認(rèn)知無線電系統(tǒng)中消除異步干擾的最小均方預(yù)編碼方法

董 剛

(五礦營口中板有限責(zé)任公司 遼寧營口115000)

認(rèn)知無線電系統(tǒng)中消除異步干擾的最小均方預(yù)編碼方法

董 剛①

(五礦營口中板有限責(zé)任公司 遼寧營口115000)

當(dāng)主用戶和次用戶位置上存在一定距離時(shí)，由于次用戶到達(dá)主用戶系統(tǒng)的信號不同步，從而引入異步干擾，此干擾不但影響主用戶系統(tǒng)，使得其干擾增大，也會影響次用戶系統(tǒng)，使得次用戶系統(tǒng)傳輸速率損失，特別是誤比特性能的上升；針對此問題，為了消除異步干擾對主次用戶系統(tǒng)的影響，提出了一種基于最小均方誤差的預(yù)編碼方法，此方法在預(yù)編碼階段就預(yù)先消除了異步干擾，并且此方法是在保證主用戶的服務(wù)質(zhì)量基礎(chǔ)上進(jìn)行的；通過分析和仿真結(jié)果表明，所提方案在對主用戶系統(tǒng)干擾受限的條件下，有效提升了次用戶系統(tǒng)容量，同時(shí)提高了次用戶系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

認(rèn)知無線電 頻譜共享 多輸入多輸出 異步干擾

1 引言

為加強(qiáng)推進(jìn)工業(yè)化和信息化的融合，加大鋼鐵行業(yè)節(jié)能改造力度，提高能源管理水平，工信部于2009年7月印發(fā)了《鋼鐵企業(yè)能源管理中心建設(shè)實(shí)施方案》。由于鋼鐵企業(yè)占地面積大，能源管理中心管轄設(shè)備及系統(tǒng)具有計(jì)量點(diǎn)多、面廣、距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。距離遠(yuǎn)傳輸困難的計(jì)量點(diǎn)，一般采用無線方式聯(lián)入系統(tǒng)。目前存在的問題是：鋼鐵企業(yè)廠區(qū)內(nèi)干擾強(qiáng)，普通無線信號傳輸可靠性差；利用電信運(yùn)營商傳輸增加運(yùn)營費(fèi)用。本文提出的方案可以有效避免以上問題，提高系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)可靠性，為能源管理中心系統(tǒng)提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

認(rèn)知無線電(Cognitive Radio，CR)技術(shù)能夠有效的利用沒有被充分利用的頻譜，從頻率的再利用方面解決了無線頻譜資源短缺的矛盾。在相同的頻率下，當(dāng)主用戶(Primary User，PU)系統(tǒng)進(jìn)行通信，為了對PU不造成干擾，同時(shí)次用戶(Second User，SU)需要利用不同的資源進(jìn)行通信，不同的研究分別提出了充分利用空間、碼資源等不同的資源[1-3]。其中多天線技術(shù)以充分利用空間資源的優(yōu)勢，得到廣泛的關(guān)注和研究。

以往的研究均是假設(shè)次用戶對主用戶的干擾是完全同步的，并且均假設(shè)多個(gè)CBS發(fā)送的信號到達(dá)SU的干擾也是同步的，從而比較容易消除次用戶之間的干擾和對主用戶的干擾[4-5]。然而在實(shí)際應(yīng)用中，PU系統(tǒng)和SU系統(tǒng)不可能做到完全同步，而且CBS到達(dá)多個(gè)用戶不可能做到完全同步，以往的研究均沒有考慮異步帶來的干擾，從而也不能消除異步干擾，造成PU系統(tǒng)和SU系統(tǒng)傳輸速率的下降，以及誤碼率的上升。本文采用文獻(xiàn)[6]的異步干擾建模方式，提出了一種消除PU系統(tǒng)和SU系統(tǒng)的基于最小均方誤差(Minimum Mean Square Error，MMSE)的預(yù)編碼方法，仿真結(jié)果和分析可知，此方法有效的提高了兩個(gè)系統(tǒng)的容量，并且提高了SU系統(tǒng)的誤比特性能。

2 系統(tǒng)模型

圖1 認(rèn)知多用戶場景

CBS所發(fā)送的信號可以寫為

x=Ts

(1)

其中，T=[t1,t2,…,tK]為CBS發(fā)送時(shí)的預(yù)編碼矩陣，tk(k=1,…,K)為M×1的向量。則次用戶k接收到的信號為

(4)

圖2 下行鏈路異步干擾模型框圖

當(dāng)j≠k時(shí)，

(5)

(6)

3 基于MMSE的預(yù)編碼方案

根據(jù)模型，可以定義優(yōu)化函數(shù)為

min{t1…tK}EHkGk[εk(tk)]

(10)

(11)

(12)

從優(yōu)化問題的形式可以看出，最小均方誤差的優(yōu)化是半無限規(guī)劃(Semi-InfiniteProgramming，SIP)問題,由拉格朗日乘法[4]優(yōu)化原則可以構(gòu)造拉格朗日函數(shù)，可得到拉格朗日函數(shù)為

(13)

(14)

(15)

(16)

將(15)和(16)解得到的結(jié)果帶入式(14)，化簡(14)，可以得到預(yù)編碼向量的表達(dá)形式為

(17)

其中，λk為拉格朗日因子。

Ak=HkBk，Dk=

(18)

4 仿真結(jié)果

1)假定仿真環(huán)境中有多個(gè)信道，每2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間可以建立無線鏈接，將用戶分為主用戶和認(rèn)知用戶，其中主用戶的接入優(yōu)先級高于認(rèn)知用戶，且忽略信道干擾。在這種通信環(huán)境下，在信道未被主用戶占用時(shí)，認(rèn)知用戶可以接入網(wǎng)絡(luò)并建立路由鏈接。通過泊松分布按一定比例隨機(jī)產(chǎn)生主用戶和認(rèn)知用戶，將它們置于二維平面中進(jìn)行分析為突出研究重點(diǎn)，假定所有節(jié)點(diǎn)皆為靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，無隱藏節(jié)點(diǎn)，信道也無衰減。其中，認(rèn)知用戶不區(qū)分發(fā)送端和接收端，在涉及到干擾的情況下，仿真中統(tǒng)一將認(rèn)知用戶視為發(fā)送端，即競爭接入網(wǎng)絡(luò)。因此，認(rèn)知用戶如果處在主用戶發(fā)送端的干擾半徑內(nèi)，那么將會對主用戶進(jìn)行干擾，而認(rèn)知用戶之間的干擾這里不作進(jìn)一步討論。仿真流程主要分為3 個(gè)部分：參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理。其仿真步驟可以歸納為以下三步：

(1)根據(jù)所設(shè)定的通信環(huán)境初始化仿真參數(shù)。設(shè)定仿真的區(qū)域的大小、主用戶、認(rèn)知用戶的密度、通信負(fù)荷、主用戶、認(rèn)知用戶的工作范圍與干擾范圍、是否去除未建立鏈接的認(rèn)知用戶、偵測信道是否空閑以及認(rèn)知用戶選擇何種路由算法等參數(shù)。

(2)在仿真平臺中進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真，得到一系列數(shù)據(jù)，包括活動節(jié)點(diǎn)、周邊用戶坐標(biāo)、周邊用戶數(shù)量、主要用戶坐標(biāo)、認(rèn)知用戶坐標(biāo)等，將其輸出到文本文件中，同時(shí)還可以從仿真結(jié)果中得到顯示通信狀況數(shù)據(jù)。

(3)用Matlab 腳本將步驟(2)得到的數(shù)據(jù)讀入，畫出相應(yīng)的圖形。

2)本部分主要仿真了的所提方案下主用戶系統(tǒng)和次用戶系統(tǒng)的最大互信息的性能以及次用戶系統(tǒng)的誤比特性能，本部分將對比以下三種方案的最大互信息和BER，現(xiàn)在將其列出：

(1)采用半正定優(yōu)化的預(yù)編碼方案[4]，在圖3、圖4和圖5中記為“半正定優(yōu)化”;

(2)傳統(tǒng)的BD預(yù)編碼方法[7]，在圖3、圖4和圖5中中記為“理想BD”;

(3)基于MMSE 方法[8]，在圖3、圖4和圖5中記為“理想MMSE”。

以上三種方案均沒有考慮異步干擾消除。

仿真場景，M=6，N=2，K=3,P=Pp=20dB；如圖3所示，主用戶系統(tǒng)所對應(yīng)的最大互信息的性能。從圖中可以看出在總的平均互信息相同的情況下，與“半正定優(yōu)化”的方案相比至少有0.7dB的增益，當(dāng)平均SNR在15～30dB的條件下，本方案與“半正定優(yōu)化”的方案均達(dá)到滿復(fù)用增益，但本方案要優(yōu)于“半正定優(yōu)化”的方案，與理想MMSE方案有1bps/s/Hz的差距。

圖3 主用戶系統(tǒng)最大互信息

圖4為次用戶系統(tǒng)中四種方案的最大互信息性能，從中可以看出，所提的消除異步干擾的預(yù)編碼方案有效的提高了次用戶系統(tǒng)的傳輸性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他三種沒有考慮異步干擾的方案。

圖4 次用戶系統(tǒng)最大互信息

3)圖5為四種方案的誤比特性能的變化曲線圖。從圖中可以看出，隨著平均SNR的增加，半正定優(yōu)化方案和理想BD方案均出現(xiàn)了平頂效應(yīng)，而本文所提方案，有效地克服了平頂效應(yīng)，并且得到了較低的誤比特性能。

圖5 次用戶系統(tǒng)的誤比特性能

5 結(jié)論

本文研究了多用戶多天線認(rèn)知無線電系統(tǒng)中考慮異步干擾的預(yù)編碼方案，提出了一種基于MMSE的預(yù)編碼方法，此算法在消除傳統(tǒng)的多用戶干擾和對主用戶的干擾的同時(shí)，考慮了主用戶對次用戶的異步干擾和異步多用戶干擾，有效提高了次用戶系統(tǒng)和主用戶的最大互信息，并且提高了次用戶系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

[1]Zhang, Y.,Lee,C.,Niyato,D.,Wang, P.Auction Approaches for Resource Allocation in Wireless Systems: A Survey[J]. IEEE Auction Approaches for Resource Allo cation in Wireless Systems: A Survey .IEEE Communi-

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說明：文獻(xiàn)1為在網(wǎng)絡(luò)上已經(jīng)公開，但是沒有正式出版的文章，所以在IEEE檢索數(shù)據(jù)庫中將這樣的文獻(xiàn)統(tǒng)一編為99卷99期

葆德電氣(上海)有限公司正式更名為上海ABB動力傳動有限公司

為了更好地適應(yīng)中國市場的發(fā)展需求，統(tǒng)一品牌形象，更徹底地執(zhí)行"One ABB"戰(zhàn)略，經(jīng)ABB集團(tuán)董事會決定，葆德電氣(上海)有限公司正式更名為上海ABB動力傳動有限公司，此更名已于2015年1月1日生效。

Minimum Mean Square Pre-coding Method for Cognitive Radio Networks with Eliminating Asynchronous Interference

Dong Gang

(MINMETALS Yingkong Medium Plate Co., Ltd., Yingkou 115004)

When the primary users and second user geographically has certain distance, there are asynchronous interferences, the interferences not only influence the primary user system, also can affect second user system. To solve this problem, in order to eliminate asynchronous interference to primary and secondary users the influence of system, this paper puts forward a kind of based on the minimum mean square error of pre-coding method. Analysis and simulation results show that the proposed scheme in the main user system interference limited conditions, effectively enhance the user’s system and second user system capacity, and improve the reliability of the transmission system of second users system.

Cognitive radio Spectrum share MIMO Asynchronous interference

董剛,男，1981出生，工程師，畢業(yè)于遼寧工業(yè)大學(xué)，從事鋼廠電儀技術(shù)管理工作

TF083 TN929.53

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.01.008

2014-07-22)