一种基于多输入多输出自组织网络的干扰处理方法与流程

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种基于多输入多输出自组织网络的干扰处理方法。

背景技术：

认知无线移动网络作为新一代通信技术，已经成为当前无线或移动通信系统中的研究热点；目前，基于认知无线移动网络的多输入多输出自组织网络在通信系统中的应用十分广泛，采取多用户同时服务的策略极大地提高了系统容量，有效解决了爆炸式增长的无线接入需求，但用户间的干扰就成了提高多输入多输出自组织网络服务质量的最大障碍。多输入多输出自组织网络中分布着许多的空间节点，每个节点同时作为多个信号的发射端时同时也是多个信号的接收端。在每个节点给定了一个广播范围时，多个节点的广播范围之间会产生一些重叠；在重叠区域中接收其中一个节点的发送信号时会受到其他节点发送信号的干扰。

所以节点之间产生的重叠区域越多，发送信号所受干扰就会越严重，通信系统的服务质量也就越差。因此，我们要解决的多输入多输出自组织网络的一个主要问题就是重叠区域干扰问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是在于提出一种基于多输入多输出自组织网络的干扰处理方法，在信号发送端通过协作波束形成器对发送信号进行加权和归一化处理，将波束导向到接收方向，增强期望信号，抑制干扰，解决多输入多输出自组织网络中的重叠区域干扰问题；同时探究了节点数量、节点之间相互距离、调制方式以及多输入多输出信道的信道维数对本发明下系统性能的影响。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于多输入多输出自组织网络的干扰处理方法，在信号发送端通过协作波束形成器对发送信号进行加权和归一化处理，将波束导向到接收方向，增强期望信号，抑制干扰，解决多输入多输出自组织网络中的重叠区域干扰问题。

进一步根据所述基于多输入多输出自组织网络的干扰处理方法，自组织网络中各节点，以节点为中心，节点发送的信号有重叠、干扰的情况；

对于无线自组织网络中任意两个相邻节点A和节点C，节点A和节点C信号覆盖范围有重叠，将节点A和节点C重叠区域中有接收区域表示为A_C和C_A，所述区域A_C表示在此区域接收节点A的发送信号时会有节点C的发送信号的干扰产生，所述区域C_A表示在此区域接收节点C的发送信号时会有节点A的发送信号的干扰产生；

则，当节点A、节点C均在发送信号，在A_C区域中接收节点A的发送信号时，节点C的发送信号在A_C区域会有干扰信号产生；在C_A区域中接收节点C的发送信号时，节点A的发送信号在C_A区域会有干扰信号产生；其他节点A和节点C以外节点同样有类似问题；

在多输入多输出自组织网络中的节点信号范围的重叠区域，干扰问题，具体包括以下步骤：

步骤一：获取发送信号和通过信道状态信息对多输入多输出信道进行分析；

步骤二：传输信道矩阵经过处理得到信道矩阵S_D的均值和相位旋转矩阵Θ_I；

步骤三：在每个节点发送端建立协作波束形成器M_I,J；

步骤四：对每个节点发送端的加权发送信号进行归一化；

步骤五：在重叠区域接收端获取接收信号和

进一步根据所述基于多输入多输出自组织网络的干扰处理方法，步骤一中获取发送信号和通过信道状态信息对多输入多输出信道进行分析：

节点I的发送端测的发送信号记为X_I，其中I＝{A,C}表示节点A和节点C的集合；

基于训练序列的方法即通过在发送端发送接收端已知的数据，接收端利用最小均方误差方法，使未知量与已知量的均方误差达到最小化，在这种条件下来确定所需的未知量，获得精确地信道状态估计值，即接收端信道状态信息；

在接收端估计出信道状态后通过反馈信道将信道信息送至发送端，经过处理在发送端获得完整的信道状态信息；

由信号发送端和接收端的信道状态信息，对节点A、节点C分别到接收区域A_C和C_A的传输信道进行分析，得到相应的传输信道矩阵：表示节点I与A_C区域之间的传输信道矩阵，表示节点I与C_A之间的传输信道矩阵，矩阵的大小均为M×M；

将传输信道矩阵进行组合得到信道矩阵S_A,S_A′,S_C,S_C′；

经过组合得到的大小为2M×M的信道矩阵S_A,S_A′,S_C,S_C′分别如下所示：

进一步根据所述基于多输入多输出自组织网络的干扰处理方法，步骤二中传输信道矩阵经过处理得到信道矩阵S_D的均值和相位旋转矩阵Θ_I：

多输入多输出信道的信道维数为M时，传输信道矩阵元素的方差和均值分别为ω和为信道矩阵S_D(D＝{A,A′,C,C′})的均值；

表示如下：

将信道矩阵S_I的元素进行相位旋转得到矩阵Θ_I，大小为2M×M的矩阵Θ_I是S_I的相位旋转矩阵，矩阵S_I中第[n,r]个元素用形式表示。

进一步根据所述基于多输入多输出自组织网络的干扰处理方法，步骤三中在每个节点发送端建立协作波束形成器M_I,J：

在自组织网络每个节点的多输入多输出信道发射端建立协作波束形成器M_I,J，对发送信号进行加权处理，协作波束形成器的协作波束形成矩阵记为M_I,J，其中I＝{A,C}，J＝{A,C}，且I≠J；

节点A和节点C建立协作波束形成器，协作波束形成器的协作波束形成矩阵为M_A,C和M_C,A，分别表示如下：

进一步根据所述基于多输入多输出自组织网络的干扰处理方法，步骤四中对每个节点发送端的加权发送信号进行归一化：

若有其他节点与节点A产生重叠区域，那么有多少个产生重叠的节点，就需要在节点A发射端建立多少个波束形成器进行干扰处理；

节点A和节点B、节点C分别有一个重叠区域，所以需要在节点A发射端建立协作波束形成器M_A,B、M_A,C；

在节点A处的线性协作波束形成器M_A就是每个协作波束形成器M_A,I在节点A处的线性相乘，具体地，

通过对产生重叠区域的节点A、节点C的线性协作波束形成器M_A、M_C进行F范数归一化处理，从而得出信道归一化系数θ，

用信道归一化系数对加权信号进行归一化处理，可比较相同信噪比SNR下不同环境对性能的影响。

进一步根据所述基于多输入多输出自组织网络的干扰处理方法，步骤五中在重叠区域接收端获取接收信号和

在重叠区域A_C和C_A处获取到的噪声参数分别用矩阵和表示；

在发射端协作波束形成器M_I,J对发送信号X_I进行加权和归一化处理后输出，经传输信道和到达重叠区域，与重叠区域噪声叠加后在接收端得到接收信号和

根据接收信号和可以得到所述方法对多输入多输出自组织网络中的重叠区域抗干扰性能的改善。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明使用了一种用于多输入多输出自组织网络的协作波束形成器，通过对发送信号进行加权处理，使发送信号导向到期望的接收端从而获得能量增益，抑制干扰；

2.本发明使用F范数对信道矩阵进行归一化处理，容易比较相同信噪比SNR下不同环境对通信系统性能的影响。

附图说明

图1为本发有所述一种基于多输入多输出自组织网络的干扰处理方法实现流程图；

图2为节点A、节点B、节点C的广播范围以及他们的重叠区域图；

图3为相位旋转示意图；

图4为当改变节点的数量时系统容量C_System与信噪比SNR的对应关系图；

图5为当改变节点距离时系统误组率PER与信噪比SNR的对应关系图；

图6为当改变调制方式时系统误组率PER与信噪比SNR的对应关系图；

图7当改变信道维数时系统误码率BER与信噪比SNR的对应关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明所述方案和效果作进一步详细描述。

结合实际情况，如图2所示，首先分析三个节点之间产生的重叠干扰问题再推广至多节点。图中节点、重叠、信号发送及干扰的情景为例来具体说明实施步骤，有三个节点A、节点B和节点C，每个节点给定了一个广播范围，用图中以节点为圆心的圆表示，三个圆之间有一些重叠区域，在节点A、节点C的重叠区域中有接收区域A_C和C_A，区域A_C表示在此区域接收节点A的发送信号时会有节点C的发送信号的干扰产生，区域C_A表示在此区域接收节点C的发送信号时会有节点A的发送信号的干扰产生。图中的实线表示在A_C区域接收节点A发射端和C_A区域接收节点C发射端的发送信号，虚线表示节点C和节点A在这块区域的干扰信号。结合图2，分别分析两节点的具体情况：当节点A、节点C均在发送信号，在A_C区域中接收节点A的发送信号时，节点C的发送信号在A_C区域会有干扰信号产生；在C_A区域中接收节点C的发送信号时，节点A的发送信号在C_A区域会有干扰信号产生；节点B对节点A的影响同上所述。上述方案可推广到多个节点产生一个重叠区域或多个重叠区域的情景。

如图1所示，本发明所述方法具体步骤包括：

步骤一：获取发送信号和通过信道状态信息对多输入多输出信道进行分析。

在节点I的发送端测的发送信号记为X_I，其中I＝{A,C}表示节点A、节点C的集合。

基于训练序列的方法即通过在发送端发送接收端已知的数据，接收端利用最小均方误差方法，使未知量与已知量的均方误差达到最小化，在这种条件下来确定所需的未知量，获得精确地信道状态估计值，即接收端信道状态信息。在接收端估计出信道状态后通过反馈信道将信道信息送至发送端，经过处理在发送端获得完整的信道状态信息。由信号发送端和接收端的信道状态信息，对节点A、节点C分别到接收区域A_C和C_A的传输信道进行分析，得到相应的传输信道矩阵：表示节点I与A_C区域之间的传输信道矩阵，表示节点I与C_A之间的传输信道矩阵，矩阵的大小均为M×M。

将传输信道矩阵进行组合得到信道矩阵S_A,S_A′,S_C,S_C′；

经过组合得到的大小为2M×M的信道矩阵S_A,S_A′,S_C,S_C′分别如下所示：

步骤二：传输信道矩阵经过处理得到信道矩阵S_D的均值和相位旋转矩阵Θ_I。

多输入多输出信道的信道维数为M时，传输信道矩阵元素的方差和均值分别为ω和为信道矩阵S_D(D＝{A,A′,C,C′})的均值。表示如下：

将信道矩阵S_I的元素进行相位旋转得到矩阵Θ_I，大小为2M×M的矩阵Θ_I是S_I的相位旋转矩阵，矩阵S_I中第[n,r]个元素用形式表示。如图3所示，进行相位旋转，图中的α_m和α_n分别是相应的接收信号中的主体信号与干扰信号。

步骤三：在每个节点发送端建立协作波束形成器M_I,J。

在自组织网络每个节点的多输入多输出信道发射端建立协作波束形成器M_I,J，对发送信号进行加权处理，协作波束形成器的协作波束形成矩阵记为M_I,J，其中I＝{A,C}，J＝{A,C}，且I≠J。

如图2所示，节点A和节点C建立协作波束形成器，协作波束形成器的协作波束形成矩阵为M_A,C和M_C,A，分别表示如下：

步骤四：对每个节点发送端的加权发送信号进行归一化。

若有其他节点与节点A产生重叠区域，那么有多少个产生重叠的节点，就需要在节点A发射端建立多少个波束形成器进行干扰处理。如图2所示，节点A和节点B、节点C分别有一个重叠区域，所以需要在节点A发射端建立协作波束形成器M_A,B、M_A,C。在节点A处的线性协作波束形成器M_A就是每个协作波束形成器M_A,I在节点A处的线性相乘，

通过对产生重叠区域的节点A、节点C的线性协作波束形成器M_A、M_C进行F范数归一化处理，从而得出信道归一化系数θ，

用信道归一化系数对加权信号进行归一化处理，可比较相同信噪比SNR下不同环境对性能的影响。

步骤五：在重叠区域接收端获取接收信号和

在重叠区域A_C和C_A处获取到的噪声参数分别用矩阵和表示。

在发射端协作波束形成器M_I,J对发送信号X_I进行加权和归一化处理后输出，经传输信道和到达重叠区域，与重叠区域噪声叠加后在接收端得到接收信号和

根据接收信号和可以得到所述方法对多输入多输出自组织网络中的重叠区域抗干扰性能的改善，本发明的系统性能可以通过以下仿真实验进一步说明：

1.实验条件

使用本发明所述干扰处理方法，在发射端建立协作波束形成器，对发射信号进行协作波束形成处理后输出。基于MATLAB和Network Simulator-3平台，进行了探究节点数量、节点间距离、调制方式以及多输入多输出信道的信道维数对本发明下的通信系统性能的影响实验。本实验开始设置信道维数M为2，采用二进制相移键控BPSK调制方式，每个分组的长度设置为2304。

2.实验内容

实验1：探究节点数量对使用本发明后的通信系统性能的影响。

产生重叠区域的节点数量越多，需要建立的协作波束形成器数量就越多，线性协作波束形成器随之改变，改变线性协作波束形成器会改变归一化处理参数，进而会影响通信系统性能。通过比较不同节点数量时系统容量C_System与信噪比SNR关系曲线的变化，来探究应用协作波束形成干扰处理方法后节点数量对通信系统性能的影响。信号的信噪比SNR为信道额定总发射功率与噪声方差的倒数的乘积，系统容量C_System＝log₂{1+SNR}。如图4所示，当产生重叠的节点数量增加一倍时，系统容量-信噪比曲线下移，信噪比SNR＝5dB时系统容量降低1.3dB。

节点数量增加，意味着同时使用网络的用户更多，需要参与处理干扰的协作波束形成器就更多，使系统容量变低，服务质量变差。

实验2：探究节点间距离对使用本发明后的通信系统性能的影响。

产生重叠区域的节点间距离改变，信号的传输信道矩阵随之改变，改变传输信道矩阵会改变建立的协作波束形成器协作波束形成矩阵，进而会影响通信系统性能。通过比较不同节点间距离时系统总的分组错误率PER与信噪比SNR关系曲线的变化，来探究应用协作波束形成干扰处理方法后节点间距离对通信系统性能的影响。信号的信噪比SNR为信道额定总发射功率与噪声方差的倒数的乘积，系统总的分组错误率PER为：

其中P_e(Z)≈1-(SER_Z){d_min(Z)}^-1，d_min(Z)、N_Z、R_Z、K_Z和SER_Z分别是对应的第Z个比特流的最小欧几里得距离、比特数、编码率、分组长度和码元差错率。Ns是所使用的比特流数量，而比特流取决于如何在多路复用或分集基础上使用多输入多输出技术。如图5所示，当产生重叠的节点间距离增加一倍时，系统误组率PER信噪比曲线下移。所以，产生重叠区域的节点间距离增加，参与处理干扰的协作波束形成器协作波束形成矩阵随之改变，使系统总的分组错误率PER变低，服务质量变好。

实验3：探究系统中发送信号使用的调制方式对使用本发明后的通信系统性能的影响。

调制方式改变，会改变发送信号X_I的形式，进而会影响通信系统性能。通过比较不同调制方式时系统总的分组错误率PER与信噪比SNR关系曲线的变化，来探究应用协作波束形成干扰处理方法后节点间距离对通信系统性能的影响。在本实验中采用正交相移键控QPSK和二进制相移键控BPSK两种调制方式。QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)是一种数字调制方式。BPSK(Binary Phase Shift Keying)，把模拟信号转换成数据值的转换方式之一，利用偏离相位的复数波浪组合来表现信息键控移相方式。如图6所示，当调制方式由BPSK变为QPSK时，系统误组率PER-信噪比曲线下移。使用本发明后的系统用正交相移键控调制优于二进制相移键控调制，系统总的分组错误率PER变低，服务质量变好。

实验4：探究多输入多输出信道维数M的改变对使用本发明后的通信系统性能的影响。

多输入多输出信道维数M的改变，信号的传输信道矩阵随之改变，改变传输信道矩阵会改变建立的协作波束形成器协作波束形成矩阵，进而会影响通信系统性能。通过比较不同信道维数M时系统误码率BER与信噪比SNR关系曲线的变化，来探究应用协作波束形成干扰处理方法后信道维数M对通信系统性能的影响。如图7所示，随着多输入多输出信道的信道维数M的增加，系统误码率—信噪比曲线不断下移。多输入多输出信道的信道维数M增加，参与处理干扰的协作波束形成器协作波束形成矩阵随之改变，使系统误码率BER显著降低，服务质量变得更好。

通过所述4个仿真实验，说明本发明所述方法在节点数量、节点之间相互距离、调制方式以及多输入多输出信道的信道维数变化时对系统性能的影响，与已有方法相比有很大程度的改进，使系统误码率BER有效降低。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。