[發明專利]基于聯合收發波束成形的全雙工單向中繼自干擾抑制方法

有效

• 申請號: 201710125698.3
• 申請日: 2017-03-05
• 公開（公告）號: CN107124245B
• 公開（公告）日: 2019-03-05
• 發明（設計）人: 張延華;楊旭月;楊睿哲;孫艷華;吳文君
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H04J11/00
• 分類號: H04J11/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

1.基于聯合收發波束成形的全雙工單向中繼自干擾抑制方法，本方法首先建立不含直接通信鏈路的全雙工多天線單向中繼系統模型；之后，確定需要優化目標，即中繼節點接收端SINR的數學模型；最后，通過奇異值分解及聯合收發波束成形優化策略獲得各個節點的最優收發波束成形矢量；

其特征在于：本方法包括以下步驟，

步驟1，建立不含直接通信鏈路的全雙工多天線單向中繼系統模型；

步驟1.1，建立全雙工多天線單向中繼系統的上行鏈路模型；

全雙工多天線單向中繼系統是由源節點、信宿節點和全雙工單向中繼節點組成，其系統模型中，源節點和信宿節點分別包含n_S和n_D根天線，全雙工單向中繼節點包含n_T根發送天線與n_R根接收天線，且n_S≤n_R，n_T≤n_D；源節點和信宿節點均處于半雙工模式，中繼節點處于全雙工模式且發送和接收天線陣列之間存在物理隔離；因此，該系統上行鏈路中繼節點接收信號的數學模型可以表示為：

y(t)＝H_UPx(t)+H_Lx_L(t)+n_R(t) (1)

其中，表示全雙工單向中繼t時刻接收信號的列矢量，上標T表示矩陣或矢量的轉置；H_UP和H_L分別表示一個n_R×n_S維的上行信道矩陣和一個n_R×n_T維的單向中繼自干擾信道矩陣，n_S≥2表示源節點的天線數，n_T≥2表示全雙工單向中繼的發送天線數，n_R≥2表示全雙工單向中繼的接收天線數，矩陣每一個元素均建模為均值是0，方差是1的獨立同分布復高斯隨機變量；表示一個n_S×1維的源節點發送信號列矢量，其中x_j(t)∈ψ，j＝1,…,n_S，ψ表示源節點調制星座集合，本方法采用二進制相移鍵控BPSK方式且假設所有節點所用的調制方式均相同；表示與中繼節點接收信號y(t)同時同頻的中繼發送信號列矢量，其中表示一個n_R×1維的上行信道高斯白噪聲列矢量，其中每個元素是服從均值為0，方差為的復高斯隨機變量，即

步驟1.2，建立全雙工多天線單向中繼系統的下行鏈路模型；

在下行通信鏈路中，信宿節點接收信號的數學模型表示為：

r(t)＝H_Dx_L(t)+n_D(t) (2)

其中，表示一個n_D×1維的信宿節點t時刻接收信號列矢量，且n_D≥2表示信宿節點的天線數；H_D表示一個n_T×n_D維的下行信道矩陣，其包含的每個元素服從均值為0，方差為1的復高斯分布；n_D(t)表示一個n_D×1維的高斯白噪聲列矢量；信道狀態信息CSI在各個節點收發端均默認為已知；

步驟2，根據式(1)和收發波束成形原理進一步得到單向中繼接收端獲得的源節點發送符號的數學模型，該模型可以等效表示為：

其中表示單向中繼的接收波束成形列矢量；表示單向中繼的發送波束成形列矢量；表示源節點的發送波束成形列矢量；符號H表示復矩陣或矢量的共軛轉置；表示單向中繼t時刻源節點發送符號的估計值，且s(t)∈ψ表示源節點t時刻的發送符號；s_L(t)∈ψ表示中繼接收s(t)的同時向信宿節點發送的符號；

同理，根據式(2),信宿節點獲得的中繼發送符號的數學表達式為：

其中，表示信宿節點的接收波束成形列矢量；表示信宿節點獲得的t時刻單向中繼節點發送的估計符號；

步驟3，根據式(3)確定SINR的數學表達式，即

其中，由于發送功率的限制，令||g_s||₂＝||g_t||₂＝1，同時為了不失一般性，令||g_r||₂＝1；s(t)s^H(t)和分別表示源節點和自干擾信號功率；

步驟4，令Ω^m表示包含個元素的列矢量集合，則SINR的優化過程表示為：

由上式可知，SINR的優化過程與矢量g_t、g_s與g_r有關；其中，根據收發波束成形原理可知，矢量g_t由下行信道H_D決定；

步驟5，最優單向中繼發送波束成形矢量g_t由下行信道H_D奇異值分解得到；之后將所得的矢量g_t代入式(6)；

步驟6，假設接收波束成形矢量g_r為發送波束成形矢量g_s的函數，因此，式(6)的聯合優化問題可以轉化為下式所示：

經計算，進一步得到中繼節點最優的接收波束成形矢量g_r，即

其中表示源節點的發送功率，表示單向中繼節點的發送功率，即為自干擾功率；

步驟7，將式(8)代入式(7)計算源節點發送波束成形矢量g_s的優化結果，即

經分析得到最終的優化結果為η為厄米特矩陣最大特征值對應的單位特征矢量。