CN105915268A - 全连接双向x中继信道中的联合传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全连接双向X中继信道中的联合传输方法，考虑全连接双向X中继信道在4用户下的场景，现有算法忽略了用户间的直连链路，实际通信系统中由于无线电波的传输特性，用户之间的直连链路不可避免，因此浪费了部分资源。本发明同时应用用户间直连链路和用户中继之间链路，提出了一种全连接双向X中继信道中的联合传输方法。该方法通过时隙扩展，利用用户间链路传递期望交换的数据，利用用户中继间链路协助用户交换数据，从而在多个时隙内完成通信过程。本发明可以改善用户和中继的天线利用率并提升系统的自由度,与现有技术相比，在同等的天线配置下可以传输更多的数据流。

Description

全连接双向X中继信道中的联合传输方法

技术领域

本发明属于无线通信系统的传输方案设计，涉及一种全连接双向X中继信道在4用户场景下的传输方法。

现有技术

双向X中继信道中，所有用户分为两组，每个用户与另外一组内所有用户通过中继交换数据。由于直接计算该模型的容量比较困难，而自由度又是高信噪比时容量的近似表示，因此目前研究都着眼于自由度，得到了该系统能实现的最大自由度及具体实现算法。然而上述模型忽略了用户间的直通链路，实际通信系统中由于无线电波的传输特性，用户之间的直连链路不可避免，因此全连接的信道模型成为非常重要的场景。多向中继信道中考虑用户之间的全连通性模型可以等效看成有一个中继的干扰网络。以往观点认为有中继的全连接干扰网络中，无论中继有多少根天线，都不会增加此类网络的自由度，这个结论现在已经被推翻。

综上所述，针对全连接双向X中继信道中4用户场景，设计一种可有效提升自由度的传输方案是有必要的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种全连接双向X中继信道中的联合传输方法，该方法可以改善用户和中继的天线利用率并提升系统的自由度,与现有技术相比，在同等的天线配置下可以传输更多的数据流。

本发明的技术方案是这样实现的：

步骤1计算用户天线数M和中继天线数N之比，如果则根据下式求解d,T₁,T₂

$\left\{\begin{array}{c}2d\≤M+N\\ 4d\≤3M\\ (2d-M)T_1=2T_{2}N\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，d(d≤M)为每时隙每个用户发送的数据流数目，T₁为前向阶段个数，T₂为后向阶段个数。

步骤2T₁个前向阶段，每个阶段4个时隙，每个时隙两个用户发送信号，一个用户和中继接收信号，另一个用户则保持沉默，即不收发任何信号。具体过程如下：

时隙1：用户1、2各发送d(d≤M)个符号给用户3，用户3和中继接收信号，用户4保持沉默；

时隙2：用户1、2各发送d(d≤M)个符号给用户4，用户4和中继接收信号，用户3保持沉默号；

时隙3：用户3、4各发送d(d≤M)个符号给用户1，用户1和中继接收信号，用户2保持沉默；

时隙4：用户3、4各发送d(d≤M)个符号给用户2，用户2和中继接收信号，用户1保持沉默。此时，一个阶段结束，此过程重复T₁次。

用户的天线数为M，每个时隙内接收用户得到了M个包含2d符号的线性方程。由于d≤M<2d，即接收用户的天线数不足以独立解出2d符号，因此需要中继每时隙解出2d-M个符号，并于后向阶段发给各用户，协助其解出所有的符号。

步骤3后向阶段。中继将前向阶段解出的符号进行网络编码并发送，此外，每时隙选出一个用户再发送M-N个符号给接收用户。后向阶段共T₂个，每个阶段4个时隙，每个时隙一个用户和中继发送信号，两个用户接收信号，一个用户保持沉默，具体过程如下：

时隙1：中继发送N个网络编码符号，用户1、3接收，用户2再发送M-N个符号给用户3，用户4保持沉默；

时隙2：中继发送N个网络编码符号，用户2、3接收，用户4再发送M-N个符号给用户2，用户1保持沉默；

时隙3：中继发送N个网络编码符号，用户1、4接收，用户3再发送M-N个符号给用户1，用户2保持沉默；

时隙4：中继发送N个网络编码符号，用户2、4接收，用户1再发送M-N个符号给用户4，用户3保持沉默；此过程重复T₂次。

接收用户收到来自中继的网络编码符号之后，首先利用自信息进行自干扰消除，然后将得到的独立符号代入前向阶段得到的线性方程中，解出所有期望信号。除外接收用户还得到了另外一个用户发送的M-N个符号。此时，每个用户在每个前向阶段中接收2d个符号，每个后向阶段接收M-N个符号，总共接收2dT₁+T₂(M-N)个数据符号，那么每时隙每用户最大传输的数据流即实现的自由度为

$D=\frac{2{\mathrm{dT}}_1+T_2(M-N)}{4T_1+4T_2}---\left(2\right)$

联合式(1)(2)，可得

$\begin{array}{c}D=\frac{2dM+2dN-M^2+MN}{8d-4M+8N}\\ =\left\{\begin{array}{cc}\frac{5MN+M^2}{4M+16N}& 1\&le;\frac{M}{N}<2\\ \frac{N+3M}{12}& 2\&le;\frac{M}{N}\end{array}\right.\end{array}---\left(3\right)$

步骤4如果则按照下列公式求解d,T₁,T₂

$\left\{\begin{array}{c}d\&le;M\\ Y\&le;N\\ 2d\&le;2N-Y\\ \frac{4(2d-M)T_1}{2}=T_{2}N\end{array}\right.---\left(4\right)$

步骤5前向阶段，具体过程和步骤2相同；

步骤6后向阶段，每时隙只有中继发送，两个用户接收，剩下两个用户沉默，其余细节与步骤4相同；

此时，每个用户在每个前向阶段中接收2d个符号，后向阶段没有接收符号，总共接收2dT₁个数据符号，那么每时隙每用户最大传输的数据流即实现的自由度为

$\begin{array}{cc}D=\frac{2{\mathrm{dT}}_1}{4T_1+T_2}=\frac{dN}{2N-M+2d}=\frac{(M+2N)N}{12N-2M},& \frac{2}{3}\&le;\frac{M}{N}<1\end{array}---\left(5\right)$

本发明的技术效果：

将本发明与不存在中继的双向X信道和不存在用户直连链路的双向X中继信道进行比较，以展现本发明所能达到的效果，本发明同时考虑了用户间链路和用户中继之间链路，提出了一种应用时隙扩展的联合传输策略，有效的提高了系统自由度，使得系统可以在同等的天线配置下传输更多的数据，相应地也提高了用户和中继的天线效率。

附图说明

图1是系统模型图；

图2是每时隙每用户归一化自由度曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例

本发明提出的传输方案的主要思路是：通过适当程度的时隙扩展，联合利用用户间和用户中继间的链路交换数据符号，充分利用用户和中继的天线，尽可能多的传输数据符号，从而实现更高的自由度。下面以一具体案例说明。

如图1，考虑一个全连接双向X信道4用户场景、用户天线数为4，中继天线数为2的实例。所有用户分为两组，其中，用户1、2为一组，用户3、4为一组，每个用户只和另外一组的两个用户交换数据，而同组内的用户则不进行数据交换，假设所有结点工作在半双工模式且信道状态信息全局已知。将各结点天线数代入(1)式可得到d＝3,T₁＝2,T₂＝1，即每时隙每用户最多可以发送3个符号，正向阶段共8时隙，反向阶段4时隙。(1)式中第1个公式表示中继能独立解出来的符号数受到中继处天线的限制；第2个公式表示前向阶段发送的总的符号数目受到中继处信号空间和零空间之和的限制；第3个公式表示中继在前向阶段解出来的独立符号数目等于后向阶段利用网络编码发送的符号数目，以此来最大化中继的天线利用率。在第1时隙，用户1、2分别发送3个符号给用户3，用户4保持沉默，那么忽略掉噪声项之后，用户3和中继的接收信号分别为；

$Y_R\left(1\right)=H_{1r}\left(1\right)\underset{i=1}{\overset{3}{\&Sigma;}}{v}_{1,3}^{\&lsqb;i\&rsqb;}{s}_{1,3}^{\&lsqb;i\&rsqb;}+H_{2r}\left(1\right)\underset{j=1}{\overset{3}{\&Sigma;}}{v}_{2,3}^{\&lsqb;j\&rsqb;}{s}_{2,3}^{\&lsqb;j\&rsqb;}---\left(6\right)$

$Y_3\left(1\right)=H_{13}\left(1\right)\underset{i=1}{\overset{3}{\&Sigma;}}{v}_{1,3}^{\&lsqb;i\&rsqb;}{s}_{1,3}^{\&lsqb;i\&rsqb;}+H_{23}\left(1\right)\underset{j=1}{\overset{3}{\&Sigma;}}{v}_{2,3}^{\&lsqb;j\&rsqb;}{s}_{2,3}^{\&lsqb;j\&rsqb;}---\left(7\right)$

其中，Y_R(i)、Y_K(i)分别是中继和用户K时隙i的接收信号，H_kr(i)是时隙i用户K到中继的信道矩阵，H_kp(i)为时隙i用户K到用户P的信道矩阵，为用户K发给用户P的第i个符号的预编码矩阵，分别为用户K发给用户P的第i个符号。用户3收到了4个包含6符号的线性方程，但由于方程数小于未知数，因此还需中继解出2个独立符号并于后向阶段发送给用户3。那么在中继处，我们通过设计发送信号的预编码矩阵将多余的信号或对齐在中继零空间，或对齐在信号空间以使得中继可以解码出需要的独立符号数。对齐条件如下所示：

$H_{1r}\left(1\right)v_{1,3}^{\&lsqb;2\&rsqb;}=H_{2r}\left(1\right)v_{2,3}^{\&lsqb;2\&rsqb;}=0_{2\&times;1}---\left(8\right)$

$H_{1r}\left(1\right)v_{1,3}^{\&lsqb;3\&rsqb;}=H_{2r}\left(1\right)v_{2,3}^{\&lsqb;3\&rsqb;}=0_{2\&times;1}---\left(9\right)$

即两对符号被对齐在中继的零空间处。由于2M-N＝6，因此可以解出满足上述对齐条件的预编码矩阵，那么中继处的接收信号就变为：

$Y_R\left(1\right)=H_{1r}\left(1\right)v_{1,3}^{\&lsqb;1\&rsqb;}{s}_{1,3}^{\&lsqb;1\&rsqb;}+H_{2r}\left(1\right)v_{2,3}^{\&lsqb;1\&rsqb;}{s}_{2,3}^{\&lsqb;1\&rsqb;}---\left(10\right)$

中继利用迫零接收则可解出两个符号然后将其存储起来用于后向阶段的传输。同第1时隙类似，第2时隙用户1、2各发送3个符号给用户4，用户3保持沉默；第3时隙用户3、4各发送3个符号给用户1，用户2保持沉默；第4时隙用户3、4各发送3个符号给用户2，用户1保持沉默；忽略掉噪声项之后，各时隙的接收信号分别如下所示：

$Y_R\left(2\right)=H_{1r}\left(2\right)\underset{i=1}{\overset{3}{\&Sigma;}}{v}_{1,4}^{\&lsqb;i\&rsqb;}{s}_{1,4}^{\&lsqb;i\&rsqb;}+H_{2r}\left(2\right)\underset{j=1}{\overset{3}{\&Sigma;}}{v}_{2,4}^{\&lsqb;j\&rsqb;}{s}_{2,4}^{\&lsqb;j\&rsqb;}---\left(11\right)$

$Y_4\left(2\right)=H_{14}\left(2\right)\underset{i=1}{\overset{3}{\&Sigma;}}{v}_{1,4}^{\&lsqb;i\&rsqb;}{s}_{1.4}^{\&lsqb;i\&rsqb;}+H_{24}\left(2\right)\underset{j=1}{\overset{3}{\&Sigma;}}{v}_{2,4}^{\&lsqb;j\&rsqb;}{s}_{2,4}^{\&lsqb;j\&rsqb;}---\left(12\right)$

$Y_R\left(3\right)=H_{3r}\left(3\right)\underset{i=1}{\overset{3}{\&Sigma;}}{v}_{3,1}^{\&lsqb;i\&rsqb;}{s}_{3,1}^{\&lsqb;i\&rsqb;}+H_{4r}\left(3\right)\underset{j=1}{\overset{3}{\&Sigma;}}{v}_{4,1}^{\&lsqb;j\&rsqb;}{s}_{4,1}^{\&lsqb;j\&rsqb;}---\left(13\right)$

$Y_1\left(3\right)=H_{31}\left(1\right)\underset{i=1}{\overset{3}{\&Sigma;}}{v}_{3,1}^{\&lsqb;i\&rsqb;}{s}_{3,1}^{\&lsqb;i\&rsqb;}+H_{41}\left(1\right)\underset{j=1}{\overset{3}{\&Sigma;}}{v}_{4,1}^{\&lsqb;j\&rsqb;}{s}_{4,1}^{\&lsqb;j\&rsqb;}---\left(14\right)$

$Y_R\left(4\right)=H_{3r}\left(4\right)\underset{i=1}{\overset{3}{\&Sigma;}}{v}_{3,2}^{\&lsqb;i\&rsqb;}{s}_{3,2}^{\&lsqb;i\&rsqb;}+H_{4r}\left(4\right)\underset{j=1}{\overset{3}{\&Sigma;}}{v}_{4,2}^{\&lsqb;j\&rsqb;}{s}_{4,2}^{\&lsqb;j\&rsqb;}---\left(15\right)$

$Y_2\left(4\right)=H_{32}\left(4\right)\underset{i=1}{\overset{3}{\&Sigma;}}{v}_{3,2}^{\&lsqb;i\&rsqb;}{s}_{3,2}^{\&lsqb;i\&rsqb;}+H_{42}\left(4\right)\underset{j=1}{\overset{3}{\&Sigma;}}{v}_{4,2}^{\&lsqb;j\&rsqb;}{s}_{4,2}^{\&lsqb;j\&rsqb;}---\left(16\right)$

每时隙内各发送用户设计预编码矩阵如下：

$H_{1r}\left(2\right)v_{1,4}^{\&lsqb;2\&rsqb;}=H_{2r}\left(2\right)v_{2,4}^{\&lsqb;2\&rsqb;}=0_{2\&times;1}---\left(17\right)$

$H_{1r}\left(2\right)v_{1,4}^{\&lsqb;3\&rsqb;}=H_{2r}\left(2\right)v_{2,4}^{\&lsqb;3\&rsqb;}=0_{2\&times;1}---\left(18\right)$

$H_{3r}\left(3\right)v_{3,1}^{\&lsqb;2\&rsqb;}=H_{4r}\left(3\right)v_{4,1}^{\&lsqb;2\&rsqb;}=0_{2\&times;1}---\left(19\right)$

$H_{3r}\left(3\right)v_{3,1}^{\&lsqb;3\&rsqb;}=H_{4r}\left(3\right)v_{4,1}^{\&lsqb;3\&rsqb;}=0_{2\&times;1}---\left(20\right)$

$H_{3r}\left(4\right)v_{3,2}^{\&lsqb;2\&rsqb;}=H_{4r}\left(4\right)v_{4,2}^{\&lsqb;2\&rsqb;}=0_{2\&times;1}---\left(21\right)$

$H_{3r}\left(4\right)v_{3,2}^{\&lsqb;3\&rsqb;}=H_{4r}\left(4\right)v_{4,2}^{\&lsqb;3\&rsqb;}=0_{2\&times;1}---\left(22\right)$

这样中继在前4个时隙共得到了8个有用信号，分别为：并准备于后向阶段发送给用户。在第2个前向阶段，也就是第5～8时隙，信号的传输过程与第1阶段相同，这样在前向阶段结束之后，中继得到了16个有用信号，每个接收用户得到了8个包含12符号的线性方程，因此每用户还需从中继处获得4个符号才可解出12个期望信号。后向阶段本阶段共有4个时隙，每时隙中继发送2个网络编码符号。中继把在前向阶段解出的16个有用信号进行网络编码可得到8个网络编码符号，这样可以充分利用中继天线，传输更多的符号，网络编码之后的8个符号如下：

$s_1=s_{1,3}^{\&lsqb;1\&rsqb;}+s_{3,1}^{\&lsqb;1\&rsqb;},s_2=s_{1,3}^{\&lsqb;4\&rsqb;}+s_{3,1}^{\&lsqb;4\&rsqb;},s_3=s_{2,3}^{\&lsqb;1\&rsqb;}+s_{3,2}^{\&lsqb;1\&rsqb;},s_4=s_{2,3}^{\&lsqb;4\&rsqb;}+s_{3,2}^{\&lsqb;4\&rsqb;},$

在后向阶段的第1时隙，也就是第9时隙，中继发送两个网络编码符号s₁,s₂给用户1,3，由于用户1、3有4个天线，因此此时还有两个天线闲置，为了充分使用用户天线，我们让用户2再额外发送2个信号 给用户3，用户4沉默，那么用户1,3收到的信号为：

$Y_1\left(9\right)=H_{r1}\left(9\right)\underset{i=1}{\overset{2}{\&Sigma;}}{v}_i{s}_i+H_{21}\left(9\right)v_{2,3}^{\&lsqb;7\&rsqb;}{s}_{2,3}^{\&lsqb;7\&rsqb;}+H_{21}\left(9\right)v_{2,3}^{\&lsqb;8\&rsqb;}{s}_{2,3}^{\&lsqb;8\&rsqb;}---\left(23\right)$

$Y_3\left(9\right)=H_{r3}\left(9\right)\underset{i=1}{\overset{2}{\&Sigma;}}{v}_i{s}_i+H_{23}\left(9\right)v_{2,3}^{\&lsqb;7\&rsqb;}{s}_{2,3}^{\&lsqb;7\&rsqb;}+H_{23}\left(9\right)v_{2,3}^{\&lsqb;8\&rsqb;}{s}_{2,3}^{\&lsqb;8\&rsqb;}---\left(24\right)$

用户1,3解出s₁,s₂之后，通过自干扰消除就可以各自解出两个期望信号，同时用户3还获得2个额外符号第10时隙，用户2,3接收到s₃,s₄，同时用户4向用户2发送信号第11时隙，用户1,4接收到s₅,s₆，同时用户3向用户1发送信号第12时隙，用户2,4接收到s₇,s₈，同时用户1向用户4发送信号当后向阶段结束之后，每个用户通过自干扰消除从中继处获得了4个期望信号，结合前向阶段得到的8个包含12符号的线性方程，就可完全解出12个期望信号，此外由于每个用户还得到了来自其他用户的2个额外信号，那么每个用户都在12个时隙内得到了14个期望信号，实现了自由度如果按照传统算法，忽略了用户间直连链路，那么每个用户在2个时隙内传输了1个数据流，实现了自由度如果忽略了用户中继间链路，那么每个用户在2个时隙内传输了2个数据流，实现了自由度1。因此，本发明所提的传输方案与已存在的两种传统方法相比，在同等的天线配置下可以传输更多的数据流，实现更大的自由度，用户和中继的天线也得到更为充分的利用。需要注意的是，按照给出方案设计每时隙每用户发送的符号个数时，得到的可能不是整数，此时可以通过符号扩展来实现目标自由度。

如图2所示。图2绘制了不同信道模型下可实现的自由度由用户天线M归一化之后的曲线，横坐标为用户天线M与中继天线数N之比。从图2可以看出应用所提方案的有中继的全连接双向X信道的自由度曲线始终位于其他两条曲线之上，其中，双向X信道只考虑用户间直连链路，双向X中继信道只考虑用户中继之间链路。

Claims (1)

1.全连接双向X中继信道中的联合传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)计算用户天线数M和中继天线数N之比，如果则根据下式求解d,T₁,T₂

$\left\{\begin{array}{c}2d\&le;M+N\\ 4d\&le;3M\\ (2d-M)T_1=2T_{2}N\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，d(d≤M)为每时隙每个用户发送的数据流数目，T₁为前向阶段个数，T₂为后向阶段个数；

步骤2)T₁个前向阶段，每阶段4个时隙，每个时隙两个用户发送信号，一个用户和中继接收信号，另一个用户保持沉默，即不收发任何信号，具体过程如下：

时隙1：用户1、2各发送d个符号给用户3，用户3和中继接收信号，用户4保持沉默；

时隙2：用户1、2各发送d个符号给用户4，用户4和中继接收信号，用户3保持沉默；

时隙3：用户3、4各发送d个符号给用户1，用户1和中继接收信号，用户2保持沉默；

时隙4：用户3、4各发送d个符号给用户2，用户2和中继接收信号，用户1保持沉默，此时，一个阶段结束，此过程重复T₁次；

用户的天线数为M，每个时隙内接收用户得到了M个包含2d符号的线性方程，由于d≤M<2d，即接收用户的天线数不足以独立解出2d符号，因此需要中继每时隙解出2d-M个符号，并于后向阶段发给各用户，协助其解出所有的符号；

步骤3)后向阶段,中继将前向阶段解出的符号进行网络编码并发送，除此之外，每时隙选出一个用户再发送M-N个符号给接收用户，后向阶段共T₂个，每个阶段4个时隙，每个时隙一个用户和中继发送信号，两个用户接收信号，一个用户保持沉默，具体过程如下：

时隙1：中继发送N个网络编码符号，用户1、3接收，用户2再发送M-N个符号给用户3，用户4保持沉默；

时隙2：中继发送N个网络编码符号，用户2、3接收，用户4再发送M-N个符号给用户2，用户1保持沉默；

时隙3：中继发送N个网络编码符号，用户1、4接收，用户3再发送M-N个符号给用户1，用户2保持沉默；

时隙4：中继发送N个网络编码符号，用户2、4接收，用户1再发送M-N个符号给用户4，用户3保持沉默；此过程重复T₂次；

接收用户收到来自中继的网络编码符号之后，首先利用自信息进行自干扰消除，然后将得到的独立符号代入前向阶段得到的线性方程中，解出所有期望信号，除外接收用户还得到了另外一个用户发送的M-N个符号，每个用户在每个前向阶段中接收2d个符号，每个后向阶段接收M-N个符号，总共接收2dT₁+T₂(M-N)个数据符号，那么每时隙每用户最大传输的数据流即实现的自由度为

$D=\frac{2{\mathrm{dT}}_1+T_2(M-N)}{4T_1+4T_2}---\left(2\right)$

联合式(1)(2)，可得

$\begin{array}{c}D=\frac{2dM+2dN-M^2+MN}{8d-4M+8N}\\ =\left\{\begin{array}{cc}\frac{5MN+M^2}{4M+16N}& 1\&le;\frac{M}{N}<2\\ \frac{N+3M}{12}& 2\&le;\frac{M}{N}\end{array}\right.\end{array}---\left(3\right)$

步骤4)如果则按照下列公式求解d,T₁,T₂

$\left\{\begin{array}{c}d\&le;M\\ Y\&le;N\\ 2d\&le;2N-Y\\ \frac{4(2d-M)T_1}{2}=T_{2}N\end{array}\right.---\left(4\right)$

步骤5)前向阶段，具体过程和步骤2)相同；

步骤6)后向阶段，每时隙只有中继发送，两个用户接收，剩下两个用户沉默，其余细节与步骤4)相同；

此时，每个用户在每个前向阶段中接收2d个符号，后向阶段没有接收符号，总共接收2dT₁个数据符号，那么每时隙每用户最大传输的数据流即实现的自由度为

$\begin{array}{cc}D=\frac{2{\mathrm{dT}}_1}{4T_1+T_2}=\frac{dN}{2N-M+2d}=\frac{(M+2N)N}{12N-2M},& \frac{2}{3}\&le;\frac{M}{N}<1\end{array}---\left(5\right).$