2011年12月北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)Dec.2011第34卷第6期Journal of Beijing University of Posts and TelecommunicationsVol 34 No 6文章編號(hào):10075321(2011)060028405認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)基于空分復(fù)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(yàn)室,西安710071)摘要:針對(duì)多天線認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)提出一種基于空分復(fù)用的收發(fā)聯(lián)合頻譜共享方法.綜合利用認(rèn)知通信與系統(tǒng)間干擾的空間相關(guān)特性,在無空閑頻譜資源可用時(shí)合理選擇授權(quán)系統(tǒng)及其頻道并以空分復(fù)用的方式實(shí)現(xiàn)頻譜共享相比于僅在認(rèn)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(tǒng)吞吐率特性,并且具有低的復(fù)雜度關(guān)詞:認(rèn)知無線電;多天線;空分復(fù)用;波束成形;預(yù)編碼中圖分類號(hào):TN929.5文獻(xiàn)標(biāo)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近年來頻譜資源稀缺與傳統(tǒng)的固定頻譜分配在實(shí)際應(yīng)用中,多種通信系統(tǒng)覆蓋同一地區(qū)非常普方式導(dǎo)致的頻譜資源利用率低的矛盾日益突出,遍,筆者針對(duì)多天線CRN設(shè)計(jì)了一種基于空分復(fù)用作為頻譜共享與重用技術(shù)重要研究內(nèi)容的認(rèn)知無線的收發(fā)聯(lián)合頻譜共享方法,綜合利用認(rèn)知通信與授電2(CR)和認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)(CRN)技術(shù)受到了權(quán)通信和系統(tǒng)間干擾的空間特征,實(shí)現(xiàn)了基于空分廣泛關(guān)注,傳統(tǒng)的CR或CRN關(guān)注頻譜資源的機(jī)會(huì)復(fù)用的聯(lián)合頻譜共享共享,而通信是對(duì)包括頻率在內(nèi)的多種類型資源1系統(tǒng)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(jié)合,設(shè)計(jì)頻譜共享和聯(lián)合資源管理方法63研究K個(gè)授權(quán)系統(tǒng)與認(rèn)知系統(tǒng)共同覆蓋的下收稿日期:201101-12基金項(xiàng)目:國家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目(60725105);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2009cB20404);長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(Rm0852);國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61102057);高等學(xué)校引智計(jì)劃項(xiàng)目(B08038);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(K50510010022);ISN項(xiàng)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(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)基于空分復(fù)用的聯(lián)合頻譜共享行通信場(chǎng)景,每個(gè)授權(quán)系統(tǒng)包含1個(gè)基站和多個(gè)用下討論在授權(quán)頻道全忙的假設(shè)下進(jìn)行,這與傳統(tǒng)認(rèn)戶,認(rèn)知系統(tǒng)中包含1個(gè)基站和1個(gè)用戶,即不考慮知的機(jī)會(huì)頻譜接入并不矛盾,而是作為存在空閑頻認(rèn)知用戶(cU, cognitive user)之間的競(jìng)爭(zhēng)與干擾,譜時(shí)機(jī)會(huì)接入策略的補(bǔ)充如圖1所示2.1信號(hào)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(duì)準(zhǔn)為E和E,為便于分析,假設(shè)各基站發(fā)射功率相認(rèn)知通信同,有E=E=E.基站與用戶采用波束成形(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(hào)為x,CBS發(fā)送給CU的符號(hào)為x.用P表示PBS4向PU4發(fā)射的預(yù)編碼向量,P表圖1系統(tǒng)模型示CBS向共享授權(quán)系統(tǒng)k中頻道l的CU發(fā)射的預(yù)編碼向量.類似地,PU4與CU的接收濾波向量為f授權(quán)系統(tǒng)k(k=1,2,…,K)中,授權(quán)基站(PBS,和faprimary base station)天線數(shù)為Mk;授權(quán)用戶(PU,對(duì)m進(jìn)行奇異值分解H=UAB(V)",Aprimary user,)天線數(shù)為M";認(rèn)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)天線數(shù)為M;CU天線數(shù)為M,授(與A,對(duì)應(yīng))對(duì)x進(jìn)行預(yù)處理;PU采用主左奇異權(quán)系統(tǒng)k擁有L4個(gè)頻道,假設(shè)各頻道的帶寬均為向量的共軛轉(zhuǎn)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(shè)所有v1J"=:PU獲得的估計(jì)信號(hào)為授權(quán)系統(tǒng)天線配置、授權(quán)頻道數(shù)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(quán)頻道至多由1個(gè)PU占用基站與移動(dòng)臺(tái)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(hào)右端第2項(xiàng)表示來自認(rèn)知通信的干同步結(jié)構(gòu)某一時(shí)隙授權(quán)系統(tǒng)k中,PBS,與占用其頻道擾需要合理設(shè)計(jì)p,使(1)"Hp=0.L(l=1,2,…,L)的PU(PUn)之間的信道矩陣為當(dāng)認(rèn)知通信無法獲得空閑頻譜并嘗試以空分復(fù)用方式與授權(quán)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(quán)系統(tǒng)k中頻道的CU之間的授權(quán)系統(tǒng)k中頻道的CU接收到的信號(hào)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(hào)右端第2項(xiàng)表示來自PBS的干擾采用陣為H·假設(shè)系統(tǒng)能準(zhǔn)確獲得信道信息,并且用于進(jìn)行接收濾波后cU的估計(jì)信號(hào)為信道信息傳遞的鏈路是可靠的,其時(shí)延相對(duì)于信道=(5)"Hrnx+()r以,x+()"n變化可以忽略9,即信道具有準(zhǔn)靜態(tài)特性(3)為便于分析,假設(shè)所研究的授權(quán)頻段有限,且具∫的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在CU端消除來自PBS的干有平穩(wěn)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(shè)備的空間位置和通信擾即(fa)"Bν1=0.對(duì)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)",通過對(duì)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(yù)編碼和CU接收濾波算法2收發(fā)聯(lián)合頻譜共享CBS預(yù)編碼算法如下本文研究認(rèn)知系統(tǒng)利用空域信息選擇適合共存1)構(gòu)造矩陣T=[v1,…,",m(,",¨,的授權(quán)系統(tǒng)及其頻道,從而在無空閑頻譜可用的情"a(n],采用 Gram-Schmidt方法對(duì)T標(biāo)準(zhǔn)正交化,況下實(shí)現(xiàn)認(rèn)知通信,并保證對(duì)授權(quán)用戶無干擾.以得到T=[…,;…,Cm(鵬,,…,m(m]大學(xué)學(xué)報(bào)第34卷2)將v投影到T4的正交子空間上,得對(duì)授權(quán)通信的無干擾共存rank(Hp)rank(°以上方法研究單授權(quán)系統(tǒng)場(chǎng)景,決策完全由v∑[]”"礎(chǔ)。-∑[]2cBS完成;而在實(shí)際應(yīng)用中,多種通信系統(tǒng)覆蓋同(4)地區(qū)非常普遍,因此認(rèn)知系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(duì)訟歸一化,得預(yù)編碼向量pa=vs/‖‖間特征差異進(jìn)行授權(quán)系統(tǒng)及其頻道的合理選擇,實(shí)對(duì)H進(jìn)行奇異值分解r=UrAr(w)現(xiàn)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(gòu)造矩陣R=[a1,…,uEm(r)],考慮到2)CU計(jì)算用戶側(cè)認(rèn)知通信與PBS4對(duì)CU干擾U由1組標(biāo)準(zhǔn)正交基構(gòu)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(quán)系統(tǒng)標(biāo)識(shí)為3)對(duì)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(rèn)知通信的實(shí)現(xiàn)如圖1所示,認(rèn)知通信選擇與L∈{1,2,…,L}.CBS獲得其與CU之間的信道狀授權(quán)通信共享授權(quán)系統(tǒng)2的2號(hào)頻道(被PU2占態(tài)H用).經(jīng)過發(fā)端與收端的信號(hào)處理(CBS進(jìn)行發(fā)射波5)CBS計(jì)算基站側(cè)認(rèn)知通信與CBS對(duì)PU干束成形將零陷對(duì)準(zhǔn)PU2;CU進(jìn)行接收波束成形,擾的空間相關(guān)度為將零陷對(duì)準(zhǔn)來自PBS2的干擾),CBS不會(huì)對(duì)PU2產(chǎn)k(B4)生干擾,并且CU能對(duì)來自PBS2的干擾進(jìn)行抑制∑1(vi,體(11)認(rèn)知系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率為6)CBS確定授權(quán)系統(tǒng)k中共享頻道標(biāo)識(shí)為R=lb(1E(As)Ix(12)其中,A為的最大奇異值wa=(fm)a1(v)"x7)根據(jù)2.1節(jié)的信號(hào)處理算法實(shí)現(xiàn)認(rèn)知通信P4注意到(v,Pa》12<1且(fm,1)12<1,即為對(duì)授權(quán)通信的無干擾共存了實(shí)現(xiàn)CBS發(fā)射對(duì)PUa無干擾以及CU抑制來自為了進(jìn)行比較,給出窮舉搜索頻譜共享方法PBS4的干擾,有用信號(hào)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(jù)21節(jié)的算法,文獻(xiàn)[8]利用認(rèn)知通信與其與PBS4之間的信道狀態(tài)理CBs對(duì)PU干擾之間的空間相關(guān)特性進(jìn)行共享頻道2)CBS計(jì)算基站側(cè)認(rèn)知通信與CBs對(duì)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(jì)算認(rèn)知通信與CBS對(duì)PUa干擾的空間相3)CBS遍歷各個(gè)授權(quán)系統(tǒng),確定授權(quán)系統(tǒng)k中關(guān)度為共享頻道標(biāo)識(shí)為rank(Hip)- argl1,2,,L/(14)1〈v,a.)(7)4)CU將(l,k)代入21節(jié)的信號(hào)處理算法3)確定共享授權(quán)系統(tǒng)和頻道標(biāo)識(shí)為并根據(jù)式(6)計(jì)算R,k∈1,2,…,K},共享授權(quán)(Lt, kurt)=argH2AtM“(C4)(8)系統(tǒng)及其頻道標(biāo)識(shí)為4)根據(jù)2.1節(jié)的信號(hào)處理算法實(shí)現(xiàn)認(rèn)知通信(Lut, k ut )=arg max (RM)(15)第6期李釗等:認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)基于空分復(fù)用的聯(lián)合頻譜共享5)根據(jù)2.1節(jié)的信號(hào)處理算法,實(shí)現(xiàn)認(rèn)知通信方法的認(rèn)知系統(tǒng)平均吞吐率進(jìn)行了 Matlab仿真.系對(duì)授權(quán)通信的無干擾共存.統(tǒng)天線配置采用MP=MP=2,M;=5,M=3.授2.3復(fù)雜度分析權(quán)通信與認(rèn)知通信均為BF方式.對(duì)于不同的天線該部分從信道信息感知、主要計(jì)算(包括奇異配置也能得到相同的結(jié)論,限于篇幅本文未給出相值分解、相關(guān)度計(jì)算、預(yù)編碼與接收濾波處理)以及關(guān)結(jié)果搜索算法幾方面分析了3種頻譜共享方法的復(fù)雜圖2給出了授權(quán)系統(tǒng)數(shù)K=4,授權(quán)頻道數(shù)L分度,如表1所示.由于3種方法最后一步均是根據(jù)別為8和20這3種方法的認(rèn)知系統(tǒng)平均吞吐率隨2.1節(jié)進(jìn)行信號(hào)處理,所以表1中僅對(duì)(l,k)搜索信噪比S變化的情況.對(duì)于相同的L,CBS選擇方法過程的復(fù)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(fù)雜度分析擇方法的性能與窮舉搜索方法接近.增大L會(huì)帶來頻譜共享方法CBS選擇聯(lián)合選擇窮舉搜索多用戶分集增益的增加因此對(duì)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(jì)算-聯(lián)合選擇(L=8CBS選擇(L=20)預(yù)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(zhí)行次數(shù)”衡量信道信息感知、奇異值分解以及相關(guān)度計(jì)算的復(fù)雜度,如CBS選擇方法需要對(duì)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(yīng)的需要執(zhí)行KL+1次奇異值分圖2平均吞吐率(授權(quán)系統(tǒng)數(shù)為4)解,根據(jù)式(7),CBS需計(jì)算KL個(gè)相關(guān)值.聯(lián)合選擇圖3給出了S=5dB,授權(quán)頻道數(shù)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(rèn)知系統(tǒng)平均吞吐率隨授權(quán)系統(tǒng)對(duì)不同實(shí)體的運(yùn)算量進(jìn)行了標(biāo)注,在共享授權(quán)系統(tǒng)數(shù)K變化的情況.隨著K的增大,多個(gè)授權(quán)系統(tǒng)帶及其頻道的選擇過程中,CBS選擇與聯(lián)合選擇不需來的分集增益增加,吞吐率提高,當(dāng)K增大到一定要進(jìn)行預(yù)編碼和接收濾波計(jì)算窮舉搜索方法則需程度時(shí),吞吐率趨于飽和對(duì)于相同的L,當(dāng)K>1要在CU端進(jìn)行K次以獲得認(rèn)知通信數(shù)據(jù)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(jù)該結(jié)果完成決策.搜索算法的復(fù)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(dāng)較次數(shù)”進(jìn)行評(píng)價(jià)如CB選擇方法中根據(jù)式(8)K=1時(shí),3種方法都是在唯一的授權(quán)系統(tǒng)中根據(jù)空需要在KL個(gè)相關(guān)值中搜索以確定共享授權(quán)系統(tǒng)及間相關(guān)特性選擇授權(quán)頻道因此吞吐率相同其頻道標(biāo)識(shí),比較次數(shù)為KL-1.窮舉搜索方法根據(jù)式(14),CBS從K個(gè)授權(quán)系統(tǒng)的L個(gè)頻道選擇最·CBS選擇{=8)佳,比較次數(shù)為(L-1)K;根據(jù)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(shù)為K-1由表1可以發(fā)現(xiàn),窮舉搜索方法復(fù)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(dāng)K≥′CBS選擇(L=20)L/(L-1)時(shí)M≥L+K成立,實(shí)際應(yīng)用中通常L<·-K,因此ⅨK≥L+K容易滿足,即聯(lián)合選擇方法復(fù)雜攜輸(20度更低3仿真結(jié)果授權(quán)系統(tǒng)數(shù)K圖3平均吞吐率(信噪比為5dB)該部分對(duì)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(bào)第34卷4結(jié)束語Peng Tao, Guo Chen, Wang Wenbo. Energy-efficient co-針對(duì)多天線CRN提出一種基于空分復(fù)用的收operative spectrum sensing in cognitive radio networks發(fā)聯(lián)合頻譜共享方法,綜合利用認(rèn)知通信與CBS對(duì)[J]. Journal of Beijing University of Posts and TelecomPU干擾之間以及與PBS對(duì)CU干擾之間的空間相munications,2010,33(4):93-96關(guān)特性,在無空閑頻譜資源可用的情況下合理選擇[5] Vuk Marojevic, Jose Salazar, Xavier Reves, et al.Resource modeling for a joint resouree management in cogni-授權(quán)系統(tǒng)及其頻道實(shí)現(xiàn)共享.理論分析與仿真結(jié)果tive radio [C]//ICC 2008. Beijing: IEEE Press, 2008表明,相比于僅在CBS端進(jìn)行選擇和窮舉搜索方4175418法,該方法能獲得接近最佳的系統(tǒng)吞吐率特性,并且[6】 Scutari G, Palomar D P. MIMO cognitive radio: a game具有低的復(fù)雜度theoretical approach [J]. IEEE Trans Sig Process2010,58(2):761-780參考文獻(xiàn):[7] Bakr 0, Johnson M, Wild B, et al. A multi-antenna[1] Krenik W, Batra A. Cognitive radio techniques for wideframework for spectrum reuse based on primary- secondaryarea networks [C]//DAC 2005. Anaheim: ACM Presscooperation [c]//DySPAN 2008. Chicago: IEEE Press2005:4094122008:15[2] Mitola J. 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