認(rèn)知MIMO系統(tǒng)基于授權(quán)通信模式信息的空頻域機(jī)會(huì)接入

李釗，李建東，肖麗媛

(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710071)

1 引言

近年來，動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)受到越來越廣泛的關(guān)注，這主要源于以下2個(gè)方面事實(shí)，①可分配給新應(yīng)用的頻譜資源越來越稀缺，②目前已分配頻譜的利用率低。因此，頻譜短缺的問題更主要的是由于頻譜管理政策的不合理，而不是可用頻率資源的不足[1]。

動(dòng)態(tài)頻譜共享是在保證授權(quán)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的前提下允許非授權(quán)應(yīng)用共享已分配的頻率資源，實(shí)現(xiàn)頻譜共享的基本方法包括重疊(underlay)共享方式和交叉(overlay)共享方式[2]。重疊共享允許次級(jí)業(yè)務(wù)持續(xù)接入頻譜，但認(rèn)知用戶的發(fā)射功率受到嚴(yán)格控制，即認(rèn)知用戶對(duì)授權(quán)通信的干擾需滿足干擾容限。交叉共享對(duì)認(rèn)知用戶的發(fā)射功率沒有嚴(yán)格約束，但需要通過準(zhǔn)確感知頻譜環(huán)境，合理選擇空閑頻譜完成認(rèn)知通信。在重疊共享方式中，即便授權(quán)用戶不發(fā)射，次級(jí)業(yè)務(wù)同樣受到干擾容限的約束，對(duì)潛在的通過檢測授權(quán)用戶行為可獲得的頻譜機(jī)會(huì)未加利用；而交叉共享未考慮授權(quán)業(yè)務(wù)的干擾容限，忽略了系統(tǒng)共存的可能。這2種方法對(duì)頻譜資源的利用都存在不足，因此也出現(xiàn)了將交叉共享與重疊共享相結(jié)合的混合策略的研究[2]。

認(rèn)知無線電(CR, cognitive radio)技術(shù)[3]根據(jù)電磁環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻譜利用，在頻譜共享領(lǐng)域具有重要研究意義。隨著研究的深入，一部分工作將認(rèn)知技術(shù)與多輸入多輸出(MIMO, multi-input multi-output)技術(shù)相結(jié)合，利用多天線提供的空域信號(hào)處理能力設(shè)計(jì)頻譜感知與共享方法[4～7]。其中，文獻(xiàn)[4]提出一種基于多天線的頻譜感知方法，文獻(xiàn)[5]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)[6]針對(duì)認(rèn)知 MIMO上行通信設(shè)計(jì)了傳輸策略，將頻域空洞拓展至空域，但在其研究場景中要求授權(quán)業(yè)務(wù)與認(rèn)知業(yè)務(wù)的通信目的相同，并且授權(quán)與認(rèn)知通信的空間信道特征完全對(duì)齊(alignment)，這些條件在實(shí)際中難以滿足。文獻(xiàn)[7]針對(duì)認(rèn)知MIMO系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種混合頻譜共享策略，當(dāng)存在頻譜空洞時(shí)，認(rèn)知業(yè)務(wù)以交叉方式實(shí)現(xiàn)頻譜共享，當(dāng)無空閑頻譜資源可用時(shí)，則采用基于空分復(fù)用(SDM, space division multiplexing)的重疊共享方式。但是文獻(xiàn)[7]僅根據(jù)干擾信道信息設(shè)計(jì)信號(hào)處理算法，未考慮授權(quán)業(yè)務(wù)傳輸方式的影響，對(duì)認(rèn)知系統(tǒng)天線配置要求高，增加了實(shí)現(xiàn)的困難。另外，基于空間相關(guān)度的空域資源質(zhì)量評(píng)價(jià)未考慮特征模式(eigenmode)的傳輸增益，以及認(rèn)知業(yè)務(wù)固定地采用主特征模式，這些都導(dǎo)致空域資源的評(píng)估與利用不夠合理。

事實(shí)上，多天線通信系統(tǒng)中空域資源的狀態(tài)受到授權(quán)通信空間信號(hào)處理方式的影響。本文綜合利用系統(tǒng)間干擾信道信息以及授權(quán)業(yè)務(wù)通信模式信息，對(duì)文獻(xiàn)[7]所提策略的重疊共享部分重新設(shè)計(jì)，顯著降低認(rèn)知系統(tǒng)天線配置要求。另外，在空域資源質(zhì)量評(píng)價(jià)方面綜合考察空間相關(guān)度與特征模式傳輸增益，實(shí)現(xiàn)授權(quán)頻道與認(rèn)知特征模式的合理選擇。

2 系統(tǒng)模型

本文研究授權(quán)系統(tǒng)與認(rèn)知系統(tǒng)共同覆蓋的單小區(qū)下行通信，如圖1所示。授權(quán)系統(tǒng)包含一個(gè)基站和多個(gè)用戶。為了簡單，認(rèn)知系統(tǒng)由一個(gè)基站和一個(gè)用戶構(gòu)成，即不考慮認(rèn)知用戶(CU, cognitive user)之間的競爭與干擾。授權(quán)基站(PBS, primary base station)天線數(shù) MBpS，授權(quán)用戶(PU, primary user)天線數(shù)為 MUp；認(rèn)知基站(CBS, cognitive base station)天線數(shù) MBcS，認(rèn)知用戶天線數(shù)為 MUc。

圖1 系統(tǒng)模型

圖2 Markov信道模型

授權(quán)系統(tǒng)擁有N個(gè)頻道，為了簡明，圖中僅畫出 2N= 的情況。假設(shè)各頻道的帶寬相同，具有頻率平坦衰落特性。多個(gè)PU以動(dòng)態(tài)的方式共享頻率資源，任一時(shí)刻一個(gè)授權(quán)頻道至多由一個(gè)PU占用?；九c用戶的通信遵循時(shí)隙同步結(jié)構(gòu)，N個(gè)頻道的占用服從狀態(tài)數(shù)為2N的離散時(shí)間Markov過程[8]。Markov信道模型如圖2所示。圖中，授權(quán)頻道i從狀態(tài)1(忙)轉(zhuǎn)移至狀態(tài)0(閑)的概率為 αip，保持在狀態(tài)0的概率為 βip。類似地，頻道i從狀態(tài)0轉(zhuǎn)移至狀態(tài) 1的概率為 1 -βip，保持在狀態(tài)1的概率為1-αp。認(rèn)知業(yè)務(wù)的忙閑用另一個(gè)獨(dú)立的Markovi過程模擬，與圖2類似，其轉(zhuǎn)移概率分別為αc和βc。輕重，其值越低表明頻譜空洞越稀缺以及對(duì)頻譜空洞的需求越大。

3 基于授權(quán)通信模式信息的空頻域機(jī)會(huì)接入

本節(jié)給出基于授權(quán)通信模式信息(PTMI, primary transmission mode information)的空頻域機(jī)會(huì)接入(OSFA, opportunistic spatio-frequency access)策略。當(dāng)存在頻譜空洞時(shí)，認(rèn)知業(yè)務(wù)以交叉共享方式實(shí)現(xiàn)傳輸；當(dāng)無空閑頻譜資源可用時(shí)，綜合利用授權(quán)通信模式信息與系統(tǒng)間干擾信道信息，以重疊共享方式實(shí)現(xiàn)認(rèn)知業(yè)務(wù)傳輸。OSFA-PTMI是一種混合頻譜共享策略，其設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于重疊共享部分，因此以下討論在認(rèn)知業(yè)務(wù)與授權(quán)業(yè)務(wù)共存的場景中進(jìn)行。假設(shè)授權(quán)通信可進(jìn)行空間復(fù)用(SM, spatial multiplexing)與波束成形(BF, beamforming)2種模式的自適應(yīng)，認(rèn)知通信在交叉共享方式下采用與授權(quán)通信相同的模式自適應(yīng)，但在重疊共享方式下，考慮到認(rèn)知系統(tǒng)需要避免對(duì)授權(quán)系統(tǒng)的干擾，同時(shí)抑制來自對(duì)方的干擾，采用可靠性更高的BF方式。

3.1 基本信號(hào)處理

在進(jìn)行OSFA-PTMI具體設(shè)計(jì)前，首先給出授權(quán)系統(tǒng)與認(rèn)知系統(tǒng)的基本信號(hào)處理。以頻道i為例，經(jīng)過發(fā)射預(yù)編碼與接收濾波處理的PUi接收信號(hào)為

其中， xip表示PBS發(fā)射符號(hào)(向量)，其維度取決于權(quán)通信模式為BF；若 mip＞1，則為SM。發(fā)射預(yù)編進(jìn)行奇異值分解得到，的列數(shù)等于授權(quán)業(yè)務(wù)特征模式數(shù) mip。n為加性高斯白噪聲向量，各個(gè)分量的方差均為 σn2。重疊共享方式下認(rèn)知通信采用BF方式， xc表示CBS發(fā)射符號(hào)， Pc表示CBS發(fā)射預(yù)編碼向量。式(1)中等號(hào)右端第 2項(xiàng)表示 CBS干擾信道信息 Hicp合成得到的等效矩陣。

對(duì)于與授權(quán)業(yè)務(wù)共享頻道i的認(rèn)知業(yè)務(wù)，經(jīng)過收發(fā)端信號(hào)處理后CU的接收信號(hào)由式(2)給出。

其中， Fc表示 CU接收濾波向量，等號(hào)右端第 2項(xiàng)表示PBS與PUi的通信對(duì)CU的干擾，需要設(shè)計(jì)式信息 V?ip與PBS對(duì)CU干擾信道信息 Hpc合成得到的等效矩陣。類似地，定義認(rèn)知業(yè)務(wù)使用的特征模式個(gè)數(shù)為 mc。以上討論是在Underlay共享方式下進(jìn)行的，需要指出的是，當(dāng)存在頻譜空洞時(shí)，認(rèn)知通信自適應(yīng)選擇 mc，認(rèn)知發(fā)射符號(hào)(向量)可表示為 xc，其維度取決于 mc， Pc和 Fc的列數(shù)等于認(rèn)知業(yè)務(wù)采用的特征模式數(shù) mc。

3.2 重疊共享方式的認(rèn)知信號(hào)處理

如前所述，OSFA-PTMI屬于混合頻譜共享，其設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于重疊共享部分的設(shè)計(jì)。根據(jù)式(1)和式(2)，綜合考慮干擾抑制與認(rèn)知業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量以及認(rèn)知移動(dòng)終端的硬件約束，將主要信號(hào)處理放在CBS，即設(shè)計(jì) Pc使CBS實(shí)現(xiàn)對(duì)PUi干擾消除以及對(duì)CU的發(fā)射波束成形，在CU端設(shè)計(jì) Fc濾出經(jīng)由與 Pc對(duì)應(yīng)的特征模式傳輸?shù)男畔?，并完成?duì)來自 PBS干擾的抑制。重疊共享方式的認(rèn)知信號(hào)處理算法如下。

步驟1 遍歷全體授權(quán)頻道(1≤i≤N)和認(rèn)知通信特征模式 (1 ≤ j ≤ r ank(Hc))，分別對(duì)等效矩陣矩陣采用 Gram-Schmidt方法對(duì) Ti,j標(biāo)準(zhǔn)正交化，得到CU端構(gòu)造矩陣注意到Ri,j由一組標(biāo)準(zhǔn)正交基構(gòu)成，取

步驟3 選擇授權(quán)頻道i?和特征模式 ?j完成認(rèn)知通信。

根據(jù)式(6)，所提方法能夠獲得授權(quán)頻道與特征模式的選擇分集增益。CBS與CU的信號(hào)處理分別由步驟4和步驟5給出。正交子空間。

步驟5 CU端信號(hào)處理。將 uc?j投影到的正交子空間。

對(duì) u?c?j歸 一 化 ， 得 到 接 收 濾 波 向 量

根據(jù)上述算法，重疊共享場景中認(rèn)知系統(tǒng)吞吐率由式(9)給出，

3.3 認(rèn)知系統(tǒng)天線配置討論

根據(jù)3.2節(jié)信號(hào)處理算法的描述，認(rèn)知業(yè)務(wù)采用重疊共享方式的基礎(chǔ)是空間正交投影的實(shí)現(xiàn)，Pc與 Fc有非零解取決于授權(quán)業(yè)務(wù)與認(rèn)知業(yè)務(wù)采用的空間特征模式個(gè)數(shù)以及認(rèn)知系統(tǒng)的天線配置。以下不對(duì)認(rèn)知業(yè)務(wù)傳輸模式約束，進(jìn)行更具一般性( mc≥ 1)的討論。

首先討論 Pc有非零解的認(rèn)知系統(tǒng)天線配置要求。假設(shè)認(rèn)知業(yè)務(wù)采用的特征模式集合為J = { j1, … , jmc}。根據(jù)3.2節(jié)，一方面為避免對(duì)PUi產(chǎn)生干擾， Pc需要與正交；另一方面， Pc需要與j∈J以外的其余認(rèn)知特征模式正交(包括認(rèn)知業(yè)務(wù)采用的和未采用的模式)，即 Pc與正交。并且， Pc的各個(gè)列向量也要保證相互正交。根據(jù)上述討論，需要以下不等式成立：以進(jìn)一步得到

接下來討論 Fc有非零解的認(rèn)知系統(tǒng)天線配置要求。根據(jù)3.2節(jié)， Fc僅完成對(duì)來自PBS干擾的抑制，即中前 mp列正交，因此要i求以下不等式成立：

將式(12)代入式(11)可得

由式(12)和式(13)可以發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知系統(tǒng)的天線配置獨(dú)立于授權(quán)系統(tǒng)天線配置，僅取決于授權(quán)業(yè)務(wù)與認(rèn)知業(yè)務(wù)的傳輸模式。另外，以上討論未約束 mc，在本文設(shè)計(jì)的具體算法和仿真中，固定 mc= 1 。

根據(jù)以上討論，表1給出授權(quán)業(yè)務(wù)采用自適應(yīng)通信(包括BF和SM)，認(rèn)知業(yè)務(wù)采用BF方式實(shí)現(xiàn)重疊頻譜共享需滿足的天線配置要求。為了簡單，限定 mp≤ 2 。i

表1 認(rèn)知系統(tǒng)天線配置要求

4 仿真結(jié)果

圖3 系統(tǒng)吞吐率(N=2)

圖4 系統(tǒng)吞吐率(SNR=10dB)

5 結(jié)束語

本文針對(duì)認(rèn)知 MIMO系統(tǒng)提出一種空頻域機(jī)會(huì)接入策略 OSFA-PTMI。當(dāng)存在頻譜空洞時(shí)，認(rèn)知業(yè)務(wù)以交叉共享方式實(shí)現(xiàn)傳輸；當(dāng)無空閑頻譜資源可用時(shí)，綜合利用授權(quán)通信模式信息與系統(tǒng)間干擾信道信息，以重疊共享方式實(shí)現(xiàn)認(rèn)知業(yè)務(wù)傳輸。該方法綜合考察空間相關(guān)度與特征模式傳輸增益進(jìn)行空域資源質(zhì)量評(píng)價(jià)，能夠獲得授權(quán)頻道與認(rèn)知特征模式的選擇分集增益。并且，基于PTMI的信號(hào)處理降低了認(rèn)知系統(tǒng)天線配置要求以及認(rèn)知信號(hào)的功率損失。仿真結(jié)果表明，所提策略能夠在不影響授權(quán)業(yè)務(wù)的前提下顯著改善認(rèn)知業(yè)務(wù)性能，獲得接近最佳的認(rèn)知吞吐率。

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