上,得對授權通信的無(wú)干擾共存rank(Hp)rank(°以上方法研究單授權系統場(chǎng)景,決策完全由v∑[]”"礎。-∑[]2cBS完成;而在實(shí)際應用中,多種通信系統覆蓋同(4)地區非常普遍,因此認知系統在設計時(shí)應綜合利用其中,rank(·)表示矩陣的秩CBs與不同PU之間以及CU與不同PBS之間的空3)對訟歸一化,得預編碼向量pa=vs/‖‖間特征差異進(jìn)行授權系統及其頻道的合理選擇,實(shí)對H進(jìn)行奇異值分解r=UrAr(w)現頻譜共享.故提出一種收發(fā)聯(lián)合頻譜共享方法接收濾波算法如下1)CU感知其與CBS和PBS之間的信道信息H°、H1)構造矩陣R=[a1,…,uEm(r)],考慮到2)CU計算用戶(hù)側認知通信與PBS4對CU干擾U由1組標準正交基構成,引入R=R的空間相關(guān)度為2)將a投影到R的正交子空間上,得A=∑(u1,,Lup]"uM,up (5)3)CU確定共享頻道所屬授權系統標識為3)對1歸一化,得到接收濾波向量k arg min (CK(10)e|1,2,“,E∫=,1/‖l,:‖4)CBS感知其與各PUl之間的信道狀態(tài)礦,認知通信的實(shí)現如圖1所示,認知通信選擇與L∈{1,2,…,L}.CBS獲得其與CU之間的信道狀授權通信共享授權系統2的2號頻道(被PU2占態(tài)H用).經(jīng)過(guò)發(fā)端與收端的信號處理(CBS進(jìn)行發(fā)射波5)CBS計算基站側認知通信與CBS對PU干束成形將零陷對準PU2;CU進(jìn)行接收波束成形,擾的空間相關(guān)度為將零陷對準來(lái)自PBS2的干擾),CBS不會(huì )對PU2產(chǎn)k(B4)生干擾,并且CU能對來(lái)自PBS2的干擾進(jìn)行抑制∑1(vi,體(11)認知系統數據速率為6)CBS確定授權系統k中共享頻道標識為R=lb(1E(As)Ix(12)其中,A為的最大奇異值wa=(fm)a1(v)"x7)根據2.1節的信號處理算法實(shí)現認知通信P4注意到(v,Pa》12<1且(fm,1)12<1,即為對授權通信的無(wú)干擾共存了實(shí)現CBS發(fā)射對PUa無(wú)干擾以及CU抑制來(lái)自為了進(jìn)行比較,給出窮舉搜索頻譜共享方法PBS4的干擾,有用信號功率降低1)CBS感知其與PUa和CU之間的信道狀態(tài)2.2聯(lián)合頻譜共享算法H、H,k∈{1,2,…,K|,l∈{1,2,…,L}.C感知根據21節的算法,文獻[8]利用認知通信與其與PBS4之間的信道狀態(tài)理CBs對PU干擾之間的空間相關(guān)特性進(jìn)行共享頻道2)CBS計算基站側認知通信與CBs對PUa干選擇,可以表述如下擾的空間相關(guān)度為1)CBS感知其與PU4和CU之間的信道狀態(tài)rank(HiP)(13)H和H,k∈{1,2,…,K},l∈11,2,…,L};2)計算認知通信與CBS對PUa干擾的空間相3)CBS遍歷各個(gè)授權系統,確定授權系統k中關(guān)度為共享頻道標識為rank(Hip)- argl1,2,,L/(14)1〈v,a.)(7)4)CU將(l,k)代入21節的信號處理算法3)確定共享授權系統和頻道標識為并根據式(6)計算R,k∈1,2,…,K},共享授權(Lt, kurt)=argH2AtM“(C4)(8)系統及其頻道標識為4)根據2.1節的信號處理算法實(shí)現認知通信(Lut, k ut )=arg max (RM)(15)第6期李釗等:認知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )基于空分復用的聯(lián)合頻譜共享5)根據2.1節的信號處理算法,實(shí)現認知通信方法的認知系統平均吞吐率進(jìn)行了 Matlab仿真.系對授權通信的無(wú)干擾共存.統天線(xiàn)配置采用MP=MP=2,M;=5,M=3.授2.3復雜度分析權通信與認知通信均為BF方式.對于不同的天線(xiàn)該部分從信道信息感知、主要計算(包括奇異配置也能得到相同的結論,限于篇幅本文未給出相值分解、相關(guān)度計算、預編碼與接收濾波處理)以及關(guān)結果搜索算法幾方面分析了3種頻譜共享方法的復雜圖2給出了授權系統數K=4,授權頻道數L分度,如表1所示.由于3種方法最后一步均是根據別為8和20這3種方法的認知系統平均吞吐率隨2.1節進(jìn)行信號處理,所以表1中僅對(l,k)搜索信噪比S變化的情況.對于相同的L,CBS選擇方法過(guò)程的復雜度進(jìn)行分析性能最差,窮舉搜索方法獲得的吞吐率最大,聯(lián)合選表1復雜度分析擇方法的性能與窮舉搜索方法接近.增大L會(huì )帶來(lái)頻譜共享方法CBS選擇聯(lián)合選擇窮舉搜索多用戶(hù)分集增益的增加因此對于同一方法,L越大信道倌息感知KL+1L+1+K+1KL+1+K+吞吐率越高.奇異值分解KL+1KL+1+k+°·CBs選擇(L=8)a·窮舉搜索L=8)相關(guān)度計算-聯(lián)合選擇(L=8CBS選擇(L=20)預編碼與一窮舉搜接收濾波→聯(lián)合選擇(=2搜索算法L-1(L-1)K+古帥采用“執行次數”衡量信道信息感知、奇異值分解以及相關(guān)度計算的復雜度,如CBS選擇方法需要對CBS與所有PU以及CU之間共KL+1個(gè)信道矩信噪比SdB陣進(jìn)行感知,相應的需要執行KL+1次奇異值分圖2平均吞吐率(授權系統數為4)解,根據式(7),CBS需計算KL個(gè)相關(guān)值.聯(lián)合選擇圖3給出了S=5dB,授權頻道數L分別為8和與窮舉搜索方法需要CBS與CU共同完成表1中20這3種方法的認知系統平均吞吐率隨授權系統對不同實(shí)體的運算量進(jìn)行了標注,在共享授權系統數K變化的情況.隨著(zhù)K的增大,多個(gè)授權系統帶及其頻道的選擇過(guò)程中,CBS選擇與聯(lián)合選擇不需來(lái)的分集增益增加,吞吐率提高,當K增大到一定要進(jìn)行預編碼和接收濾波計算窮舉搜索方法則需程度時(shí),吞吐率趨于飽和對于相同的L,當K>1要在CU端進(jìn)行K次以獲得認知通信數據速率,并時(shí)cBs選擇性能最差聯(lián)合選擇明顯優(yōu)于CBS選依據該結果完成決策.搜索算法的復雜度采用“比擇,其吞吐率特性與最佳的窮舉搜索方法接近;當較次數”進(jìn)行評價(jià)如CB選擇方法中根據式(8)K=1時(shí),3種方法都是在唯一的授權系統中根據空需要在KL個(gè)相關(guān)值中搜索以確定共享授權系統及間相關(guān)特性選擇授權頻道因此吞吐率相同其頻道標識,比較次數為KL-1.窮舉搜索方法根據式(14),CBS從K個(gè)授權系統的L個(gè)頻道選擇最·CBS選擇{=8)佳,比較次數為(L-1)K;根據式(15),CU從CBa·窮舉搜提供的K個(gè)候選中選擇最佳,比較次數為K-1由表1可以發(fā)現,窮舉搜索方法復雜度最高聯(lián)合選擇(L=8)比較聯(lián)合選擇與CBS選擇方法,容易推得當K≥′CBS選擇(L=20)L/(L-1)時(shí)M≥L+K成立,實(shí)際應用中通常L<·-K,因此ⅨK≥L+K容易滿(mǎn)足,即聯(lián)合選擇方法復雜攜輸(20度更低3仿真結果授權系統數K圖3平均吞吐率(信噪比為5dB)該部分對CBS選擇、聯(lián)合選擇與窮舉搜索3種北京郵電大學(xué)學(xué)報第34卷4結束語(yǔ)Peng Tao, Guo Chen, Wang Wenbo. 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