[发明专利]多组多用户双向中继网络中一种对抗干扰的方法

权利要求书

1.多组多用户双向中继网络中一种对抗干扰的方法，所适用的场景为：由K组(每组包含两个用户)单天线用户和一个配备有两根天线的中继节点(RelayNode，RN)组成的双向中继网络。属于同一组的两个用户在RN的帮助下进行双向信息交换。U_ki表示第k组的第i个用户，其中k＝1，2，…，K，i＝1，2。s_ki表示用户U_ki发送的信息；表示用户U_ki到中继节点的信道矩阵，其每个元素都是独立同分布的，并且服从分布；P_ki表示用户U_ki的发射功率；n表示中继节点的2×1复高斯加性噪声矢量。假设上行链路信道和下行链路信道具有互易性，那么中继节点到用户的信道为其中上标(·)^H代表向量或矩阵的共轭转置操作。其特征在于：所提方法包括下列两个操作步骤：

(1)多址阶段：所有用户同时向中继节点发送信息；

(2)广播阶段：中继节点对多址阶段接收到的信号进行一定的处理操作后广播给所有用户，每个用户通过解码恢复出期望的目的信息从而完成双向信息交换。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所提方法在应用过程中，通信系统还必须满足以下条件：所有节点都工作在半双工模式，即每个节点的发送和接收不能同时进行；所有用户与中继节点间的信道为独立同分布准静态瑞利衰落信道，即信道在连续几个数据包的传送时间内是恒定不变的；中继节点掌握全局信道信息用来对多址阶段接收到的混合信号进行最大似然解码。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤(2)中的操作包括如下内容：

(21)中继节点收到的多址阶段所有用户发送的基带信号用y表示，则中继节点利用其掌握的全局信道信息对y进行最大似然解码，这一操作过程用如下公式表示：其中Ω＝{-1，1}，代表中继节点解码出的用户U_ki的信息，k＝1，2，…，K，i＝1，2，||·||²表示其元素的Frobenius范数。

(22)在中继节点处对解码出的每组用户的信息应用基于比特异或的物理层网络编码，可表示如下：式中k＝1，2，…，K。

(23)对(22)执行完后得到的每组用户的物理层网络编码的符号进行叠加编码操作，所得信号为：式中P_k代表分配给符号s_k的功率，中继总功率为所有用户之和。另外需使得P_m≠P_n对m≠n，以保证(s₁，s₂，…，s_K)到S_sc的映射是一一映射。

(24)为了充分利用中继节点的两根天线，采用Alamouti编码以获得空间分集增益。令S_sc1和S_sc2表示两个连续的经过叠加编码后的符号，中继节点根据下式广播给所有用户：S=Ssc1-Ssc2*Ssc2Ssc1*,]]>式中(·)*表示共轭操作。

(25)在用户端，接收到中继广播的信号后，每组用户执行串行干扰消除以恢复其期望的信息，然后利用最大似然准则检测出期望的物理层网络编码符号。出于对称性和简便性的考虑，此处以用户U₁₁的操作为例说明：用户U₁₁首先进行串行干扰消除操作以消除其它组用户对其造成的干扰。用户U₁₁接下来通过最大似然准则恢复出期望的物理层网络编码符号，连续两个时隙的物理层网络编码符号表示为和此处隐含地要求每个用户必须知道叠加编码时分配给每个用户组的物理层网络编码符号的功率，才能够利用最大似然准则解码出期望的物理层网络编码符号。用户U₁₁通过自信息与异或操作，可以得到期望的信息类似地与进行异或操作可得到相关操作可表示如下：其它用户执行与用户U₁₁相似的操作，这样就完成了多组用户间的双向通信。

(26)考虑系统可获得的平均和速率。考虑某个给定信道实现下的情形，在多址阶段，每个用户的传输速率和总的和速率应满足如下约束：RkiMA≤log2(1+P||hki||2σ2),]]>Σk=1KΣi=12RkiMA≤RMA=log2det(I2+Pσ2HH*),]]>式中P表示每个符号的发射功率，I₂表示2×2单位矩阵，k＝1，2，…，K，i＝1，2。第二个式子表明多址阶段所有用户的和速率不能超过把所考虑的通信场景看作由2K根本地协作发射天线和2根接收天线组成的多天线系统的容量。

在广播阶段，每个用户的传输速率可用下式表示：式子右端对数函数里第二项分母上的常数2是由于中继广播是采用Alamouti编码所导致的功率损失。由于在广播阶段中继节点向用户组发射相同的符号序列，因此每组用户中较小的速率决定着最终可以可靠传送的信息速率，则用户U_ki的速率为：式中||g_k||²＝min(||h_k1||²，||h_k2||²)，k＝1，2，…，K，i＝1，2。

考虑叠加编码对速率的影响。为方便讨论，假设||g₁||²≤||g₂||²≤…≤||g_K||²，把属于同一组的用户看作一个整体，从上面的假设可知，当m＞n时，用户组m比用户组n具有更好的信道质量。此处以两组用户为例说明用户端的信号处理操作。由于用户组2比用户组1具有更好的信道质量，因此用户组2可以解码任意用户组能够解码的数据。用户组1解码其目的信息时把用户组2的信号处理为噪声。用户组2首先解码用户组1的信号，然后从接收信号中减去，最后解码其期望的信息。第k组用户的可达速率可用下式表示：Rk=min(RkiMA,RkiBC,RkSC)=log2(1+Pk2||gk||2σ2+(Σm=k+1KPm2)||gk||2),]]>其中表示采用叠加编码后第k组用户的速率。

通过对互信息在所有可能的信道状态上求期望就可以得到平均和速率，可以表示为：Rsum=12E[min(Σk=1K2Rk,RMA)]=E[Σk=1KRk],]]>式中常数因子是因为需要2个时隙完成双向信息交换。

(27)考虑系统的中断性能。当系统中用户的瞬时传输速率低于目标速率时，称之为发生了一次中断事件。只要有一组用户发生了中断，就称系统发生了中断。那么系统的中断概率可以表示为：p_out(R^t)＝Pr{min(R₁，…，R_k)＜R^t}式中R^t为目标速率。仍然假设||g₁||²≤||g₂||²≤…≤||g_K||²，考虑每组用户最终可以实现的速率，中断概率可以重新写为：p_out(R^t)＝Pr{R₁＜R^t}，式中R₁是用户组1中的两个用户的通信速率且：R1=log2(1+P||g1||2σ2+(K-1)P||g1||2)=log2(1+ρ||g1||21+(K-1)ρ||g1||2),]]>式中当||h_ki||²的值较小时其概率密度函数可以近似为：f(x)≈x，x≥0。注意到||g₁||²＝min(||g₁||²，||g₂||²，…，||g_K||²)，||g₁||²的累积分布函数通过计算可以得到：Pr(||g1||2<z)=1-(1-∫0zf(x)dx)2K≈Kz2,z≥0.]]>在高信噪比区域，系统的中断概率可以进一步推导为：pout(Rt)=Pr(||g1||2<2Rt-1ρ(K+2Rt-K2Rt))≈K(2Rt-1)2ρ2(K+2Rt-K2Rt)2.]]>从上式可以看出信道质量最差的用户组的用户所获得的分集阶数为2。然而其它具有较好信道质量用户组的用户所获得的分集阶数大于2，因为它们受益于串行干扰消除操作。总之，系统所获得的分集阶数为2，因为系统最终性能是由性能最差的用户所决定的。