MIMO交替中继系统中基于解码转发的干扰消除方法

摘要

本发明公开了一种MIMO交替中继系统中基于解码转发的干扰消除方法，主要解决MIMO系统的中继间干扰问题。其实现步骤是：1)设置系统；2)根据所设置的系统，构建源节点在不同时隙发送到中继的经预编码矩阵处理后的混合信号矢量；3)中继接收到从源节点发送的信号并进行解码；4)设计预编码矩阵；5)目的节点接收中继发送的无干扰信号矢量。本发明避免了对系统节点天线数的奇偶性限制，减小了系统复杂性，并能达到系统的最大自由度。

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种中继间干扰消除的方法，可用于多 输入多输出MIMO交替中继系统。

背景技术

多输入多输出MIMO系统可以提高频谱效率。此外，中继辅助传输有扩大覆 盖范围和提供空间分集的能力。因此，由多输入多输出MIMO和中继组成的复合 系统吸引更多人进行深入的研究。

在多输入多输出MIMO和中继组成的复合系统中，中继分为全双工中继和半 双工中继。全双工中继可以同时进行发送信号和接收信号，半双工中继系统是中 继在同一个时间只能发送信号或者接收信号。由于全双工中继系统实现起来比较 困难，因而半双工中继得到更广泛应用。但半双工中继系统中，在信噪比比较高 的情况下，系统的容量损耗比较大。很多方案都提出了恢复容量损耗的方法，在 这些方案中，交替中继方案吸引了更多人进行研究。它可以使两个中继从发送端 到接收端依次进行转发。然而，对于交替中继方案，一个固有的缺点是存在中继 间干扰IRI，它在很大程度上降低了系统的性能。

对于多输入多输出MIMO交替中继系统，有人已经提出了干扰对齐IA的方案， 即在信号接收端将干扰信号对齐到一个干扰子空间，这样与干扰子空间正交的子 空间就可以用来接收有用信号。但是这种用基于干扰对齐IA方案的不足是：

1.系统只能获得3/4M的自由度，其中，M为系统中每个节点的天线数且只 能为偶数；

2.必须配置三个中继器才能完成干扰对齐IA，系统设置复杂。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出了一种MIMO交替中继系 统中基于解码转发的干扰消除方法，以避免对系统的节点天线数的奇偶性限制， 减小系统复杂性，达到系统最大自由度M。

实现本发明的技术方案是：在MIMO交替中继系统中的源节点发送混合信 号并在源节点处和中继处分别设计级联的预编码矩阵，使中继间干扰IRI完全消 除，以实现系统的最大自由度和低复杂性。其实现步骤包括如下：

1)系统设置：

设MIMO系统包括一个源节点S、一个目的节点D和两个中继R₁、R₂，它们均配 置M根天线，M＞＝2，并且中继的传输方式为半双工；

令时隙为奇数时，源节点S和第二中继R₂发送信号，同时目的节点D和第一中 继R₁接收信号；

令时隙为偶数时，源节点S和第一中继R₁发送信号，同时目的节点D和第二中 继R₂接收信号；

2)构建源节点S在不同时隙发送的混合信号矢量：

2.1)在第一个时隙，将源节点S发送的信号表示为s₁：

s₁＝x₁＝[x₁₁， x₁₂， … x_1i， … x_1M]^T，

其中，x_1i是源节点S在第一个时隙发送的第i个信号分量，i＝1，2…M，T表示 矩阵转置；

2.2)在第二个时隙，将源节点S发送的混合信号矢量表示为s₂：

s₂＝A₁B₁(x₂+x₁)，

其中，A₁B₁是源节点在时隙为偶数时的级联预编码矩阵，A₁和B₁均为M×M 维矩阵，x₂＝[x₂₁，x₂₂，…x_2i，…x_2M]^T，x_2i是源节点S在第二时隙发送的第i个有 用信号分量，i＝1，2…M；

2.3)在第三个时隙，将源节点S发送的混合信号矢量表示为s₃：

s₃＝A₂B₂(x₃+x₂)，

其中，A₂B₂是源节点在时隙为奇数时的级联预编码矩阵，A₂和B₂均为M×M 维矩阵，x₃＝[x₃₁，x₃₂，…x_3i，…x_3M]^T，x_3i是源节点S在第三时隙发送的第i个 有用信号分量，i＝1，2…M；

3)根据步骤2)构建的源节点S发送的混合信号矢量，得到第一中继R₁在第 一个时隙接收的信号矢量y_r1，1为：

y_r1，1＝H₁x₁+n_r1，1，

假设第一中继R₁能够将x₁正确解码并在第二时隙将x₁进行传输，即第二时隙 第一中继发送的信号矢量s_r1，2表示为：

s_r1，2＝T₁W₁x₁，

则第二中继R₂在第二个时隙接收的信号矢量y_r2，2为：

y_r2，2＝H₂s₂+F₁s_r1，2+n_r2，2

＝H₂A₁B₁x₂+(H₂A₁B₁+F₁T₁W₁)x₁+n_r2，2，

其中，n_r1，1是在第一时隙第一中继R₁处的加性高斯白噪声，H₁是源节点S到 第一中继R₁的M×M维平坦衰落信道矩阵，n_r2，2是在第二时隙第二中继R₂处的加性 高斯白噪声，H₂是源节点S到第二中继R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，F₁是从第 一中继R₁到第二中继R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，T₁W₁是第一个中继R₁处的 级联预编码矩阵，T₁和W₁均为M×M维矩阵，H₂A₁B₁x₂是在第二中继R₂处的有用 信号矢量，(H₂A₁B₁+F₁T₁W₁)x₁是在第二中继R₂处的中继间干扰；

4)设计源节点在时隙为偶数时的预编码矩阵A₁、B₁，第一中继R₁处的预编 码矩阵T₁、W₁，使第二中继R₂处的中继间干扰(H₂A₁B₁+F₁T₁W₁)x₁完全消除；

5)根据步骤4)的设计，假设第二中继R₂能够将x₂正确解码并在第三时隙将 x₂进行传输，即第三时隙第二中继发送的信号矢量s_r2，3表示为：

s_r2，3＝T₂W₂x₂，

则第一中继R₁在第三个时隙接收的信号矢量y_r1，3为：

y_r1，3＝H₁s₃+F₂s_r2，3+n_r1，3

＝H₁A₂B₂x₃+(H₁A₂B₂+F₂T₂W₂)x₂+n_r1，3

其中，n_r1，3是在第三时隙第一中继R₁处的加性高斯白噪声，F₂是从第二中继 R₂到第一中继R₁的M×M维平坦衰落信道矩阵，T₂W₂是第二中继R₂处的级联的预编 码矩阵，T₂和W₂均为M×M维矩阵，H₁A₂B₂x₃是在第一中继R₁处的有用信号， (H₁A₂B₂+F₂T₂W₂)x₂是在第一中继R₁处的中继间干扰；

6)按照与步骤4)中源节点在时隙为偶数时的预编码矩阵A₁、B₁，第一中继 R₁处的预编码矩阵T₁、W₁相同的设计方法，设计源节点在时隙为奇数时的预编 码矩阵A₂、B₂，第二中继R₂处的预编码矩阵T₂、W₂，使第一中继R₁处的中继间干 扰(H₁A₂B₂+F₂T₂W₂)x₂完全消除；

7)中继间干扰通过步骤4)和步骤6)消除后，目的节点D在第二个时隙的 信号矢量y_d，2和在第三个时隙的矢量y_d，3为：

y_d，2＝G₁s_r1，2+n_d，2＝G₁T₁W₁x₁+n_d，2，

y_d，3＝G₂s_r2，3+n_d，3＝G₂T₂W₂x₂+n_d，3，

其中，n_d，2是在第二个时隙目的节点D处的加性高斯白噪声，G₁是第一中继 R₁到目的节点D的M×M维平坦衰落信道矩阵，G₁T₁W₁x₁为接收到的来自第一中继 R₁的无中继间干扰的信号，n_d，3是在第三个时隙目的节点D处的加性高斯白噪声， G₂是第二中继R₂到目的节点D的M×M维平坦衰落信道矩阵，G₂T₂W₂x₂为目的节点 接收到的来自第二中继R₂的无中继间干扰的信号。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)提高了自由度。现有基于干扰对齐IA的方案中，通过将干扰信号对齐到 一个干扰子空间里只能达到系统的3/4M的自由度，本发明通过在源节点和中继 处通过设计预编码矩阵使系统达到最大自由度M；

2)系统设置简单。现有基于干扰对齐IA的方案中，必须配置三个中继器才 能完成干扰对齐，本发明只需配置两个中继即可完成干扰完全消除；

3)条件限制小。现有基于干扰对齐IA的方案只能工作在节点天线数为偶数 的条件下，本发明对系统节点天线数的奇偶性没有要求，使系统的工作条件不受 节点天线数的限制。

附图说明

图1本发明使用的MIMO交替中继系统示意图；

图2为本发明的实现流程图；

图3为给定系统总节点天线数的条件下，分别用本发明和现有干扰对齐IA 方法系统获得的自由度对比图；

图4为给定系统每个节点天线数的条件下，分别用本发明和现有干扰对齐IA 方法系统获得的自由度对比图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的技术方案和效果作进一步详细描述。

按照图2，本发明的实现步骤如下：

步骤1.系统设置：

参照图1，本发明设置的MIMO系统包括一个源节点S、一个目的节点D和两 个中继R₁、R₂，它们均配置M根天线，M＞＝2，并且中继的传输方式为半双工；

令时隙为奇数时，源节点S和第二中继R₂发送信号，同时目的节点D和第一中 继R₁接收信号；

令时隙为偶数时，源节点S和第一中继R₁发送信号，同时目的节点D和第二中 继R₂接收信号；

步骤2.构建源节点S在不同时隙发送的混合信号矢量：

2.1)在第一个时隙，将源节点S发送的信号表示为s₁：

s₁＝x₁＝[x₁₁， x₁₂， … x_1i， … x_1M]^T，

其中，x_1i是源节点S在第一个时隙发送的第i个信号分量，i＝1，2…M，T表示 矩阵转置；

2.2)在第二个时隙，将源节点S发送的混合信号矢量表示为s₂：

s₂＝A₁B₁(x₂+x₁)，

其中，A₁B₁是源节点在时隙为偶数时的级联预编码矩阵，A₁和B₁均为M×M 维矩阵；x₂＝[x₂₁，x₂₂，…x_2i，…x_2M]^T，x_2i是源节点S在第二时隙发送的第i个 有用信号分量，i＝1，2…M；

2.3)在第三个时隙，将源节点S发送的混合信号矢量表示为s₃：

s₃＝A₂B₂(x₃+x₂)，

其中，A₂B₂是源节点在时隙为奇数时的级联预编码矩阵，A₂和B₂均为M×M 维矩阵，x₃＝[x₃₁，x₃₂，…x_3i，…x_3M]^T，x_3i是源节点S在第三时隙发送的第i个 有用信号分量，i＝1，2…M；

步骤3.根据步骤2构建的源节点S发送的混合信号矢量，得到第一中继R₁在第一个时隙接收的信号矢量y_r1，1为：

y_r1，1＝H₁x₁+n_r1，1，

假设第一中继R₁能够将x₁正确解码并在第二时隙将x₁进行传输，即第二时隙 第一中继发送的信号矢量s_r1，2表示为：

s_r1，2＝T₁W₁x₁，

则第二中继R₂在第二个时隙接收的信号矢量y_r2，2为：

y_r2，2＝H₂s₂+F₁s_r1，2+n_r2，2

＝H₂A₁B₁x₂+(H₂A₁B₁+F₁T₁W₁)x₁+n_r2，2，

其中，n_r1，1是在第一时隙第一中继R₁处的加性高斯白噪声，H₁是源节点S到 第一中继R₁的M×M维平坦衰落信道矩阵，n_r2，2是在第二时隙第二中继R₂处的加性 高斯白噪声，H₂是源节点S到第二中继R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，F₁是从第 一中继R₁到第二中继R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，T₁W₁是第一个中继R₁处的 级联预编码矩阵，T₁和W₁均为M×M维矩阵，H₂A₁B₁x₂是在第二中继R₂处的有用 信号矢量，(H₂A₁B₁+F₁T₁W₁)x₁是在第二中继R₂处的中继间干扰；

步骤4.设计源节点在时隙为偶数时的预编码矩阵A₁、B₁，第一中继R₁处的 预编码矩阵T₁、W₁，使第二中继R₂处的中继间干扰(H₂A₁B₁+F₁T₁W₁)x₁完全 消除：

4.1)设计矩阵A₁、T₁，使H₂A₁和F₁T₁对齐在H₂和F₁的交集空间V₁上，即

V₁＝H₂A₁＝F₁T₁，

将上式变形为：

V₁-H₂A₁＝0，

V₁-F₁T₁＝0，

其中A₁是源节点在时隙为偶数的预编码矩阵，T₁是第一中继R₁处的预编码 矩阵，H₂是源节点S到第二中继R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，F₁是从第一中继 R₁到第二中继R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，V₁是M×M维矩阵；

4.2)根据矩阵论中一个方阵等于单位矩阵左乘该方阵的性质，可得：

V₁＝I_MV₁，其中I_M是M×M维单位矩阵；

4.3)将4.2)得到的V₁＝I_M V₁代入4.1)中的V₁-H₂A₁＝0和 V₁-F₁T₁＝0，得到如下两个方程式：

I_MV₁-H₂A₁＝0，

I_MV₁-F₁T₁＝0，

4.4)将4.3)得到的两个方程式用矩阵表示如下：

$\left(\begin{array}{ccc}{I}_M& -H_2& 0\\ I_M& 0& -F_1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{V}_1\\ A_1\\ T_1\end{array}\right)=0,$

4.5)令$\left(\begin{array}{ccc}{I}_M& -H_2& 0\\ I_M& 0& -F_1\end{array}\right)=U_1,\left(\begin{array}{c}{V}_1\\ A_1\\ T_1\end{array}\right)=X_1,$将4.4)中的矩阵方程表示 为：

U₁X₁＝0

其中，U₁是2M×3M维的矩阵且秩为2M，X₁是3M×M维的矩阵，矩阵X₁为 矩阵U₁的零空间；

4.6)为了消除干扰，令第二中继处的中继间干扰项H₂A₁B₁+F₁T₁W₁等于 零，即：H₂A₁B₁+F₁T₁W₁＝0，

4.7)将4.1)得到的等式V₁＝H₂A₁＝F₁T₁代入到4.6)的等式中，可得：

V₁B₁+V₁W₁＝0

其中，W₁＝α₁I_M，α₁表示第一中继R₁的功率限制因子，

B₁＝-β₁I_M，β₁表示源节点S的功率限制因子，I_M是M×M维单位矩 阵；

4.8)为使4.7)中的等式V₁B₁+V₁W₁＝0成立，必须满足B₁＝-W₁：

如果4.7)中的β₁＝α₁，则满足B₁＝-W₁，如果4.7)中的β₁≠α₁，则 令W₁＝γ₁I_M，B₁＝-γ₁I_M，其中，γ₁＝min{α₁，β₁}。

步骤5.根据步骤4的设计，假设第二中继R₂能够将x₂正确解码并在第三时隙 将x₂进行传输，即第三时隙第二中继发送的信号矢量s_r2，3表示为：

s_r2，3＝T₂W₂x₂，

则第一中继R₁在第三个时隙接收的信号矢量y_r1，3为：

y_r1，3＝H₁s₃+F₂s_r2，3+n_r1，3

＝H₁A₂B₂x₃+(H₁A₂B₂+F₂T₂W₂)x₂+n_r1，3

其中，n_r1，3是在第三时隙第一中继R₁处的加性高斯白噪声，F₂是从第二中继 R₂到第一中继R₁的M×M维平坦衰落信道矩阵，T₂W₂是第二中继R₂处的级联的预编 码矩阵，T₂和W₂均为M×M维矩阵，H₁A₂B₂x₃是在第一中继R₁处的有用信号， (H₁A₂B₂+F₂T₂W₂)x₂是在第一中继R₁处的中继间干扰；

步骤6.按照与步骤4中源节点在时隙为偶数时的预编码矩阵A₁、B₁，第一 中继R₁处的预编码矩阵T₁、W₁相同的设计方法，设计源节点在时隙为奇数时的 预编码矩阵A₂、B₂，第二中继R₂处的预编码矩阵T₂、W₂，使第一中继R₁处的中继 间干扰(H₁A₂B₂+F₂T₂W₂)x₂完全消除；

步骤7.中继间干扰通过步骤4和步骤6完全消除后，目的节点D在第二个 时隙的信号矢量y_d，2和在第三个时隙的矢量y_d，3为：

y_d，2＝G₁s_r1，2+n_d，2＝G₁T₁W₁x₁+n_d，2，

y_d，3＝G₂s_r2，3+n_d，3＝G₂T₂W₂x₂+n_d，3，

其中，n_d，2是在第二个时隙目的节点D处的加性高斯白噪声，G₁是第一中继 R₁到目的节点D的M×M维平坦衰落信道矩阵，G₁T₁W₁x₁为接收到的来自第一中继 R₁的无中继间干扰的信号，n_d，3是在第三个时隙目的节点D处的加性高斯白噪声， G₂是第二中继R₂到目的节点D的M×M维平坦衰落信道矩阵，G₂T₂W₂x₂为目的节点 接收到的来自第二中继R₂的无中继间干扰的信号。

由于第一中继R₁处的预编码矩阵T₁只和源节点S到第二中继R₂的平坦衰落信 道矩阵H₂、第一中继R₁到第二中继R₂的平坦衰落信道矩阵F₁有关，且H₂、F₁与 第一中继R₁到目的节点D的平坦衰落信道矩阵G₁线性无关，所以G₁T₁W₁的秩也 是M，第二中继R₂处的预编码矩阵T₂只和源节点S到第二中继R₁的平坦衰落信道矩 阵H₁、第二中继R₂到第一中继R₁的平坦衰落信道矩阵F₂有关，且H₁、F₂与第二 中继R₂到目的节点D的平坦衰落信道矩阵G₂线性无关，所以G₂T₂W₂的秩也是M， 即系统达到最大自由度M。

通过上述设计的源节点和中继的预编码器矩阵，使中继间的干扰完全消除。 为了更清晰的描述本发明消除中继间干扰的过程，用表1对系统各节点在不同时 隙发送的数据符号及其预编码矩阵加以说明：

表1 系统各节点在不同时隙发送的数据符号及其预编码矩阵

时隙 1 2 3 4 5 … 源节点发送的数据符号 x₁x₂+x₁x₃+x₂x₄+x₃x₅+x₄… 第一中继R₁发送的数据符号   x₁  x₃  … 第二中继R₂发送的数据符号     x₂  x₄… 源节点的预编码矩阵 I A₁B₁A₂B₂A₁B₁A₂B₂… 第一中继R₁的预编码矩阵   T₁W₁  T₁W₁  … 第二中继R₂的预编码矩阵     T₂W₂  T₂W₂…

本发明的效果可以通过以下仿真结果进一步说明：

1.仿真条件：设定系统所有节点天线数分别为10，20，30，40，50和每个节点 的天线数分别为2，4，6，8，10。

2.仿真内容：

仿真1.用本发明和现有干扰对齐IA方法在所有天线数分别为 10，20，30，40，50时，对系统获得的自由度进行仿真，结果如图3所示。

从图3中可以看出：在所有节点的天线数相同的条件下，本发明所达到的自 由度远高于基于干扰对齐IA方法所达到的自由度。

仿真2.用本发明和现有干扰对齐IA方法在每个节点天线数分别为 2，4，6，8，10时，对系统获得的自由度进行仿真，结果如图4所示。

从图4可以看出：在每个结点天线数相同的条件下，本发明所达到的自由度 远高于基于干扰对齐IA方法达到的自由度。