[发明专利]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

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，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。

主权项

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；H_UP和H_L分别表示一个n_R×n_S维的上行信道矩阵和一个n_R×n_T维的单向中继自干扰信道矩阵，n_S≥2表示源节点的天线数，n_T≥2表示全双工单向中继的发送天线数，n_R≥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n_S×1维的源节点发送信号列矢量，其中x_j(t)∈ψ，j＝1,…,n_S，ψ表示源节点调制星座集合，本方法采用二进制相移键控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n_R×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n_D×1维的信宿节点t时刻接收信号列矢量，且n_D≥2表示信宿节点的天线数；H_D表示一个n_T×n_D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；n_D(t)表示一个n_D×1维的高斯白噪声列矢量；信道状态信息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；s_L(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：其中，表示信宿节点的接收波束成形列矢量；表示信宿节点获得的t时刻单向中继节点发送的估计符号；步骤3，根据式(3)确定SINR的数学表达式，即其中，由于发送功率的限制，令||g_s||₂＝||g_t||₂＝1，同时为了不失一般性，令||g_r||₂＝1；s(t)s^H(t)和分别表示源节点和自干扰信号功率；步骤4，令Ω^m表示包含个元素的列矢量集合，则SINR的优化过程表示为：由上式可知，SINR的优化过程与矢量gt、gs与gr有关；其中，根据收发波束成形原理可知，矢量gt由下行信道HD决定；步骤5，最优单向中继发送波束成形矢量gt由下行信道HD奇异值分解得到；之后将所得的矢量gt代入式(6)；步骤6，假设接收波束成形矢量gr为发送波束成形矢量gs的函数，因此，式(6)的联合优化问题可以转化为下式所示：经计算，进一步得到中继节点最优的接收波束成形矢量gr，即其中表示源节点的发送功率，表示单向中继节点的发送功率，即为自干扰功率；步骤7，将式(8)代入式(7)计算源节点发送波束成形矢量gs的优化结果，即经分析得到最终的优化结果为η为厄米特矩阵最大特征值对应的单位特征矢量。