The degrees of freedom (DoF) of multi-user cognitive radios (CR) under half-duplex (HD) and full-duplex (FD) are studied in this work. Due to the fact that FD adopted multiple cognitive users (CUs) suffer not only self-interference (SI) and primary-user interference (PUI) but also multi-user interference (MUI) from the other CUs, the DoF metric is constrained by various interference factors and shows scale invariance properties with respect to the temporal, frequency and spatial dimensions. In this regard, the average DoF is characterized in both spatio and temporal dimensions using limitation calculation (LC) and interference alignment (IA) methods, under interweave, underlay, overlay and hybrid CR patterns. Due to the multi-user specified impacts, the achievable DoF of CU is constrained by the maximum transmit power of the other CUs, and the HD and FD tradeoff for multi-user CR is determined by both MUI and time-antenna splitting. Theoretical analysis indicates that the secondary user power and secondary user number only inflict impacts on LC and IA based average DoF respectively. Moreover, because of distributed CR processing, the average DoF for MU CR is upper-bounded by that of single-user CR. Simulation results validate the effects of MUI, SI, PUI and user number on the average DoF. It shows that IA achieves higher DoF than that of LC for multi-user CR, indicating that the DoF loss due to MUI can be reduced if interference mitigation is available.

中文翻译：

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半双工和全双工多用户认知无线电的自由度

本文研究了半双工 (HD) 和全双工 (FD) 下多用户认知无线电 (CR) 的自由度 (DoF)。由于 FD 采用多个认知用户 (CU) 不仅会受到自干扰 (SI) 和主用户干扰 (PUI) 的影响，还会受到来自其他 CU 的多用户干扰 (MUI)，因此 DoF 度量受到以下约束：各种干扰因素，并显示关于时间、频率和空间维度的尺度不变性。在这方面，使用限制计算 (LC) 和干扰对齐 (IA) 方法，在交织、底层、叠加和混合 CR 模式下，平均自由度在空间和时间维度上都有特征。由于多用户指定的影响，CU 可实现的 DoF 受到其他 CU 的最大发射功率的限制，多用户 CR 的 HD 和 FD 权衡取决于 MUI 和时间天线分裂。理论分析表明，次用户功率和次用户数仅分别对基于LC和IA的平均DoF产生影响。此外，由于分布式 CR 处理，MU CR 的平均自由度上限为单用户 CR 的平均自由度。仿真结果验证了 MUI、SI、PUI 和用户数量对平均自由度的影响。它表明对于多用户 CR，IA 实现了比 LC 更高的 DoF，表明如果干扰缓解可用，则可以减少由于 MUI 引起的 DoF 损失。理论分析表明，次用户功率和次用户数仅分别对基于LC和IA的平均DoF产生影响。此外，由于分布式 CR 处理，MU CR 的平均自由度上限为单用户 CR 的平均自由度。仿真结果验证了 MUI、SI、PUI 和用户数量对平均自由度的影响。它表明对于多用户 CR，IA 实现了比 LC 更高的 DoF，表明如果干扰缓解可用，则可以减少由于 MUI 引起的 DoF 损失。理论分析表明，次用户功率和次用户数仅分别对基于LC和IA的平均DoF造成影响。此外，由于分布式 CR 处理，MU CR 的平均自由度上限为单用户 CR 的平均自由度。仿真结果验证了 MUI、SI、PUI 和用户数量对平均自由度的影响。它表明对于多用户 CR，IA 实现了比 LC 更高的 DoF，表明如果干扰缓解可用，则可以减少由于 MUI 引起的 DoF 损失。