張慧杰，李 莉，夏 林，楊敬文

(上海師范大學(xué)信息與機(jī)電工程學(xué)院，上海200234)

0 引言

隨著無(wú)線(xiàn)服務(wù)的日益增加，很少有無(wú)線(xiàn)頻譜資源會(huì)被剩余，兩個(gè)不同的無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)同時(shí)共存的機(jī)會(huì)增多．例如，在 UWB(ultra wideband)技術(shù)中，F(xiàn)CC 把3．1～10．6 GHz頻譜帶中7．5 GHz頻譜分給想接入到UWB又沒(méi)有分配頻譜的設(shè)備，但是這個(gè)7．5 GHz的頻譜已經(jīng)被IEEE802．16e或者是WiMAX作為主用戶(hù)所使用，由此就得利用到認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電的檢測(cè)、避免［1］和伺機(jī)接入技術(shù)．

認(rèn)知MIMO通信系統(tǒng)將認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電與MIMO技術(shù)相結(jié)合，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電中存在的基本問(wèn)題可以從時(shí)域和頻域的角度加以解決，但從空域的角度解決能夠使得主用戶(hù)和認(rèn)知用戶(hù)在時(shí)間和頻率上同重疊，更好地提高頻譜利用率．將MIMO技術(shù)應(yīng)用于認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，可以進(jìn)一步利用MIMO的陣列增益、分集增益、復(fù)用增益等來(lái)提高認(rèn)知無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源利用率，還可以應(yīng)用MIMO的波束成型，預(yù)編碼技術(shù)來(lái)對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)中的各種干擾［2］．在認(rèn)知MIMO通信系統(tǒng)中，主用戶(hù)和認(rèn)知用戶(hù)共存，且均采用多輸入多輸出天線(xiàn)進(jìn)行傳輸．但隨著網(wǎng)絡(luò)中用戶(hù)數(shù)和吞吐量需求的日益增大，用戶(hù)間的干擾總是制約著網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，因此尋求有效的干擾管理方法顯得尤為關(guān)鍵．學(xué)者們提出了干擾對(duì)齊［3］，作為與MIMO技術(shù)相結(jié)合的一種技術(shù)手段，可以有效地抑制或消除用戶(hù)間的干擾，實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)的共存．

在專(zhuān)利［4］中，針對(duì)認(rèn)知MIMO通信系統(tǒng)，提出了一種基于干擾對(duì)齊技術(shù)的兩級(jí)預(yù)編碼的設(shè)計(jì)方法，該方法對(duì)主用戶(hù)和認(rèn)知用戶(hù)的發(fā)送端進(jìn)行預(yù)編碼矩陣的設(shè)計(jì)，在認(rèn)知用戶(hù)伺機(jī)接入到主用戶(hù)頻譜進(jìn)行通信的過(guò)程中，把認(rèn)知用戶(hù)對(duì)主用戶(hù)的干擾對(duì)齊到主用戶(hù)未用的空間子信道中，同時(shí)通過(guò)第二級(jí)預(yù)編碼的設(shè)計(jì)來(lái)保證認(rèn)知用戶(hù)自身的傳輸性能．在所設(shè)計(jì)的這個(gè)方法中，只考慮了減少認(rèn)知用戶(hù)對(duì)主用戶(hù)的干擾，沒(méi)有考慮認(rèn)知用戶(hù)之間干擾情況，為了進(jìn)一步提高認(rèn)知系統(tǒng)的吞吐量，進(jìn)行如下的研究．

1 系統(tǒng)模型

如圖1所示，考慮一個(gè)主用戶(hù)和k個(gè)認(rèn)知用戶(hù)通信的場(chǎng)景下，主用戶(hù)和認(rèn)知用戶(hù)發(fā)射端天線(xiàn)數(shù)設(shè)置為M，接收端天線(xiàn)數(shù)設(shè)置為N，認(rèn)知用戶(hù)采用伺機(jī)接入主用戶(hù)信道的方式進(jìn)行通信．

對(duì)于主用戶(hù)，在傳輸?shù)倪^(guò)程中受到來(lái)自認(rèn)知用戶(hù)的干擾，這時(shí)為了減少干擾，對(duì)認(rèn)知用戶(hù)的發(fā)送端進(jìn)行預(yù)編碼矩陣設(shè)計(jì)［4］，為了消除認(rèn)知用戶(hù)之間的干擾，在認(rèn)知用戶(hù)系統(tǒng)中，對(duì)于k個(gè)認(rèn)知用戶(hù)CR1，CR2，…，CRk，采用時(shí)分復(fù)用方式進(jìn)行通信，設(shè)定在ti(i=1，…，k)時(shí)間段CRi進(jìn)行傳輸，且t1+t2+ …+tk=1，這樣，k個(gè)認(rèn)知用戶(hù)在傳輸?shù)倪^(guò)程中，處在不同的傳輸時(shí)間段，不會(huì)受到彼此的干擾．在圖1的系統(tǒng)模型中，第i個(gè)認(rèn)知用戶(hù)接收端的表達(dá)式為:

圖1 認(rèn)知MIMO系統(tǒng)模型圖

那么，可以算出第i個(gè)用戶(hù)的吞吐量表達(dá)式為:

其中，xi，xj，x0分別為認(rèn)知用戶(hù)i，認(rèn)知用戶(hù)j和主用戶(hù)的發(fā)送信號(hào)，Pi為認(rèn)知用戶(hù)的發(fā)送功率，P0為主用戶(hù)的發(fā)送功率，Hii為第i個(gè)認(rèn)知用戶(hù)的傳輸信道矩陣，Hij為第j個(gè)認(rèn)知用戶(hù)對(duì)第i個(gè)認(rèn)知用戶(hù)的干擾信道矩陣，Hi0為主用戶(hù)對(duì)第i個(gè)認(rèn)知用戶(hù)的干擾信道矩陣，Ni是均值為0，方差為1的復(fù)高斯噪聲．

2 基于時(shí)分復(fù)用的干擾消除算法

本章算法中，對(duì)認(rèn)知系統(tǒng)中的認(rèn)知用戶(hù)通信的整個(gè)時(shí)間段進(jìn)行劃分，在保證整個(gè)認(rèn)知系統(tǒng)吞吐量最大的情況下，得到每個(gè)認(rèn)知用戶(hù)的傳輸時(shí)間段，然后在對(duì)應(yīng)的傳輸時(shí)間段下進(jìn)行此認(rèn)知用戶(hù)的通信，此時(shí)只有單個(gè)認(rèn)知用戶(hù)進(jìn)行通信，避免受到其他認(rèn)知用戶(hù)的干擾．本章所提出的算法旨在消除式(1)中等號(hào)右邊的第二項(xiàng)式子表示的干擾．

研究一個(gè)主用戶(hù)和3個(gè)認(rèn)知用戶(hù)CR1，CR2，CR3進(jìn)行通信的場(chǎng)景下，CR1，CR2，CR3所傳輸?shù)臅r(shí)間段分別為t1，t2，t3，且t1+t2+t3=1．同時(shí)為了考慮認(rèn)知系統(tǒng)中各認(rèn)知用戶(hù)的公平性，研究的問(wèn)題可以歸結(jié)為:

其中，下標(biāo)i表示第i個(gè)認(rèn)知用戶(hù)，這里i=1，2，3;Pi為認(rèn)知用戶(hù)i的發(fā)送功率;ξth為主用戶(hù)所能容忍的干擾門(mén)限．

利用窮舉法，可以求得吞吐量C取得最大時(shí)的t1，t2，t3的值以及C的最大值．此時(shí)得到的即為兩個(gè)認(rèn)知用戶(hù)各自通信的時(shí)間段，在時(shí)刻t1認(rèn)知用戶(hù)CR1進(jìn)行通信，在時(shí)刻t2認(rèn)知用戶(hù)CR2進(jìn)行通信，在時(shí)刻t3認(rèn)知用戶(hù)CR3進(jìn)行通信，這樣各自在通信的過(guò)程中只有自身在進(jìn)行傳輸，不受其他認(rèn)知用戶(hù)的干擾．各認(rèn)知用戶(hù)在通信的過(guò)程中，雖然沒(méi)有受到其他認(rèn)知用戶(hù)的干擾，但是自身進(jìn)行通信的時(shí)間也減少了．

這里，除了考慮吞吐量這個(gè)技術(shù)指標(biāo)外，還考慮了能源效率(Energy Efficiency)，能源效率表達(dá)式［5］為式(6):

其中，Ci表示第i個(gè)認(rèn)知用戶(hù)的吞吐量．

在認(rèn)知系統(tǒng)中，基于時(shí)分復(fù)用的干擾消除算法，其在特定的時(shí)間段進(jìn)行特定用戶(hù)的通信，不受其他認(rèn)知用戶(hù)的干擾，此時(shí)傳輸所需要功率盡量減少，不浪費(fèi)在干擾上，這種算法下，能源效率的提高是應(yīng)該重視的．

3 仿真結(jié)果與分析

本節(jié)對(duì)提出的基于時(shí)分復(fù)用的干擾消除算法進(jìn)行仿真．設(shè)置一個(gè)主用戶(hù)，3個(gè)認(rèn)知用戶(hù)進(jìn)行傳輸，主用戶(hù)的編號(hào)為0，認(rèn)知用戶(hù)編號(hào)為1，2和3;主用戶(hù)收發(fā)兩端的天線(xiàn)數(shù)為M，認(rèn)知用戶(hù)收發(fā)兩端的天線(xiàn)數(shù)為N;所有信道矩陣都服從瑞利分布．為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，所有接收和發(fā)送端均采用相同的天線(xiàn)數(shù)，M=N=3;設(shè)定噪聲方差σ2=1，主用戶(hù)和認(rèn)知用戶(hù)是在相同的信噪比條件下．

把3個(gè)認(rèn)知用戶(hù)作為一個(gè)認(rèn)知系統(tǒng)的整體，對(duì)未采用干擾消除算法時(shí)和采用所提出的基于時(shí)分復(fù)用的干擾消除算法時(shí)認(rèn)知系統(tǒng)的吞吐量進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖2所示;為了更好地說(shuō)明基于時(shí)分復(fù)用時(shí)用戶(hù)能源效率的提高，對(duì)未采用干擾消除算法時(shí)和采用所提出的基于時(shí)分復(fù)用的干擾消除算法時(shí)認(rèn)知系統(tǒng)的能源效率也進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖3所示．

圖2 認(rèn)知系統(tǒng)吞吐量對(duì)比圖

圖3 認(rèn)知系統(tǒng)能源效率對(duì)比圖

從圖2中可以看出，隨著SNR的增大，認(rèn)知系統(tǒng)的吞吐量增大，且在SNR較小的時(shí)候，采用所提基于時(shí)分復(fù)用的干擾消除算法時(shí)，認(rèn)知系統(tǒng)的吞吐量明顯高于未采用干擾消除算法時(shí)認(rèn)知系統(tǒng)的吞吐量;在SNR為6．5 dB到7 dB后，采用所提基于時(shí)分復(fù)用的干擾消除算法時(shí)，認(rèn)知系統(tǒng)的吞吐量卻低于未采用干擾消除算法時(shí)認(rèn)知系統(tǒng)的吞吐量;另外，隨著SNR的增大，認(rèn)知用戶(hù)吞吐量也隨著增大，在SNR為7 dB到10 dB時(shí)，認(rèn)知用戶(hù)的吞吐量達(dá)到最大值，然后，SNR在增大時(shí)，認(rèn)知用戶(hù)的吞吐量會(huì)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)樵谡J(rèn)知無(wú)線(xiàn)電中，隨著SNR的增大，主用戶(hù)的信道質(zhì)量變好，這時(shí)認(rèn)知用戶(hù)伺機(jī)接入主用戶(hù)信道的機(jī)會(huì)變小，導(dǎo)致認(rèn)知用戶(hù)的性能下降．從圖3可以看出，能源效率隨著SNR的增大而減少，在低信噪比情況下，采用所提基于時(shí)分復(fù)用的干擾消除算法，時(shí)認(rèn)知系統(tǒng)的能源效率明顯高于未采用干擾消除算法時(shí)認(rèn)知系統(tǒng)的能源效率，但是當(dāng)信噪比在7 dB之后，兩者的差距越來(lái)越小，能源效率趨于一致．因此，得出結(jié)論，這種基于時(shí)分復(fù)用的干擾消除算法只適用于低信噪比的情形下提高系統(tǒng)的吞吐量和能源效率，在高信噪比下，仍然采用同時(shí)傳輸?shù)姆椒ǎ?/p>

4 結(jié)論

本文作者在認(rèn)知MIMO通信系統(tǒng)中為了提高主用戶(hù)系統(tǒng)和認(rèn)知用戶(hù)系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)認(rèn)知用戶(hù)發(fā)送端預(yù)編碼的基礎(chǔ)上，針對(duì)認(rèn)知用戶(hù)之間的干擾，在認(rèn)知MIMO系統(tǒng)中提出基于時(shí)分復(fù)用的干擾消除算法．該算法旨在認(rèn)知系統(tǒng)中對(duì)認(rèn)知用戶(hù)傳輸?shù)恼麄€(gè)時(shí)間段進(jìn)行劃分，在保證認(rèn)知系統(tǒng)吞吐量最大的情況下，得到每個(gè)認(rèn)知用戶(hù)的傳輸時(shí)間，然后通過(guò)仿真來(lái)對(duì)比采用所提干擾消除算法和未采用干擾消除算法下的認(rèn)知系統(tǒng)的吞吐量以及能源效率，仿真結(jié)果可以看出，在信噪比小于6 dB時(shí)，采用所提算法下，單位帶寬認(rèn)知系統(tǒng)可以增加0．5 bit/s的吞吐量，同時(shí)能源效率平均提高了1．2 bit·s－1·w－1．下一步的研究還著力于減少主用戶(hù)對(duì)認(rèn)知用戶(hù)的干擾以及在不完美信道信息的情況下進(jìn)行干擾消除算法的研究．

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