基于信号子空间对齐的多源异质信号干扰抑制方法

摘要

本发明涉及基于信号子空间对齐的多源异质信号干扰抑制方法，包括以下步骤：分别确定各个通信节点发送的异质信号中私有信号和公共信号的预编码矢量；各通信节点在多址接入阶段利用确定的预编码矢量发送三路私有信号和公共信号；中继节点接收、译码各通信节点发送来的混合异质信号，获得子空间对齐后的译码估计值；中继节点对译码估计值做物理层网络编码和预编码发射矢量加权后发送广播信号；通信节点利用接收预编码矢量对接收的广播信号进行干扰抑制，并对已经消除了干扰信号的通信节点的等效接收信号进行网络编码的译码，获取期望接收信号的估计值。本方法既能消除多个通信用户的私有信号和公共信号间的干扰，又能降低干扰抑制复杂度。

主权项

一种基于信号子空间对齐的多源异质信号干扰抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)、分别确定各个通信节点发送的异质信号中私有信号的预编码矢量和公共信号的预编码矢量：(1‑1)、设有四个通信节点和一个中继节点，每个通信节点向其他通信节点发送三路独立私有信号，第一个通信节点和第四个通信节点发送一路公共信号，第二个通信节点和第三个通信节点发送两路相同的公共信号，某一通信节点发送的异质信号由该通信节点发送的私有信号和公共信号混合组成；根据这些异质信号是否需要在中继节点进行网络编码，分别确定私有信号需要空间对齐的私有信号组合和公共信号需要空间对齐的公共信号组合；(1‑2)利用相交子空间原理，根据公式(1)确定出能使上述私有信号中一对期望组合的私有信号对齐到相同信号子空间的预编码矢量，根据公式(2)确定出能使上述公共信号中一对期望组合的公共信号对齐到相同信号子空间的预编码矢量：$\mathrm{span}\left(H^{[R,i]}{v}_p^{[j,i]}\right)=\mathrm{span}\left(H^{[R,j]}{v}_p^{[i,j]}\right)i,j\in \left\{\mathrm{1,2,3,4}\right\},$且i≠j；公式(1)$\mathrm{span}\left(H^{[R,i]}{v}_{c,2}^{\left[i\right]}\right)=\mathrm{span}\left(H^{[R,i+1]}{v}_{c,1}^{[i+1]}\right)i\in \left\{\mathrm{1,2,3}\right\};$公式(2)其中，第i个通信节点发往第j个通信节点的私有信号和第j个通信节点发往第i个通信节点的私有信号称为一对期望组合的私有信号，一对期望组合的私有信号称为私有信号组合，第i个通信节点发送的第二路公共信号和第i+1个通信节点发送的第一路公共信号称为一对期望组合的公共信号，一对期望组合的私有信号称为私有信号组合，H^[R,i]表示第i个通信节点到中继节点R的信道传输矩阵，H^[R,j]表示第j个通信节点到中继节点R的信道传输矩阵，表示第i个通信节点发往第j个通信节点的私有信号需要的预编码矢量，表示第j个通信节点发往第i个通信节点的私有信号需要的预编码矢量，表示第i个通信节点发送的第二路公共信号需要的预编码矢量，表示第i+1个通信节点发送的第一路公共信号需要的预编码矢量，span(X)表示任意矩阵X的列矢量张成的空间；(2)、各通信节点在第一时隙——多址接入阶段，利用步骤(1‑2)中确定的私有信号的预编码矢量和公共信号的预编码矢量，同时发送三路私有信号和公共信号，中继节点接收各通信节点发往中继节点的混合异质信号，该混合异质信号为各通信节点的异质信号经预编码处理后进行混合和加噪的信号，中继节点接收各通信节点发往中继节点的混合异质信号y^[R]为：$y^{\left[R\right]}=\underset{i=1}{\overset{4}{\Sigma }}{H}^{[R,i]}(\underset{j\ne i}{\Sigma }{v}_p^{[j,i]}{s}_p^{[j,i]}+\underset{t=1}{\overset{2}{\Sigma }}{v}_{c,t}^{\left[i\right]}{s}_c^{\left[i\right]})+n^{\left[R\right]}$其中，H^[R,i]表示第i个通信节点到中继节点R的信道传输矩阵，表示第i个通信节点发往第j个通信节点的私有信号需要的预编码矢量，表示第i个通信节点发往第j个通信节点的私有信号，表示第i个通信节点发送的公共信号，表示第i个通信节点发送的第一路公共信号需要的预编码矢量，表示第i个通信节点发送的第二路公共信号需要的预编码矢量，且n^[R]表示中继节点R的噪声矢量；(3)、中继节点的接收传输信道转化为等效独立信道，对步骤(2)中接收到的混合异质信号进行译码，获得混合异质信号子空间对齐后的译码估计值：(3‑1)、根据网络编码信号子空间对齐条件，分别得到私有信号的子空间对齐等式和公共信号的子空间对齐等式：私有信号的子空间对齐等式为：$H^{[R,i]}{v}_p^{[j.i]}=H^{[R,j]}{v}_p^{[i,j]}=u_p^{\pi (i,j)},$i,j∈{1,2,3,4}且i≠j；公共信号的子空间对齐等式为：$H^{[R,i]}{v}_{c,2}^{\left[i\right]}=H^{[R,i+1]}{v}_{c,1}^{[i+1]}=u_c^i,i\in \left\{\mathrm{1,2,3}\right\};$其中，H^[R,i]表示第i个通信节点到中继节点R的信道传输矩阵，表示第i个通信节点发往第j个通信节点的私有信号需要的预编码矢量，H^[R,j]表示第j个通信节点到中继节点R的信道传输矩阵，表示第j个通信节点发往第i个通信节点的私有信号需要的预编码矢量，表示第i个通信节点和第j个通信节点间私有信息的等效传输信道，π(i,j)表示顺序递增的编号，表示第i个通信节点发送的第二路公共信号需要的预编码矢量，H^[R,i+1]表示第i+1个通信节点到中继节点R的信道传输矩阵，表示第i+1个通信节点发送的第一路公共信号需要的预编码矢量，表示第i个通信节点和第i+1个通信节点间公共信息的等效传输信道；(3‑2)、中继节点对步骤(2)中接收到的混合异质信号进行信号变换，并根据私有信号的子空间对齐等式和公共信号的子空间对齐等式得到混合异质信号子空间对齐后的译码估计值：$y^{\left[R\right]}=\underset{i=1}{\overset{4}{\Sigma }}{H}^{[R,i]}(\underset{j\ne i}{\Sigma }{v}_p^{[j,i]}{s}_p^{[j,i]}+\underset{t=1}{\overset{2}{\Sigma }}{v}_{c,t}^{\left[i\right]}{s}_c^{\left[i\right]})+n^{\left[R\right]}$$=\left[\begin{array}{cc}{U}_p& U_c\end{array}\right]s^{\left[R\right]}+n^{\left[R\right]}$，i,j∈{1,2,3,4}且i≠j其中，U_p表示所有通信节点发送的私有信号等效信道传输矩阵，U_c表示所有通信节点发送的公共信号等效信道传输矩阵，$U_c=\left[\begin{array}{ccc}{u}_c^1& u_c^2& u_c^3\end{array}\right];$U_p和U_c均是非奇异阵；和分别由步骤(3‑1)中的私有信号的子空间对齐等式和公共信号的子空间对齐等式得到，表示第i个通信节点发往第j个通信节点的私有信号，表示第i个通信节点发送的公共信号，n^[R]表示中继节点R的噪声矢量；$s^{\left[R\right]}={\left[\begin{array}{cc}{s}_p^{\left[R\right]}& s_c^{\left[R\right]}]\end{array}\right]}^T,$其中表示4个通信节点发出的12个私有信号进行信号子空间对齐后的等效私有信号，m取1至6中的任一自然数；表示4个通信节点发出的6个公共信号进行信号子空间对齐后的等效公共信号，n∈{1,2,3}；中继节点R利用迫零译码算法，分别获得译码估计值：(4)、中继节点对步骤(3‑2)中得到的译码估计值进行物理层网络编码，获得网络编码信号，并在第二时隙——广播发送阶段，通过对网络编码信号进行预编码发射矢量加权后进行广播发送：(4‑1)、中继节点将步骤(3‑2)中得到的译码估计值进行物理层网络编码调制，得到网络编码信号：其中表示网络编码信号中的私有信号，表示网络编码信号中的公共信号，表示异或操作；(4‑2)、中继节点利用相交子空间原理，使接收相同网络编码信号的用户信号方向对齐到相同信号子空间，并根据公式(3)确定出能使网络编码信号中私有信号方向对齐到相同信号子空间的预编码矢量，根据公式(4)确定出能使网络编码信号中公共信号方向对齐到相同信号子空间的预编码矢量：$\mathrm{span}\left(q_p^{[i,j]}{H}^{[i,R]}\right)=\mathrm{span}\left(q_p^{[j,i]}{H}^{[j,R]}\right),i,j\in \left\{\mathrm{1,2,3,4}\right\}$公式(3)$\mathrm{span}\left(q_c^{[i,j]}{H}^{[i,R]}\right)=\mathrm{span}\left(q_c^{[j,i]}{H}^{[j,R]}\right),i,j\in \left\{\mathrm{1,2,3,4}\right\}$公式(4)其中，H^[i,R]表示中继节点R到第i个通信节点的信道传输矩阵，H^[j,R]表示中继节点R到第j个通信节点的信道传输矩阵，表示第i个通信节点接收通信节点i和通信节点j的网络编码信号中私有信号需要的预编码矢量，表示第j个通信节点接收通信节点i和通信节点j的网络编码信号中私有信号需要的预编码矢量，表示第i个通信节点接收通信节点i和通信节点j的网络编码信号中公共信号需要的预编码矢量，表示第j个通信节点接收通信节点i和通信节点j的网络编码信号中公共信号需要的预编码矢量，span(X)表示任意矩阵X的列矢量张成的空间；(4‑3)、根据网络编码信号子空间对齐条件，分别得到网络编码信号中私有信号的子空间对齐等式和网络编码信号中公共信号的子空间对齐等式：网络编码信号中私有信号的子空间对齐等式为：$q_p^{[i,j]}{H}^{[i,R]}=q_p^{[j,i]}{H}^{[j,R]}=z_p^{\mathrm{\pi p}(i,j)},$i,j∈{1,2,3,4}且i≠j网络编码信号中公共信号的子空间对齐等式为：$q_c^{[i,j]}{H}^{[i,R]}=q_c^{[j,i]}{H}^{[j,R]}=z_c^{\mathrm{\pi c}(i,j)},$i,j∈{1,2,3,4}且i≠j其中，表示第i个通信节点和第j个通信节点间私有信号的等效传输信道，表示第i个通信节点和第j个通信节点间公共信号的等效传输信道，πp(i,j)和πc(i,j)分别表示顺序递增的编号，根据和构造第i个通信节点的接收预编码矩阵$Q^{\left[i\right]}={[q_p^{[i,1]}...q_p^{[i,i-1]}{q}_p^{[i,i+1]}...q_p^{[i,4]}{q}_c^{[i,1]}...q_c^{[i,i-1]}{q}_c^{[i,i+1]}...q_c^{[i,4]}]}^T,$即所有通信节点的情况如下：$Q^{\left[1\right]}={\left[q_p^{\left[\mathrm{1,2}\right]}{q}_p^{\left[\mathrm{1,3}\right]}{q}_p^{\left[\mathrm{1,4}\right]}{q}_c^{\left[\mathrm{1,2}\right]}{q}_c^{\left[\mathrm{1,3}\right]}{q}_c^{\left[\mathrm{1,4}\right]}\right]}^T$$Q^{\left[2\right]}={\left[q_p^{\left[\mathrm{2,1}\right]}{q}_p^{1\left[\mathrm{2,3}\right]}{q}_p^{\left[\mathrm{2,4}\right]}{q}_c^{\left[\mathrm{2,1}\right]}{q}_c^{\left[\mathrm{2,3}\right]}{q}_c^{\left[\mathrm{2,4}\right]}\right]}^T$$Q^{\left[3\right]}={\left[q_p^{\left[\mathrm{3,1}\right]}{q}_p^{1\left[\mathrm{3,2}\right]}{q}_p^{\left[\mathrm{3,4}\right]}{q}_c^{\left[\mathrm{3,1}\right]}{q}_c^{\left[\mathrm{3,2}\right]}{q}_c^{\left[\mathrm{3,4}\right]}\right]}^T$$Q^{\left[4\right]}={\left[q_p^{\left[\mathrm{4,1}\right]}{q}_p^{1[4,2]}{q}_p^{\left[\mathrm{4,3}\right]}{q}_c^{\left[\mathrm{4,1}\right]}{q}_c^{[4,2]}{q}_c^{\left[\mathrm{4,3}\right]}\right]}^T$(4‑4)、利用子空间对齐后得到的等效信道为：$Z={\left[z_p^{\mathrm{\pi p}\left(\mathrm{1,2}\right)}{z}_p^{\mathrm{\pi p}\left(\mathrm{1,3}\right)}{z}_p^{\pi \left(\mathrm{1,4}\right)}{z}_p^{\left(\mathrm{2,3}\right)}{z}_p^{\left(\mathrm{2,4}\right)}{z}_p^{\left(\mathrm{3,4}\right)}{z}_c^{\mathrm{\pi c}\left(\mathrm{1,2}\right)}{z}_c^{\left(\mathrm{1,3}\right)}{z}_c^{\left(\mathrm{1,4}\right)}{z}_c^{\mathrm{\pi c}\left(\mathrm{2,3}\right)}{z}_c^{\mathrm{\pi c}\left(\mathrm{2,4}\right)}{z}_c^{\mathrm{\pi c}\left(\mathrm{3,4}\right)}\right]}^H$从等效信道中删除私有信号等效信道矢量(i1j)后得到的等效信道为从中删除公共信号等效信道矢量和(m1n1i1j)后得到的等效信道为(4‑5)、通过如下公式分别获取私有信号的预编码发射矢量和公共信号的预编码发射矢量：私有信号的预编码发射矢量：$T_p^1\in \mathrm{null}\left({\tilde{Z}}_p^{\mathrm{\pi p}\left(\mathrm{1,2}\right)}\right),T_p^2\in \mathrm{null}\left({\tilde{Z}}_p^{\mathrm{\pi p}\left(\mathrm{1,3}\right)}\right),T_p^3\in \mathrm{null}\left({\tilde{Z}}_p^{\mathrm{\pi p}\left(\mathrm{1,4}\right)}\right),$$T_p^4\in \mathrm{null}\left({\tilde{Z}}_p^{\mathrm{\pi p}(2,3)}\right),T_p^5\in \mathrm{null}\left({\tilde{Z}}_p^{\mathrm{\pi p}\left(\mathrm{2,4}\right)}\right),T_p^6\in \mathrm{null}\left({\tilde{Z}}_p^{\mathrm{\pi p}\left(\mathrm{3,4}\right)}\right),$公共信号的预编码发射矢量：$T_c^1\in \mathrm{null}\left({\tilde{Z}}_c^{\mathrm{\pi c}\left(\mathrm{1,2}\right),\mathrm{\pi c}\left(\mathrm{3,4}\right)}\right),T_c^2\in \mathrm{null}\left({\tilde{Z}}_c^{\mathrm{\pi p}\left(\mathrm{1,3}\right),\mathrm{\pi c}\left(\mathrm{2,4}\right)}\right),T_c^3\in \mathrm{null}\left({\tilde{Z}}_c^{\mathrm{\pi c}\left(\mathrm{1,4}\right),\mathrm{\pi c}\left(\mathrm{2,3}\right)}\right),$其中，null(X)表示任意矩阵X的零空间，表示第πp(i,j)个网络编码组合中私有信号的预编码发射矢量，表示第πc(i,j)个和第πc(m,n)个网络编码组合中公共信号的预编码发射矢量；(4‑6)、在第二时隙——广播发送阶段，中继节点发送广播信号到通信节点：其中，中继节点R发送的广播信号为和分别是步骤(4‑5)中确定的私有信号的预编码发射矢量和公共信号的预编码发射矢量，表示中继节点R对私有信号进行网络编码后的第m个发送信号，表示中继节点R对公共信号进行网络编码后的第n个发送信号；(5)、通信节点接收中继节点发送来的广播信号，利用预编码发射矢量和预编码接收矢量对中继节点广播发送的广播信号进行干扰抑制：(5‑1)、利用步骤(4‑5)中得到的私有信号的预编码发射矢量，使通信节点接收的干扰私有信号的等效传输信道满足：$q_p^{[i,j]}{H}^{[i,R]}{T}_p^m=0,q_p^{[j,i]}{H}^{[j,R]}{T}_p^m=0,$即将广播信号中的干扰信号变换到广播信号中期望的私有信号空间的零空间内，以消除通信节点接收信号中的干扰信号其中，其中，H^[i,R]表示中继节点R到第i个通信节点的信道传输矩阵，为步骤(4‑5)中确定的私有信号的预编码发射矢量；利用步骤(4‑5)中得到的公共信号预编码发射矢量，使接收的干扰公共信号的等效传输信道满足：$q_c^{[i,j]}{H}^{[i,R]}{T}_c^n=0,q_c^{[j,i]}{H}^{[j,R]}{T}_c^n=0,$即将广播信号中的干扰信号变换到广播信号中期望的公共信号空间的零空间内，以消除通信节点接收信号中的干扰信号其中，其中，H^[i,R]表示中继节点R到第i个通信节点的信道传输矩阵，为步骤(4‑5)中确定的公共信号的预编码发射矢量；(5‑2)、消除干扰信号后得到的第i个通信节点的等效接收信号为：$\begin{array}{c}{\hat{y}}^{\left[i\right]}=Q^{\left[i\right]}{H}^{[i,R]}(\underset{m=1}{\overset{6}{\Sigma }}{T}_p^m{s}_{R,p}^m+\underset{n=1}{\overset{3}{\Sigma }}{T}_c^n{s}_{R,c}^n)+{\hat{n}}^{\left[i\right]}\\ ={\hat{H}}^{[i,R]}{S}_R^i+{\hat{n}}^{\left[i\right]}\end{array}$其中，$Q^{\left[i\right]}={[q_p^{[i,1]}...q_p^{[i,i-1}{q}_p^{[i,i+1]}...q_p^{[i,4]}{q}_c^{[i,1]}...q_c^{[i,i-1]}{q}_c^{[i,i+1]}...q_c^{[i,4]}]}^T$是通信节点i的接收预编码矩阵，H^[i,R]表示中继节点R到第i个通信节点的信道传输矩阵，和分别是步骤(4‑5)中确定的私有信号的预编码发射矢量和公共信号的预编码发射矢量，表示中继节点R对私有信号进行网络编码后的第m个发送信号，表示中继节点R对公共信号进行网络编码后的第n个发送信号，表示通信节点i的期望接收信号，表示通信节点i的噪声矢量，是第i个通信节点的接收等效传输矩阵并且是对角阵；(6)、对已经消除了干扰信号的某个通信节点的等效接收信号进行网络编码的译码，获取该通信节点期望接收的混合异质信号的估计值：(6‑1)、第i个通信节点的接收等效传输矩阵是对角阵，使用迫零译码算法，获得第i个通信节点的译码信号；(6‑2)、利用第i个通信节点自身发送的信号和步骤(6‑1)中的译码信号进行网络编码的译码操作，获得第i个通信节点期望接收的私有信号的估计值和公共信号的估计值，私有信号的估计值和公共信号的估计值公式如下：${\hat{s}}_p^{[i,j]}=(s_p^{[i,j]}\oplus s_p^{[j,i]})\oplus s_p^{[j,i]},{\hat{s}}_c^{\left[j\right]}=(s_c^{\left[i\right]}\oplus s_c^{\left[j\right]})\oplus s_c^{\left[i\right]},$其中，表示第j个通信节点发往第i个通信节点的私有信号的估计值，第i个通信节点期望接收的公共信号的估计值则包含其余三个通信节点发送的公共信号的估计值，而表示第j个通信节点发送的公共信号的估计值，此处第j个通信节点为除了第i个通信节点外其他的三个通信节点中的某一个通信节点；表示第i个通信节点发往第j个通信节点的私有信号，表示第j个通信节点发往第i个通信节点的私有信号，表示第i个通信节点发送的公共信号，表示第j个通信节点发送的公共信号。