CN102790658B - 一种双向中继系统中源端和中继端的联合信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供双向中继系统中源端和中继端的联合信号处理方法，包括：源端向中继发射训练序列，中继进行后向信道估计处理，得到源端与中继间的估计信道；中继端根据后向信道信息迭代计算源端和中继端的功率分配，以及中继端预编码；中继端将前向信道信息、功率分配方案以及预编码方案反馈给源端；源端对发射信号进行调制处理后同时发射给中继；中继对接收到的信号进行线性预处理后广播给源端；源端对接收到的信号进行干扰去除和检测处理，得到相互之间需要传输的信息。本发明采用双向中继的信息传输模式，考虑不受信任的中继端，设计源端和中继端的联合功率分配，并且在中继端使用预编码处理方案，提高了系统安全速率。

Description

一种双向中继系统中源端和中继端的联合信号处理方法

技术领域

本发明涉及的是一种无线通信领域的方法，具体是一种双向中继系统中基于安全速率的源端和中继端的联合信号处理方法。

背景技术

为了扩大网络的覆盖范围，提高系统容量和抵抗障碍物影响，当今移动通信系统中主要采用中继技术，并且成为了3GPP（3rd Generation Partnership Project,第三代移动通信合作伙伴项目）LTE—A（Long Term Evolation-Advanced,长期演进—高级）标准中的关键技术之一。目前中继方式主要有DF（Decode-and-Forward,解码转发）、AF（Amplify-and-Forward,放大转发）和CF(Compress-and-Forward,压缩转发)等。其中采用AF方式时，中继端不需要进行解码等操作，而只进行一定的预编码操作即可将信号发射，因此实现复杂度相对较低，得到了广泛的应用。

在传统的中继系统中，两源端需要通过中继信息互传，需要4个时隙。而双向中继系统则只需要2个时隙，因此，采用双向中继系统可以提高一倍的系统容量。在双向中继系统中，有时会存在一些窃听者，他们通过接收用系统泄漏的信号获得源端数据，在这种情况下，源端的速率与窃听者的窃听速率差值被定义为安全速率。通过设计系统的信号处理方法，提高系统的安全速率，已被广泛研究。其中的一种情况为窃听者没有无线接收装置，只可以从某些不受信任的中继处获得中继接收的信号，通过将这些信号获得源端数据。

此外，为了充分发挥多中继的分集、空间复用等优点，需要进一步地设计源端和中继端的信号处理方法。

经对现有文献检索发现,Wang,H.-M.;Yin,Q.;Xia,X.-G.“DistributedBeamforming for Physical-Layer Security of Two-Way Relay Networks”,In IEEESignal Processing,vol.60,no,7,pp.3532-3545,2012(“双向中继系统中基于物理层安全性的分布式波束成形设计”，IEEE信号处理，第7期，第60卷，2012)，该文章的窃听者可接收无线信号，但无法从中继获得数据。并且该文作者只给出了两种简化的优化设计方案，这两种方案都无法解决窃听者可以获得中继接收的信号的情况下的安全速率优化问题。

又经检索发现,Jing Huang;Swindlehurst,A.L.,“Robust Secure Transmission inMISO Channels Based on Worst-Case Optimization”,In IEEE Signal Processing,vol.60,no.4,pp.1696-1707,2012(“基于最差情况的MISO信道安全传输最优化的鲁棒性设计”,IEEE信号处理，第4期，第60卷，2012)，该文章考虑MISO信道的安全速率问题，窃听者可以接收无线信号，并且引入帮助者干扰窃听者。通过预编码和功率分配的设计，实现最大化安全速率。该方案无法解决双向中继系统中窃听者可以获得中继接收信号的情况下的安全速率优化问题。

经检索还发现,Cheol Jeong;Il-Min Kim;Dong In Kim;,"Joint SecureBeamforming Design at the Source and the Relay for an Amplify-and-ForwardMIMO Untrusted Relay System,"IEEE Signal Processing,vol.60,no.1,pp.310-325,2012(“AF MIMO非受信中继系统中源端和中继端的联合安全波束成形设计”，IEEE信号处理，第1期，第60卷，2012)，该文章认为有直传链路的单向中继系统中中继为不受信任的，通过联合设计源端和中继端的预编码方案，达到最大化系统安全速率的目的。该方案仅适用于有直传链路的单向中继，无法解决无直传链路的双向中继系统中的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，针对窃听者没有无线接收装置，只可以从某些不受信任的中继处获得中继接收的信号的情况，提供一种双向中继系统中的源端和中继端信号处理方法。系统为多中继的双向中继系统，源端和中继均为单天线。本发明以最大化系统安全速率为目标，联合设计了源端和中继端的信息处理方法，该方法可以充分利用多中继双向中继系统的优点，能有效改善系统的比特误码率性能。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步，第一源端向中继发射训练序列中继根据接收到的信号进行后向信道估计，得到第一源端和中继间的后向信道f，同时第二源端向中继发射训练序列中继根据接收到的信号进行后向信道估计，得到第二源端和中继间的后向信道g；

第二步，中继根据所有的信道信息迭代计算第一源端的发射功率P₁、第二源端的发射功率P₂、所有中继的预编码矢量w；

第三步，采用时分双工方式，前向信道为后向信道的转置，中继将前向信道信息f^T第一源端的功率P₁以及中继预编码矢量w反馈给第一源端，中继再将前向信道信息g^T，第二源端的功率P₂以及中继预编码矢量w反馈给第二源端；

第四步，第一源端预发射信号s₁进行调制处理，得到发射信号x₁，并将x₁发射给中继，同时第二源端对预发射信号s₂进行调制处理，得到发射信号x₂，并将x₂发射给中继；

第五步，中继对接收到的信号y_r进行线性处理，得到信号并将广播给第一源端和第二源端；

第六步，第一源端接收到信号y₁，将y₁中第一源端的干扰去除得到并对其进行检测处理，得到信号并解调得到同时，第二源端接收到信号y₂，将y₂中第二源端的干扰去除得到并对其进行检测处理，得到信号并解调得到

所述第一步中的后向信道估计处理方法是：

$f\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\τ}1}}}{x}_1{s}_1^{*}{(\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\τ}1}}+s_1{s}_1^{*})}^{-1}$

$g=\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\τ}2}}}{x}_2{s}_2^{*}{(\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\τ}2}}+s_2{s}_2^{*})}^{-1}$

其中：ρ_τ1是训练序列s₁的信噪比，ρ_τ2是训练序列s₂的信噪比，s₁,s₂∈C^1×1，x₁∈C^N×1和x₂∈C^N×1是中继接收到的信号，N是中继的天线数。

所述第二步中的迭代计算具体是：

引入变量P₃，给定P₁，P₂，P₃和w的初始值。满足源端中继端总功率限制：

$P_1+P_2+P_3(P_1{w}^H{\mathrm{ff}}^{H}w+P_2{w}^H{\mathrm{gg}}^{H}w+{\mathrm{\σ}}_r^2{w}^{H}w)=P$

其中P为系统总功率，为中继端接收噪声功率。其中表示共轭转置

迭代一：根据已知的P₁，P₂，P₃计算w。

采用外点法求解预编码矢量w，具体步骤如下：

计算下一步方向

$d=\frac{({\hat{W}}_A{W}_B+{\hat{W}}_B{W}_A)W_C{W}_D-({\hat{W}}_D{W}_C+{\hat{W}}_C{W}_D)W_A{W}_B}{{\left(W_C{W}_D\right)}^2}-2\mathrm{\σ}{\hat{W}}_L(W_L-{\mathrm{\σ}}_r^2-P+P_1+P_2)$

其中 ${\hat{W}}_K=2\mathrm{real}\left(\left[\begin{array}{cc}K& -\mathrm{imag}\left(K\right)\\ \mathrm{imag}\left(K\right)& K\end{array}\right]\right)\stackrel{\‾}{w},$ $W_K={\stackrel{\‾}{w}}^{H}K\stackrel{\‾}{w}+{\mathrm{\σ}}_k^2,$ $\stackrel{\‾}{w}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{real}\left(w\right)\\ \mathrm{imag}\left(w\right)\end{array}\right],$ K∈{A,B,C,D,L}， $A=P_3{\mathrm{\σ}}_r^2{\mathrm{ff}}^H+P_2{P}_{3}F{\mathrm{gg}}^H{F}^H,$ $B=P_3{\mathrm{\σ}}_r^{2}g{g}^H+P_1{P}_{3}F{\mathrm{gg}}^H{F}^H,$ $C=P_3{\mathrm{\σ}}_r^2{\mathrm{ff}}^H,$ $D=P_3{\mathrm{\σ}}_r^2{\mathrm{gg}}^H,$ L=P₁ff^H+P₂gg^H+I_N，F=diag(f)，为k端噪声功率，当K∈{A,C}时k为第一源端，当K∈{B,D}时k为第二源端，当K=L时k为中继端，σ为任意确定的较大正数，I_N表示N×N的单位阵，表示取实部，表示取虚部，表示对角化运算。

取步长则w的实部为的前N项，虚部为的后N项。反复进行迭代，每次迭代按下式计算对应的安全速率的惩函数

$R_{\mathrm{sum}}=-\frac{W_A{W}_B}{W_C{W}_D}+\mathrm{\σ}{(W_L-{\mathrm{\σ}}_r^2-P+P_1+P_2)}^2$

直到两步的惩函数R_sum的差值小于某个较小的固定正值ε，此时的w为所需的预编码矢量。

迭代二：根据已知的w计算P₁，P₂，P₃

这里考虑最差情况，即窃听者可以从所有不信任的中继端获得信号并且进行最大比合并，定义函数

$f(P_1,P_2,P_3)=\frac{({\mathrm{\σ}}_1^2+P_3{a}_2+P_2{P}_3{a}_1)({\mathrm{\σ}}_2^2+P_3{a}_3+P_1{P}_3{a}_1)}{({\mathrm{\σ}}_r^2+P_1{a}_4+P_2{a}_5)({\mathrm{\σ}}_1^2+P_3{a}_2)({\mathrm{\σ}}_2^2+P_3{a}_3)}$

其中a₁=w^HFgg^HF^Hw， $a_2={\mathrm{\σ}}_r^2{w}^H{\mathrm{ff}}^{H}w,$ $a_2={\mathrm{\σ}}_r^2{w}^H{\mathrm{gg}}^{H}w,$ $a_4=f_n^H{f}_n,$ n为不受信任的中继数目，f_n为第一源端到不受信任的中继的信道，g_n为第二源端到不受信任的中继的信道。

将带入f(P₁,P₂,P₃)，得到不含P₁的表达式由于实际情况下P₁，P₂，P₃必须大于0，因此，P₂，P₃可以由下面方程组解得

$\frac{\∂\hat{f}(P_2,P_3)}{\∂P_2}=0$

$\frac{\∂\hat{f}(P_2,P_3)}{\∂P_3}=0$

由于上述方程组为有限次数的代数方程，因此解的个数是有限组，可以将满足P₁，P₂，P₃大于0的实数解带入f(P₁,P₂,P₃)，比较每组对应的f(P₁,P₂,P₃)，取最大的f(P₁,P₂,P₃)对应的P₁，P₂，P₃为最优的P₁，P₂，P₃值。

所述第四步中的预处理和发送方法是：

第一源端产生需要发送的信号s₁，对其进行调制（如QPSK调制，但不限于QPSK调制），得到发射信号x₁，x₁满足其中表示求期望，表示x₁的共轭。第二源端产生需要发送的信号s₂，对其进行调制（如QPSK调制，但不限于QPSK调制），得到发射信号x₂，x₂满足

随后，第一源端和第二源端同时发射x₁和x₂。

具体地，第一源端发射信号为：

第二源端发射信号为：

所述第五步中的接收、线性处理以及发送方法是：

中继端收到的信号y_r可以表示为：

$y_r=\sqrt{P_1}f{x}_1+\sqrt{P_2}g{x}_2+n_r$

其中n_r为中继端接收噪声，满足N为中继总数。对y_r进行线性处理，得到发射信号其中线性处理方法如下式

${\tilde{y}}_r=\sqrt{P_3}{\mathrm{Wy}}_r$

其中W=diag(w)。随后，中继端广播信号

所述第六步中的接收、干扰去除以及检测方法是：

第一源端收到的信号为：

第二源端收到的信号为：

其中n₁和n₂分别为第一源端和第二源端的噪声，满足 随后第一源端对接收到的信号y₁按下式进行干扰去除，得到

${\hat{y}}_1=y_1-\sqrt{P_1}{f}^T\mathrm{Wf}{x}_1$

第二源端对接收到的信号y₂按下式进行干扰去除，得到

${\hat{y}}_2=y_2-\sqrt{P_2}{g}^T\mathrm{Wg}{x}_2$

随后，第一源端对进行检测处理

${\tilde{x}}_2=\arg \underset{\hat{x}\∈C}{\min }|\hat{x}-{\hat{y}}_1{\left(\sqrt{P_2}{f}^T\mathrm{Wg}\right)}^{-1}|$

第二源端对进行检测处理

${\tilde{x}}_1=\arg \underset{\hat{x}\∈C}{\min }|\hat{x}-{\hat{y}}_2{\left(\sqrt{P_1}{g}^T\mathrm{Wf}\right)}^{-1}|$

其中表示求中使最小的C为该系统调制方式下的所有星座点组成的集合。最后，第一源端对解调，得到第二源端对解调，得到

与现有技术相比，本发明的有益效果是采用了双向中继的信息传输模式，能极大地提高信道容量，同时在源端和中继端之间进行了功率分配，提高了能量利用率，并且在中继端采用了线性的信号处理方法，有效地改善了系统的安全速率性能。

附图说明

图1是本发明一实施例的系统模型图。

图2是本发明一实施例的安全速率性能比较示意图。

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。

图1是本发明的系统模型图，本实施例中中继数为N=6，其中不受信任的中继数为n=2。待互相传输的符号为{0,1,2,3}中随机生成的信号，调制方式为QPSK调制，后向和前向信道均为瑞丽（Rayleigh）平坦衰落，中继和两接收端的接收噪声均为零均值单位方差的复高斯白噪声，系统信噪比为其中k∈{1,2,r}。第一源端的发射功率为P₁，第二源端的发射功率为P₂，中继的发射功率为P_r=P₃(P₁w^Hff^Hw+P₂w^Hgg^Hw+w^Hw)。

本实施例包括以下步骤：

第一步，第一源端向中继发射训练序列中继根据接收到的信号进行后向信道估计，得到第一源端和中继间的后向信道f，同时第二源端向中继发射训练序列中继根据接收到的信号进行后向信道估计，得到第二源端和中继间的后向信道g。

其中后向信道估计处理方法是：

$f\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\τ}1}}}{x}_1{s}_1^{*}{(\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\τ}1}}+s_1{s}_1^{*})}^{-1}$

$g=\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\τ}2}}}{x}_2{s}_2^{*}{(\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\τ}2}}+s_2{s}_2^{*})}^{-1}$

其中：ρ_τ1是训练序列s₁的信噪比，ρ_τ2是训练序列s₂的信噪比，s₁,s₂∈C^1×1，x₁∈C^N×1和x₂∈C^N×1是中继接收到的信号，N是中继的天线数。

本实施例中中继天线数N=6，训练序列的信噪比为ρ_τ1=ρ_τ2=199。

第二步，中继根据所有的信道信息迭代计算第一源端的发射功率P₁,第二源端的发射功率P₂，所有中继的预编码矢量w。

其中的迭代算法方法是：

引入变量P₃，给定P₁，P₂，P₃和w的初始值。满足源端中继端总功率限制：

$P_1+P_2+P_3(P_1{w}^H{\mathrm{ff}}^{H}w+P_2{w}^H{\mathrm{gg}}^{H}w+{\mathrm{\σ}}_r^2{w}^{H}w)=P$

其中P为系统总功率，为中继端接收噪声功率。其中表示共轭转置

迭代一：根据已知的P₁，P₂，P₃计算w：

采用外点法求解预编码矢量w，具体步骤如下：

计算下一步方向

$d=\frac{({\hat{W}}_A{W}_B+{\hat{W}}_B{W}_A)W_C{W}_D-({\hat{W}}_D{W}_C+{\hat{W}}_C{W}_D)W_A{W}_B}{{\left(W_C{W}_D\right)}^2}-2\mathrm{\σ}{\hat{W}}_L(W_L-{\mathrm{\σ}}_r^2-P+P_1+P_2)$

其中 ${\hat{W}}_K=2\mathrm{real}\left(\left[\begin{array}{cc}K& -\mathrm{imag}\left(K\right)\\ \mathrm{imag}\left(K\right)& K\end{array}\right]\right)\stackrel{\‾}{w},$ $W_K={\stackrel{\‾}{w}}^{H}K\stackrel{\‾}{w}+{\mathrm{\σ}}_k^2,$ $\stackrel{\‾}{w}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{real}\left(w\right)\\ \mathrm{imag}\left(w\right)\end{array}\right],$ K∈{A,B,C,D,L}， $A=P_3{\mathrm{\σ}}_r^2{\mathrm{ff}}^H+P_2{P}_{3}F{\mathrm{gg}}^H{F}^H,$ $B=P_3{\mathrm{\σ}}_r^{2}g{g}^H+P_1{P}_{3}F{\mathrm{gg}}^H{F}^H,$ $C=P_3{\mathrm{\σ}}_r^2{\mathrm{ff}}^H,$ $D=P_3{\mathrm{\σ}}_r^2{\mathrm{gg}}^H,$ L=P₁ff^H+P₂gg^H+I_N，F=diag(f)，为k端噪声功率，当K∈{A,C}时k为第一源端，当K∈{B,D}时k为第二源端，当K=L时k为中继端，σ为任意确定的较大正数，I_N表示N×N的单位阵，表示取实部，表示取虚部，表示对角化运算。

取步长则w的实部为的前N项，虚部为的后N项。反复进行迭代，每次迭代按下式计算对应的安全速率的惩函数

$R_{\mathrm{sum}}=-\frac{W_A{W}_B}{W_C{W}_D}+\mathrm{\σ}{(W_L-{\mathrm{\σ}}_r^2-P+P_1+P_2)}^2$

直到两步的惩函数R_sum的差值小于某个较小的固定正值ε，此时的w为所需的预编码矢量。

本实施例中σ=10⁴， ${\mathrm{\σ}}_1^2={\mathrm{\σ}}_2^2={\mathrm{\σ}}_r^2=1.$

迭代二：根据已知的w计算P₁，P₂，P₃：

这里考虑最差情况，即窃听者可以从所有不信任的中继端获得信号并且进行最大比合并，定义函数

$f(P_1,P_2,P_3)=\frac{({\mathrm{\σ}}_1^2+P_3{a}_2+P_2{P}_3{a}_1)({\mathrm{\σ}}_2^2+P_3{a}_3+P_1{P}_3{a}_1)}{({\mathrm{\σ}}_r^2+P_1{a}_4+P_2{a}_5)({\mathrm{\σ}}_1^2+P_3{a}_2)({\mathrm{\σ}}_2^2+P_3{a}_3)}$

其中a₁=w^HFgg^HF^Hw， $a_2={\mathrm{\σ}}_r^2{w}^H{\mathrm{ff}}^{H}w,$ $a_2={\mathrm{\σ}}_r^2{w}^H{\mathrm{gg}}^{H}w,$ $a_4=f_n^H{f}_n,$ n=2为不受信任的中继数目，f_n为第一源端到不受信任的中继的信道，g_n为第二源端到不受信任的中继的信道。

将带入f(P₁,P₂,P₃)，得到不含P₁的表达式由于实际情况下P₁，P₂，P₃必须大于0，因此，P₂，P₃可以由下面方程组解得

$\frac{\∂\hat{f}(P_2,P_3)}{\∂P_2}=0$

$\frac{\∂\hat{f}(P_2,P_3)}{\∂P_3}=0$

由于上述方程组为有限次数的代数方程，因此解的个数是有限组，可以将满足P₁，P₂，P₃大于0的实数解带入f(P₁,P₂,P₃)，比较每组对应的f(P₁,P₂,P₃)，取最大的f(P₁,P₂,P₃)对应的P₁，P₂，P₃为最优的P₁，P₂，P₃值。

本实施例中， ${\mathrm{\σ}}_1^2={\mathrm{\σ}}_2^2={\mathrm{\σ}}_r^2=1.$

第三步，本发明中采用TDD技术，因此前向信道为后向信道的转置，中继将前向信道信息f^T，第一源端的功率P₁以及中继预编码矢量w反馈给第一源端，中继再将前向信道信息g^T，第二源端的功率P₂以及中继预编码矢量w反馈给第二源端。

第四步，第一源端预发射信号s₁进行调制处理，得到发射信号x₁，并将x₁发射给中继，同时第二源端对预发射信号s₂进行调制处理，得到发射信号x₂，并将x₂发射给中继。

其中的预处理和发送方法是：

第一源端产生需要发送的信号s₁，对其进行QPSK调制，得到发射信号x₁，x₁满足其中表示求期望，表示x₁的共轭。第二源端产生需要发送的信号s₂，对其进行QPSK调制，得到发射信号x₂，x₂满足

随后，第一源端和第二源端同时发射x₁和x₂。

具体地，第一源端发射信号为：

第二源端发射信号为：

第五步，中继对接收到的信号y_r进行线性处理，得到信号并将广播给第一源端和第二源端。

其中的接收、线性处理以及发送方法是：

中继端收到信号y_r可以表示为：

$y_r=\sqrt{P_1}f{x}_1+\sqrt{P_2}g{x}_2+n_r$

其中n_r为中继端接收噪声，满足N为中继总数。对y_r进行线性处理，得到发射信号其中线性处理方法如下式

${\tilde{y}}_r=\sqrt{P_3}W{y}_r$

其中W=diag(w)。随后，中继端广播信号

本实施例中N=6。

第六步，第一源端接收到信号y₁，将y₁中第一源端的干扰去除得到并对其进行检测处理，得到信号并解调得到同时，第二源端接收到信号y₂，将y₂中第二源端的干扰去除得到并对其进行检测处理，得到信号并解调得到

其中的接收、干扰去除以及检测方法是：

第一源端收到信号为：

第二源端收到信号为：

其中n₁和n₂分别为第一源端和第二源端的噪声，满足 随后第一源端对接收到的信号y₁按下式进行干扰去除，得到

${\hat{y}}_1=y_1-\sqrt{P_1}{f}^T\mathrm{Wf}{x}_1$

第二源端对接收到的信号y₂按下式进行干扰去除，得到

${\hat{y}}_2=y_2-\sqrt{P_2}{g}^T\mathrm{Wg}{x}_2$

随后，第一源端对进行检测处理

${\tilde{x}}_2=\arg \underset{\hat{x}\∈C}{\min }|\hat{x}-{\hat{y}}_1{\left(\sqrt{P_2}{f}^T\mathrm{Wg}\right)}^{-1}|$

第二源端对进行检测处理

${\tilde{x}}_1=\arg \underset{\hat{x}\∈C}{\min }|\hat{x}-{\hat{y}}_2{\left(\sqrt{P_1}{g}^T\mathrm{Wf}\right)}^{-1}|$

其中表示求中使最小的C为该系统调制方式下的所有星座点组成的集合。最后，第一源端对解调，得到第二源端对解调，得到

图2是本实施例的安全速率性能比较示意图，其中中继数为N=6，不受信任的中继数为n=2。采用QPSK调制，噪声功率信道的每一项元素均根据分布独立生成，一共随机生成了10000次信道实现，每次信道实现中，都互传1000个QPSK符号。把本实施例与现有技术中存在的以下两种处理方法做一比较：

1.采用平均功率分配，不采用预编码的方案；

2.采用平均功率分配，在中继端采用预编码处理的方案。

从图2中可以看出，本实施例的安全速率比平均分配功率，不采用预编码的方式有较大改善，相比单独进行预编码处理的方式也有一定改善，并且在低信噪比时这种优势较为明显。

Claims (4)

1.一种双向中继系统中源端和中继端的联合信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，第一源端向中继发射训练序列中继根据接收到的信号进行后向信道估计，得到第一源端和中继间的后向信道f，同时第二源端向中继发射训练序列中继根据接收到的信号进行后向信道估计，得到第二源端和中继间的后向信道g；

第二步，中继根据所有的信道信息迭代计算第一源端的发射功率P₁、第二源端的发射功率P₂、所有中继的预编码矢量w；

第三步，采用时分双工方式，前向信道为后向信道的转置，中继将前向信道信息f^T、第一源端的功率P₁以及中继预编码矢量w反馈给第一源端，中继再将前向信道信息g^T，第二源端的功率P₂以及中继预编码矢量w反馈给第二源端；

第四步，第一源端预发射信号s₁进行调制处理，得到发射信号x₁，并将x₁发射给中继，同时第二源端对预发射信号s₂进行调制处理，得到发射信号x₂，并将x₂发射给中继；

第五步，中继对接收到的信号y_r进行线性处理，得到信号并将广播给第一源端和第二源端；

第六步，第一源端接收到信号y₁，将y₁中第一源端的干扰去除得到并对其进行检测处理，得到信号并解调得到同时，第二源端接收到信号y₂，将y₂中第二源端的干扰去除得到并对其进行检测处理，得到信号并解调得到

第二步中的迭代计算具体是：

引入变量P₃，给定P₁，P₂，P₃和w的初始值；满足源端中继端总功率限制：

$P_1+P_2+P_3(P_1{w}^H{\mathrm{ff}}^{H}w+P_2{w}^H{\mathrm{gg}}^{H}w+{\mathrm{\σ}}_r^2{w}^{H}w)=P$

其中P为系统总功率，为中继端接收噪声功率；其中(□)^H表示共轭转置；

迭代一：根据已知的P₁，P₂，P₃计算w：

采用外点法求解预编码矢量w，具体步骤如下：

计算下一步方向

$d=\frac{({\hat{W}}_A{W}_B+{\hat{W}}_B{W}_A)W_C{W}_D-({\hat{W}}_D{W}_C+{\hat{W}}_C{W}_D)W_A{W}_B}{{\left(W_C{W}_D\right)}^2}-2\mathrm{\σ}{\hat{W}}_L(W_L-{\mathrm{\σ}}_r^2-P+P_1+P_2)$

其中 ${\hat{W}}_K=2\mathrm{real}\left(\left[\begin{array}{cc}K& -\mathrm{imag}\left(K\right)\\ \mathrm{imag}\left(K\right)& K\end{array}\right]\right)\stackrel{\‾}{w},W_K={\stackrel{\‾}{w}}^{H}K\stackrel{\‾}{w}+{\mathrm{\σ}}_k^2,$ $\stackrel{\‾}{w}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{real}\left(w\right)\\ \mathrm{imag}\left(w\right)\end{array}\right],$ K∈{A,B,C,D,L}， $A=P_3{\mathrm{\σ}}_r^2{\mathrm{ff}}^H+P_2{P}_3{\mathrm{Fgg}}^H{F}^H,$ $B=P_3{\mathrm{\σ}}_r^2{\mathrm{gg}}^H+P_1{P}_3{\mathrm{Fgg}}^H{F}^H,C=P_3{\mathrm{\σ}}_r^2{\mathrm{ff}}^H,D=P_3{\mathrm{\σ}}_r^2{\mathrm{gg}}^H,$ L＝P₁ff^H+P₂gg^H+I_N，F＝diag(f)，为k端噪声功率，当K∈{A,C}时k为第一源端，当K∈{B,D}时k为第二源端，当K＝L时k为中继端，σ为在范围σ>0内选择的确定实数，I_N表示N×N的单位阵，real(□)表示取实部，imag(□)表示取虚部，diag(□)表示对角化运算；

取步长则w的实部为的前N项，虚部为的后N项；反复进行迭代，每次迭代按下式计算对应的安全速率的惩函数

$R_{\mathrm{sum}}=-\frac{W_A{W}_B}{W_C{W}_D}+\mathrm{\σ}{(W_L-{\mathrm{\σ}}_r^2-P+P_1+P_2)}^2$

直到两步的惩函数R_sum的较大项减去较小项的差值小于ε，其中ε为在范围ε>0内选择的确定实数，此时的w为所需的预编码矢量；

迭代二：根据已知的w计算P₁，P₂，P₃：

定义函数

$(P_1,P_2,P_3)=\frac{({\mathrm{\σ}}_1^2+P_3{a}_2+P_2{P}_3{a}_1)({\mathrm{\σ}}_2^2+P_3{a}_3+P_1{P}_3{a}_1)}{({\mathrm{\σ}}_r^2+P_1{a}_4+P_2{a}_5)({\mathrm{\σ}}_1^2+P_3{a}_2)({\mathrm{\σ}}_2^2+P_3{a}_3)}$

其中a₁＝w^HFgg^HF^Hw， $a_2={\mathrm{\σ}}_r^2{w}^H{\mathrm{ff}}^{H}w,a_3={\mathrm{\σ}}_r^2{w}^H{\mathrm{gg}}^{H}w,a_4=f_n^H{f}_n,$ n为不受信任的中继数目，f_n为第一源端到不受信任的中继的信道，g_n为第二源端到不受信任的中继的信道；

将带入f(P₁,P₂,P₃)，得到不含P₁的表达式由于实际情况下P₁，P₂，P₃必须大于0，因此，P₂，P₃由下面方程组解得

$\frac{\∂\hat{f}(P_2,P_3)}{\∂P_2}=0$

$\frac{\∂\hat{f}(P_2,P_3)}{\∂P_3}=0$

由于上述方程组为有限次数的代数方程，因此解的个数是有限组，将满足P₁，P₂，P₃大于0的实数解带入f(P₁,P₂,P₃)，比较每组对应的f(P₁,P₂,P₃)，取最大的f(P₁,P₂,P₃)对应的P₁，P₂，P₃为最优的P₁，P₂，P₃值；

N是中继的天线数；

为第一源端噪声功率，为第二源端噪声功率；

${\mathrm{\σ}}_1^2={\mathrm{\σ}}_2^2={\mathrm{\σ}}_r^2=1.$

2.根据权利要求1所述的双向中继系统中源端和中继端的联合信号处理方法，其特征是，第一步中的后向信道估计处理是：

$f=\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\τ}1}}}{x}_1{s}_1^{*}{(\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\τ}1}}+s_1{s}_1^{*})}^{-1}$

$g=\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\τ}2}}}{x}_2{s}_2^{*}{(\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\τ}2}}+s_2{s}_2^{*})}^{-1}$

其中：ρ_τ1是训练序列s₁的信噪比，ρ_τ2是训练序列s₂的信噪比，s₁,s₂∈C^1×1，x₁∈C^N×1和x₂∈C^N×1是中继接收到的信号，N是中继的天线数；

C为QPSK调制方式下的所有星座点组成的集合；

表示s₁的共轭，表示s₂的共轭。

3.根据权利要求1所述的双向中继系统中源端和中继端的联合信号处理方法，其特征是，预处理和发送方法是：

第一源端产生需要发送的信号s₁，对其进行调制，得到发射信号x₁，x₁满足其中表示求期望，表示x₁的共轭；第二源端产生需要发送的信号s₂，对其进行调制，得到发射信号x₂，x₂满足

随后，第一源端和第二源端同时发射x₁和x₂；

其中，具体地，第一源端发射信号为：

第二源端发射信号为：

4.根据权利要求1所述的双向中继系统中源端和中继端的联合信号处理方法，其特征是，接收、线性处理以及发送方法是：

中继端收到的信号y_r表示为：

$y_r=\sqrt{P_1}f{x}_1+\sqrt{P_2}g{x}_2+n_r$

其中n_r为中继端接收噪声，满足N为中继总数；对y_r进行线性处理，得到发射信号其中线性处理方法如下式

${\tilde{y}}_r=\sqrt{P_3}W{y}_r$

其中W＝diag(w)；随后，中继端广播信号

为中继端接收噪声功率。