一种单用户认知网络预编码优化设计与空间对齐方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种单用户认知网络预编码的优化设计方案及其对应的空间对齐算 法，用于增大两层认知网络中二层网络的信道容量。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信设备的日益增多，频谱资源的短缺成为目前无线通信系统研宄中的 一大难题。认知无线电技术能够使授权用户和认知用户机会式的享有共同的频谱带宽，大 大提高了频谱利用率，因而得到人们越来越多的关注，相关学者对此也做了大量研宄工作。
[0003]文献I"CadambeVR，JafarSA.Interferencealignmentanddegreesof freedomofthe-userinterferencechannel[J].IEEETransactionsonInformation Theory, 2008, 54(8) :3425-3441 "引入了干扰对齐（InterferenceAlignment,IA)的思想以 解决认知网络对授权网络的干扰问题。
[0004]文献2"PerlazaSM，DebbahM，LasaulceS，etal.Opportunisticinterference alignmentinMIMOinterferencechannels[C]//IEEE19thInternationalSymposium onPersonal,IndoorandMobileRadioCommunications,PIMRC2008,IEEE, 2008:1-5"通 过建立单个授权用户和认知用户的信道传输模型，使用空间对齐技术设计认知用户发射端 预编码矩阵，使认知用户的发射信号对齐到授权用户接收端的零空间中，并在认知用户接 收端设计后处理矩阵（Post-processingMatrix)，白化授权网络发射端传给认知用户接收 端的干扰信号，最终使认知网络不会干扰授权网络，并同时正常工作。
[0005] 文献 3''HuppertC.Opportunisticresourceallocationinmimocognitive systemswithmultipleusers[C]//201IInternationalITGWorkshoponSmart Antennas(WSA)，IEEE，2011:1-6"将文献2中的单认知用户信道模型扩展到了多认知用户 信道模型，并设计了认知网络中广播信道和多址接入信道情况下的预编码矩阵和后处理矩 阵。
[0006] 文献 4"IoannisK.Spacealignmentforcognitivetransmissionin MIMOuplinkchannels[J].EURASIPJournalonWirelessCommunicationsand Networking，2010"提出了一种具有通用接收机的认知网络信道模型，设计了认知网络的预 编码矩阵和通用接收机的后处理矩阵，使认知网络信号对齐到授权网络的零空间内。同时 还提出了一种基于门限的注水功率分配（WaterfillingPowerAllocation,WPA)算法，增 加了二层网络中可用的空间维度。但是，在设计认知网络发射机的预编码矩阵时，并未对得 到的预编码矩阵进行能量归一化，这样会使其认知用户最终的发射功率超出约束条件，与 实际应用不符。
【发明内容】
[0007] 为了克服现有技术的不足，本发明在文献4的基础上提出了一种改进的二层网络 预编码方案和一种对应的迭代空间对齐算法，在确保一层授权网络的服务质量（Quality ofService，QoS)指标的前提下，能够进一步增大二层网络的信道容量，提高频谱利用率， 使二层网络的信道容量在低信噪比条件下得到极大提升。
[0008] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
[0009] 1)节点P和节点R共同构成一层网络，对从节点P和节点R的信道矩阵 Hkp进行奇异值分解，得Hrp =UpApVg，Up €Cmxm和Vp €Cmxm均为酉矩阵，Ap=diag{ApisAp2!…，>pm}€Cmxm为奇异值对角矩阵；
[0010]2)令节点P的预编码矩阵Gp=VP，接收端后处理矩阵F=Uf;
[0011] 3)计算一层网络采用门限注水算法的门限值Pthe[0，Pd)，包括以下步骤：
[0012] i.使用传统注水算法计算一层网络的最大信道容量
[0019] 其中，M为每个节点配备的天线数；
[0020] 5)求解改进后的逆矩阵Hg=H||s (HasHlIs +S2Ix,) '其中e2为引入的干扰
[0021] 6)令改进的二层网络预编码矩阵6S =iSt^Upp1/2,其中/1通过将％】代入公式
[0022] 本发明还提供上述计算结果的空间对齐方法，包括以下步骤：
[0023] 步骤1.令e2取#，计算一层网络的初始信道容量CW=Ef - ，其 中，S(k)表示有用的接收信号，J(k)表示第k个符号上引入的干扰信号；
[0024] 步骤2.在节点S比较第i次一层网络的信道容量CjP QoS指标a C^，如果Cpi
的信道容量CPi+1，直到Cpi彡aC。。
[0025] 本发明的有益效果是：在保证一层网络满足QoS指标的前提下，能够较大提升二 层网络的信道传输速率，增大了二层网络的信道容量。
【附图说明】
[0026] 图1是认知网络信道模型示意图；
[0027] 图2是不同算法下一层网络和二层网络信道容量图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施 例。
[0029] 本发明所使用的信道模型为具有三个节点的认知网络信道，其通信原理框图如图 1所示。每个节点均配有M(M>1)根天线并工作在相同的频段。节点P和节点R共同构成一 层网络（授权网络），并对通信频段具有最高的使用权。节点S和节点R构成二层网络，其 传输原则是不能影响一层网络的正常工作。
[0030] 接收端R接收到的信号可以表示为
[0031] y=HEPGpXp+HESGsxs+z (1)
[0032] 其中，xP€ 和XSeCwx1分别表示节点P和S发送的信号向量，设定所有发 射节点（p和s)的传输总功率约束为pd。GpeCwxm和GseMxI分别表示发射节点P和S的预编码矩阵，并且满足Jmce{GpG{..f} =rr，{GsGH=A/。Hrpe0说和 HrsG分别表示从P到R和从S到R的信道矩阵。zeCAfxi表示零均值循环复对称 高斯噪声，并且服从CAT(0，<IM)啲分布，其中Im表示MXM的单位矩阵，d表示噪声的功 率。在接收端R，所有天线接收到的信号均要经过后处理矩阵FeCmxm进行线性变换。设 定发射节点P和接收节点R均能够获得完美的一层网络信道状态信息Hkp，发射节点S能够 获得完美的全局信道状态信息Hkp和HKS。
[0033] 本发明分两部分进行描述：二层网络预编码优化设计方案和空间对齐算法。
[0034] I二层网络预编码优化设计方案
[0035] 本发明提出的改进的二层网络预编码方案详细设计如下：
[0036] 1)对Hkp进行奇异值分解得'Hrp =UpApVf，Up€Cmxm和Vp€Ca1xm均为酉 矩阵，Ap =diag{APi，Ap2,…，Owxm:为奇异值对角矩阵。
[0037]2)令预编码矩阵Gp= V P，接收端后处理矩阵F=Ug。
[0038] 3)计算一层网络采用门限注水算法的门限值PthE [0, Pd)。
[0039]iii.计算Ctl。使用传统注水算法计算一层网络的最大信道容量，计算公式为
公式中（5)计算得到。
[0050]至此，二层网络预编码优化方案设计完成。为了获得最大的信道容量，二层网络采 用均分的功率分配方案，其平均信道容量表达式可以推导为
[0052] 其中，m表示一层网络留给二层网络的可用维度总和。在公式（5)的约束条件下， 我们可以得到，当信噪比较低时，改进后的会使得./J增大，再根据式（6)，/f:增大将导致 Cs增大，因此，本发明所提的预编码优化方案能够有效的提升二层网络的信道容量。
[0053]II空间对齐算法
[0054]I中的二层网络预编码优化方案能够提升二层网络的信道容量，但步骤5)采用的 正则化求逆会使二层网络对一层网络产生干扰，因此，为了在提升二层网络的信道容量时 能够确保一层网络达到设计的QoS指标，本发明采用一种空间对齐算法来解决此问题，算 法的具体步骤如下：
[0055] 步骤1.节点P、R和S根据设计的QoS指标a Ctl计算出功率注水门限P th;根据I 中步骤1)、2)、3)计算一层网络预编码矩阵GP，后处理矩阵F和功率分配矩阵Pp。节点S根 据I中步骤4)、5)、6)计算改进的二层网络预编码矩阵Gs。
[0056] 步骤2.令e2取初值，计算一层网络的初始信道容量为
[0058] 其中，S(k)表示有用的接收信号，J(k)表示第k个符号上引入的干扰信号。
[0059] 步骤3.在节点S，比较第i(i= 0, 1，…表示迭代次数）次一层网络的信道容量
数，返回到步骤2计算下一次的信道容量CPi+1，直到CPi> a C^，停止迭代，至此形成最终的 空间对齐方案。
[0060] 在实施例中，设定发射节点P，S和接收节点R均配备M= 8根天线，每根天线的发 射功率设为1，则发射总功率Pd= 8。设定a=0.9以确保一层网络能保持较大的信道容 量。
[0061] 图2展示了文献4和本发明所提算法一层网络和二层网络的信道容量的对比结 果。从图中可以看出，对于一层网络，本发明所提算法与文献4的算法均能使一层网络信道 容量满足设计的QoS指标。对于二层网络的信道容量，本发明所提算法性能要优于文献4所 提算法，特别是在低信噪比条件下，本发明所提算法性能非常明显地优于文献4所提算法。
【主权项】
1. 一种单用户认知网络预编码优化设计方法，其特征在于包括下述步骤： 1) 节点P和节点R共同构成一层网络，对从节点P和节点R的信道矩阵Hkp进行奇异值 分解，得Hrp =UpApViiJ，UPeCmxm和VPeCmxm均为酉矩阵，AP=diag{>P1，入P2，…， 入PM}eCmxm为奇异值对角矩阵； 2) 令节点P的预编码矩阵Gp=VP，接收端后处理矩阵F=Ug; 3) 计算一层网络采用门限注水算法的门限值Pthe[OPd)，包括以下步骤：1. 使用传统注水算法计算一层网络的最大信道容量Q1=C(O)=Iog2det(FHkpGpPp(O) GpiiHkp hFh)，其中Pp(O)为门限值Pa= 0时的功率分配矩阵，其矩阵元素其中，M为每个节点配备的天线数； 5) 求解改进后的逆矩阵=Hgs (HR8Hgs+e2IM)_1，其中e2为引入的干扰因子，6) 令改进的二层网络预编码矩阵6s =ifi』uPP1/2,其中通过将代入公式2. 根据权利要求1所述的单用户认知网络预编码优化设计方法的空间对齐方法，其特 征在于包括下述步骤：其中，S(k)表示有用的接收信号，J(k)表示第k个符号上引入的干扰信号； 步骤2.在节点S比较第i次一层网络的信道容量CpJPQoS指标aCtl，如果CPi<aC。， 令+I) = ￡2(?:)-劳分，其中K表不最大的迭代次数，返回到步骤1计算下一次的f目道容 量CPi+1，直到CPi>ac。。
【专利摘要】本发明提供了一种单用户认知网络预编码优化设计与空间对齐方法，首先进行二层网络预编码优化设计，对信道矩阵HRP进行奇异值分解，计算一层网络采用门限注水算法的门限值，设计节点S的预编码矩阵，求解改进后的逆矩阵得到改进的二层网络预编码矩阵；然后进行空间对齐。本发明在确保一层授权网络的服务质量指标的前提下，能够进一步增大二层网络的信道容量，提高频谱利用率，使二层网络的信道容量在低信噪比条件下得到极大提升。
【IPC分类】H04B7/04
【公开号】CN104967470
【申请号】CN201510274408
【发明人】姚如贵, 李路, 李耿, 王伶, 张兆林
【申请人】西北工业大学
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年5月26日