一种认知中继网络的次用户网络线性收发机的设计方法.pdf

本发明提供一种认知中继网络的次用户网络线性收发机的设计方法，为每个次用户源端发射机设计线性预编码器，消除次用户发射机对主用户的干扰；为每个次用户目标接收端设计线性接收机，消除主用户对次用户接收机的干扰；为每个次用户中继设计波束成型，消除中继对主用户的干扰、消除次用户间的相互干扰，并最大化次用户的吞吐量。本发明能同时消除次用户对主用户干扰、主用户对次用户干扰以及次用户间相互干扰，并最大化次用户吞吐量；对次用户数、中继数量没有限制，其值大于或等于1即可，适用于包括单用户单中继网络在内的、具有任意用户中继数量的认知中继网络。

1.  一种认知中继网络的次用户网络线性收发机的设计方法，其中次用户网络包括次用户源端发射机、次用户目标接收端和次级用户中继，次用户源端发射机在未获得频谱授权的情况下利用已获得频谱授权的主用户的频段发射信号，通过次用户中继转发至次用户目标接收端接收，其特征在于，为每个次用户源端发射机设计线性预编码器，消除次用户发射机对主用户的干扰；为每个次用户目标接收端设计线性接收机，消除主用户对次用户接收机的干扰；为每个次用户中继设计波束成型，消除中继对主用户的干扰、消除次用户间的相互干扰，并最大化次用户的吞吐量。

2.  根据权利要求1所述的认知中继网络的次用户网络线性收发机的设计方法，其特征在于，所述的线性预编码器是线性迫零预编码器。

3.  根据权利要求2所述的认知中继网络的次用户网络线性收发机的设计方法，其特征在于，所述线性接收机是线性迫零接收机。

4.  根据权利要求3所述的认知中继网络的次用户网络线性收发机的设计方法，其特征在于，所述线性迫零预编码器的设计方法如下：
S11计算从每个次用户源到主用户接收机的等效信道矩阵
S12：对等效信道矩阵进行奇异值分解；
S13：用与零奇异值对应的列向量构成次用户源端的迫零线性预编码器；
其中，主用户源端、接收端分别用S_i、D₀表示，U₀为接收端的线性接收机矩阵。

5.  根据权利要求3所述的认知中继网络的次用户网络线性收发机的设计方法，其特征在于，所述的线性迫零接收机的设计方法如下：
S21：计算从主用户发射机到每个次用户目标端的等效信道矩阵H~DiS0=HDiS0V0;]]>
S22：对等效信道矩阵进行奇异值分解；
S23：用与零奇异值对应的列向量构成次用户目标端的迫零线性接收机；
其中，主用户源端、接收端分别用S₀、D_i表示，V₀为主用户源端的预编码矩 阵。

6.  根据权利要求3所述的认知中继网络的次用户网络线性收发机的设计方法，其特征在于，所述的波束成型的设计方法如下：
S31：通过对波束成型矩阵矢量化，把求L个中继波束成型矩阵{W₁,W₂,...,W_L}的问题转化为一个波束成型矢量w；
w=vec(W1)...vec(WL)]]>
S32：把消除中继对主用户接收机的干扰的条件以及消除次用户间相互干扰的条件分别转化为两个等效矩阵与波束成型矢量w的乘积为零的条件，通过Kronecker积和分块矩阵，构造这两个等效矩阵A和B；
A=A1...AK]]>

其中，H~DiRl=UiHHDiRl,H~D0Rl=U0HHD0Rl,H~RlSi=HRlSiVi,]]>
H‾RlSi=[H~RlS0,...,H~RlSi-1,H~RlSi+1,...,H~RlSk]i=1,...,K,l=1,...,L]]>
Ai=[H‾RlSiT⊗H~DiRl...H‾RLSiT⊗H~DiRL],i=1,...,K;]]>
S33：找A和B零空间交集子空间的基矢量；令
C=AB]]>
对C进行奇异值分解求得C的零空间，即为A和B的零空间交集，C的零空间矩阵为：
Cnull={PRc1HBpcc1c1,PRc2HBpcc2c2,...,PRcNCHBpccNCcNC};]]>
S34：利用穷举法，将C_null中每个基矢量代入网络吞吐量表达式，找到使次用户网络吞吐量最大的基矢量，令其为w；
S35：将基矢量w进行拟矢量化操作，得到为每个中继的波束成型矩阵Wl；
其中，次用户的K个源端用S₁、......、S_K表示，K个目标端用D₁、......、D_K表示，L个中继端用R₁、......、R_L表示，次用户源端预编码器、目标端接收机、中继波束成型分别用V_i(i＝1,...,K)、U_i(i＝1,...,K)、W_l(l＝1,...,L)表示，中继的总发射功率为P_R，从节点A到节点B的信道用H_BA表示。

7.  根据权利要求3所述的认知中继网络的次用户网络线性收发机的设计方法，其特征在于，实现所述迫零预编码器与迫零线性接收机的条件是：
min(M_i-d₀,N_i-d₀)≥d_i
其中，M_i为次用户源的天线数、N_i为目标的天线数，d_i为平行信道数。

8.  根据权利要求3所述的认知中继网络的次用户网络线性收发机的设计方法，其特征在于，所述中继要实现干扰消除，需满足：
J_l＞d₀和
Σl=1LJl2>Σi=1KdiΣk=0k≠iKdk+d0Σl=1LJl]]>
其中，J_i为中继的天线数。

一种认知中继网络的次用户网络线性收发机的设计方法
技术领域
本发明涉及无线通信物理层新技术领域，更具体地涉及一种认知中继网络的次用户网络线性收发机的设计方法。
背景技术
认知无线电技术因能够有效利用日近枯竭的无线电频谱资源而备受关注。该技术能在不影响获频谱授权的主用户通信的前提下，使未获频谱授权的次用户使用同一频段进行通信。频谱共用的方式主要分为overlay和underlay两种。其中overlay方式规定次用户只能在主用户空闲时使用频谱，而underlay方式在保证次用户不对主用户造成影响的前提下允许次用户与主用户同时共用频谱。以协作通信为代表的无线中继技术，是对抗无线信道路径损耗和衰落的有效方法，具有成本低、能耗低、吞吐量大、覆盖范围广等优点，中继负责转发信号，当中继配备多根天线时，最优的收发机设计，能极大提高通信效率。
次用户具有中继的认知无线电网络称为认知中继网络。收发机设计是认知中继网络的热门研究方向之一。设计内容包括：次用户发射机预编码器设计、线性接收机设计和中继波束成型设计。认知中继网络的收发机设计研究主要针对underlay模式。在该模式下，具有频谱授权的主用户和不具有频谱授权的次用户网络同时同频通信。次用户必须保证不降低主用户的通信质量；与此同时，次用户却面临着来自主用户信号的干扰。通过为次用户设计收发机，能有效解决上述问题。在underlay认知中继网络中，相关的收发机设计内容有的针对无中继认知无线电网络，有的针对单中继、单天线或者单用户认知无线电网络，但是对具有多用户、多中继、多天线的认知中继网络的收发机设计进行研究的内容还不多。现有研究是以最小化中继转发噪声功率为目标的，缺乏同时消除次用户对主用户干扰、主用户对次用户干扰以及次用户间相互干扰，并最大化次用户吞吐量的收发机设计的内容。
发明内容
本发明的目的在于提出一种知中继网络的次用户网络线性收发机的设计方法，实现消除次用户对主用户干扰、主用户对次用户干扰以及次用户间相互干扰， 并最大化次用户吞吐量。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种认知中继网络的次用户网络线性收发机的设计方法，其中次用户网络包括次用户源端发射机、次用户目标接收端和次级用户中继，次用户源端发射机在未获得频谱授权的情况下利用已获得频谱授权的主用户的频段发射信号，通过次用户中继转发至次用户目标接收端接收；为每个次用户源端发射机设计线性预编码器，消除次用户发射机对主用户的干扰；为每个次用户目标接收端设计线性接收机，消除主用户对次用户接收机的干扰；为每个次用户中继设计波束成型，消除中继对主用户的干扰、消除次用户间的相互干扰，并最大化次用户的吞吐量。
所述的线性预编码器是线性迫零预编码器。通过把次用户源的发射信号限制在特定的信号零空间中，消除次用户源对主用户接收机的干扰。
所述线性接收机是线性迫零接收机。通过把来自主用户的信号限制在特定的信号零空间中，消除主用户对次用户目标端接收机的干扰。
所述线性迫零预编码器的设计方法如下：
S11计算从每个次用户源到主用户接收机的等效信道矩阵
S12：对等效信道矩阵进行奇异值分解；
S13：用与零奇异值对应的列向量构成次用户源端的迫零线性预编码器；
其中，主用户源端、接收端分别用S_i、D₀表示，U₀为接收端的线性接收机矩阵。
所述的线性迫零接收机的设计方法如下：
S21：计算从主用户发射机到每个次用户目标端的等效信道矩阵H~DiS0=HDiS0V0;]]>
S22：对等效信道矩阵进行奇异值分解；
S23：用与零奇异值对应的列向量构成次用户目标端的迫零线性接收机；
其中，主用户源端、接收端分别用S₀、D_i表示，V₀为主用户源端的预编码矩阵。
所述的波束成型的设计方法如下：
S31：通过对波束成型矩阵矢量化，把求L个中继波束成型矩阵{W₁,W₂,...,W_L}的问题转化为一个波束成型矢量w；
w=vec(W1)...vec(WL)]]>
S32：把消除中继对主用户接收机的干扰的条件以及消除次用户间相互干扰的条件分别转化为两个等效矩阵与波束成型矢量w的乘积为零的条件，通过Kronecker积和分块矩阵，构造这两个等效矩阵A和B；
A=A1...AK]]>

其中，H~DiRl=UiHHDiRl,H~D0Rl=U0HHD0Rl,H~RlSi=HRlSiVi,]]>
H‾RlSi=[H~RlS0,...,H~RlSi-1,H~RlSi+1,...,H~RlSk]i=1,...,K,l=1,...,L]]>
Ai=[H‾RlSiT⊗H~DiRl...H‾RLSiT⊗H~DiRL],i=1,...,K;]]>
S33：找A和B零空间交集子空间的基矢量；令
C=AB]]>
对C进行奇异值分解求得C的零空间，即为A和B的零空间交集，C的零空间矩阵为：
Cnull={PRc1HBpcc1c1,PRc2HBpcc2c2,...,PRcNCHBpccNCcNC};]]>
S34：利用穷举法，将C_null中每个基矢量代入网络吞吐量表达式，找到使次 用户网络吞吐量最大的基矢量，令其为w；
S35：将基矢量w进行拟矢量化操作，得到为每个中继的波束成型矩阵W_l；
其中，次用户的K个源端用S₁、......、S_K表示，K个目标端用D₁、......、D_K表示，L个中继端用R₁、......、R_L表示，次用户源端预编码器、目标端接收机、中继波束成型分别用V_i(i＝1,...,K)、U_i(i＝1,...,K)、W_l(l＝1,...,L)表示，中继的总发射功率为P_R，从节点A到节点B的信道用H_BA表示。
把中继转发的信号限制在特定的信号零空间中，同时消除中继对主用户接收机的干扰以及次用户间的相互干扰，在此基础上，最大化次用户网络的吞吐量。
实现所述迫零预编码器与迫零线性接收机的条件是：
min(M_i-d₀,N_i-d₀)≥d_i
其中，M_i为次用户源的天线数、N_i为目标的天线数，d_i为平行信道数。
所述中继要实现干扰消除，需满足：
J_l＞d₀和
Σl=1LJl2>Σi=1KdiΣk=0k≠iKdk+d0Σl=1LJl]]>
其中，J_i为中继的天线数。
本发明的有益效果是：
1、本发明同时消除次用户对主用户干扰、主用户对次用户干扰以及次用户间相互干扰，并最大化次用户吞吐量；
2、在本发明中，对次用户数、中继数量没有限制，其值大于或等于1即可，适用于包括单用户单中继网络在内的、具有任意用户中继数量的认知中继网络。
附图说明
图1：多用户、多中继、多天线认知中继网络框图；
图2：迫零预编码器设计、迫零接收机设计、吞吐量最大化中继波束成型设计的流程图；
图3：当次用户有K＝4个源-目标通信对、L＝5个中继时，次用户的平均吞 吐量性能示意图(主用户的天线数M₀＝N₀＝2，平行信道数d₀＝1，主用户信噪比SNR_PU＝10dB，次用户的源和目标端天线数M_i＝N_i＝4，i＝1,...,4；中继的天线数J_l＝6，l＝1,...,5，平行信道数d_i＝3)，其中表示本发明吞吐量最大化算法，表示噪声功率最小化算法，表示直接放大转化方法；
图4：当次用户有K＝4个源-目标通信对、L＝5个中继时，主用户的平均速率性能示意图(主用户的天线数M₀＝N₀＝2，平行信道数d₀＝1，主用户信噪比SNR_PU＝10dB，次用户的源和目标端天线数M_i＝N_i＝4，i＝1,...,4；中继的天线数J_l＝6，l＝1,...,5，平行信道数d_i＝3)，其中表示本发明算法，表示现有算法。
具体实施方式
发明内容用数字集成电路芯片来计算并实施。下面说明实施细节。
符号使用说明：用大写加粗字母表示矩阵，小写加粗字母表示向量；Z^T、Z^H、Z^-1、Z^1/2、det(Z)、vec(Z)分别表示对矩阵Z求转置、共轭转置、逆、开方、行列式、矢量化；null(Z)表示矩阵Z的零空间；z^T、z^H表示对矢量z求转置、共轭转置；I_M表示M×M单位矩阵；表示矩阵的Kronecker积。
系统描述：本发明考虑的具有多用户、多中继、多天线的underlay认知无线电网络如图1所示。主用户和次用户同时同频通信。主用户发射机为S₀、接收端为D₀，S₀和D₀分别配备M₀和N₀根天线。设d₀为主用户的并行数据流数量，M₀×d₀矩阵V₀为S₀的预编码矩阵，N₀×d₀矩阵U₀为D₀的接收机处理矩阵，d₀×¹矢量s₀表示为S₀发送的信号。次用户采用两跳中继通信方式，包含K个用户对，源S_i通过L个非再生中继向目标D_i发送信号(i＝1,2,...,K)。源S_i和目标D_i分别配备M_i和N_i根天线，中继R_l配备J_l根天线(l＝1,2,...,L)。设d_i为次用户i的并行数据流数量，M_i×d_i矩阵V_i表示源S_i的预编码矩阵，J_l×J_l矩阵W_l为中继R_l的中继波束成型矩阵，N_i×d_i矩阵U_i为D_i接收机矩阵，d_i×1矢量s_i表示 源S_i发送的信号，d_i×d_i对角矩阵为功率分配矩阵，为源S_i的发射功率，i＝1,...,K。N₀×M₀矩阵表示主用户S₀到D₀的信道，J_l×M_i矩阵表示次用户源S_i到中继R_l的信道，N_i×J_l矩阵表示中继R_l到目标D_i的信道，N_i×M₀矩阵表示主用户S₀到次用户目标D_i的信道，J_l×M₀矩阵表示主用户S₀到中继R_l的信道，N₀×M_i矩阵表示源S_i到主用户D₀的信道，N₀×J_l矩阵表示中继R_l到主用户D₀的信道。
K对次用户在不对主用户造成干扰的情况下利用L个中继进行两跳通信。信息传输过程分成两个等长时隙：在第一个时隙，K个源S₁,...,S_K同时向L个中继R₁,...,R_L发送信号，中继R_l(l＝1,...,L)收到的信号为
yRl=Σi=1KHRlSiVisi+HRlS0V0s0+nRl]]>
在第二个时隙，L个中继R₁,...,R_L同时向K个目标D₁,...,D_K转发信号。中继R_l的发射信号为中继R_l的发射功率为L个中继具有总功率约束，即
Σl=1LPRl≤PR]]>
目标Di(i＝1,...,K)收到信号为
rDi=UiHyDi=Σl=1LUiHHDiRlWlHRlSiVisi+Σk=1k≠iKΣl=1LUiHHDiRlWlHRiskVksk+UiHHDiRlWlHRlS0V0s0+Σl=1LUiHHDiRlWlnRl+UiHHDiS0V0s0+UiHnDi]]>
可见，在认知中继网络中，主用户面临来自次用户信号发射端(源和中继)的干扰，次用户面临来自主用户的干扰以及次用户间的相互干扰。本发明为次用户发射机设计线性预编码器，为每个接收端设计线性接收机，并为每个中继设计波束成型。其中，设计次用户发射机的迫零预编码器，消除次用户发射机对主用 户的干扰；设计次用户的线性迫零接收机，消除主用户对次用户接收机的干扰；在此基础上，设计中继波束成型，消除中继对主用户的干扰、消除次用户间的相互干扰，并最大化次用户的吞吐量。
如图2所示，对迫零预编码器、迫零接收机、吞吐量最大化中继波束成型进行设计。
1、次用户源端发射机线性迫零预编码器设计：
设计K个源的预编码器{V₁,V₂,...,V_K}，消除对主用户的干扰，即满足
U0HHD0SiVi=0---(1)]]>
计算等效信道矩阵对进行奇异值分解得取中的与零奇异值对应的d_i列向量构成源S_i的预编码器V_i，i＝1,...,K。
2、次用户目标端线性迫零接收机设计：
设计K个目标的线性接收机{U₁,U₂,...,U_K}，消除来自主用户的干扰，即满足
UiHHDiS0V0=0---(2)]]>
计算等效信道矩阵对进行奇异值分解得取中的与零奇异值对应的d_i列向量构成目标D_i的线性接收机U_i，i＝1,...,K。
3、次用户中继端最大化吞吐量的波束成型设计：
将L个中继的波束成型矩阵{W₁,W₂,...,W_L}矢量化：
w=vec(W1)...vec(WL)---(3)]]>
求出矢量w，即可求出{W₁,W₂,...,W_L}。方法如下：
3.1)构造矩阵A、B、C。令H~DiRl=UiHHDiRl,H~D0Rl=U0HHD0Rl,H~RlSi=HRlSiVi,]]>并构造下列矩阵：l＝1,...，L
H‾RlSi=[H~RlS0,...,H~RlSi-1,H~RlSi-1,...,H~RlSk]i=1,...,K,l=1,...,L]]>
Ai=[H‾RlSiT⊗H~DiRl...H‾RLSiT⊗H~DiRL],i=1,...,K;]]>
A=A1...AK---(4)]]>

C=AB---(6)]]>
3.2)对矩阵C进行奇异值分解
3.3)右酉矩阵V_C中与值为零的奇异值相对应的NC个列向量为用它们构成C的零空间矩阵
Cnull={PRc1HBpcc1c1,PRc2HBpcc2c2,...,PRcNCHBpccNCcNC}---(7)]]>
其中

El=Σi=0KH~RlSiPiH~RlSiH+σ2IJl,l=1,...,L]]>
3.4)使用穷搜索方法，将C_null中的每一个列向量代入次用户网络吞吐量表达式(8)，将使表达式取值最大的向量作为最优解w^*。次用户网络吞吐量(即 次用户速率)表达式为：
RZF,sum=12Σi=1Klog2det[Idt+H^DiSiPiH^DiSiHQZF,i-1]---(8)]]>
其中
H^DiSi=Σl=1LH~DiRlWlH~RlSi,i=1,...,K]]>
QZF,i=σ2Σl=1LH~DiRlWlWlHH~DiRlH+σ2Idi,i=1,...,K]]>
3.5)按照(3)的格式，对w^*进行逆矢量化，得到中继波束成型矩阵{W₁,W₂,...,W_L}。
图3和图4显示了次用户有四个源目标通信对(K＝4)五个中继(L＝5)的情形。其中，主用户的天线数M₀＝N₀＝2，平行信道数d₀＝1，主用户信噪比SNR_PU＝10dB。次用户的源和目标端天线数M_i＝N_i＝4，i＝1,...,4；中继的天线数J_l＝6，l＝1,...,5，平行信道数d_i＝3。图3显示了在使用不同收发机设计算法的情况下，次用户的平均和速率随次用户信噪比SNR_SU变化的情况，可见本专利提出的算法能够取得明显优于已有算法的次用户吞吐量性能。图4显示了次用户使用的不同收发机设计策略对主用户的通信速率性能的影响，可见使用本专利提出的算法，使次用户的通信不影响主用户的速率性能。
在本发明中，对次用户数K、中继数量L没有限制，其值大于或等于1即可，适用于包括单用户单中继网络在内的、具有任意用户中继数量的认知中继网络。每个次用户源的天线数不必相等，每个次用户目标的天线数不必相等，每个次用户中继的天线数不必相等。实现迫零预编码器与迫零线性接收机的条件是：min(M_i-d₀,N_i-d₀)≥d_i，其中次用户源的天线数为M_i、目标的天线数为N_i。中继要实现干扰消除，需满足J_l＞d₀及
Σl=1LJl2>Σi=1KdiΣk=0k≠iKdk+d0Σl=1LJl]]>
本发明不仅适用于窄带通信系统，还可以应用于OFDM宽带系统中。在宽带OFDM认知中继网络中，在每个OFDM子载波上可以直接使用本发明的方法。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。