多输入多输出Y信道中基于天线选择的信号传输方法

摘要

本发明公开了一种多输入多输出Y信道中基于天线选择的信号传输方法，主要解决现有技术的天线数限制严格的问题。其实现步骤包括：中继节点选择接收天线；中继节点确定多址接入时隙有效预编码向量；用户节点向中继节点发送信号；中继节点对接收信号进行译码；中继节点选择发送天线；中继节点确定广播时隙有效预编码向量；中继节点向用户节点广播信号；用户节点恢复有用数据。本发明与现有的信号传输方法相比，其误码率性能有了较大降低。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及干扰对齐和网络编码，更进一步涉及一种天 线选择的信号传输方法,可用于多输入多输出Y信道。

背景技术

传统的双向中继信道是一对用户或多对用户通过中继互发信息，这种模型下，每 个用户只给其中一个用户发送信息,同时接收来自这个用户发送的信息。在实际应用 中，各用户经常需要与其他用户交互不同信息。在这种情形下，出现了多向中继信道 模型，多输入多输出Y信道就是其中一种重要的通信信道模型。

多输入多输出Y信道模型包括K个用户节点和一个中继节点，其中每个用户节点 装备M根天线，中继节点装备N根天线。不同的用户节点之间没有直接的链路，且 每个用户节点通过中继节点给另外K-1个用户节点各发送一个单播信息，具体的通 信过程如下：首先，K个用户节点同时发送数据给中继节点，这个时隙称为多址接入 时隙；然后，中继节点对接收到的信息进行处理后广播给K个用户节点，这个时隙称 为广播时隙；最后，由K个用户节点分别根据自己的接收信号以及自己在多址接入时 隙所发送的信息译出另外K-1个用户节点发给自己的信息。

多输入多输出Y信道可以获得比多用户多输入多输出及时分复用更高的自由度， 但是，现有多输入多输出Y信道对各节点的天线数有非常严格的限制。韩国学者 Kwangwon Lee等在文章″Feasibility Conditions of Signal Space Alignmentfor Network  Coding on K-user MIMO Y channels，IEEE Trans.Inform.Theory″中对多输入多输出Y 信道的各节点天线装备数目的条件进行了分析，在多址接入时隙采用信号空间对齐技 术和在广播时隙采用基于网络编码的干扰消除波束成形技术，证明了各节点天线需满 足M≥K-1,且2M-N≥1的条件。因此，针对各节点的天线数不满足 要求的情形，能否设计相应的空间对齐技术，以达到最大自由度，是目前需要解决的 一个问题。

发明内容：

本发明针对上有技术的不足，提出一种多输入多输出Y信道中基于天线选择的 信号传输方法，以解决在天线装备数不满足2M-N≥1条件的情况下，使系统可以获 得最大自由度并降低系统误码率。

实现本发明的目的技术方案，包括如下步骤：

(1)中继节点选择接收天线

(1.1)针对各用户多址接入时隙信道矩阵，均删去第p₁,…,p_N-N′行向量得到各自 的多址接入时隙信道子矩阵，其中，N为中继天线数，N′为中继所选择的天线数， p₁,…,p_N-N′∈{1,…,N}且p₁≠…≠p_N-N′，2M-N′＝1，M≥K-1， K为用户节点数，M为每个用户的天线数；

(1.2)根据各用户多址接入时隙信道矩阵，采用信号空间对齐方法，确定各自的 多址接入时隙预编码向量及多址接入时隙对齐向量；

(1.3)根据多址接入时隙对齐向量构成多址接入时隙对齐矩阵U_f，

$U_f=\left(\begin{array}{ccccc}{u}_f^1& ···& u_f^{\pi (i,j)}& ···& u_f^E\end{array}\right),$

其中，上标π(i，j是一个索引函数，满足π(i,j)π=j(，且有 π(i,j＝)f＝τ(p₁…,p_N-N′)为另一个索引函数，将$\left(\begin{array}{c}N\\ N-N^{\prime }\end{array}\right)$种数 值组合(p₁,…，p_N-N′一一映射到$[1,\left(\begin{array}{c}N\\ N-N^{\prime }\end{array}\right)]$的整数上，$f\in (1,···,\left(\begin{array}{c}N\\ N-N^{\prime }\end{array}\right)),$i,j∈{1,…,K}，i≠j；

(1.4)根据上述多址接入时隙对齐矩阵U_f，确定其中， [·]_t，t代表矩阵第t行第t列的元素，t∈{1,…,E}；

(1.5)根据上述确定得到f^*在索引函数τ中对应的自 变量(p₁^*,…,p_N-N′^*)，中继r选择除第p₁^*,…,p_N-N′^*根以外的天线作为接收天线，得到 各用户的多址接入时隙有效矩阵，其中，多址接入时隙有效矩阵表示多址接入时隙用 户发送天线到中继选择得出接收天线的信道系数矩阵，arg min表示使目标函数取最 小值时的变量值；

(2)中继节点根据各用户多址接入时隙有效信道矩阵，采用信号空间对齐方法， 确定多址接入时隙有效预编码向量及多址接入时隙有效对齐向量；

(3)每个用户对各自的待发送信息进行二进制相位调制，得到调制信号，并采用 上述确定的各自的多址接入时隙有效预编码向量将调制信号加权后发送出去；

(4)中继接收各用户发送的信号，通过迫零检测得到中继待发信号；

(5)中继节点选择发送天线

(5.1)针对各用户广播时隙信道矩阵，均删去第q₁,…q_N-N′列向量得到各自的广播 时隙信道子矩阵，其中，q₁,…,q_N-N′∈{1,…,N}且q₁≠…≠q_N-N′$g\in (1,···,\left(\begin{array}{c}N\\ N-N^{\prime }\end{array}\right));$

(5.2)根据各用户广播时隙信道矩阵，采用信号空间对齐方法，确定各自的译码 向量及广播时隙对齐向量；

(5.3)根据上述广播时隙对齐向量，确定出广播时隙预编码向量；

(5.4)根据上述用户i和用户j的译码向量广播时隙对齐向量及 广播时隙预编码向量确定其中，i,j∈{1,…,K},i≠j，(·)^H表示共轭转置算子，‖·‖²表示向量的二范数；

(5.5)根据上述确定得到g^*在索引函数τ中对应的自变 量(q₁^*,…,q_N-N′^*)，中继节点r选择除第q₁^*,…,q_N-N′^*根以外的天线作为发送天线，得到 各用户的广播时隙有效矩阵，其中，各用户的广播时隙有效矩阵表示广播时隙中继所 选择发送天线到各用户所有接收天线的信道系数矩阵；

(6)中继节点根据各用户广播时隙有效信道矩阵，确定各用户有效译码向量、广 播时隙有效对齐向量及广播时隙有效预编码向量；

(7)中继在广播时隙采用上述确定出广播时隙有效预编码向量将中继待发信号加 权后发送出去；

(8)用户节点恢复原始信息

(8.1)各用户利用各自的有效译码向量抑制接收信号中其他用户对间的干扰，得 到所需信号；

(8.2)根据上述各用户所需信号及各自的发送调制信号抑制自身干扰，并采用迫 零检测再解调恢复出其他用户给自己发送的原始信息，其中，解调采用与步骤(3)中的 调制相对应的解调方式。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)本发明由于在多址接入时隙及广播时隙采用了的天线选择方法，克服了天线 数的严格限制条件，降低了多输入多输出Y信道对配置天线数目的要求，从而扩大多 输入多输出Y信道在实际中的应用范围。

2)本发明由于采用多天线技术，充分利用了天线数目增多的条件，在多址接入 时隙选择了在本时隙能获得最大信噪比的一组天线作为接收天线，同样在广播时隙选 择了在本时隙能获得最大信噪比的另一组天线作为发送天线，从而获得潜在分集增 益，降低了系统的误码率。

附图说明

图1是本发明适用的多输入多输出Y信道模型；

图2是本发明的流程图；

图3是本发明在多址接入时隙有噪声且广播时隙无噪声时的误码率仿真图；

图4是本发明在广播时隙有噪声且多址接入时隙无噪声时的误码率仿真图；

图5是本发明在多址接入时隙和广播时隙都有噪声时的误码率仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

本发明所提出的信号传输方法适用于图1所述的多输入多输出Y信道模型，该 信道模型包括个K用户节点和一个中继节点，其中每个用户节点装备M根天线，中 继节点装备N根天线，每个用户节点通过中继节点给另外K-1个用户节点各发送一 个单播信息；整个通信过程分为两个时隙，第一个时隙为多址接入时隙，第二个时隙 为广播时隙，具体的通信过程如下：在多址接入时隙，K个用户节点同时发送信息给 中继节点,中继节点对接收到的信号进行处理得到广播时隙待发信号；在广播时隙， 中继节点广播信息给K个用户节点，每个用户节点分别根据自己接收的信号以及自己 所发送的信号恢复出另外K-1个用户节点发给自己的信息。

参照图2，本发明利用图1中的信道模型进行信号传输的步骤如下：

步骤1，中继节点选择接收天线。

根据用户i到中继的多址接入时隙信道矩阵H^[r，i]，中继节点从装备的N根天线中 选择N′根作为接收天线，其中，用户i到中继的多址接入时隙信道矩阵H^[r，i]的每个元 素服从均值为零、方差为1的相互独立的复高斯随机变量，2M-N′＝1，M≥K-1，K为用户节点数目，M为用户的天线数目，i∈{1,…,K}， 具体选择方法如下：

(1.1)删去用户i到中继的多址接入时隙信道矩阵 ${\left(H^{[r,i]}\right)}^T=\left(\begin{array}{ccccc}{h}_1^{[r,i]}& ···& h_n^{[r,i]}& ···& h_N^{[r,i]}\end{array}\right)$中N-N′个列向量再进行转置运算 得到用户i到中继的多址接入时隙信道子矩阵其中，(·)^T为矩阵的转置算子， 为H^[r，i]T的第n个列向量，i∈{1,…,K}，f＝τ(p₁,…,p_N-N′)，τ(p₁,…,p_N-N′)为索 引函数，它将D种数值组合(p₁,…，P_N-N′一一映射到[1,D]的整数上， p₁,…,p_N-N′∈{1,…,N}且p₁≠…≠p_N-N′，f∈(1，…,D)，$D=\left(\begin{array}{c}N\\ N-N^{\prime }\end{array}\right).$

(1.2)根据上述用户i到中继和用户j到中继的多址接入时隙信道子矩阵和采用信号空间对齐方法，确定用户j和用户i的多址接入时隙预编码向量 及多址接入时隙对齐向量其中信号空间对齐按如下公式确定：

${\tilde{H}}_f^{[r,i]}{v}_f^{[j,i]}={\tilde{H}}_f^{[r,j]}{v}_f^{[i,j]}=u_f^{\pi (i,j)}$

其中，i,j∈{1,…K}且i≠j，上标π(i,j)是一个索引函数，满足π(i，j)＝π(j,i)，且有 $\pi (i,j)=\underset{x=K-\min \{i,j\}+1}{\overset{K-1}{\Sigma }}x+|i-j|.$

(1.3)根据上述多址接入时隙对齐向量构成多址接入时隙对齐矩阵U_f， $U_f=\left(\begin{array}{ccccc}{u}_f^1& ···& u_f^e& ···& u_f^E\end{array}\right),$其中，i,j∈{1,…,K}，i≠j，e＝π(i,j)，

(1.4)根据上述多址接入时隙对齐矩阵U_f，确定其中， t∈{1,…,E}，[·]_t，t代表矩阵第t行第t列的元素。

(1.5)根据上述确定得到f^*在索引函数τ中对应的 自变量(p₁^*,…,p_N-N′^*)，中继节点r选择除第p₁^*,…,p_N-N′^*根以外的天线作为接收天线， 得到用户i到中继的多址接入时隙有效矩阵为其中，表示多址接入 时隙用户i所有发送天线到中继所选择接收天线的信道系数矩阵，arg min表示使目标 函数取最小值时的变量值。

步骤2，中继节点确定多址接入时隙有效预编码向量。

中继节点根据用户i到中继和用户j到中继的多址接入时隙有效信道矩阵和 采用信号空间对齐方法，确定用户j和用户i的多址接入时 隙有效预编码向量v^[i，j]和v^[j，i]及多址接入时隙有效对齐向量u^π(i，j)，并将v^[i，j]反馈给 用户节点j、向量v^[j，i]该预编码发送至用户节点i。其中，信号空间对齐按如下的公 式确定：

${\bar{H}}^{[r,i]}{v}^{[j,i]}={\bar{H}}^{[r,j]}{v}^{[i,j]}=u^{\pi (i,j)}$

i,j∈{1,…,K}且i≠j。

步骤3，用户节点向中继节点发送信号。

每个用户对各自的发送信息进行调制，得到用户i向用户j发送的多址接入时隙 调制信号s^[j，i]，调制方法采用二进制相位调制或四进制相位调制或正交幅度调制，本 发明实施例中采用二进制相位调制。并采用多址接入时隙有效预编码向量v^[j，i]将s^[j，i]加权，得到用户i的发送信号为：

$x_i=\underset{j=1,j\ne i}{\overset{K}{\Sigma }}{v}^{[j,i]}{s}^{[j,i]}$

在多址接入时隙，每个用户将各自的发送信号发送给中继节点。其中，s^[j,i]表示用户 i向用户j发送的调制信号，v^[j，i]表示用户i的多址接入时隙有效预编码向量， i,j∈{1,…,K}且i≠j。

步骤4，中继节点对接收信号进行译码。

(4.1)中继节点r用步骤(1)选择出的接收天线来接收信号，得到接收信号为：

$y_r=\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}{\bar{H}}^{[r,i]}{x}_i+n_r$

$=\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}{\bar{H}}^{[r,i]}\underset{j=1j\ne i}{\overset{K}{\Sigma }}{v}^{[j,i]}{s}^{[j,i]}+n_r$

$=\underset{\pi (i,j)=1}{\overset{T}{\Sigma }}{u}^{\pi (i,j)}{s}^{\left[\pi (j,i)\right]}+n_r$

$={\mathrm{Us}}_{\mathrm{tra}}+n_r$

其中，y_r为接收信号向量，n_r为中继接收到的噪声向量，该向量的每个元素是 均值为零、方差为的相互独立的复高斯随机变量，s^[π(i，j)]＝s^[i,j]+s^[j,i]表示用户i调 制信号s^[j，i]与用户j调制信号s^[i，j]的叠加信号，u^π(i，j)为多址接入时隙有效对齐向量， U＝[u¹…u^π(i，j)…u^E]为多址接入时隙有效对齐矩阵， s_tra＝[s¹…s^π(i，j)…s^E]^T为对齐信号列向量，

(4.2)中继节点r对接收信号y_r进行迫零检测，分离对齐信号列向量s_tra，得到中 继节点待发送信号向量为：

s_rec＝U⁺y_r＝s_tra+U⁺n_r

式中，$s_{\mathrm{rec}}={\left(\begin{array}{ccccc}{s}_{\mathrm{rec}}^1& ···& s_{\mathrm{rec}}^{\pi (i,j)}& ···& s_{\mathrm{rec}}^E\end{array}\right)}^T$为中继待发送信号向量，为待发送信 号，(·)⁺为矩阵的广义逆算子，i,j∈{1,…,K}且i≠j，

步骤5，中继节点选择发送天线。

根据中继到用户i的广播时隙信道矩阵H^[i，r]，中继节点从装备的N根天线中选择 N′根作为发送天线，其中，中继到用户i的广播时隙信道矩阵H^[i，r]的每个元素服从均 值为零、方差为1的相互独立的复高斯随机变量，i∈{1,…,K}，具体选择方法如下：

(5.1)删去中继到用户i的广播时隙信道矩阵中 N-N′个列向量得到中继到用户i的广播时隙信道子矩阵其中， 为H^[i，r]的第n列向量，g＝τ(q₁,…q_N-N′)，q₁,…q_N-N′∈{1,…,N}且q₁≠…≠q_N-N″， $g\in (1,···,\left(\begin{array}{c}N\\ N-N^{\prime }\end{array}\right)).$

(5.2)根据上述中继到用户i和用户j的广播时隙信道子矩阵和采用 信号空间对齐方法，确定用户j和用户i的译码向量及广播时隙对齐向量 其中信号空间对齐按如下的公式确定：

$w_g^{[j,i]H}{\tilde{H}}_g^{[i,r]}=w_g^{[i,j]H}{\tilde{H}}_g^{[j,r]}=z_g^{\pi (i,j)}$

其中i,j∈{1,…,K}且i≠j。

(5.3)根据上述广播时隙对齐向量组成广播时隙对齐矩阵 按如下公式确定出对应的广播时隙预编码向量

$v_g^{[\pi (i,j),r]}=\mathrm{null}\left({\tilde{Z}}_g^{\pi (i,j)H}\right),$

其中，为矩阵去掉列向量得到的子矩阵，null(·)为矩阵的零空间算子， g∈(1,…,D)，i,j∈{1,…,K}且i≠j。

(5.4)根据上述用户j和用户i的译码向量广播时隙对齐向量及广播时隙预编码向量确定其中，i,j∈{1,…,K},i≠j，(·)^H表示共轭转置算子，‖·‖²表示向量的二范数。

(5.5)根据上述确定得到g^*在索引函数τ中对应的自 变量(q₁^*,…,q_N-N′^*)，中继节点r选择除第q₁^*,…,q_N-N′^*根以外的天线作为发送天线，得 到中继到用户i的广播时隙有效矩阵为其中，表示广播时隙中继所 选择发送天线到用户i所有接收天线的信道系数矩阵。

步骤6，中继节点确定广播时隙有效预编码向量。

中继节点根据中继到用户i和用户j的广播时隙有效信道矩阵和通过 信号空间对齐公式：

$w^{[j,i]H}{\bar{H}}^{[i,r]}=w^{[i,j]H}{\bar{H}}^{[j,r]}=z^{\pi (i,j)}$

确定用户j和用户i的有效译码向量w^[i，j]和w^[j，i]、广播时隙有效对齐向量z^π(i，j)，并按 如下公式：

$v^{[\pi (i,j),r]}=\mathrm{null}\left({\tilde{Z}}^{\pi (i,j)H}\right)$

确定广播时隙有效预编码向量v^{[π(i，j)，r]}，其中，为广播时隙有效对齐矩阵Z^[r]去 掉列向量z^π(ij,得到的子矩阵，广播时隙有效对齐矩阵为 Z^[r]＝[z^π(1,1)…z^π(i,j)…z^π(K-1,K)]，i,j∈{1,…K}且i≠j。

步骤7，中继节点向用户节点广播信号。

中继在广播时隙采用v^{[π(i，j)，r]}将中继待发信号加权后发送出去，得到中继广播 信号：

$x_r=\underset{e=1}{\overset{E}{\Sigma }}{v}^{[e,r]}{s}_{\mathrm{rec}}^e$

其中，e＝π(i,j)，i,j∈{1,…,K}且i≠j，

步骤8，用户节点恢复有用数据。

(8.1)用户节点i的接收信号为：

$y_i={\bar{H}}^{[i,r]}{x}_r+n_i,$

其中，i∈{1,…,K}，n_i是中继节点到用户节点i的噪声向量，该向量的每个元素是均 值为零、方差为的相互独立的复高斯随机变量。

(8.2)根据上述用户i接收信号y_i，利用w^[j，i]H抑制其他用户对间的干扰信号， 分离出用户i的所需信号：

${\hat{y}}^{[i,j]}=w^{[j,i]H}{y}_i$

$=w^{[j,i]H}{\bar{H}}^{[i,r]}\underset{t=1}{\overset{T}{\Sigma }}{v}^{[t,r]}{s}_r^{\left[t\right]}+w^{[j,i]H}{n}_i$

$=z^{\pi (i,j)H}{v}^{[\pi (i,j),r]}{s}_r^{\left[\pi (i,j)\right]}+w^{[j,i]H}{n}_i$

其中，t＝π(i,j)，j∈{1,…,K}且j≠i。

(8.3)根据上述用户i的所需信号及自己的发送调制信号s^[j，i]来抑制自身 的干扰，具体按如下公式确定：

${\hat{x}}^{[i,j]}={\hat{y}}^{[i,j]}-z^{\pi (i,j)H}{v}^{[\pi (i,j),r]}{s}^{[j,i]}$

其中，为用户i自身干扰抑制信号，z^π(i，j)为广播时隙有效对齐向量，v^{[π(i，j)，r]}为广 播时隙有效预编码向量，j∈{1,…,K}，j≠i。

(8.4)根据上述用户i自身干扰抑制信号进行迫零检测并解调，其中，迫零 检测，具体按如下公式确定：

${\hat{s}}^{[i,j]}={\left(z^{\pi (i,j)H}{v}^{[\pi (i,j),r]}\right)}^{-1}{\hat{x}}^{[i,j]}$

为用户i待还原用户j的调制信号，z^π(i，j)为广播时隙有效对齐向量，v^{[π(i，j)，r]}为广 播时隙有效预编码向量，j∈{1,…,K}。解调采用与步骤（3）中的调制相对应的解调 方式。

本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明：

1.仿真条件：

设定多输入多输出Y信道的用户节点数K＝3,每个用户节点配置的天线数 M＝2，中继节点配置的天线数N为3、4、5、6这四种情况，设每个用户节点和中 继节点处的噪声方差均为σ²，即i∈{1,…,K}。

2.仿真内容及仿真结果

（a）假设多址接入时隙有噪声且广播时隙无噪声条件下，对本发明方法在 N=4,5,6时和现有需满足天线数目要求的信号传输方法在N=3时的误码性能进行比 较，仿真结果如图3，图3中得横坐标表示发送信噪比，纵坐标表示多输入多输出Y 信道的误码率。由图3可以看出，当中继节点装备的天线数目增多从而不满足天线数 目要求时，本发明所提出的天线选择在多址接入时隙仍可以应用信号空间对齐的信号 传输方法，并比现有的信号传输方法的误码性能有明显的提高，且随着中继节点天线 数目的增多，改善更加明显。

（b）假设多址接入时隙无噪声且广播时隙有噪声条件下，对本发明方法在 N=4,5,6时和现有需满足天线数目要求的信号传输方法在N=3时的误码性能进行比 较，仿真结果如图4，图4中得横坐标表示发送信噪比，纵坐标表示多输入多输出Y 信道的误码率。由图4可以看出，当中继节点装备的天线数目增多从而不满足天线数 目要求时，本发明所提出的天线选择在广播时隙仍可以应用信号空间对齐的信号传输 方法，并比现有的信号传输方法的误码性能有明显的提高，且随着中继节点天线数目 的增多，改善更加明显。

（c）假设多址接入时隙和广播时隙都有噪声条件下，对本发明方法在N=4,5,6时 和现有需满足天线数目要求的信号传输方法在N=3时的误码性能进行比较，仿真结果 如图5，图5中得横坐标表示接收信噪比，纵坐标表示多输入多输出Y信道的误码率。 由图5可以看出，当中继节点装备的天线数目增多从而不满足天线数目要求时，本发 明所提出的天线选择可以应用信号空间对齐的信号传输方法，并比现有的信号传输方 法的误码性能有明显的提高，且随着中继节点天线数目的增多，改善更加明显。