CN107257253B - 基于天线选择和天线变长编码的干扰消除方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种基于天线选择和天线变长编码的干扰消除方法。对次用户发送端和主用户接收端之间的信道进行估计，获得次用户对主用户干扰信道信息；根据主用户的干扰要求和次用户的信息速率要求选择天线并进行编码；根据主用户的干扰要求和次用户的信息速率要求结合干扰信道信息选出合适的天线数目N；在选出的N根天线上进行空间调制；以基本信息码元[0 1]为基础，其中一个信息码元末尾加0和加1代替原信息码元，生成比原映射方案多一个信息码元的编码方案；如此几次，最终生成含N个信息码元的编码方案。本发明消除了空间调制对发端天线数目的限制，在提高次用户数据传输速率的同时，还能在一定程度上降低次用户对主用户的干扰。

Description

基于天线选择和天线变长编码的干扰消除方法
技术领域
本发明涉及的是一种空间调制、天线选择和信道估计方法。
背景技术
认知无线电网络与主网络共存的条件是：认知网(次网络)对主网络的干扰必须控制在一定范围内，因此，控制并降低次用户对主用户的干扰具有极其重要的现实意义。空间调制是一种新型的MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,多输入多输出)技术。该技术不仅能发挥多天线系统相比单天线系统传输速率、频谱利用率高的优势，而且避免了多输入多输出系统的子信道间干扰、天线同步和接收天线数目限制等问题，但传统空间调制对发射天线数目有限制，要求为2n个，不利于发射天线的充分利用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能消除空间调制对发端天线数目的限制，在提高次用户数据传输速率的同时还能降低次用户对主用户的干扰的基于天线选择和天线变长编码的干扰消除方法。
本发明的目的是这样实现的：
(1)对次用户发送端和主用户接收端之间的信道进行估计，获得次用户对主用户干扰信道信息；
(2)根据主用户的干扰要求和次用户的信息速率要求选择天线并进行编码；具体包括：根据主用户的干扰要求和次用户的信息速率要求结合干扰信道信息选出合适的天线数目N；在选出的N根天线上进行空间调制；
设次用户天线个数为N，以基本信息码元[0 1]为基础，其中一个信息码元末尾加0和加1代替原信息码元，生成比原映射方案多一个信息码元的编码方案；下一个信息码元也依此操作，如此几次，最终生成含N个信息码元的编码方案；
根据主用户对次用户的干扰限制、次用户信息速率要求，在满足干扰限制条件下选择信息量最大的方案；满足次用户传输速率条件下选择天线数目最小、干扰最小的方案。
本发明提供了一种基于空间调制、天线选择和天线变长编码技术的干扰消除方法。通过对传统空间调制的改良，消除了空间调制对发端天线数目的限制，在提高次用户数据传输速率的同时，还能在一定程度上降低次用户对主用户的干扰。
本发明的方法的特点包括：
对次用户发送端和主用户接收端之间的信道进行估计，获得次用户对主用户干扰信道信息；
根据主用户的干扰要求和次用户的信息速率要求选择合适天线并进行编码,具体包括：根据主用户的干扰要求和次用户的信息速率要求结合干扰信道信息选出合适的天线数目N。在选出的N根天线上进行空间调制。由于空间调制的天线序号信息与信号调制信息独立，本发明只考虑天线序号和天线对应信息的关系。
假设次用户天线个数为N，以基本信息码元[01]为基础，其中一个信息码元末尾加0和加1代替原信息码元，生成比原映射方案多一个信息码元的编码方案。下一个信息码元也如法炮制，如此几次，最终生成含N个信息码元的编码方案。由于生成编码方案中各码元的码长不固定，因此，我们称本发明提出的方案为基于天线选择和天线变长编码的干扰消除方案。
由于生成的编码方案有很多，本发明针对块衰落信道中，根据主用户对次用户的干扰限制、次用户信息速率要求提出了变长码方案选择方法。满足干扰限制条件下，选择信息量最大的方案。满足次用户传输速率条件下，选择天线数目最小、干扰最小的方案。
附图说明
图1为时分双工下的主用户和次用户。
图2为主、次网络工作的时隙图。
图3a为天线变长编码示例图(N＝7)；图3b天线变长编码示例图(q0＝q1＝1/2，n＝7)。
图4a天线数目与平均干扰的关系；图4b天线数目与平均信息量的关系。系统设置：主用户收端到次用户发端的距离d＝30m，主用户天线数目ap＝1，主用户发端与次用户收端之间的信道H′＝(h。，h。，…hN-1)，路径损耗指数β＝3，信源发生0的概率q0＝0.5，发生1的概率q1＝0.5。
具体实施方式
本发明提出了基于信道估计技术、天线选择技术和天线变长编码空间调制技术的干扰消除方案，可降低次用户对主用户的干扰、提高次用户天线利用率、消除空间调制对发送端的天线限制。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步详细描述。
假设主网络工作在时分双工(Time Division Duplexing,TDD)模式下，主系统与认知无线电系统之间的信道为块衰落信道。如图1，G＝(g0,g1,…,gn-1)为主用户移动台与次用户发端的信道。H＝(h0,h1,...,hn-1)为次用户与收端(次用户安装单天线为例)的信道，认知无线电系统发射端天线数目为n。
在主网络上行时，次用户发送端对G＝(g0，g1，…，gn-1)进行监听(如图2)。根据次用户和主用户的协作程度可选择使用不同的信道估计方法。使用训练序列/导频信号的非盲信道估计方法占用大量资源，并且要求收发端配合。而盲估计只根据接收到的信息估计信道特性，但算法复杂。也可以平衡两种方法的优缺点，使用较少导频的半盲估计方法。
根据估计信道G＝(g0，g1，…，gn-1)特性，由信道对称性可知，次用户发端与主用户移动台的信道为G的转置，即H＝GH，按信道干扰大小对次用户天线进行排序，再按照主用户对干扰的忍受按序号选出若干干扰最小的次用户天线。假设选出的天线数目为N，H'＝(h0,h1,…hN-1)。
根据选出的天线数目N生成相应的天线变长编码方案。以N＝7的其中一种方案为例，如图3a。以基本信息样本[01]为基础，其中一个信息样本末尾加0和加1代替原信息样本，生成3个信息样本。再从中选一个信息样本末尾加0和加1，生成4个信息样本。重复几次，最终生成7个信息样本的映射方案。映射方案根据使用天线概率从大到小排序，天线序号根据每根天线对主用户的干扰从小到大排序，使对主用户干扰小的天线使用的概率最大。
根据映射方案，天线序号为i对应的信息码长为mi，信源发生“1”的概率为q1、发生“0”的概率为q0，信息样本中含“0”的个数为ai，天线使用概率pi(i＝1,2,3,…,N)在不考虑信号调制的情况下，平均每根天线映射的信息/平均每根天线携带的信息量为information、次用户对主用户的干扰期望值为interference。它们之间满足以下条件：
Figure BDA0001295817700000031
Figure BDA0001295817700000032
Figure BDA0001295817700000033
这里以q0＝q1＝1/2，N＝7为例，表1列出可选天线数目为7,实选数目为7时的所有变长码方案(概率结构相同的方案视为同种方案)，并给出了对应的干扰值、信息量的期望值。由表1可知，变长码的编码方案可随着主用户对次用户的干扰要求和次用户的信息速率要求灵活的选择编码方案。
图4a-b给出了在天线数目一定情况下，传统空间调制与变长码在信息量和干扰的比较。虚线线是传统空间调制，带“·”线和带“│”线分别是变长码方案对应信息量最大和最小的方案。由图可知，变长码较传统空间调制在信息速率和干扰的控制上自由度更大，随着可选天线数目的增加，这种现象更明显。变长码方案通过增加使用天线数目来增加信息量的同时，不可避免的增加了干扰。在天线数目相同的情况下，其余的变长码方案的平均信息量和干扰值都在绿线和蓝线之间。相较于传统空间调制，变长码编码能更灵活的选择天线数目，在干扰敏感条件下，可选择适当的方案降低干扰，在干扰不敏感的条件下，可选择适当方案提高信息速率。
图4a-b中，带“·”线方案尽可能的使每根天线的使用概率相当，因此获得了N一定时的最大信息速率，然而，也带来了最大的干扰。带“│”线方案则相反，尽可能的是干扰大的天线使用概率最小，获得了最小的干扰，同时也是N一定时信息量最小的方案。变长码生成的方案众多，显然，带“│”线方案都不是最佳选择。为了更好的使用变长编码方案，现提出两种方案选择方法。
1、已知主用户对次用户的干扰忍受度Ith，当天线排序时，只选择干扰小于Ith的天线，假设为n。
此时应选择信息量最大的生成方案。以q0＝q1＝1/2，n＝7为例，如图3b。此时传统的空间调制只能使用4根天线，信息量为2，而变长编码是信息为2.75。
2、已知次用户的信息速率要求时，选择合适的方案使次用户对主用户的干扰最小。为降低收发端系统的复杂度同时避免大干扰值的出现，我们选择尽可能小的天线数目。
例如，次用户信息速率要求为2.6，log26＜2.6＜log27则选择7根天线为最佳。
又因为
Figure BDA0001295817700000041
所以在传统的空间调制方案中选择3个码元生成新方案，如图3b。
对应表1的第8种方案。此时，变长码所产生的干扰为4.233。传统空间调制必须使用8天线才能满足速率要求，且干扰为8.248。
表1天线选择方案与对应的信息量、干扰
Figure BDA0001295817700000042
Figure BDA0001295817700000051
Figure BDA0001295817700000061
表1系统设置：主用户收端到次用户发端的距离d＝30m，主用户天线数目ap＝1，主用户发端与次用户收端之间的信道H′＝(h0，h1，…hN-1)，路径损耗指数β＝3，q0＝q1＝0.5。

Claims (1)

1.一种基于天线选择和天线变长编码的干扰消除方法，其特征是：
(1)对次用户发送端和主用户接收端之间的信道进行估计，获得次用户对主用户干扰信道信息；
(2)根据主用户的干扰要求和次用户的信息速率要求选择天线并进行编码；具体包括：根据主用户的干扰要求和次用户的信息速率要求结合干扰信道信息选出干扰最小的次用户天线数目N；在选出的N根天线上进行空间调制；
根据次用户天线个数N，以基本信息码元[0 1]为基础，其中一个信息码元末尾加0和加1代替原信息码元，生成比原信息码元多一个信息码元的编码方案；下一个信息码元也依此操作，如此几次，最终生成含N个信息码元的编码方案；
根据主用户对次用户的干扰限制、次用户信息速率要求，在满足干扰限制条件下选择信息量最大的方案；满足次用户传输速率条件下选择天线数目最小、干扰最小的方案。
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