專利名稱：一種基于正交矩陣的認知無線電頻譜共享方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信系統(tǒng)中的認知無線電技術(shù)，特別是一種基于正交矩陣的認知
無線電頻譜共享方法，屬于信息與通信工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著當前各種無線通信業(yè)務(wù)需求的持續(xù)增長，導(dǎo)致無線通信系統(tǒng)對頻譜資源的需 求不斷增加，從而使得無線頻譜資源變得越來越稀缺。然而，頻譜測量研究表明，授權(quán)頻譜 的使用率卻非常低，導(dǎo)致授權(quán)頻譜空穴浪費嚴重。其原因在于靜態(tài)的頻譜分配體制與動態(tài) 的頻譜利用方式之間不匹配，造成無線頻譜規(guī)劃緊張，且利用效率低下。為了開發(fā)頻譜資源 共享的無線通信系統(tǒng)，從系統(tǒng)級的角度提高頻譜資源的利用效率，認知無線電作為一項新 興技術(shù)應(yīng)運而生。 認知無線電也稱為感知無線電，它可在不影響授權(quán)主用戶通信的前提下，智能地 利用大量空閑頻譜以滿足非授權(quán)認知用戶的可靠通信，從而實現(xiàn)頻譜資源共享，提高無線 頻譜資源的利用率。認知無線網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、無線資源、系統(tǒng)設(shè)定等，對感知到的 頻譜空洞進行最佳利用，以最大限度地提高認知網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐能力。 認知無線電技術(shù)發(fā)展至今，對于系統(tǒng)中非授權(quán)認知用戶對授權(quán)主用戶信息的干擾 消除問題，學(xué)者們已經(jīng)做了大量研究，提出了許多優(yōu)化方案。但在現(xiàn)有的這些方案中，最優(yōu) 傳輸方案均基于"臟紙編碼"策略，即在非授權(quán)認知用戶信息傳輸中預(yù)消除對授權(quán)主用戶接 收機的已知干擾。然而，在這些最優(yōu)策略的假設(shè)條件中包括很多不實際的因素，如假設(shè)非 授權(quán)認知用戶預(yù)知全部或部分授權(quán)主用戶的信息；發(fā)射機事先精確獲取所有信道狀態(tài)信息 等。先不考慮非授權(quán)認知用戶的認知能力，單純這些假設(shè)條件在實現(xiàn)上就將會非常復(fù)雜，因 為非授權(quán)認知用戶需要解碼授權(quán)主用戶的傳輸信息或假設(shè)無線信道是準靜態(tài)信道并需要 非授權(quán)認知用戶時時跟蹤所有信道狀態(tài)。此外，現(xiàn)有基于預(yù)處理的方法只能消除非授權(quán)認 知用戶對授權(quán)主用戶的人干擾，而非授權(quán)認知用戶本事收到授權(quán)主用戶的嚴重干擾，導(dǎo)致 非授權(quán)認知用戶性能不佳。因此，現(xiàn)有頻譜共享方案難以實用化。 所有存在的這些問題，這促使我們在當前技術(shù)可以滿足的條件假設(shè)下探索更具有 實用價值的認知無線電頻譜共享方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有頻譜共享技術(shù)的不足，提出一種更接近于實際應(yīng)用模型的 無線傳輸方案，即一種基于正交矩陣的認知無線電頻譜共享方法，根據(jù)接收端反饋回來的 信道信息，獲得干擾信道的正交矩陣，然后用該正交矩陣對發(fā)射端信號進行預(yù)處理，從而消 除發(fā)射機對其他用戶的干擾。從而實現(xiàn)系統(tǒng)中不同用戶之間零干擾，并有效地發(fā)送和接收 數(shù)據(jù)。 本發(fā)明的上述目的是這樣實現(xiàn)的一種基于正交矩陣的認知無線電頻譜共享方 法，其特征是首先根據(jù)接收端反饋到發(fā)射端的信道信息，利用與干擾信道的正交性來獲取發(fā)射端預(yù)處理正交矩陣，然后用該預(yù)處理正交矩陣與發(fā)射端信號矩陣相乘來對發(fā)射前信號 進行預(yù)處理，利用干擾信道與預(yù)處理正交矩陣之間的正交性消除授權(quán)主用戶和非授權(quán)認知 用戶之間的相互干擾，實現(xiàn)了認知系統(tǒng)中不同用戶之間相互零干擾，并有效地發(fā)送和接收 數(shù)據(jù)。
上述方法可按以下步驟進行 (1)首先獲取非目的傳輸用戶接收端反饋回來的干擾信道信息H，這在時分雙工 系統(tǒng)中是非常容易實現(xiàn)的。
(2)獲取授權(quán)主用戶和非授權(quán)認知用戶各自所需的發(fā)射端預(yù)處理正交矩陣，利用
干擾信道與預(yù)處理正交矩陣的正交性，取干擾信道矩陣零空間內(nèi)的一組基向量構(gòu)成預(yù)處理
正交矩陣，即根據(jù)下式
分別求出授權(quán)主用戶和非授權(quán)認知用戶的預(yù)處理正交矩陣
H(21)U2s2 = 0
Hd2)U^ = 0 (3)通過預(yù)處理正交矩陣分別對授權(quán)主用戶和非授權(quán)認知用戶進行相關(guān)預(yù)處理， 即在信號發(fā)射之前用預(yù)處理正交矩陣乘以發(fā)射信號矩陣，這樣發(fā)射進入信道后可利用正交 性消除干擾信道分量，在接收端分別得到如下信號
yi = H(n)U^+r^
y2 = H(22)U2s2+n2 依據(jù)上述基于正交矩陣的認知無線電頻譜共享方法的頻譜共享裝置，授權(quán)主用戶 與非授權(quán)認知用戶包括以下模塊并依次連接 發(fā)射端在WiMAX，802. lla/g， LTE， DVB等以O(shè)FDM為調(diào)制方式的無線通信系統(tǒng)中， 用戶數(shù)據(jù)比特進入符號編碼模塊，數(shù)字調(diào)制模塊，插入導(dǎo)頻模塊，串并模塊，快速傅立葉逆 變換模塊，正交矩陣預(yù)處理模塊，并串模塊，插入循環(huán)前綴及架窗模塊，正交矩陣預(yù)處理模 塊，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，射頻發(fā)射模塊后連接天線； 接收端在WiMAX，802. lla/g， LTE， DVB等以O(shè)FDM為調(diào)制方式的無線通信系統(tǒng)中， 接收天線信號進入射頻接收模塊，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，定時與頻譜同步模塊，去循環(huán)前綴模塊， 串并模塊，快速傅立葉變換模塊，并串模塊，插入導(dǎo)頻模塊，數(shù)字解調(diào)模塊，符號解碼模塊后 生成接收數(shù)據(jù)序列。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方法具有如下優(yōu)點和顯著效果 (1)不同于傳統(tǒng)的頻譜共享方法，在認知系統(tǒng)中，本方既消除了非授權(quán)認知用戶對 授權(quán)主用戶的干擾，同時也消除了授權(quán)主用戶對非授權(quán)認知用戶的干擾，真正實現(xiàn)了認知 系統(tǒng)中各用戶的平等地共享頻譜資源。 (2)該方法具有普遍適用性，不受限于信號調(diào)制方式等無線通信系統(tǒng)的具體參數(shù)， 廣泛適用于諸如CDMA， OFDM， MMO等無線通信系統(tǒng)。 (3)預(yù)處理正交矩陣生成方法簡潔高效，復(fù)雜度低。并可以根據(jù)系統(tǒng)調(diào)制方式的不 同來選擇合適的預(yù)處理正交矩陣。
(4)可根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)通過調(diào)整預(yù)處理正交矩陣的秩來動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)中不同用戶的傳輸速率，從而使頻譜共享方案更加智能化。


圖1是本發(fā)明方法的系統(tǒng)模型； 圖2是本發(fā)明方法結(jié)合0F匿調(diào)制方式的系統(tǒng)框圖； 圖3是基于正交矩陣的認知無線電頻譜共享方案中授權(quán)主用戶平均速率隨不同 信噪比的變化趨勢 圖4是基于正交矩陣的認知無線電頻譜共享方案中授權(quán)主用戶平均速率隨不同 的干擾信道參數(shù)。21的變化趨勢； 圖5是基于正交矩陣的認知無線電頻譜共享方案中非授權(quán)認知用戶平均平均速 率隨不同信噪比的變化趨勢； 圖6是基于正交矩陣的認知無線電頻譜共享方案中非授權(quán)認知用戶平均速率隨 不同的干擾信道參數(shù)o 12的變化趨勢。
具體實施例方式
本發(fā)明方法的基本思路是首先獲取非目的傳輸用戶接收端反饋回來的干擾信道 信息H。然后采用本發(fā)明給出的方法獲得所需正交矩陣，即"=(/-/^^>4 。再利用矩陣正 交性消除用戶之間的干擾，從而實現(xiàn)認知系統(tǒng)中不同用戶共享頻譜的目的。該方法提高了 無線頻譜資源的利用率， 一定程度上緩解了當前及未來無線頻譜資源日益緊缺的矛盾。
本發(fā)明系統(tǒng)模型如圖1所示，該圖描述的是在頻率選擇性衰落信道下的2X2認知 無線電系統(tǒng)模型。圖中，授權(quán)主用戶發(fā)射機使用授權(quán)頻帶與授權(quán)主用戶接收機進行通信，同 時非授權(quán)認知用戶發(fā)射機可以機會地使用該頻帶與相應(yīng)的非授權(quán)認知用戶接收機發(fā)送信 息。當兩發(fā)射機不共享相互信息，且兩發(fā)射機之間沒有相互協(xié)作時，不同用戶之間是相互未 知的。因此，非授權(quán)認知用戶發(fā)射機未知授權(quán)主用戶發(fā)射機的先驗信息，反之亦然。令H(ij) 表示從發(fā)射機i到接收機j之間(m+l)徑衰落的信道系數(shù)，假設(shè)Haj)元素(每條徑)服從 獨立同分布循環(huán)對稱復(fù)高斯分布N。(0， o i/(m+l))，而且對于任意i， j，信道均為獨立同分
布的。接收端收到的信號可以分別表示為
yi = H(fH加X2+r^
y2 = H(22)x2+H(12)Xl+n2 這里H(ij)是NX (N+m)信道矩陣。xk用戶k的N+m維傳輸向量，滿足下列功率控制 條件tr(E[j^;cf ])S(iV + w)^ 對于授權(quán)主用戶，我們定義傳輸向量為Xl = U^，這里仏是預(yù)處理正交矩陣，^是
所傳輸信息。對于非授權(quán)認知用戶我們采用類似的預(yù)處理正交矩陣仏，即^ = ^82。我們
的目標就是設(shè)計出合適的仏和U2，使用戶之間產(chǎn)生零干擾，即滿足正交條件 H(21)U2s2 = 0 Hd2)U^ = 0 這樣的矩陣可以統(tǒng)一表示為
5
這里A是任意矩陣，(.)t表示矩陣廣義逆。實際上滿足上式條件的矩陣有無窮多 個，他們可以由信道矩陣H的零空間的任意一組基構(gòu)成，并且這些基向量構(gòu)成的矩陣是等 價的。我們可以通過很多方法獲取基向量，如施密特正交方法，正交多項式方法等。通過正 交矩陣進行相關(guān)與處理得到如下并行無干擾信道 [畫]yi = H(n)U^+r^ <formula>formula see original document page 6</formula> 從上式我們可以清楚地看到，基于正交矩陣的頻譜共享方法將頻率選擇性信道轉(zhuǎn) 化為零干擾信道，非授權(quán)認知用戶不對授權(quán)主用戶產(chǎn)生干擾，授權(quán)主用戶也不對非授權(quán)認 知用戶產(chǎn)生干擾，從而實現(xiàn)多用戶共享頻譜。 基于正交矩陣的頻譜共享方法具有普遍適用性，系統(tǒng)不受調(diào)制方式等具體系統(tǒng)參 數(shù)的影響?？紤]到在WiMAX，802. lla/g，LTE， DVB等未來無線通信中廣泛采OFDM調(diào)制方式， 本發(fā)明就在OF匿系統(tǒng)中分析基于正交矩陣的認知無線電頻譜共享方法的性能，其發(fā)射和 接收端的系統(tǒng)框圖如圖2所示。該圖描述了基于正交矩陣的頻譜共享系統(tǒng)是在傳統(tǒng)OF匿 系統(tǒng)信號發(fā)射之前增加了預(yù)處理正交矩陣模塊，然后預(yù)處理后的信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和射 頻發(fā)送模塊進入發(fā)射天線。系統(tǒng)中循環(huán)前綴長度為L，信息符號分組長度為N，該比值將直 接影響預(yù)處理正交矩陣的設(shè)計及新方法的性能。在實際IEEE 802. lla無線局域網(wǎng)標準物 理層OF匿系統(tǒng)中，通常取值為N = 64， L = 16。采用基于正交矩陣的頻譜共享方法，經(jīng)過 正交矩陣預(yù)處理后，每個用戶的速率可以表示為
1 w /
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采用經(jīng)典的注水法功率分配可獲得最大速率
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這里k是拉格朗日乘子滿足I^:氣 S AW,。 圖3描述了基于正交矩陣的認知無線點頻譜共享方法并采用OF匿調(diào)制的認知無 線系統(tǒng)中，授權(quán)主用戶在不同信噪比下經(jīng)注水法功率分配所能達到的平均速率。仿真中采 用0u = o22 = 1， o21 = l.O，O. l，O.Ol，O等不同值，對應(yīng)于圖中(1) (2) (3) (4)四條曲線， 其中021 = 0對應(yīng)著特殊的零干擾情形。圖中給出了基于正交矩陣的認知無線電頻譜共 享方法結(jié)合注水法功率分配算法時授權(quán)主用戶所能達到的平均速率。從圖中可以清楚地看 到，授權(quán)主用戶的平均速率曲線在o21 = l.O，O. l，O.Ol，O等不同值時，(l) (2) (3) (4)四條 曲線基本重合。這意味著授權(quán)主用戶不受非授權(quán)認知用戶的干擾，可以忽視非授權(quán)認知用 戶的存在。圖4可以更好地說明這一點，在相同信噪比下，圖4中的性能曲線(1)和(2)分 布表示SNR = 25dB和SNR = 15dB情況，曲線(1)和(2)在不同的o 21下基本是保持水平 的，即授權(quán)主用戶不受非授權(quán)認知用戶的影響。 很明顯，該結(jié)論對于非授權(quán)認知用戶同樣成立。圖5描述了基于正交矩陣的認知 無線電頻譜共享方法并采用OF匿調(diào)制的認知無線系統(tǒng)中，非授權(quán)認知用戶在不同信噪比下經(jīng)注水法功率分配所能達到的平均速率。仿真中采用o u = o 22 = 1， o 12 = 1. 0，0. 1， O.Ol，O等不同值，對應(yīng)于圖中(1) (2) (3) (4)四條曲線，其中o 21 = 0對應(yīng)著特殊的零干擾 情形。從圖中可以清楚地看出，非授權(quán)認知用戶的速率性能曲線在不同的012下也是基本 重合的，完全不受授權(quán)主用戶干擾信道o12 = l.O，O. l，O.Ol，O等不同值的影響。從圖6中 可以更清楚地看出，在相同信噪比下，圖6中的性能曲線(1)和(2)分布表示SNR二20dB 和SNR = 10dB情況，曲線(1)和(2)在不同的o 12下基本是保持水平的，即非授權(quán)認知用 戶同樣不受授權(quán)主用戶的影響。 上述分析我們可以清楚地看到，采用本發(fā)明基于正交矩陣的認知無線電頻譜共享 方法，充分利用無線通信系統(tǒng)中，由于信道的頻率選擇性衰落而導(dǎo)致不同用戶之間的信道 不相關(guān)性，在發(fā)射端利用正交矩陣進行預(yù)處理，通過合理設(shè)計預(yù)處理正交矩陣，理論推導(dǎo)及 系統(tǒng)仿真均表明，可以成功地消除認知系統(tǒng)中授權(quán)主用戶與非授權(quán)認知用戶之間的相互干 擾，實現(xiàn)授權(quán)主用戶與非授權(quán)認知用戶平等地共享無線頻譜資源，達到了多用戶共享頻譜 的目的，從而可以提高無線頻譜資源的利用率， 一定程度上緩解當前及未來無線頻譜資源 日益緊缺的矛盾。
權(quán)利要求
一種基于正交矩陣的認知無線電頻譜共享方法，其特征是首先根據(jù)接收端反饋到發(fā)射端的信道信息，利用與干擾信道的正交性來獲取發(fā)射端預(yù)處理正交矩陣，然后用該預(yù)處理正交矩陣與發(fā)射端信號矩陣相乘來對發(fā)射前信號進行預(yù)處理，利用干擾信道與預(yù)處理正交矩陣之間的正交性消除授權(quán)主用戶和非授權(quán)認知用戶之間的相互干擾，實現(xiàn)了認知系統(tǒng)中不同用戶之間相互零干擾，并有效地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于正交矩陣的認知無線電頻譜共享方法，其特征是包括以下 步驟(1) 首先獲取非目的傳輸用戶接收端反饋回來的干擾信道信息H ;(2) 獲取授權(quán)主用戶和非授權(quán)認知用戶各自所需的發(fā)射端預(yù)處理正交矩陣，利用干擾 信道與預(yù)處理正交矩陣的正交性，取干擾信道矩陣零空間內(nèi)的一組基向量構(gòu)成預(yù)處理正交 矩陣，即根據(jù)下式分別求出授權(quán)主用戶和非授權(quán)認知用戶的預(yù)處理正交矩陣 Hto)U2s2 = 0 H加U^ = 0(3) 通過預(yù)處理正交矩陣分別對授權(quán)主用戶和非授權(quán)認知用戶進行相關(guān)預(yù)處理，即在 信號發(fā)射之前用預(yù)處理正交矩陣乘以發(fā)射信號矩陣，這樣發(fā)射進入信道后可利用正交性消 除干擾信道分量，在接收端分別得到如下信號yi = H(n)U^+r^ y2 = H(22)U2s2+n2
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于正交矩陣的認知無線電頻譜共享方法，其特征是授權(quán)主用戶與非授權(quán)認知用戶包括以下模塊并依次連接發(fā)射端在包括WiMAX，802. lla/g，LTE，DVB以O(shè)FDM為調(diào)制方式的無線通信系統(tǒng)中，用 戶數(shù)據(jù)比特進入符號編碼模塊，數(shù)字調(diào)制模塊，插入導(dǎo)頻模塊，串并模塊，快速傅立葉逆變 換模塊，正交矩陣預(yù)處理模塊，并串模塊，插入循環(huán)前綴及架窗模塊，正交矩陣預(yù)處理模塊， 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，射頻發(fā)射模塊后連接天線；接收端在包括WiMAX，802. lla/g，LTE，DVB以O(shè)FDM為調(diào)制方式的無線通信系統(tǒng)中，接收天線信號進入射頻接收模塊，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，定時與頻譜同步模塊，去循環(huán)前綴模塊，串 并模塊，快速傅立葉變換模塊，并串模塊，插入導(dǎo)頻模塊，數(shù)字解調(diào)模塊，符號解碼模塊后生 成接收數(shù)據(jù)序列。
全文摘要
一種基于正交矩陣的認知無線電頻譜共享方法，首先根據(jù)接收端反饋到發(fā)射端的信道信息，利用與干擾信道的正交性來獲取發(fā)射端預(yù)處理正交矩陣，然后用該預(yù)處理正交矩陣與發(fā)射端信號矩陣相乘來對發(fā)射前信號進行預(yù)處理，利用干擾信道與預(yù)處正交理矩陣之間的正交性消除授權(quán)主用戶和非授權(quán)認知用戶之間的相互干擾，實現(xiàn)了認知系統(tǒng)中不同用戶之間相互零干擾，并有效地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。授權(quán)主用戶與非授權(quán)認知用戶平等地共享頻譜資源，從而可以提高無線頻譜資源的利用率，緩解當前及未來無線通信頻譜資源日益緊缺的矛盾。
文檔編號H04W72/08GK101720093SQ20091023462
公開日2010年6月2日 申請日期2009年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月25日
發(fā)明者崔景伍, 楊震, 王磊, 許曉榮, 鄭寶玉 申請人:南京郵電大學(xué)