李記,趙楠,殷洪璽
(大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,遼寧大連116024)
近十幾年來,認(rèn)知無線電(cognitive radio,CR)在解決頻譜資源稀缺的問題上取得了較大進(jìn)展,引起廣泛關(guān)注[1-2]。在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中,常見的有填充式和下墊式2種頻譜共享方法[3]。但由于大多通信運(yùn)營商認(rèn)為,在下墊式頻譜共享中次用戶(second user,SU)對主用戶(primary user,PU)造成了比較嚴(yán)重的干擾,美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)于2007年5月宣布放棄了干擾溫度模型,下墊式頻譜共享技術(shù)的發(fā)展前景并不明朗[4],這也直接限制了認(rèn)知無線電技術(shù)的推廣與應(yīng)用。
干擾對齊(interference alignment,IA)作為一種能夠有效消除多用戶間干擾的技術(shù),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中來解決干擾管理的問題[5]。干擾對齊的核心思想是將多個(gè)干擾映射到接收機(jī)一半的子空間上,為期望信號保留出另一半的子空間,使期望信號的無干擾維度最大化。文獻(xiàn)[6]提出了干擾對齊的思想,證明了干擾對齊所能達(dá)到的自由度,并給出了干擾對齊中發(fā)射預(yù)編碼矩陣的閉式解。文獻(xiàn)[7]基于信道的互逆性,提出了一種分布式迭代干擾對齊算法,只需本地信道信息,便可通過迭代進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[8]中提出了一種基于信道預(yù)測的干擾對齊方案,利用信道預(yù)測解決干擾對齊中信道信息延時(shí)的問題。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于天線轉(zhuǎn)換的干擾對齊方案,提高了接收信號的信干噪比(signal-to-interfer-ence-plus-noise ratio,SINR)并保證了干擾對齊網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量(quality of service,QoS)。
盡管干擾對齊能有效地去除多用戶間干擾,解決認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中干擾管理的問題,但應(yīng)用于頻譜共享中時(shí),仍然存在著一些問題。主要包括:1)CR應(yīng)充分保證主用戶的通信質(zhì)量不受影響[10],但已有的干擾對齊頻譜共享算法普遍存在著對主用戶優(yōu)先權(quán)的保護(hù)程度較低的問題[5,11];2)經(jīng)過干擾對齊后,主用戶的信干噪比在某些信道狀態(tài)下明顯下降,影響了主用戶的通信質(zhì)量[7]。
針對上述問題,本文提出了一種基于干擾對齊的自適應(yīng)頻譜共享算法。該算法根據(jù)主用戶的業(yè)務(wù)模式設(shè)定的門限速率,自適應(yīng)地選擇傳輸方式,優(yōu)先保證主用戶有效通信。
包含K個(gè)用戶的干擾對齊網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示,其中第k個(gè)用戶的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的天線數(shù)分別為M[k]和N[k]。
假設(shè)第1個(gè)用戶為主用戶PU1,第2至第K個(gè)用戶依次為次用戶SU2,SU3,…,SUK,它們的自由度分別是d[1],d[2],d[3],…,d[K]。主次用戶同時(shí)工作時(shí),次用戶 SU2,SU3,…,SUK對主用戶PU1造成干擾。
圖1 認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中K個(gè)用戶的干擾對齊模型Fig.1 Interference alignment model with K users in the CR network
假設(shè)圖1所示系統(tǒng)中用戶間的干擾信道服從瑞利時(shí)變衰落。如果不采用干擾對齊技術(shù),第k個(gè)用戶的接收信號可表示為
其中:y[k](n)和z[k](n)分別是時(shí)刻n第k個(gè)接收機(jī)N[k]×1維的接收信號矢量和加性高斯白噪聲(additive white Gaussian noise,AWGN)矢量。x[l](n)是第l個(gè)發(fā)射機(jī)M[l]×1 維的發(fā)射信號矢量,H[kl](n)是第l個(gè)發(fā)射機(jī)到第k個(gè)接收機(jī)N[k]×M[l]維的信道系數(shù)矩陣。此時(shí),用戶之間存在著嚴(yán)重的干擾,網(wǎng)絡(luò)中各用戶均不能正常工作。
如果采用干擾對齊技術(shù),第k個(gè)用戶通過預(yù)編碼矩陣 V[k](n)和干擾抑制矩陣 U[k](n)來去除干擾,k∈{1,2,…,K},自由度為d[k]。第k個(gè)接收機(jī)的接收信號經(jīng)過干擾對齊處理后,可表示為
式中:U?表示矩陣 U 的共軛轉(zhuǎn)置矩陣,V[k](n)和U[k](n)分別是第k個(gè)用戶M[k]×d[k]維的預(yù)編碼矩陣和N[k]×d[k]維的干擾抑制矩陣。X[k](n)是第k個(gè)發(fā)射機(jī)在d[k]自由度下的發(fā)射信號矢量。Z[k](n)是第k個(gè)接收機(jī)處與每個(gè)自由度相對應(yīng) 的d[k]× 1 維 的 AWGN 矢 量[8-9],Z[k](n)=U[k]?(n)z[k](n),其均值為 0,方差為 σ2。
為了有效地去除干擾,干擾對齊中采用的預(yù)編碼矩陣和干擾抑制矩陣需滿足如下約束條件:
滿足上述約束條件時(shí),可以認(rèn)為干擾被完全消除,式(2)可改寫為
為了簡便,省略時(shí)刻n,第k個(gè)接收機(jī)經(jīng)過干擾抑制后得到的接收信號,可表示為
式中:V[k]和 U[k]分別是原網(wǎng)絡(luò)中第k個(gè)用戶M[k]×d[k]維的預(yù)編碼矩陣和N[k]×d[k]維的干擾抑制矩陣,H[kl]則是第l個(gè)發(fā)射機(jī)到第k個(gè)接收機(jī)的N[k]×M[l]維的信道系數(shù)矩陣[7]。
基于信道的互逆性,原發(fā)射機(jī)接收到來自原接收機(jī)發(fā)送的信號可表示為
根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的互逆性,互逆信道滿足:V[k]=U[k],H[kl]=H[lk]?,V[k]=U[k], ?k。
將經(jīng)過干擾抑制處理后仍存在的干擾功率定義為干擾泄露。原網(wǎng)絡(luò)中第k個(gè)接收機(jī)的干擾泄露可表示為
式中:Q[k]是第k個(gè)接收機(jī)的干擾協(xié)方差矩陣,可表示為
把所有接收機(jī)總的干擾泄露(whole leakage interference,WLI)作為目標(biāo)函數(shù),可表示為
式中:P[l]表示互逆網(wǎng)絡(luò)中發(fā)射端歸一化發(fā)射功率[7]。
該算法通過迭代進(jìn)行更新,直到目標(biāo)函數(shù)收斂為止。目標(biāo)函數(shù)WLI的理論值可以為零。當(dāng)目標(biāo)函數(shù)收斂時(shí),第k個(gè)用戶的傳輸速率可表示為
式 中:ρ[k]是用戶k的信噪比,[kk]=U[k]?H[kk]V[k] 。
干擾對齊應(yīng)用于認(rèn)知無線電頻譜共享時(shí),存在一些問題,其中最重要的是接收信號信干噪比下降。接下來圍繞干擾對齊處理中期望信號的信干噪比下降問題進(jìn)行具體分析。例如,在用戶數(shù)K=3的IA認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中,每個(gè)用戶發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的天線數(shù)均為M=N=2。由于采用干擾對齊,用戶間的干擾可以認(rèn)為被完全消除。
設(shè)θ為主用戶的期望信號方向與IA處理后干擾信號方向的夾角,滿足0≤θ≤π/2。假定干擾對齊處理前、后主用戶的信號功率分別為P和P1,兩者的關(guān)系可表示為
可看出隨著θ的增大而減小,主用戶的接收功率P1隨之增大。
當(dāng)期望信號和干擾的矢量方向完全正交(θ=π/2)時(shí),期望信號的接收功率最強(qiáng),主用戶的SINR性能最優(yōu);當(dāng)兩者方向一致(θ=0)時(shí),期望信號的接收功率幾乎為0,主用戶的SINR性能最差[9]。
經(jīng)干擾對齊處理后,在某些信道狀態(tài)下,主用戶的SINR性能會(huì)明顯下降,影響了其通信質(zhì)量。因此,為了保證主用戶的通信質(zhì)量,必須有效地解決這一問題。
針對上述問題,本文提出了基于IA的自適應(yīng)頻譜共享算法。在算法中,采用2種模式進(jìn)行通信,分別為IA模式和MIMO(multi-input multi-output)模式。
在一個(gè)用戶數(shù)為K的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中,每個(gè)用戶的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)天線數(shù)分別為M和N,設(shè)第1個(gè)用戶為主用戶PU1,第2至第K個(gè)用戶依次為次用戶SU2,SU3,…,SUK。它們的自由度分別是d[1],d[2],…,d[K]。
主用戶將來自次用戶的干擾采用干擾對齊進(jìn)行消除。信道歸一化的噪聲功率為σ2。
在以IA和MIMO模式傳輸時(shí),可以根據(jù)式(1)和(5)分別得到接收信號的表達(dá)式。因此,根據(jù)香農(nóng)定理,IA和MIMO傳輸模式中第k個(gè)用戶傳輸速率統(tǒng)一表達(dá)式為
式中:信噪比 ρ[k]=P[k]/N[k],P[k]是用戶k的歸一化發(fā)射功率,N[k]是用戶k的歸一化信道噪聲功率,kk]為適用于IA和MIMO傳輸模式的統(tǒng)一的歸一化信道系數(shù)矩陣。
由于來自次用戶的干擾可認(rèn)為被完全消除,所以IA中主用戶的信干噪比與MIMO中主用戶的信噪比均可表示為
將式(14)代入式(13)可以得到MIMO模式中主用戶的傳輸速率表達(dá)式為
同理,可以得到IA模式中第k個(gè)用戶的傳輸速率表達(dá)式為
由式(15)和(16)可知,MIMO和IA模式下用戶傳輸速率表達(dá)式的差別主要在于的不同。
根據(jù)式(16),IA模式中所有用戶的總速率RateIA可以表示為
對IA和MIMO傳輸模式下主用戶的瞬時(shí)和平均傳輸速率進(jìn)行仿真,得到的結(jié)果分別如圖2和圖3所示。
圖2SNR=25 dB,IA和MIMO傳輸模式中PU瞬時(shí)速率比較Fig.2 Comparison of the PU's instantaneous rates in the transmission mode between IA and MIMO when SNR=25 dB
圖3 IA和MIMO傳輸模式中PU平均速率比較Fig.3 Comparison of the PU's average rates in the transmission mode between IA and MIMO
由圖2和圖3可知,在相同信道狀態(tài)下,MIMO模式中主用戶的瞬時(shí)和平均傳輸速率均明顯高于IA模式中主用戶的傳輸速率。這是由于雖然IA能完全去除干擾,但在某些信道狀態(tài)下IA模式中主用戶的SINR嚴(yán)重下降造成主用戶的傳輸速率下降明顯。因此,必須采取有效措施解決這一問題。針對這一情況,本文提出了一種基于IA的自適應(yīng)頻譜共享算法。
假設(shè)算法中信道服從塊衰落(block fading)[12],一幀的時(shí)長為T,其示意圖如圖4所示。
在圖4 中,一幀的時(shí)長T=τ1+τ2,τ1<<τ2。在 τ1時(shí)段內(nèi),根據(jù)式(16)求解出主用戶的瞬時(shí)速率RIA[1],并與設(shè)定的門限速率Rth進(jìn)行比較,來決定τ2時(shí)段內(nèi)協(xié)作通信方式。
算法流程如圖5所示。
圖4 一幀傳輸時(shí)間結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of transmission time structure for a frame
圖5 基于干擾對齊的自適應(yīng)頻譜共享算法流程Fig.5 Adaptive spectrum sharing algorithm process based on IA
在圖5中,通信開始后,先對信道參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。然后,在τ1時(shí)段內(nèi),根據(jù)式(16)計(jì)算出主用戶的瞬時(shí)速率RIA
[1],并與設(shè)定的門限速率Rth進(jìn)行比較,當(dāng)主用戶的傳輸速率RIA
[1]>Rth時(shí),在 τ2時(shí)段內(nèi),主次用戶采用IA模式進(jìn)行幀傳輸;當(dāng)主用戶的傳輸速率RIA
[1]≤Rth時(shí),在 τ2時(shí)段內(nèi),次用戶停止通信,主用戶單獨(dú)進(jìn)行傳輸。在一幀數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后,如果需要繼續(xù)傳輸時(shí),則重復(fù)上述步驟,否則通信結(jié)束。
設(shè)主用戶單獨(dú)傳輸概率用PPU=P(RIA
[1]≤Rth)來表示,則1-PPU表示主次用戶協(xié)作進(jìn)行傳輸?shù)母怕省?/p>
貴州畢節(jié)四名留守兒童喝農(nóng)藥自殺事件令人心碎,這個(gè)事件雖然極端卻非個(gè)例。悲劇過后,人們應(yīng)該追問六千萬留守兒童問題是如何造成的?就是因?yàn)樗麄儚男【捅蛔约旱母改噶粼诹嗽诩亦l(xiāng),失去了親情和愛。
當(dāng)次用戶停止通信,主用戶單獨(dú)進(jìn)行通信時(shí),主用戶的傳輸速率為MIMO模式中主用戶的傳輸速率R[1],次用戶的傳輸速率為0;當(dāng)主次用戶采用IA協(xié)作模式進(jìn)行傳輸時(shí),主用戶的傳輸速率為RIA
[1],網(wǎng)絡(luò)中總速率為RateIA。
基于干擾對齊的自適應(yīng)頻譜共享算法中總速率可表示為
因此,在所提出的基于IA的自適應(yīng)頻譜共享算法中根據(jù)主用戶的SINR,對主次用戶的協(xié)作方式進(jìn)行自適應(yīng)地選擇;在滿足主用戶通信質(zhì)量的前提下,主次用戶共享授權(quán)頻段。可看出,所提出的算法優(yōu)先保證了主用戶的服務(wù)質(zhì)量,在保證主用戶通信質(zhì)量的前提下,允許次用戶進(jìn)行接入,提升了授權(quán)頻段的利用率。
基于IA的頻譜共享算法,能夠有效地去除干擾,在保證主用戶性能的前提下,提升了授權(quán)頻段的利用率。但在IA網(wǎng)絡(luò)中,主用戶的性能會(huì)有一定程度的下降。且認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的基本要求是保證主用戶的通信質(zhì)量,本文提出的基于IA的自適應(yīng)頻譜共享算法,通過判斷主用戶性能能否滿足門限速率來自適應(yīng)地判決是否允許次用戶接入。
因此,門限速率是基于IA的自適應(yīng)頻譜共享算法中的關(guān)鍵參數(shù),它與下墊式頻譜共享算法中的干擾溫度一一對應(yīng)的。在實(shí)際通信系統(tǒng)中,還要充分考慮主用戶業(yè)務(wù)模式的具體要求來設(shè)置門限速率。因此,門限速率是依據(jù)下墊式頻譜共享算法中的干擾溫度門限與實(shí)際通信系統(tǒng)中主用戶的業(yè)務(wù)模式進(jìn)行設(shè)定的。
本文提出的算法可以根據(jù)業(yè)務(wù)類型自適應(yīng)地對門限速率進(jìn)行調(diào)整。在滿足業(yè)務(wù)需求的前提下,根據(jù)信道情況,盡可能提高次用戶的接入機(jī)會(huì)。
Max-SINR IA算法是Jafar提出的一種迭代干擾對齊算法,該算法并不要求干擾完全對齊,而是對接收信號的SINR進(jìn)行優(yōu)化,在低信噪比下有優(yōu)良的性能[7]。假設(shè)在確定的系統(tǒng)配置下,網(wǎng)絡(luò)中最多可以容納Kmax個(gè)用戶,則在實(shí)際中只考慮Kp個(gè)用戶進(jìn)行通信時(shí)(Kp<Kmax),Max-SINR IA算法能夠充分利用網(wǎng)絡(luò)中剩余的資源,進(jìn)一步提升這Kp個(gè)用戶的傳輸速率。
因此,在多主用戶的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中,本文基于Max-SINR IA算法來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)頻譜共享。在算法中,當(dāng)主用戶滿足速率門限要求時(shí),Kmax個(gè)用戶采用IA算法共享頻段;當(dāng)某一主用戶不滿足速率門限要求Rth時(shí),次用戶停止通信,剩余Kp個(gè)主用戶通過Max-SINR IA算法共享頻段,進(jìn)一步提升主用戶的通信質(zhì)量。
基于Max-SINR IA的多主用戶自適應(yīng)頻譜共享算法的具體步驟如下:
1)一幀開始,對信道參數(shù)進(jìn)行估計(jì);
2)在τ1時(shí)段內(nèi),根據(jù)式(16)計(jì)算出Kp個(gè)主用戶的瞬時(shí)速率Rp[1],Rp[2],…,Rp[Kp];
3)將Kp個(gè)主用戶的瞬時(shí)速率Rp[1],Rp[2],…,Rp[Kp],分別與門限速率Rth1,Rth2,…,RthKp進(jìn)行比較;
4)當(dāng)Kp個(gè)主用戶均滿足速率門限要求時(shí),在τ2時(shí)段內(nèi),Kmax個(gè)主次用戶采用IA協(xié)作模式共享頻段;否則次用戶停止通信,Kp個(gè)主用戶通過Max-SINR IA算法共享頻段;
5)該幀傳輸完成,跳回步驟1),啟動(dòng)下一幀。
分別針對單主用戶情況和多主用戶情況,對上述基于干擾對齊的自適應(yīng)頻譜共享算法的性能,進(jìn)行仿真比較。
假設(shè)CR網(wǎng)絡(luò)中用戶數(shù)K=3。根據(jù)IA算法的要求,每個(gè)用戶的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)均配置M=N=2根天線,信道服從瑞利時(shí)變衰落。
設(shè)第1個(gè)用戶為主用戶PU1,第2、3個(gè)用戶為次用戶 SU2、SU3。
首先,對算法中PU1和SU2在不同系統(tǒng)中SNR下的傳輸速率進(jìn)行仿真,得到的結(jié)果分別如圖6和圖7所示。給定SNR分別為30 dB和10 dB,門限速率Rth=4 bit/(s·Hz)-1。
圖6 SNR=30 dB,PU1和SU2瞬時(shí)速率比較Fig.6 Comparison of the PU1and SU2instantaneous rate when SNR=30 dB
圖7 SNR=10 dB,PU1和SU2瞬時(shí)速率比較Fig.7 Comparison of the PU1and SU2instantaneous rate when SNR=10 dB
在圖6和圖7中,不同SNR下,算法自適應(yīng)地調(diào)整次用戶對授權(quán)頻段的接入。圖6表明基于IA的自適應(yīng)頻譜共享算法在高SNR時(shí)容易保證主用戶的通信質(zhì)量,因此次用戶接入幾率大;圖7表明該算法在低SNR時(shí)有很多情況不能滿足主用戶需求,只能減少次用戶接入。
接下來對不同門限速率Rth下對主用戶單獨(dú)傳輸概率進(jìn)行仿真分析,結(jié)果如圖8所示。當(dāng)門限速率Rth取固定值時(shí),隨著系統(tǒng)中SNR的增加,主用戶單獨(dú)傳輸?shù)母怕孰S之降低,次用戶的接入機(jī)會(huì)則隨之增加;在同一SNR條件下,隨著門限速率Rth的增大,主用戶單獨(dú)傳輸?shù)母怕室苍龃螅斡脩舻慕尤霗C(jī)會(huì)則在減少。
圖8 不同Rth條件下,主用戶單獨(dú)傳輸概率Fig.8 Isolated transmission probability of the PU1under the condition of different Rth
最后,在不同門限速率Rth下對主用戶與次用戶的平均傳輸速率進(jìn)行仿真分析,結(jié)果如圖9所示。
在圖9中,當(dāng)門限速率給定時(shí),主次用戶的傳輸速率都隨著系統(tǒng)中SNR的增加而增加,并且主次用戶的傳輸速率逐漸接近;在系統(tǒng)中SNR給定時(shí),隨著門限速率的增大,主用戶的傳輸速率隨之提高,而次用戶的傳輸速率則減少,并且主次用戶的速率差逐漸變大。
圖9 不同Rth下,主次用戶平均速率Fig.9 Under the condition of different Rth,the average rate of the PU1and SU2
假設(shè)CR網(wǎng)絡(luò)中用戶數(shù)Kmax=7,其中包括Kp=3個(gè)主用戶PU1、PU2、PU3和4 個(gè)次用戶SU4、SU5、SU6、SU7。據(jù)IA算法要求,每個(gè)用戶的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)均配置M=N=4根天線,信道服從瑞利時(shí)變衰落。3個(gè)主用戶的門限速率Rth均為4 bit/(s·Hz)-1。
在SNR分別為15、10和5 dB時(shí),對算法中PU1和SU4的傳輸速率進(jìn)行仿真比較,如圖10和圖11所示。圖10中系統(tǒng)的SNR較高,主次用戶采用IA進(jìn)行頻譜共享時(shí),主用戶的性能基本能滿足門限速率要求,從而提高了次用戶的頻譜接入幾率。圖11中系統(tǒng)的SNR較低,采用主次用戶采用IA進(jìn)行頻譜共享時(shí),主用戶的性能滿足門限速率要求的概率有所下降,因此,與圖10相比,次用戶的頻譜接入幾率下降較多。
圖10 SNR=15 dB,PU1和SU4瞬時(shí)速率比較Fig.10 Comparison of the PU1and SU4instantaneous rate when SNR=15 dB
圖11 SNR=10 dB,PU1和SU4瞬時(shí)速率比較Fig.11 Comparison of the PU1and SU4instantaneous rate when SNR=10 dB
圖12中系統(tǒng)的SNR很低,主次用戶如果采用IA模式進(jìn)行傳輸,主用戶的性能在很大概率的情況下不能保證。因此自適應(yīng)調(diào)整傳輸模式,在主用戶不滿足門限速率時(shí),次用戶停止通信,主用戶間通過Max-SINR IA算法共享頻段,進(jìn)一步提升了主用戶性能。
圖12 SNR=5 dB,PU1和SU4瞬時(shí)速率比較Fig.12 Comparison of the PU1and SU4instantaneous rate when SNR=5 dB
本文針對干擾對齊應(yīng)用于認(rèn)知無線電頻譜共享中時(shí)存在的期望信號的信干噪比明顯下降的問題,提出了一種基于干擾對齊的自適應(yīng)頻譜共享算法。該算法根據(jù)主用戶的業(yè)務(wù)模式來設(shè)定門限速率,根據(jù)主用戶的信干噪比,自適應(yīng)地調(diào)整主次用戶的協(xié)作方式,有效解決了某些信道狀態(tài)下主用戶的信干燥比下降問題。仿真結(jié)果證明了該算法的有效性,能夠根據(jù)主用戶的信干噪比,對主次用戶的協(xié)作方式進(jìn)行自適應(yīng)地調(diào)整;在滿足主用戶通信質(zhì)量的前提下,允許次用戶進(jìn)行接入,提高了授權(quán)頻段的利用率。
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