基于联合收发波束成形的全双工单向中继自干扰抑制方法技术

基于联合收发波束成形的全双工单向中继自干扰抑制方法，首先建立不含直接通信链路的全双工多天线单向中继系统模型；然后，分析现存自干扰抑制算法的性能及缺陷，并根据现存算法的不足，提出了一种基于联合收发波束成形的全双工单向中继自干扰抑制方法。首先根据收发波束成形原理和系统模型确定中继节点接收信号干扰噪声比的数学表达式，之后利用奇异值分解算法及联合收发最大比波束成形优化策略对各个节点的收发波束成形矢量进行估计，使得中继接收端的信号干扰噪声比近似最大化，最终获得的收发波束成形矢量即为最优收发矢量。本方法有效地抑制了全双工单向中继接收端自干扰信号的影响，改善了系统的误比特性能，同时获得较好的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
基于联合收发波束成形的全双工单向中继自干扰抑制方法
本专利技术涉及一种基于联合收发波束成形的全双工单向中继自干扰抑制方法，通过波束成形最大比发射和最大比合并策略，联合设计用户端与中继端的发送和接收波束成形矢量，使全双工单向中继接收端的信号干扰噪声比(signaltointerferencenoiseratio，SINR)近似最大化，从而有效地抑制自干扰信号对全双工单向中继接收性能的影响，属于全双工自干扰抑制、协作通信与多输入多输出系统信号处理研究等相关领域。
技术介绍
传统半双工多天线单向中继(one-wayrelay)作为协作通信的关键技术被广泛使用。它不仅可以扩大通信的覆盖面积，而且能够提升通信链路的可靠性。然而，随着用户需求的不断提升，有限的频谱资源已经无法满足庞大的通信流量。因此，人们开始研究更多的方法来增大频谱资源的利用率，其中，同时同频的全双工(full-duplex)工作模式可以有效地降低频谱资源短缺所带来的压力，从而提高频谱的利用率。全双工模式作为第五代移动通信系统的关键技术被广泛关注与研究。它能够有效地提升系统容量、吞吐量和频谱利用率。然而，由于需要同时同频的收发信号，自身发送端泄露的自干扰信号(self-interferencesignal)成为影响全双工通信链路可靠性的关键因素，因此，如何有效地抑制自干扰信号的影响成为研究关注的热点。对于全双工单入单出系统(single-inputsingle-output，SISO)，自干扰抑制算法的研究主要集中在时域自干扰删除部分。时域删除的主要原理是节点利用自身已知的发送信号和自反馈信道的估计结果从接收信号中除去存在的自干扰部分。随着多输入多输出技术(multiple-inputmultipleoutput，MIMO)的引入，自干扰抑制技术研究的重心向空域转移。由于时域自干扰删除算法无法充分利用空间资源带来的优势，因此TaneliRiihonen等人提出了空域自干扰抑制算法。该类算法主要根据自反馈信道设计节点的收发滤波器，从而抑制自干扰信号的影响。典型的空域抑制算法为迫零(zeroforcing，ZF)和最小均方误差(minimummeansquareerror，MMSE)自干扰抑制算法。ZF算法通过设计自反馈信道的正交滤波矩阵删除自干扰信号的影响且效果显著。然而，该算法存在的主要问题为应用局限性大且所设计的接收滤波矩阵有可能会放大信道噪声。MMSE算法设计收发滤波矩阵的原理为使实际接收信号与发送信号之间的均方误差最小。该算法虽然考虑了信道噪声的影响，但它的自干扰抑制效果并不显著，尤其是在信号干扰比(signaltointerferenceratio，SIR)较小的情况下。除上述两种典型算法之外，前人还提出了一些其他类似的算法，例如，最大化接收信号干扰比(maximumsignaltointerferenceratio，MSIR)算法、零空间与子空间投影法、奇异值(singularvalue)自干扰抑制法及时域删除与空域抑制结合算法等。虽然现有算法在一定程度上对自干扰信号进行抑制，但它们均存在各自的缺陷且部分算法没有考虑接收端的误码性能问题。因此，如何在全双工多天线单向中继系统中进一步提高中继节点的接收性能成为本专利技术关注的重点。综上所述，本专利技术主要将联合收发最大比波束成形估计算法应用于全双工单向中继自干扰抑制方向，旨在有效地抑制自干扰信号的影响，降低中继节点的误码率，同时获得较好的鲁棒性。相比于ZF和MMSE等传统算法，本专利技术获得了较好的性能增益和更高的分集增益。
技术实现思路
为了进一步提高全双工单向中继的误码性能，本专利技术提供了一种基于联合收发波束成形的全双工单向中继自干扰抑制方法。本专利技术利用最大比收发波束成形原理，联合设计用户和中继节点的收发波束成形矢量，使全双工单向中继接收端的SINR最大化，从而降低了自干扰信号对中继节点误码性能的影响，保证了端到端通信链路拥有较高的可靠性。本专利技术的目的是通过最大比收发波束成形原理，联合估计用户和中继节点的收发波束成形矢量，使单向中继接收端有用信号功率最大化，从而降低自干扰信号的影响，获得较好的鲁棒性。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：首先，建立不含直接链路的全双工多天线单向中继系统模型；然后，确定需要优化目标，并建立该目标的数学模型，即中继接收端SINR的数学计算式；接着，通过奇异值分解法获得中继节点的最优发送波束成形矢量；最后，利用联合优化策略设计中继节点的最优接收波束成形矢量以及发送用户的最优发送波束成形矢量。本专利技术方法所采用的技术方案包括以下步骤：步骤1，建立不含直接通信链路的全双工多天线单向中继系统模型。步骤1.1，建立全双工多天线单向中继系统的上行链路模型。全双工多天线单向中继系统是由源节点、信宿节点和全双工单向中继节点组成，其系统模型如图2所示。其中，源节点和信宿节点分别包含nS和nD根天线，全双工单向中继节点包含nT根发送天线与nR根接收天线，且nS≤nR，nT≤nD。源节点和信宿节点均处于半双工模式，中继节点处于全双工模式且发送和接收天线阵列之间存在物理隔离。因此，该系统上行链路中继节点接收信号的数学模型表示为：y(t)＝HUPx(t)+HLxL(t)+nR(t)(1)其中，表示全双工单向中继t时刻接收信号的列矢量，上标T表示矩阵或矢量的转置；HUP和HL分别表示一个nR×nS维的上行信道矩阵和一个nR×nT维的单向中继自干扰信道矩阵，nS≥2表示源节点的天线数，nT≥2表示全双工单向中继的发送天线数，nR≥2表示全双工单向中继的接收天线数，矩阵每一个元素均建模为均值是0，方差是1的独立同分布复高斯随机变量；表示一个nS×1维的源节点发送信号列矢量，其中xj(t)∈ψj＝1，…，nS，ψ表示源节点调制星座集合，本专利技术采用二进制相移键控(binaryphaseshiftkeying，BPSK)方式且假设所有节点所用的调制方式均相同。表示与中继节点接收信号y(t)同时同频的中继发送信号列矢量，其中表示一个nR×1维的上行信道高斯白噪声列矢量，其中每个元素是服从均值为0，方差为的复高斯随机变量，即步骤1.2，建立全双工多天线单向中继系统的下行链路模型。在下行通信链路中，信宿节点接收信号的数学模型表示为：r(t)＝HDxL(t)+nD(t)(2)其中，表示一个nD×1维的信宿节点t时刻接收信号列矢量，且nD≥2表示信宿节点的天线数；HD表示一个nT×nD维的下行信道矩阵，其包含的每个元素服从均值为0，方差为1的复高斯分布；nD(t)表示一个nD×1维的高斯白噪声列矢量。假设由于深度衰落的影响，源节点和信宿节点之间无法直接通信，且上行、下行链路和自干扰信道均处于准静态平坦衰落环境，即信道矩阵HUP、HL在一帧之内保持不变，不同帧之间独立变化。信道状态信息(channelstateinformation，CSI)在各个节点收发端均默认为已知。步骤2，根据式(1)和收发波束成形原理进一步得到单向中继接收端获得的源节点发送符号的数学模型，该模型等效表示为：其中表示单向中继的接收波束成形列矢量；表示单向中继的发送波束成形列矢量；表示源节点的发送波束成形列矢量。符号H表示复矩阵或矢量的共轭转本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于联合收发波束成形的全双工单向中继自干扰抑制方法，本方法首先建立不含直接通信链路的全双工多天线单向中继系统模型；之后，确定需要优化目标，即中继节点接收端SINR的数学模型；最后，通过奇异值分解及联合收发波束成形优化策略获得各个节点的最优收发波束成形矢量；其特征在于：本方法包括以下步骤，步骤1，建立不含直接通信链路的全双工多天线单向中继系统模型；步骤1.1，建立全双工多天线单向中继系统的上行链路模型；全双工多天线单向中继系统是由源节点、信宿节点和全双工单向中继节点组成，其系统模型如图2所示；其中，源节点和信宿节点分别包含nS和nD根天线，全双工单向中继节点包含nT根发送天线与nR根接收天线，且nS≤nR，nT≤nD；源节点和信宿节点均处于半双工模式，中继节点处于全双工模式且发送和接收天线阵列之间存在物理隔离；因此，该系统上行链路中继节点接收信号的数学模型可以表示为：y(t)＝HUPx(t)+HLxL(t)+nR(t)    (1)其中，

【技术特征摘要】
1.基于联合收发波束成形的全双工单向中继自干扰抑制方法，本方法首先建立不含直接通信链路的全双工多天线单向中继系统模型；之后，确定需要优化目标，即中继节点接收端SINR的数学模型；最后，通过奇异值分解及联合收发波束成形优化策略获得各个节点的最优收发波束成形矢量；其特征在于：本方法包括以下步骤，步骤1，建立不含直接通信链路的全双工多天线单向中继系统模型；步骤1.1，建立全双工多天线单向中继系统的上行链路模型；全双工多天线单向中继系统是由源节点、信宿节点和全双工单向中继节点组成，其系统模型如图2所示；其中，源节点和信宿节点分别包含nS和nD根天线，全双工单向中继节点包含nT根发送天线与nR根接收天线，且nS≤nR，nT≤nD；源节点和信宿节点均处于半双工模式，中继节点处于全双工模式且发送和接收天线阵列之间存在物理隔离；因此，该系统上行链路中继节点接收信号的数学模型可以表示为：y(t)＝HUPx(t)+HLxL(t)+nR(t)(1)其中，表示全双工单向中继t时刻接收信号的列矢量，上标T表示矩阵或矢量的转置；HUP和HL分别表示一个nR×nS维的上行信道矩阵和一个nR×nT维的单向中继自干扰信道矩阵，nS≥2表示源节点的天线数，nT≥2表示全双工单向中继的发送天线数，nR≥2表示全双工单向中继的接收天线数，矩阵每一个元素均建模为均值是0，方差是1的独立同分布复高斯随机变量；表示一个nS×1维的源节点发送信号列矢量，其中xj(t)∈ψj＝1,…,nS，ψ表示源节点调制星座集合，本方法采用二进制相移键控(binaryphaseshiftkeying,BPSK)方式且假设所有节点所用的调制方式均相同；表示与中继节点接收信号y(t)同时同频的中继发送信号列矢量，其中表示一个nR×1维的上行信道高斯白噪声列矢量，其中每个元素是服从均值为0，方差为的复高斯随机变量，即步骤1.2，建立全双工多天线单向中继系统的下行链路模型；在下行通信链路中，信宿节点接收信号的数学模型表示为：r(t)＝HDxL(t)+nD(t)(2)其中，表示一个nD×1维的信宿节点t时刻接收信号列矢量，且nD≥2表示信宿节点的天线数；HD表示一个nT×nD维的下行信道矩阵，其包含的每个元素服从均值为0，方差为1的复高斯分布；nD(t)表示一个nD×1维的高斯白噪声列矢量；假设由于深度衰落的影响，源节点和信宿节点之间无法直接通信，且上行、下行链路和自干扰信道均处于准静态平坦衰落环境，即信道矩阵HUP、HL在一帧之内保持不变，不同帧之间独立变化；信道状态信息(channelstateinformation,CSI)在各个节点收发端均默认为已知；步骤2，根据式(1)和收发波束成形原理进一步得到单向中继接收端获得的源节点发送符号的数学模型，该模型可以等效表示为：其中表示单向中继的接收波束成形列矢量；表示单向中继的发送波束成形列矢量；表示源节点的发送波束成形列矢量；符号H表示复矩阵或矢量的共轭转置；表示单向中继t时刻源节点发送符号的估计值，且s(t)∈ψ表示源节点t时刻的发送符号；sL(t)∈ψ表示中继接收s(t)的同时向信宿节点发送的符号；同理，根据式(2),信宿节点获得的中继发送符号的数学表达式为：

【专利技术属性】
技术研发人员：张延华，杨旭月，杨睿哲，孙艳华，吴文君，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11