CN104168237A - Mimo交替中继系统中基于放大转发的干扰消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MIMO交替中继系统中基于放大转发的干扰消除方法，其实现步骤是：设置系统；源节点S将信号进行预编码后发送；中继节点R₁接收信号，将处理的信号发送，中继节点R₂在中继系统的下一时隙接收信号；设计中继节点R₂的预编码矩阵消除该处的中继间干扰；中继节点R₁接收信号；设计中继节点R₁的预编码矩阵消除该处的中继间干扰；中继节点R₁和中继节点R₂分别在中继系统的偶数时隙和奇数时隙发送信号；目的节点D接收信号。本发明避免了现有干扰对齐方法对中继系统的节点天线数的奇偶性限制，并且使系统达到最大自由度。

Description

MIMO交替中继系统中基于放大转发的干扰消除方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信技术领域中的一种多输入多输出(multiple input multiple output,MIMO)交替中继系统中基于放大转发协议的干扰消除方法。本发明可用于多输入多输出MIMO交替中继系统，使系统达到最大自由度。

背景技术

多输入多输出MIMO系统可以提高频谱效率。中继辅助传输有扩大覆盖范围和提供空间分集的能力。由多输入多输出MIMO和中继组成的复合系统在实际工程中的应用引起了人们的极大的关注。

在多输入多输出MIMO和中继组成的复合系统中，半双工中继系统是指中继在同一个时间只能发送信号或者接收信号的系统。因此，系统的容量损耗比较大。为克服这一缺点，交替中继方案吸引了众多研究。交替中继使用多个中继从发送端到接收端依次进行转发。然而，对于交替中继方案，一个固有的缺点就是存在中继间干扰(inter-relay interference,IRI)，它在很大程度上降低了系统的性能。中继系统可采用放大转发协议(amplify-and-forward,AF)，从而使中继节点对源节点发送的信息进行线性处理，然后再发送到目的节点。

对于多输入多输出MIMO放大转发交替中继系统，干扰对齐(interferencealignment,IA)的方法已经被应用于消除中继间干扰IRI。相关文章《AlternateMIMO AF relaying networks with interference alignment:spectral efficient protocoland linearfilter design》由Ki-Hong Park等人于2013年2月在IEEETransactions onVehicular Technology上发表，该方案要求系统必须配置三个中继节点，而系统只能获得3/4M的自由度，其中M为系统中每个节点的天线数，并且每个节点的天线数M只能为偶数。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出了一种MIMO交替中继系统中基于放大转发协议的干扰消除方法。

实现本发明的技术思路是，针对多输入多输出MIMO放大转发交替中继系统存在的中继间干扰，在多输入多输出MIMO交替中继系统中的源节点发送混合信号，并在源节点处和中继节点处分别加入级联的预编码矩阵，采用干扰对齐的方法设计预编码矩阵使中继间干扰IRI完全消除。其具体实现步骤包括如下：

(1)设置系统：

(1a)在多输入多输出MIMO中继系统中设置一个源节点S、一个目的节点D和两个中继节点R₁和R₂，各节点均配置M根天线，M≥2；

(1b)设置中继系统在奇数时隙时，源节点S和中继节点R₂发送信号、中继节点R₁和目的节点D接收信号；设置在偶数时隙时，源节点S和中继节点R₁发送信号、目的节点D和中继节点R₂接收信号；

(2)源节点S发送信号：

(2a)将源节点S在当前时隙拟发送的有用信号矢量与源节点S上一个时隙已经发送的有用信号矢量相加，得到和矢量；将和矢量作为源节点S拟发送的混合有用信号矢量；

(2b)用中继系统源节点S的级联预编码矩阵乘以源节点S拟发送的混合有用信号矢量，将相乘后的信号矢量作为源节点S的发送信号矢量发送出去；

(3)中继节点R₂接收信号：

(3a)在中继系统的第一个时隙，用中继节点R₁接收源节点S发送的信号矢量，得到接收信号矢量y_r1(1)；

(3b)在中继系统的第二个时隙，用中继节点R₁的级联预编码矩阵T₁W₁乘以接收信号矢量y_r1(1)，得到中继节点R1在中继系统第二个时隙的发送信号矢量s_r1(2)；

(3c)中继节点R₂在中继系统的第二个时隙接收信号，接收到信号矢量y_r2(2)；

(4)消除中继节点R₂处的中继间干扰：

(4a)利用下式，消除中继节点R₂处的中继间干扰：

$\left[\begin{array}{ccc}{I}_M& {-H}_2& 0\\ I_M& 0& {-F}_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_1\\ A_1\\ T_1\end{array}\right]=0$

其中，I_M表示M×M维单位矩阵，M表示中继系统中每个节点的天线数，M≥2，H₂表示源节点S到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，F₁表示从中继节点R₁到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，V₁表示信道矩阵H₂与信道矩阵F₁的列向量所张成的子空间的交集，A₁表示源节点S在中继系统的时隙为偶数时的一个预编码矩阵，A₁的维度是M×M，T₁表示中继节点R₁的一个预编码矩阵，T₁的维度是M×M；

(4b)将V₁＝H₂A₁＝F₁T₁代入到中继节点R₂处的中继间干扰H₂A₁B₁+F₁T₁W₁H₁中，得到V₁B₁+V₁W₁H₁，其中，V₁表示信道矩阵H₂与信道矩阵F₁的列向量所张成的子空间的交集，V₁的维度是M×M，H₂表示源节点S到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，M表示中继系统中每个节点的天线数，M≥2，F₁表示从中继节点R₁到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，T₁表示中继节点R₁的级联预编码矩阵中的一个预编码矩阵，T₁的维度是M×M，A₁和B₁分别表示源节点S在中继系统的时隙为偶数时的预编码矩阵，A₁和B₁的维度均是M×M，A₁B₁表示源节点S在中继系统的时隙为偶数时的级联预编码矩阵，B₁＝-β₁H₁，β₁表示源节点S的功率控制因子，T₁和W₁分别表示中继节点R₁的预编码矩阵，T₁和W₁的维度均是M×M，T₁W₁表示中继节点R₁的级联预编码矩阵，W₁＝α₁I_M，α₁表示中继节点R₁的功率控制因子，H₁表示源节点S到中继节点R₁的M×M维平坦衰落信道矩阵；

(4c)判断中继节点R₁的功率控制因子与源节点S的功率控制因子是否相等，若相等，则执行步骤(4d)，否则，执行步骤(4e)；

(4d)用中继节点R₁的一个预编码矩阵W₁乘以源节点S到中继节点R₁的M×M维平坦衰落信道矩阵H₁，将其乘积的负矩阵作为源节点S在中继系统的时隙为偶数时的一个预编码矩阵B₁，实现H₂A₁B₁+F₁T₁W₁H₁＝0；通过源节点S在中继系统的时隙为偶数时的预编码矩阵A₁、B₁和中继节点R₁的预编码矩阵T₁、W₁的设计消除中继节点R₂的中继间干扰，其中H₂表示源节点S到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，M表示中继系统中每个节点的天线数，M≥2，A₁和B₁分别表示源节点S在时隙为偶数时的一个预编码矩阵，A₁和B₁的维度均是M×M，A₁B₁表示源节点S在中继系统的时隙为偶数时的级联预编码矩阵，F₁表示从中继节点R₁到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，T₁和W₁分别表示中继节点R₁的一个预编码矩阵，T₁和W₁的维度均是M×M，T₁W₁表示中继节点R₁的级联预编码矩阵，H₁表示源节点S到中继节点R₁的M×M维平坦衰落信道矩阵；

(4e)比较中继节点R₁的功率控制因子和源节点S的功率控制因子，取其中小的值作为参数γ₁进行预编码矩阵设计，将参数γ₁与M维单位矩阵的乘积作为中继节点R₁的一个预编码矩阵W₁，将参数γ₁与源节点S到中继节点R₁的M×M维平坦衰落信道矩阵H₁相乘，将得到乘积的负矩阵作为源节点S在中继系统的时隙为偶数时的一个预编码矩阵B₁，实现H₂A₁B₁+F₁T₁W₁H₁＝0；通过源节点S在中继系统的时隙为偶数时的预编码矩阵A₁、B₁和中继节点R₁的预编码矩阵T₁、W₁的设计消除中继节点R₂处的中继间干扰，其中，H₂表示源节点S到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，M表示中继系统中每个节点的天线数，M≥2，A₁B₁表示源节点S在中继系统的时隙为偶数时的级联预编码矩阵，A₁和B₁的维度均是M×M，F₁表示从中继节点R₁到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，T₁W₁表示中继节点R₁的级联预编码矩阵，T₁和W₁的维度均是M×M，H₁表示源节点S到中继节点R₁的M×M维平坦衰落信道矩阵；

(5)中继节点R₁接收信号：

(5a)将中继节点R₂的级联预编码矩阵T₂W₂乘以接收到的信号矢量y_r2(2)，得到无中继间干扰的信号矢量,将得到的无中继间干扰的信号矢量发送出去；

(5b)在中继系统的第三个时隙，用中继节点R₂的级联预编码矩阵乘以接收信号矢量，得到中继节点R₂在中继系统的第三个时隙的发送信号矢量s_r2(3)；

(5c)中继节点R₁在中继系统的第三个时隙接收信号，接收到信号矢量y_r1(3)；

(6)消除中继节点R₁处的中继间干扰：

采用与步骤(4)中消除中继节点R₂处的中继间干扰相同的中继间干扰消除方法，消除中继节点R₁处的中继间干扰；将中继节点R₁的级联预编码矩阵T₁W₁乘以接收到的信号矢量y_r1(3)，得到无中继间干扰的信号矢量；

(7)中继节点发送信号：

中继节点R₁和中继节点R₂分别在中继系统的偶数时隙和奇数时隙发送无中继间干扰的信号矢量；

(8)目的节点D接收信号。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

第一，本发明由于使用采用干扰对齐的方法，通过在源节点和中继节点处分别加入级联预编码矩阵，克服现有技术所操作的中继系统只能获得3/4的每个节点天线数的自由度的不足，使得使用本发明操作的中继系统可以达到最大自由度。

第二，本发明通过在源节点和中继节点处分别加入级联预编码矩阵完成干扰对齐，克服了现有技术所操作的中继系统必须配置三个中继才能完成干扰对齐的不足，使得使用本发明操作的中继系统只需配置两个中继节点，减少中继系统的配置成本。

第三，本发明对中继系统节点天线数的奇偶性没有要求，克服了现有技术中使用基于干扰对齐的方法只能工作在中继系统中每个节点天线数为偶数条件下的不足，使得使用本发明操作的中继系统的工作条件不受中继系统中每个节点天线数的奇偶性的限制，从而对中继系统中节点天线数的配置要求更合理。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的仿真图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的技术方案和效果作进一步详细描述。

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，设置系统。

在多输入多输出MIMO中继系统中设置一个源节点S、一个目的节点D和两个中继节点R₁和R₂，各节点均配置M根天线，M≥2。

设置中继系统在奇数时隙时，源节点S和中继节点R₂发送信号、中继节点R₁和目的节点D接收信号；设置中继系统在偶数时隙时，源节点S和中继节点R₁发送信号、目的节点D和中继节点R₂接收信号。

步骤2，源节点S发送信号。

将源节点S在当前时隙拟发送的有用信号矢量与源节点S上一个时隙已经发送的有用信号矢量相加，得到和矢量，将和矢量作为源节点S拟发送的混合有用信号矢量。

在中继系统的第一、第二、第三个时隙，将源节点S发送的信号分别表示为s₁：

s₁＝x₁＝[x₁₁,x₁₂,…,x_1i,…,x_1M]^T

s₂＝A₁B₁(x₂+x₁)

s₃＝A₂B₂(x₃+x₂)

其中，x₁表示源节点S在中继系统的第一个时隙发送的有用信号矢量，x_1i表示源节点S在中继系统的第一个时隙发送的第i个信号分量，()^T表示矩阵转置，A₁和B₁分别表示源节点S在中继系统的时隙为偶数时的一个预编码矩阵，A₁和B₁的维度均为M×M，M表示中继系统中每个节点的天线数，M≥2，A₁B₁表示源节点S在中继系统的时隙为偶数时的级联预编码矩阵，x₁表示源节点S在中继系统的第二个时隙发送的有用信号矢量，x₂＝[x₂₁,x₂₂,…,x_2i,…,x_2M]^T，x_2i表示源节点S在第二时隙发送的第i个信号分量，A₂和B₂分别表示源节点S在中继系统的时隙为奇数时的一个预编码矩阵，A₂和B₂的维度均为M×M，A₂B₂表示源节点S在中继系统的时隙为奇数时的级联预编码矩阵，x₃表示源节点S在中继系统的第三个时隙发送的有用信号矢量，x₃＝[x₃₁,x₃₂,…,x_3i,…,x_3M]^T，x_3i表示源节点S在第三时隙发送的第i个信号分量，i＝1,2,…,M。

用源节点S的级联预编码矩阵乘以源节点S拟发送的混合有用信号矢量，将所得信号矢量作为源节点S的发送信号矢量发送出去。

步骤3，中继节点R₂接收信号。

在中继系统的第一个时隙，用中继节点R₁接收源节点S发送的信号矢量，得到接收信号矢量y_r1(1)：

y_r1(1)＝H₁x₁+n_r1(1)

其中，H₁是源节点S到中继节点R₁的M×M维平坦衰落信道矩阵，M表示中继系统中每个节点的天线数，M≥2，x₁表示源节点S在中继系统的第一个时隙发送的有用信号矢量，n_r1(1)表示中继节点R₁在中继系统的第一个时隙接收到的加性高斯白噪声信号矢量。

在中继系统的第二个时隙，使用中继节点R₁的级联预编码矩阵T₁W₁乘以接收信号矢量y_r1(1)，得到中继节点R₁在中继系统第二个时隙的发送信号矢量s_r1(2)：

s_r1(2)＝T₁W₁H₁x₁+T₁W₁n_r1(1)

其中，T₁和W₁分别表示中继节点R₁的一个预编码矩阵，T₁W₁表示中继节点R₁的级联预编码矩阵，T₁和W₁的维度均为M×M，M表示中继系统中每个节点的天线数，M≥2，H₁表示源节点S到中继节点R₁的M×M维平坦衰落信道矩阵，x₁表示源节点S在中继系统的第一个时隙发送的有用信号矢量，n_r1(1)表示中继节点R₁在中继系统的第一时隙接收到的加性高斯白噪声信号矢量。

中继节点R₂在中继系统的第二个时隙接收信号，接收到的信号矢量y_r2(2)：

y_r2(2)＝H₂A₁B₁x₂+(H₂A₁B₁+F₁T₁W₁H₁)x₁+F₁T₁W₁n_r1(1)+n_r2(2)

其中，(H₂A₁B₁+F₁T₁W₁H₁)x₁表示中继节点R₂接收到的信号中存在的中继间干扰，H₂表示源节点S到第二中继R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，M表示中继系统中每个节点的天线数，M≥2，A₁和B₁分别表示源节点S在中继系统的时隙为偶数时的一个预编码矩阵，A₁和B₁的维度均为M×M，A₁B₁表示源节点S在中继系统的时隙为偶数时的级联预编码矩阵，x₂表示源节点S在中继系统的第二个时隙发送的有用信号矢量，F₁表示从中继节点R₁到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，T₁和W₁分别表示中继节点R₁的一个预编码矩阵，T₁和W₁的维度均为M×M，T₁W₁表示中继节点R₁的级联预编码矩阵，H₁表示源节点S到中继节点R₁的M×M维平坦衰落信道矩阵，x₁表示源节点S在中继系统的第一个时隙发送的有用信号矢量，n_r1(1)表示中继节点R₁在中继系统的第一时隙接收到的加性高斯白噪声信号矢量，n_r2(2)表示中继节点R₂在中继系统的第二时隙接收到的加性高斯白噪声信号矢量。

由于中继节点R₂接收到的信号存在中继间干扰，所以会影响通信质量。必须将中继间干扰消除后，中继节点R₂才能将无干扰的信号矢量发送给目的节点D。

步骤4，消除中继节点R₂处的中继间干扰。

(4a)利用下式，消除中继节点R₂处的中继间干扰：

$\left[\begin{array}{ccc}{I}_M& {-H}_2& 0\\ I_M& 0& {-F}_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_1\\ A_1\\ T_1\end{array}\right]=0$

其中，I_M表示M×M维单位矩阵，M表示中继系统中每个节点的天线数，M≥2，H₂表示源节点S到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，F₁表示从中继节点R₁到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，V₁表示信道矩阵H₂与信道矩阵F₁的列向量所张成的子空间的交集，A₁表示源节点S在中继系统的时隙为偶数时的一个预编码矩阵，A₁的维度是M×M，T₁表示中继节点R₁的一个预编码矩阵，T₁的维度是M×M。

(4b)将V₁＝H₂A₁＝F₁T₁代入到中继节点R₂处的中继间干扰H₂A₁B₁+F₁T₁W₁H₁中，得到V₁B₁+V₁W₁H₁，其中，V₁表示信道矩阵H₂与信道矩阵F₁的列向量所张成的子空间的交集,V₁的维度是M×M，H₂表示源节点S到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，M表示中继系统中每个节点的天线数，M≥2，F₁表示从中继节点R₁到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，T₁表示中继节点R₁的级联预编码矩阵中的一个预编码矩阵，T₁的维度是M×M，A₁和B₁分别表示源节点S在中继系统的时隙为偶数时的预编码矩阵，A₁和B₁的维度均是M×M，A₁B₁表示源节点S在中继系统的时隙为偶数时的级联预编码矩阵，B₁＝-β₁H₁，β₁表示源节点S的功率控制因子，T₁和W₁分别表示中继节点R₁的预编码矩阵，T₁和W₁的维度均是M×M，T₁W₁表示中继节点R₁的级联预编码矩阵，W₁＝α₁I_M，α₁表示中继节点R₁的功率控制因子，H₁表示源节点S到中继节点R₁的M×M维平坦衰落信道矩阵；

(4c)判断中继节点R₁的功率控制因子与源节点S的功率控制因子是否相等，若相等，则执行步骤(4d)，否则，执行步骤(4e)；

(4d)用中继节点R₁的一个预编码矩阵W₁乘以源节点S到中继节点R₁的M×M维平坦衰落信道矩阵H₁，将其乘积的负矩阵作为源节点S在中继系统的时隙为偶数时的一个预编码矩阵B₁，实现H₂A₁B₁+F₁T₁W₁H₁＝0；通过源节点S在中继系统的时隙为偶数时的预编码矩阵A₁、B₁和中继节点R₁的预编码矩阵T₁、W₁的设计消除中继节点R₂的中继间干扰，其中H₂表示源节点S到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，M表示中继系统中每个节点的天线数，M≥2，A₁和B₁分别表示源节点S在时隙为偶数时的一个预编码矩阵，A₁和B₁的维度均是M×M，A₁B₁表示源节点S在中继系统的时隙为偶数时的级联预编码矩阵，F₁表示从中继节点R₁到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵,T₁和W₁分别表示中继节点R₁的一个预编码矩阵，T₁和W₁的维度均是M×M，T₁W₁表示中继节点R₁的级联预编码矩阵，H₁表示源节点S到中继节点R₁的M×M维平坦衰落信道矩阵；

(4e)比较中继节点R₁的功率控制因子和源节点S的功率控制因子，取其中小的值作为参数γ₁进行预编码矩阵设计，将参数γ₁与M维单位矩阵的乘积作为中继节点R₁的一个预编码矩阵W₁，将参数γ₁与源节点S到中继节点R₁的M×M维平坦衰落信道矩阵H₁相乘，将得到乘积的负矩阵作为源节点S在中继系统的时隙为偶数时的一个预编码矩阵B₁，实现H₂A₁B₁+F₁T₁W₁H₁＝0；通过源节点S在中继系统的时隙为偶数时的预编码矩阵A₁、B₁和中继节点R₁的预编码矩阵T₁、W₁的设计消除中继节点R₂处的中继间干扰，其中，H₂表示源节点S到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，M表示中继系统中每个节点的天线数，M≥2，A₁B₁表示源节点S在中继系统的时隙为偶数时的级联预编码矩阵，A₁和B₁的维度均是M×M，F₁表示从中继节点R₁到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵,T₁W₁表示中继节点R₁的级联预编码矩阵，T₁和W₁的维度均是M×M，H₁表示源节点S到中继节点R₁的M×M维平坦衰落信道矩阵；

步骤5，中继节点R₁接收信号。

将中继节点R₂的级联预编码矩阵T₂W₂乘以接收到的信号矢量y_r2(2)，得到无中继间干扰的信号矢量，将得到的无中继间干扰的信号矢量发送出去。

在中继系统的第三个时隙，用中继节点R₂的级联预编码矩阵乘以接收信号矢量，得到中继节点R₂在中继系统的第三个时隙的发送信号矢量s_r2(3)：

s_r2(3)＝T₂W₂H₂A₁B₁x₂+T₂W₂[F₁T₁W₁n_r1(1)+n_r2(2)]

其中，T₂和W₂分别表示中继节点R₂的一个预编码矩阵，T₂和W₂的维度均为M×M，M表示中继系统中每个节点的天线数，M≥2，T₂W₂表示中继节点R₂的级联预编码矩阵，H₂表示源节点S到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，A₁和B₁分别表示源节点S在中继系统的时隙为偶数时的一个预编码矩阵，A₁和B₁的维度均为M×M，A₁B₁表示源节点S在中继系统的时隙为偶数时的级联预编码矩阵，x₂表示源节点S在中继系统的第二个时隙发送的有用信号矢量，F₁表示从中继节点R₁到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，T₁和W₁分别表示中继节点R₁的一个预编码矩阵，T₁和W₁的维度均为M×M，T₁W₁表示中继节点R₁的级联预编码矩阵，n_r1(1)表示中继节点R₁在中继系统的第一个时隙接收到的加性高斯白噪声信号矢量，n_r2(2)表示中继节点R₂在中继系统的第二个时隙接收到的加性高斯白噪声信号矢量。

中继节点R₁在中继系统的第三个时隙接收信号，接收到信号矢量y_r1(3)：

y_r1(3)＝H₁A₂B₂x₃+(H₁A₂B₂+F₂T₂W₂H₂A₁B₁)x₂+F₂T₂W₂[T₁W₁n_r1(1)+n_r2(2)+n_r2(3)]

其中，H₁表示源节点S到中继节点R₁的M×M维平坦衰落信道矩阵，M表示中继系统中每个节点的天线数，M≥2，A₂和B₂分别表示源节点S在中继系统的时隙为奇数时的一个预编码矩阵，A₂和B₂的维度均为M×M，A₂B₂表示源节点S在中继系统的时隙为奇数时的级联预编码矩阵，x₃表示源节点S在中继系统的第三个时隙发送的有用信号矢量，F₂表示从中继节点R₂到中继节点R₁的M×M维平坦衰落信道矩阵，T₂和W₂分别表示中继节点R₂的一个预编码矩阵，T₂和W₂的维度均为M×M，T₂W₂表示中继节点R₂的级联预编码矩阵，H₂表示源节点S到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，A₁和B₁分别表示源节点S在中继系统的时隙为偶数时的一个预编码矩阵，A₁和B₁的维度均为M×M，A₁B₁表示源节点S在中继系统的时隙为偶数时的级联预编码矩阵，x₂表示源节点S在中继系统的第二个时隙发送的有用信号矢量，T₁和W₁分别表示中继节点R₁的一个预编码矩阵，T₁和W₁的维度均为M×M，T₁W₁表示中继节点R₁的级联预编码矩阵，n_r1(1)表示中继节点R₁在中继系统的第一个时隙接收到的加性高斯白噪声信号矢量，n_r2(2)表示中继节点R₂在中继系统的第二个时隙接收到的加性高斯白噪声信号矢量，n_r2(3)表示中继节点R₂在中继系统的第三个时隙接收到的加性高斯白噪声信号矢量。

步骤6，消除中继节点R₁处的中继间干扰。

采用与步骤(4)中消除中继节点R₂处的中继间干扰相同的中继间干扰消除方法，消除中继节点R₁处的中继间干扰；将中继节点R₁的级联预编码矩阵T₁W₁乘以接收到的信号矢量y_r1(3)，得到无中继间干扰的信号矢量。

步骤7，中继节点发送信号。

中继节点R₁和中继节点R₂分别在中继系统的偶数时隙和奇数时隙发送无中继间干扰的信号矢量。

步骤8，目的节点D接收信号。

目的节点D在中继系统的第二时隙和第三时隙接收到的信号矢量分别表示为y_d(2)、y_d(3)：

y_d(2)＝G₁T₁W₁H₁x₁+G₁T₁W₁n_r1(1)+n_d(2)

y_d(3)＝G₂T₂W₂H₂A₁B₁x₂+G₂T₂W₂[F₁T₁W₁n_r1(1)+n_r2(2)]+n_d(3)

其中，G₁表示中继节点R₁到目的节点D的M×M维平坦衰落信道矩阵，M表示中继系统中每个节点的天线数，M≥2，T₁和W₁分别表示中继节点R₁的一个预编码矩阵，T₁和W₁的维度均为M×M，T₁W₁表示中继节点R₁的级联预编码矩阵，H₁表示源节点S到中继节点R₁的M×M维平坦衰落信道矩阵，x₁表示源节点S在中继系统的第一个时隙发送的有用信号矢量，n_r1(1)表示中继节点R₁在中继系统的第一个时隙接收到的加性高斯白噪声信号矢量，n_d(2)表示目的节点D在中继系统的第二个时隙接收到的加性高斯白噪声信号矢量，G₂表示中继节点R₂到目的节点D的M×M维平坦衰落信道矩阵，T₂和W₂分别表示中继节点R₂的一个预编码矩阵，T₂和W₂的维度均为M×M，T₂W₂表示中继节点R₂的级联预编码矩阵，H₂表示源节点S到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，A₁和B₁分别表示源节点S在中继系统的时隙为偶数时的一个预编码矩阵，A₁和B₁的维度均为M×M，A₁B₁表示源节点S在中继系统的时隙为偶数时的级联预编码矩阵，x₂表示源节点S在中继系统的第二个时隙发送的有用信号矢量，n_r2(2)表示中继节点R₂在中继系统的第二个时隙接收到的加性高斯白噪声信号矢量，n_d(3)表示目的节点D在中继系统的第三个时隙接收到的加性高斯白噪声信号矢量。

上式中，G₁T₁W₁H₁x₁表示目的节点D接收到的来自中继节点R₁的无中继间干扰的信号矢量，G₂T₂W₂H₂A₁B₁x₂表示目的节点D接收到的来自中继节点R2的无中继间干扰的信号矢量。由于中继节点R₁的预编码矩阵T₁只和源节点S到中继节点R₂的平坦衰落信道矩阵H₂、中继节点R₁到中继节点R₂的平坦衰落信道矩阵F₁有关，且H₂、F₁与中继节点R₁到目的节点D的平坦衰落信道矩阵G₁及源节点S到中继节点R₂的平坦衰落信道矩阵H₁线性无关，所以G₁T₁W₁H₁的秩也是M，即系统达到最大自由度M，M表示中继系统中每个节点的天线数，M≥2。中继节点R₂的预编码矩阵T₂只与源节点S到中继节点R₁的平坦衰落信道矩阵H₁、中继节点R₂到中继节点R₁的平坦衰落信道矩阵F₂有关，且H₁、F₂与中继节点R₂到目的节点D的平坦衰落信道矩阵G₂及源节点S到中继节点R₂的平坦衰落信道矩阵H₂、中继节点R₁到中继节点R₂的平坦衰落信道矩阵F₁线性无关，因此有效信道矩阵G₂T₂W₂H₂A₁B₁的秩为M，即系统达到最大自由度M。

本发明对中继系统的天线数M的奇偶性未做要求，避免了系统的节点天线数在奇偶性方面的限制。

本发明的效果可以通过下面的仿真得到进一步证明。

一、仿真条件：

本发明的仿真采用Matlab仿真软件实现，设定中继系统包含一个源节点、一个目的节点和两个中继节点，信道矩阵的元素服从独立同分布的复高斯分布，均值为0，方差为1。

本发明的仿真是在两个不同条件下分别进行了两次仿真，两次仿真的条件设定如下：

仿真条件1：设定中继系统中所有节点的天线数之和分别为10，20，30，40，50；

仿真条件2：设定中继系统中每个节点的天线数分别为2，4，6，8，10。

二、仿真内容与结果：

仿真1：用本发明和现有干扰对齐方法在中继系统的所有天线数之和分别为10，20，30，40，50时，对中继系统获得的自由度进行仿真，仿真结果如图2中的(a)所示。

仿真图2(a)的横坐标表示中继系统所有节点的天线数，纵坐标表示中继系统的自由度。图2(a)中以标志的曲线，表示应用本发明操作的中继系统达到的自由度与中继系统所有节点的天线数之间关系的曲线。图2(a)中以标志的曲线，表示应用现有干扰对齐方法操作的中继系统达到的自由度与中继系统所有节点的天线数之间关系的曲线。

从图2中的(a)中可以看出：在中继系统所有节点的天线数相同的条件下，应用本发明操作的中继系统所达到的自由度远高于应用现有干扰对齐方法操作的中继系统所达到的自由度。

仿真2：用本发明和现有干扰对齐方法在中继系统每个节点的天线数分别为2，4，6，8，10时，对中继系统获得的自由度进行仿真，仿真结果如图2中的(b)所示。

仿真图2(b)的横坐标表示中继系统每个节点的天线数，纵坐标表示中继系统的自由度。图2(b)中以标志的曲线，表示应用本发明操作的中继系统达到的自由度与中继系统每个节点的天线数之间关系的曲线。图2(b)中以标志的曲线，表示应用现有干扰对齐方法操作的中继系统达到的自由度与中继系统每个节点的天线数之间关系的曲线。

从图2中的(b)中可以看出：在中继系统每个节点的天线数相同的条件下，应用本发明操作的中继系统所达到的自由度远高于应用现有干扰对齐方法操作的中继系统所达到的自由度。

综合上述仿真结果，应用本发明的中继间干扰消除方法，能很好的消除中继系统的中继节点处受到的中继间干扰，避免了系统的节点天线数在奇偶性方面的限制，并且在中继系统部署两个中继节点的条件下使中继系统达到最大自由度。

Claims (1)

1.一种MIMO交替中继系统中基于放大转发的干扰消除方法，其步骤包括如下：

(1)设置系统：

(1a)在多输入多输出MIMO中继系统中设置一个源节点S、一个目的节点D和两个中继节点R₁和R₂，各节点均配置M根天线，M≥2；

(1b)设置中继系统在奇数时隙时，源节点S和中继节点R₂发送信号、中继节点R₁和目的节点D接收信号；设置在偶数时隙时，源节点S和中继节点R₁发送信号、目的节点D和中继节点R₂接收信号；

(2)源节点S发送信号：

(2a)将源节点S在当前时隙拟发送的有用信号矢量与源节点S上一个时隙已经发送的有用信号矢量相加，得到和矢量；将和矢量作为源节点S拟发送的混合有用信号矢量；

(2b)用中继系统源节点S的级联预编码矩阵乘以源节点S拟发送的混合有用信号矢量，将相乘后的信号矢量作为源节点S的发送信号矢量发送出去；

(3)中继节点R₂接收信号：

(3a)在中继系统的第一个时隙，用中继节点R₁接收源节点S发送的信号矢量，得到接收信号矢量y_r1(1)；

(3b)在中继系统的第二个时隙，用中继节点R₁的级联预编码矩阵T₁W₁乘以接收信号矢量y_r1(1)，得到中继节点R1在中继系统第二个时隙的发送信号矢量s_r1(2)；

(3c)中继节点R₂在中继系统的第二个时隙接收信号，接收到信号矢量y_r2(2)；

(4)消除中继节点R₂处的中继间干扰：

(4a)利用下式，消除中继节点R₂处的中继间干扰：

$\left[\begin{array}{ccc}{I}_M& {-H}_2& 0\\ I_M& 0& {-F}_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_1\\ A_1\\ T_1\end{array}\right]=0$

其中，I_M表示M×M维单位矩阵，M表示中继系统中每个节点的天线数，M≥2，H₂表示源节点S到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，F₁表示从中继节点R₁到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，V₁表示信道矩阵H₂与信道矩阵F₁的列向量所张成的子空间的交集，A₁表示源节点S在中继系统的时隙为偶数时的一个预编码矩阵，A₁的维度是M×M，T₁表示中继节点R₁的一个预编码矩阵，T₁的维度是M×M；

(4b)将V₁＝H₂A₁＝F₁T₁代入到中继节点R₂处的中继间干扰H₂A₁B₁+F₁T₁W₁H₁中，得到V₁B₁+V₁W₁H₁，其中，V₁表示信道矩阵H₂与信道矩阵F₁的列向量所张成的子空间的交集,V₁的维度是M×M，H₂表示源节点S到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，M表示中继系统中每个节点的天线数，M≥2，F₁表示从中继节点R₁到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，T₁表示中继节点R₁的级联预编码矩阵中的一个预编码矩阵，T₁的维度是M×M，A₁和B₁分别表示源节点S在中继系统的时隙为偶数时的预编码矩阵，A₁和B₁的维度均是M×M，A₁B₁表示源节点S在中继系统的时隙为偶数时的级联预编码矩阵，B₁＝-β₁H₁，β₁表示源节点S的功率控制因子，T₁和W₁分别表示中继节点R₁的预编码矩阵，T₁和W₁的维度均是M×M，T₁W₁表示中继节点R₁的级联预编码矩阵，W₁＝α₁I_M，α₁表示中继节点R1的功率控制因子，H₁表示源节点S到中继节点R₁的M×M维平坦衰落信道矩阵；

(4c)判断中继节点R₁的功率控制因子与源节点S的功率控制因子是否相等，若相等，则执行步骤(4d)，否则，执行步骤(4e)；

(4d)用中继节点R₁的一个预编码矩阵W₁乘以源节点S到中继节点R₁的M×M维平坦衰落信道矩阵H₁，将其乘积的负矩阵作为源节点S在中继系统的时隙为偶数时的一个预编码矩阵B₁，实现H₂A₁B₁+F₁T₁W₁H₁＝0；通过源节点S在中继系统的时隙为偶数时的预编码矩阵A₁、B₁和中继节点R₁的预编码矩阵T₁、W₁的设计消除中继节点R₂的中继间干扰，其中H₂表示源节点S到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，M表示中继系统中每个节点的天线数，M≥2，A₁和B₁分别表示源节点S在时隙为偶数时的一个预编码矩阵，A₁和B₁的维度均是M×M，A₁B₁表示源节点S在中继系统的时隙为偶数时的级联预编码矩阵，F₁表示从中继节点R₁到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵,T₁和W₁分别表示中继节点R₁的一个预编码矩阵，T₁和W₁的维度均是M×M，T₁W₁表示中继节点R₁的级联预编码矩阵，H₁表示源节点S到中继节点R₁的M×M维平坦衰落信道矩阵；

(4e)比较中继节点R₁的功率控制因子和源节点S的功率控制因子，取其中小的值作为参数γ₁进行预编码矩阵设计，将参数γ₁与M维单位矩阵的乘积作为中继节点R₁的一个预编码矩阵W₁，将参数γ₁与源节点S到中继节点R₁的M×M维平坦衰落信道矩阵H₁相乘，将得到乘积的负矩阵作为源节点S在中继系统的时隙为偶数时的一个预编码矩阵B₁，实现H₂A₁B₁+F₁T₁W₁H₁＝0；通过源节点S在中继系统的时隙为偶数时的预编码矩阵A₁、B₁和中继节点R₁的预编码矩阵T₁、W₁的设计消除中继节点R₂处的中继间干扰，其中，H₂表示源节点S到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵，M表示中继系统中每个节点的天线数，M≥2，A₁B₁表示源节点S在中继系统的时隙为偶数时的级联预编码矩阵，A₁和B₁的维度均是M×M，F₁表示从中继节点R₁到中继节点R₂的M×M维平坦衰落信道矩阵,T₁W₁表示中继节点R₁的级联预编码矩阵，T₁和W₁的维度均是M×M，H₁表示源节点S到中继节点R₁的M×M维平坦衰落信道矩阵；

(5)中继节点R₁接收信号：

(5a)将中继节点R₂的级联预编码矩阵T₂W₂乘以接收到的信号矢量y_r2(2)，得到无中继间干扰的信号矢量,将得到的无中继间干扰的信号矢量发送出去；

(5b)在中继系统的第三个时隙，用中继节点R₂的级联预编码矩阵乘以接收信号矢量，得到中继节点R₂在中继系统的第三个时隙的发送信号矢量s_r2(3)；

(5c)中继节点R₁在中继系统的第三个时隙接收信号，接收到信号矢量y_r1(3)；

(6)消除中继节点R₁处的中继间干扰：

采用与步骤(4)中消除中继节点R₂处的中继间干扰相同的中继间干扰消除方法，消除中继节点R₁处的中继间干扰；将中继节点R₁的级联预编码矩阵T₁W₁乘以接收到的信号矢量y_r1(3)，得到无中继间干扰的信号矢量；

(7)中继节点发送信号：

中继节点R₁和中继节点R₂分别在中继系统的偶数时隙和奇数时隙发送无中继间干扰的信号矢量；

(8)目的节点D接收信号。