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

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种认知中继网络的次用户网络线性收发机的设计方法
本专利技术涉及无线通信物理层新
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用的技术方案是：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Si、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、Di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,...,WL}的问题转化为一个波束成型矢量w；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；其中，S33：找A和B零空间交集子空间的基矢量；令对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：S34：利用穷举法，将Cnull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、......、SK表示，K个目标端用D1、......、DK表示，L个中继端用R1、......、RL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Vi(i＝1,...,K)、Ui(i＝1,...,K)、Wl(l＝1,...,L)表示，中继的总发射功率为PR，从节点A到节点B的信道用HBA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(Mi-d0,Ni-d0)≥di其中，Mi为次用户源的天线数、Ni为目标的天线数，di为平行信道数。所述中继要实现干扰消除，需满足：Jl＞d0和其中，Ji为中继的天线数。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术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、在本专利技术中，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SNRPU＝10dB，次用户的源和目标端天线数Mi＝Ni＝4，i＝1,...,4；中继的天线数Jl＝6，l＝1,...,5，平行信道数di＝3)，其中表示本专利技术吞吐量最大化算法，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SNRPU＝10dB，次用户的源和目标端天线数Mi＝Ni＝4，i＝1,...,4；中继的天线数Jl＝6，l＝1,...,5，平行信道数di＝3)，其中表示本专利技术算法，表示现有算法。具体实施方式
技术实现思路
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；ZT、ZH、Z-1、Z1/2、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；zT、zH表示对矢量z求转置、共轭转置；IM表示M×M单位矩阵；表示矩阵的Kronecker积。系统描述：本专利技术考虑的具有多用户、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。设本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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己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；所述的线性预编码器是线性迫零预编码器；所述线性接收机是线性迫零接收机；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，次用户源端、主用户接收端分别用Si、D0表示，U0为接收端的线性接收机矩阵。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、次用户接收端分别用S0、Di表示，V0为主用户源端的预编码矩阵。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,···,WL}的问题转化为一个波束成型矢量w；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；

【专利技术属性】
技术研发人员：张广驰，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44