CN102769486B - 双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法，包括：通过发射训练序列，得到源端、普通中继节点与双向中继节点相互间的估计信道；源端将估计出信道信息反馈给普通中继节点，所有中继节点将信道信息传输给中央处理器，中央处理器迭代计算普通中继预编码，双向中继预编码和源端接收均衡矩阵；中央处理器将计算出的预编码以及均衡矩阵传输给所有中继节点；源端对发射信号进行调制处理后发射至普通中继；普通中继节点发射信号至双向中继节点；双向中继节点广播信号至普通中继节点；普通中继节点发射信号至源端；源端对接收到的信号进行检测处理。本发明采用双向多跳中继的信息传输模式，提高了信道容量，改善了系统的比特误码率性能。

Description

双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法

技术领域

本发明涉及的是一种无线通信领域的方法，具体是一种双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法。

背景技术

中继系统应用于无线通信系统可以提高系统的性能，已经在第四代无线通信标准中得到了广泛的应用。如3GPP(3rd Generation Partnership Project,第三代移动通信合作伙伴项目)LTE-A(Long Term Evolation-Advanced,增强型长期演进)系统中引入无线中继技术来减小无线链路的空间损耗，增大信噪比，从而提高边缘用户信道容量。这样拉近了天线和终端用户的距离，可以改善终端的链路质量，从而提高系统的频谱效率和用户数据率。由于设备的复杂度较低，基于模拟网络编码的中继系统具有较多的应用和研究，取得了较好的系统性能提升。

通过在中继节点上安装多天线，可以进一步利用MIMO(Multiple-InputMultiple-Output,多输入多输出)相关技术(如分集、复用技术)增强系统的传输性能。

中继系统取得的增益取决于中继节点上采取的信号处理策略，根据中继节点信号处理方式的不同可以将中继节点分为解码转发中继(decode-and-forwardrelay)和放大转发中继(amplified-and-forword relay)等。对于解码转发中继，中继节点对接收到的比特序列进行解码，然后重新译码进行转发，有一个信号重建的过程。而对于放大转发中继节点，中继节点不对信号进行译码的操作，只是将接收到的信号进行一定的线性处理得到需要发送的信号。

放大转发中继节点在放大处理的时候会将有用信号和干扰噪声信号同时进行线性处理，没有对干扰噪声进行抑制，在放大信号的同时也放大了噪声，得到的系统性能较差。而解码转发中继节点对信号译码之后能够抑制中继节点的噪声以及其他信号的干扰，得到较好的系统性能，但由于译码的系统实现复杂度比较高、延时较大。由于实现相对简单，放大转发中继节点在实际系统中得到了广泛的应用。本发明中采用放大转发型中继节点用于无线信号的传输。

根据传统的中继协议，一次信息交互过程需要耗费4个时隙完成：源A→中继、源B→中继、中继→源A、中继→源B。通过采用双向中继系统可以将信息交互过程缩短到2个时隙内完成：接收时隙和发送时隙。这样会大大增加系统的频谱利用效率，提高系统的容量。

当两个远距离用户需要交换信息时，信号需要以多跳的形式通过多个中继进行传输以达到理想的系统性能，此时需要进一步对每一个中继节点设计信号处理方法。

经对现有文献检索发现，Rui Wang Meixia Tao,“Joint Source and RelayPrecoding Designs for MIMO Two-Way Relay Systems,”IEEE ICC,2011(“MIMO双向中继系统中的联合源端和中继预编码设计”，IEEE国际通信会议，2011)，该文章研究了仅通过一个中继节点进行双向信号的传输过程，联合设计源端和中继的信号处理，以最小化检测信号的均方误差。

经检索还发现，YueRong,“Optimality of Diagonalization of Multi-Hop MIMORelays”,IEEE Trans on wireless communications,Dec.2009(“多跳MIMO中继系统中对角化优化设计”，IEEE无线通讯会刊，2009十二月)，该文章研究了信号在长距离传输情况下，通过多个中继节点实现多跳通信，针对该系统采用对角化的方法设计各中继端的信号处理方法。

综上所述，现有技术对解决用户通过若干中继节点，以多跳的方式进行无线信息交互场景下的信号处理方法并没有进行研究，而上述的两篇文章只是此场景的一部分。当两个远距离用户需要进行信息交互时，该场景就显得非常必要。如何在该场景下设计一种性能较好的各中继端信号处理的方法具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法。本发明根据MMSE(Minimum Mean Squared Error,最小均方误差)准则，联合设计了各个中继端和用户接收端线性信号处理方法，有效改善了系统的比特误码率性能。

本发明所述的通信系统结构包括2个多天线源端收发机(既是发射机也是接收机)，2个多天线普通中继节点和1个多天线双向中继节点，每个源端收发机都主要由一个调制器、一个解调器、一个存储器和一个自干扰消除器组成，普通中继节点和双向中继节点均主要由一个调制器、一个解调器和一个预编码线性处理器组成，工作方式为半双工放大转发中继。所有中继节点在后台有一个中央处理器用于信号处理。

本发明描述了一种双向多跳无线通信方法，一个完整的通信过程在四个时隙内完成，在第一个时隙，两个源端收发机同时向普通中继节点发送信号；在第二个时隙，两个普通中继节点将处理后的信号同时发送至双向中继节点；在第三个时隙，双向中继节点将处理后的信号广播至两个普通中继节点；在第四个时隙，两个普通中继节点将处理后的信号同时发送至两个源端收发机。

本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤：

第一步，第一源端收发机K₁和第二源端收发机K₂向对应的普通中继节点分别发射训练序列，所述对应的普通中继节点根据收到的信号进行信道估计，得到第一源端收发机以及第二源端收发机到所述对应的普通中继节点的信道，其中，与第一源端收发机对应的普通中继节点为第一普通中继节点R₁，与第二源端收发机对应的普通中继节点为第二普通中继节点R₂；

第二步，第一普通中继节点和第二普通中继节点同时向双向中继节点发射训练序列，双向中继节点根据接收到的信号进行信道估计，得到第一普通中继节点和双向中继节点间的信道、以及第二普通中继节点和双向中继节点间的信道；

第三步，双向中继节点同时向第一普通中继节点和第二普通中继节点发射训练序列，第一普通中继节点和第二普通中继节点根据接收到的信号进行信道估计，得到回跳时双向中继节点和第一普通中继节点间的信道、以及双向中继节点和第二普通中继节点间的信道；

第四步，第一普通中继节点和第二普通中继节点同时向对应的源端收发机发射训练序列，所述对应的源端收发机根据接收到的信号进行信道估计，得到回跳时第一普通中继节点和第二普通中继节点和所述对应的源端收发机之间的信道，其中，与第一普通中继节点对应的源端收发机为第一源端收发机，与第二普通中继节点对应的源端收发机为第二源端收发机；

第五步，第一源端收发机和第二源端收发机将估计得到的信道信息反馈给对应的普通中继节点；所有中继节点将所有的信道信息传输给中央处理器；中央处理器可以是一个与所有中继相连的单独设备，也可以是集成在某一个中继节点内的。中央处理器根据所有的信道信息迭代计算普通中继预编码矩阵F_k,k＝1,2,3,4，双向中继预编码矩阵F_r以及第一源端收发机和第二源端收发机的接收均衡矩阵W_i,i＝1,2；

第六步，中央处理器将计算得到的普通中继预编码矩阵、双向中继预编码矩阵以及接收均衡矩阵传输给所有中继节点，然后中继节点反馈接收均衡矩阵到相应的源端收发机，同时将源端收发机所对应的信道信息反馈给相应的源端收发机；

第七步，第一源端收发机和第二源端收发机直接将调制后的信号发射至所述对应的普通中继节点；

第八步，第一普通中继节点和第二普通中继节点对接收到的信号进行线性处理，得到普通中继节点的发射信号，并将其发送至双向中继节点；

第九步，双向中继节点对接收到的信号进行线性处理，得到双向中继节点的发射信号，并将其广播至第一普通中继节点和第二普通中继节点；

第十步，第一普通中继节点和第二普通中继节点对接收到的信号进行线性处理，得到回跳时普通中继节点的发射信号，并将其发送至所述对应的源端收发机；

第十一步，第一源端收发机和第二源端收发机对接收到的信号进行检测处理，得到估计的发射信号。

优选地，所述第一步中的信道估计处理方法为第一源端收发机和第二源端收发机向对应的普通中继节点发射训练序列，其中第一源端收发机和第二源端收发机分别发送的发射训练序列为S₁、S₂，第一普通中继节点和第二普通中继节点分别接收到的从对应的源端收发机发射的训练序列序号为第一源端收发机到第一普通中继节点的信道H₁、以及第二源端收发机到第二普通中继节点的信道G₁分别由下两式得到

$H_1=\sqrt{\frac{M}{{\mathrm{\ρ}}_{s_1}}}{X}_{R_1}{S}_1^H{(\frac{M}{{\mathrm{\ρ}}_{s_1}}{I}_M+S_1{S}_1^H)}^{-1}$

$G_1=\sqrt{\frac{M}{{\mathrm{\ρ}}_{s_2}}}{X}_{R_2}{S}_2^H{(\frac{M}{{\mathrm{\ρ}}_{s_2}}{I}_M+S_2{S}_2^H)}^{-1}$

其中M是源端收发机的天线数，是训练序列S_i的信噪比， 是源端收发机K_i发射的训练序列的长度，N_i是普通中继节点R_i的天线数，I_M为大小为M×M的单位矩阵，上标(·)^H表示矩阵的共轭转置，其中i＝1,2。

优选地，所述第二步中的信道估计处理方法为第一普通中继节点和第二普通中继节点分别向双向中继节点R_c发射训练序列，其中普通中继节点R_i发送的发射训练序列为双向中继节点接收到的从普通中继节点R_i发射的训练序列序号为第一普通中继节点到双向中继间的信道H₂、第二普通中继节点到双向中继间的信道G₂分别由下两式得到

$H_2=\sqrt{\frac{N_1}{{\mathrm{\ρ}}_{R_1}}}{X}_{R_c\_1}{S}_{R_1}^H{(\frac{N_1}{{\mathrm{\ρ}}_{R_1}}{I}_{N_1}+S_{R_1}{S}_{R_1}^H)}^{-1}$

$G_2=\sqrt{\frac{N_2}{{\mathrm{\ρ}}_{R_2}}}{X}_{R_c\_2}{S}_{R_2}^H{(\frac{N_2}{{\mathrm{\ρ}}_{R_2}}{I}_{N_2}+S_{R_2}{S}_{R_2}^H)}^{-1}$

其中是训练序列的信噪比， $S_{R_i}\∈C^{N_i\×T_{R_i}},X_{R_c\_i}\∈C^{N_r\×T_{R_i}},$ 是普通中继节点R_i发射的训练序列的长度，N_i是普通中继节点R_i的天线数，N_r是双向中继节点R_c的天线数，上标(·)^H表示矩阵的共轭转置，其中i＝1,2。

优选地，所述第三步中的信道估计处理方法为双向中继节点分别向第一普通中继节点和第二普通中继节点发射训练序列，其中双向中继节点R_c向普通中继节点R_i发送的发射训练序列为普通中继节点R_i接收到的从双向中继节点R_c发射的训练序列序号为双向中继节点到第一普通中继节点间的信道H₃、双向中继节点到第二普通中继节点间的信道G₃分别由下两式得到

$H_3=\sqrt{\frac{N_r}{{\mathrm{\ρ}}_{R_c\_1}}}{(\frac{N_r}{{\mathrm{\ρ}}_{R_c\_1}}{I}_{N_r}+S_{R_c\_1}{S}_{R_c\_1}^H)}^{-1}{S}_{R_c\_1}{\stackrel{\‾}{X}}_{R_1}^H$

$G_3=\sqrt{\frac{N_r}{{\mathrm{\ρ}}_{R_c\_2}}}{(\frac{N_r}{{\mathrm{\ρ}}_{R_c\_2}}{I}_{N_r}+S_{R_c\_2}{S}_{R_c\_2}^H)}^{-1}{S}_{R_c\_2}{\stackrel{\‾}{X}}_{R_2}^H$

其中是训练序列的信噪比， $S_{R_c\_i}\∈C^{N_r\×T_{R_c}},{\stackrel{\‾}{X}}_{R_i}\∈C^{N_i\×T_{R_c}},$ 是双向中继节点R_c发射的训练序列的长度，N_i是普通中继节点R_i的天线数，N_r是双向中继节点R_c的天线数，上标(·)^H表示矩阵的共轭转置，其中i＝1,2。

优选地，所述第四步中的信道估计处理方法为第一普通中继节点和第二普通中继节点向对应的源端收发机分别发射训练序列，其中普通中继节点R_i向源端收发机K_i发送的发射训练序列为源端收发机K_i接收到的从普通中继节点R_i发射的训练序列序号为第一普通中继节点到第一源端收发机间的信道H₄、第二普通中继节点到第二源端收发机间的信道G₄分别由下两式得到

$H_4=\sqrt{\frac{N_1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_{R_1}}}{(\frac{N_1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_{R_1}}{I}_{N_1}+{\stackrel{\‾}{S}}_{R_1}{\stackrel{\‾}{S}}_{R_1}^H)}^{-1}{\stackrel{\‾}{S}}_{R_1}{X}_{S_1}^H$

$G_4=\sqrt{\frac{N_2}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_{R_2}}}{(\frac{N_2}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_{R_2}}{I}_{N_2}+{\stackrel{\‾}{S}}_{R_2}{\stackrel{\‾}{S}}_{R_2}^H)}^{-1}{\stackrel{\‾}{S}}_{R_2}{X}_{S_2}^H$

其中是训练序列的信噪比， ${\stackrel{\‾}{S}}_{R_i}\∈C^{N_i\×{\stackrel{\‾}{T}}_{R_i}},X_{S_i}\∈C^{M\×{\stackrel{\‾}{T}}_{R_i}},$ 是回跳时普通中继R_i发射的训练序列的长度，N_i是普通中继节点R_i的天线数，N_r是双向中继节点R_c的天线数，上标(·)^H表示矩阵的共轭转置，其中i＝1,2。

优选地，所述第五步中中央处理器通过迭代方法求出所有普通中继预编码矩阵F_k,k＝1,2,3,4，双向中继预编码矩阵F_r以及第一源端收发机和第二源端收发机的接收均衡矩阵W_i,i＝1,2，所述迭代方法的实现方法是：

迭代一：假设所有普通中继预编码矩阵F_k,k＝1,2,3,4以及双向中继预编码矩阵F_r已知，计算第一源端收发机和第二源端收发机的接收均衡矩阵W_i,i＝1,2。其计算方法如下：

$W_1=G_1^H{F}_2^H{G}_2^H{U}_1^H{R}_{W_1}^{-1}$

$W_2=H_1^H{F}_1^H{H}_2^H{U}_2^H{R}_{W_2}^{-1}$

其中，

U₁＝H₄F₃H₃F_r，U₂＝G₄F₄G₃F_r，

$\begin{array}{c}{R}_{W_1}=({\mathrm{\σ}}_1^2{U}_1{H}_2{F}_1{F}_1^H{H}_2^H{U}_1^H+{\mathrm{\σ}}_2^2{U}_1{G}_2{F}_2{F}_2^H{G}_2^H{U}_1^H+{\mathrm{\σ}}_r^2{U}_1{U}_1^H\\ +{\mathrm{\σ}}_3^2{H}_4{F}_3{F}_3^H{H}_4^H+{\mathrm{\σ}}_{S_1}^2{I}_M)/{\mathrm{\σ}}_d^2+U_1{G}_2{F}_2{G}_1{G}_1^H{F}_2^H{G}_2^H{U}_1^G\end{array},$

$\begin{array}{c}{R}_{W_2}=({\mathrm{\σ}}_1^2{U}_2{H}_2{F}_1{F}_1^H{H}_2^H{U}_2^H+{\mathrm{\σ}}_2^2{U}_2{G}_2{F}_2{F}_2^H{G}_2^H{U}_2^H+{\mathrm{\σ}}_r^2{U}_2{U}_2^H\\ +{\mathrm{\σ}}_4^2{G}_4{F}_4{F}_4^H{G}_4^H+{\mathrm{\σ}}_{S_2}^2{I}_M)/{\mathrm{\σ}}_d^2+U_2{H}_2{F}_1{H}_1{H}_1^H{F}_2^H{H}_2^H{U}_2^H\end{array}.$

是发射信号的平均功率，是第一普通中继节点的噪声功率，是第二普通中继节点的噪声功率，是回跳时第一普通中继节点的噪声功率，是回跳时第二普通中继节点的噪声功率，是双向中继节点的噪声功率，是第一源端收发机的噪声功率，是第二源端收发机的噪声功率；

迭代二：假设双向中继预编码矩阵F_r以及接收均衡矩阵W_i,i＝1,2已知，计算所有普通中继预编码矩阵F_k,k＝1,2,3,4，其中F₁,F₂为对应R₁,R₂上的预编码，而F₃,F₄分别对应信号回跳时R₁,R₂上的预编码；

设计普通中继预编码矩阵使用了分布式的多入多出中继算法；A_k表示输入预编码，对后向信道进行均衡；B_k表示输出预编码，对前向信道进行预均衡；总的普通中继预编码矩阵为

F_k＝P_kB_kA_k

其中，P_k为功率限制因子，为了使得普通中继节点的发送功率满足功率限制要求，即将发送信号功率归一化后乘上普通中继节点的最大发射功率；具体可以表示为：

$P_k=\sqrt{\frac{p_{g\_r}}{\mathrm{Tr}\left(B_k{A}_k{y}_{\mathrm{receive}\_k}{y}_{\mathrm{receive}\_k}^H{A}_k^H{B}_k^H\right)}}$

其中p_{g_r}为普通中继节点的最大发射功率，y_{receive_k}表示该普通中继节点接收到的信号，Tr(·)表示矩阵的迹；

使用MMSE预编码设计A_k、B_k。具体设计分为两步：

第一步为前两个时隙，即信号从源端收发机传输至双向中继节点；普通中继预编码只与前后向信道有关，且有相同固定的形式，如R₁处的预编码：

$A_1=H_1^H{(\frac{{\mathrm{\σ}}_1^2}{{\mathrm{\σ}}_d^2}{I}_{N_1}+H_1{H}_1^H)}^{-1},B_1={(\frac{N_1{\mathrm{\σ}}_r^2}{p_{g\_r}}{I}_{N_1}+H_2^H{H}_2)}^{-1}{H}_2^H;$

第二步为后两个时隙，即信号从双向中继节点传输至源端收发机；普通中继预编码除了与信道有关，还与双向中继预编码矩阵F_r有关，需要进行迭代，但仍有相同的形式，如信号回跳时R₁处的预编码：

$\begin{array}{c}{A}_3=G_1^H{F}_2^H{G}_2^H{F}_r^H{H}_3^H[({\mathrm{\σ}}_1^2{H}_3{F}_r{H}_2{F}_1{F}_1^H{H}_2^H{F}_r^H{H}_3^H+{\mathrm{\σ}}_2^2{H}_3{F}_r{G}_2{F}_2{F}_2^H{G}_2^H{F}_r^H{H}_3^H\\ {+{\mathrm{\σ}}_r^2{H}_3{F}_r{F}_r^H{H}_3^H+{\mathrm{\σ}}_3^2{I}_{N_1})/{\mathrm{\σ}}_d^2+H_3{F}_r{G}_2{F}_2{G}_1{G}_1^H{F}_2^H{G}_2^H{F}_r^H{H}_3^H)}^{-1}\end{array},$

$B_3={(\frac{N_1{\mathrm{\σ}}_{S_1}^2}{p_{g\_r}}{I}_{N_1}+H_4^H{H}_4)}^{-1}{H}_4^H$

迭代三的实现通过迭代算法进行，其迭代实现方法为：

假设所有普通中继预编码矩阵F_k,k＝1,2,3,4以及接收均衡矩阵W_i,i＝1,2已知，双向中继预编码矩阵F_r是基于MMSE准则计算得到的，由本迭代步骤得出：

$F_r=\mathrm{mat}\left\{\right[R_{r1}\⊗R_{y1}+R_{r2}\⊗R_{y2}+{\mathrm{\λR}}_x\⊗I_{N_r}{]}^{-1}\mathrm{vec}\left(R_r\right)\}$

其中

$R_{r1}={\mathrm{\σ}}_d^2{G}_2{F}_2{G}_1{G}_1^H{F}_2^H{G}_2^H+{\mathrm{\σ}}_1^2{H}_2{F}_1{F}_1^H{H}_2^H+{\mathrm{\σ}}_2^2{G}_2{F}_2{F}_2^H{G}_2^H+{\mathrm{\σ}}_r^2{I}_{N_r},$

$R_{r2}={\mathrm{\σ}}_d^2{H}_2{F}_1{H}_1{H}_1^H{F}_1^H{H}_2^H+{\mathrm{\σ}}_1^2{H}_2{F}_1{F}_1^H{H}_2^H+{\mathrm{\σ}}_2^2{G}_2{F}_2{F}_2^H{G}_2^H+{\mathrm{\σ}}_r^2{I}_{N_r},$

$R_{y1}=H_3^H{F}_3^H{H}_4^H{W}_1^H{W}_1{H}_4{F}_3{H}_3,R_{y2}=G_3^H{F}_4^H{G}_4^H{W}_2^H{W}_2{G}_4{F}_4{G}_3,$

$R_x={\mathrm{\σ}}_d^2{H}_2{F}_1{H}_1{H}_1^H{F}_1^H{H}_2^H+{\mathrm{\σ}}_d^2{G}_2{F}_2{G}_1{G}_1^H{F}_2^H{G}_2^H+{\mathrm{\σ}}_1^2{H}_2{F}_1{F}_1^H{H}_2^H+{\mathrm{\σ}}_2^2{G}_2{F}_2{F}_2^H{G}_2^H+{\mathrm{\σ}}_r^2{I}_{N_r}$

$R_r={\mathrm{\σ}}_d^2{H}_3^H{F}_3^H{H}_4^H{W}_1^H{G}_1^H{F}_2^H{G}_2^H+{\mathrm{\σ}}_d^2{G}_3^H{F}_4^H{G}_4^H{W}_2^H{H}_1^H{F}_1^H{H}_2^H,$

为Kronecker运算，vec(·)为矩阵化向量运算，mat(·)为vec(·)的逆运算；

其中的参数λ的取值范围为p_{c_r}为双向中继发射功率；

取λ＝0，算出此时的发射功率Tr(F_rR_xF_r ^H)，如果Tr(F_rR_xF_r ^H)＜p_{c_r}，则取λ＝0的F_r为双向中继预编码矩阵；

如果λ＝0时Tr(F_rR_xF_r ^H)＞p_{c_r}，则运用二分法对λ在其取值范围进行搜索，直到中继发射功率等于p_{c_r}，即：

Tr(F_rR_xF_r ^H)＝p_{c_r}

由此，即可得到最优的双向中继预编码矩阵F_r；

所述第五步在初始时任意取一组可行的普通中继预编码矩阵F_k,k＝1,2,3,4以及双向中继预编码矩阵F_r，通过上述三个迭代步骤，最终得出使得总MSE收敛的所有中继节点的预编码矩阵。

优选地，所述第六步中中央处理器将计算得到的矩阵F_k,F_r,W_i(k＝1,2,3,4,i＝1,2)传输给各个中继节点，普通中继节点R_i将均衡矩阵W_i反馈给源端收发机K_i，同时将信道信息H₁反馈给第一源端收发机K₁，将信道信息G₁反馈给第二源端收发机K₂。

优选地，所述第七步中的源端收发机将经过m-QAM调制后的信号直接发送给普通中继节点，其中L为源端i发射信号的流数。

优选地，所述第八步中普通中继节点的线性处理方法是：

y_i＝F_ix_i

其中x_i为普通中继节点R_i接收到的信号向量，y_i为普通中继节点R_i发送出去的信号向量。

优选地，所述第九步中双向中继节点的线性处理方法是：

y_r＝F_rx_r

其中x_r为双向中继节点R_c接收到的信号向量，y_r为中继节点R_c发送出去的信号向量。

优选地，所述第十步中，在信号回跳时普通中继节点的线性处理方法是：

y_j＝F_jx_j

其中x_j为信号回跳时普通中继节点R_j-2接收到的信号向量，y_j为信号回跳时普通中继节点R_j-2发送出去的信号向量，j＝3,4。

优选地，所述第十一步中源端接收机K_i的检测处理方法是：

${\tilde{s}}_i=W_i{y}_{\mathrm{si}}$

其中为源端接收机K_i检测到的信号，y_si表示源端接收机K_i经过自干扰消除后接收到的信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是采用了双向中继和双向中继的混合信息传输模式，能较大地提高信道容量，并且采用了最小化均方误差的信号处理方法，有效地改善了系统的比特误码率性能。

附图说明

图1是本发明一实施例的误码率性能比较示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的方法进一步描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方案和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例的无线通信系统包括2个源端收发机、2个普通中继节点以及1个双向中继节点。每个源端收发机上的天线均为2，即M＝2，每个普通中继节点以及双向中继节点上的天线数均为2，即N₁＝N₂＝N_r＝2。在本实施例中，源端收发机S₁通过各个中继节点与源端收发机S₂进行数据交互通信。每个源端收发机发送的信息流数为2。待互相传输的符号为随机生成的QPSK调制符号，两个源端收发机平均发射功率均为所有信道均为瑞丽(Rayleigh)平坦衰落，所有普通中继节点、双向中继节点以及接收端的接收噪声均为零均值单位方差的复高斯白噪声， ${\mathrm{\σ}}_1^2={\mathrm{\σ}}_2^2={\mathrm{\σ}}_3^2={\mathrm{\σ}}_4^2={\mathrm{\σ}}_r^2={\mathrm{\σ}}_{S_1}^2={\mathrm{\σ}}_{S_2}^2=1.$ 所有中继节点的发射功率都相同，即p_{g_r}＝p_{c_r}。定义第一个时隙的信噪比为第二个时隙的信噪比为 ${\mathrm{SNR}}_2=p_{g\_r}/\left(N_1{\mathrm{\σ}}_r^2\right),$ 第三个时隙的信噪比为 ${\mathrm{SNR}}_3=p_{c\_r}/\left(N_1{\mathrm{\σ}}_3^2\right),$ 第四个时隙的信噪比为并且SNR₁＝SNR₂＝SNR₃＝SNR₄。

本实施例包括以下步骤：

第一步，第一源端收发机向第一普通中继节点发射训练序列S₁，第一普通中继节点根据接收到的信号进行信道估计，得到第一源端收发机和第一普通中继节点间的信道H₁。同时第二源端收发机向第二普通中继节点发射训练序列S₂，第二普通中继节点根据接收到的信号进行信道估计，得到第二源端收发机和第二普通中继节点间的信道G₁。

所述的信道估计处理，是：

$H_1=\sqrt{\frac{M}{{\mathrm{\ρ}}_{s_1}}}{X}_{R_1}{S}_1^H{(\frac{M}{{\mathrm{\ρ}}_{s_1}}{I}_M+S_1{S}_1^H)}^{-1},G_1=\sqrt{\frac{M}{{\mathrm{\ρ}}_{s_2}}}{X}_{R_2}{S}_2^H{\left(\frac{M}{{\mathrm{\ρ}}_{s_2}}{I}_M{S}_2{S}_2^H\right)}^{-1}$

其中：分别是训练序列S₁，S₂的信噪比， $S_1\∈C^{M\×T_{s_1}},S_2\∈C^{M\×T_{s_2}},$ $S_{R_1}\∈C^{N_1\×T_{s_1}},S_{R_2}\∈C^{N_2\×T_{s_2}},$ 分别为第一源端收发机、第二源端收发机发射的训练序列的长度，I_M为大小为M×M的单位矩阵，上标(·)^H表示矩阵的共轭转置。

第二步，第一普通中继节点向双向中继节点发射训练序列双向中继节点根据接收到的信号进行信道估计，得到第一普通中继节点和双向中继节点间的信道H₂。同时第二普通中继节点向双向中继节点发射训练序列双向中继节点根据接收到的信号进行信道估计，得到第二普通中继节点和双向中继间节点的信道G₂。

所述的信道估计处理，是：

$H_2=\sqrt{\frac{N_1}{{\mathrm{\ρ}}_{R_1}}}{X}_{R_c\_1}{S}_{R_1}^H{(\frac{N_1}{{\mathrm{\ρ}}_{R_1}}{I}_{N_1}+S_{R_1}{S}_{R_1}^H)}^{-1},G_2=\sqrt{\frac{N_2}{{\mathrm{\ρ}}_{R_2}}}{X}_{R_c\_1}{S}_{R_2}^H{\left(\frac{N_2}{{\mathrm{\ρ}}_{R_2}}{I}_{N_2}{S}_{R_2}{S}_{R_2}^H\right)}^{-1}$

其中：分别是训练序列的信噪比， $S_{R_1}\∈C^{N_1\×T_{R_1}},S_{R_2}\∈C^{N_2\×T_{R_2}},$ $S_{R_c\_1}\∈C^{N_r\×T_{R_1}},S_{R_c\_1}\∈C^{N_r\×T_{R_2}},$ 分别为第一普通中继节点、第二普通中继节点发射的训练序列的长度。

第三步，双向中继节点向第一普通中继节点发射训练序列第一普通中继节点根据接收到的信号进行信道估计，得到双向中继节点和第一普通中继节点间的信道H₃。同时双向中继节点向第二普通中继节点发射训练序列第二普通中继节点根据接收到的信号进行信道估计，得到双向中继节点和第二普通中继节点间的信道G₃。

所述的信道估计处理，是：

$H_3=\sqrt{\frac{N_r}{{\mathrm{\ρ}}_{R_c\_1}}}{(\frac{N_r}{{\mathrm{\ρ}}_{R_c\_1}}{I}_{N_r}+S_{R_c\_1}{S}_{R_c\_1}^H)}^{-1}{S}_{R_c\_1}{\stackrel{\‾}{X}}_{R_1}^H$

$G_3=\sqrt{\frac{N_r}{{\mathrm{\ρ}}_{R_c\_2}}}{(\frac{N_r}{{\mathrm{\ρ}}_{R_c\_2}}{I}_{N_r}+S_{R_c\_2}{S}_{R_c\_2}^H)}^{-1}{S}_{R_c\_2}{\stackrel{\‾}{X}}_{R_2}^H$

其中：分别是训练序列的信噪比， $S_{R_c\_1}\∈C^{N_r\×T_{R_c}},$ $S_{R_c\_2}\∈C^{N_r\×T_{R_c}},$ ${\stackrel{\‾}{X}}_{R_1}\∈C^{N_1\×T_{R_c}},{\stackrel{\‾}{X}}_{R_2}\∈C^{N_2\×T_{R_c}},$ 为双向中继节点发射的训练序列的长度。

第四步，第一普通中继节点向第一源端收发机发射训练序列第一源端收发机根据接收到的信号进行信道估计，得到第一普通中继节点和第一源端收发机间的信道H₄。同时第二普通中继节点向第二源端收发机发射训练序列第二源端收发机根据接收到的信号进行信道估计，得到第二普通中继节点和第二源端收发机间的信道G₄。

所述的信道估计处理，是：

$H_4=\sqrt{\frac{N_1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_{R_1}}}{(\frac{N_1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_{R_1}}{I}_{N_1}+{\stackrel{\‾}{S}}_{R_1}{\stackrel{\‾}{S}}_{R_1}^H)}^{-1}{\stackrel{\‾}{S}}_{R_1}{X}_{S_1}^H,G_4=\sqrt{\frac{N_2}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_{R_2}}}{(\frac{N_2}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_{R_2}}{I}_{N_2}+{\stackrel{\‾}{S}}_{R_2}{\stackrel{\‾}{S}}_{R_2}^H)}^{-1}{\stackrel{\‾}{S}}_{R_2}{X}_{S_2}^H$

其中：分别是训练序列的信噪比， ${\stackrel{\‾}{S}}_{R_1}\∈C^{N_1\×{\stackrel{\‾}{T}}_{R_1}},{\stackrel{\‾}{S}}_{R_2}\∈C^{N_2\×{\stackrel{\‾}{T}}_{R_2}},$ $X_{S_1}\∈C^{M\×{\stackrel{\‾}{T}}_{R_1}},X_{S_2}\∈C^{M\×{\stackrel{\‾}{T}}_{R_2}},$ 分别为信号回跳时第一普通中继节点、第二普通中继节点发射的训练序列的长度。

本实施例中训练序列长度 $T_{s_1}=T_{s_2}=T_{R_1}=T_{R_2}=T_{R_c}={\stackrel{\‾}{T}}_{R_1}={\stackrel{\‾}{T}}_{R_2}=4,$ 训练序列的信噪比为 ${\mathrm{\ρ}}_{s_1}={\mathrm{\ρ}}_{s_2}={\mathrm{\ρ}}_{R_1}={\mathrm{\ρ}}_{R_2}={\mathrm{\ρ}}_{R_c\_1}={\mathrm{\ρ}}_{R_c\_2}={\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_{R_1}={\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_{R_2}=\left\{\mathrm{49,199,999}\right\}.$

第五步，第一普通中继节点、第二普通中继节点将估计得到的信道信息H₄,G₄反馈给对应的普通中继节点，所有中继节点将所有的信道信息传输给中央处理器，中央处理器根据所有的信道信息迭代计算普通中继预编码矩阵F₁,F₂,F₃,F₄，双向中继预编码矩阵F_r以及第一源端收发机和第二源端收发机的接收均衡矩阵W₁,W₂。在进行迭代处理方法之前中央处理器先确定一组迭代初始预编码矩阵。本实施例中取初始普通中继预编码矩阵为

$F_2=F_4=\sqrt{\frac{p_{g\_r}}{N_2}}{I}_{N_2},$ 初始双向中继预编码矩阵为 $F_r=\sqrt{\frac{p_{c\_r}}{\mathrm{Tr}\left(R_x\right)}}{I}_{N_r},$ 其中

迭代一：假设F₁,F₂,F₃,F₄,F_r已知，计算第一源端接收机和第二源端接收机的接收均衡矩阵W₁,W₂，方法如下：

$W_1=G_1^H{F}_2^H{G}_2^H{U}_1^H{R}_{W_1}^{-1},W_2=H_1^H{F}_1^H{H}_2^H{U}_2^H{R}_{W_2}^{-1}$

其中的参数定义如下：

U₁＝H₄F₃H₃F_r，U₂＝G₄F₄G₃F_r，

$\begin{array}{c}{R}_{W_1}=({\mathrm{\σ}}_1^2{U}_1{H}_2{F}_1{F}_1^H{H}_2^H{U}_1^H+{\mathrm{\σ}}_2^2{U}_1{G}_2{F}_2{F}_2^H{G}_2^H{U}_1^H+{\mathrm{\σ}}_r^2{U}_1{U}_1^H\\ +{\mathrm{\σ}}_3^2{H}_4{F}_3{F}_3^H{H}_4^H+{\mathrm{\σ}}_{S_1}^2{I}_M)/{\mathrm{\σ}}_d^2+U_1{G}_2{F}_2{G}_1{G}_1^H{F}_2^H{G}_2^H{U}_1^G\end{array},$

$\begin{array}{c}{R}_{W_2}=({\mathrm{\σ}}_1^2{U}_2{H}_2{F}_1{F}_1^H{H}_2^H{U}_2^H+{\mathrm{\σ}}_2^2{U}_2{G}_2{F}_2{F}_2^H{G}_2^H{U}_2^H+{\mathrm{\σ}}_r^2{U}_2{U}_2^H\\ +{\mathrm{\σ}}_4^2{G}_4{F}_4{F}_4^H{G}_4^H+{\mathrm{\σ}}_{S_2}^2{I}_M)/{\mathrm{\σ}}_d^2+U_2{H}_2{F}_1{H}_1{H}_1^H{F}_2^H{H}_2^H{U}_2^H\end{array}.$

迭代二：假设W₁,W₂,F_r已知，计算中继节点的预编码矩阵F₁,F₂,F₃,F₄，方法如下：

$F_1=\sqrt{\frac{p_{g\_r}}{\mathrm{Tr}\left(B_1{A}_1{y}_{\mathrm{receive}\_1}{y}_{\mathrm{receive}\_1}^H{A}_1^H{B}_1^H\right)}{B}_1{A}_1},$

$F_2=\sqrt{\frac{p_{g\_r}}{\mathrm{Tr}\left(B_2{A}_2{y}_{\mathrm{receive}\_2}{y}_{\mathrm{receive}\_2}^H{A}_2^H{B}_2^H\right)}{B}_2{A}_2},$

$F_3=\sqrt{\frac{p_{g\_r}}{\mathrm{Tr}\left(B_3{A}_3{y}_{\mathrm{receive}\_3}{y}_{\mathrm{receive}\_3}^H{A}_3^H{B}_3^H\right)}{B}_3{A}_3},$

$F_4=\sqrt{\frac{p_{g\_r}}{\mathrm{Tr}\left(B_4{A}_4{y}_{\mathrm{receive}\_4}{y}_{\mathrm{receive}\_4}^H{A}_4^H{B}_4^H\right)}{B}_4{A}_4}.$

其中的参数定义如下：

$A_1=H_1^H{(\frac{{\mathrm{\σ}}_1^2}{{\mathrm{\σ}}_d^2}{I}_{N_1}+H_1{H}_1^H)}^{-1},B_1={(\frac{N_1{\mathrm{\σ}}_r^2}{p_{g\_r}}{I}_{N_1}+H_2^H{H}_2)}^{-1}{H}_2^H,$

$A_2=G_1^H{(\frac{{\mathrm{\σ}}_2^2}{{\mathrm{\σ}}_d^2}{I}_{N_2}+G_1{G}_1^H)}^{-1},B_2={(\frac{N_2{\mathrm{\σ}}_r^2}{p_{g\_r}}{I}_{N_2}+G_2^H{G}_2)}^{-1}{G}_2^H,$

$\begin{array}{c}{A}_3=G_1^H{F}_2^H{G}_2^H{F}_r^H{H}_3^H[({\mathrm{\σ}}_1^2{H}_3{F}_r{H}_2{F}_1{F}_1^H{H}_2^H{F}_r^H{H}_3^H+{\mathrm{\σ}}_2^2{H}_3{F}_r{G}_2{F}_2{F}_2^H{G}_2^H{F}_r^H{H}_3^H\\ {+{\mathrm{\σ}}_r^2{H}_3{F}_r{F}_r^H{H}_3^H+{\mathrm{\σ}}_3^2{I}_{N_1})/{\mathrm{\σ}}_d^2+H_3{F}_r{G}_2{F}_2{G}_1{G}_1^H{F}_2^H{G}_2^H{F}_r^H{H}_3^H)}^{-1}\end{array},$

$\begin{array}{c}{A}_4=G_1^H{F}_1^H{H}_2^H{F}_r^H{G}_3^H[({\mathrm{\σ}}_1^2{G}_3{F}_r{H}_2{F}_1{F}_1^H{H}_2^H{F}_r^H{G}_3^H+{\mathrm{\σ}}_2^2{G}_3{F}_r{G}_2{F}_2{F}_2^H{G}_2^H{F}_r^H{G}_3^H\\ {+{\mathrm{\σ}}_r^2{G}_3{F}_r{F}_r^H{G}_3^H+{\mathrm{\σ}}_4^2{I}_{N_2})/{\mathrm{\σ}}_d^2+G_3{F}_r{H}_2{F}_1{H}_1{H}_1^H{F}_1^H{H}_2^H{F}_r^H{G}_3^H)}^{-1}\end{array},$

$B_3={(\frac{N_1{\mathrm{\σ}}_{S_1}^2}{p_{g\_r}}{I}_{N_1}+H_4^H{H}_4)}^{-1}{H}_4^H,B_4={(\frac{N_2{\mathrm{\σ}}_{S_2}^2}{p_{g\_r}}{I}_{N_2}+G_4^H{G}_4)}^{-1}{G}_4^H.$

$y_{\mathrm{receiv}\_1}{y}_{\mathrm{receive}\_1}^H={\mathrm{\σ}}_d^2{H}_1{H}_1^H,y_{\mathrm{receive}\_2}{y}_{\mathrm{receive}\_2}^H={\mathrm{\σ}}_d^2{G}_1{G}_1^H,$

$\begin{array}{c}{y}_{\mathrm{receive}\_3}{y}_{\mathrm{receive}\_3}^H=H_3{F}_r({\mathrm{\σ}}_d^2{H}_2{F}_1{H}_1{H}_1^H{F}_1^H{H}_2^H+{\mathrm{\σ}}_d^2{G}_2{F}_2{G}_1{G}_1^H{F}_2^H{G}_2^H\\ +{\mathrm{\σ}}_1^2{H}_2{F}_1{F}_1^H{H}_2^H+{\mathrm{\σ}}_2^2{G}_2{F}_2{F}_2^H{G}_2^H+{\mathrm{\σ}}_r^2{I}_{N_r})F_r^H{H}_3^H\end{array},$

$\begin{array}{c}{y}_{\mathrm{receive}\_4}{y}_{\mathrm{receive}\_4}^H=G_3{F}_r({\mathrm{\σ}}_d^2{H}_2{F}_1{H}_1{H}_1^H{F}_1^H{H}_2^H+{\mathrm{\σ}}_d^2{G}_2{F}_2{G}_1{G}_1^H{F}_2^H{G}_2^H\\ +{\mathrm{\σ}}_1^2{H}_2{F}_1{F}_1^H{H}_2^H+{\mathrm{\σ}}_2^2{G}_2{F}_2{F}_2^H{G}_2^H+{\mathrm{\σ}}_r^2{I}_{N_r})F_r^H{G}_3^H\end{array}.$

迭代三：假设F₁,F₂,F₃,F₄,W₁,W₂已知，计算双向中继节点的预编码矩阵F_r，方法如下：

预编码矩阵F_r的得出是基于MMSE准则通过以下迭代步骤求解得到的。

$F_r=\mathrm{mat}\left\{\right[R_{r1}\⊗R_{y1}+R_{r2}\⊗R_{y2}+{\mathrm{\λR}}_x\⊗I_{N_r}{]}^{-1}\mathrm{vec}\left(R_r\right)\}$

其中的参数定义如下：

$R_{r1}={\mathrm{\σ}}_d^2{G}_2{F}_2{G}_1{G}_1^H{F}_2^H{G}_2^H+{\mathrm{\σ}}_1^2{H}_2{F}_1{F}_1^H{H}_2^H+{\mathrm{\σ}}_2^2{G}_2{F}_2{F}_2^H{G}_2^H+{\mathrm{\σ}}_r^2{I}_{N_r},$

$R_{r2}={\mathrm{\σ}}_d^2{H}_2{F}_1{H}_1{H}_1^H{F}_1^H{H}_2^H+{\mathrm{\σ}}_1^2{H}_2{F}_1{F}_1^H{H}_2^H+{\mathrm{\σ}}_2^2{G}_2{F}_2{F}_2^H{G}_2^H+{\mathrm{\σ}}_r^2{I}_{N_r},$

$R_{y1}=H_3^H{F}_3^H{H}_4^H{W}_1^H{W}_1{H}_4{F}_3{H}_3,R_{y2}=G_3^H{F}_4^H{G}_4^H{W}_2^H{W}_2{G}_4{F}_4{G}_3,$

$R_x={\mathrm{\σ}}_d^2{H}_2{F}_1{H}_1{H}_1^H{F}_1^H{H}_2^H+{\mathrm{\σ}}_d^2{G}_2{F}_2{G}_1{G}_1^H{F}_2^H{G}_2^H+{\mathrm{\σ}}_1^2{H}_2{F}_1{F}_1^H{H}_2^H+{\mathrm{\σ}}_2^2{G}_2{F}_2{F}_2^H{G}_2^H+{\mathrm{\σ}}_r^2{I}_{N_r}$

$R_r={\mathrm{\σ}}_d^2{H}_3^H{F}_3^H{H}_4^H{W}_1^H{G}_1^H{F}_2^H{G}_2^H+{\mathrm{\σ}}_d^2{G}_3^H{F}_4^H{G}_4^H{W}_2^H{H}_1^H{F}_1^H{H}_2^H,$

为Kronecker运算，vec(·)为矩阵化向量运算，mat(·)为vec(·)的逆运算，参数λ的取值范围为

运用二分法对λ在其取值范围进行搜索，直到中继发射功率等于p_{c_r}，即由此，即可得到最优的λ和中继预编码矩阵F_r。

通过上述三个迭代步骤，最终得出使得总MSE收敛的预编码矩阵。

第六步，中央处理器将计算得到的矩阵F₁,F₂,F₃,F₄,F_r,W₁,W₂传输给各个中继节点，第一普通中继节点将W₁反馈给第一源端收发机，第二普通中继节点将W₂反馈给第二源端收发机。同时将信道信息H₁反馈给第一源端收发机，将信道信息G₁反馈给第二源端收发机。

第七步，源端发射机将经过QPSK调制后的信号直接发送给普通中继节点。s₁＝[s₁₁,s₁₂]^T,s₂＝[s₂₁,s₂₂]^T分别是第一源端收发机、第二源端收发机经过调制后的信号。

第八步，第一普通中继节点对接收到的信号x₁进行线性处理，得到信号y₁，并将y₁发送给双向中继节点；第二普通中继节点对接收到的信号x₂进行线性处理，得到信号y₂，并将y₂发送给双向中继节点。

所述的线性处理是：

y₁＝F₁x₁,y₂＝F₂x₂

第九步，双向中继节点对接收到的信号x_r进行线性处理，得到信号y_r，并将y_r广播给普通中继1,2。

所述的线性处理是：

y_r＝F_rx_r

第十步，第一普通中继节点对接收到的信号x₃进行线性处理，得到信号y₃，并将y₃发送给第一源端收发机；第二普通中继节点对接收到的信号x₄进行线性处理，得到信号y₄，并将y₄发送给第二源端收发机。

所述的线性处理是：

y₃＝F₃x₃,y₄＝F₄x₄

第十一步，第一源端收发机对接收到的信号r₁进行自干扰消除以及检测处理，得到估计信号第二源端收发机对接收到的信号r₂进行自干扰消除以及检测处理，得到估计信号

所述检测处理为

${\tilde{s}}_1=W_1(r_1-H_4{F}_3{H}_3{F}_r{H}_2{F}_1{H}_1{s}_1)$

${\tilde{s}}_2=W_2(r_2-G_4{4}_3{G}_3{F}_r{G}_2{F}_2{G}_1{s}_2)$

图1是本实施例的误码率性能比较示意图，其中第一源端收发机和第二源端收发机的天线数为M＝2，第一普通中继节点、第二普通中继节点、双向中继节点的天线数为N₁＝N₂＝N_r＝2，信道信噪比SNR₁＝SNR₂＝SNR₃＝SNR₄。信道参数H₁,H₂,G₁,G₂以及H₃,H₄,G₃,G₄中的每一个元素为零均值方差为1的复高斯随机变量，仿真程序一共随机生成了1000次信道实现，每次信道实现中均传输40000个QPSK符号。

仿真程序把本实施例与一些处理方法做比较：

1.只做接收端均衡处理；

2.只做双向中继节点和接收机的联合处理；

从图1中可以看出，在低信噪比情况下，本实施例的比特误码率性能和处理方法1、2的信号处理方式相差不大。在高信噪比情况下，本实施例有效地改善了系统的比特无码率性能，随着信噪比的增大，这种性能优势更加明显。

Claims (9)

1.一种双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，第一源端收发机K₁和第二源端收发机K₂向对应的普通中继节点分别发射训练序列，所述对应的普通中继节点根据收到的信号进行信道估计，得到第一源端收发机以及第二源端收发机到所述对应的普通中继节点的信道，其中，与第一源端收发机对应的普通中继节点为第一普通中继节点R₁，与第二源端收发机对应的普通中继节点为第二普通中继节点R₂；

第二步，第一普通中继节点和第二普通中继节点同时向双向中继节点发射训练序列，双向中继节点根据接收到的信号进行信道估计，得到第一普通中继节点和双向中继节点间的信道、以及第二普通中继节点和双向中继节点间的信道；

第三步，双向中继节点同时向第一普通中继节点和第二普通中继节点发射训练序列，第一普通中继节点和第二普通中继节点根据接收到的信号进行信道估计，得到回跳时双向中继节点和第一普通中继节点间的信道、以及双向中继节点和第二普通中继节点间的信道；

第四步，第一普通中继节点和第二普通中继节点同时向对应的源端收发机发射训练序列，所述对应的源端收发机根据接收到的信号进行信道估计，得到回跳时第一普通中继节点和第二普通中继节点和所述对应的源端收发机之间的信道，其中，与第一普通中继节点对应的源端收发机为第一源端收发机，与第二普通中继节点对应的源端收发机为第二源端收发机；

第五步，第一源端收发机和第二源端收发机将估计得到的信道信息反馈给对应的普通中继节点；所有中继节点将所有的信道信息传输给中央处理器；中央处理器根据所有的信道信息迭代计算普通中继预编码矩阵F_k,k＝1,2,3,4，双向中继预编码矩阵F_r以及第一源端收发机和第二源端收发机的接收均衡矩阵W_i,i＝1,2；

第六步，中央处理器将计算得到的普通中继预编码矩阵、双向中继预编码矩阵以及接收均衡矩阵传输给所有中继节点，然后中继节点反馈接收均衡矩阵到相应的源端收发机，同时将源端收发机所对应的信道信息反馈给相应的源端收发机；

第七步，第一源端收发机和第二源端收发机直接将调制后的信号发射至所述对应的普通中继节点；

第八步，第一普通中继节点和第二普通中继节点对接收到的信号进行线性处理，得到普通中继节点的发射信号，并将其发送至双向中继节点；

第九步，双向中继节点对接收到的信号进行线性处理，得到双向中继节点的发射信号，并将其广播至第一普通中继节点和第二普通中继节点；

第十步，第一普通中继节点和第二普通中继节点对接收到的信号进行线性处理，得到回跳时普通中继节点的发射信号，并将其发送至所述对应的源端收发机；

第十一步，第一源端收发机和第二源端收发机对接收到的信号进行检测处理，得到估计的发射信号。

2.根据权利书要求1所述的双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法，其特征是，所述第一步中的信道估计处理方法为第一源端收发机和第二源端收发机向对应的普通中继节点发射训练序列，其中第一源端收发机和第二源端收发机分别发送的发射训练序列为S₁、S₂，第一普通中继节点和第二普通中继节点分别接收到的从对应的源端收发机发射的训练序列序号为第一源端收发机到第一普通中继节点的信道H₁、以及第二源端收发机到第二普通中继节点的信道G₁分别由下两式得到

$H_1=\sqrt{\frac{M}{{\mathrm{\ρ}}_{s_1}}}{X}_{R_1}{S}_1^H{(\frac{M}{{\mathrm{\ρ}}_{s_1}}{I}_M+S_1{S}_1^H)}^{-1}$

$G_1=\sqrt{\frac{M}{{\mathrm{\ρ}}_{s_2}}}{X}_{R_2}{S}_2^H{(\frac{M}{{\mathrm{\ρ}}_{s_2}}{I}_M+S_2{S}_2^H)}^{-1}$

其中M是源端收发机的天线数，是训练序列S_i的信噪比， 是源端收发机K_i发射的训练序列的长度，N_i是普通中继节点R_i的天线数，I_M为大小为M×M的单位矩阵，上标(·)^H表示矩阵的共轭转置，其中i＝1,2。

3.根据权利书要求1所述的双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法，其特征是，所述第二步中的信道估计处理方法为第一普通中继节点和第二普通中继节点分别向双向中继节点R_c发射训练序列，其中普通中继节点R_i发送的发射训练序列为双向中继节点接收到的从普通中继节点R_i发射的训练序列序号为第一普通中继节点到双向中继间的信道H₂、第二普通中继节点到双向中继间的信道G₂分别由下两式得到

$H_2=\sqrt{\frac{N_1}{{\mathrm{\ρ}}_{R_1}}}{X}_{R_c\_1}{S}_{R_1}^H{(\frac{N_1}{{\mathrm{\ρ}}_{R_1}}{I}_{N_1}+S_{R_1}{S}_{R_1}^H)}^{-1}$

$G_2=\sqrt{\frac{N_2}{{\mathrm{\ρ}}_{R_2}}}{X}_{R_c\_2}{S}_{R_2}^H{(\frac{N_2}{{\mathrm{\ρ}}_{R_2}}{I}_{N_2}+S_{R_2}{S}_{R_2}^H)}^{-1}$

其中是训练序列的信噪比， $S_{R_i}\∈C^{N_i\×T_{R_i}},X_{R_c\_i}\∈C^{N_r\×T_{R_i}},$ 是普通中继节点R_i发射的训练序列的长度，N_i是普通中继节点R_i的天线数，N_r是双向中继节点R_c的天线数，上标(·)^H表示矩阵的共轭转置，其中i＝1,2。

4.根据权利书要求1所述的双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法，其特征是，所述第三步中的信道估计处理方法为双向中继节点分别向第一普通中继节点和第二普通中继节点发射训练序列，其中双向中继节点R_c向普通中继节点Ri发送的发射训练序列为普通中继节点R_i接收到的从双向中继节点R_c发射的训练序列序号为双向中继节点到第一普通中继节点间的信道H₃、双向中继节点到第二普通中继节点间的信道G₃分别由下两式得到

$H_3=\sqrt{\frac{N_r}{{\mathrm{\ρ}}_{R_c\_1}}}{(\frac{N_r}{{\mathrm{\ρ}}_{R_c\_1}}{I}_{N_r}+S_{R_c\_1}{S}_{R_c\_1}^H)}^{-1}{S}_{R_c\_1}{\stackrel{\‾}{X}}_{R_1}^H$

$G_3=\sqrt{\frac{N_r}{{\mathrm{\ρ}}_{R_c\_2}}}{(\frac{N_r}{{\mathrm{\ρ}}_{R_c\_2}}{I}_{N_r}+S_{R_c\_2}{S}_{R_c\_2}^H)}^{-1}{S}_{R_c\_2}{\stackrel{\‾}{X}}_{R_2}^H$

其中是训练序列的信噪比， $S_{R_c\_i}\∈C^{N_r\×T_{R_c}},{\stackrel{\‾}{X}}_{R_i}\∈C^{N_i\×T_{R_c}},$ 是双向中继节点R_c发射的训练序列的长度，N_i是普通中继节点R_i的天线数，N_r是双向中继节点R_c的天线数，上标(·)^H表示矩阵的共轭转置，其中i＝1,2。

5.根据权利书要求1所述的双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法，其特征是，所述第四步中的信道估计处理方法为第一普通中继节点和第二普通中继节点向对应的源端收发机分别发射训练序列，其中普通中继节点R_i向源端收发机K_i发送的发射训练序列为源端收发机K_i接收到的从普通中继节点R_i发射的训练序列序号为XS_i，第一普通中继节点到第一源端收发机间的信道H₄、第二普通中继节点到第二源端收发机间的信道G₄分别由下两式得到

$H_4=\sqrt{\frac{N_1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_{R_1}}}{(\frac{N_1}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_{R_1}}{I}_{N_1}+{\stackrel{\‾}{S}}_{R_1}{\stackrel{\‾}{S}}_{R_1}^H)}^{-1}{\stackrel{\‾}{S}}_{R_1}{X}_{S_1}^H$

$G_4=\sqrt{\frac{N_2}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_{R_2}}}{(\frac{N_2}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_{R_2}}{I}_{N_2}+{\stackrel{\‾}{S}}_{R_2}{\stackrel{\‾}{S}}_{R_2}^H)}^{-1}{\stackrel{\‾}{S}}_{R_2}{X}_{S_2}^H$

其中是训练序列的信噪比， ${\stackrel{\‾}{S}}_{R_i}\∈C^{N_i\×{\stackrel{\‾}{T}}_{R_i}},X_{S_i}\∈C^{M\×{\stackrel{\‾}{T}}_{R_i}},$ 是回跳时普通中继R_i发射的训练序列的长度，N_i是普通中继节点R_i的天线数，N_r是双向中继节点R_c的天线数，上标(·)^H表示矩阵的共轭转置，其中i＝1,2。

6.根据权利书要求1所述的双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法，其特征是，所述第五步中中央处理器通过迭代方法求出所有普通中继预编码矩阵F_k,k＝1,2,3,4，双向中继预编码矩阵F_r以及第一源端收发机和第二源端收发机的接收均衡矩阵W_i,i＝1,2，所述迭代方法的实现方法是：

迭代一：假设所有普通中继预编码矩阵F_k,k＝1,2,3,4以及双向中继预编码矩阵F_r已知，计算第一源端收发机和第二源端收发机的接收均衡矩阵W_i,i＝1,2；其计算方法如下：

$W_1=G_1^H{F}_2^H{G}_2^H{U}_1^H{R}_{W_1}^{-1}$

$W_2=H_1^H{F}_1^H{H}_2^H{U}_2^H{R}_{W_2}^{-1}$

其中，

U₁＝H₄F₃H₃F_r，U₂＝G₄F₄G₃F_r，

$\begin{array}{c}{R}_{W_1}=({\mathrm{\σ}}_1^2{U}_1{H}_2{F}_1{F}_1^H{H}_2^H{U}_1^H+{\mathrm{\σ}}_2^2{U}_1{G}_2{F}_2{F}_2^H{G}_2^H{U}_1^H+{\mathrm{\σ}}_r^2{U}_1{U}_1^H\\ +{\mathrm{\σ}}_3^2{H}_4{F}_3{F}_3^H{H}_4^H+{\mathrm{\σ}}_{S_1}^2{I}_M)/{\mathrm{\σ}}_d^2+U_1{G}_2{F}_2{G}_1{G}_1^H{F}_2^H{G}_2^H{U}_1^G\end{array},$

$\begin{array}{c}{R}_{W_2}=({\mathrm{\σ}}_1^2{U}_2{H}_2{F}_1{F}_1^H{H}_2^H{U}_2^H+{\mathrm{\σ}}_2^2{U}_2{G}_2{F}_2{F}_2^H{G}_2^H{U}_2^H+{\mathrm{\σ}}_r^2{U}_2{U}_2^H\\ +{\mathrm{\σ}}_4^2{G}_4{F}_4{F}_4^H{G}_4^H+{\mathrm{\σ}}_{S_2}^2{I}_M)/{\mathrm{\σ}}_d^2+U_2{H}_2{F}_1{H}_1{H}_1^H{F}_2^H{H}_2^H{U}_2^H\end{array};$

是发射信号的平均功率，是第一普通中继节点的噪声功率，是第二普通中继节点的噪声功率，是回跳时第一普通中继节点的噪声功率，是回跳时第二普通中继节点的噪声功率，是双向中继节点的噪声功率，是第一源端收发机的噪声功率，是第二源端收发机的噪声功率；

迭代二：假设双向中继预编码矩阵F_r以及接收均衡矩阵W_i,i＝1,2已知，计算所有普通中继预编码矩阵F_k,k＝1,2,3,4，其中F₁,F₂为对应R₁,R₂上的预编码，而F₃,F₄分别对应信号回跳时R₁,R₂上的预编码；

设计普通中继预编码矩阵使用了分布式的多入多出中继算法；A_k表示输入预编码，对后向信道进行均衡；B_k表示输出预编码，对前向信道进行预均衡；总的普通中继预编码矩阵为

F_k＝P_kB_kA_k

其中，P_k为功率限制因子，为了使得普通中继节点的发送功率满足功率限制要求，即将发送信号功率归一化后乘上普通中继节点的最大发射功率；具体可以表示为：

$P_k=\sqrt{\frac{p_{g\_r}}{\mathrm{Tr}\left(B_k{A}_k{y}_{\mathrm{receive}\_k}{y}_{\mathrm{receive}\_k}^H{A}_k^H{B}_k^H\right)}}$

其中p_{g_r}为普通中继节点的最大发射功率，y_{receive_k}表示该普通中继节点接收到的信号，Tr(·)表示矩阵的迹；

使用最小均方误差MMSE预编码设计A_k、B_k；具体设计分为两步：

第一步为前两个时隙，即信号从源端收发机传输至双向中继节点；普通中继预编码只与前后向信道有关，且有相同固定的形式，R₁处的预编码：

$A_1=H_1^H{(\frac{{\mathrm{\σ}}_1^2}{{\mathrm{\σ}}_d^2}{I}_{N_1}+H_1{H}_1^H)}^{-1},B_1={(\frac{N_1{\mathrm{\σ}}_r^2}{p_{g\_r}}{I}_{N_1}+H_2^H{H}_2)}^{-1}{H}_2^H;$

第二步为后两个时隙，即信号从双向中继节点传输至源端收发机；普通中继预编码除了与信道有关，还与双向中继预编码矩阵F_r有关，需要进行迭代，但仍有相同的形式，信号回跳时R₁处的预编码：

$\begin{array}{c}{A}_3=G_1^H{F}_2^H{G}_2^H{F}_r^H{H}_3^H[({\mathrm{\σ}}_1^2{H}_3{F}_r{H}_2{F}_1{F}_1^H{H}_2^H{F}_r^H{H}_3^H+{\mathrm{\σ}}_2^2{H}_3{F}_r{G}_2{F}_2{F}_2^H{G}_2^H{F}_r^H{H}_3^H\\ {+{\mathrm{\σ}}_r^2{H}_3{F}_r{F}_r^H{H}_3^H+{\mathrm{\σ}}_3^2{I}_{N_1})/{\mathrm{\σ}}_d^2+H_3{F}_r{G}_2{F}_2{G}_1{G}_1^H{F}_2^H{G}_2^H{F}_r^H{H}_3^H)}^{-1}\end{array},$

$B_3={(\frac{N_1{\mathrm{\σ}}_{S_1}^2}{p_{g\_r}}{I}_{N_1}+H_4^H{H}_4)}^{-1}{H}_4^H$

迭代三的实现通过迭代算法进行，其迭代实现方法为：

假设所有普通中继预编码矩阵F_k,k＝1,2,3,4以及接收均衡矩阵W_i,i＝1,2已知，双向中继预编码矩阵F_r是基于MMSE准则计算得到的，由本迭代步骤得出：

$F_r=\mathrm{mat}\left\{\right[R_{r1}\⊗R_{y1}+R_{r2}\⊗R_{y2}+{\mathrm{\λR}}_x\⊗I_{N_r}{]}^{-1}\mathrm{vec}\left(R_r\right)\}$

其中

$R_{r1}={\mathrm{\σ}}_d^2{G}_2{F}_2{G}_1{G}_1^H{F}_2^H{G}_2^H+{\mathrm{\σ}}_1^2{H}_2{F}_1{F}_1^H{H}_2^H+{\mathrm{\σ}}_2^2{G}_2{F}_2{F}_2^H{G}_2^H+{\mathrm{\σ}}_r^2{I}_{N_r},$

$R_{r2}={\mathrm{\σ}}_d^2{H}_2{F}_1{H}_1{H}_1^H{F}_1^H{H}_2^H+{\mathrm{\σ}}_1^2{H}_2{F}_1{F}_1^H{H}_2^H+{\mathrm{\σ}}_2^2{G}_2{F}_2{F}_2^H{G}_2^H+{\mathrm{\σ}}_r^2{I}_{N_r},$

$R_{y1}=H_3^H{F}_3^H{H}_4^H{W}_1^H{W}_1{H}_4{F}_3{H}_3,R_{y2}=G_3^H{F}_4^H{G}_4^H{W}_2^H{W}_2{G}_4{F}_4{G}_3,$

$R_x={\mathrm{\σ}}_d^2{H}_2{F}_1{H}_1{H}_1^H{F}_1^H{H}_2^H+{\mathrm{\σ}}_d^2{G}_2{F}_2{G}_1{G}_1^H{F}_2^H{G}_2^H+{\mathrm{\σ}}_1^2{H}_2{F}_1{F}_1^H{H}_2^H+{\mathrm{\σ}}_2^2{G}_2{F}_2{F}_2^H{G}_2^H+{\mathrm{\σ}}_r^2{I}_{N_r}$

$R_r={\mathrm{\σ}}_d^2{H}_3^H{F}_3^H{H}_4^H{W}_1^H{G}_1^H{F}_2^H{G}_2^H+{\mathrm{\σ}}_d^2{G}_3^H{F}_4^H{G}_4^H{W}_2^H{H}_1^H{F}_1^H{H}_2^H,$

为Kronecker运算，vec(·)为矩阵化向量运算，mat(·)为vec(·)的逆运算；

其中的参数λ的取值范围为p_{c_r}为双向中继发射功率；

取λ＝0，算出此时的发射功率Tr(F_rR_xF_r ^H)，如果Tr(F_rR_xF_r ^H)＜p_{c_r}，则取λ＝0的F_r为双向中继预编码矩阵；

如果λ＝0时Tr(F_rR_xF_r ^H)＞p_{c_r}，则运用二分法对λ在其取值范围进行搜索，直到中继发射功率等于p_{c_r}，即：

Tr(F_rR_xF_r ^H)＝p_{c_r}

由此，即可得到最优的双向中继预编码矩阵F_r；

所述第五步在初始时任意取一组可行的普通中继预编码矩阵F_k,k＝1,2,3,4以及双向中继预编码矩阵F_r，通过上述三个迭代步骤，最终得出使得总均方误差MSE收敛的所有中继节点的预编码矩阵。

7.根据权利书要求1所述的双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法，其特征是，所述第六步中中央处理器将计算得到的矩阵F_k,F_r,W_i(k＝1,2,3,4,i＝1,2)传输给各个中继节点，普通中继节点R_i将均衡矩阵W_i反馈给源端收发机K_i，同时将信道信息H₁反馈给第一源端收发机K₁，将信道信息G₁反馈给第二源端收发机K₂。

8.根据权利书要求1所述的双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法，其特征是，所述第九步中双向中继节点的线性处理方法是：

y_r＝F_rx_r

其中x_r为双向中继节点R_c接收到的信号向量，y_r为中继节点R_c发送出去的信号向量。

9.根据权利书要求1所述的双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法，其特征是，所述第十一步中源端接收机K_i的检测处理方法是：

${\tilde{s}}_i=W_i{y}_{\mathrm{si}}$

其中为源端接收机K_i检测到的信号，y_si表示源端接收机K_i经过自干扰消除后接收到的信号。