[發明專利]多組多用戶雙向中繼網絡中一種對抗干擾的方法

在審

• 申請號: 201310003570.1
• 申請日: 2013-01-04
• 公開（公告）號: CN103078710A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發明（設計）人: 呂鐵軍;吳仁舉
• 申請（專利權）人: 北京郵電大學
• 主分類號: H04L1/00
• 分類號: H04L1/00;H04L1/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.多組多用戶雙向中繼網絡中一種對抗干擾的方法，所適用的場景為：由K組(每組包含兩個用戶)單天線用戶和一個配備有兩根天線的中繼節點(RelayNode，RN)組成的雙向中繼網絡。屬于同一組的兩個用戶在RN的幫助下進行雙向信息交換。U_ki表示第k組的第i個用戶，其中k＝1，2，…，K，i＝1，2。s_ki表示用戶U_ki發送的信息；表示用戶U_ki到中繼節點的信道矩陣，其每個元素都是獨立同分布的，并且服從分布；P_ki表示用戶U_ki的發射功率；n表示中繼節點的2×1復高斯加性噪聲矢量。假設上行鏈路信道和下行鏈路信道具有互易性，那么中繼節點到用戶的信道為其中上標(·)^H代表向量或矩陣的共軛轉置操作。其特征在于：所提方法包括下列兩個操作步驟：

(1)多址階段：所有用戶同時向中繼節點發送信息；

(2)廣播階段：中繼節點對多址階段接收到的信號進行一定的處理操作后廣播給所有用戶，每個用戶通過解碼恢復出期望的目的信息從而完成雙向信息交換。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：所提方法在應用過程中，通信系統還必須滿足以下條件：所有節點都工作在半雙工模式，即每個節點的發送和接收不能同時進行；所有用戶與中繼節點間的信道為獨立同分布準靜態瑞利衰落信道，即信道在連續幾個數據包的傳送時間內是恒定不變的；中繼節點掌握全局信道信息用來對多址階段接收到的混合信號進行最大似然解碼。

3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于：步驟(2)中的操作包括如下內容：

(21)中繼節點收到的多址階段所有用戶發送的基帶信號用y表示，則中繼節點利用其掌握的全局信道信息對y進行最大似然解碼，這一操作過程用如下公式表示：其中Ω＝{-1，1}，代表中繼節點解碼出的用戶U_ki的信息，k＝1，2，…，K，i＝1，2，||·||²表示其元素的Frobenius范數。

(22)在中繼節點處對解碼出的每組用戶的信息應用基于比特異或的物理層網絡編碼，可表示如下：式中k＝1，2，…，K。

(23)對(22)執行完后得到的每組用戶的物理層網絡編碼的符號進行疊加編碼操作，所得信號為：式中P_k代表分配給符號s_k的功率，中繼總功率為所有用戶之和。另外需使得P_m≠P_n對m≠n，以保證(s₁，s₂，…，s_K)到S_sc的映射是一一映射。

(24)為了充分利用中繼節點的兩根天線，采用Alamouti編碼以獲得空間分集增益。令S_sc1和S_sc2表示兩個連續的經過疊加編碼后的符號，中繼節點根據下式廣播給所有用戶：S=Ssc1-Ssc2*Ssc2Ssc1*,]]>式中(·)*表示共軛操作。

(25)在用戶端，接收到中繼廣播的信號后，每組用戶執行串行干擾消除以恢復其期望的信息，然后利用最大似然準則檢測出期望的物理層網絡編碼符號。出于對稱性和簡便性的考慮，此處以用戶U₁₁的操作為例說明：用戶U₁₁首先進行串行干擾消除操作以消除其它組用戶對其造成的干擾。用戶U₁₁接下來通過最大似然準則恢復出期望的物理層網絡編碼符號，連續兩個時隙的物理層網絡編碼符號表示為和此處隱含地要求每個用戶必須知道疊加編碼時分配給每個用戶組的物理層網絡編碼符號的功率，才能夠利用最大似然準則解碼出期望的物理層網絡編碼符號。用戶U₁₁通過自信息與異或操作，可以得到期望的信息類似地與進行異或操作可得到相關操作可表示如下：其它用戶執行與用戶U₁₁相似的操作，這樣就完成了多組用戶間的雙向通信。

(26)考慮系統可獲得的平均和速率。考慮某個給定信道實現下的情形，在多址階段，每個用戶的傳輸速率和總的和速率應滿足如下約束：RkiMA≤log2(1+P||hki||2σ2),]]>Σk=1KΣi=12RkiMA≤RMA=log2det(I2+Pσ2HH*),]]>式中P表示每個符號的發射功率，I₂表示2×2單位矩陣，k＝1，2，…，K，i＝1，2。第二個式子表明多址階段所有用戶的和速率不能超過把所考慮的通信場景看作由2K根本地協作發射天線和2根接收天線組成的多天線系統的容量。

在廣播階段，每個用戶的傳輸速率可用下式表示：式子右端對數函數里第二項分母上的常數2是由于中繼廣播是采用Alamouti編碼所導致的功率損失。由于在廣播階段中繼節點向用戶組發射相同的符號序列，因此每組用戶中較小的速率決定著最終可以可靠傳送的信息速率，則用戶U_ki的速率為：式中||g_k||²＝min(||h_k1||²，||h_k2||²)，k＝1，2，…，K，i＝1，2。

考慮疊加編碼對速率的影響。為方便討論，假設||g₁||²≤||g₂||²≤…≤||g_K||²，把屬于同一組的用戶看作一個整體，從上面的假設可知，當m＞n時，用戶組m比用戶組n具有更好的信道質量。此處以兩組用戶為例說明用戶端的信號處理操作。由于用戶組2比用戶組1具有更好的信道質量，因此用戶組2可以解碼任意用戶組能夠解碼的數據。用戶組1解碼其目的信息時把用戶組2的信號處理為噪聲。用戶組2首先解碼用戶組1的信號，然后從接收信號中減去，最后解碼其期望的信息。第k組用戶的可達速率可用下式表示：Rk=min(RkiMA,RkiBC,RkSC)=log2(1+Pk2||gk||2σ2+(Σm=k+1KPm2)||gk||2),]]>其中表示采用疊加編碼后第k組用戶的速率。

通過對互信息在所有可能的信道狀態上求期望就可以得到平均和速率，可以表示為：Rsum=12E[min(Σk=1K2Rk,RMA)]=E[Σk=1KRk],]]>式中常數因子是因為需要2個時隙完成雙向信息交換。

(27)考慮系統的中斷性能。當系統中用戶的瞬時傳輸速率低于目標速率時，稱之為發生了一次中斷事件。只要有一組用戶發生了中斷，就稱系統發生了中斷。那么系統的中斷概率可以表示為：p_out(R^t)＝Pr{min(R₁，…，R_k)＜R^t}式中R^t為目標速率。仍然假設||g₁||²≤||g₂||²≤…≤||g_K||²，考慮每組用戶最終可以實現的速率，中斷概率可以重新寫為：p_out(R^t)＝Pr{R₁＜R^t}，式中R₁是用戶組1中的兩個用戶的通信速率且：R1=log2(1+P||g1||2σ2+(K-1)P||g1||2)=log2(1+ρ||g1||21+(K-1)ρ||g1||2),]]>式中當||h_ki||²的值較小時其概率密度函數可以近似為：f(x)≈x，x≥0。注意到||g₁||²＝min(||g₁||²，||g₂||²，…，||g_K||²)，||g₁||²的累積分布函數通過計算可以得到：Pr(||g1||2<z)=1-(1-∫0zf(x)dx)2K≈Kz2,z≥0.]]>在高信噪比區域，系統的中斷概率可以進一步推導為：pout(Rt)=Pr(||g1||2<2Rt-1ρ(K+2Rt-K2Rt))≈K(2Rt-1)2ρ2(K+2Rt-K2Rt)2.]]>從上式可以看出信道質量最差的用戶組的用戶所獲得的分集階數為2。然而其它具有較好信道質量用戶組的用戶所獲得的分集階數大于2，因為它們受益于串行干擾消除操作。總之，系統所獲得的分集階數為2，因為系統最終性能是由性能最差的用戶所決定的。