一種單用戶認知網(wǎng)絡(luò)預(yù)編碼優(yōu)化設(shè)計與空間對齊方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種單用戶認知網(wǎng)絡(luò)預(yù)編碼的優(yōu)化設(shè)計方案及其對應(yīng)的空間對齊算 法，用于增大兩層認知網(wǎng)絡(luò)中二層網(wǎng)絡(luò)的信道容量。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線通信設(shè)備的日益增多，頻譜資源的短缺成為目前無線通信系統(tǒng)研宄中的 一大難題。認知無線電技術(shù)能夠使授權(quán)用戶和認知用戶機會式的享有共同的頻譜帶寬，大 大提高了頻譜利用率，因而得到人們越來越多的關(guān)注，相關(guān)學(xué)者對此也做了大量研宄工作。
[0003]文獻I"CadambeVR，JafarSA.Interferencealignmentanddegreesof freedomofthe-userinterferencechannel[J].IEEETransactionsonInformation Theory, 2008, 54(8) :3425-3441 "引入了干擾對齊（InterferenceAlignment,IA)的思想以 解決認知網(wǎng)絡(luò)對授權(quán)網(wǎng)絡(luò)的干擾問題。
[0004]文獻2"PerlazaSM，DebbahM，LasaulceS，etal.Opportunisticinterference alignmentinMIMOinterferencechannels[C]//IEEE19thInternationalSymposium onPersonal,IndoorandMobileRadioCommunications,PIMRC2008,IEEE, 2008:1-5"通 過建立單個授權(quán)用戶和認知用戶的信道傳輸模型，使用空間對齊技術(shù)設(shè)計認知用戶發(fā)射端 預(yù)編碼矩陣，使認知用戶的發(fā)射信號對齊到授權(quán)用戶接收端的零空間中，并在認知用戶接 收端設(shè)計后處理矩陣（Post-processingMatrix)，白化授權(quán)網(wǎng)絡(luò)發(fā)射端傳給認知用戶接收 端的干擾信號，最終使認知網(wǎng)絡(luò)不會干擾授權(quán)網(wǎng)絡(luò)，并同時正常工作。
[0005] 文獻 3''HuppertC.Opportunisticresourceallocationinmimocognitive systemswithmultipleusers[C]//201IInternationalITGWorkshoponSmart Antennas(WSA)，IEEE，2011:1-6"將文獻2中的單認知用戶信道模型擴展到了多認知用戶 信道模型，并設(shè)計了認知網(wǎng)絡(luò)中廣播信道和多址接入信道情況下的預(yù)編碼矩陣和后處理矩 陣。
[0006] 文獻 4"IoannisK.Spacealignmentforcognitivetransmissionin MIMOuplinkchannels[J].EURASIPJournalonWirelessCommunicationsand Networking，2010"提出了一種具有通用接收機的認知網(wǎng)絡(luò)信道模型，設(shè)計了認知網(wǎng)絡(luò)的預(yù) 編碼矩陣和通用接收機的后處理矩陣，使認知網(wǎng)絡(luò)信號對齊到授權(quán)網(wǎng)絡(luò)的零空間內(nèi)。同時 還提出了一種基于門限的注水功率分配（WaterfillingPowerAllocation,WPA)算法，增 加了二層網(wǎng)絡(luò)中可用的空間維度。但是，在設(shè)計認知網(wǎng)絡(luò)發(fā)射機的預(yù)編碼矩陣時，并未對得 到的預(yù)編碼矩陣進行能量歸一化，這樣會使其認知用戶最終的發(fā)射功率超出約束條件，與 實際應(yīng)用不符。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明在文獻4的基礎(chǔ)上提出了一種改進的二層網(wǎng)絡(luò) 預(yù)編碼方案和一種對應(yīng)的迭代空間對齊算法，在確保一層授權(quán)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量（Quality ofService，QoS)指標的前提下，能夠進一步增大二層網(wǎng)絡(luò)的信道容量，提高頻譜利用率， 使二層網(wǎng)絡(luò)的信道容量在低信噪比條件下得到極大提升。
[0008] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：
[0009] 1)節(jié)點P和節(jié)點R共同構(gòu)成一層網(wǎng)絡(luò)，對從節(jié)點P和節(jié)點R的信道矩陣 Hkp進行奇異值分解，得Hrp =UpApVg，Up €Cmxm和Vp €Cmxm均為酉矩陣，Ap=diag{ApisAp2!…，>pm}€Cmxm為奇異值對角矩陣；
[0010]2)令節(jié)點P的預(yù)編碼矩陣Gp=VP，接收端后處理矩陣F=Uf;
[0011] 3)計算一層網(wǎng)絡(luò)采用門限注水算法的門限值Pthe[0，Pd)，包括以下步驟：
[0012] i.使用傳統(tǒng)注水算法計算一層網(wǎng)絡(luò)的最大信道容量
[0019] 其中，M為每個節(jié)點配備的天線數(shù)；
[0020] 5)求解改進后的逆矩陣Hg=H||s (HasHlIs +S2Ix,) '其中e2為引入的干擾
[0021] 6)令改進的二層網(wǎng)絡(luò)預(yù)編碼矩陣6S =iSt^Upp1/2,其中/1通過將％】代入公式
[0022] 本發(fā)明還提供上述計算結(jié)果的空間對齊方法，包括以下步驟：
[0023] 步驟1.令e2取#，計算一層網(wǎng)絡(luò)的初始信道容量CW=Ef - ，其 中，S(k)表示有用的接收信號，J(k)表示第k個符號上引入的干擾信號；
[0024] 步驟2.在節(jié)點S比較第i次一層網(wǎng)絡(luò)的信道容量CjP QoS指標a C^，如果Cpi
的信道容量CPi+1，直到Cpi彡aC。。
[0025] 本發(fā)明的有益效果是：在保證一層網(wǎng)絡(luò)滿足QoS指標的前提下，能夠較大提升二 層網(wǎng)絡(luò)的信道傳輸速率，增大了二層網(wǎng)絡(luò)的信道容量。
【附圖說明】
[0026] 圖1是認知網(wǎng)絡(luò)信道模型示意圖；
[0027] 圖2是不同算法下一層網(wǎng)絡(luò)和二層網(wǎng)絡(luò)信道容量圖。
【具體實施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實施 例。
[0029] 本發(fā)明所使用的信道模型為具有三個節(jié)點的認知網(wǎng)絡(luò)信道，其通信原理框圖如圖 1所示。每個節(jié)點均配有M(M>1)根天線并工作在相同的頻段。節(jié)點P和節(jié)點R共同構(gòu)成一 層網(wǎng)絡(luò)（授權(quán)網(wǎng)絡(luò)），并對通信頻段具有最高的使用權(quán)。節(jié)點S和節(jié)點R構(gòu)成二層網(wǎng)絡(luò)，其 傳輸原則是不能影響一層網(wǎng)絡(luò)的正常工作。
[0030] 接收端R接收到的信號可以表示為
[0031] y=HEPGpXp+HESGsxs+z (1)
[0032] 其中，xP€ 和XSeCwx1分別表示節(jié)點P和S發(fā)送的信號向量，設(shè)定所有發(fā) 射節(jié)點（p和s)的傳輸總功率約束為pd。GpeCwxm和GseMxI分別表示發(fā)射節(jié)點P和S的預(yù)編碼矩陣，并且滿足Jmce{GpG{..f} =rr，{GsGH=A/。Hrpe0說和 HrsG分別表示從P到R和從S到R的信道矩陣。zeCAfxi表示零均值循環(huán)復(fù)對稱 高斯噪聲，并且服從CAT(0，<IM)啲分布，其中Im表示MXM的單位矩陣，d表示噪聲的功 率。在接收端R，所有天線接收到的信號均要經(jīng)過后處理矩陣FeCmxm進行線性變換。設(shè) 定發(fā)射節(jié)點P和接收節(jié)點R均能夠獲得完美的一層網(wǎng)絡(luò)信道狀態(tài)信息Hkp，發(fā)射節(jié)點S能夠 獲得完美的全局信道狀態(tài)信息Hkp和HKS。
[0033] 本發(fā)明分兩部分進行描述：二層網(wǎng)絡(luò)預(yù)編碼優(yōu)化設(shè)計方案和空間對齊算法。
[0034] I二層網(wǎng)絡(luò)預(yù)編碼優(yōu)化設(shè)計方案
[0035] 本發(fā)明提出的改進的二層網(wǎng)絡(luò)預(yù)編碼方案詳細設(shè)計如下：
[0036] 1)對Hkp進行奇異值分解得'Hrp =UpApVf，Up€Cmxm和Vp€Ca1xm均為酉 矩陣，Ap =diag{APi，Ap2,…，Owxm:為奇異值對角矩陣。
[0037]2)令預(yù)編碼矩陣Gp= V P，接收端后處理矩陣F=Ug。
[0038] 3)計算一層網(wǎng)絡(luò)采用門限注水算法的門限值PthE [0, Pd)。
[0039]iii.計算Ctl。使用傳統(tǒng)注水算法計算一層網(wǎng)絡(luò)的最大信道容量，計算公式為
公式中（5)計算得到。
[0050]至此，二層網(wǎng)絡(luò)預(yù)編碼優(yōu)化方案設(shè)計完成。為了獲得最大的信道容量，二層網(wǎng)絡(luò)采 用均分的功率分配方案，其平均信道容量表達式可以推導(dǎo)為
[0052] 其中，m表示一層網(wǎng)絡(luò)留給二層網(wǎng)絡(luò)的可用維度總和。在公式（5)的約束條件下， 我們可以得到，當(dāng)信噪比較低時，改進后的會使得./J增大，再根據(jù)式（6)，/f:增大將導(dǎo)致 Cs增大，因此，本發(fā)明所提的預(yù)編碼優(yōu)化方案能夠有效的提升二層網(wǎng)絡(luò)的信道容量。
[0053]II空間對齊算法
[0054]I中的二層網(wǎng)絡(luò)預(yù)編碼優(yōu)化方案能夠提升二層網(wǎng)絡(luò)的信道容量，但步驟5)采用的 正則化求逆會使二層網(wǎng)絡(luò)對一層網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾，因此，為了在提升二層網(wǎng)絡(luò)的信道容量時 能夠確保一層網(wǎng)絡(luò)達到設(shè)計的QoS指標，本發(fā)明采用一種空間對齊算法來解決此問題，算 法的具體步驟如下：
[0055] 步驟1.節(jié)點P、R和S根據(jù)設(shè)計的QoS指標a Ctl計算出功率注水門限P th;根據(jù)I 中步驟1)、2)、3)計算一層網(wǎng)絡(luò)預(yù)編碼矩陣GP，后處理矩陣F和功率分配矩陣Pp。節(jié)點S根 據(jù)I中步驟4)、5)、6)計算改進的二層網(wǎng)絡(luò)預(yù)編碼矩陣Gs。
[0056] 步驟2.令e2取初值，計算一層網(wǎng)絡(luò)的初始信道容量為
[0058] 其中，S(k)表示有用的接收信號，J(k)表示第k個符號上引入的干擾信號。
[0059] 步驟3.在節(jié)點S，比較第i(i= 0, 1，…表示迭代次數(shù)）次一層網(wǎng)絡(luò)的信道容量
數(shù)，返回到步驟2計算下一次的信道容量CPi+1，直到CPi> a C^，停止迭代，至此形成最終的 空間對齊方案。
[0060] 在實施例中，設(shè)定發(fā)射節(jié)點P，S和接收節(jié)點R均配備M= 8根天線，每根天線的發(fā) 射功率設(shè)為1，則發(fā)射總功率Pd= 8。設(shè)定a=0.9以確保一層網(wǎng)絡(luò)能保持較大的信道容 量。
[0061] 圖2展示了文獻4和本發(fā)明所提算法一層網(wǎng)絡(luò)和二層網(wǎng)絡(luò)的信道容量的對比結(jié) 果。從圖中可以看出，對于一層網(wǎng)絡(luò)，本發(fā)明所提算法與文獻4的算法均能使一層網(wǎng)絡(luò)信道 容量滿足設(shè)計的QoS指標。對于二層網(wǎng)絡(luò)的信道容量，本發(fā)明所提算法性能要優(yōu)于文獻4所 提算法，特別是在低信噪比條件下，本發(fā)明所提算法性能非常明顯地優(yōu)于文獻4所提算法。
【主權(quán)項】
1. 一種單用戶認知網(wǎng)絡(luò)預(yù)編碼優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于包括下述步驟： 1) 節(jié)點P和節(jié)點R共同構(gòu)成一層網(wǎng)絡(luò)，對從節(jié)點P和節(jié)點R的信道矩陣Hkp進行奇異值 分解，得Hrp =UpApViiJ，UPeCmxm和VPeCmxm均為酉矩陣，AP=diag{>P1，入P2，…， 入PM}eCmxm為奇異值對角矩陣； 2) 令節(jié)點P的預(yù)編碼矩陣Gp=VP，接收端后處理矩陣F=Ug; 3) 計算一層網(wǎng)絡(luò)采用門限注水算法的門限值Pthe[OPd)，包括以下步驟：1. 使用傳統(tǒng)注水算法計算一層網(wǎng)絡(luò)的最大信道容量Q1=C(O)=Iog2det(FHkpGpPp(O) GpiiHkp hFh)，其中Pp(O)為門限值Pa= 0時的功率分配矩陣，其矩陣元素其中，M為每個節(jié)點配備的天線數(shù)； 5) 求解改進后的逆矩陣=Hgs (HR8Hgs+e2IM)_1，其中e2為引入的干擾因子，6) 令改進的二層網(wǎng)絡(luò)預(yù)編碼矩陣6s =ifi』uPP1/2,其中通過將代入公式2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單用戶認知網(wǎng)絡(luò)預(yù)編碼優(yōu)化設(shè)計方法的空間對齊方法，其特 征在于包括下述步驟：其中，S(k)表示有用的接收信號，J(k)表示第k個符號上引入的干擾信號； 步驟2.在節(jié)點S比較第i次一層網(wǎng)絡(luò)的信道容量CpJPQoS指標aCtl，如果CPi<aC。， 令+I) = ￡2(?:)-勞分，其中K表不最大的迭代次數(shù)，返回到步驟1計算下一次的f目道容 量CPi+1，直到CPi>ac。。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種單用戶認知網(wǎng)絡(luò)預(yù)編碼優(yōu)化設(shè)計與空間對齊方法，首先進行二層網(wǎng)絡(luò)預(yù)編碼優(yōu)化設(shè)計，對信道矩陣HRP進行奇異值分解，計算一層網(wǎng)絡(luò)采用門限注水算法的門限值，設(shè)計節(jié)點S的預(yù)編碼矩陣，求解改進后的逆矩陣得到改進的二層網(wǎng)絡(luò)預(yù)編碼矩陣；然后進行空間對齊。本發(fā)明在確保一層授權(quán)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量指標的前提下，能夠進一步增大二層網(wǎng)絡(luò)的信道容量，提高頻譜利用率，使二層網(wǎng)絡(luò)的信道容量在低信噪比條件下得到極大提升。
【IPC分類】H04B7/04
【公開號】CN104967470
【申請?zhí)枴緾N201510274408
【發(fā)明人】姚如貴, 李路, 李耿, 王伶, 張兆林
【申請人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年10月7日
【申請日】2015年5月26日