CN101720093A - 一种基于正交矩阵的认知无线电频谱共享方法 - Google Patents

Abstract

一种基于正交矩阵的认知无线电频谱共享方法，首先根据接收端反馈到发射端的信道信息，利用与干扰信道的正交性来获取发射端预处理正交矩阵，然后用该预处理正交矩阵与发射端信号矩阵相乘来对发射前信号进行预处理，利用干扰信道与预处正交理矩阵之间的正交性消除授权主用户和非授权认知用户之间的相互干扰，实现了认知系统中不同用户之间相互零干扰，并有效地发送和接收数据。授权主用户与非授权认知用户平等地共享频谱资源，从而可以提高无线频谱资源的利用率，缓解当前及未来无线通信频谱资源日益紧缺的矛盾。

Description

一种基于正交矩阵的认知无线电频谱共享方法

技术领域

本发明涉及无线通信系统中的认知无线电技术，特别是一种基于正交矩阵的认知无线电频谱共享方法，属于信息与通信工程技术领域。

背景技术

随着当前各种无线通信业务需求的持续增长，导致无线通信系统对频谱资源的需求不断增加，从而使得无线频谱资源变得越来越稀缺。然而，频谱测量研究表明，授权频谱的使用率却非常低，导致授权频谱空穴浪费严重。其原因在于：静态的频谱分配体制与动态的频谱利用方式之间不匹配，造成无线频谱规划紧张，且利用效率低下。为了开发频谱资源共享的无线通信系统，从系统级的角度提高频谱资源的利用效率，认知无线电作为一项新兴技术应运而生。

认知无线电也称为感知无线电，它可在不影响授权主用户通信的前提下，智能地利用大量空闲频谱以满足非授权认知用户的可靠通信，从而实现频谱资源共享，提高无线频谱资源的利用率。认知无线网络可以根据网络架构、无线资源、系统设定等，对感知到的频谱空洞进行最佳利用，以最大限度地提高认知网络的数据吞吐能力。

认知无线电技术发展至今，对于系统中非授权认知用户对授权主用户信息的干扰消除问题，学者们已经做了大量研究，提出了许多优化方案。但在现有的这些方案中，最优传输方案均基于“脏纸编码”策略，即在非授权认知用户信息传输中预消除对授权主用户接收机的已知干扰。然而，在这些最优策略的假设条件中包括很多不实际的因素，如：假设非授权认知用户预知全部或部分授权主用户的信息；发射机事先精确获取所有信道状态信息等。先不考虑非授权认知用户的认知能力，单纯这些假设条件在实现上就将会非常复杂，因为非授权认知用户需要解码授权主用户的传输信息或假设无线信道是准静态信道并需要非授权认知用户时时跟踪所有信道状态。此外，现有基于预处理的方法只能消除非授权认知用户对授权主用户的人干扰，而非授权认知用户本事收到授权主用户的严重干扰，导致非授权认知用户性能不佳。因此，现有频谱共享方案难以实用化。

所有存在的这些问题，这促使我们在当前技术可以满足的条件假设下探索更具有实用价值的认知无线电频谱共享方案。

发明内容

本发明目的是克服现有频谱共享技术的不足，提出一种更接近于实际应用模型的无线传输方案，即一种基于正交矩阵的认知无线电频谱共享方法，根据接收端反馈回来的信道信息，获得干扰信道的正交矩阵，然后用该正交矩阵对发射端信号进行预处理，从而消除发射机对其他用户的干扰。从而实现系统中不同用户之间零干扰，并有效地发送和接收数据。

本发明的上述目的是这样实现的：一种基于正交矩阵的认知无线电频谱共享方法，其特征是首先根据接收端反馈到发射端的信道信息，利用与干扰信道的正交性来获取发射端预处理正交矩阵，然后用该预处理正交矩阵与发射端信号矩阵相乘来对发射前信号进行预处理，利用干扰信道与预处理正交矩阵之间的正交性消除授权主用户和非授权认知用户之间的相互干扰，实现了认知系统中不同用户之间相互零干扰，并有效地发送和接收数据。

上述方法可按以下步骤进行：

(1)首先获取非目的传输用户接收端反馈回来的干扰信道信息H，这在时分双工系统中是非常容易实现的。

(2)获取授权主用户和非授权认知用户各自所需的发射端预处理正交矩阵，利用干扰信道与预处理正交矩阵的正交性，取干扰信道矩阵零空间内的一组基向量构成预处理正交矩阵，即根据下式

分别求出授权主用户和非授权认知用户的预处理正交矩阵

H₍₂₁₎U₂s₂＝0

H₍₁₂₎U₁s₁＝0

(3)通过预处理正交矩阵分别对授权主用户和非授权认知用户进行相关预处理，即在信号发射之前用预处理正交矩阵乘以发射信号矩阵，这样发射进入信道后可利用正交性消除干扰信道分量，在接收端分别得到如下信号：

y₁＝H₍₁₁₎U₁s₁+n₁

y₂＝H₍₂₂₎U₂s₂+n₂

依据上述基于正交矩阵的认知无线电频谱共享方法的频谱共享装置，授权主用户与非授权认知用户包括以下模块并依次连接：

发射端：在WiMAX，802.11a/g，LTE，DVB等以OFDM为调制方式的无线通信系统中，用户数据比特进入符号编码模块，数字调制模块，插入导频模块，串并模块，快速傅立叶逆变换模块，正交矩阵预处理模块，并串模块，插入循环前缀及架窗模块，正交矩阵预处理模块，数模转换模块，射频发射模块后连接天线；

接收端：在WiMAX，802.11a/g，LTE，DVB等以OFDM为调制方式的无线通信系统中，接收天线信号进入射频接收模块，数模转换模块，定时与频谱同步模块，去循环前缀模块，串并模块，快速傅立叶变换模块，并串模块，插入导频模块，数字解调模块，符号解码模块后生成接收数据序列。

与现有技术相比，本发明方法具有如下优点和显著效果：

(1)不同于传统的频谱共享方法，在认知系统中，本方既消除了非授权认知用户对授权主用户的干扰，同时也消除了授权主用户对非授权认知用户的干扰，真正实现了认知系统中各用户的平等地共享频谱资源。

(2)该方法具有普遍适用性，不受限于信号调制方式等无线通信系统的具体参数，广泛适用于诸如CDMA，OFDM，MIMO等无线通信系统。

(3)预处理正交矩阵生成方法简洁高效，复杂度低。并可以根据系统调制方式的不同来选择合适的预处理正交矩阵。

(4)可根据系统状态通过调整预处理正交矩阵的秩来动态调整系统中不同用户的传输速率，从而使频谱共享方案更加智能化。

附图说明

图1是本发明方法的系统模型；

图2是本发明方法结合OFDM调制方式的系统框图；

图3是基于正交矩阵的认知无线电频谱共享方案中授权主用户平均速率随不同信噪比的变化趋势：

图4是基于正交矩阵的认知无线电频谱共享方案中授权主用户平均速率随不同的干扰信道参数σ₂₁的变化趋势；

图5是基于正交矩阵的认知无线电频谱共享方案中非授权认知用户平均平均速率随不同信噪比的变化趋势；

图6是基于正交矩阵的认知无线电频谱共享方案中非授权认知用户平均速率随不同的干扰信道参数σ₁₂的变化趋势。

具体实施方式

本发明方法的基本思路是：首先获取非目的传输用户接收端反馈回来的干扰信道信息H。然后采用本发明给出的方法获得所需正交矩阵，即

再利用矩阵正交性消除用户之间的干扰，从而实现认知系统中不同用户共享频谱的目的。该方法提高了无线频谱资源的利用率，一定程度上缓解了当前及未来无线频谱资源日益紧缺的矛盾。

本发明系统模型如图1所示，该图描述的是在频率选择性衰落信道下的2×2认知无线电系统模型。图中，授权主用户发射机使用授权频带与授权主用户接收机进行通信，同时非授权认知用户发射机可以机会地使用该频带与相应的非授权认知用户接收机发送信息。当两发射机不共享相互信息，且两发射机之间没有相互协作时，不同用户之间是相互未知的。因此，非授权认知用户发射机未知授权主用户发射机的先验信息，反之亦然。令H_(ij)表示从发射机i到接收机j之间(m+1)径衰落的信道系数，假设H_(ij)元素(每条径)服从独立同分布循环对称复高斯分布N_c(0，σ_ij/(m+1))，而且对于任意i，j，信道均为独立同分布的。接收端收到的信号可以分别表示为

y₁＝H₍₁₁₎x₁+H₍₂₁₎x₂+n₁

y₂＝H₍₂₂₎x₂+H₍₁₂₎x₁+n₂

这里H_(ij)是N×(N+m)信道矩阵。x_k用户k的N+m维传输向量，满足下列功率控制条件

$\mathrm{tr}\left(E\right[x_k{x}_k^H\left]\right)\≤(N+m)W_k$

对于授权主用户，我们定义传输向量为x₁＝U₁s₁，这里U₁是预处理正交矩阵，s₁是所传输信息。对于非授权认知用户我们采用类似的预处理正交矩阵U₂，即x₂＝U₂s₂。我们的目标就是设计出合适的U₁和U₂，使用户之间产生零干扰，即满足正交条件

H₍₂₁₎U₂s₂＝0

H₍₁₂₎U₁s₁＝0

这样的矩阵可以统一表示为

这里A是任意矩阵，

表示矩阵广义逆。实际上满足上式条件的矩阵有无穷多个，他们可以由信道矩阵H的零空间的任意一组基构成，并且这些基向量构成的矩阵是等价的。我们可以通过很多方法获取基向量，如施密特正交方法，正交多项式方法等。通过正交矩阵进行相关与处理得到如下并行无干扰信道

y₁＝H₍₁₁₎U₁s₁+n₁

y₂＝H₍₂₂₎U₂s₂+n₂

从上式我们可以清楚地看到，基于正交矩阵的频谱共享方法将频率选择性信道转化为零干扰信道，非授权认知用户不对授权主用户产生干扰，授权主用户也不对非授权认知用户产生干扰，从而实现多用户共享频谱。

基于正交矩阵的频谱共享方法具有普遍适用性，系统不受调制方式等具体系统参数的影响。考虑到在WiMAX，802.11a/g，LTE，DVB等未来无线通信中广泛采OFDM调制方式，本发明就在OFDM系统中分析基于正交矩阵的认知无线电频谱共享方法的性能，其发射和接收端的系统框图如图2所示。该图描述了基于正交矩阵的频谱共享系统是在传统OFDM系统信号发射之前增加了预处理正交矩阵模块，然后预处理后的信号经数模转换模块和射频发送模块进入发射天线。系统中循环前缀长度为L，信息符号分组长度为N，该比值将直接影响预处理正交矩阵的设计及新方法的性能。在实际IEEE 802.11a无线局域网标准物理层OFDM系统中，通常取值为N＝64，L＝16。采用基于正交矩阵的频谱共享方法，经过正交矩阵预处理后，每个用户的速率可以表示为

$R_k=\underset{\left\{w_{k,n}\right\}}{\max }\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\log (1+w_{k,n}{\left|H_n^{\left(\mathrm{kk}\right)}\right|}^2)$

采用经典的注水法功率分配可获得最大速率

$w_{k,n}={[{\mathrm{\μ}}_k-\frac{1}{{\left|H_n^{\left(\mathrm{kk}\right)}\right|}^2}]}_{+}$

这里μ_k是拉格朗日乘子满足

图3描述了基于正交矩阵的认知无线点频谱共享方法并采用OFDM调制的认知无线系统中，授权主用户在不同信噪比下经注水法功率分配所能达到的平均速率。仿真中采用σ₁₁＝σ₂₂＝1，σ₂₁＝1.0，0.1，0.01，0等不同值，对应于图中(1)(2)(3)(4)四条曲线，其中σ₂₁＝0对应着特殊的零干扰情形。图中给出了基于正交矩阵的认知无线电频谱共享方法结合注水法功率分配算法时授权主用户所能达到的平均速率。从图中可以清楚地看到，授权主用户的平均速率曲线在σ₂₁＝1.0，0.1，0.01，0等不同值时，(1)(2)(3)(4)四条曲线基本重合。这意味着授权主用户不受非授权认知用户的干扰，可以忽视非授权认知用户的存在。图4可以更好地说明这一点，在相同信噪比下，图4中的性能曲线(1)和(2)分布表示SNR＝25dB和SNR＝15dB情况，曲线(1)和(2)在不同的σ₂₁下基本是保持水平的，即授权主用户不受非授权认知用户的影响。

很明显，该结论对于非授权认知用户同样成立。图5描述了基于正交矩阵的认知无线电频谱共享方法并采用OFDM调制的认知无线系统中，非授权认知用户在不同信噪比下经注水法功率分配所能达到的平均速率。仿真中采用σ₁₁＝σ₂₂＝1，σ₁₂＝1.0，0.1，0.01，0等不同值，对应于图中(1)(2)(3)(4)四条曲线，其中σ₂₁＝0对应着特殊的零干扰情形。从图中可以清楚地看出，非授权认知用户的速率性能曲线在不同的σ₁₂下也是基本重合的，完全不受授权主用户干扰信道σ₁₂＝1.0，0.1，0.01，0等不同值的影响。从图6中可以更清楚地看出，在相同信噪比下，图6中的性能曲线(1)和(2)分布表示SNR＝20dB和SNR＝10dB情况，曲线(1)和(2)在不同的σ₁₂下基本是保持水平的，即非授权认知用户同样不受授权主用户的影响。

上述分析我们可以清楚地看到，采用本发明基于正交矩阵的认知无线电频谱共享方法，充分利用无线通信系统中，由于信道的频率选择性衰落而导致不同用户之间的信道不相关性，在发射端利用正交矩阵进行预处理，通过合理设计预处理正交矩阵，理论推导及系统仿真均表明，可以成功地消除认知系统中授权主用户与非授权认知用户之间的相互干扰，实现授权主用户与非授权认知用户平等地共享无线频谱资源，达到了多用户共享频谱的目的，从而可以提高无线频谱资源的利用率，一定程度上缓解当前及未来无线频谱资源日益紧缺的矛盾。

Claims (3)

1.一种基于正交矩阵的认知无线电频谱共享方法，其特征是首先根据接收端反馈到发射端的信道信息，利用与干扰信道的正交性来获取发射端预处理正交矩阵，然后用该预处理正交矩阵与发射端信号矩阵相乘来对发射前信号进行预处理，利用干扰信道与预处理正交矩阵之间的正交性消除授权主用户和非授权认知用户之间的相互干扰，实现了认知系统中不同用户之间相互零干扰，并有效地发送和接收数据。

2.根据权利要求1所述基于正交矩阵的认知无线电频谱共享方法，其特征是包括以下步骤：

(1)首先获取非目的传输用户接收端反馈回来的干扰信道信息H；

(2)获取授权主用户和非授权认知用户各自所需的发射端预处理正交矩阵，利用干扰信道与预处理正交矩阵的正交性，取干扰信道矩阵零空间内的一组基向量构成预处理正交矩阵，即根据下式

分别求出授权主用户和非授权认知用户的预处理正交矩阵

H₍₂₁₎U₂s₂＝0

H₍₁₂₎U₁s₁＝0

(3)通过预处理正交矩阵分别对授权主用户和非授权认知用户进行相关预处理，即在信号发射之前用预处理正交矩阵乘以发射信号矩阵，这样发射进入信道后可利用正交性消除干扰信道分量，在接收端分别得到如下信号：

y₁＝H₍₁₁₎U₁s₁+n₁

y₂＝H₍₂₂₎U₂s₂+n₂

3.根据权利要求1所述基于正交矩阵的认知无线电频谱共享方法，其特征是授权主用户与非授权认知用户包括以下模块并依次连接：

发射端：在包括WiMAX，802.11a/g，LTE，DVB以OFDM为调制方式的无线通信系统中，用户数据比特进入符号编码模块，数字调制模块，插入导频模块，串并模块，快速傅立叶逆变换模块，正交矩阵预处理模块，并串模块，插入循环前缀及架窗模块，正交矩阵预处理模块，数模转换模块，射频发射模块后连接天线；

接收端：在包括WiMAX，802.11a/g，LTE，DVB以OFDM为调制方式的无线通信系统中，接收天线信号进入射频接收模块，数模转换模块，定时与频谱同步模块，去循环前缀模块，串并模块，快速傅立叶变换模块，并串模块，插入导频模块，数字解调模块，符号解码模块后生成接收数据序列。

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