CN108039900B - 一种基于子空间估计的预编码干扰消除方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于子空间估计的预编码干扰消除方法。首先用子空间估计法估计主用户对次用户的干扰信道信息;分解接收信号协方差矩阵得到干扰协方差矩阵和噪声协方差矩阵;把次用户发射的信号投影到对主用户干扰信道的垂直空间。把次用户发射信号投影到主用户结合均衡编码的信号的垂直空间,从而消除次用户对主用户的干扰。根据主用户与次用户之间信道矩阵特征值与噪声特征值之间的比值,估计出主用户离次用户距离的远近,从而进行功率控制。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种射频技术领域,具体地说是一种预编码干扰消除方法和功率控制方法。
背景技术
认知无线电(Cognitive Radio)技术通过从时间和空间上充分利用空闲的频谱资源,有效地提高频谱利用率,从而解决目前频谱资源紧张的问题。然而,当认知无线电用户(次用户)和授权用户(主用户)共存时,次用户产生的干扰必须限制在某个范围内,为减少次用户对主用户的干扰,认知无线电系统中的干扰消除技术一直都是研究的热点。
多天线技术与认知无线电技术结合能进一步提高频谱利用率。在多天线的发射端进行预编码,并将发射信号投影到主用户信号空间的垂直空间,不仅能消除次用户的子信道干扰,还能消除次用户对主用户的干扰。
然而,基于空间投影的预编码干扰消除技术在求主用户信号空间的垂直空间时并未考虑主网络收发端的预编码、均衡编码,这会对次用户造成容量损失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能消除次用户对主用户的干扰的基于子空间估计的预编码干扰消除方法。
本发明的目的是这样实现的:
k对次用户发射机、接收机与工作在时分双工模式下的主网络共存,并且使用相同的频段进行通信,主用户与次用户发送机和接收机都是多天线的,分别配置Mpb、Mpm、Mct、Mcr个天线,主网络与认知无线电系统之间的信道为块衰落信道,主网络的上行信道为Hpu,主用户的下行信道为Huk为主用户上行时主用户移动台对第k个次用户发射机的干扰信道,主用户下行时k个次用户发射机对主用户移动台的干扰信道为Hdk为主用户下行时对第k个次用户发射机的干扰信道,Hck为第k个次用户发射机与接收机之间的信道;
步骤一:首先用子空间估计法估计主用户对次用户的干扰信道信息,当主用户上行时,第k个次用户发射机接收到的信号为
ruk(i)=HukFpuxu(i)+n(i),
设在信道估计过程中接收到的字符总数Ls,该接收信号协方差矩阵估计表示为
步骤二:分解接收信号协方差矩阵得到干扰协方差矩阵和噪声协方差矩阵,
进一步分解成主用户对次用户的干扰信号的协方差矩阵和噪声协方差矩阵,特征值大的Kp=rank(Huk)个向量对应干扰信号的协方差矩阵,剩下的(Mp-Kp)个特征值对应噪声协方差矩阵,其中Huk是主用户上行时对第k个次用户发射机的干扰信道;rank(.)表示求秩;Mct表示次用户发射机上的天线数目;
步骤三:把次用户发射的信号投影到对主用户干扰信道的垂直空间,
在主用户下行时,主用户接收机接收到的干扰如下式:
对H⊥进行奇异值分解
次用户发射机预编码矩阵即为:
Fc=U⊥,
利用发射机预编码方法把次用户发射的信号投影到次用户对主用户的干扰的垂直空间上,次网络根据上行时估计的信息,在信道相干时间内,在主用户下行时通信;同理,次网络根据下行时估计的信息,在信道相干时间内,在主用户上行时通信。
本发明还可以包括功率控制,具体为:
根据干扰信号的特征值与噪声信道特征值的差距大小进行次用户发射功率控制,若干扰信道特征值与噪声信道差距小,则认为主用户离次用户远,次用户用大的功率发送信号;若干扰信道特征值与噪声信道差距大,则认为主用户离次用户近,次用户用小的功率发送信号。
本发明的主要特点包括:
本发明提供了一种子空间估计技术估计出次用户与主用户之间的信道信息,并提出一种预编码方法,把次用户发射信号投影到主用户结合均衡编码的信号的垂直空间,从而消除次用户对主用户的干扰。
此外,本发明还提出,根据主用户与次用户之间信道矩阵特征值与噪声特征值之间的比值,估计出主用户离次用户距离的远近,从而进行功率控制。
假设主网络工作在时分双工(Time Division Duplexing,TDD)模式,信道为块衰落信道。由于信道对称性,可认为上行信道与下行信道的衰落相同,主用户发射端预编码矩阵与接收端均衡矩阵在上行/下行信道时使用同一种信道分解方式。那么上行/下行时的预编码矩阵正好是下行/上行时的均衡矩阵的转置矩阵。
当主用户上行时,次用户发射机接收到的是主用户经过预编码后的信号,对接收到的信号矩阵进行奇异值分解,可得到主用户对次用户的干扰信号的协方差矩阵和噪声协方差矩阵。特征值较大的Kp=rank(Huk)个向量对应干扰信号的协方差矩阵,剩下的(Mct-Kp)个特征值对应噪声协方差矩阵。其中,Huk是主用户上行时对第k个次用户发射机的干扰信道;rank(.)表示求秩;Mct表示次用户发射机上的天线数目。
根据主用户与次用户间干扰信道的对称性,上行估计的主用户信号协方差矩阵的转置正好是下行时结合均衡矩阵的等效矩阵,将次用户信道矩阵投影到该矩阵的垂直空间,再对其进行奇异值分解,即可得到次用户发射端的预编码矩阵。
上述处理实际上将次用户发射信号投影到次用户与主用户之间的信道的垂直空间,进而避免了次用户对主用户的干扰。
利用发射机预编码方法可把次用户发射的信号投影到主用户的干扰空间的垂直空间上,次网络可根据上行时估计的信息,在信道相干时间内,在主用户下行时通信;同理,次网络可根据下行时估计的信息,在信道相干时间内,在主用户上行时通信(如图2)。
此外,在进行信道估计时,可由干扰信号的特征值与噪声信道特征值的差距估计主用户离次用户的远近,若干扰信道特征值与噪声信道差距较小,则认为主用户离次用户较远,次用户可用较大的功率发送信号;若干扰信道特征值与噪声信道差距较大,则认为主用户离次用户较近,次用户可用较小的功率发送信号。
附图说明
图1为本发明实施例的主用户、次用户MIMO系统示例图。
图2为本发明实施例的次用户发射机估计、发送时隙示例图。
图3为本发明实施例的实施流程图。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
Ⅰ.子空间估计与预编码
参见图1,k对次用户发射机、接收机与工作在时分双工模式下的主网络共存,并且使用相同的频段进行通信。主用户与次用户发送机和接收机都是多天线的,分别配置Mpb、Mpm、Mct、Mcr个天线。主网络与认知无线电系统之间的信道为块衰落信道。如图1,主网络的上行信道为Hpu,根据信道对称性,主用户的下行信道为Huk为主用户上行时主用户移动台对第k个次用户发射机的干扰信道,根据信道对称性,主用户下行时k个次用户发射机对主用户移动台的干扰信道为Hdk为主用户下行时对第k个次用户发射机的干扰信道。Hck为第k个次用户发射机与接收机之间的信道。
为了消除子信道干扰、多用户干扰,主用户根据信道信息,在发射端进行预编码处理,在接收端进行均衡处理,并且上行和下行的编码方式相同。假设上行时的主网络移动台的预编码矩阵为Fpu,主网络基站的均衡矩阵为Wpu。利用信道对称性,下行时主网络基站的预编码矩阵则为上行均衡矩阵的转置即:Wpu T;同理,下行时主网络移动台的均衡矩阵为上行预编码矩阵的转置即:Fpu T
本发明实施例的实施流程如图3所示,S1:首先用子空间估计法估计主用户对次用户的干扰信道信息。当主用户上行时,如图2,第k个次用户发射机接收到的信号为
ruk(i)=HukFpuxu(i)+n(i) (1)
假设在信道估计过程中接收到的字符总数Ls,该接收信号协方差矩阵可估计表示为
S2:分解接收信号协方差矩阵得到干扰协方差矩阵和噪声协方差矩阵。第二个等式是的奇异值分解,其中是特征值从大到小排列的对角阵,是酉矩阵。可以进一步分解成主用户对次用户的干扰信号的协方差矩阵和噪声协方差矩阵。特征值较大的Kp=rank(Huk)个向量对应干扰信号的协方差矩阵,剩下的(Mp-Kp)个特征值对应噪声协方差矩阵。其中Huk是主用户上行时对第k个次用户发射机的干扰信道;rank(.)表示求秩;Mct表示次用户发射机上的天线数目。
为了消除次用户对主用户的干扰,S3:可以把次用户发射的信号投影到对主用户干扰信道的垂直空间。在主用户下行时,主用户接收机接收到的干扰如下式:
其中Fc为次用户发射端预编码矩阵;为上行时主网络基站的均衡编码;s为次用户发射信号向量。如前文所示,在上行估计时,已对HukFpu所在空间进行了估计。因此,把次用户信道Hck投影到次用户对主用户的干扰信道的垂直空间为
对H⊥进行奇异值分解
次用户发射机预编码矩阵即为:.
Fc=U⊥ (6)
利用发射机预编码方法可把次用户发射的信号投影到次用户对主用户的干扰的垂直空间上,次网络可根据上行时估计的信息,在信道相干时间内,在主用户下行时通信;同理,次网络可根据下行时估计的信息,在信道相干时间内,在主用户上行时通信(如图2)。
Ⅱ.功率控制
在进行信道估计时,可由干扰信号的特征值与噪声信道特征值的差距估计主用户离次用户的远近。S4:根据干扰信号的特征值与噪声信道特征值的差距大小进行次用户发射功率控制。若干扰信道特征值与噪声信道差距较小,则认为主用户离次用户较远,次用户可用较大的功率发送信号;若干扰信道特征值与噪声信道差距较大,则认为主用户离次用户较近,次用户可用较小的功率发送信号。
Claims (2)
1.一种基于子空间估计的预编码干扰消除方法,其特征是:k对次用户发射机、接收机与工作在时分双工模式下的主网络共存,并且使用相同的频段进行通信,主用户与次用户发送机和接收机都是多天线的,分别配置Mpb、Mpm、Mct、Mcr个天线,主网络与认知无线电系统之间的信道为块衰落信道,主网络的上行信道为Hpu,主用户的下行信道为Huk为主用户上行时主用户移动台对第k个次用户发射机的干扰信道,主用户下行时k个次用户发射机对主用户移动台的干扰信道为Hdk为主用户下行时对第k个次用户发射机的干扰信道,Hck为第k个次用户发射机与接收机之间的信道;
步骤一:首先用子空间估计法估计主用户对次用户的干扰信道信息,当主用户上行时,第k个次用户发射机接收到的信号为
ruk(i)=HukFpuxu(i)+n(i),
设在信道估计过程中接收到的字符总数Ls,该接收信号协方差矩阵估计表示为
步骤二:分解接收信号协方差矩阵得到干扰协方差矩阵和噪声协方差矩阵,
进一步分解成主用户对次用户的干扰信号的协方差矩阵和噪声协方差矩阵,特征值大的Kp=rank(Huk)个向量对应干扰信号的协方差矩阵,剩下的(c-Kp)个特征值对应噪声协方差矩阵,其中Huk是主用户上行时对第k个次用户发射机的干扰信道;rank(.)表示求秩;Mct表示次用户发射机上的天线数目;
步骤三:把次用户发射的信号投影到对主用户干扰信道的垂直空间,
在主用户下行时,主用户接收机接收到的干扰如下式:
对H⊥进行奇异值分解
次用户发射机预编码矩阵即为:
Fc=U⊥,
利用发射机预编码方法把次用户发射的信号投影到次用户对主用户的干扰的垂直空间上,次网络根据上行时估计的信息,在信道相干时间内,在主用户下行时通信;同理,次网络根据下行时估计的信息,在信道相干时间内,在主用户上行时通信。
2.根据权利要求1所述的基于子空间估计的预编码干扰消除方法,其特征是包括功率控制,具体为:根据干扰信号的特征值与噪声信道特征值的差距大小进行次用户发射功率控制,若干扰信道特征值与噪声信道差距小,则认为主用户离次用户远,次用户用大的功率发送信号;若干扰信道特征值与噪声信道差距大,则认为主用户离次用户近,次用户用小的功率发送信号。
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