[论文解读] Cooperative Beamforming for Cognitive Radio-Based Broadcasting Systems with Asynchronous Interferences

Mai H. Hassan, Md. Jahangir Hossain|arXiv (Cornell University)|May 8, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 30被引用 3

一句话总结

本文提出了一种针对认知无线电广播系统的鲁棒协作波束成形技术，可减轻由分布式协作认知无线电节点（CCRNs）引起的主用户接收机处的异步干扰。通过制定两阶段次优优化——首先确定波束成形方向，然后在干扰约束下分配功率——即使在信道状态信息（CSI）不完整或统计性的情况下，以及在选择CCRNs后，仍可使用户和速率相比迫零波束成形（ZFBF）提高高达64%，并进一步获得45%的增益。

ABSTRACT

In order to address the asynchronous interference issue for a generalized scenario with multiple primary and multiple secondary receivers, in this paper, we propose an innovative cooperative beamforming technique. In particular, the cooperative beamforming design is formulated as an optimization problem that maximizes the weighted sum achievable transmission rate of secondary destinations while it maintains the asynchronous interferences at the primary receivers below their target thresholds. In light of the intractability of the problem, we propose a two-phase suboptimal cooperative beamforming technique. First, it finds the beamforming directions corresponding to different secondary destinations. Second, it allocates the power among different beamforming directions. Due to the multiple interference constraints corresponding to multiple primary receivers, the power allocation scheme in the second phase is still complex. Therefore, we also propose a low complex power allocation algorithm. The proposed beamforming technique is extended for the cases, when cooperating CR nodes (CCRNs) have statistical or erroneous channel knowledge of the primary receivers. We also investigate the performance of joint CCRN selection and beamforming technique. The presented numerical results show that the proposed beamforming technique can significantly reduce the asynchronous interference signals at the primary receivers and increase the sum transmission rate of secondary destinations compared to the well known zero-forcing beamforming (ZFBF) technique.

研究动机与目标

• 解决协作认知无线电网络中，由分布式CCRNs引起的主用户接收机处的异步干扰问题。
• 在确保主用户接收机处异步干扰低于阈值的前提下，最大化次用户目的地的加权和速率。
• 设计一种对不完整或统计性信道状态信息（CSI）具有鲁棒性的次优两阶段波束成形方案。
• 研究联合CCRNs选择与波束成形，以进一步提升次系统性能。
• 在信道估计误差和部分CSI等实际条件下评估系统性能。

提出的方法

• 制定两阶段协作波束成形设计：首先使用次优方法为每个次用户目的地确定波束成形方向。
• 在第二阶段，在多个主用户接收机的干扰约束下，对各波束成形方向进行功率分配。
• 采用鲁棒波束成形向量设计，在存在信道估计误差或统计CSI时仍能保持干扰阈值。
• 引入一种低复杂度功率分配算法，尽管存在多个干扰约束，仍能有效降低计算负担。
• 采用联合CCRNs选择与波束成形策略，根据节点对次用户和速率的贡献及其对主用户干扰的影响来选择节点。
• 使用正交投影技术在主用户接收机处消除干扰，将迫零波束成形（ZFBF）框架扩展至处理异步信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多CCRNs、多主用户接收机的认知无线电系统中，如何设计协作波束成形以最小化主用户接收机处的异步干扰？
• RQ2 在CSI不完整的情况下，与传统迫零波束成形（ZFBF）相比，采用鲁棒波束成形可实现多大的次用户和速率增益？
• RQ3 信道估计误差如何影响干扰阈值违规？鲁棒波束成形设计能否缓解此问题？
• RQ4 与瞬时CSI相比，使用统计CSI对干扰约束满足度和次用户和速率有何影响？
• RQ5 联合CCRNs选择与波束成形能否进一步提升次用户和速率？提升幅度如何？

主要发现

• 所提出的鲁棒波束成形技术在信道估计误差情况下，比迫零波束成形（ZFBF）更有效地减少主用户接收机处的异步干扰。
• 在完美CSI条件下，所提波束成形技术相比ZFBF可使次用户目的地的和速率提高高达64%。
• 在存在信道估计误差时，鲁棒波束成形设计比传统LBF更可靠地维持干扰约束，显著减少阈值违规频率。
• 当仅使用统计CSI时，鲁棒波束成形技术可将干扰阈值违规概率控制在最大允许值（ε = 0.1）以内。
• 与不进行选择而使用所有CCRNs相比，联合CCRNs选择与波束成形可使次用户和速率提升高达45%。
• 低复杂度功率分配算法能有效管理多个干扰约束，使波束成形设计在实际系统中具备实时实现的可行性。