《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置：首頁(yè) > 通信與網(wǎng)絡(luò) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 分布式MIMO CR系統(tǒng)預(yù)編碼與功率分配的聯(lián)合優(yōu)化
分布式MIMO CR系統(tǒng)預(yù)編碼與功率分配的聯(lián)合優(yōu)化
來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用2014年第1期
王 巍， 陸彥輝， 李端陽(yáng)， 楊守義
鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450001
摘要： 分布式MIMO CR系統(tǒng)中，構(gòu)建多用戶功率分配的非合作博弈模型，使認(rèn)知用戶速率達(dá)到均衡狀態(tài)。受授權(quán)用戶和多用戶干擾的影響，認(rèn)知用戶速率很難達(dá)到理想值。為了解決上述問(wèn)題，在發(fā)射端設(shè)置了適用于不同約束條件的預(yù)編碼矩陣，提出了預(yù)編碼與功率分配的聯(lián)合優(yōu)化算法。仿真結(jié)果表明,基于塊對(duì)角化的聯(lián)合優(yōu)化算法,有效消除用戶之間的信道干擾，顯著提高了認(rèn)知用戶速率。
中圖分類(lèi)號(hào)： TN92
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2014)01-0104-03
Distributed MIMO CR system optimum by jointing precoding and power allocation
Wang Wei, Lu Yanhui, Li Duanyang, Yang Shouyi
School of Information Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China
Abstract： In distributed MIMO CR system, secondary users′ information rates can reach equilibrium by constructing a non-cooperative game model of multi-user power allocation. However, it is difficult for each secondary user to achieve the ideal information rate owing to constraints by primary users and multi-user interference. In order to solve the above problem, a jointing precoding and power allocation algorithm is proposed, which optimizes the power allocation by setting precoding matrices at the transmitter of each secondary user. Simulation results show that the precoding method based on block diagonalization, effectively eliminates channel interference between users, and significantly improves secondary users′ information rates.
Key words : MIMO CR; non-cooperative game; power allocation; precoding; block diagonalization

    為了克服傳統(tǒng)靜態(tài)頻譜分配方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的約束[1]，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)[2]日益受到人們的重視。它通過(guò)認(rèn)知用戶與授權(quán)用戶對(duì)頻譜共享[3]，優(yōu)化頻譜資源使用，在一定程度上解決了頻譜不足問(wèn)題。受香農(nóng)容量的限制，單純依靠?jī)?yōu)化頻譜資源,系統(tǒng)容量將很快趨于飽和[4]，很難滿足無(wú)線通信業(yè)務(wù)的需求。因此，MIMO CR系統(tǒng)得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注[5]，它在不增加系統(tǒng)帶寬和發(fā)射功率的條件下，能夠顯著提高系統(tǒng)容量。
    由于分布式MIMO CR系統(tǒng)不存在中央處理器，因此認(rèn)知用戶需不斷調(diào)整自身的發(fā)送方案以便對(duì)其他用戶采用的策略做出反應(yīng)。根據(jù)上述情況，構(gòu)建多用戶功率分配的非合作博弈模型[6]，使認(rèn)知用戶速率達(dá)到均衡狀態(tài)。受授權(quán)用戶和多用戶干擾的影響，認(rèn)知用戶速率很難達(dá)到理想值。這些影響與用戶間的信道干擾有關(guān)，而預(yù)編碼矩陣能消除用戶間的信道干擾[7]。為了解決上述問(wèn)題，本文在發(fā)射端設(shè)置了適用于不同約束條件的預(yù)編碼矩陣，提出了預(yù)編碼與功率分配的聯(lián)合優(yōu)化算法。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，授權(quán)用戶要求嚴(yán)格時(shí)，授權(quán)用戶約束條件是限制認(rèn)知用戶速率的主要因素；授權(quán)用戶要求寬松時(shí)，多用戶干擾是影響認(rèn)知用戶速率的重要因素。




    授權(quán)用戶要求嚴(yán)格時(shí)，利用預(yù)編碼矩陣Wk將sk轉(zhuǎn)換成xk=Wksk，使認(rèn)知用戶不受授權(quán)用戶的限制。這種情況下，認(rèn)知用戶的發(fā)射天線數(shù)要不小于授權(quán)用戶與該用戶的接收天線和，即nT≥2×nR。
4 仿真分析
    仿真環(huán)境如下：系統(tǒng)包含兩個(gè)認(rèn)知用戶和一個(gè)授權(quán)用戶，每個(gè)用戶有4根發(fā)射天線和2根接收天線。假設(shè)認(rèn)知用戶最大發(fā)射功率為Pk=1，所有認(rèn)知收發(fā)端的距離d都等于1，所有認(rèn)知發(fā)射端到授權(quán)用戶接收端的距離dsp都等于1。
    授權(quán)用戶要求嚴(yán)格時(shí)，達(dá)到均衡后認(rèn)知用戶的速率和與收發(fā)距離的關(guān)系如圖2所示。其中虛線表示未設(shè)置預(yù)編碼矩陣時(shí)的速率和，帶方框的實(shí)線表示設(shè)置預(yù)編碼矩陣后的速率和，帶加號(hào)的虛線表示MIMO系統(tǒng)中用戶達(dá)到均衡后的速率和。很明顯，未設(shè)置預(yù)編碼矩陣時(shí)，認(rèn)知用戶的速率和接近零。而設(shè)置預(yù)編碼矩陣后，認(rèn)知用戶的速率和有顯著提高。原因是，預(yù)編碼矩陣完全消除認(rèn)知用戶對(duì)授權(quán)用戶的信道干擾，使認(rèn)知用戶不受授權(quán)用戶的影響。設(shè)置預(yù)編碼矩陣的MIMO CR系統(tǒng)等同于MIMO系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)中用戶達(dá)到均衡后的速率和是一樣的，即圖中帶圓圈的實(shí)線與帶加號(hào)的虛線重合。

 

 

    需要指出的是，未設(shè)置預(yù)編碼矩陣時(shí)，授權(quán)用戶不容許認(rèn)知用戶對(duì)其產(chǎn)生干擾，認(rèn)知用戶發(fā)射功率接近零；預(yù)編碼矩陣完全消除認(rèn)知用戶對(duì)授權(quán)用戶的信道干擾，使認(rèn)知用戶不受授權(quán)用戶的影響，認(rèn)知用戶發(fā)射功率有明顯提高。
    授權(quán)用戶要求寬松時(shí)，達(dá)到均衡后認(rèn)知用戶速率和與收發(fā)距離的關(guān)系如圖3所示。其中虛線表示未設(shè)置預(yù)編碼矩陣時(shí)的速率和，帶加號(hào)的虛線表示設(shè)置預(yù)編碼矩陣后的速率和;帶方框的實(shí)線表示兩個(gè)單用戶MIMO CR系統(tǒng)的速率和。預(yù)編碼矩陣影響認(rèn)知用戶發(fā)射功率，虛線表示的認(rèn)知用戶發(fā)射功率分別是P1=0.501 16，P2=0.403 08，而帶加號(hào)的虛線表示的認(rèn)知用戶發(fā)射功率分別是P1=0.397 4，P2=0.141 11。雖然認(rèn)知用戶發(fā)射功率減小，但是預(yù)編碼矩陣消除多用戶干擾，認(rèn)知用戶速率仍然增大。當(dāng)然，認(rèn)知用戶發(fā)射功率的影響有時(shí)會(huì)降低認(rèn)知用戶速率，因?yàn)榻邮斩诉€存在噪聲干擾，以及授權(quán)用戶的影響。帶加號(hào)的虛線與帶方框的實(shí)線重合,說(shuō)明設(shè)置預(yù)編碼矩陣的認(rèn)知用戶不存在相互干擾，這樣的多用戶MIMO CR系統(tǒng)如同由多個(gè)單用戶MIMO CR系統(tǒng)組成。

    比較認(rèn)知用戶速率和與接收天線的關(guān)系如圖4所示。其中虛線及帶加號(hào)的虛線表示未設(shè)置預(yù)編碼矩陣，實(shí)線及帶圓圈的實(shí)線表示設(shè)置預(yù)編碼矩陣。從圖中可以看出，預(yù)編碼矩陣改善了認(rèn)知用戶的速率，接收天線的增加也改善了認(rèn)知用戶的速率。

    分布式MIMO CR系統(tǒng)中，受授權(quán)用戶和多用戶干擾的影響，認(rèn)知用戶速率很難達(dá)到理想值。本文在發(fā)射端設(shè)置了適用于不同約束條件的預(yù)編碼矩陣，提出了預(yù)編碼與功率分配的聯(lián)合優(yōu)化算法，消除了用戶間的信道干擾，提高了認(rèn)知用戶獲得的速率。
參考文獻(xiàn)
[1] FORCE F C C S P T. Report of the spectrum efficiency working group[R].[2002-11-15](2013-05-20).www.fcc.gov/sptf/files/SEWGFinalReport_1.pdf.
[2] HAYKIN S. Cognitive radio: brain-empowered wireless  communications[J]. Selected Areas in Communications, IEEE Journal on, 2005,23(2):201-220.
[3] 滕志軍, 楊旭, 韓雪. 基于多次博弈的認(rèn)知無(wú)線電頻譜態(tài)分配算法[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2012，38(7):041.
[4] GOLDSMITH A, EFFROS M, KOETTER R, et al. Beyondshannon: The quest for fundamental performance limits of wireless ad hoc networks[J]. Communications Magazine,IEEE, 2011,49(5):195-205.
[5] NGUYEN D N, KRUNZ M. Spectrum management and power allocation in MIMO cognitive networks[C].INFOCOM, 2012 Proceedings IEEE. IEEE, 2012: 2023-2031.
[6] SCUTARI G, PALOMAR D P. MIMO cognitive radio: A     game theoretical approach[J].Signal Processing, IEEE Transactions on, 2010,58(2):761-780.
[7] PARK J, LEE B, SHIM B. A MMSE vector precoding  with block diagonalization for multiuser MIMO downlink[J]. Communications,IEEE Transactions on,2012,60(2):569-577.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng)，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。