[发明专利]认知系统空频域联合资源建模及评估方法

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及频域与空域的联合资源建模与资源质量评估，即综合频域的频谱使用状态信息以及空域的空间相关度和空间模式(也可称为特征模式，Eigenmode)传输增益来进行资源联合建模与评估，有助于认知系统进行无线资源的合理选择，用于授权系统与认知系统共同覆盖区域的无线资源评估与管理。

背景技术

随着认知无线电(Cognitive radio，CR)的发展，动态频谱共享技术受到越来越广泛的关注。传统的认知无线电仅考虑频率域，即一维认知与资源管理，当授权用户(Primary user，PU)出现，认知用户(Cognitive user，CU)就要避让。如果此时认知用户没有获得备选信道，则认知用户中断。目前实现频谱共享的方法主要有重叠(Underlay)共享方式和交叉(Overlay)共享方式。重叠共享方式允许认知用户持续接入授权频道中进行通信，但认知用户的发射功率受到限制，即不能超过授权信道所容许的干扰容限。交叉共享方式是通过准确感知频谱环境，对感知到的频谱特征信息进行分析，选择最优的空闲频道，利用频谱空洞进行通信。在重叠共享方式中，无论授权用户有无进行通信，认知用户都要受到干扰容限的限制，使得认知系统的通信性能受到影响，而且还不能充分利用潜在的可获得的频谱机会；而交叉共享虽对认知用户的发射功率无严格限制，但没有考虑到授权用户的干扰容限，忽略了系统共存的可能，使得认知用户在无频谱空洞时的中断率很高。最重要的是两种共享方式都是在频域进行，对系统资源的利用未考虑到通信资源的多样性。

针对上述两种方式的不足，考虑到通信是对包括频率在内的多种类型资源，如时间、功率、空间、天线和计算能力等的综合使用，因此有必要进行联合资源管理，以达到对资源的整体高效利用。传统频谱资源分配方法中授权用户是获得授权的，而空域资源是公开的，即授权用户只是占用了有限空间的授权频谱。因此，认知用户可以通过在空域上与授权用户正交或者准正交，实现两个系统的通信在同一频谱共存。多天线技术通过空域信号处理，能够获得高的传输效率和链路可靠性。研究人员将认知技术与多输入多输出(Multi-input multi-output，MIMO)技术相结合，利用多天线提供的空域信号处理能力来设计频谱感知与共享方法。当存在频谱空洞时，采用传统的机会频谱接入(Opportunistic spectrum access，OSA)方式。无空闲频谱资源时，由认知基站与认知用户利用经过预处理的信道信息进行空间相关度评价，在确保授权用户不受干扰的前提下，利用空域资源实现了认知用户的通信。该方法在存在频谱空洞时充分利用了频谱资源，也避免了传统重叠共享方式中发射功率受限情况，在无频谱空洞时，则可以利用空域资源与授权用户在授权频道进行共存，实现频谱共享，减少了认知用户的中断率。但该方法在利用空域资源时，对无线资源进行评估时存在以下不足：(1)研究环境的局限性，即已有的研究是在有基础设施的场景中研究。(2)发射端进行预编码时对信道资源进行评估仅根据认知通信与CBS对PU干扰的空间特征是不完整的，还应综合考虑认知通信特征模式间的相关度与特征模式的传输增益。(3)在系统之间存在干扰的场景中，认知通信固定采用主特征模式进行波束成形(Beamforming，BF)方式传输并不合理，因为在进行信号处理后主特征模式有可能非最佳，因此应在考虑信号处理影响的基础上增加特征模式的选择。

发明内容

本发明的目的在于克服已有的频谱资源共享方式受限于授权频道空闲与否，以及克服已有的空频联合资源评估不全面的缺点，提出一种优化的空频域联合资源建模及评估方法，以便认知系统对无线资源进行合理的选择，充分利用空频域资源以提高认知系统的通信性能。

实现本发明的技术思路，是当授权系统没有空闲频道时，获得认知接收机(Cognitive receiver，CRx)与认知发射机(Cognitive transmitter，CTx)之间以及认知系统与授权系统之间的信道矩阵信息H，并对其进行奇异值分解，即将信道信息等效为rank(H)个并行子信道，其中rank(·)表示求矩阵的秩。通过构造中间矩阵、标准正交化以及相关运算等一系列处理，分别计算出认知发射端以及认知接收端认知通信与干扰的空间相关度，联合特征模式的传输增益构造空域资源联合评估因子，实现对空域资源质量的联合评估。最后，实现对空频域资源的联合建模和评估。步骤包括如下：

1.频谱感知

假设授权系统有N个频道，首先进行频谱感知，根据感知结果构造频率资源向量