MIMO协作认知系统中的抗干扰频谱接入方法研究

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随着无线网络和移动互联网以前所未有的速度发展,无线通信逐渐在人们的日常生活中扮演越来越重要的角色,对无线频谱的需求也逐年递增。由于频谱资源是有限且不可再生的,如何提高频利用率逐渐成为当今无线通信面临的重要问题之一。认知无线电(Cognitive Radio,CR)技术在提升频谱资源利用率方面有着良好的表现,从而吸引了国内外研究者的密切关注。另外,多输入多输出(Multi-input Multi-output,MIMO)无线通信技术通过增加发送端和接收端天线的数目建立多个独立传输信道,可以在不增加系统功率以及带宽的条件下显著增加传输容量,已经成为下一代无线通信系统中的主导技术。因此,结合这两种技术来获得更高的频谱利用率是非常合理的。本文在MIMO协作认知无线电背景下,利用迫零波束赋形(zero force beamforming,ZFBF)算法和正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术来解决授权用户与认知用户之间存在的干扰,研究具有更高频谱效率的抗干扰频谱接入方法,并对相关资源分配问题进行研究,主要工作和成果如下:(1)针对MIMO协作认知网络中授权用户和认知用户之间存在的干扰,本文首先提出了一种基于功率优化的ZFBF抗干扰频谱接入方法。在该方法中认知用户在第二个时隙利用多天线采用ZFBF设计波束赋形因子来消除授权系统和认知系统之间的共信道干扰。然后在满足授权用户达到目标速率的情况下,对功率分配进行了优化,从而最大化认知用户传输速率。仿真结果显示,该方法可以使授权用户和认知用户双方的通信性能都获得提高。为进一步提高频谱利用率,提出了一种时隙和功率联合优化的抗干扰频谱接入方法,即通过ZFBF设计波束赋形因子后,在满足授权用户达到目标速率的条件下,对时隙长度和功率分配进行联合优化,从而最大化认知用户传输速率。仿真结果显示,相比较于固定时隙长度频谱接入方法,该方法具有更好的传输性能,频谱利用率更高。(2)针对频率选择性衰落信道,本文提出了一种MIMO协作认知网络下基于OFDM的抗干扰频谱接入方法。在该方法中,认知用户在第二个时隙使用一部分子载波转发授权用户的信息,用余下的子载波发送自己的信息,从而消除授权系统与认知系统之间的干扰。该方法在保证授权系统满足目标速率的情况下,通过最优子载波分配,以及子载波上的功率优化分配,使得认知系统传输速率最大化。仿真结果显示,该方法不仅保障了授权用户的通信性能,认知系统也能获得很好的性能。
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