Mimo認(rèn)知無線電干擾網(wǎng)絡(luò)中基于信道學(xué)習(xí)的頻譜共享方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及無線電技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種MIM0認(rèn)知無線電干擾網(wǎng)絡(luò)中基于信 道學(xué)習(xí)的頻譜共享方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是手機(jī)終端的普及與智能化，對無線頻譜的 需求量與日劇增。而傳統(tǒng)的頻譜分配策略未考慮用戶業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)性，頻譜利用率低下，導(dǎo)致 頻譜供需矛盾加劇。認(rèn)知無線電技術(shù)通過對已分配頻譜的"二次利用"，為緩解緊張的頻譜 供需矛盾開辟了一條新的途徑，成為當(dāng)前最熱口的無線技術(shù)之一。認(rèn)知無線電能夠檢測周 圍電磁環(huán)境，調(diào)整系統(tǒng)傳輸參數(shù)，在不影響主用戶通信的前提下，尋找空閑頻譜資源，"見縫 插針"地利用空閑頻譜實(shí)現(xiàn)通信，而一旦主用戶占用該空閑頻譜，次用戶會(huì)及時(shí)的發(fā)現(xiàn)并采 取相應(yīng)的措施。
[0003] 與此同時(shí)，MIM0技術(shù)作為商用無線產(chǎn)品增加容量的實(shí)現(xiàn)方式得到廣泛的應(yīng)用，已 成為現(xiàn)有W及未來商用移動(dòng)通信的關(guān)鍵組成部分。認(rèn)知系統(tǒng)與MIM0技術(shù)的結(jié)合，利用多天 線空域抗干擾和并行傳輸優(yōu)勢設(shè)計(jì)頻譜共享方法，已成為當(dāng)前認(rèn)知的研究熱點(diǎn)之一。干擾 對齊（InterferenceAlignment,IA)技術(shù)作為MIM0抑制干擾的一種有效手段，通過調(diào)整發(fā) 送預(yù)編碼矩陣將多用戶的干擾信號對齊壓縮到低維子空間上，W實(shí)現(xiàn)頻譜的高效共享。相 關(guān)研究表明與傳統(tǒng)頻分復(fù)用相比，認(rèn)知系統(tǒng)利用IA技術(shù)可W獲得更大的傳輸速率，從而緩 解頻譜供需之間的矛盾。例如，1) 一種機(jī)會(huì)式IA的ppodunisticIA，0IA)方法，其利用主 用戶采用功率注水優(yōu)化傳輸速率，而導(dǎo)致部分空間方向空閑該一事實(shí)，實(shí)現(xiàn)主次用戶在同 一頻譜資源上的空分復(fù)用傳輸；2)在此基礎(chǔ)上，研究了由多條認(rèn)知通信鏈路和一條主用戶 通信鏈路組成的K+1認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)，將原來單條認(rèn)知鏈路擴(kuò)展成多條，在完全正交的情 況下，采用交替迭代的求解思路，給出了一種迭代認(rèn)知IA算法，并從理論上證明了算法的 可達(dá)自由度上界；3)采用最大似然估計(jì)器，在接收端白化處理接收到的用戶間干擾（其它 用戶的信號），直接推導(dǎo)出次用戶預(yù)編碼和接收干擾抑制矩陣的求解關(guān)系式。然而，上述的 內(nèi)容都假設(shè)次用戶已知所有信道的信道狀態(tài)信息（化anne^StateIn化rmation，CSI)，事 實(shí)上，次用戶沒有頻譜使用授權(quán)，難W要求主用戶與其協(xié)作，來獲得主次用戶之間干擾信道 的CSI，然而認(rèn)知傳輸?shù)膬?yōu)化設(shè)計(jì)與CSI緊密相關(guān)。因此，指出了兩種改進(jìn)算法；1.可W通過 信道學(xué)習(xí)來獲取干擾信道信息，其針對主用戶采用時(shí)分雙工（TimeDivisionDuplex,TDD) 傳輸場景，利用信道互易性，提出一種基于等效信道的認(rèn)知波束形成算法，并通過合理分配 信道學(xué)習(xí)時(shí)和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，來獲得認(rèn)知系統(tǒng)吞吐量最大化；2.針對主用戶采用頻分雙工 (prequen巧DivisionDuplex,抑D)傳輸場景，利用主用戶系統(tǒng)的功率控制過程，結(jié)合循環(huán) 雅可比方法，來獲取干擾信道的正交子空間。然而，上述的兩種改進(jìn)算法主要針對次用戶點(diǎn) 對點(diǎn)鏈路開展研究，缺乏對次用戶之間干擾功率泄露的控制，算法無法直接應(yīng)用到認(rèn)知無 線網(wǎng)絡(luò)或存在多條干擾鏈路中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種MIM0認(rèn)知無線電干擾網(wǎng)絡(luò)中基于信道 學(xué)習(xí)的頻譜共享方法，通過分析接收數(shù)據(jù)的二階統(tǒng)計(jì)量，獲取需要的主用戶干擾信道的空 間特征，融合MIM0多子流傳輸和認(rèn)知多信道切換技術(shù)，設(shè)計(jì)合理的發(fā)送策略，避免對主用 戶的干擾，提高頻譜共享效率。
[0005] 按照本發(fā)明所提供的設(shè)計(jì)方案，一種MIM0認(rèn)知無線電干擾網(wǎng)絡(luò)中基于信道學(xué)習(xí) 的頻譜共享方法，包含如下步驟：
[0006] 步驟1.根據(jù)次用戶通信需求和天線配置，確定各個(gè)用戶的發(fā)送自由度dk，設(shè)置次 用戶內(nèi)部干擾口限Tk，選擇檢測時(shí)間長度；
[0007] 步驟2.次用戶選擇通信頻段和信道學(xué)習(xí)時(shí)間，實(shí)時(shí)監(jiān)聽信道狀態(tài)， 利用接收到的信號yik(n)，計(jì)算采樣協(xié)方差矩陣
對采 樣協(xié)方差矩陣4進(jìn)行特征值分解
得到特征值本乂2，一，^?。和干擾信道的正交矩陣巧"，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對 所選頻段做調(diào)整，使得總子流數(shù)能夠滿足屯,,,, 如，其中，
M。為主用戶的天線個(gè)數(shù)；
[0008] 步驟3.通過步驟2得到的干擾信道的正交矩陣Kf，Kf,計(jì)算等效信道 巧g=K嚴(yán)而巧作* = 1，義…，巧，初始化等效預(yù)編碼矩陣Ak化=1，2,…，K)，設(shè)置 A=[61，馬，…，其中ei(i= 1，2,…，dk)為基本向量，Hik為次用戶干擾信道，計(jì)算等效 發(fā)送^。' =^^-式和接收天線數(shù)~。'=W-^^0;
[0009] 步驟4.通過等效信道及等效預(yù)編碼矩陣Ak，計(jì)算
對公進(jìn)行特征值分解，取妒9-屯個(gè)最大特征值對應(yīng)的特征向 量構(gòu)造等效干擾子空間矩陣Cl;
[0010] 步驟5.利用等效干擾子空間矩陣Cl下標(biāo)k和1的對稱性，計(jì)算
對0；進(jìn)行特征值分解，取dk個(gè)最小特征值對應(yīng)的特征 向量構(gòu)造等效預(yù)編碼矩陣Ak;
[0011] 步驟6.通過步驟5得到的等效預(yù)編碼矩陣Ak，計(jì)算用戶的干擾協(xié)方差矩陣
若trace(Qk) <rk對VA:成立，則公/ =Cy，計(jì)算預(yù)編碼 矩陣n=巧和接收干擾抑制矩陣=巧is,，結(jié)束杏則，返回步驟4,重新迭代計(jì)算。
[0012] 其中，步驟4中構(gòu)造等效干擾子空間矩陣Cl具體包含：根據(jù)交替最小化IA算法，通 過實(shí)際干擾信號空間與接收端預(yù)設(shè)干擾空間之間矩陣距離的化obenius范數(shù)來描述干擾功 率泄漏，將頻譜問題轉(zhuǎn)化為：
，其中，IIIIp表示求矩陣 化obenius范數(shù)；C,=表示Bi正交補(bǔ)空間，即得到等效干擾子空間矩陣C1;固定各次用 戶的等效預(yù)編碼矩陣Ak，將問題轉(zhuǎn)化呆
其中，tr(A)表示矩陣A的跡，a為一固定常數(shù)，最優(yōu)Cl是由化的Nea-di個(gè)最大特征值對應(yīng) 的特征向量構(gòu)成的，其中>即得到
[001引其中，步驟5中利用等效干擾子空間矩陣Cl下標(biāo)k和1的對稱性計(jì)算巧 具體包含：固定各次用戶的等效干擾子空間矩陣Ci，利用下標(biāo)k和1的對稱性，得到
次用戶1的發(fā)送機(jī)等效預(yù)編碼 Ak由的dk個(gè)最小特征值對應(yīng)的特征向量構(gòu)成，即得到
[0014] 本發(fā)明的有益效果：
[0015] 1.本發(fā)明通過分析接收的數(shù)據(jù)的二階統(tǒng)計(jì)量，獲取需要的主用戶干擾信道的空間 特征，融合MIM0多子流傳輸和認(rèn)知多信道切換技術(shù)，設(shè)計(jì)合理的發(fā)送策略，避免對主用戶 的干擾，提高頻譜共享效率；針對干擾信道狀態(tài)信息缺失下，次用戶干擾網(wǎng)絡(luò)與主用戶系統(tǒng) 共存問題，而已有研究相關(guān)文獻(xiàn)都假設(shè)次用戶已知信道狀態(tài)信息；兼顧MIM0認(rèn)知無線電網(wǎng) 絡(luò)的空間傳輸能力，融合主用戶的信道切換能力，能夠聯(lián)合利用空間和頻率資源的高效頻 譜共享方法，比W往單一資源利用方法的效率更高；分析了次用戶通過設(shè)置信道學(xué)習(xí)時(shí)間 對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，說明通過控制時(shí)間可w有效控制對主用戶的干擾功率；從自由度檢測 性能、主用戶誤碼率、算法收斂性和網(wǎng)絡(luò)容量等多方面分析不同信道學(xué)習(xí)時(shí)間的影響，給出 了實(shí)際中信道學(xué)習(xí)時(shí)間設(shè)置的合理建議。
[0016] 2.本發(fā)明融合MIM0多子流傳輸和認(rèn)知多信道切換技術(shù)，有效解決了干擾信道狀 態(tài)信息缺失下主次用戶網(wǎng)絡(luò)共存問題；通過分析接收的數(shù)據(jù)的二階統(tǒng)計(jì)量，獲取需要的主 用戶干擾信道的空間特征，并據(jù)此設(shè)計(jì)合理的發(fā)送策略；在保證主用戶正常通信的同時(shí)，有 效提高次用戶網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率；可W通過調(diào)整信道學(xué)習(xí)時(shí)間使網(wǎng)絡(luò)適用于不同的應(yīng)用場 景，具有一定的靈活性，為今后的MIM0認(rèn)知無線電技術(shù)提供重要的理論依據(jù)和具體的實(shí)現(xiàn) 方案。
【附圖說明】：
[0017] 圖1為認(rèn)知MIM0網(wǎng)絡(luò)頻譜共享模型；
[0018] 圖2為認(rèn)知MIM0無線傳輸帖結(jié)構(gòu)；
[0019] 圖3為本發(fā)明的流程示意圖；
[0020] 圖4為不同學(xué)習(xí)時(shí)間下利用最小描述長度方法估計(jì)主用戶自由度的估計(jì)性能對 比示意圖；
[0021] 圖5中，（a)針對次用戶信噪比為10地情況信道學(xué)習(xí)時(shí)間下主用戶的誤碼率性能 曲線示意圖；化）針對次用戶信噪比為20地情況信道學(xué)習(xí)時(shí)間下主用戶的誤碼率性能曲線 不意圖；
[0022] 圖6為信道學(xué)習(xí)時(shí)間對算法的收