具有共存约束的多天线认知无线电网络实用设计

本文研究了共享地理上已用或未用频谱的多天线认知无线电 (CR) 网络的实用设计。我们考虑由主用户 (PU) 组成的单小区网络，其为半双工两跳中继信道，而次用户 (SU) 为单用户加性高斯白噪声信道。此外，必须满足共存约束，即要求 PU 的编码方案和速率在 SU 出现时保持不变。本文的贡献主要有两点。首先，我们明确设计了在单小区网络中将 SU 与现有 PU 配对的方案。其次，我们联合设计非线性预编码器、中继波束成形器以及发射机和接收机波束成形器，以最小化 SU 系统的总和均方误差。在第一部分中，我们推导了中继比、弦距离、矢量信道强度与发射功率之间的近似关系。基于此关系，我们能够高效地求解 SU 与 PU 之间的最优配对。在第二部分中，考虑到实现的可行性，我们利用 Tomlinson-Harashima 预编码而非脏纸编码来减轻 SU 接收端的干扰，其中干扰在 SU 发射端是已知的边信息。为了完成设计，我们首先将优化问题近似为凸问题，然后提出一种迭代算法利用 CVX 求解。这种联合设计利用了所有设计自由度。据我们所知，文献中从未同时考虑过这两个部分。数值结果表明，所提出的配对方案以低复杂度优于贪婪配对和随机配对。数值结果还表明，即使所有信道矩阵均为满秩（在此条件下简单的零强制方案不可行），所提出的方案仍能良好工作。