專利名稱：認知系統基于空間信號處理的頻譜共享方法
技術領域：
本發明屬于無線通信技術領域，具體的說是一種基于空間信號處理的頻譜共享方法，實現認知通信與授權通信的共存傳輸，可用于認知無線電系統，能夠有效提高認知通信性能。
背景技術：
當今固定的頻譜分配政策導致了可以授權給新的應用的頻譜資源極度匱乏，限制了無線通信技術的發展與應用。然而，研究表明，事實上被授權的頻譜資源在不同的時間和地點上大部分是未被使用的，即頻譜利用率很低。為此，人們提出了能夠有效提高頻譜利用率的認知無線電技術。它能夠感知所處的電磁環境，檢測出頻譜空洞，在保證不對授權系統造成干擾的情況下，以動態頻譜共享的方式實現認知通信。傳統的認知無線電技術中采用的是交叉(overlay)頻譜共享方式實現的認知通信和頻譜效率的提高。具體地說，交叉共享是指當授權用戶(primary user, PU)未使用授權頻譜，即存在頻譜空洞時，認知用戶(cognitive user,⑶)擇機占用該頻譜。可是，基于交叉共享的認知無線電技術未考慮授權業務的干擾容限，忽略了認知與授權系統同時同頻共存的可能。而認知無線電技術頻譜共享的另一種方式——重疊(underlay)頻譜共享，是指CU與PU同時共用授權頻譜完成通信。該共享方式的缺點是為了保證授權通信的服務質量，認知系統只能在干擾溫度范圍之內共享該頻譜，未考慮對潛在的頻譜空洞檢測并加以利用。因此，考慮同時使用交叉和重疊共享的混合方式來高效利用頻譜資源，提高認知通信的性能，即當CU檢測存在空閑頻譜資源時，采用overlay共享；當CU檢測無空閑頻譜資源時，采用underlay共享。傳統認知無線電只關注頻域資源的管理與利用，而沒有考慮空域資源，且認知通信的性能受限于授權業務的特性。多輸入多輸出(multiple-input multiple-output, ΜΙΜΟ)系統是指在通信鏈路的兩端均使用多個天線的無線傳輸系統，能夠利用空間信道信息，通過空域信號處理的方式，提高頻譜效率。于是，有研究工作將MIMO技術引入認知無線電，利用MIMO提供的空域信號處理能力設計underlay頻譜共享方法。引入MIMO的認知系統，在無空閑授權頻道可用的情況下，能夠通過空間信號處理實現授權通信與認知通信的同時同頻共存，改善認知通信的性能。然而，在這樣的共存通信場景中，由于存在授權系統與認知系統間的干擾以及現有這方面研究的不足，認知通信的質量有待于進一步優化。關于認知MIMO系統基于underlay頻譜共享方法，現有一部分工作是通過利用空域信息計算空間相關度，進而選擇合適的共存頻道，并在認知系統的收發端設計信號處理算法，以避免認知系統發射的信號對授權系統造成干擾，同時保證認知系統消除來自授權系統的干擾，從而實現認知系統和授權系統的同時同頻共存傳輸，改善了認知通信性能。但是，該類方法在設計時存在以下不足為選擇合適的共存頻道，僅由認知基站(cognitive base station, CBS)進行空間相關度計算，未考慮同時計算認知用戶端的空間相關度；認知通信固定地采用主特征模式實現波束成形(beamformingjF)，認知系統僅考慮共存頻道的選擇，未考慮同時進行認知特征模式的選擇。

發明內容
本發明的目的是針對現有的認知系統頻譜共享方法在資源選擇上的不足，提出了一種認知系統基于空間信號處理的頻譜共享方法。采用該方法，認知基站與認知用戶根據經過預處理的信道信息分別進行空間相關度計算，并由認知基站結合特征模式的傳輸增益完成授權頻道與特征模式的聯合選擇，進而進行收發端聯合空間信號處理，從而更好的實現無空閑頻譜資源時認知系統和授權系統的同時同頻共存，獲得了認知通信性能的顯著改
口 ο本發明提供的認知系統基于空間信號處理的頻譜共享方法，具體包括如下步驟(1) CBS感知、獲取信道信息H『和H%⑶感知、獲取信道信息Hpe和He，其中，i表示第i個授權頻道，Hf1、H。、Hpc分別表示CBS與PU” CBS與CU、PBS與 CU之間的信道信息。(2)在CBS端對Hf和ff分別作奇異值分解，即H嚴=VcipA":"(〒廣’ Hc = Uc Λc (Vc) H，同樣，在⑶端對Hpe和He分別作奇異值分解，即Hpc = Upc Apc (Vpc) η，Hc = Uc Λc (Vc)H,其中，耵與〒、『與Τ、Upc與Vpe的列向量分別反映了相應的系統信道等效為去耦子信道的空間特征信息；ΛΓ、Λ\ Λ"均是主對角線元素為非負實數，其余元素全為零的矩陣，且它們的主對角線的元素分別表示相應的去耦子信道的傳輸增益；(3)對全體1≤i≤N，1≤j≤rank (Hc)，在CBS和CU端分別構造如下矩陣
權利要求
1.一種認知系統基于空間信號處理的頻譜共享方法，其特征在于，包括如下步驟(1)CBS感知、獲取信道信息H嚴和H%⑶感知、獲取信道信息Hpe和H%其中，i表示第i 個授權頻道，Hfi、H\ Hpc分別表示CBS與PUp CBS與⑶、PBS與⑶之間的信道信息；(2)在CBS端對H^和ff分別作奇異值分解，即
2.根據權利要求1所述的頻譜共享方法，其特征在于，所述的步驟G)，其特征在于，在 CBS端的空間相關度按照下式計算
3.根據權利要求1所述的頻譜共享方法，其特征在于，所述的步驟G)，其特征在于，在 CU端的空間相關度按照下式計算
4.根據權利要求1所述的頻譜共享方法，其特征在于，所述的步驟(5)，其特征在于，空域資源質量因子仏….按照如下式子計算
5.根據權利要求1所述的頻譜共享方法，其特征在于，所述的步驟(6)，其特征在于CBS 按照如下式子選擇最佳的共享授權頻道和特征模式組合
6.根據權利要求1所述的頻譜共享方法，其特征在于，所述的步驟(7)，其特征在于，在 CBS端設計發射預編碼向量Pe按如下方式進行首先，將ν丨投影到究;.的正交子空間，即，
7.根據權利要求1所述的頻譜共享方法，其特征在于，所述的步驟(7)，其特征在于，在 CU端設計接收濾波向量f按如下方式進行首先，將y投影到δ。的正交子空間，即，rank (Jipc)Aj = U^ - Σm=\f再對巧歸一化，得到接收濾波向量r=fif/||巧I，其中I I · I I表示Euclidean范數。
全文摘要
本發明公開了一種認知系統基于空間信號處理的頻譜共享方法，可用于認知無線電系統。其具體過程為首先，認知系統的收發端分別獲取需要的信道信息，且各自對這些信道信息進行預處理后，構造出不同的矩陣以進行收發端的空間相關度計算；然后，由CBS根據收發端計算的空間相關度，結合傳輸增益，計算出空域資源質量因子；最后，CBS根據空域資源質量因子計算結果，完成授權頻道和特征模式的聯合選擇，并將結果通報認知用戶后，收發端再進行聯合信號處理，從而實現認知和授權系統同時同頻共存。本發明方法具有收發端均參與決策，且考慮授權頻道和特征模式的聯合選擇的優點，設計更加合理，顯著改善了認知通信性能。
文檔編號H04W16/14GK102547741SQ20121000248
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月6日 優先權日2012年1月6日
發明者劉明騫, 李攀, 李釗, 楊家瑋, 趙林靖, 馬丹, 馬英紅 申請人:西安電子科技大學