[發明專利]基于信號子空間對齊的多源異質信號干擾抑制方法

有效

• 申請號: 201410165408.4
• 申請日: 2014-04-23
• 公開（公告）號: CN103929385B
• 公開（公告）日: 2017-04-19
• 發明（設計）人: 王勇;朱輝;李小青;王濤;李暉
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學寧波信息技術研究院
• 主分類號: H04L25/03
• 分類號: H04L25/03;H04B7/04
• 代理公司: 寧波誠源專利事務所有限公司33102
• 代理人: 鄧青玲

1.一種基于信號子空間對齊的多源異質信號干擾抑制方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)、分別確定各個通信節點發送的異質信號中私有信號的預編碼矢量和公共信號的預編碼矢量：

(1-1)、設有四個通信節點和一個中繼節點，每個通信節點向其他通信節點發送三路獨立私有信號，第一個通信節點和第四個通信節點發送一路公共信號，第二個通信節點和第三個通信節點發送兩路相同的公共信號，某一通信節點發送的異質信號由該通信節點發送的私有信號和公共信號混合組成；根據這些異質信號是否需要在中繼節點進行網絡編碼，分別確定私有信號需要空間對齊的私有信號組合和公共信號需要空間對齊的公共信號組合；

(1-2)、利用相交子空間原理，根據公式(1)確定出能使上述私有信號中一對期望組合的私有信號對齊到相同信號子空間的預編碼矢量，根據公式(2)確定出能使上述公共信號中一對期望組合的公共信號對齊到相同信號子空間的預編碼矢量：

其中，第i個通信節點發往第j個通信節點的私有信號和第j個通信節點發往第i個通信節點的私有信號稱為一對期望組合的私有信號，一對期望組合的私有信號稱為私有信號組合，第i個通信節點發送的第二路公共信號和第i+1個通信節點發送的第一路公共信號稱為一對期望組合的公共信號，一對期望組合的公共信號稱為公共信號組合，H^[R,i]表示第i個通信節點到中繼節點R的信道傳輸矩陣，H^[R,j]表示第j個通信節點到中繼節點R的信道傳輸矩陣，表示第i個通信節點發往第j個通信節點的私有信號需要的預編碼矢量，表示第j個通信節點發往第i個通信節點的私有信號需要的預編碼矢量，表示第i個通信節點發送的第二路公共信號需要的預編碼矢量，表示第i+1個通信節點發送的第一路公共信號需要的預編碼矢量，span(X)表示任意矩陣X的列矢量張成的空間；

(2)、各通信節點在第一時隙——多址接入階段，利用步驟(1-2)中確定的私有信號的預編碼矢量和公共信號的預編碼矢量，同時發送三路私有信號和公共信號，中繼節點接收各通信節點發往中繼節點的混合異質信號，該混合異質信號為各通信節點的異質信號經預編碼處理后進行混合和加噪的信號，中繼節點接收各通信節點發往中繼節點的混合異質信號y^[R]為：

$y^{\[R\]}=\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}{H}^{\[R,i\]}(\underset{j\≠i}{\Σ}{v}_p^{\[j,i\]}{s}_p^{\[j,i\]}+\underset{t=1}{\overset{2}{\Σ}}{v}_{c,t}^{\[i\]}{s}_c^{\[i\]})+n^{\[R\]}$

其中，H^[R,i]表示第i個通信節點到中繼節點R的信道傳輸矩陣，表示第i個通信節點發往第j個通信節點的私有信號需要的預編碼矢量，表示第i個通信節點發往第j個通信節點的私有信號，表示第i個通信節點發送的公共信號，表示第i個通信節點發送的第一路公共信號需要的預編碼矢量，表示第i個通信節點發送的第二路公共信號需要的預編碼矢量，且M表示通信節點天線數目，n^[R]表示中繼節點R的噪聲矢量；

(3)、中繼節點的接收傳輸信道轉化為等效獨立信道，對步驟(2)中接收到的混合異質信號進行譯碼，獲得混合異質信號子空間對齊后的譯碼估計值：

(3-1)、根據網絡編碼信號子空間對齊條件，分別得到私有信號的子空間對齊等式和公共信號的子空間對齊等式：

私有信號的子空間對齊等式為：

公共信號的子空間對齊等式為：

$H^{\[R,i\]}{v}_{c,2}^{\[i\]}=H^{\[R,i+1\]}{v}_{c,1}^{\[i+1\]}=u_c^i,i\∈\{1,2,3\};$

其中，H^[R,i]表示第i個通信節點到中繼節點R的信道傳輸矩陣，表示第i個通信節點發往第j個通信節點的私有信號需要的預編碼矢量，H^[R,j]表示第j個通信節點到中繼節點R的信道傳輸矩陣，表示第j個通信節點發往第i個通信節點的私有信號需要的預編碼矢量，表示第i個通信節點和第j個通信節點間私有信息的等效傳輸信道，π(i,j)表示順序遞增的編號，表示第i個通信節點發送的第二路公共信號需要的預編碼矢量，H^[R,i+1]表示第i+1個通信節點到中繼節點R的信道傳輸矩陣，表示第i+1個通信節點發送的第一路公共信號需要的預編碼矢量，表示第i個通信節點和第i+1個通信節點間公共信息的等效傳輸信道；

(3-2)、中繼節點對步驟(2)中接收到的混合異質信號進行信號變換，并根據私有信號的子空間對齊等式和公共信號的子空間對齊等式得到混合異質信號子空間對齊后的譯碼估計值：

其中，U_p表示所有通信節點發送的私有信號等效信道傳輸矩陣，U_c表示所有通信節點發送的公共信號等效信道傳輸矩陣，U_p和U_c均是非奇異陣；和分別由步驟(3-1)中的私有信號的子空間對齊等式和公共信號的子空間對齊等式得到，表示第i個通信節點發往第j個通信節點的私有信號，表示第i個通信節點發送的公共信號，n^[R]表示中繼節點R的噪聲矢量；其中表示4個通信節點發出的12個私有信號進行信號子空間對齊后的等效私有信號，m取1至6中的任一自然數；表示4個通信節點發出的6個公共信號進行信號子空間對齊后的等效公共信號，中繼節點R利用迫零譯碼算法，分別獲得譯碼估計值：

(4)、中繼節點對步驟(3-2)中得到的譯碼估計值進行物理層網絡編碼，獲得網絡編碼信號，并在第二時隙——廣播發送階段，通過對網絡編碼信號進行預編碼發射矢量加權后進行廣播發送：

(4-1)、中繼節點將步驟(3-2)中得到的譯碼估計值進行物理層網絡編碼調制，得到網絡編碼信號：其中表示網絡編碼信號中的私有信號，表示網絡編碼信號中的公共信號，表示異或操作；

(4-2)、中繼節點利用相交子空間原理，使接收相同網絡編碼信號的用戶信號方向對齊到相同信號子空間，并根據公式(3)確定出能使網絡編碼信號中私有信號方向對齊到相同信號子空間的預編碼矢量，根據公式(4)確定出能使網絡編碼信號中公共信號方向對齊到相同信號子空間的預編碼矢量：

其中，H^[i,R]表示中繼節點R到第i個通信節點的信道傳輸矩陣，H^[j,R]表示中繼節點R到第j個通信節點的信道傳輸矩陣，表示第i個通信節點接收通信節點i和通信節點j的網絡編碼信號中私有信號需要的預編碼矢量，表示第j個通信節點接收通信節點i和通信節點j的網絡編碼信號中私有信號需要的預編碼矢量，表示第i個通信節點接收通信節點i和通信節點j的網絡編碼信號中公共信號需要的預編碼矢量，表示第j個通信節點接收通信節點i和通信節點j的網絡編碼信號中公共信號需要的預編碼矢量，span(X)表示任意矩陣X的列矢量張成的空間；

(4-3)、根據網絡編碼信號子空間對齊條件，分別得到網絡編碼信號中私有信號的子空間對齊等式和網絡編碼信號中公共信號的子空間對齊等式：

網絡編碼信號中私有信號的子空間對齊等式為：

網絡編碼信號中公共信號的子空間對齊等式為：

其中，表示第i個通信節點和第j個通信節點間私有信號的等效傳輸信道，表示第i個通信節點和第j個通信節點間公共信號的等效傳輸信道，πp(i,j)和πc(i,j)分別表示順序遞增的編號，根據和構造第i個通信節點的接收預編碼矩陣即所有通信節點的情況如下：

$Q^{\[1\]}={\[q_p^{\[1,2\]}{q}_p^{\[1,3\]}{q}_p^{\[1,4\]}{q}_c^{\[1,2\]}{q}_c^{\[1,3\]}{q}_c^{\[1,4\]}\]}^T$

$Q^{\[2\]}={\[q_p^{\[2,1\]}{q}_p^{\[2,3\]}{q}_p^{\[2,4\]}{q}_c^{\[2,1\]}{q}_c^{\[2,3\]}{q}_c^{\[2,4\]}\]}^T$

$Q^{\[3\]}={\[q_p^{\[3,1\]}{q}_p^{\[3,2\]}{q}_p^{\[3,4\]}{q}_c^{\[3,1\]}{q}_c^{\[3,2\]}{q}_c^{\[3,4\]}\]}^T$

$Q^{\[4\]}={\[q_p^{\[4,1\]}{q}_p^{\[4,2\]}{q}_p^{\[4,3\]}{q}_c^{\[4,1\]}{q}_c^{\[4,2\]}{q}_c^{\[4,3\]}\]}^T$

(4-4)、利用子空間對齊后得到的等效信道為：

$Z={\[z_p^{\mathrm{\π}p(1,2)}{z}_p^{\mathrm{\π}p(1,3)}{z}_p^{\mathrm{\π}p(1,4)}{z}_p^{\mathrm{\π}p(2,3)}{z}_p^{\mathrm{\π}p(2,4)}{z}_p^{\mathrm{\π}p(3,4)}{z}_c^{\mathrm{\π}c(1,2)}{z}_c^{\mathrm{\π}c(1,3)}{z}_c^{\mathrm{\π}c(1,4)}{z}_c^{\mathrm{\π}c(2,3)}{z}_c^{\mathrm{\π}c(2,4)}{z}_c^{\mathrm{\π}c(3,4)}\]}^H$

從等效信道中刪除私有信號等效信道矢量后得到的等效信道為從中刪除公共信號等效信道矢量和(m≠n≠i≠j)后得到的等效信道為

(4-5)、通過如下公式分別獲取私有信號的預編碼發射矢量和公共信號的預編碼發射矢量：

私有信號的預編碼發射矢量：

$T_p^1\∈null\left({\tilde{Z}}_p^{\mathrm{\π}p(1,2)}\right),T_p^2\∈null\left({\tilde{Z}}_p^{\mathrm{\π}p(1,3)}\right),T_p^3\∈null\left({\tilde{Z}}_p^{\mathrm{\π}p(1,4)}\right),$

$T_p^4\∈null\left({\tilde{Z}}_p^{\mathrm{\π}p(2,3)}\right),T_p^5\∈null\left({\tilde{Z}}_p^{\mathrm{\π}p(2,4)}\right),T_p^6\∈null\left({\tilde{Z}}_p^{\mathrm{\π}p(3,4)}\right),$

公共信號的預編碼發射矢量：

$T_c^1\∈null\left({\tilde{Z}}_c^{\mathrm{\π}c(1,2),\mathrm{\π}c(3,4)}\right),T_c^2\∈null\left({\tilde{Z}}_c^{\mathrm{\π}c(1,3),\mathrm{\π}c(2,4)}\right),T_c^3\∈null\left({\tilde{Z}}_c^{\mathrm{\π}c(1,4),\mathrm{\π}c(2,3)}\right)$

其中，null(X)表示任意矩陣X的零空間，表示第πp(i,j)個網絡編碼組合中私有信號的預編碼發射矢量，表示第πc(i,j)個和第πc(m,n)個網絡編碼組合中公共信號的預編碼發射矢量；

(4-6)、在第二時隙——廣播發送階段，中繼節點發送廣播信號到通信節點：

其中，中繼節點R發送的廣播信號為和T_cⁿ分別是步驟(4-5)中確定的私有信號的預編碼發射矢量和公共信號的預編碼發射矢量，表示中繼節點R對私有信號進行網絡編碼后的第m個發送信號，表示中繼節點R對公共信號進行網絡編碼后的第n個發送信號；

(5)、通信節點接收中繼節點發送來的廣播信號，利用預編碼發射矢量和預編碼接收矢量對中繼節點廣播發送的廣播信號進行干擾抑制：

(5-1)、利用步驟(4-5)中得到的私有信號的預編碼發射矢量，使通信節點接收的干擾私有信號的等效傳輸信道滿足：

$q_p^{\[i,j\]}{H}^{\[i,R\]}{T}_p^m=0,q_p^{\[j,i\]}{H}^{\[j,R\]}{T}_p^m=0,$

即將廣播信號中的干擾信號變換到廣播信號中期望的私有信號空間的零空間內，以消除通信節點接收信號中的干擾信號其中，其中，H^[i,R]表示中繼節點R到第i個通信節點的信道傳輸矩陣，為步驟(4-5)中確定的私有信號的預編碼發射矢量；

利用步驟(4-5)中得到的公共信號預編碼發射矢量，使接收的干擾公共信號的等效傳輸信道滿足：

$q_c^{\[i,j\]}{H}^{\[i,R\]}{T}_c^n=0,q_c^{\[j,i\]}{H}^{\[j,R\]}{T}_c^n=0,$

即將廣播信號中的干擾信號變換到廣播信號中期望的公共信號空間的零空間內，以消除通信節點接收信號中的干擾信號其中，其中，H^[i,R]表示中繼節點R到第i個通信節點的信道傳輸矩陣，T_cⁿ為步驟(4-5)中確定的公共信號的預編碼發射矢量；

(5-2)、消除干擾信號后得到的第i個通信節點的等效接收信號為：

$\begin{array}{c}{\hat{y}}^{\[i\]}=Q^{\[i\]}{H}^{\[i,R\]}\left(\underset{m=1}{\overset{6}{\Σ}}{T}_p^m{s}_{R,p}^m+\underset{n=1}{\overset{3}{\Σ}}{T}_c^n{s}_{R,c}^n\right)+{\hat{n}}^{\[i\]}\\ ={\hat{H}}^{\[i,R\]}{S}_R^i+{\hat{n}}^{\[i\]}\end{array}$

其中，是通信節點i的接收預編碼矩陣，H^[i,R]表示中繼節點R到第i個通信節點的信道傳輸矩陣，和分別是步驟(4-5)中確定的私有信號的預編碼發射矢量和公共信號的預編碼發射矢量，表示中繼節點R對私有信號進行網絡編碼后的第m個發送信號，表示中繼節點R對公共信號進行網絡編碼后的第n個發送信號，表示通信節點i的期望接收信號，表示通信節點i的噪聲矢量，是第i個通信節點的接收等效傳輸矩陣并且是對角陣；

(6)、對已經消除了干擾信號的某個通信節點的等效接收信號進行網絡編碼的譯碼，獲取該通信節點期望接收的混合異質信號的估計值：

(6-1)、第i個通信節點的接收等效傳輸矩陣是對角陣，使用迫零譯碼算法，獲得第i個通信節點的譯碼信號；

(6-2)、利用第i個通信節點自身發送的信號和步驟(6-1)中的譯碼信號進行網絡編碼的譯碼操作，獲得第i個通信節點期望接收的私有信號的估計值和公共信號的估計值，私有信號的估計值和公共信號的估計值公式如下：

${\hat{s}}_p^{\[i,j\]}=(s_p^{\[i,j\]}\⊕s_p^{\[j,i\]})\⊕s_p^{\[j,i\]},{\hat{s}}_c^{\[j\]}=(s_c^{\[i\]}\⊕s_c^{\[j\]})\⊕s_c^{\[i\]},$

其中，表示第j個通信節點發往第i個通信節點的私有信號的估計值，第i個通信節點期望接收的公共信號的估計值則包含其余三個通信節點發送的公共信號的估計值，而表示第j個通信節點發送的公共信號的估計值，此處第j個通信節點為除了第i個通信節點外其他的三個通信節點中的某一個通信節點；表示第i個通信節點發往第j個通信節點的私有信號，表示第j個通信節點發往第i個通信節點的私有信號，表示第i個通信節點發送的公共信號，表示第j個通信節點發送的公共信號。

2.根據權利要求1所述的基于信號子空間對齊的多源異質信號干擾抑制方法，其特征在于，所述步驟(4)中的物理層網絡編碼包括以下步驟：

首先，對私有信號和私有信號進行異或操作，獲得網絡編碼信號中的私有信號其次，對公共信號和公共信號進行異或操作，獲得網絡編碼信號中的公共信號其中，表示第j個通信節點發往第i個通信節點的私有信號，表示第i個通信節點發往第j個通信節點的私有信號，表示第i個通信節點發送的公共信號，表示第j個通信節點發送的公共信號，i≠j。