CN102420679A - 基于中继协同预编码的多用户双向通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于中继协同预编码的多用户双向通信方法，包括：在第一时隙，中继节点接收来自多个用户对的用户节点的混叠信号，其中，每个用户对中的用户节点发送的信号经过用户发送预编码矩阵的处理；中继节点分别使用中继接收滤波矩阵、中继旋转矩阵、中继发送预编码矩阵对混叠信号进行处理得到中继节点发送信号，以消除用户对间干扰；在第二时隙，中继节点将中继节点发送信号广播发送至用户节点，并由用户节点使用用户接收滤波矩阵对其接收到的信号进行处理。本发明提高了系统分集增益，并有效地提高用户有用信号的信噪比。

Description

基于中继协同预编码的多用户双向通信方法

技术领域

本发明涉及通讯领域，尤其涉及一种基于中继协同预编码的多用户双向通信方法。

背景技术

由于移动通信的迅速发展，无线通信系统面临着不断增长的无线链路传输速率以及稀缺的频谱资源等挑战。由此提出一种可以具有较高频谱利用率的双向中继技术，在双向中继通信中，参与通信的双方首先同时向中继发送信息，中继再把处理后的信息广播给两个用户，用户可以消除自干扰并获取对方的信息。双向中继技术只需要2个时隙便可完成信息交换，而传统的单向中继技术需要4个时隙才能实现双向的信息交换，双向中继技术通过节约时隙的办法来提高频谱利用效率。

现有技术中关于多对用户的双向中继系统的研究多集中于用户单天线中继多天线的情况；而适用于多用户通信场景下由多对多天线用户与多天线中继构成的双向中继系统的技术方案很少涉及，目前现有的技术包括基于迫零(ZF)算法和最小均方误差(MMSE)算法的中继预编码设计方案。

基于迫零算法和最小均方误差算法的中继预编码设计方法具有以下缺陷：

(1)中继的处理算法既消除了用户对间干扰也消除了用户对内干扰，降低了有用信号的信噪比。

(2)用户节点的收发处理和中继节点的收发处理独立设计，没能利用双向中继信道的特点，因而误码率性能受到影响。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明的主要目的在于提供一种基于中继协同预编码的多用户双向通信方法，其中：

根据本发明实施例的基于中继协同预编码的多用户双向通信方法，包括：在第一时隙，中继节点接收来自多个用户对的用户节点的混叠信号，其中，每个用户对中的用户节点发送的信号经过用户发送预编码矩阵的处理；中继节点分别使用中继接收滤波矩阵、中继旋转矩阵、中继发送预编码矩阵对混叠信号进行处理得到中继节点发送信号，以消除用户对间干扰；在第二时隙，中继节点将中继节点发送信号广播发送至用户节点，并由用户节点使用用户接收滤波矩阵对其接收到的信号进行处理。

根据本发明的技术方案，通过中继的处理只消除用户对间干扰但保留用户对内干扰，避免用户处接收信噪比的损失，提高系统分集增益，并且，用户和中继的协同预编码设计采用迭代优化方式，降低设计复杂度并有效地提高用户有用信号的信噪比。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例的流程图；

图2是多天线K对用户双向中继网络的示意图；

图3是本发明实施例的优选处理方案的流程图；

图4本发明实施例的迭代算法的流程图；

图5本发明实施例的仿真结果的示意图。

具体实施方式

本发明的主要思想在于，中继节点的处理只消除用户对间干扰但保留用户对内干扰，避免了用户处接收信噪比损失，提高系统分集增益；用户节点和中继节点的协同预编码设计采用迭代优化方式，降低设计复杂度并有效地提高用户有用信号的信噪比。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步地详细说明。

根据本发明的实施例，提供了一种用于MIMO(Multiple-InputMultiple-Output，多输入多输出)系统、基于中继协同预编码的多用户双向通信方法。参考图1，图1是本发明实施例的流程图，如图1所示，该方法包括：

步骤S102，在第一时隙，中继节点接收来自多个用户对的用户节点的混叠信号，其中，每个用户对中的用户节点发送的信号经过用户发送预编码矩阵的处理；

步骤S104，中继节点分别使用中继接收滤波矩阵、中继旋转矩阵、中继发送预编码矩阵对混叠信号进行处理得到中继节点发送信号，以消除用户对间干扰；

步骤S106，在第二时隙，中继节点将中继节点发送信号广播发送至用户节点，并由用户节点使用用户接收滤波矩阵对其接收到的信号进行处理。

根据上述实施例，通过中继处理矩阵(中继接收滤波矩阵、中继旋转矩阵、中继发送预编码矩阵)的处理，消除了用户对间干扰但不消除用户对内干扰，显著改善了有用信号的信噪比。

中继的处理方式通常可以分为放大转发中继和解码转发中继。解码转发中继通常和物理层网络编码进行结合，即中继把解码后的比特进行混叠，并把混叠比特进行编码调制，然后广播出去，解码转发中继复杂度较高，实时性差。放大转发中继通常和模拟网络编码进行结合，即中继把来自两个用户的模拟信号混叠在一起，并广播出去。因此，放大转发中继方案具有复杂度较低，实时性高的特点，本发明基于放大转发中继的方案。

参考图2，图2是多天线K对用户双向中继网络的示意图。如图2所示，第i个用户对中的用户a在中继节点的帮助下与第i个用户对中的用户b交换信息，其中每个用户配置M根天线，中继配置N根天线，中继配置的天线数目N不小于2K-1根。对于时分复用系统中的准静态信道，信道具有互易性，且每个用户知道自己和对方的信道状态信息，上述条件仅用于更好地理解本发明，并不用于限制本发明的保护范围。

参考图3，图3是本发明实施例的优选处理方案的流程图，包括：

步骤S302，每个用户对中的用户节点分别使用用户发送预编码矩阵对待发送信号进行处理。

具体地，第i个用户对中的用户a和用户b分别使用用户发送预编码矩阵f_a，i和f_b，i对待发射信号x_a，i和x_b，i进行处理，处理后的信号表示为f_a，ix_a，i和f_b，ix_b，i。

步骤S304，在第一个时隙，所有用户节点将处理后的信号f_a，ix_a，i和f_b，ix_b，i同时发送至中继节点。

步骤S306，中继节点接收到来自所有用户节点的混叠信号，并使用中继处理矩阵对该混叠信号进行处理，以消除用户对间干扰。

中继节点接收到的混叠信号r可以表示为：

$r=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}(H_{a,i}{f}_{a,i}{x}_{a,i}+H_{b,i}{f}_{b,i}{x}_{b,i})+n_r,$

其中，H_a，i表示第i个用户对的用户a到中继节点的信道，H_b，i表示第i个用户对的用户b到中继节点的信道，n_r表示中继节点处的高斯白噪声，其方差为σ²。

为了给每个用户对提供独立的无干扰的信号空间，中继需分别消除上行发送信号和下行发送信号的用户对间干扰，同时在每个独立空间内最大化信号的等效信道增益，此外还需要中继对两个用户的信号进行空间映射。因此，中继处理矩阵P包括：中继接收滤波矩阵W，中继旋转矩阵Θ和中继发送预编码矩阵F。其中对于用户对i，中继节点分别使用中继接收滤波矩阵W_r，i对来自第i个用户对的混叠信号进行处理以消除上行接收信号的用户对间干扰，使用中继旋转矩阵Θ_r，i对处理后的信息进行空间旋转映射，使用中继发送预编码矩阵F_r，i对旋转后的待发送的信号处理以消除下行发送信号的用户对间干扰。

由于系统的性能受信号功率最小的一对用户的值影响，因此中继节点的设计需要引入功率分配因子来平衡各对用户的性能。第i个用户对的分配功率可以表示为：

${\mathrm{\δ}}_i=\sqrt{\frac{K{\left|w_{a,i}{H}_{a,i}^T{F}_{r,i}{\mathrm{\Θ}}_{r,i}{W}_{r,i}{H}_{b,i}{f}_{b,i}\right|}^2}{\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}1/\left|w_{a,j}{H}_{a,j}^T{F}_{r,j}{\mathrm{\Θ}}_{r,j}{W}_{r,j}{H}_{b,j}{f}_{b,j}\right|}}$

由此，中继的处理矩阵表示为：

$P=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_i{F}_{r,i}{\mathrm{\Θ}}_{r,i}{W}_{r,i}$

中继节点的发送信号可以表示为：

$\mathrm{\γ}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_i{F}_{r,i}{\mathrm{\Θ}}_{r,i}{W}_{r,i}r,$

其中，γ是中继功率约束因子，可以表示为：

$\mathrm{\γ}=\sqrt{\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}({\left|\right|{\mathrm{\δ}}_i{F}_{r,i}{\mathrm{\Θ}}_{r,i}{W}_{r,i}{H}_{a,i}{f}_{a,i}\left|\right|}_2^2+{\left|\right|{\mathrm{\δ}}_i{F}_{r,i}{\mathrm{\Θ}}_{r,i}{W}_{r,i}{H}_{b,i}{f}_{b,i}\left|\right|}_2^2)+{\mathrm{\σ}}^2{\left|\right|P\left|\right|}_F^2}}$

步骤S308，在第二个时隙，中继节点在系统内广播发送中继节点的发送信号。

步骤S310，每个用户节点接收到来自中继节点发送的信号，并使用用户接收滤波矩阵对其接收到的信号进行处理。

由于信道的互易性，第i个用户对的用户a和用户b接收到的信号可以分别表示为：

$y_{a,i}=\mathrm{\γ}{H}_{a,i}^T\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_i{F}_{r,i}{\mathrm{\Θ}}_{r,i}{W}_{r,i}r+n_{a,i}$ 和 $y_{b,i}=\mathrm{\γ}{H}_{b,i}^T\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_i{F}_{r,i}{\mathrm{\Θ}}_{r,i}{W}_{r,i}r+n_{b,i},$

其中，n_a，i和n_b，i分别是用户节点处的噪声。

用户a和用户b分别使用用户接收滤波矩阵w_a，i和w_b，i对接收到的信号y_a，i和y_b，i进行处理。经过中继接收滤波矩阵和中继发送滤波矩阵的处理后已经消除了用户对间干扰，并且用户a和用户b可以从接收信号中消除自身的信号，因此第i个用户对的用户a和用户b接收到的有用信号可以分别表示为：

${\stackrel{\‾}{x}}_{b,i}=\mathrm{\γ}{\mathrm{\δ}}_i{H}_{a,i}^T{F}_{r,i}{\mathrm{\Θ}}_{r,i}{W}_{r,i}(H_{b,i}{f}_{b,i}{x}_{b,i}+n_r)+n_{a,i}$

${\stackrel{\‾}{x}}_{a,i}=\mathrm{\γ}{\mathrm{\δ}}_i{H}_{b,i}^T{F}_{r,i}{\mathrm{\Θ}}_{r,i}{W}_{r,i}(H_{a,i}{f}_{a,i}{x}_{a,i}+n_r)+n_{b,i}$

步骤S312，每个用户进行解调，得到各自所需的信息。每个用户对中的用户a和用户b分别进行解调，最终可以得到对方用户的比特信息。

由于用户发送预编码矩阵和用户接收滤波矩阵，与中继发送预编码矩阵、中继旋转矩阵和中继接收滤波矩阵相互关联，根据本发明实施例提出一种迭代算法方案来设计各处理矩阵。参考图4，具体包括以下步骤：

步骤S402，进行用户处理矩阵w_a，i，w_b，i，f_a，i，f_b，i的初始化操作。分别对

和进行奇异值分解，w_a，i和f_b，i的初始值分别取的最大奇异值对应的左奇异值向量和右奇异值向量，w_b，i和f_a，i的初始值分别取

的最大奇异值对应的左奇异值向量和右奇异值向量。

步骤S404，进行中继处理矩阵W_r，i，F_r，i，Θ_r，i的初始化操作。分别对用户对i的上行干扰矩阵

和下行干扰矩阵

进行奇异值分解，W_r，i和F_r，i分别取各自零奇异值对应的左奇异值向量组和右奇异值向量组。Θ_r，i构造为Θ_r，i＝a^Tb+b^Ta，其中，a和b分别为W_r，iH_a，if_a，i和W_r，iH_b，if_b，i的最大奇异值对应的左奇异向量。

具体地，上行干扰矩阵

定义为

其中g_i-1代表第i-1组用户的上行等效信道空间，g_i-1＝[H_a，i-1f_a，i-1，H_b，i-1f_b，i-1]；下行干扰矩阵的定义为和其中，s_i-1代表第i-1组用户的下行等效信道空间， $s_{i-1}=[w_{a,i-1}{H}_{a,i-1}^T,w_{b,i-1}{H}_{b,i-1}^T].$

零空间的选取可以采用如下的方式：对

和

分别进行奇异值分解，将所有的零奇异值对应的奇异值向量组构成的矩阵作为零空间矩阵。上述选取零空间的方法仅为举例说明，本发明并不限于此。

步骤S406，更新用户处理矩阵w_a，i，w_b，i，f_a，i，f_b，i。分别对

和

进行奇异值分解，w_a，i和f_b，i分别取

的最大奇异值对应的左奇异值向量和右奇异值向量，w_b，i和f_a，i的分别取

的最大奇异值对应的左奇异值向量和右奇异值向量。

步骤S408，更新中继的处理矩阵W_r，i，F_r，i，Θ_r，i。分别对

和

进行奇异值分解，W_r，i和F_r，i分别取各自零奇异值对应的左奇异值向量组和右奇异值向量组。Θ_r，i构造为Θ_r，i＝a^Tb+b^Ta，其中a和b分别为W_r，iH_a，if_a，i和W_r，iH_b，if_b，i的最大奇异值对应的左奇异向量。

步骤S410，根据迭代停止指标判断是否停止迭代，若停止则执行步骤S412，否则继续进行步骤S406。

步骤S412，计算各对用户的功率分配因子，从而得到完整的发送和接收处理矩阵。计算功率分配因子的方式参照上述过程，此处不赘述。

根据上述实施例，通过引入迭代优化算法来实现中继处理矩阵和用户处理矩阵的联合优化，且可以以较少的迭代次数实现算法的收敛。

参考图5，图5是本发明实施例的仿真结果的示意图，仿真系统基本参数为：2对用户，1个中继，每个用户节点配置2根天线，中继节点分别配置3、4或5根。所有的信道考虑为互易性信道，且假设上下行的信噪比相同。每个用户每次只发送1个符号，采用QPSK的调制方式。由于传统方案由于需要消除用户间干扰，因此中继节点的天线数目不能小于用户的数目，所以在中继节点为3天线的情况下不适合传统方案。

通过图5可以得出，在信噪比从5dB增加到25dB的过程中，本发明技术方案的误码率性能始终优于传统方案，且随着信噪比的提升，优势更加明显。此外，即使是在本发明方案的中继天线数目少于传统方案的天线数目的情况下也优于传统方案。

综上所述，根据本发明的技术方案，与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)保留用户对内干扰和消除用户对间干扰的中继处理矩阵设计准则，同时以最大化用户信号的等效信道增益为目标的用户处理矩阵设计准则，可以有效地提高系统性能，同时降低设计复杂度；

(2)通过引入迭代优化算法来实现中继处理矩阵和用户处理矩阵的联合优化，且可以以较少的迭代次数实现算法的收敛。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于中继协同预编码的多用户双向通信方法，其特征在于，包括：

在第一时隙，中继节点接收来自多个用户对的用户节点的混叠信号，其中，每个用户对中的用户节点发送的信号经过用户发送预编码矩阵的处理；

所述中继节点分别使用中继接收滤波矩阵、中继旋转矩阵、中继发送预编码矩阵对所述混叠信号进行处理得到中继节点发送信号，以消除用户对间干扰；

在第二时隙，所述中继节点将中继节点发送信号广播发送至所述用户节点，并由所述用户节点使用用户接收滤波矩阵对其接收到的信号进行处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述中继节点接收来自多个用户对的用户节点的混叠信号之前，所述方法还包括：

第i个用户对中的用户节点a和用户节点b分别使用发送预编码矩阵f_a，i和f_b，i对待发射信号x_a，i和x_b，i进行处理，得到处理后的信号f_a，ix_a，i和f_b，ix_b，i，并将处理后的信号f_a，ix_a，i和f_b，ix_b，i同时发送至所述中继节点。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述中继节点接收到的混叠信号r为：

$r=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}(H_{a,i}{f}_{a,i}{x}_{a,i}+H_{b,i}{f}_{b,i}{x}_{b,i})+n_r,$

其中，H_a，i表示第i个用户对的用户节点a到中继节点的信道，H_b，i表示第i个用户对的用户节点b到中继节点的信道，n_r表示中继节点处的高斯白噪声；

所述中继节点发送信号为：

$\mathrm{\γ}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_i{F}_{r,i}{\mathrm{\Θ}}_{r,i}{W}_{r,i}r,$

其中，W_r，i表示中继接收滤波矩阵，Θ_r，i表示中继旋转矩阵，F_r，i表示中继发送预编码矩阵，δ_i是第i个用户对的功率分配因子，γ是中继功率约束因子。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述功率分配因子δ_i为：

${\mathrm{\δ}}_i=\sqrt{\frac{K{\left|w_{a,i}{H}_{a,i}^T{F}_{r,i}{\mathrm{\Θ}}_{r,i}{W}_{r,i}{H}_{b,i}{f}_{b,i}\right|}^2}{\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}1/\left|w_{a,j}{H}_{a,j}^T{F}_{r,j}{\mathrm{\Θ}}_{r,j}{W}_{r,j}{H}_{b,j}{f}_{b,j}\right|}};$

所述中继功率约束因子γ为：

$\mathrm{\γ}=\sqrt{\frac{1}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}({\left|\right|{\mathrm{\δ}}_i{F}_{r,i}{\mathrm{\Θ}}_{r,i}{W}_{r,i}{H}_{a,i}{f}_{a,i}\left|\right|}_2^2+{\left|\right|{\mathrm{\δ}}_i{F}_{r,i}{\mathrm{\Θ}}_{r,i}{W}_{r,i}{H}_{b,i}{f}_{b,i}\left|\right|}_2^2)+{\mathrm{\σ}}^2{\left|\right|\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_i{F}_{r,i}{\mathrm{\Θ}}_{r,i}{W}_{r,i}\left|\right|}_F^2}};$

其中，σ²表示n_r的方差。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述用户节点使用用户接收滤波矩阵对其接收到的信号进行处理，包括：

用户节点a和用户节点b分别使用用户接收滤波矩阵w_a，i和w_b，i对接收到的信号y_a，i和y_b，i进行处理，得到有用信号；

$y_{a,i}=\mathrm{\γ}{H}_{a,i}^T\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_i{F}_{r,i}{\mathrm{\Θ}}_{r,i}{W}_{r,i}r+n_{a,i},$

$y_{b,i}=\mathrm{\γ}{H}_{b,i}^T\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_i{F}_{r,i}{\mathrm{\Θ}}_{r,i}{W}_{r,i}r+n_{b,i},$

其中，n_a，i和n_b，i分别表示用户节点a和用户节点b的噪声；

第i个用户对的用户a和用户b接收到的有用信号可以分别表示为：

${\stackrel{\‾}{x}}_{b,i}=\mathrm{\γ}{\mathrm{\δ}}_i{H}_{a,i}^T{F}_{r,i}{\mathrm{\Θ}}_{r,i}{W}_{r,i}(H_{b,i}{f}_{b,i}{x}_{b,i}+n_r)+n_{a,i}$

${\stackrel{\‾}{x}}_{a,i}=\mathrm{\γ}{\mathrm{\δ}}_i{H}_{b,i}^T{F}_{r,i}{\mathrm{\Θ}}_{r,i}{W}_{r,i}(H_{a,i}{f}_{a,i}{x}_{a,i}+n_r)+n_{b,i}.$

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，采用迭代算法计算所述用户发送预编码矩阵、所述中继接收滤波矩阵、所述中继旋转矩阵、所述中继发送预编码矩阵以及所述用户接收滤波矩阵。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在进行首次计算时，用户接收滤波矩阵w_a，i和用户发送预编码矩阵f_b，i分别取

的最大奇异值对应的左奇异值向量和右奇异值向量，用户接收滤波矩阵w_b，i和用户发送预编码矩阵f_a，i分别取

的最大奇异值对应的左奇异向量和右奇异向量；

中继接收滤波矩阵W_r，i和中继发送预编码矩阵F_r，i分别取用户对i的上行干扰矩阵

和下行干扰矩阵

的零空间；

中继旋转矩阵Θ_r，i构造为a^Tb+b^Ta，其中a和b分别为W_r，iH_a，if_a，i和W_r，iH_b，if_b，i的最大奇异值对应的左奇异向量。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在进行迭代计算时，

用户接收滤波矩阵w_a，i和用户发送预编码矩阵f_b，i分别取的最大奇异值对应的左奇异值向量和右奇异值向量，用户接收滤波矩阵w_b，i和用户发送预编码矩阵f_a，i分别取

的最大奇异值对应的左奇异向量和右奇异向量；

中继接收滤波矩阵W_r，i和中继发送预编码矩阵F_r，i分别取用户对i的上行干扰矩阵

和下行干扰矩阵

的零空间；

中继旋转矩阵Θ_r，i构造为a^Tb+b^Ta，其中a和b分别为W_r，iH_a，if_a，i和W_r，iH_b，if_b，i的最大奇异值对应的左奇异向量。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述中继接收滤波矩阵W_r，i为：

第i个用户对的上行干扰矩阵

的零空间，其中，

g_i-1代表第i-1组用户的上行等效信道空间。

10.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述中继发送预编码矩阵F_r，i为：

第i个用户对的下行干扰矩阵的零空间，其中，

s_i-1代表第i-1组用户的下行等效信道空间。

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