基于双向中继的多用户无线通信系统

摘要

本发明揭示了一种基于双向中继的多用户无线通信系统及方法，该通信系统包括四个多天线收发机(既是发射机也是接收机)和一个多天线双向中继，每个收发机都由一个正交频分复用(OFDM)调制器、一个OFDM解调器、一个存储器和一个自干扰消除器组成，双向中继由一个OFDM调制器、一个OFDM解调器和一个波束形成器组成，该中继为半双工放大转发中继。该通信方法使一个完整的通信过程在两个时隙内完成，在第一时隙，四个收发机同时向中继发送信号，采用正交频分多址接入(OFDMA)作为多址接入方式；在第二时隙，中继采用正交频分复用/空分复用多址(OFDM/SDMA)作为多址接入方式将处理后的接收信号广播至四个收发机。本发明融合了两种多址方式，使用两种方法分别设计了适合不同中继天线数要求的中继波束形成矩阵，能有效地利用空间分集消除收发机间干扰，与现有的中继通信技术相比实现了更高的系统和速率。

主权项

1.一种基于双向中继的多用户无线通信系统，其特征在于，该通信系统包括四个多天线收发机和一个多天线双向中继，每个收发机都由一个OFDM调制器、一个OFDM解调器、一个存储器和一个自干扰消除器组成；双向中继由一个OFDM调制器、一个OFDM解调器和一个波束形成器组成；该中继为半双工放大转发中继，两个收发机a₁，a₂借助一个双向中继r与另外两个收发机b₁，b₂交换信息，收发机a_k和b_k是一对想要相互通信的收发机对，该多用户通信系统采用正交频分多址接入OFDMA的方式作为多址接入方式，该系统的全频带被划分为N个子载波，N个子载波被分为两个子集即子信道，每个子信道由N/2个子载波随机组成，子载波被分配给收发机a₁和b₁，子载波被分配给收发机a₂和b₂，其中：k＝1或2，N为自然数；一个完整的通信过程在两个时隙内完成，在第一时隙，四个收发机同时向中继发送信号，采用OFDMA作为多址接入方式；在第二时隙，中继采用正交频分复用/空分复用多址OFDM/SDMA作为多址接入方式将处理后的接收信号广播至四个收发机，具体步骤如下：步骤1：中继在每个子载波上估计各收发机至中继的信道响应；步骤2：各收发机同时往中继发送信息，每个收发机的具体发送过程为：收发机端的数据符号首先经过串并变换器变成多路数据流，以实现多天线的输出，每路信号都经过一次信号映射，变换成子载波数量的数据流，再经过反傅立叶变换然后加上循环前缀最终发送出去；整个处理过程可视为在OFDM调制器中完成，收发机a_k发送的频域信号为x_ak，收发机b_k发送的频域信号为x_bk，x_a1和x_b1在子载波上传输，x_a2和x_b2在子载波上传输；一个子载波最多只服务一个收发机，该通信系统的多址传输过程为OFDMA方式；步骤3：中继接收来自四个收发机的信号，将接收信号进行与步骤2相反的处理，这一处理过程可视为在OFDM解调器中完成，经过OFDM解调器输出的N个子载波上频域数据符号共有2N个，每个子载波上有两个符号，分别来自两个配对的收发机；步骤4：中继将同一子载波上的两个符号相加，合并后的信号共有N个，分别在N个子载波上，则在子载波n上来自第k对收发机的合并后的信号为：k＝1或2r_1，n＝H_1，nx_a1，n+G_1，nx_b1，n+n_r1，n$n=1,...,\frac{N}{2}$r_2，n＝H_2，nx_a2，n+G_2，nx_b2，n+n_r2，n$n=\frac{N}{2}+1,...,N$其中，n_rk，n为每个子载波上的加性白高斯噪声，H_k，n为在子载波n上收发机a_k至中继的信道响应矩阵，G_k，n为在子载波n上收发机b_k至中继的信道响应矩阵；步骤5：由信道互易性原理，中继根据步骤1估计出的信道响应H_k，n和G_k，n可获知其反向链路的信道响应和步骤6：中继使用OFDM/SDMA方式广播信号；中继根据中继端天线数目的不同来选择相应的中继波束形成矩阵的设计准则，如果中继端天线数目不满足则选用信漏噪比准则；如果中继端天线数目满足则选用块对角化迫零准则；其中，M_k，n定义为：$M_{k,n}\text{=}{\left[\begin{array}{cccccccccc}{\left(H_{1,n}^{\mathrm{BC}}\right)}^T& {\left(G_{1,n}^{\mathrm{BC}}\right)}^T& ...& {\left(H_{k-1,n}^{\mathrm{BC}}\right)}^T& {\left(G_{k-1,n}^{\mathrm{BC}}\right)}^T& {\left(H_{k+1,n}^{\mathrm{BC}}\right)}^T& {\left(G_{k+1,n}^{\mathrm{BC}}\right)}^T& ...& {\left(H_{K,n}^{\mathrm{BC}}\right)}^T& {\left(G_{K,n}^{\mathrm{BC}}\right)}^T\end{array}\right]}^T$①信漏噪比(SLNR)准则：目标是在每个子载波上优化中继波束形成矩阵其中K＝2，使得一对收发机的期望接收信号的功率与该信号对其他收发机对造成的干扰、泄漏和噪声的功率之和的比值最大化；因此，如何设计使SLNR最大的T_k，n就是求解以下优化问题：$\begin{array}{cc}{T}_{k,n}=\arg \underset{T_{k,n}}{\max }{\mathrm{SLNR}}_{k,n}=\frac{\mathrm{tr}\left(T_{k,n}^H{R}_{k,n}{T}_{k,n}{Q}_{k,n}\right)}{\mathrm{tr}\left(T_{k,n}^H{S}_{k,n}{T}_{k,n}{Q}_{k,n}\right)}& k=\mathrm{1,2}\end{array}$其中，$R_{k,n}={\left(H_{k,n}^{\mathrm{BC}}\right)}^H{H}_{k,n}^{\mathrm{BC}}+{\left(G_{k,n}^{\mathrm{BC}}\right)}^H{G}_{k,n}^{\mathrm{BC}},$$S_{k,n}=\underset{i=1,i\ne k}{\overset{K}{\Sigma }}({\left(H_{i,n}^{\mathrm{BC}}\right)}^H{H}_{i,n}^{\mathrm{BC}}+{\left(G_{i,n}^{\mathrm{BC}}\right)}^H{G}_{i,n}^{\mathrm{BC}})+\frac{2(N_a+N_b)}{{\mathrm{NP}}_r}{I}_{N_r},$$Q_{k,n}=E\left\{r_{k,n}{r}_{k,n}^H\right\}\le \frac{P_a}{N_{m}N}{H}_{k,n}{H}_{k,n}^H+\frac{P_b}{N_{m}N}{G}_{k,n}{G}_{k,n}^H+\frac{1}{N}{I}_{N_r},$N_a为节点a的天线数，N_b为节点b的天线数，N_m为节点a和节点b天线数的最小值，P_a为收发机a₁和a₂的总发送功率，P_b为收发机b₁和b₂的总发送功率；$t_{k,n}=\max \mathrm{eigenvector}\left(B_{k,n}^{-1}{A}_{k,n}\right),$其中，于是可得基于SLNR准则的最优的中继波束形成矩阵为T_k，n＝pvec(t_k，n)；②块对角化迫零(BDZF)准则：目标是使用BDZF法优化中继波束形成矩阵其中K＝2；BDZF法的原理是，将所有非目标收发机的信号放置在目标收发机信道的零空间上发送，从而消除多收发机干扰；为满足迫零限制就要使M_k，nT_k，n＝0，为保证T_k，n有非零解，M_k，n应行满秩，即N_r＞rank(M_k，n)，所以仅当时，才能使用BDZF，当用户数较少时发送天线数较容易满足要求，所以对于本发明的两收发机对系统而言，BDZF是比较实用的，M_k，n的奇异值分解(SVD)为其中U_k，n是左奇异矩阵，∑_k，n是对角阵，是对应于零奇异值的右奇异矩阵，并构成了M_k，n的零空间；引入置换矩阵P_k，n，P_k，n为Q_k，n的左奇异矩阵的厄米特阵，使这就是基于块对角化迫零准则的中继波束形成矩阵，步骤7：中继在每个子载波上通过选择恰当的波束形成矩阵T_1，n和T_2，n将两路信号发往两个不同的方向，为满足中继发送功率的限制需在发送信号上乘以功率归一化因子β_n，在子载波n上，中继的发送信号为：$t_n={\beta }_n{T}_{1,n}{r}_{1,n}+{\beta }_n{T}_{2,n}{r}_{2,\tilde{n}}$$n=1,...,\frac{N}{2},$$\tilde{n}=\frac{N}{2}+1,...,N$其中，${\beta }_n=\sqrt{P_r/(N·\mathrm{tr}\left(T_{1,n}^H{T}_{1,n}{Q}_{1,n}\right)+N·\mathrm{tr}\left(T_{2,n}^H{T}_{2,n}{Q}_{2,n}\right))},$P_r为中继的发送功率，为充分利用剩余的个子载波，t_n也在第个子载波上发送，每个合成信号同时在两个子载波上传输；步骤8：中继将最优波束形成矩阵T_k，n的信息和已估计出的所有信道信息反馈给四个收发机，用于自干扰消除；步骤9：中继将经由步骤2所述的OFDM调制器发送出去；步骤10：每个收发机的接收信号都经过一个步骤3所述OFDM解调器处理后，再经过自干扰消除器运用已存储的自信息进行自干扰消除，由于收发机已获取了用于自干扰消除的所有信息，包括信道信息和波束形成矩阵信息，最终每个收发机都能恢复出所需有用信息；其中，所有变量的下标n都表示第n个子载波，所有变量的下标k都表示第k对收发机，∑(·)-求和运算，max{·}-最大化算子，(·)^H-矩阵或向量的共轭转置，(·)^T-矩阵或向量的转置，(·)^-1-矩阵求逆，积，vec(·)-矩阵拉直，pvec(·)-向量反拉直，eigenvector(X)-矩阵X的特征向量，rank(·)-求秩运算，E{·}-求期望值，tr(·)-求矩阵的迹，维的单位阵。