专利名称：认知系统基于空间信号处理的频谱共享方法
技术领域：
本发明属于无线通信技术领域，具体的说是一种基于空间信号处理的频谱共享方法，实现认知通信与授权通信的共存传输，可用于认知无线电系统，能够有效提高认知通信性能。
背景技术：
当今固定的频谱分配政策导致了可以授权给新的应用的频谱资源极度匮乏，限制了无线通信技术的发展与应用。然而，研究表明，事实上被授权的频谱资源在不同的时间和地点上大部分是未被使用的，即频谱利用率很低。为此，人们提出了能够有效提高频谱利用率的认知无线电技术。它能够感知所处的电磁环境，检测出频谱空洞，在保证不对授权系统造成干扰的情况下，以动态频谱共享的方式实现认知通信。传统的认知无线电技术中采用的是交叉(overlay)频谱共享方式实现的认知通信和频谱效率的提高。具体地说，交叉共享是指当授权用户(primary user, PU)未使用授权频谱，即存在频谱空洞时，认知用户(cognitive user,⑶)择机占用该频谱。可是，基于交叉共享的认知无线电技术未考虑授权业务的干扰容限，忽略了认知与授权系统同时同频共存的可能。而认知无线电技术频谱共享的另一种方式——重叠(underlay)频谱共享，是指CU与PU同时共用授权频谱完成通信。该共享方式的缺点是为了保证授权通信的服务质量，认知系统只能在干扰温度范围之内共享该频谱，未考虑对潜在的频谱空洞检测并加以利用。因此，考虑同时使用交叉和重叠共享的混合方式来高效利用频谱资源，提高认知通信的性能，即当CU检测存在空闲频谱资源时，采用overlay共享；当CU检测无空闲频谱资源时，采用underlay共享。传统认知无线电只关注频域资源的管理与利用，而没有考虑空域资源，且认知通信的性能受限于授权业务的特性。多输入多输出(multiple-input multiple-output, ΜΙΜΟ)系统是指在通信链路的两端均使用多个天线的无线传输系统，能够利用空间信道信息，通过空域信号处理的方式，提高频谱效率。于是，有研究工作将MIMO技术引入认知无线电，利用MIMO提供的空域信号处理能力设计underlay频谱共享方法。引入MIMO的认知系统，在无空闲授权频道可用的情况下，能够通过空间信号处理实现授权通信与认知通信的同时同频共存，改善认知通信的性能。然而，在这样的共存通信场景中，由于存在授权系统与认知系统间的干扰以及现有这方面研究的不足，认知通信的质量有待于进一步优化。关于认知MIMO系统基于underlay频谱共享方法，现有一部分工作是通过利用空域信息计算空间相关度，进而选择合适的共存频道，并在认知系统的收发端设计信号处理算法，以避免认知系统发射的信号对授权系统造成干扰，同时保证认知系统消除来自授权系统的干扰，从而实现认知系统和授权系统的同时同频共存传输，改善了认知通信性能。但是，该类方法在设计时存在以下不足为选择合适的共存频道，仅由认知基站(cognitive base station, CBS)进行空间相关度计算，未考虑同时计算认知用户端的空间相关度；认知通信固定地采用主特征模式实现波束成形(beamformingjF)，认知系统仅考虑共存频道的选择，未考虑同时进行认知特征模式的选择。
发明内容
本发明的目的是针对现有的认知系统频谱共享方法在资源选择上的不足，提出了一种认知系统基于空间信号处理的频谱共享方法。采用该方法，认知基站与认知用户根据经过预处理的信道信息分别进行空间相关度计算，并由认知基站结合特征模式的传输增益完成授权频道与特征模式的联合选择，进而进行收发端联合空间信号处理，从而更好的实现无空闲频谱资源时认知系统和授权系统的同时同频共存，获得了认知通信性能的显著改
口 ο本发明提供的认知系统基于空间信号处理的频谱共享方法，具体包括如下步骤(1) CBS感知、获取信道信息H『和H%⑶感知、获取信道信息Hpe和He，其中，i表示第i个授权频道，Hf1、H。、Hpc分别表示CBS与PU” CBS与CU、PBS与 CU之间的信道信息。(2)在CBS端对Hf和ff分别作奇异值分解，即H严=VcipA":"(〒广’ Hc = Uc Λc (Vc) H，同样，在⑶端对Hpe和He分别作奇异值分解，即Hpc = Upc Apc (Vpc) η，Hc = Uc Λc (Vc)H,其中，耵与〒、『与Τ、Upc与Vpe的列向量分别反映了相应的系统信道等效为去耦子信道的空间特征信息；ΛΓ、Λ\ Λ"均是主对角线元素为非负实数，其余元素全为零的矩阵，且它们的主对角线的元素分别表示相应的去耦子信道的传输增益；(3)对全体1≤i≤N，1≤j≤rank (Hc)，在CBS和CU端分别构造如下矩阵
权利要求
1.一种认知系统基于空间信号处理的频谱共享方法，其特征在于，包括如下步骤(1)CBS感知、获取信道信息H严和H%⑶感知、获取信道信息Hpe和H%其中，i表示第i 个授权频道，Hfi、H\ Hpc分别表示CBS与PUp CBS与⑶、PBS与⑶之间的信道信息；(2)在CBS端对H^和ff分别作奇异值分解，即
2.根据权利要求1所述的频谱共享方法，其特征在于，所述的步骤G)，其特征在于，在 CBS端的空间相关度按照下式计算
3.根据权利要求1所述的频谱共享方法，其特征在于，所述的步骤G)，其特征在于，在 CU端的空间相关度按照下式计算
4.根据权利要求1所述的频谱共享方法，其特征在于，所述的步骤(5)，其特征在于，空域资源质量因子仏….按照如下式子计算
5.根据权利要求1所述的频谱共享方法，其特征在于，所述的步骤(6)，其特征在于CBS 按照如下式子选择最佳的共享授权频道和特征模式组合
6.根据权利要求1所述的频谱共享方法，其特征在于，所述的步骤(7)，其特征在于，在 CBS端设计发射预编码向量Pe按如下方式进行首先，将ν丨投影到究;.的正交子空间，即，
7.根据权利要求1所述的频谱共享方法，其特征在于，所述的步骤(7)，其特征在于，在 CU端设计接收滤波向量f按如下方式进行首先，将y投影到δ。的正交子空间，即，rank (Jipc)Aj = U^ - Σm=\f再对巧归一化，得到接收滤波向量r=fif/||巧I，其中I I · I I表示Euclidean范数。
全文摘要
本发明公开了一种认知系统基于空间信号处理的频谱共享方法，可用于认知无线电系统。其具体过程为首先，认知系统的收发端分别获取需要的信道信息，且各自对这些信道信息进行预处理后，构造出不同的矩阵以进行收发端的空间相关度计算；然后，由CBS根据收发端计算的空间相关度，结合传输增益，计算出空域资源质量因子；最后，CBS根据空域资源质量因子计算结果，完成授权频道和特征模式的联合选择，并将结果通报认知用户后，收发端再进行联合信号处理，从而实现认知和授权系统同时同频共存。本发明方法具有收发端均参与决策，且考虑授权频道和特征模式的联合选择的优点，设计更加合理，显著改善了认知通信性能。
文档编号H04W16/14GK102547741SQ20121000248
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月6日 优先权日2012年1月6日
发明者刘明骞, 李攀, 李钊, 杨家玮, 赵林靖, 马丹, 马英红 申请人:西安电子科技大学