第33卷第5期電子與信息學(xué)報Vol 33No52011年5月Journal of Electronics Information TechnologyMay 2011認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)基于空分復(fù)用的機會頻譜接入李釗”趙林靖劉勤(西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點實驗室西安710071)摘要:傳統(tǒng)的認(rèn)知無線電技術(shù)采用機會頻譜接入,認(rèn)知用戶的通信質(zhì)量難以得到保證。通過利用多天線技術(shù)提供的空間信號處理能力,該文提出一種基于空分復(fù)用的機會頻譜接入方法,當(dāng)存在頻譜空洞時,采用傳統(tǒng)的機會頻譜接入:無空閑頻率資源可用時,認(rèn)知系統(tǒng)利用空域信息完成發(fā)射預(yù)編碼與接收濾波,從而以空分復(fù)用的方式實現(xiàn)通信。文中對認(rèn)知系統(tǒng)天線配置要求進(jìn)行了分析,當(dāng)滿足該要求時,認(rèn)知系統(tǒng)能夠與授權(quán)系統(tǒng)在同一授權(quán)頻道實現(xiàn)無互擾共存。仿真結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的機會頻譜接入相比,所提方法能夠在不影響授權(quán)系統(tǒng)性能的情況下有效改善認(rèn)知系統(tǒng)的通信性能。關(guān)鍵詞:認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò);多天線;預(yù)編碼;空分復(fù)用;阻塞概率中圖分類號:TN9295文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:10095896(2011)05-117206DoI:10.3724/SPJ11462010.01051Space Division Multiplexing Based OpportunisticSpectrum Access in Cognitive Radio NetworkLi Zhao Zhao Lin-jing Liu Qin(State Key Laboratory of Integrated Service Networks, Xidian University, Xi'an 710071, China)Abstract: Traditional cognitive radio employs Opportunistic Spectrum Access(OSA), the quality of cognitivetransmission could not be guaranteed. By exploiting the spatial signal processing ability provided by multipleantennas,a Space Division Multiplexing based OSA (SDM-OSA)scheme for cognitive radio networks is proposedWhen spectrum holes exist traditional OSA is employed. While there is no idle spectrum available cognitive systemutilizes spatial information to implement transmit precoding and receive filtering, so that cognitive transmission iscarried out using SDM. Antenna requirements in cognitive system are further discussed. when this demand is metcognitive transmission could coexist with the primary(licensed )in an occupied authorized frequency channel withmutual interference eliminated. Compared with traditional cognitive radio which employs OSa to utilize thetemporally spare frequency resource, the proposed scheme could effectively improve the performance of cognitivesystem and impose no interference on the primaryKey words: Cognitive Radio Networks(CRN); Multiple antennas; Precoding: Space Division Multiplexing(SDM)Blocking probability1引言頻譜資源的高效利用。由于用戶業(yè)務(wù)的動態(tài)性,傳統(tǒng)的固定頻譜分配但是,傳統(tǒng)的有關(guān)CR或CRN的研究關(guān)注頻譜方式對頻率資源的利用率很低叫,因此,能夠根據(jù)電資源的機會共享,即認(rèn)知用戶進(jìn)行通信環(huán)境檢測以磁環(huán)境進(jìn)行動態(tài)頻譜利用的認(rèn)知無線電技術(shù)發(fā)現(xiàn)空閑頻譜,通過借用該頻率資源完成通信。由( Cognitive Radic,CR)應(yīng)運而生。隨著研究的深入,于認(rèn)知用戶是非授權(quán)的,具有低優(yōu)先級,因此當(dāng)授環(huán)境中認(rèn)知無線電設(shè)備如何通過相互協(xié)作,達(dá)到對對于機會頻譜接入(sA,認(rèn)知通信能否進(jìn)行取決于是否存在“機會”,即空閑頻譜。因此,采用傳統(tǒng)的OSA,認(rèn)知用戶的通信質(zhì)量難以得到保證。20100929收到,20110214改回國家杰出青年科學(xué)基金(60725105),國家973計劃項目通信是對包括頻率在內(nèi)的多種類型資源,如時(2009cB3204041),長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊發(fā)展計劃(R0852),國冢間、功率、空間和計算能力等的綜合使用例,因此通自然科學(xué)基金(08082.高等學(xué)校引智計劃(B088.教育部科過資源維度拓展尋找接入“機會”成為可能。多天學(xué)技術(shù)研究重點項日(107103),重大專項(2090070線技術(shù),包括多輸入多輸出(Muti- Input Multi-高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(K50510010022)資助課題Output,MMO)與智能天線,通過空域信號處理能通信作者:李釗z199120126com第5期李釗等:認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)基于空分復(fù)用的機會頻譜接入夠獲得傳輸效率與鏈路可靠性的提高,近年來得到認(rèn)知技術(shù)研究人員的關(guān)注。文獻(xiàn)7提出一種基于多天線的頻譜感知方法,文獻(xiàn)8]對認(rèn)知MIMO信道容(閑量進(jìn)行推導(dǎo),文獻(xiàn)⑨從博弈論角度研究分布式認(rèn)知MIMO用戶與授權(quán)用戶的共存通信,文獻(xiàn)10將蜂窩網(wǎng)作為研究場景,提出一種基于協(xié)作的上行鏈路圖2 Markov信道模型頻率復(fù)用機制,文獻(xiàn)[通過研究認(rèn)知MMO傳輸與多天線安全通信的關(guān)系,對后者的可達(dá)信息速率的概率為a,保持在狀態(tài)0的概率為聞;類似地,進(jìn)行了推導(dǎo)頻道v從狀態(tài)0轉(zhuǎn)移至狀態(tài)1的概率為1-B,保持但是,已有工作在討論認(rèn)知系統(tǒng)與授權(quán)系統(tǒng)的在狀態(tài)1的概率為1-a。認(rèn)知用戶的忙閑用另一頓譜共享時,并未針對多域資源管理給出具體的信個獨立的 Markov過程模擬,與圖2類似,其轉(zhuǎn)移號處理算法和頻譜共享方法,因此本文提出一種基概率分別為a和f于空分復(fù)用的機會頻譜接入方法(SDM-OSA),通過在時隙t,PBS能夠獲得其與占據(jù)頻道讠的空頻資源聯(lián)合管理,當(dāng)認(rèn)知系統(tǒng)檢測無線環(huán)境卻無PU(PU之間的信道信息丑P(),其中i=1…,N法獲得空閑頻率時,仍能夠通過空分復(fù)用的方式完CBS能夠獲得其與CU以及與PU-i之間的信道信成通信。仿真結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的機會頻譜接入相息F()和HP(),并通過與PBS交互獲得PBS與比,該方法能夠在不影響授權(quán)系統(tǒng)的情況下有效改U之間的信道信息H()。在本文的討論中,假善認(rèn)知系統(tǒng)的通信性能設(shè)授權(quán)系統(tǒng)與認(rèn)知系統(tǒng)間存在協(xié)作,各反饋鏈路(包2系統(tǒng)模型括CBS與PBS的信息交互)是可靠的,并且反饋時延相對于信道變化可以忽略131。以下敘述中,在考慮授權(quán)系統(tǒng)與認(rèn)知系統(tǒng)共同覆蓋的單小區(qū)場個時隙內(nèi)討論為了簡便,省略時間標(biāo)記t景,如圖1所示,研究下行通信。授權(quán)系統(tǒng)包含3信號處理算法與頻譜接入方法設(shè)計個基站和多個用戶。簡單起見,認(rèn)知系統(tǒng)由一個基站和一個用戶構(gòu)成,即不存在認(rèn)知用戶( Cognitive對于傳統(tǒng)的OSA,認(rèn)知用戶搜索并借用空閑的UBer,CU)之間的競爭與干擾。授權(quán)基站( Prim授權(quán)頻道以完成通信,但是認(rèn)知通信不能與授權(quán)通Base station,PBS)天線數(shù)MF,授權(quán)用戶( Primary信同時同頻共存。一方面,當(dāng)認(rèn)知用戶試圖借用授User,PU)天線數(shù)為M;認(rèn)知基站( Cognitive Base權(quán)頻道開始一次新的通信而無法獲得相應(yīng)資源時,st,Js)天線數(shù)MF,認(rèn)知用戶天線數(shù)為M.認(rèn)知通信阻塞( Blocking:另一方面,當(dāng)授權(quán)用戶在授權(quán)系統(tǒng)擁有N個頻道,假設(shè)各頻道的帶寬均認(rèn)知通信進(jìn)行過程中出現(xiàn)時,認(rèn)知用戶必須及時釋為B,具有頻率平坦衰落特性。多個PU以動態(tài)的放借用資源,若能夠找到備用頻道,則認(rèn)知通信可方式共享頻率資源?；九c用戶的通信遵循時隙同持續(xù),否則中斷( Outage)通過將多天線技術(shù)引入步結(jié)構(gòu),N個頻道的占用服從狀態(tài)數(shù)為M=2的離CRN,當(dāng)認(rèn)知用戶能夠獲得空閑頻譜時,按照傳統(tǒng)散時間 Markov過程。 Markov信道模型如圖2所的OSA進(jìn)行機會接入:當(dāng)無空閑頻率資源可用時,示圖中,投權(quán)頻道i從狀態(tài))轉(zhuǎn)移至狀態(tài)0(閑)認(rèn)知用戶仍能夠通過空分復(fù)用的方式完成通信(與授權(quán)用戶共存),同時避免對授權(quán)用戶產(chǎn)生干擾。以授權(quán)系統(tǒng)反饋信道下對共存場景中的信號處理算法進(jìn)行設(shè)計,并在此基礎(chǔ)上給出頻譜接入方法( SDM-OSA)授權(quán)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸31授權(quán)系統(tǒng)授權(quán)系統(tǒng)中占用頻道讠的用戶PU-i的接收信號為授權(quán)系統(tǒng)信息來自CBS的十?dāng)_來自PBS的y?=H=p+H,z+n其中可與x分別表示PBS和CBs的發(fā)射符號向認(rèn)知系統(tǒng)數(shù)傳輸1量,等號右端第2項表示CBS發(fā)射信號對PU-i的干擾認(rèn)知系統(tǒng)反饋信道在本文的討論中,假設(shè)授權(quán)系統(tǒng)采用波束成圖1系統(tǒng)模型形6( Beamforming,BF)的方式進(jìn)行通信(x1174電子與信息學(xué)報第33卷z0…0)。對H進(jìn)行奇異值分解H=UA其中rank()表示矩陣的秩VP)",PBs釆用v={嗎00對x進(jìn)行預(yù)處(3)對近歸一化,得到預(yù)編碼向量p=/理,其中為的主右奇異向量(與H的最大奇6|。異值對應(yīng)):PUi采用!=00的共軛轉(zhuǎn)置注意到p存在非零解的條件是T列滿秩,即進(jìn)行接收濾波,1為丑的主左奇異向量,得到估 rank(T)M,即可r=0;否則,7>0。得到式(13)證畢SDM-OSA方法如下表1給出授權(quán)系統(tǒng)采用一些常見天線配置時認(rèn)(1)根據(jù)環(huán)境感知結(jié)果及系統(tǒng)間協(xié)作,初始化資知系統(tǒng)的天線數(shù)要求。源矩陣Ry;(2B選擇授權(quán)頻道=agm(),并將相1認(rèn)知系統(tǒng)天線配置要求關(guān)參數(shù)通知CU以完成認(rèn)知通信。信號處理按照32Mr節(jié)進(jìn)行M121212對于第(2)步,當(dāng)min(r)=0時表示有空閑頻M7道,認(rèn)知通信按照傳統(tǒng)OSA以機會方式接入;當(dāng)2233555min()>0時表示無空閑頻道,認(rèn)知通信以空分復(fù)用方式選擇最佳(r最小)頻道實現(xiàn)共享注意到可能可以發(fā)現(xiàn),為了實現(xiàn)與授權(quán)用戶的無干擾共存出現(xiàn)多個r均為最小值(或0)的情況,本文采取隨機通信,認(rèn)知系統(tǒng)需配備較多的天線。實際設(shè)計中選擇的策略。需要在認(rèn)知通信性能與系統(tǒng)復(fù)雜度及成本間進(jìn)行折根據(jù)以上討論可以發(fā)現(xiàn),本文提出的頻譜共享衷。例如,通過放松系統(tǒng)間干擾約束,即將干擾控方法中基于SDM的系統(tǒng)共存設(shè)計是對傳統(tǒng)OSA的制于某一門限之下141,以降低認(rèn)知系統(tǒng)復(fù)雜度。補充,即認(rèn)知系統(tǒng)通過配置多天線并利用空域信息以上討論中,授權(quán)系統(tǒng)的通信方式不受限制,在無空閑頻譜時以空分方式實現(xiàn)通信,其代價包含認(rèn)知系統(tǒng)采用BF方式,若認(rèn)知通信采用多子數(shù)據(jù)天線配置(將在34節(jié)討論)以及空域信道信息感知流并行傳輸,如空間復(fù)用( Spatial Multiplexing,兩方面。SM),此時P=1“pmk)0…則,F=團(tuán)34認(rèn)知系統(tǒng)天線配置討論fnk(r)0…,rank(H)反映最大可能的并行子數(shù)理1認(rèn)知通信采用BF方式,當(dāng)天線配置滿據(jù)流個數(shù)。以P和f的計算為例(其它p和f的計算足條件式(12),式(13)時,能夠根據(jù)321節(jié)計算p實與之類似),為保證子數(shù)據(jù)流之間的正交性,CBs現(xiàn)CBS對PU無干擾,同時根據(jù)322節(jié)計算∫使預(yù)編碼中T的構(gòu)造按照3.21節(jié)進(jìn)行,CU接收濾波CU消除來自PBS的干擾需重新構(gòu)造R=,…,"kg"y",…,umk((12)有以下引理。MT >MR+MR引理1認(rèn)知通信采用SM方式,無法在保證證明CBS對PU無干擾的同時,于CU端完全消除來自。①根據(jù)31節(jié),CBS預(yù)編碼向量p存在非零PBs的干擾,并且使認(rèn)知通信子數(shù)據(jù)流之間無相互解的條件是rank(T)M且MG>M,否則易推5>M且M>MF得min(M,M)<1或者min(M5,MR)<1,不合理(2)類似定理1的證明(2),CU接收濾波矩陣∫存在非零解得條件是rank(R)MR且M>M時ank(H)+rank(H)-1< MRMR+MR M1和M6時,3種方法獲得的吞吐率吐率相同。對于認(rèn)知系統(tǒng),OSA的吞吐率最低,與參考上界相差無幾,這是由于該仿真結(jié)果是在授SDM-OSA增加了對空域資源的利用,避免了阻塞權(quán)系統(tǒng)業(yè)務(wù)較輕(a=0.2,=0.8,其中i=1與中斷,吞吐率有一定程度提高。 SDM-OSA1在,N)的情況下得到的。當(dāng)授權(quán)業(yè)務(wù)繁忙時,3種方SNR較高時優(yōu)于 SDM-OSA-2,而當(dāng)SNR<4dB時,法均需要在N更大時才能夠逼近參考上界。3信噪比(dB)信噪比(dB)授權(quán)頻道數(shù)授權(quán)系統(tǒng)(OSA)阻寒概率(OSA--授權(quán)系統(tǒng)( SDAI-OSA-1陽塞概率( SDAI-OSA(SD\-OSA-1)認(rèn)知系統(tǒng)( SDA-OSA1)斷概率( SDA-OSA認(rèn)知系統(tǒng)(參與上界)圖3中斷概率和阻寒概率(N=2)圖4系統(tǒng)吞吐率(N=2)圖5中斷概率和阻塞概率(SNR=20dB)隨SAR變化的情況隨SAR變化的情況隨授權(quán)頻道數(shù)變化的情況第5期李釗等:認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)基于空分復(fù)用的機會頻譜接入11778642Yocognitive radios: GLRT approach [J]. IEEE Transactionson Communication, 2010, 58(1): 84-88.·授權(quán)系統(tǒng)[81 Yong Peng and Rajan D. Capacity bounds for a cognitive◆。認(rèn)知系統(tǒng)認(rèn)知系統(tǒng)Transactions on Vehicular Technology, 2010, 59(4):865-1876.授權(quán)頻道數(shù)9 Scutari G and Palomar D P, MIMO cognitive radio: a game圖6系統(tǒng)吞吐率(SNR=20dB)theoretical approach J]. IEEE Transactions on Sigmal隨授權(quán)頻道數(shù)變化的情況Processing.2010,58(2):761-780.[10 Bakr O, Johnson M, and wild B, et al. A multi-antenna5結(jié)束語本文針對多天線認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)提出一種基于cooperation [C]. IEEE Symposium on New Frontiers in空分復(fù)用的頻譜接入方法( SDM-OSA),并對認(rèn)知系Dynamic Spectrum Access Networks, Chicago, 2008: 1-5.統(tǒng)發(fā)射端與接收端的信號處理算法進(jìn)行設(shè)計,當(dāng)認(rèn)[11] Zhang Lan, Zhang Rui, and Liang Ying-chang, et al. On therelationship between the multi-antenna secrecy知系統(tǒng)無法獲得空閑頻率資源時,仍能夠通過空分communications and cognitive radio communications JI復(fù)用的方式完成通信。仿真結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的非IEEE Transactions on Communications, 2010, 58(6)共存機會頻譜接入(OSA)相比,所提方法能夠在不1877-1886.影響授權(quán)系統(tǒng)性能的情況下降低認(rèn)知通信的阻塞概12 Zhao Q, Tong l, and Swami a,tal. Decentralized cognitive率與中斷概率,并且顯著提高認(rèn)知系統(tǒng)的吞吐率。MAC for opportunistic spectrum access in Ad hoc networks參考文獻(xiàn)a POMDP framework J]. IEEE Jourmal on Selected Areas inCommunications, 2007, 25(3): 589-600[1] Krenik W and Batra A Cognitive radio techniques for wide (13) Bakr O, Johnson M, and Mudumbai R, et al.Multi-antennaa networks C] Design Automation Conference(DAC'05interference cancellation techniques for cognitive radioAnaheim,2005:409412.2 Mitola J. Cognitive radio for flexible mobile multimediaNetworking Conference, Budapest, 2009: 1-6.communication I C). 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