[发明专利]一种联合正交投影和天线选择的非对称双向中继通信方法

权利要求书

1.一种联合正交投影和天线选择的非对称双向中继通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在无线传感器网中建立非对称TWR通信网络模型；

2)根据非对称TWR通信网络模型设计基于OP和ANC理论的非对称TWR通信网络的传输方案；

3)计算非对称TWR通信网络中多天线中继站RS的最优天线集合，然后再基于多天线中继站RS的最优天线集合完成联合正交投影和天线选择的非对称双向中继通信；

步骤1)的具体操作为：

非对称TWR通信网络中包括汇聚节点SN、多天线中继站RS及N个用户节点其中，汇聚节点SN与N个用户节点同时利用一个多天线中继站RS进行双向信息交互，汇聚节点SN、多天线中继站RS和每个用户节点分别配置有N个天线、M个天线及1个天线，且汇聚节点SN、多天线中继站RS及各用户节点都工作在半双工模式下，用户节点与汇聚节点SN之间没有直达链路；设无线信道服从准静态及平坦瑞利衰落，不同信道的衰落系数相互独立，且每个节点只能获得直接关联的无线链路的CSI信息；

在非对称TWR通信网络中所有交互的信息流被分为N对，每对信息流包含两个信息流，分别对应从汇聚节点SN到用户节点U_n之间的链路和从用户节点U_n到汇聚节点SN之间的链路；

步骤2)中基于非对称TWR通信网络模型设计基于OP和ANC理论的非对称TWR通信网络的传输方案的过程中，利用OP方法消除不同用户节点之间的信号干扰，同时使用ANC消除用户节点与汇聚节点SN之间的信号干扰；

基于OP和ANC理论的非对称TWR通信网络的传输方案进行一个完整的双向信息交互过程包含MA阶段、中继预编码阶段及BC阶段，具体为：

在MA阶段，汇聚节点SN和用户节点同时向多天线中继站RS发送各自独立的消息，多天线中继站RS接收到的混叠信号y_r为：

其中，表示汇聚节点SN向用户节点U_n发送的信息符号；表示用户节点U_n向汇聚节点SN发送的信息符号；P_s表示汇聚节点SN和用户节点U_n的发送功率；表示汇聚节点SN的第n根天线与多天线中继站RS的M根天线之间的信道向量，汇聚节点SN与多天线中继站RS之间各个信道的衰落系数之间独立，且均服从复高斯分布h_n表示用户节点U_n与多天线中继站RS的M根天线之间的信道向量，且用户节点U_n与多天线中继站RS之间各个信道的衰落系数之间独立，且均服从复高斯分布n_r表示多天线中继站RS接收机AWGN噪声向量，多天线中继站RS上各个天线的噪声系数之间相互独立，且均服从复高斯分布

在中继预编码阶段，构造矩阵和

其中，表示无线传感器网中M×2N维信道矩阵，表示将中第n列元素和第n+N列元素去掉后得到的M×(2N-2)维信道子矩阵，因此空间可以看作是子空间与其正交补的正交和空间，和的投影矩阵分别表示为：和Q_n＝I_M-P_n，根据正交性原理可知，则有多天线中继站RS可以利用矩阵Q_n从接收到的混叠信号y_r中获取到只包含第n对信息的混叠信号Q_ny_r可以表示为：

由于多天线中继站RS采用AF协议转发信号，则多天线中继站RS针对第n对信息的信号放大系数a_n为：

其中，P_r表示RS中每个信息对的发送功率；

多天线中继站RS分别对每个信息对进行预编码，并将预编码后的信息对进行叠加后得编码后的信号x_r：

在BC阶段，多天线中继站RS将预编码后的信号x_r发送给汇聚节点SN和用户节点其中，用户节点U_n接收到的信号为：

其中，表示用户节点U_n接收机AWGN噪声，由于且Q_nh_m＝0(n≠m)，因此中只包含第n对信息的混叠信号，将式(4)带入式(5)中，得到：

根据ANC原理，用户节点U_n从接收到的信号中减去自干扰，得待检测的信号

当用户节点U_n使用最大似然准则检测汇聚节点SN发送过来的信息符号时，只需得到标量和则用户节点U_n接收信号的SNR为：

由于正交投影矩阵Q_n是幂等的且中心对称的，则有：

将式(9)和式(3)带入式(8)中，得到：

其中，γ₀＝P_s/N₀表示平均信噪比；β＝P_r/P_s表示中继功率增益因子；表示信道向量h_n在子空间R(Q_n)上投影向量的范数平方；表示信道向量在子空间R(Q_n)上投影向量的范数平方；

同时，在BC阶段，汇聚节点SN接收到的信号y_sn为：

y_sn＝H^Hx_r+n_sn (11)

其中，表示汇聚节点SN与多天线中继站RS之间的信道矩阵；n_sn表示汇聚节点SN接收机AWGN噪声向量，汇聚节点SN第n根天线上接收到的信号为：

当汇聚节点SN使用ML准则检测用户节点发送过来的N个信息符号时，只需得到2N个标量得到汇聚节点SN第n根天线上接收信号的SNR为：

在中继预编码阶段中，多天线中继站RS的天线数目最小值M_min＝2N-1；

步骤3)中计算非对称TWR通信网络中多天线中继站RS的最优天线集合的具体为过程为：

设φ表示天线索引集合，φ包含多天线中继站RS被选中的天线索引，设集合Φ＝{φ₁，φ₂，…，φ_I}包括所有可能的RS天线索引集合，其中表示所有可能的天线索引集合的数量；

在非对称TWR通信网络模中有N对独立的信息流，每对信息流中的两个信息流是非对称的，即从用户节点Un发送给汇聚节点SN的信息流与从汇聚节点SN发送给同一个用户节点Un的信息流不对称，因此，非对称TWR通信网络中的信息交互是以每对信息流为基本单位的，只有当一对信息流发生中断时才可以认为该非对称TWR通信网络中断，因此构建基于正交投影的最大最小准则，使得最大化N对信息流对应的N个可达和速率的最小值，其中，所述基于正交投影的最大最小准则具体可以表示为：

根据式(20)获取非对称TWR通信网络中多天线中继站RS的最优天线集合；

针对非对称TWR网络中信息双向交互的特点，系统的中断概率等于当任意一对信息流的吞吐量小于门限速率R_th的发生概率，当采用基于正交投影的最大最小准则进行RS天线选择时，网络的中断概率为：

带入式(19)，分别得到P_out的上界与下界为：

其中，φ_opt表示基于公式的最优RS天线索引集合，分集阶数通常定义为

将式(22)和式(23)带入式(24)中，分别得最优天线选择分集阶数的下界和上界：

其中，综合式(25)和式(26)，得最优天线选择分集阶数为：

最优天线选择分集阶数d_opt的上界的计算过程为：

通过分析正交投影求解基于最优天线选择分集阶数d_opt，由于则有

根据式(27)得最优天线选择分集阶数d_opt的上界为：

点对点MIMO无线链路中采用发射天线选择能够获得的天线选择分集阶数为M-M_min+1，式(29)中d_opt的上界等效于点对点MIMO链路的天线选择分集阶数，因此得：

d_opt≤M-M_min+1 (30)

最优天线选择分集阶数d_opt的下界计算过程为：

为求解d_opt的下界，先分析的上界：

其中，表示满足条件的随机事件，1≤k(i)≤2，1≤n(i)≤N，J＝(2N)^I表示随机事件A_j的可能数量，A_j中随机变量的集合表示为：

根据RS预编码方法，从多天线中继站RS的M根天线中选择M_min＝2N-1根天线，等效于从M维空间中选择一个M_min维子空间其能够作为子空间与的正交和，子空间与的维数分别为2N-2和1，设M_min个标准正交向量是空间的标准正交基，即所以子空间表示为其中一个标准正交基的值空间，即因此得到和基于上述分析，集合S_j中必然存在一个子集合并且S_j，indep中的M-M_min+1个随机变量相互独立，另外，考虑到和服从指数分布，则随机事件A_j发生概率的上界表示为：

将式(33)带入式(31)得到：

根据式(27)得最优天线选择分集阶数d_opt的下界为：

综合式(30)和式(35)得到天线选择满分集阶数为d_opt＝M-M_min+1。