双向全双工MIMO中继通信系统中的自干扰消除方法

摘要

本发明公开一种全双工MIMO中继自干扰消除方法，主要解决现有技术中只考虑最小化自干扰而忽视系统容量性能的问题。其实现步骤是：1)估计信道参数；2)设计第一源节点的发射，接收波束成形矩阵以消除第一源节点的自干扰；3)设计第二源节点的发射，接收波束成形矩阵，以消除第二源节点的自干扰；4)设计中继节点的发射，接收波束成形矩阵，以消除中继节点的自干扰，并同时选择符合条件的发射，接收波束成形矩阵最大化系统容量。本发明不仅消除了中继节点的自干扰，又消除了两个源节点的自干扰，且能在消除自干扰的同时最大化系统的容量，可用于未来第五代无线移动通信的分布式协作传输系统。

主权项

一种最大化系统容量的双向全双工MIMO中继自干扰消除方法，包括：(1)采用最小均方误差信道估计方法估计如下信道参数：第一源节点到中继节点的信道参数H_1r，第二源节点到中继节点的信道参数H_2r，中继节点到第一源节点的信道参数H_r1，中继节点到第二源节点的信道参数H_r2，中继节点的自干扰信道参数H_rr，第一源节点自干扰信道参数H₁₁，第二源节点的自干扰信道参数H₂₂；(2)采用零空间投影法设计第一源节点的接收波束成形矩阵U₁和发射波束成形矩阵V₁，消除第一源节点的自干扰；(3)采用零空间投影法设计第二源节点的接收波束成形矩阵U₂和发射波束成形矩阵V₂，消除第二源节点的自干扰；(4)设计中继节点的发射波束成形矩阵W_t和接收波束成形矩阵W_r，消除中继节点的自干扰：(4a)对中继节点的自干扰信道H_rr进行如下奇异值分解：$H_{rr}=U_{rr}{\Sigma }_{rr}{V}_{rr}^H$其中，U_rr是H_rr的左奇异矩阵，∑_rr是由H_rr的奇异值组成的对角矩阵，V_rr是H_rr右奇异矩阵；(4b)利用(4a)中的U_rr，V_rr得到中继节点的发射波束成形矩阵W_t和接收波束成形矩阵W_r：$W_r=D_{Rr}^T{U}_{rr}^H,W_t=V_{rr}{D}_{Rt},$(4c)根据(4a)和(4b)得到中继节点的自干扰项表达式：$W_r{H}_{rr}{W}_t=D_{Rr}^T{U}_{rr}^H{U}_{rr}{\Sigma }_{rr}{V}_{rr}^H{V}_{rr}{D}_{Rt}=D_{Rr}^T{\Sigma }_{rr}{D}_{Rt}={\Sigma }_{n=N_{Rr}+N_{Rt}-\left({\hat{N}}_{Rr}\times {\hat{N}}_{Rt}\right)+1}^{\min \left\{N_{Rr},N_{Rt}\right\}}{\sigma }_{RR}^2\left[n\right]$其中是行子集选择矩阵，是列子集选择矩阵，N_Rt是中继节点的发射天线数，N_Rr是中继节点的接收天线数，是行子集选择矩阵的秩，是列子集选择矩阵的秩；表示中继自干扰矩阵H_rr的第n个奇异值的平方，(.)^H表示共轭转置矩阵，(.)^T表示转置矩阵；(4d)通过(4b)中的行子集选择矩阵和列子集选择矩阵D_Rt，选择出使中继节点的自干扰项W_rH_rrW_t＝0的接收波束成形矩阵W_r，发射波束成形矩阵W_t：W_r＝[u_r,k1u_r,k2...u_r,ki...u_r,kn]^H,W_t＝[v_r,j1v_r,j2...v_r,ji...v_r,jn]其中u_r,k1u_r,k2...u_r,kn是H_rr的左奇异向量，v_r,j1v_r,j2...v_r,jn是H_rr的右奇异向量，下标ki∈[k1,k2···kn]，ji∈[j1,j2···jn]，且ki≠ji；(4e)计算双向全双工系统总的信道容量：R＝(R₁+R₂)，其中R₁是第一源节点端的信道容量，R₁＝log₂(1+SNIR₁)，R₂是第二源节点端的信道容量R₂＝log₂(1+SNIR₂)，SNIR₁第一源节点的信干扰比，SNIR₂是第二源节点的信干扰比。其中SNIR₂，SNIR₁分别如下式：${\mathrm{SNIR}}_1=\frac{P_2\left|\right|U_1^H{H}_{1r}^H{\mathrm{\beta W}}_t{W}_r{H}_{2r}{V}_2|{|}^2}{P_1\left|\right|U_1^H{H}_{11}{V}_1|{|}^2+|\left|U_1^H{H}_{1r}^H{\mathrm{\beta W}}_t{W}_r\right|{|}^2{\sigma }_r^2+\left|\right|U_1^H|{|}^2{\sigma }_1^2}$${\mathrm{SNIR}}_2=\frac{P_1\left|\right|U_2^H{H}_{2r}^H{\mathrm{\beta W}}_t{W}_r{H}_{1r}{V}_1|{|}^2}{P_2\left|\right|U_2^H{H}_{22}{V}_2|{|}^2+|\left|U_2^H{H}_{2r}^H{\mathrm{\beta W}}_t{W}_r\right|{|}^2{\sigma }_r^2+\left|\right|U_2^H|{|}^2{\sigma }_2^2}$其中P₂是第二源节点的发射功率，||.||²表示F范数的平方，β是放大转发协议系数，P₁是第一源节点的发射功率，是中继节点的噪声功率，是第一源节点的噪声功率，是第二源节点的噪声功率；(4f)根据(4d)和(4e)，利用穷举法得到(4d)中满足中继节点自干扰项W_rH_rrW_t＝0的所有W_r，W_t的解集合，再按照容量最大化准则从解集合里选择一组最优发射波束成形矩阵和最优接收波束成形矩阵使系统的容量最大化，即：$(W_t^{opt},W_r^{opt})=\arg \underset{W_t,W_r}{max}\left(R\right).$