本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域，涉及認(rèn)知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具體涉及一種認(rèn)知無線電頻譜共享方法。

背景技術(shù)：

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展以及智能終端的普及驅(qū)動(dòng)著無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)容量需求的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。據(jù)高通公司預(yù)測(cè)，2010年至2020年，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將實(shí)現(xiàn)1000倍增長(zhǎng)，并導(dǎo)致未來無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)容量需求的1000倍增長(zhǎng)。如何能夠大幅度提升蜂窩網(wǎng)絡(luò)容量成為未來移動(dòng)通信迫切需要解決的難題。作為革新的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)之一，由宏蜂窩和小蜂窩組成的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)容量、降低網(wǎng)絡(luò)開銷、減少能量消耗，成為了5G應(yīng)對(duì)容量1000倍增長(zhǎng)挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)之一。

然而，宏蜂窩與小蜂窩間的同頻復(fù)用引入復(fù)雜的跨層干擾問題，并導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)容量的下降。認(rèn)知無線電技術(shù)是對(duì)抗復(fù)雜干擾，提高異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜效率的新的有效途徑。頻譜共享是認(rèn)知無線電技術(shù)的核心。小蜂窩作為認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)在避免對(duì)宏蜂窩即授權(quán)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生有害干擾的條件下，利用存在的頻譜機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)和授權(quán)網(wǎng)絡(luò)的頻譜共享。傳統(tǒng)頻譜共享方法按照信號(hào)客觀存在的域特征可分類為時(shí)域、頻域、空域、功率域、距離域和碼域頻譜共享等。異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中傳統(tǒng)頻譜共享面臨著可用頻譜機(jī)會(huì)減少的問題。僅利用上述域頻譜機(jī)會(huì)對(duì)于異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的無線頻譜需求還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

事實(shí)上，作為信號(hào)本質(zhì)屬性的極化信息也是可被利用的重要資源。具有正交雙極化天線的基站和終端的普及以及虛擬變極化等極化信息處理方法的應(yīng)用，使得信號(hào)的極化信息的識(shí)別及利用變得可能?，F(xiàn)有的極化域頻譜共享方法包括基于極化的交織式頻譜共享(PISS，Polarization-based interweave spectrum sharing)^[1]、基于極化的襯底式頻譜共享(PUSS，Polarization-based underlay spectrum sharing)^[2]和基于子載波分簇的極化域頻譜共享算法^[3]等。以上研究實(shí)現(xiàn)的是單點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)、單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的極化域頻譜共享方法，不能滿足認(rèn)知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜共享需求。

[1]L.Lin,C.Guo,C.Feng,“Degree of polarization detection:a dual-polarized antenna based spectrum sensing algorithm for cognitive radio,”Int.J.Commun.Syst.,2013.

[2]D.Li,C.Guo,Z.Zeng,and X.Lin,“A novel underlay TV spectrum sharing scheme based on polarization adaption for TD-LTE system,”in Proc.Wireless Commun.Netw.Conf,pp.2484-2489,2013.

[3]D.Li,Z.Zeng,C.Guo,and X.Lin,“Cluster-based polarized spectrum sharing in channels with polarization mode dispersion,”ETRI journal,vol.36,no.3,pp.502-505,2014.

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，利用極化信息處理實(shí)現(xiàn)認(rèn)知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中宏蜂窩和小蜂窩間的頻譜共享，提供了一種基于極化信息處理的認(rèn)知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜共享方法(PSS-CHCN，Polarization-based spectrum sharing scheme in cognitive heterogeneous cellular network)，應(yīng)用于認(rèn)知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明優(yōu)化小蜂窩的發(fā)送和接收極化狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了小蜂窩下行容量的最大化并滿足宏蜂窩的干擾約束，提高了頻譜共享性能。

為了達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明實(shí)施例的一種基于極化信息處理的認(rèn)知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜共享方法，包括：

小蜂窩基站通過雙極化天線向小蜂窩用戶發(fā)送目標(biāo)信號(hào)，小蜂窩用戶同時(shí)接收到宏蜂窩基站發(fā)送的干擾信號(hào)；

建立小蜂窩基站對(duì)宏蜂窩用戶的干擾表達(dá)式，根據(jù)香農(nóng)定理建立小蜂窩下行容量表達(dá)式；

構(gòu)建基于極化信息處理的認(rèn)知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜共享優(yōu)化模型，以最大化小蜂窩下行容量為目標(biāo)，以小蜂窩基站對(duì)宏蜂窩用戶的干擾低于干擾門限為約束條件；

小蜂窩基站利用宏蜂窩基站到小蜂窩用戶的干擾信道的信道狀態(tài)信息(CSI，Channel state information)和宏蜂窩基站的發(fā)送極化狀態(tài)，計(jì)算小蜂窩用戶的最優(yōu)接收極化狀態(tài)；

小蜂窩用戶通過虛擬變極化方法產(chǎn)生最優(yōu)接收極化狀態(tài)；

簡(jiǎn)化基于極化信息處理的認(rèn)知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜共享優(yōu)化模型，根據(jù)拉格朗日乘子法，求解小蜂窩基站的發(fā)送極化狀態(tài)表達(dá)式；

小蜂窩基站利用小蜂窩基站到小蜂窩用戶的目標(biāo)信道和小蜂窩基站到宏蜂窩用戶的干擾信道的CSI，以及小蜂窩用戶接收極化狀態(tài)和宏蜂窩用戶接收極化狀態(tài)，計(jì)算小蜂窩基站最優(yōu)發(fā)送極化狀態(tài)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)優(yōu)化小蜂窩用戶接收極化狀態(tài)，減小來自宏蜂窩基站的干擾；

(2)優(yōu)化小蜂窩基站發(fā)送極化狀態(tài)，減小對(duì)宏蜂窩用戶的干擾，保證宏蜂窩用戶的正常工作；

(3)利用認(rèn)知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的極化信息，實(shí)現(xiàn)小蜂窩下行容量的最大化；

(4)采用虛擬變極化方法產(chǎn)生極化狀態(tài)，相比于改變天線硬件配置產(chǎn)生極化狀態(tài)的方法，具有實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1：本發(fā)明實(shí)施例的認(rèn)知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)模型示意圖；

圖2：本發(fā)明實(shí)施例提供的方法流程圖；

圖3：本發(fā)明與背景技術(shù)共享方法包括PISS和PUSS的系統(tǒng)頻譜效率性能對(duì)比圖(坐標(biāo)圖)。

具體實(shí)施方式

為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更加清楚地理解和實(shí)施本發(fā)明，下面結(jié)合附圖以具體實(shí)施例的方式，詳細(xì)闡述本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案。

參考圖1，示出了本發(fā)明的認(rèn)知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)模型，該網(wǎng)絡(luò)包括：

宏蜂窩為授權(quán)網(wǎng)絡(luò)，由宏蜂窩基站(MBS,Macro base station)和宏蜂窩用戶(MUE，Macrocell user equipment)組成；

小蜂窩為認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，與宏蜂窩共享頻譜；

小蜂窩由小蜂窩基站(SBS,Small cell base station)和小蜂窩用戶(SUEs，Small cell user equipments)組成，小蜂窩用戶記作{SUE_i},i＝1,2,...,M；

SBS的發(fā)送天線M001，是正交雙極化天線，用于發(fā)送小蜂窩下行信號(hào)；

SUE_i的接收天線{M002_i},i＝1,2,...,M，是正交雙極化天線，用于接收小蜂窩下行信號(hào)。

參考圖2，示出了本發(fā)明的一種基于極化信息處理的認(rèn)知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜共享方法，其流程包括：

S01，構(gòu)建基于極化信息處理的認(rèn)知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜共享優(yōu)化模型，具體包括以下步驟：

S100，建立小蜂窩基站對(duì)宏蜂窩用戶的干擾表達(dá)式：假設(shè)小蜂窩中共有M個(gè)小蜂窩用戶，小蜂窩基站發(fā)送極化狀態(tài)為{P_i,SBS},i＝1,2,…M，小蜂窩基站到宏蜂窩用戶的干擾信道為H_i,SBS→MUE，宏蜂窩用戶接收極化狀態(tài)為P_MUE，小蜂窩基站對(duì)宏蜂窩用戶的干擾表示為

為了保證宏蜂窩用戶的正常工作，小蜂窩基站對(duì)宏蜂窩用戶的干擾需不大于干擾門限Q，即

S110建立小蜂窩下行容量表達(dá)式：對(duì)于小蜂窩用戶，其帶寬相同且等于B，噪聲方差為σ_i²，接收極化狀態(tài)為{P_i,SUE}，小蜂窩基站到小蜂窩用戶的目標(biāo)信道為{H_SBS→i,SUE}，宏蜂窩基站到小蜂窩用戶的干擾信道為{H_MBS→i,SUE}，根據(jù)香農(nóng)定理，小蜂窩下行容量表征為

其中，C_i表示小蜂窩基站到SUE_i的下行容量。

S120建立優(yōu)化模型：以最大化小蜂窩下行容量為目標(biāo)，以小蜂窩基站對(duì)宏蜂窩用戶的干擾低于干擾門限為約束條件，構(gòu)建基于極化信息處理的認(rèn)知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜共享優(yōu)化模型為

S02計(jì)算小蜂窩用戶的最優(yōu)接收極化狀態(tài)：小蜂窩基站利用宏蜂窩基站到小蜂窩用戶的干擾信道的信道狀態(tài)信息(CSI，Channel state information)和宏蜂窩基站的發(fā)送極化狀態(tài)，得小蜂窩用戶的最優(yōu)接收極化狀態(tài)為其中(γ_i,φ_i)是H_MBS→i,SUEP_MUE的幅度和相位描述子；

S03簡(jiǎn)化基于極化信息處理的認(rèn)知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜共享優(yōu)化模型：令

假設(shè)成立，忽略常數(shù)項(xiàng)將小蜂窩用戶的最優(yōu)接收極化狀態(tài)代入優(yōu)化模型中，則基于極化信息處理的認(rèn)知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜共享優(yōu)化模型簡(jiǎn)化為

S04計(jì)算小蜂窩基站的最優(yōu)發(fā)送極化狀態(tài)：小蜂窩基站利用小蜂窩基站到小蜂窩用戶的目標(biāo)信道和小蜂窩基站到宏蜂窩用戶的干擾信道的CSI，以及小蜂窩用戶接收極化狀態(tài)和宏蜂窩用戶接收極化狀態(tài)，計(jì)算小蜂窩基站最優(yōu)發(fā)送極化狀態(tài)，具體求解過程如下：

根據(jù)拉格朗日乘子法，構(gòu)造拉格朗日函數(shù)和拉格朗日對(duì)偶函數(shù)，

其中：λ為拉格朗日乘子，拉格朗日乘子和小蜂窩基站最優(yōu)發(fā)送極化狀態(tài)的閉合表達(dá)式分別為v_min(·)表示矩陣最小特征值對(duì)應(yīng)的特征矢量；

為了進(jìn)一步闡述本發(fā)明實(shí)施例的一種基于極化信息處理的認(rèn)知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜共享方法，采用雙極化瑞利衰落信道為例，執(zhí)行本發(fā)明實(shí)施例的方法，并進(jìn)行分析如下：

本發(fā)明所提技術(shù)方案是一種基于極化信息處理的認(rèn)知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜共享方法，對(duì)各種通信環(huán)境均適用，但為方便分析共享性能，此處以雙極化瑞利衰落信道環(huán)境為例。

雙極化瑞利衰落信道建模為

H＝gh_p

其中，標(biāo)量g服從復(fù)高斯衰落，用于表征瑞利衰落，矢量h_p表征信道去極化效應(yīng)，并表征為

其中：(·)'表示共軛，χ為信道交叉極化鑒別度的逆，p_p和q_p為交叉信道相關(guān)系數(shù)，β_k,k＝1,2,3,4為服從[0,2π)的均勻分布。

假設(shè)長(zhǎng)度為T_f的數(shù)據(jù)幀包含兩部分：T_p用于極化狀態(tài)計(jì)算，T_d用于數(shù)據(jù)傳輸，頻譜被宏蜂窩占用和未被占用的概率分別為和。在頻譜被宏蜂窩占用的假設(shè)下，宏蜂窩和小蜂窩下行容量分別為

在頻譜未被宏蜂窩占用的假設(shè)下，小蜂窩下行容量為

其中SNR_i表示第i個(gè)小蜂窩用戶的信噪比。采用一種基于極化信息處理的認(rèn)知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜共享方法時(shí)，認(rèn)知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率為

參考圖3，圖示了本發(fā)明的頻譜共享方法的使用效果示意圖。PSS-CHCN表示本發(fā)明的頻譜共享方法，PUSS表示對(duì)每條小蜂窩通信鏈路分別采用基于極化的襯底式頻譜共享方法，PISS表示采用基于極化的交織式頻譜共享方法。隨的增加，采用PSS-CHCN的系統(tǒng)頻譜效率始終高于PISS。當(dāng)較小時(shí)，雖然PUSS的性能略高于PSS-CHCN，但采用PUSS時(shí)小蜂窩對(duì)宏蜂窩的干擾遠(yuǎn)大于PSS-CHCN。當(dāng)增大時(shí)，PSS-CHCN相比于PUSS的性能增益越來越大。

通過以上的實(shí)施方式的描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到本發(fā)明可借助軟件加必需的硬件設(shè)施的方式來實(shí)現(xiàn)?；谶@樣的理解，本發(fā)明的技術(shù)方案對(duì)背景技術(shù)做出貢獻(xiàn)的全部或者部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)品可以存儲(chǔ)在存儲(chǔ)介質(zhì)中，如ROM/RAM、磁碟、光盤等，包括若干指令用以使得一臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)備(可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)執(zhí)行本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例或者實(shí)施例的某些部分所述的方法。

綜上所述，通過實(shí)施本發(fā)明實(shí)施例的一種基于極化信息處理的認(rèn)知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜共享方法，采用極化信息處理理論，在極化維度上實(shí)現(xiàn)了小蜂窩和宏蜂窩的頻譜共享，增加了傳統(tǒng)頻譜共享的極化自由度，在保證宏蜂窩用戶正常工作的前提下提高了認(rèn)知異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。