[发明专利]一种认知中继网络的次用户网络线性收发机的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信物理层新技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明采用的技术方案是：

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S_i、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、D_i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,...,W_L}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，