一种基于极化域和功率域协同的认知异构蜂窝网络频谱共享方法与流程

本发明属于无线通信领域，涉及认知异构蜂窝网络，具体涉及一种认知无线电的频谱共享技术。

背景技术：

随着无线通信业务的发展和智能通信设备的普及，频谱资源日渐匮乏，而无线网络容量需求呈现指数级增长。传统宏蜂窝网络中，改进空口技术和小区分裂提升容量的方式已不能有效地满足急速增长的网络容量需求。在频谱资源紧缺、空口技术提升容量有限的现状下，无线网络架构的革新被认为是支撑网络容量指数级增长的基础。作为IMT-Advanced的候选技术之一，第三代合作伙伴计划提出了LTE-Advanced技术标准，引入了异构网络架构：在宏蜂窝覆盖之下，通过部署小蜂窝的方式增强室内覆盖及增加室外热点容量，从而较好地满足未来数据业务需求。

然而，由于小蜂窝的频率复用，异构蜂窝网络存在宏蜂窝与小蜂窝间同频复用导致的跨层干扰问题。认知无线电(CR，Cognitive radio)技术作为一种智能的频谱共享技术，可以有效地解决频谱资源匮乏与业务量不断增长的矛盾。在CR系统中，小蜂窝作为认知网络在避免对宏蜂窝即授权网络产生有害干扰的条件下，利用存在的频谱机会(包含时域、频域、空域、功率域、距离域以及码域等)，实现和授权网络的频谱共享。由于小蜂窝网络具有低功耗和短覆盖范围的特征，功率域频谱共享是最受关注的研究内容之一^[1]。然而，在干扰规避和发射功率最小等多约束条件下，可利用的发射功率范围即功率域频谱机会减少。可用频谱机会的减少与异构蜂窝网络对频谱利用率需求的增加成为突出矛盾。

随着下一代无线通信系统的发展，受天线空间、尺寸等因素影响，具有正交双极化天线的基站和终端越来越普及，推动了对极化信息的利用以及极化域频谱共享的研究。在无线通信领域，极化和功率域资源的协同开始受到重视，相关研究包括联合功率分配的极分多址方法^[2]和基于极化抗干扰的能量收集技术^[3]。然而，在异构蜂窝网络领域和频谱共享研究中，极化和功率域资源协同的增益还未被挖掘。

[1]R.Zhang,Y.C.Liang,“Exploiting multi-Antennas for opportunistic spectrum sharing in cognitive radio networks,”IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing,vol.2,no.1,pp.88-102,2008.

[2]Q.Zhang,B.Cao,Y.Wang,et al.,“On exploiting polarization for energy-harvesting enabled cooperative cognitive radio networking,”IEEE Wireless Commun.,vol.20,no.4,pp.116-124,2013.

[3]S.-C.Kwon,“Optimal power and polarization for the capacity of polarization division multiple access channels,”in Proc.IEEE GLOBLCOM,pp.4221-4225,2014.

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述问题，协同利用极化和功率域资源实现认知异构蜂窝网络的无干扰共存，基于极化信息处理理论和功率分配方法，提供了一种认知异构蜂窝网络基于极化域和功率域协同的频谱共享方法，应用于认知异构蜂窝网络。

该方法通过优化小蜂窝基站的发送功率和发送极化状态，以及小蜂窝用户的接收极化状态，在满足宏蜂窝的干扰约束下实现了小蜂窝下行容量的最大化，提高了系统频谱效率。

为了达到上述技术效果，本发明实施例的一种认知异构蜂窝网络基于极化域和功率域协同的频谱共享方法，包括：

小蜂窝基站通过双极化天线向小蜂窝用户发送目标信号，宏蜂窝基站向宏蜂窝用户发送目标信号，宏蜂窝用户受到小蜂窝下行通信的干扰，小蜂窝用户通过双极化天线同时接收到宏蜂窝基站发送的干扰信号；

构建认知异构蜂窝网络基于极化域和功率域协同的频谱共享优化模型，以最大化小蜂窝下行容量为目标，以小蜂窝基站对宏蜂窝用户的干扰低于干扰门限以及小蜂窝基站发送功率不大于功率门限并不小于零为约束条件，优化参数为小蜂窝基站发送功率和发送极化状态，小蜂窝用户接收极化状态；

固定小蜂窝发送功率，简化基于极化域和功率域协同的频谱共享优化模型；

根据拉格朗日乘子法，计算小蜂窝用户的最优接收极化状态和小蜂窝基站的最优发送极化状态；

代入小蜂窝用户的最优接收极化状态和小蜂窝基站的最优发送极化状态，简化基于极化域和功率域协同的频谱共享优化模型；

依据功率分配注水原理，求解小蜂窝基站的最优发送功率。

本发明的优点在于：

(1)利用认知异构蜂窝网络的极化信息，增加认知异构蜂窝网络频谱共享的自由度；

(2)采用虚拟变极化方法产生极化状态，相比于改变天线硬件配置产生极化状态的方法，具有实现复杂度低的优点；

(3)通过极化和功率域资源的协同利用，保证了宏蜂窝用户的正常工作，实现了小蜂窝下行容量的最大化，提高了认知异构蜂窝网络的频谱效率。

附图说明

图1：本发明实施例的认知异构蜂窝网络模型示意图；

图2：本发明实施例提供的方法流程图；

图3：本发明与背景技术共享方法的系统频谱效率性能对比图(坐标图)。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

参考图1，示出了本发明的认知异构蜂窝网络模型，作为授权网络的宏蜂窝和作为认知网络的小蜂窝同频共存，宏蜂窝基站(MBS,Macro base station)向宏蜂窝用户(MUE，Macrocell user equipment)发送下行信号，小蜂窝基站(SBS,Small cell base station)和K个小蜂窝用户(SUEs，Small cell user equipments)均配置正交双极化天线，用于极化信号的发送和接收，小蜂窝基站向第i个小蜂窝用户(SUE_i)发送的下行信号和向第j个小蜂窝用户(SUE_j)发送的下行信号相互独立，小蜂窝下行通信对宏蜂窝下行通信造成干扰。

参考图2，示出了本发明的一种认知异构蜂窝网络基于极化域和功率域协同的频谱共享方法，其流程包括：

S01构建认知异构蜂窝网络基于极化域和功率域协同的频谱共享优化模型：

假设小蜂窝中共有K个小蜂窝用户，小蜂窝基站发送信号为{s_i},i＝1,2,…K，发送极化状态为{P_i,T}，小蜂窝基站到宏蜂窝用户的干扰信道为H_i,I，宏蜂窝用户接收极化状态为P_MR，那么小蜂窝基站对宏蜂窝用户的干扰I可表示为

其中：G_i＝||s_i||²表征小蜂窝基站向SUE_i发送的信号功率；

为了满足宏蜂窝的干扰约束条件，小蜂窝下行通信对宏蜂窝用户的干扰需不大于干扰门限Q，即

I≤Q

小蜂窝基站的发送功率需满足发送功率约束条件，且不小于零，即

其中：G_S是小蜂窝基站的发送功率门限

假设为每个小蜂窝用户分配的带宽相同且等于B，噪声方差为σ_i²，接收极化状态为{P_i,R}，小蜂窝基站到小蜂窝用户的目标信道为{H_i,S}，宏蜂窝基站到小蜂窝用户的干扰信道为{H_i,M}，根据香农定理，小蜂窝下行容量C可表征为

其中：P_MT表征宏蜂窝基站发送极化状态，G_i,M表征宏蜂窝基站在和SUE_i同频段的发送功率

以最大化小蜂窝下行容量为目标，以小蜂窝基站对宏蜂窝用户的干扰低于干扰门限以及小蜂窝基站发送功率不大于功率门限并不小于零为约束条件，构建认知异构蜂窝网络基于极化域和功率域协同的频谱共享优化模型为

S02简化基于极化域和功率域协同的频谱共享优化模型：

固定小蜂窝发送功率，优化参数减少为小蜂窝基站发送极化状态和小蜂窝用户接收极化状态，基于极化域和功率域协同的频谱共享优化模型可简化为

S03计算小蜂窝用户的最优接收极化状态和小蜂窝基站的最优发送极化状态，具体过程如下：

为了降低宏蜂窝下行通信对小蜂窝的干扰，小蜂窝用户的接收极化状态需和经过信道衰落的宏蜂窝基站发送极化状态失配，即满足

(P_i,R)^HH_i,MP_MT＝0

则小蜂窝用户的最优接收极化状态为

其中(γ_i,φ_i)是H_i,MP_MT的幅度和相位描述子，将小蜂窝用户的最优接收极化状态代入优化模型中，假设成立，忽略常数项B，则频谱共享优化模型可以简化为

其中根据拉格朗日乘子法，解得小蜂窝基站最优发送极化状态的闭合表达式分别为v_min(·)表示矩阵最小特征值对应的特征矢量；

S04简化基于极化域和功率域协同的频谱共享优化模型：代入蜂窝用户的最优接收极化状态和小蜂窝基站的最优发送极化状态，基于极化域和功率域协同的频谱共享优化模型可简化为

其中，

S05求解小蜂窝基站的最优发送功率：根据拉格朗日乘子法，可定义拉格朗日方程为

其中G＝{G_i}，μ和ν是拉格朗日乘子，上述拉格朗日方程的KKT条件为

α_i/(1+α_iG_i)-μβ_i-ν＝0

求解上述KKT条件，可得小蜂窝基站的最优发送功率为

其中[.]⁺＝max(0,.)，小蜂窝基站的最优发送功率是基于极化的多级注水解，不仅和传统的信道条件和噪声方差有关，还和极化信息有关。

参考图3，图示了本发明的频谱共享方法的使用效果示意图。JPPA表示本发明的频谱共享方法，PA代表基于功率分配的频谱共享方法，PSS表示采用最优极化状态分配和固定功率分配的频谱共享方法。表征频谱被宏蜂窝占用的概率。随的增加，采用JPPA的系统频谱效率始终高于PSS，并远高于PA，验证了本发明的频谱共享方法相比于仅利用极化信息(PSS)和仅利用功率信息(PA)的频谱共享方法的优势。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的硬件设施的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案对背景技术做出贡献的全部或者部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

综上所述，通过实施本发明实施例的一种认知异构蜂窝网络基于极化域和功率域协同的频谱共享方法，综合利用了认知异构蜂窝网络的极化资源和功率资源，通过极化域和功率域协同实现了小蜂窝和宏蜂窝的频谱共享，相比于仅利用极化信息和仅利用功率信息的频谱共享方法，在保证宏蜂窝用户正常工作的前提下提高了认知异构蜂窝网络的频谱效率。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。