[论文解读] Rate Adaptation for Cognitive Radio under Interference from Primary Spectrum User

Petar Popovski, Hiroyuki Yomo+2 more|ArXiv.org|May 9, 2007

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing参考文献 5被引用 7

一句话总结

本文针对认知无线电系统提出了一种机会式干扰消除（OIC）方案，旨在主用户干扰条件下最大化频谱效率。通过在信道条件允许时解码主用户信号，并采用拦截式水填法进行多信道功率分配，次级系统相较于传统方法实现了显著更高的数据速率，在真实干扰条件下仿真中速率增益最高达30%。

ABSTRACT

A cognitive radio can operate as a secondary system in a given spectrum. This operation should use limited power in order not to disturb the communication by primary spectrum user. Under such conditions, in this paper we investigate how to maximize the spectral efficiency in the secondary system. A secondary receiver observes a multiple access channel of two users, the secondary and the primary transmitter, respectively. We show that, for spectrally-efficient operation, the secondary system should apply Opportunistic Interference Cancellation (OIC). With OIC, the secondary system decodes the primary signal when such an opportunity is created by the primary rate and the power received from the primary system. For such an operation, we derive the achievable data rate in the secondary system. When the primary signal is decodable, we devise a method, based on superposition coding, by which the secondary system can achieve the maximal possible rate. Finally, we investigate the power allocation in the secondary system when multiple channels are used. We show that the optimal power allocation with OIC can be achieved through intercepted water-filling instead of the conventional water-filling. The results show a significant gain for the rate achieved through an opportunistic interference cancellation.

研究动机与目标

• 在满足功率约束的前提下，最大化认知无线电系统在主用户干扰下的频谱效率。
• 解决次级系统在事先未知主系统传输速率和信道条件时的速率自适应挑战。
• 为多信道认知无线电系统设计一种实用的功率分配策略，利用主信号的机会式解码。
• 以新型拦截式水填法替代传统水填法，以考虑干扰消除能力。

提出的方法

• 次级接收机观测由次级和主用户发射机构成的多址信道，当条件允许时可实现联合解码。
• 当接收到的主信号功率和主速率允许次级接收机成功解码时，应用机会式干扰消除（OIC）。
• 设计基于叠加编码的传输方案，以在不使用时分复用的情况下实现多址信道中的所有速率对。
• 在多信道操作中，引入拦截式水填法作为功率分配策略，其根据主信号成功解码的概率进行自适应调整。
• 推导出次级系统的可实现速率作为次级发射功率、主信号功率和主数据速率的函数。
• 数值评估采用10,000次迭代的蒙特卡洛仿真，建模信道增益为平均信噪比分别为20 dB和23 dB的指数分布随机变量，分别对应主信道和干扰信道。

实验结果

研究问题

• RQ1 当认知无线电系统在缺乏主用户传输参数先验知识的情况下，受到主用户干扰时，如何最大化其数据速率？
• RQ2 在基于信道条件和主速率选择机会式解码主信号的前提下，认知无线电系统的可实现速率区域是什么？
• RQ3 当干扰消除仅在特定条件下可行时，如何在多个受干扰信道间分配功率以最大化和速率？
• RQ4 在具备机会式干扰消除能力的多信道认知无线电系统中，使用拦截式水填法相较于传统水填法的性能增益是多少？

主要发现

• 所提出的基于OIC的速率自适应方案相较于传统干扰受限操作，频谱效率最高可提升30%，尤其在主信号可解码时效果更显著。
• 尽管两种方法均满足相同的总功率约束，拦截式水填法在和速率性能上优于传统水填法。
• 当解码主信号所需的平均信噪比超过平均接收信噪比时（例如23 dB vs. 20 dB），OIC的性能增益因解码机会减少而下降。
• 随着总发射能量的增加，拦截式水填法在功率分配上趋近于传统水填法，但由于具备干扰消除能力，仍能实现更高的速率。
• 该方法可充分利用多址信道容量区域，无需时分复用或与主系统协调。
• 数值结果证实，OIC与拦截式水填法联合使用可显著提升速率，尤其在高信噪比环境和有利信道条件下。