认知无线电网络基于空分复用的机会频谱接入

第33卷第5期电子与信息学报Vol 33No52011年5月Journal of Electronics Information TechnologyMay 2011认知无线电网络基于空分复用的机会频谱接入李钊”赵林靖刘勤(西安电子科技大学综合业务网理论及关键技术国家重点实验室西安710071)摘要:传统的认知无线电技术采用机会频谱接入,认知用户的通信质量难以得到保证。通过利用多天线技术提供的空间信号处理能力,该文提出一种基于空分复用的机会频谱接入方法,当存在频谱空洞时,采用传统的机会频谱接入:无空闲频率资源可用时,认知系统利用空域信息完成发射预编码与接收滤波,从而以空分复用的方式实现通信。文中对认知系统天线配置要求进行了分析,当满足该要求时,认知系统能够与授权系统在同一授权频道实现无互扰共存。仿真结果表明,与传统的机会频谱接入相比,所提方法能够在不影响授权系统性能的情况下有效改善认知系统的通信性能。关键词:认知无线电网络;多天线;预编码;空分复用;阻塞概率中图分类号:TN9295文献标识码:A文章编号: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引言频谱资源的高效利用。由于用户业务的动态性,传统的固定频谱分配但是,传统的有关CR或CRN的研究关注频谱方式对频率资源的利用率很低叫,因此,能够根据电资源的机会共享,即认知用户进行通信环境检测以磁环境进行动态频谱利用的认知无线电技术发现空闲频谱,通过借用该频率资源完成通信。由( Cognitive Radic,CR)应运而生。随着研究的深入,于认知用户是非授权的,具有低优先级,因此当授环境中认知无线电设备如何通过相互协作,达到对对于机会频谱接入(sA,认知通信能否进行取决于是否存在“机会”,即空闲频谱。因此,采用传统的OSA,认知用户的通信质量难以得到保证。20100929收到,20110214改回国家杰出青年科学基金(60725105),国家973计划项目通信是对包括频率在内的多种类型资源,如时(2009cB3204041),长江学者和创新团队发展计划(R0852),国冢间、功率、空间和计算能力等的综合使用例,因此通自然科学基金(08082.高等学校引智计划(B088.教育部科过资源维度拓展寻找接入“机会”成为可能。多天学技术研究重点项日(107103),重大专项(2090070线技术,包括多输入多输出(Muti- Input Multi-高校基本科研业务费专项资金(K50510010022)资助课题Output,MMO)与智能天线,通过空域信号处理能通信作者:李钊z199120126com第5期李钊等:认知无线电网络基于空分复用的机会频谱接入够获得传输效率与链路可靠性的提高,近年来得到认知技术研究人员的关注。文献7提出一种基于多天线的频谱感知方法,文献8]对认知MIMO信道容(闲量进行推导,文献⑨从博弈论角度研究分布式认知MIMO用户与授权用户的共存通信,文献10将蜂窝网作为研究场景,提出一种基于协作的上行链路图2 Markov信道模型频率复用机制,文献[通过研究认知MMO传输与多天线安全通信的关系,对后者的可达信息速率的概率为a,保持在状态0的概率为聞;类似地,进行了推导频道v从状态0转移至状态1的概率为1-B,保持但是,已有工作在讨论认知系统与授权系统的在状态1的概率为1-a。认知用户的忙闲用另一顿谱共享时,并未针对多域资源管理给出具体的信个独立的 Markov过程模拟,与图2类似,其转移号处理算法和频谱共享方法,因此本文提出一种基概率分别为a和f于空分复用的机会频谱接入方法(SDM-OSA),通过在时隙t,PBS能够获得其与占据频道讠的空频资源联合管理,当认知系统检测无线环境却无PU(PU之间的信道信息丑P(),其中i=1…,N法获得空闲频率时,仍能够通过空分复用的方式完CBS能够获得其与CU以及与PU-i之间的信道信成通信。仿真结果表明,与传统的机会频谱接入相息F()和HP(),并通过与PBS交互获得PBS与比,该方法能够在不影响授权系统的情况下有效改U之间的信道信息H()。在本文的讨论中,假善认知系统的通信性能设授权系统与认知系统间存在协作,各反馈链路(包2系统模型括CBS与PBS的信息交互)是可靠的,并且反馈时延相对于信道变化可以忽略131。以下叙述中,在考虑授权系统与认知系统共同覆盖的单小区场个时隙内讨论为了简便,省略时间标记t景,如图1所示,研究下行通信。授权系统包含3信号处理算法与频谱接入方法设计个基站和多个用户。简单起见,认知系统由一个基站和一个用户构成,即不存在认知用户( Cognitive对于传统的OSA,认知用户搜索并借用空闲的UBer,CU)之间的竞争与干扰。授权基站( Prim授权频道以完成通信,但是认知通信不能与授权通Base station,PBS)天线数MF,授权用户( Primary信同时同频共存。一方面,当认知用户试图借用授User,PU)天线数为M;认知基站( Cognitive Base权频道开始一次新的通信而无法获得相应资源时,st,Js)天线数MF,认知用户天线数为M.认知通信阻塞( Blocking:另一方面,当授权用户在授权系统拥有N个频道,假设各频道的带宽均认知通信进行过程中出现时,认知用户必须及时释为B,具有频率平坦衰落特性。多个PU以动态的放借用资源,若能够找到备用频道,则认知通信可方式共享频率资源。基站与用户的通信遵循时隙同持续,否则中断( Outage)通过将多天线技术引入步结构,N个频道的占用服从状态数为M=2的离CRN,当认知用户能够获得空闲频谱时,按照传统散时间 Markov过程。 Markov信道模型如图2所的OSA进行机会接入:当无空闲频率资源可用时,示图中,投权频道i从状态)转移至状态0(闲)认知用户仍能够通过空分复用的方式完成通信(与授权用户共存),同时避免对授权用户产生干扰。以授权系统反馈信道下对共存场景中的信号处理算法进行设计,并在此基础上给出频谱接入方法( SDM-OSA)授权系统数据传输31授权系统授权系统中占用频道讠的用户PU-i的接收信号为授权系统信息来自CBS的十扰来自PBS的y?=H=p+H,z+n其中可与x分别表示PBS和CBs的发射符号向认知系统数传输1量,等号右端第2项表示CBS发射信号对PU-i的干扰认知系统反馈信道在本文的讨论中,假设授权系统采用波束成图1系统模型形6( Beamforming,BF)的方式进行通信(x1174电子与信息学报第33卷z0…0)。对H进行奇异值分解H=UA其中rank()表示矩阵的秩VP)",PBs釆用v={吗00对x进行预处(3)对近归一化,得到预编码向量p=/理,其中为的主右奇异向量(与H的最大奇6|。异值对应):PUi采用!=00的共轭转置注意到p存在非零解的条件是T列满秩,即进行接收滤波,1为丑的主左奇异向量,得到估 rank(T)M,即可r=0;否则,7>0。得到式(13)证毕SDM-OSA方法如下表1给出授权系统采用一些常见天线配置时认(1)根据环境感知结果及系统间协作,初始化资知系统的天线数要求。源矩阵Ry;(2B选择授权频道=agm(),并将相1认知系统天线配置要求关参数通知CU以完成认知通信。信号处理按照32Mr节进行M121212对于第(2)步,当min(r)=0时表示有空闲频M7道,认知通信按照传统OSA以机会方式接入;当2233555min()>0时表示无空闲频道,认知通信以空分复用方式选择最佳(r最小)频道实现共享注意到可能可以发现,为了实现与授权用户的无干扰共存出现多个r均为最小值(或0)的情况,本文采取随机通信,认知系统需配备较多的天线。实际设计中选择的策略。需要在认知通信性能与系统复杂度及成本间进行折根据以上讨论可以发现,本文提出的频谱共享衷。例如,通过放松系统间干扰约束,即将干扰控方法中基于SDM的系统共存设计是对传统OSA的制于某一门限之下141,以降低认知系统复杂度。补充,即认知系统通过配置多天线并利用空域信息以上讨论中,授权系统的通信方式不受限制,在无空闲频谱时以空分方式实现通信,其代价包含认知系统采用BF方式,若认知通信采用多子数据天线配置(将在34节讨论)以及空域信道信息感知流并行传输,如空间复用( Spatial Multiplexing,两方面。SM),此时P=1“pmk)0…则,F=团34认知系统天线配置讨论fnk(r)0…,rank(H)反映最大可能的并行子数理1认知通信采用BF方式,当天线配置满据流个数。以P和f的计算为例(其它p和f的计算足条件式(12),式(13)时,能够根据321节计算p实与之类似),为保证子数据流之间的正交性,CBs现CBS对PU无干扰,同时根据322节计算∫使预编码中T的构造按照3.21节进行,CU接收滤波CU消除来自PBS的干扰需重新构造R=,…,"kg"y",…,umk((12)有以下引理。MT >MR+MR引理1认知通信采用SM方式,无法在保证证明CBS对PU无干扰的同时,于CU端完全消除来自。①根据31节,CBS预编码向量p存在非零PBs的干扰,并且使认知通信子数据流之间无相互解的条件是rank(T)M且MG>M,否则易推5>M且M>MF得min(M,M)<1或者min(M5,MR)<1,不合理(2)类似定理1的证明(2),CU接收滤波矩阵∫存在非零解得条件是rank(R)MR且M>M时ank(H)+rank(H)-1< MRMR+MR M1和M6时,3种方法获得的吞吐率吐率相同。对于认知系统,OSA的吞吐率最低,与参考上界相差无几,这是由于该仿真结果是在授SDM-OSA增加了对空域资源的利用,避免了阻塞权系统业务较轻(a=0.2,=0.8,其中i=1与中断,吞吐率有一定程度提高。 SDM-OSA1在,N)的情况下得到的。当授权业务繁忙时,3种方SNR较高时优于 SDM-OSA-2,而当SNR<4dB时,法均需要在N更大时才能够逼近参考上界。3信噪比(dB)信噪比(dB)授权频道数授权系统(OSA)阻寒概率(OSA--授权系统( SDAI-OSA-1阳塞概率( SDAI-OSA(SD\-OSA-1)认知系统( SDA-OSA1)断概率( SDA-OSA认知系统(参与上界)图3中断概率和阻寒概率(N=2)图4系统吞吐率(N=2)图5中断概率和阻塞概率(SNR=20dB)随SAR变化的情况随SAR变化的情况随授权频道数变化的情况第5期李钊等:认知无线电网络基于空分复用的机会频谱接入11778642Yocognitive radios: GLRT approach [J]. IEEE Transactionson Communication, 2010, 58(1): 84-88.·授权系统[81 Yong Peng and Rajan D. Capacity bounds for a cognitive◆。认知系统认知系统Transactions on Vehicular Technology, 2010, 59(4):865-1876.授权频道数9 Scutari G and Palomar D P, MIMO cognitive radio: a game图6系统吞吐率(SNR=20dB)theoretical approach J]. IEEE Transactions on Sigmal随授权频道数变化的情况Processing.2010,58(2):761-780.[10 Bakr O, Johnson M, and wild B, et al. A multi-antenna5结束语本文针对多天线认知无线电网络提出一种基于cooperation [C]. IEEE Symposium on New Frontiers in空分复用的频谱接入方法( SDM-OSA),并对认知系Dynamic Spectrum Access Networks, Chicago, 2008: 1-5.统发射端与接收端的信号处理算法进行设计,当认[11] Zhang Lan, Zhang Rui, and Liang Ying-chang, et al. On therelationship between the multi-antenna secrecy知系统无法获得空闲频率资源时,仍能够通过空分communications and cognitive radio communications JI复用的方式完成通信。仿真结果表明,与传统的非IEEE Transactions on Communications, 2010, 58(6)共存机会频谱接入(OSA)相比,所提方法能够在不1877-1886.影响授权系统性能的情况下降低认知通信的阻塞概12 Zhao Q, Tong l, and Swami a,tal. Decentralized cognitive率与中断概率,并且显著提高认知系统的吞吐率。MAC for opportunistic spectrum access in Ad hoc networks参考文献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). IEEE International Workshop Mobile (14 Jitvanichphaibool K, Liang Ying-chang, and Zhang RuiMultimedia Communication, San Diego,3-10Beamforming and power control for multi-ar3 Haykin S. Cognitive radio: brain-empowered wirelesstwo-way relaying IC]. IEEE Wireless Communications andmmunications[J]. 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