Mimo交替中继系统中基于解码转发的干扰消除方法
【专利摘要】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。
【专利说明】MI MO交替中继系统中基于解码转发的干扰消除方法
【技术领域】
[0001]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MMO交替中继系统。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]在多输入多输出MMO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。
[0004]对于多输入多输出MMO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:
[0005]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；
[0006]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】
[0007]本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出了一种MMO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。
[0008]实现本发明的技术方案是:在MMO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:
[0009]I)系统设置:
[0010]设MMO系统包括一个源节点S、一个目的节点D和两个中继％、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；
[0011]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；
[0012]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；[0013]2)构建源节点S在不同时隙发送的混合信号矢量:
[0014]2.1)在第一个时隙，将源节点S发送的信号表示为S1:
[0015]Si Xi [Xii，X12，^..Xii，^..Χιμ]，
[0016]其中，Xli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；
[0017]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:
[0018]s2 = A1B1 (XfX1)，
[0019]其中，A1B1是源节点在时隙为偶数时的级联预编码矩阵，AjPB1均为MXM维矩阵，X2= [χ21,χ22, *..χ2?,…XaJ1^X2i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 ；
[0020]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:
[0021]S3 = A2B2 (x3+x2)，
[0022]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MXM维矩阵，X3= [x31，x32，…X3i，“.χ3Μ]τ，χ3?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 ；
[0023]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Ku为:
[0024]yrljl = HlXl+nrljl,
[0025]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Srt,2表不为:
[0026]Srlj2 = T1W1X1, [0027]则第二中继R2在第二个时隙接收的信号矢量--2，2为:
[0028]yr2j2 = H2s2+FlSrl,2+nr2,2
[0029]= H2A1B1X2+ (H2A1B^F1T1W1) X^nr2j2,
[0030]其中，nria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MXM维平坦衰落信道矩阵，r^2,2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MXM维平坦衰落信道矩阵，F1是从第一中继R1到第二中继R2的MXM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MXM维矩阵，H2A1B1X2是在第二中继R2处的有用信号矢量，(H2A1BfF1T1W1)X1是在第二中继R2处的中继间干扰；
[0031]4)设计源节点在时隙为偶数时的预编码矩阵Ap B1,第一中继R1处的预编码矩阵T1J1，使第二中继R2处的中继间干扰(H2A1BfF1T1W1)X1完全消除；
[0032]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srf,3表不为:
[0033]Sr2j3 = T2W2X2,
[0034]则第一中继R1在第三个时隙接收的信号矢量yrt,3为:
[0035]yrl,3 = H1s3+F2sr2j3+nrlj3
[0036]= H1A2B2Xj(H1A2BfF2T2W2)Xjnru3
[0037]其中，nrt,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MXM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MXM维矩阵，H1A2B2X3是在第一中继R1处的有用信号，(H1A2BfF2T2W2)X2是在第一中继R1处的中继间干扰；
[0038]6)按照与步骤4)中源节点在时隙为偶数时的预编码矩阵A1A1，第一中继R1处的预编码矩阵TpW1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(H1A2BfF2T2W2)X2完全消除；
[0039]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yd,2和在第三个时隙的矢量yd,3为:
[0040]yd>2 = G1Srl,2+nd,2 = G1T1W1X^ndj2,
_] yd,3 = G2Sr2j 3+ndj 3 = G2T2ff2x2+ndj3,
[0042]其中，nd,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MXM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，nd,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MXM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。
[0043]本发明与现有技术相比，具有如下优点:
[0044]I)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 ；
[0045]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；
[0046]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。
【专利附图】
【附图说明】
[0047]图1本发明使用的MIMO交替中继系统示意图；
[0048]图2为本发明的实现流程图；
[0049]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；
[0050]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】
[0051]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。
[0052]按照图2，本发明的实现步骤如下:
[0053]步骤1.系统设置:
[0054]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；[0055]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；
[0056]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；
[0057]步骤2.构建源节点S在不同时隙发送的混合信号矢量:
[0058]2.1)在第一个时隙,将源节点S发送的信号表不为S1:
[0059]Si Xi [Xii，X12，^..Xii，^..Χιμ]，
[0060]其中，Xli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；
[0061]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:
[0062]s2 = A1B1 (XfX1)，
[0063]其中，A1B1是源节点在时隙为偶数时的级联预编码矩阵，AjPB1均为MXM维矩阵；X2= [χ21,χ22, *..χ2?,…XaJ1^X2i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 ；
[0064]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: [0065]S3 = A2B2 (x3+x2)，
[0066]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MXM维矩阵，X3= [x31，x32，…X3i，“.χ3Μ]τ，χ3?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 ；
[0067]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为:
[0068]yrljl = H1Xfnria,
[0069]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Srt,2表不为:
[0070]Srlj2 = T1W1X1,
[0071]则第二中继R2在第二个时隙接收的信号矢量--2，2为:
[0072]yr2,2 = H2s2+FlSrlj2+nr2j2
[0073]= H2A1B1X2+ (H2A1B^F1T1W1) X^nr2j2,
[0074]其中，nria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MXM维平坦衰落信道矩阵，r^2,2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MXM维平坦衰落信道矩阵，F1是从第一中继R1到第二中继R2的MXM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MXM维矩阵，H2A1B1X2是在第二中继R2处的有用信号矢量，(H2A1BfF1T1W1)X1是在第二中继R2处的中继间干扰；
[0075]步骤4.设计源节点在时隙为偶数时的预编码矩阵Ap B1，第一中继R1处的预编码矩阵!\、W1，使第二中继R2处的中继间干扰(H2A1BJF1T1W1)X1完全消除:
[0076]4.1)设计矩阵T1,使HA和FJ1对齐在H2和F1的交集空间V1上，SP
[0077]V1 = H2A1 = F1T1,
[0078]将上式变形为:[0079]V1-H2A1 = O,
[0080]V1-F1T1 = O,
[0081]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MXM维平坦衰落信道矩阵，F1是从第一中继R1到第二中继R2的MXM维平坦衰落信道矩阵，V1是MXM维矩阵；
[0082]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:
[0083]V1 = ImV1,其中Im是MXM维单位矩阵；
[0084]4.3)将 4.2)得到的 V1 = ImV1 代入 4.1)中的 V1-H2A1 = O 和 V1-F1T1 = 0，得到如下两个方程式:
[0085]ImV1-H2A1 = O,
[0086]ImV1-F1T1 = O,
[0087]4.4)将4.3)得到的两个方程式用矩阵表示如下:
【权利要求】
1.一种MIMO交替中继系统中基于解码转发的干扰消除方法，包括如下步骤: 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Rp R2,它们均配置M根天线，Μ> = 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发送的信号表不为S1:
S1 — X1 — [Xn，X12J...Xli,…X1M]， 其中，Xli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:
Sg AiBi (Xg+Xi)， 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MXM维矩阵；x2=[χ2ι?χ22?…知，…X2M]T，xM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MXM维矩阵，X3=[X31，x32，…x3i，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Ku为:
Yria 一 H1Xi+Iiria, 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Srt,2表示为:
Srl,2 一 T1W1X1, 则第二中继R2在第二个时隙接收的信号矢量为:
1τ2,2 — H2 Sg+F1 Srl ^+Hr2j 2
=H2A1B1X2+ (H2A1B^F1T1W1) X^nr2j2 其中，nria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MXM维平坦衰落信道矩阵，r^2,2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MXM维平坦衰落信道矩阵,F1是从第一中继R1到第二中继R2的MXM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MXM维矩阵，H2A1B1X2是在第二中继R2处的有用信号矢量，(H2A1BJF1T1W1)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ApB1，第一中继&处的预编码矩阵TpW1,使第二中继R2处的中继间干扰(H2A1BJF1T1W1)X1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Sr2,3表不为:
Sr2,3 一 T2W2X2J 则第一中继R1在第三个时隙接收的信号矢量yri,3为:
Yrl,3 — H1S3+F2Sr2J3+nrl,3
=H1A2B2X3+ (H1A2B^F2T2W2) x2+nrl,3 其中，nrt,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MXM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MXM维矩阵，H1A2B2X3是在第一中继R1处的有用信号，(H1A2BfF2T2W2)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A1A1，第一中继R1处的预编码矩阵T1J1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^32，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(H1A2BfF2T2W2)X2完全消除； 7)中继间干扰通过步骤4)、步骤6)消除后，目的节点D在第二个时隙的信号矢量yd,2和在第三个时隙的矢量&3为:
y<i,2 一 G1srlj2+ndj2 一 G1T1W1X^ndj2,
Yd,3 — G2Sr2,3+nd,3 — G2T2ff2x2+ndj3j 其中，nd,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MXM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，nd,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MXM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。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤4)所述的设计预编码器矩阵，包括如下步骤进行: 4a)设计矩阵Ap T1，使H2A1和F1T1对齐在H2和F1的交集空间V1上，SP V1 = H2A1 = F1T1, 将上式变形为:
V1-H2A1 = O,
V1-F1T1 = O, 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MXM维平坦衰落信道矩阵,F1是从第一中继R1到第二中继R2的MXM维平坦衰落信道矩阵，V1是MXM维矩阵； 4b)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 = Im V1，其中Im是MXM维单位矩阵； 4c)将4b)得到的V1 = Im V1代入4a)中的V1-H2A1 = O和V1-F1T1 = O，得到如下两个方程式:
ImV1-H2A1 = O,
ImV1-F1T1 = O,4d)将4c)得到的两个方程式用矩阵表示如下:
【文档编号】H04L1/06GK104022987SQ201410266935
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月16日 优先权日:2014年6月16日
【发明者】刘伟, 李建东, 刘勤, 黄鹏宇, 刘晓敏 申请人:西安电子科技大学