专利名称：无线认知网络中的自适应随机波束模式选择方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种无线认知网络中的自适应随机波 束模式选择方法。
背景技术：
随着无线通信技术的发展，用户对各类数据服务的要求越来越高，使得无 线频谱资源的使用越发紧张，如何有效利用频谱资源成为一个受到多方关注的
问题。而联邦通信委员会(FCC)的报告表明，在大部分时间里，很多授权频带 并没有在使用，基于此，FCC在2003年9月首次提出了可认知无线电(Cognitive Radio, CR)这一技术，并于2004年11月发布了CR的第一个标准，把它作为 IEEE802.22无线区域接入网标准的一部分。CR系统的一个关键思想就是当从 用户感知到主用户不在使用授权频带时，它就在这一频带上进行通信，而一旦 主用户开始工作，从用户必须在一定时间能离开这一授权频带，并开始感知其 他的未用授权频带，这样可以有效的提高频谱的利用率。
在CR技术的发展初期，研究人员都希望通过设计精准的频谱感知技术来提 高频率空洞的被探测率。西安电子科技大学的刘勤等人提出的"认知无线电中 频谱空洞的探测方法"(专利申请号200610043072.乂)中，给出了一种利用严格 干扰温度限对满足最佳估计条件的干扰温度估计值进行判决，得出该认知无线 电系统使用频带内的空洞可用性状况的方案。但这种方案中，用于计算干扰温 度限的公式中，有一个与具体频谱估计法相关的比例因子，发明人并没有给出 它与频谱估计法的对应关系，降低了该方案的实用价值，此外，频谱估计的精 确度也会影响到该方案的性能。
近年来，把MMO的多天线技术与CR技术结合起来，能够保证主用户和 从用户系统同时工作，成为研究的热点。香港科技大学的KammaHamdi等人在 《Joint Beamforming and Scheduling in Cognitive Radio Networks》 一文中提出了 一种基于多用户调度和迫零波束成型的方案，在两个系统工作时，能够使得从 用户对主用户的干扰最小。但这种方案需要从用户足够多，并且它假设基站完 全知道主用户和从用户下行信道的信息，而这显然是不实际的。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述各方案中实用型低、算法复杂度偏高，不能 用于较少从用户数或者从用户信道相干性偏大的系统等问题，提出一种无线认知网络中的自适应随机波束模式选择方法。 包括如下步骤
1) 具备iV,根发送天线的认知网络基站感知主用户信道状态信息h^ ;
2) 认知网络基站将机会式波束成型(OBF)模式和机会式空分多址 (OSDMA)模式的容量曲线交点对应的发射信噪比作为门限值，自适应地选择
从用户网络的传输模式，当发射信噪比大于此门限时，机会式波束成型的容量 大于机会式空分多址的容量，基站选择机会式波束成型模式，反之则选择机会 式空分多址模式；
3) 如果基站采用机会式波束成型模式，首先根据基于主用户信道估计值、 的随机单波束产生方法产生随机波束，然后利用有限反馈单用户选择策略选择 所要通信的对象；
4) 如果基站采用机会式空分多址模式，首先利用基于主用户信道估计值、 的随机多波束产生方法或基于主用户信道估计值、 的Gmm-Schmidt正交化多 波束产生办法产生多个正交波束，然后利用有限反馈多用户调度策略选择所要 通信的对象；
5) 在确定随机波束模式后，基站利用产生好的波束和所选择的对象进行通信。
所述的认知网络基站感知主用户信道状态信息、 :可以是对多次感知得到 的主用户信道信息估计值的平均，或者是利用过去感知得到的主用户信道信息 来预测当前的信道信息，因此，基站端获得的主用户信道信息可以表示为 hre =h。+S，其中h。是主用户信道信息的真实值，S是估计值与真实值之间的误 差，它是一个均值为零、方差为"、的复高斯随机矩阵，"值的大小表示了从用 户基站感知到的主用户信道信息的可靠程度。
所述的认知网络基站基于主用户信道估计值、 的随机单波束产生方法认 知网络基站获得主用户信道信息估计值h，后，在、 的零空间中随机产生一个 单位向量，将其作为机会式波束成型的随机波束。
所述的机会式波束成型模式中的有限反馈单用户选择策略认知网络基站 产生随机波束后，向所有从用户进行广播；从用户计算出使用这个波束后的接 收信噪比，只有当从用户的接收信噪比大于某一门限时，才把它的信噪比反馈 给从用户基站，否则用户则不反馈信息；从用户基站在所有反馈用户中选择接 收信噪比最大的一个用户作为本次通信的对象。
所述的认知网络基站基于主用户信道估计值h，的随机多波束产生方法首先求出hre 的7Vf -1维正交补空间，然后在此补空间中随机产生一个iV, x(iVf -1)的 半酉矩阵，将此半酉矩阵的iV,-l个列向量作为对应的正交随机波束。
所述的认知网络基站基于主用户信道估计值h^的Gmm-Schmidt正交化多 波束产生方法首先求出h，的零空间，然后在这个零空间中随机产生iV,-l个线 性无关的iV,维列向量，再把h^和这iV,-l个线性无关的向量进行Gram-Schmidt 正交化得到^ -1正交随机波束。
所述的机会式空分多址模式中的有限反馈多用户调度策略从用户基站产 生A^-1个正交波束后向从用户网络广播；各从用户计算每一个波束的接收信干 噪比，把信干噪比最大的一个作为所选择的波束，只有当从用户在这个波束上 的信干噪比大于某一门限时，才把这个波束的序号和所对应的信干噪比反馈给 从用户基站，否则，从用户不反馈任何信息；从用户基站收到反馈信息后，按 照波束把从用户分组，在每一组中选择信干噪比最大的那个用户作为使用这一 波束进行通信的对象。
本发明具有的有益效果是利用多天线技术，支持从用户系统和主用户系 统在同一频段和区域，同时进行通信，提高了频谱的利用率；在从用户基站只 能获得部分主用户信道信息的前提下，能够使得从用户对主用户的干扰达到最 小；采用自适应的随机波束模式选择方法，无论在大发射信噪比或者小发射信 噪比时，都能使得系统容量达到最大；本发明设计的算法不受从用户数量和它 们信道的相关性的影响，都能取得与没有相关性时相同的性能。
图l是系统整体框图2是自适应随机波束模式选择时，确定发射信噪比门限的示意图3是从用户网络完全感知主用户信道信息和感知误差的方差为0.1且从用 户网络分别采用OBF和OSDMA模式时，主用户的误比特性能比较；
图4是从用户网络完全感知主用户信道信息和感知误差的方差为0.1且从用 户网络分别采用OBF和OSDMA模式时，主用户的容量比较；
图5是主用户网络不工作(虚线)与工作(实线)，从用户网络发射信噪比 为0dB、 5dB和10dB， OBF模式随着从用户数增加时的容量变化；
图6是主用户网络不工作(虚线)与工作(实线)，从用户网络发射信噪比 为0dB、 5dB和10dB， OSDMA模式随着从用户数增加时的容量变化。
具体实施例方式
无线认知网络中的自适应随机波束模式选择方法包括如下步骤1) 具备iV,根发送天线的认知网络基站感知主用户信道状态信息h^ ;
2) 认知网络基站将机会式波束成型模式和机会式空分多址模式的系统曲线 交点对应的发射信噪比作为门限值，自适应地选择从用户网络的传输模式，当 发射信噪比大于此门限时，机会式波束成型的容量大于机会式空分多址的容量， 基站选择机会式波束成型模式，反之则选择机会式空分多址模式；
如图1所示，整个系统由一个主用户网络和一个从用户网络组成，但它们
相互独立，其中主用户网络包含基站PBS和用户PU，它们都是单天线的，而在 从用户网络中，包含基站CBS有^根天线，以及K个单天线用户CU，且K iV,。 两个网络共享同一频带，因此，主用户PU接收到的从基站PBS发出的信号会 收到从用户基站CBS所发信号的干扰，同样从用户CU接收到的从基站CBS发 出的信号也会收到从主用户基站PBS发出信号的干扰。
令/^表示从用户基站发射天线m到用户k的接收天线间的准静态平稳信 道，其中02"《，用户0代表主用户，这样h「[H…/^,]表示从用户基站 CBS到用户k之间的信道，同样，用&表示主用户基站PBS到用户k之间的信 道。基站CBS的发射功率为《，其在各天线间平均分配，这与最佳功率分配策 略的性能差别很小，基站PBS的发射功率为Pp，在给定CBS的发射波束 W二[w,w广.Wf]后，其中w广[v^，2…w^,]，从用户和主用户的接收信号为<formula>formula see original document page 7</formula> ( 2 )
其中&和z。分别是从用户k和主用户的接收噪声，它们是零均值、方差分别为^
和《的复高斯随机变量。^表示本次通信CBS选择的从用户集，它与随机波束
成型模式有关，1《为1时，表示只选择一个从用户进行通信，这时系统采用机
会式波束成型模式，而如果W等于iV,-l时，表示选择iV,-l个从用户同时进行通 信，这时系统采用的是机会式空分多址模式，已经有研究人员证明，W在取1 到W,-1之间的值式，获得的容量肯定小于上述两种模式之一，所以最佳的模式 是在这两种模式之间进行选择。从而，可以得到主用户的接收信干噪比为<formula>formula see original document page 7</formula>
由上式可知，假设发射功率和信道状态都一定时，要取得最大的接收信干噪比 SINR。，当且仅当用户集5的发射波束w」与h。正交，从用户网络对主用户网络不产生任何干扰，两个网络并行不悖的运行，可以把它们看成两个相互独立、互 不干扰的网络，这时，如果每个网络都达到最佳，整个系统也取得最佳的性能。
设计与h。正交的发射波束，CBS必须完全知道主用户信道h。的信息，这在现有 的信道感知技术中是办不到的，实际应用中我们可以把多次感知获得的主用户 信道信息求平均，或者用过去时刻的主用户信息来预测当前的主用户信息，因 此，我们把认知网络感知到的主用户信道状态信息h^建模为h。的一个函数
U。+S (4)
其中，s为主用户信道估计值与实际值之间的误差，建模为一个零均值、方差为 "、的复高斯随机矩阵，"值的大小代表了误差的大小，当"=0时，表示CBS完 全知道主用户信道信息，这时主用户能够取得最佳的误码率性能和容量，如图3 和4所示。同时从图中也可以看出，在给定"后，采用机会式随机波束成型或者 机会式空分多址，对主用户网络性能的影响基本相同。
同样的，我们可以得到从用户的接收信干噪比
SINRi=--^——^ (5)
S |hfcw」"尸"尸》|2
风乂d 、 〃
其中，^-《/《为CBS发射信噪比。给定PBC发射功率和各信道状态，从用户
接收信干噪比SINRk是CBS发射信噪比和随机波束模式的函数，要最大化SINRk ，
可以归结为下面的优化问题 max SINRk
l李l,2，…，iV,
上述优化问题的解为，当p大于门限值y^时，p卜l，即系统采用机会式随机波 束成型模式，选择接收信干噪比最大的用户作为本次通信的对象，可以取得最
大的系统容量；相反，如果^小于门限值/^,则|《=^，系统采用机会式空分
多址模式，波束分配给对应接收信干噪比最大的用户，这时可以取得最大的系 统容量。
CBS在进行模式选择时，只要把当前发射信噪比与门限值/^进行比较，因 此CBS需要知道p^。如图2所示，系统容量是发射信噪比的函数，两种模式的 容量相交于(Ant，Cj，当p小于Pmt时，机会式空分多址模式的容量大于机会式随 机波束成型模式的容量，相反，p大于^t时，机会式随机波束成型模式的容量 大于机会式空分多址模式的容量，因此，我们把p,w作为模式选择的门限/w。3) 如果基站采用机会式波束成型模式，首先根据基于主用户信道估计值、" 的随机单波束产生方法产生随机波束，然后利用有限反馈单用户选择策略选择 所要通信的对象；
4) 如果基站采用机会式空分多址模式，首先利用基于主用户信道估计值h^ 的随机多波束产生方法或基于主用户信道估计值、 的Gram-Schmidt正交化多 波束产生办法产生多个波束，然后利用有限反馈多用户调度策略选择所要通信 的对象；
5) 在确定随机波束模式后，基站利用产生的波束和所选择的对象进行通信。 所述的认知网络基站基于主用户信道的估计值、 的机会式波束成型的随
机单波束产生方法认知网络基站获得主用户信道信息估计值、 后，在、 的 零空间中随机产生一个单位向量，将其作为机会式波束成型的随机波束。
所述的机会式波束成型模式中的有限反馈单用户选择策略认知网络基站 产生随机波束后，向所有从用户进行广播；从用户计算出使用这个波束后的接 收信噪比，只有当从用户的接收信噪比大于某一门限时，才把它的信噪比反馈 给从用户基站，否则用户则不反馈信息；从用户基站在所有反馈用户中选择接 收信噪比最大的一个用户作为本次通信的对象。有限反馈单用户选择策略的具 体流程可表示如下
步骤l:反馈
(1) 初始化<formula>formula see original document page 9</formula>尤；
(2) For A; = l to K
5t=SINRk; If A〉SIN《
从用户^把A反馈给CBS; End If End For 步骤2:选择
(1) 初始化设*'=0和2:=0，得到反馈信息^;
<formula>formula see original document page 9</formula>
所述的认知网络基站根据对主用户信道估计值、"的随机多波束产生方法 首先求出、 的TV, -1维正交补空间，然后在此补空间中随机产生一个iV, x(iV, -1)的半酉矩阵，将此半酉矩阵的iv,-i个列向量作为对应的正交随机波束。
所述的认知网络基站根据对主用户信道估计值、 的Gram-Schmidt正交化 多波束产生方法首先求出h，的零空间，然后在这个零空间中随机产生iV,-l个 线性无关的iV,维列向量，再把h，和这iV, -1个线性无关的向量进行Gram-Schmidt
正交化得到M-l正交随机波束。其具体流程可表示如下
(1) 初始化w。=h^/||hj2，产生w。的正交补空间CW','-');
(2) 在C^w'-')中产生iV,—i个线性不相关的7v,维向量v》^l，.』,-l);
(3) Forj=l to iV,-1
乂-1
,-=o
End For
所述的机会式空分多址模式中的有限反馈多用户调度策略从用户基站产 生A^-1个正交波束后向从用户网络广播；各从用户计算每一个波束的接收信干 噪比，把信干噪比最大的一个作为所选择的波束，只有当从用户在这个波束上 的信干噪比大于某一门限时，才把这个波束的序号和所对应的信干噪比反馈给 从用户基站，否则，从用户不反馈任何信息；从用户基站收到反馈信息后，按 照波束把从用户分组，在每一组中选择信干噪比最大的那个用户作为使用这一 波束进行通信的对象。其具体流程可表示为
步骤l:反馈
(1) 初始化设^=0 for & = 1，...,《；
(2) For "1 to《
& =maxSINR
mG《
= arg max SINR
If A〉SIN《
从用户*把&和^值反馈给CBS;
End If End For 步骤2:调度
(1) 初始化设《-O和:i,0 for w = l,...,iV,-l，得到反馈信息^和^;
(2) For "1 to尺
附=w4 ;
End For
(3) For w = l to M-l<formula>formula see original document page 11</formula>
通过计算机仿真表明，本发明的自适应的随机波束模式选择方法和系统能 够在最小化对主用户网络干扰的前提下，最大化从用户网络的容量，从而显著 提高系统的频谱效率。
权利要求
1. 无线认知网络中的自适应随机波束模式选择方法，其特征在于包括如下步骤1)具备Nt根发送天线的认知网络基站感知主用户信道状态信息hsen；2)认知网络基站将机会式波束成型模式和机会式空分多址模式的系统曲线交点对应的发射信噪比作为门限值，自适应地选择从用户网络的传输模式，当发射信噪比大于此门限时，机会式波束成型的容量大于机会式空分多址的容量，基站选择机会式波束成型模式，反之则选择机会式空分多址模式；3)如果基站采用机会式波束成型模式，首先根据基于主用户信道估计值hsen的随机单波束产生方法产生随机波束，然后利用有限反馈单用户选择策略选择所要通信的对象；4)如果基站采用机会式空分多址模式，首先利用基于主用户信道估计值hsen的随机多波束产生方法或基于主用户信道估计值hsen的Gram-Schmidt正交化多波束产生办法产生多个正交波束，然后利用有限反馈多用户调度策略选择所要通信的对象；5)在确定随机波束模式后，基站利用产生好的波束和所选择的对象进行通信。
2、 根据权利要求1所述的无线认知网络中的自适应随机波束模式选择方法， 其特征在于所述的认知网络基站感知主用户信道状态信息、 :可以是对多次感 知得到的主用户信道信息估计值的平均，或者是利用过去感知得到的主用户信 道信息来预测当前的信道信息，因此，基站端获得的主用户信道信息可以表示 为h^-h。+S，其中h。是主用户信道信息的真实值，S是估计值与真实值之间的 误差，它是一个均值为零、方差为dw,的复高斯随机矩阵，"值的大小表示了从 用户基站感知到的主用户信道信息的可靠程度。
3、 根据权利要求1所述的无线认知网络中的自适应随机波束模式选择方法， 其特征在于所述的认知网络基站基于主用户信道估计值h^的随机单波束产生 方法认知网络基站获得主用户信道信息估计值h，后，在、 的零空间中随机 产生一个单位向量，将其作为机会式波束成型的随机波束。
4、 根据权利要求1所述的无线认知网络中的自适应随机波束模式选择方法, 其特征在于所述的机会式波束成型模式中的有限反馈单用户选择策略认知网 络基站产生随机波束后，向所有从用户进行广播；从用户计算出使用这个波束后的接收信噪比，只有当从用户的接收信噪比大于某一门限时，才把它的信噪 比反馈给从用户基站，否则用户则不反馈信息；从用户基站在所有反馈用户中 选择接收信噪比最大的一个用户作为本次通信的对象。
5、 根据权利要求1所述的无线认知网络中的自适应随机波束模式选择方法， 其特征在于所述的认知网络基站基于主用户信道估计值、 的随机多波束产生 方法首先求出h^的7V,-l维正交补空间，然后在此补空间中随机产生一个 A^(M-1)的半酉矩阵，将此半酉矩阵的iV,-l个列向量作为对应的正交随机波 束。
6、 根据权利要求1所述的无线认知网络中的自适应随机波束模式选择方法， 其特征在于所述的认知网络基站基于主用户信道估计值h，的Gram-Schmidt正 交化多波束产生方法首先求出h^的零空间，然后在这个零空间中随机产生 A^-l个线性无关的iV,维列向量，再把h^和这iV,-l个线性无关的向量进行 Gram-Schmidt正交化得到iV, -1正交随机波束。
7、 根据权利要求1所述的无线认知网络中自适应的随机波束模式选择方法， 其特征在于所述的机会式空分多址模式中的有限反馈多用户调度策略从用户 基站产生M-l个正交波束后向从用户网络广播；各从用户计算每一个波束的接收信干噪比，把信干噪比最大的一个作为所选择的波束，只有当从用户在这个 波束上的信干噪比大于某一门限时，才把这个波束的序号和所对应的信干噪比反馈给从用户基站，否则，从用户不反馈任何信息；从用户基站收到反馈信息 后，按照波束把从用户分组，在每一组中选择信干噪比最大的那个用户作为使 用这一波束进行通信的对象。
全文摘要
本发明公开了一种多天线无线认知网络中的自适应随机波束模式选择方法。认知网络基站根据一定的信噪比门限，在主用户信道的零空间内构造随机波束，利用机会式波束成型或机会式空分多址进行传输。当发射信噪比大于门限值时，认知网络为用户间干扰受限系统，基站选择单波束的随机波束成型模式，在从用户中选择接收信噪比最大的用户作为本次的通信的对象；当发射信噪比小于门限时，从用户网络为噪声干扰受限系统，基站选择多波束的机会式空分多址模式，在从用户中选择信噪比最大的几个用户作为通信对象，从而实现了系统容量最大化。本发明为多天线无线认知网络提高了一种可支持多种随机波束模型的传输方案。
文档编号H04L1/02GK101296011SQ200810061389
公开日2008年10月29日 申请日期2008年4月25日 优先权日2008年4月25日
发明者张建敏, 张朝阳, 维 杜, 王海洋, 陈晓明 申请人:浙江大学