一種認(rèn)知mimo通信系統(tǒng)的兩級預(yù)編碼的設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明一種認(rèn)知MIMO通信系統(tǒng)的兩級預(yù)編碼的設(shè)計方法，涉及認(rèn)知MIMO通信系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明在認(rèn)知MIMO通信系統(tǒng)中，認(rèn)知用戶采用伺機接入方式使用主用戶的空間子信道，通過干擾對齊方法降低認(rèn)知用戶對主用戶產(chǎn)生的干擾；通過認(rèn)知用戶各發(fā)送端的預(yù)編碼設(shè)計實現(xiàn)干擾對齊。主用戶的傳輸性能靠其傳輸信道矩陣奇異值分解設(shè)計預(yù)編碼矩陣，并利用注水法實現(xiàn)其發(fā)送端功率分配；對認(rèn)知用戶的發(fā)送端進行兩級預(yù)編碼設(shè)計，第一級預(yù)編碼用于把認(rèn)知用戶對主用戶產(chǎn)生的干擾對齊到主用戶未用的空間子信道上，第二級預(yù)編碼用于提升認(rèn)知用戶的傳輸性能。采用兩級預(yù)編碼的設(shè)計方法在降低認(rèn)知用戶對主用戶干擾的情況下，同時保證了認(rèn)知用戶的傳輸性能。
【專利說明】—種認(rèn)知MIMO通信系統(tǒng)的兩級預(yù)編碼的設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及認(rèn)知MMO通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種認(rèn)知MMO通信系統(tǒng)中可兼顧認(rèn)知用戶傳輸性能和干擾對齊的兩級預(yù)編碼的設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，對無線頻譜資源的需求相應(yīng)增長，從而導(dǎo)致適用于無線通信的頻譜資源變得日益緊張，認(rèn)知無線電通過頻譜感知、根據(jù)射頻環(huán)境調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)等來實現(xiàn)動態(tài)頻譜接入和智能的頻譜分配來提高頻譜利用率；MIM0 (Multiple-1nput/Multiple-Output)系統(tǒng)被認(rèn)為是另一種提高頻譜利用率的技術(shù)。
[0003]MIMO系統(tǒng)將多徑無線信道與發(fā)射、接收視為一個整體進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)高的通信容量和頻譜利用率，其最大容量或容量上限隨最小天線數(shù)的增加而線性增加，MMO系統(tǒng)對于提高無線通信系統(tǒng)的容量具有極大的潛力。為了提高系統(tǒng)容量，下一代的無線寬帶移動通信系統(tǒng)將會采用MMO技術(shù)，即在基站端放置多個天線，在移動臺也放置多個天線，基站和移動臺之間形成MIMO通信鏈路。
[0004]認(rèn)知MMO通信系統(tǒng)，是將認(rèn)知無線電與MMO相結(jié)合，主用戶和認(rèn)知用戶共存，且均采用多輸入多輸出天線進行傳輸。但隨著網(wǎng)絡(luò)中用戶數(shù)和吞吐量需求的日益增大，用戶間的干擾總是制約著網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，因此尋求有效的干擾管理方法顯得尤為關(guān)鍵。信息論的學(xué)者們提出了干擾對齊，作為MMO技術(shù)的一種實現(xiàn)手段，可以有效地抑制或消除用戶間的干擾，實現(xiàn)多用戶的共存。
[0005]干擾對齊的基本思想就是通過發(fā)送信號的預(yù)處理矩陣，將多小區(qū)干擾信號對齊到一個限定的子空間內(nèi)，將更多剩余的無干擾空間用于數(shù)據(jù)傳輸；干擾對齊通過對發(fā)送端進行預(yù)編碼設(shè)計來實現(xiàn)。經(jīng)對現(xiàn)有干擾對齊技術(shù)，預(yù)編碼技術(shù)的專利、文獻檢索發(fā)現(xiàn)，《一種基于特征子信道的干擾對齊預(yù)編碼矩陣優(yōu)化方法》(申請?zhí)?201010231592.X，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué))，其特征是在干擾對齊的基礎(chǔ)上，利用本小區(qū)基站到本小區(qū)用戶的信道矩陣做奇異值分解，選最大的奇異值對應(yīng)的特征子信道為匹配的預(yù)編碼矢量來組成預(yù)編碼矩陣，使得信號經(jīng)由此特征子信道進行傳輸，來保證通信系統(tǒng)的傳輸性能，該申請專利中用來發(fā)送信號的是最大的奇異值對應(yīng)的特征子信道，而且考慮多用戶均等機會通信的場景下，根據(jù)此特征子信道來優(yōu)化預(yù)編碼矩陣。
[0006]又，《認(rèn)知無線MMO系統(tǒng)中基于零子空間技術(shù)的次級預(yù)編碼發(fā)送方法》(申請?zhí)?200810042032.2，上海無線通信研究中心)，是要求認(rèn)知用戶發(fā)射機感知主用戶的發(fā)送信號并估計相應(yīng)的協(xié)方差矩陣，將子空間技術(shù)用于該協(xié)方差矩陣，估計出相應(yīng)的噪聲子空間，從而得到零空間，并利用信息論準(zhǔn)則確定零空間的維數(shù)及空間子信道的使用狀況，用得到的零空間來設(shè)計認(rèn)知用戶發(fā)送端的預(yù)編碼矩陣，該傳輸方法消除了認(rèn)知用戶對主用戶的干擾，但是沒有考慮認(rèn)知用戶自身的傳輸信道以及自身的傳輸性能。
[0007]另據(jù)文獻Amir, M.，E1-Keyi, A.，Nafie, M.P:，Constrained InterferenceAlignment and the Spatial Degrees of Freedom of MIMO Cognitive Networks’ (IEEETrans.1nf.Theory, 2011，57，(5)，pp.2994-3004)中，研究了認(rèn)知用戶和主用戶共存信道的情況下，認(rèn)知用戶發(fā)送端受到外部約束條件限制情況下通過設(shè)計預(yù)編碼以降低對主用戶發(fā)送端的干擾，并研究了認(rèn)知MMO系統(tǒng)的空間自由度，此篇文獻僅就主用戶受到的干擾減少情況和認(rèn)知用戶達到的自由度進行了討論，沒有就主用戶和認(rèn)知用戶的傳輸性能進行討論。
[0008]從現(xiàn)有技術(shù)來看，對在認(rèn)知MIMO通信場景下實現(xiàn)干擾對齊的預(yù)編碼設(shè)計方法的研究仍有十分重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種認(rèn)知MMO通信系統(tǒng)中采用兩級預(yù)編碼的設(shè)計方法。認(rèn)知MMO通信系統(tǒng)中，認(rèn)知用戶采用伺機接入主用戶空間子信道的方式進行通信，傳輸過程中，認(rèn)知用戶對主用戶造成干擾，在主用戶和認(rèn)知用戶的接收端都能獲取完美的信道信息情況下，通過干擾對齊方法來降低認(rèn)知用戶對主用戶造成的干擾，干擾對齊通過主用戶以及認(rèn)知用戶各發(fā)送端的預(yù)編碼設(shè)計來實現(xiàn)；在本發(fā)明中，對認(rèn)知用戶發(fā)送端的預(yù)編碼的設(shè)計，除了考慮對齊認(rèn)知用戶對主用戶產(chǎn)生的干擾外，同時保證認(rèn)知用戶的傳輸性能，采用兩級預(yù)編碼的設(shè)計方法。
[0010]本發(fā)明假設(shè)主用戶和認(rèn)知用戶的信道狀態(tài)信息都是完全已知的。通過對主用戶發(fā)送端進行預(yù)編碼矩陣和后處理矩陣的設(shè)計來提升主用戶的傳輸性能，對認(rèn)知用戶各發(fā)送端進行預(yù)編碼矩陣的設(shè)計來將認(rèn)知用戶對主用戶的干擾對齊到主用戶未用的空間子信道上，同時保證認(rèn)知用戶自身的傳輸性能。
[0011]本發(fā)明除考慮減少認(rèn)知用戶對主用戶產(chǎn)生的干擾以外，還同時通過預(yù)編碼矩陣保證認(rèn)知用戶自身的傳輸速率。對主用戶及認(rèn)知用戶各發(fā)送端的預(yù)編碼設(shè)計，具體方法為:`[0012]a)設(shè)定通信場景中有一個主用戶，k個認(rèn)知用戶；主用戶和認(rèn)知用戶的發(fā)送端和接收端均采用多天線；
[0013]主用戶發(fā)送端和接收端天線數(shù)均設(shè)為M，認(rèn)知用戶發(fā)送端和接收端天線數(shù)均設(shè)為
N0
[0014]b)對主用戶的傳輸信道矩陣Htltl進行奇異值分解，得到主用戶的M個并行的空間子信道；并且/4二 UAoVoh'
[0015]其中，傳輸信道矩陣H。。的奇異值λ 17 λ 2，λ 3，......，λ Μ滿足λ P λ 2> λ 3...> λ Μ ;
對角陣貧(入入2，…，入M)是M行*M列的；
[0016]上標(biāo)H表示矩陣共軛轉(zhuǎn)置運算。
[0017]c)設(shè)定Htltl的右奇異矩陣的共軛轉(zhuǎn)置矩陣Vtl為主用戶發(fā)送端的預(yù)編碼矩陣。
[0018]d)設(shè)定Htltl的左奇異矩陣U0為主用戶接收端的后處理矩陣。
[0019]e)對主用戶發(fā)送端的M個空間子信道依據(jù)注水法進行功率分配，得到主用戶的M個并行的空間子信道的功率分配矩陣P，
[0020]P=diag (P1, P2,…，PM}為 M 行列的對角陣，
[0021]其中，$)1 ^--?^，0 2為噪聲功率，入1為傳輸!￡!￡矩陣!1(|(|奇異值分解后的第i個奇異值，β為注水算法中的拉格朗日乘子，函數(shù)(X)+=max(X，O)表示取實數(shù)X和O的最大值運算。
[0022]根據(jù)功率分配結(jié)果構(gòu)造對角陣Q, Q=diag {q^ q2,…，qM},


2
[0023]其中，
【權(quán)利要求】
1.一種認(rèn)知MIMO通信系統(tǒng)的兩級預(yù)編碼的設(shè)計方法，其特征在于，包括以下步驟: a)設(shè)定通信場景中有一個主用戶，k個認(rèn)知用戶； 主用戶和認(rèn)知用戶的發(fā)送端和接收端均采用多天線； 主用戶發(fā)送端和接收端天線數(shù)均設(shè)為M，認(rèn)知用戶發(fā)送端和接收端天線數(shù)均設(shè)為N ； b)對主用戶的傳輸信道矩陣Htltl進行奇異值分解，得到主用戶的M個并行的空間子信道，并且// - υΛ0ν0Η, 其中，傳輸信道矩陣Hcitl的奇異值λ i，λ 2，λ 3，......，λ Μ滿足λ P λ 2> λ 3...> λ Μ ;對角WA0=diag (A1, λ 2，...，λ Μ)是 M 行 *Μ 列的； 上標(biāo)H表示矩陣共軛轉(zhuǎn)置運算； c)設(shè)定Hcitl的右奇異矩陣的共軛轉(zhuǎn)置矩陣Vtl為主用戶發(fā)送端的預(yù)編碼矩陣； d)設(shè)定Hcitl的左奇異矩陣U0為主用戶接收端的后處理矩陣； e)對主用戶發(fā)送端的M個空間子信道依據(jù)注水法進行功率分配，得到主用戶的M個并行的空間子信道的功率分配矩陣P， P=diag (P1, p2,…，pM}為M行列的對角陣，


2 其中，P丨二、β-y i=l,…，Μ，σ 2為噪聲功率，λ i為傳輸信道矩陣Hc?奇異值分解
Λ，后的第i個奇異值，β為注水算法中的拉格朗日乘子，函數(shù)(X)+=maX(X，0)表示取實數(shù)X和O的最大值運算； 根據(jù)功率分配結(jié)果構(gòu)造對角陣Q，Q=diag {q” q2,…，qM}, 其中，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種認(rèn)知MIMO通信系統(tǒng)的兩級預(yù)編碼的設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟f)對認(rèn)知用戶發(fā)送端進行兩級預(yù)編碼矩陣的設(shè)計，包括如下步驟:Π)設(shè)計認(rèn)知用戶j，j=l,…，k，發(fā)送端的第一級預(yù)編碼矩陣V/，以保證認(rèn)知用戶j的信息傳輸過程中，認(rèn)知用戶j對主用戶產(chǎn)生的干擾對齊到步驟e)中主用戶未用空間子信道w，^vj=(Hjiy—%fu0Q， 其中，M行*N列矩陣Hcu，為認(rèn)知用戶j對主用戶的干擾信道矩陣，Utl為主用戶接收端的后處理矩陣，Q是步驟e)中構(gòu)造的對角陣，的偽逆矩陣； f2)設(shè)計認(rèn)知用戶j，j=l，一，k，發(fā)送端的第二級預(yù)編碼矩陣把認(rèn)知用戶j的傳輸信道矩陣Hjj進行奇異值分解，UHj尸LrAjVf,取的左奇異矩陣Uj為所設(shè)計的第二級預(yù)編碼矩陣；f3)設(shè)計認(rèn)知用戶j， j=l,…，k，發(fā)送端的預(yù)編碼矩陣為K'二 V;Ujo
【文檔編號】H04B7/04GK103780356SQ201410061223
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年2月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月21日
【發(fā)明者】李莉, 張慧杰, 周小平, 楊敬文 申請人:上海師范大學(xué)