实现环形多中继MIMO干扰信道模型可达自由度的方法技术

发明专利技术涉及一种实现环形多中继MIMO干扰信道模型可达自由度的方法，包括基于不同天线配置参数下分别采用的信号对齐技术方案和无信号对齐技术方案，所述信号对齐技术方案包括：上行阶段，对发送端进行预编码设计，对中继端直接进行线性预编码处理，下行阶段，对接收端进行后处理设计；所述无信号对齐技术方案包括：上行阶段，对发送端直接进行预编码处理，对中继端进行预编码设计，下行阶段，对接收端直接进行后处理。与现有技术相比，本发明专利技术充分考虑了在不同的天线配置参数场景下采用不同的信号处理技术以实现系统最优自由度。

【技术实现步骤摘要】
实现环形多中继MIMO干扰信道模型可达自由度的方法
本专利技术涉及无线通信领域，尤其是涉及一种实现环形多中继MIMO干扰信道模型可达自由度的技术方案。
技术介绍
现如今，4G移动通信系统现有的网络构架和无线通信技术已基本满足了人对人的通信需求，包括语音、基本的多媒体业务传输、以及因特网上网数据业务。但在移动互联网与物联网需求驱动下，传统的移动通信业务模式不断被颠覆，使得未来移动通信所承载的数据具有：数据体量大，无线接入设备量多，无线数据业务类型丰富多样的特点，在此需求驱动下，为满足5G愿景目标，目前学术界和工业界初步规划了5G的主要性能需求指标，要求总的网络容量是第四代移动通信系统(4G)的1000倍(其主要通过增加10倍的小区数量，扩充10倍带宽，和无线频谱效率提高10倍来共同完成)；热点区域用户体验速度达至1Gbps；为支持众多无线接入设备，要求设备连接密度达100万个每平方千米；为满足某些特殊业务需求，如智能无人驾驶，要求空口传输时延低至1毫秒。为实现5G宏伟目标，技术层面的创新主要来源于无线技术和网络技术两方面。其中无线技术的发展要求进一步提高频谱效率。传统的通信网络，中间节点传送数据的方式是存储转发，人们普遍认为在中间节点上对传输的数据进行加工不会产生任何收益，即数据的发送节点和接收节点以外的节点只负责路由，不对数据内容做任何处理，这样难以达到网络传输的最大吞吐量和带宽利用率，然而2000年提出的网络编码理论彻底推翻了这种传统观点。网络编码融合了编码和路由的新思想，通过允许中间节点对来自不同链路的信息进行编码组合，节约网络链路的带宽资源，减小网络数据传输中瓶颈链路的影响。它利用数据包之间的相关性来解码，从而提升整个网络的性能。传统的半双工中继模式下系统的频谱效率低，采用网络编码的双向中继能够明显地提高中继协作通信的频谱效率。此外，在现实的多输入多输出(MIMO)通信系统中，利用信道信息，对要发送的信号进行预处理，指导发送策略。将信号通过预编码技术映射到多根天线上发出去，意味着MIMO系统可同时传输多个数据流，可以等价地看成各个数据流无干扰的在各自的信道内传输。我们将多输入多输出(MIMO)技术纳入到网络编码辅助的中继网络中，亦可实现空间复用，提高系统的性能。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种实现环形多中继MIMO干扰信道模型可达自由度的技术方案。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种实现环形多中继MIMO干扰信道模型可达自由度的方法，其特征在于，利用物理层网络编码，预编码，MIMO技术，将可达自由度的实现问题，转化为一个非线性问题。具体地，即在采用线性预编码和后处理技术的基础上，我们建模出一个关于发送端预编码，中继端预编码和接收端后处理矩阵的非线性问题，并针对用户和中继不同的天线配置比例参数分别采用信号对齐技术和无信号对齐技术方案来实现系统的可达自由度。其中信号对齐技术方案包括：上行阶段，对发送端进行预编码设计，对中继端直接进行线性预编码处理，下行阶段，对接收端进行后处理设计；无信号对齐技术方案包括：上行阶段，对发送端直接进行预编码处理，对中继端进行预编码设计，下行阶段，对接收端直接进行后处理，最终，在不同的天线配置参数场景下采用不同的信号处理技术实现系统的可达自由度。与现有技术相比，本专利技术充分考虑了在不同的天线配置参数场景下采用不同的信号处理技术以实现最优自由度。所述信号对齐技术方案中，上行阶段对发送端预编码采用信号对齐的技术设计包括以下步骤：1)进行信号对齐，满足以下公式：式中Hi,j为发送端i到中继j的信道矩阵，Uj为发送端的线性预编码矩阵；2)基于信号对齐要求，各天线配置参数与系统自由度需满足如下不等式：3M-KN≥d式中，M为用户端天线个数，K为中继节点的个数，N为中继节点的天线数，d为系统可达自由度。所述信号对齐技术方案中，对中继端直接进行线性预编码处理，满足以下公式：Fk＝IN,k＝0,1,...,K-1式中，Fk为中继端的预编码设计，IN为N×N的单位矩阵，k为中继的序列编号。所述信号对齐技术方案中，下行阶段，对接收端进行后处理的设计，需满足以下公式：Vi[Gi,0F0,Gi,1F1,...,Gi,K-1FK-1]A＝0(i,j,s,t)∈{(1,2,5,6),(2,3,5,6),(3,1,5,6),(4,5,2,3),(5,6,2,3,),(6,4,2,3)}式中，Vi为接收端的后处理矩阵，Gi,k为第i个中继至第k个接收端的信道矩阵，Fk,k＝0,1,…,K-1为第k个中继端的预编码设计。所述无信号对齐技术方案中，上行阶段，对发送端直接进行预编码处理，需满足下式：Uj＝IM,j＝1,2,3,4,5,6.所述无信号对齐技术方案中，下行阶段，对接收端直接进行后处理，需满足下式：Vj＝IM,j＝1,2,3,4,5,6.所述无信号对齐技术方案中，对中继端进行预编码设计，对给定的欲实现自由度与天线配置参数及中继节点个数之间需满足下列关系：KN2>24d2与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1)本专利技术应用网络编码技术，通过允许中间节点对来自不同链路的信息进行编码组合，节约网络链路的带宽资源，减小网络数据传输中瓶颈链路的影响。它利用数据包之间的相关性来解码，从而提升网络的性能。2)本专利技术结合网络编码和中继通信技术，相比于传统的半双工中继模式下系统的频谱效率低的现状，本专利技术能更充分的发挥网络编码技术在中继通信系统中的应用优势，进一步提高基于网络编码的无线中继通信系统的性能。3)在现实的多输入多输出(MIMO)通信系统中，利用信道信息，对要发送的信号进行预处理，指导发送策略。本专利技术将信号通过预编码技术映射到多根天线上发出去，意味着MIMO系统可同时传输多个数据流，可以等价地看成各个数据流无干扰的在各自的信道内传输。4)本专利技术将多输入多输出(MIMO)技术纳入到网络编码辅助的中继网络中，亦可实现空间复用，提高系统的性能。5)本专利技术在采用线性预编码和后处理技术的基础上，将自由度的可达问题建模为一个关于发送端预编码，中继端预编码和接收端后处理矩阵的非线性问题，并针对用户和中继不同的天线配置比例参数分别采用信号对齐技术和无信号对齐技术方案实现系统的可达自由度。其中信号对齐技术方案包括：上行阶段，对发送端进行预编码设计，对中继端直接进行线性预编码处理，下行阶段，对接收端进行后处理设计；无信号对齐技术方案包括：上行阶段，对发送端直接进行预编码处理，对中继端进行预编码设计，下行阶段，对接收端直接进行后处理。附图说明图1为环形多中继MIMO干扰信道模型；图2为环形多中继MIMO干扰信道模型可实现的自由度与理论上界的比较示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。本专利技术通过应用网络编码，预编码，MIMO技术，在采用线性预编码和后处理技术的基础上，建立关于发送端预编码，中继端预编码和接收端后处理矩阵的系统可达自由度实现过程，利用信道矩阵，预编码矩阵及信号流建立模型，可求解非线性问题。针对用户和中继不同的天线配置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实现环形多中继MIMO干扰信道模型可达自由度的方法，包括基于不同天线配置参数下分别采用的信号对齐技术方案和无信号对齐技术方案，其特征在于，所述信号对齐技术方案包括：上行阶段，首先采用信号对齐的技术手段对发送端进行预编码设计，然后对中继端进行线性预编码处理，下行阶段，对接收端进行后处理的设计。

【技术特征摘要】
1.一种实现环形多中继MIMO干扰信道模型可达自由度的方法，包括基于不同天线配置参数下分别采用的信号对齐技术方案和无信号对齐技术方案，其特征在于，所述信号对齐技术方案包括：上行阶段，首先采用信号对齐的技术手段对发送端进行预编码设计，然后对中继端进行线性预编码处理，下行阶段，对接收端进行后处理的设计。2.根据权利要求1所述的一种实现环形多中继MIMO干扰信道模型可达自由度的方法，其特征在于，所述信号对齐技术方案中，上行阶段对发送端预编码采用信号对齐的技术设计包括以下步骤：1)进行信号对齐，满足以下公式：式中Hi,j为发送端i到中继j的信道矩阵，Uj为发送端i的线性预编码矩阵；2)基于信号对齐要求，各天线配置参数与系统自由度需满足如下不等式：3M-KN≥d式中，M为用户端天线个数，K为中继节点的个数，N为中继节点的天线数,d为系统可达自由度。3.根据权利要求1所述的一种实现环形多中继MIMO干扰信道模型可达自由度的方法，其特征在于，所述信号对齐技术方案中，对中继端直接进行线性预编码处理，满足以下公式：Fk＝IN式中，Fk为中继端的预编码设计，IN为N×N的单位矩阵，k为中继的序列编号。4.根据权利要求1所述的一种实现环形多中继MIMO干扰信道模型可达自由度的方法，其特征在于，所述信号对齐技术方案中，下...

【专利技术属性】
技术研发人员：王睿，吴俊，吕文静，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31