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与流程

本发明属于无线通信技术领域，涉及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。

背景技术：

在无线协作通信网络中多个无线节点之间能够相互协作，彼此共享天线与无线信道，从而可以获得空间分集，提升信息传输的可靠性和吞吐量。双向中继(two-wayrelay，twr)通信网络是无线协作通信中的一种新型网络架构，也是近年来无线协作通信研究的热点领域。在基本的twr通信网络中，包含两个源节点和一个中继节点，两个源节点之间没有直达无线链路，它们通过中继节点同时进行双向信息交互。整个信息交互过程分为两阶段——多向接入(multipleaccess，ma)和广播(broadcast，bc)，最终两个源节点均可获得对方发送的信息。因此，twr网络具有较高的传输效率和信道利用率，同时也能够有效克服两个源节点之间由于通信距离过长、衰减过大而导致的传输可靠性降低的问题。

目前研究人员在基本twr网络的基础上提出多用户twr通信网络。该网络系统将twr技术与mimo技术相结合，充分利用空间资源，能够实现多对用户节点通过中继节点同时进行双向信息交互，具有较高的传输效率。在无线传感器网络中，存在一种特殊的多用户twr通信网络——非对称多用户twr通信网络，简称非对称twr网络。在该网络中，一个汇聚(sinknode,sn)节点通过一个多天线中继站(relaystation,rs)同时与多个用户节点进行双向信息交互。在已有的非对称twr网络通信方案中，通常直接采用多用户mimo(multi-usermimo,mu-mimo)技术对sn节点、rs和用户节点的信号进行联合编码，以实现多用户之间的双向信息交互。但是在无线传感器网络的应用场景中，通信节点的设计和结构相对简单，用户节点通常只具有单根收发天线，无法进行信号编码，sn节点即使装备多根天线也不适宜采用复杂度较高的信号编码方案。因此，在这种应用场景中，非对称twr网络不适合直接采用传统的mu-mimo技术实现多用户之间的双向信息交互，其信息传输方案有待深入研究。同时，在非对称twr网络的信息传输过程中，对中继节点的收发天线进行合理的选择，可以有效提升网络传输性能，但是非对称twr网络的中继天线选择方法还没有被深入研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了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，该方法能够基于非对称twr通信网络中中继天线选择有效提升网络传输性能。

为达到上述目的，本发明所述的联合正交投影和天线选择的非对称双向中继通信方法包括以下步骤：

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(orthogonalprojection，正交投影)和anc(analognetworkcoding，模拟网络编码)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un之间的链路和从用户节点un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yr为：

其中，表示汇聚节点sn向用户节点un发送的信息符号；表示用户节点un向汇聚节点sn发送的信息符号；ps表示汇聚节点sn和用户节点un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hn表示用户节点un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un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nr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qn＝im-pn，根据正交性原理可知，则有多天线中继站rs可以利用矩阵qn从接收到的混叠信号yr中获取到只包含第n对信息的混叠信号qnyr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an为：

其中，pr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xr：

在bc阶段，多天线中继站rs将预编码后的信号xr发送给汇聚节点sn和用户节点其中，用户节点un接收到的信号为：

其中，表示用户节点un接收机awgn噪声，由于且qnhm＝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un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un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un接收信号的snr为：

由于正交投影矩阵qn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＝ps/n0表示平均信噪比；β＝pr/ps表示中继功率增益因子；表示信道向量hn在子空间r(qn)上投影向量的范数平方；表示信道向量在子空间r(qn)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ysn为：

其中，表示汇聚节点sn与多天线中继站rs之间的信道矩阵；nsn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mmin＝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，…，φi}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。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的联合正交投影和天线选择的非对称双向中继通信方法在具体操作时，构建基于op和anc理论的非对称twr通信网络的传输方案，再计算非对称twr通信网络中多天线中继站rs的最优天线集合，使得多天线中继站rs所需的最小天线数目小于网络中总的信息自由度，且小于mu-mimo技术方案所需的中继天线数目；当多天线中继站rs配置的天线数目多于所需最小数目时，本发明即可获得满分集增益，从而有效提升网络传输性能，经试验，在相同的网络配置和天线数目下，本发明相比传统的mu-mimo技术方案具有更高的信息传输吞吐量。另外，在本发明中汇聚节点sn与用户节点无需获得完整csi信息，不需要进行额外复杂的编解码处理，非常适合无线传感器网络。

附图说明

图1为本发明中非对称twr通信网络模型的示意图；

图2为本发明中正交投影方法中的正交子空间示意图；

图3为本发明中基于天线选择的正交子空间示意图；

图4为本发明中在不同中继天线选择准则下的网络中断概率性能曲线图；

图5为在不同通信方案下信息流对的平均吞吐量性能曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的联合正交投影和天线选择的非对称双向中继通信方法包括以下步骤：

1)在无线传感器网中建立非对称twr通信网络模型

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，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，并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un的链路和从用户节点un到汇聚节点sn的链路；

第二步，基于op和anc理论设计非对称twr通信网络的传输方案

为了实现非对称twr网络的多用户信息交互，本发明基于该通信网络模型设计了op-anc传输方案，主要思想是：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，一个完整的双向信息交互过程包含三个阶段：ma阶段、中继预编码及bc阶段，具体为：

a.ma阶段

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yr为：

其中，表示汇聚节点sn向用户节点un发送的信息符号；表示用户节点un向汇聚节点sn发送的信息符号；ps表示汇聚节点sn和用户节点un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hn表示用户节点un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un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nt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

b.中继预编码

rs预编码的主要思路是：将一个信息对投影到与其他所有信息对相关的信道向量所对应的零空间，这样就可以消除其他信息对该信息对的干扰。下面详细介绍rs预编码方法。

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列和第n+n列去掉后得到的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qn＝im-pn，如图2所示。根据正交性原理可知，除了第n对信道向量外，其他所有2n-2个信道向量在子空间r(qn)上的投影均为0，即qnhm＝0(n≠m)。因此，多天线中继站rs可以利用矩阵qn从接收到的混叠信号yr中获取到只包含第n对信息的混叠信号qnyr：

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an为：

其中，pr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xr：

为尽可能降低多天线中继站rs的实现复杂度，需要分析多天线中继站rs天线数目m的最小值，子空间包含2n-2个相互独立的信道向量，因此子空间的维数为2n-2，因为子空间r(qn)的维数至少是1，因此正交和空间的维数至少是2n-1，即多天线中继站rs的天线数目最小值mmin＝2n-1。

c.bc阶级

在bc阶段，多天线中继站rs将预编码后的信号xr发送给汇聚节点sn和用户节点其中，用户节点un接收到的信号为

其中，表示用户节点un接收机awgn噪声，由于且因此中只包含第n对信息的混叠信号，将公式(4)带入公式(5)中，得到：

根据anc原理，用户节点un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un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，无需获取到完整csi信息，只需得到标量和另外，用户节点un接收信号的snr为：

由于正交投影矩阵qn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＝ps/n0表示平均信噪比；β＝pr/ps表示中继功率增益因子；表示信道向量hn在子空间r(qn)上投影向量的范数平方；表示信道向量在子空间r(qn)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ysn为：

ysn＝h^hxr+nsn(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；nsn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，无需获取到完整csi信息，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：

第三步，设计天线选择方案

在第二步中介绍多天线中继站rs预编码方案时已经证明了多天线中继站rs天线数目最小值为mmin＝2n-1。当多天线中继站rs装备的天线数目m＞mmin，只要从m根天线中挑选出mmin根即可满足数据传输需求。

设φ代表天线索引集合，φ包含多天线中继站rs被选中的天线索引。设集合φ＝{φ1，φ2，…，φi}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，所以针对非对称twr网络中信息双向交互的特点，构建基于信息对吞吐量的最大最小准则，使得最大化n对信息流对应的n个可达和速率的最小值，所述基于信息对吞吐量的最大最小准则具体可以表示为

其中，表示基于rs天线集合φ的第n对信息流的可达和速率；rpair，n在高snr条件下可以近似表示为：

根据式(10)和式(13)，γu，nγsn，n可以表示为：

根据调和平均不等式，得到：

由于：

将式(17)和式(18)带入式(16)中，得：

则式(14)可以简化为：

由式(20)可知，要选择最优rs天线集合，只需最大化2n个正交投影长度的最小值，因此该准则也称为基于正交投影的最大最小准则。

从理论上分析本发明的有益效果

本发明在介绍rs预编码方案时，已经详细证明了多天线中继站rs天线数目最小值为mmin＝2n-1，少于传统mu-mimo编码方案中多天线中继站rs所需的天线数目2n。当非对称mimotwr通信网络采用op-anc传输方案时，如果多天线中继站rs装备的天线数目m＞mmin，只要从m根天线中挑选出mmin根即可满足数据传输需求。为优化系统的传输性能，本发明在op-anc传输方案的基础上又提出了基于正交投影的最大最小准则用于中继天线选择，接下来分析系统在采用该中继天线选择方案时中断概率与分集增益性能，从理论上进一步阐述本发明所提通信方案的有益效果。

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rth的发生概率。所以，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pout的上界与下界为：

其中，φopt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dopt的上界的计算过程为：

首先通过分析正交投影求解基于本发明所提准则的最优天线选择分集阶数dopt，因为则有

根据式(27)得最优天线选择分集阶数dopt的上界为：

根据已有的mimo无线通信理论：点对点mimo无线链路中采用发射天线选择可以获得的天线选择分集阶数为m-mmin+1，式(29)中dopt的上界等效于点对点mimo链路的天线选择分集阶数，因此可得：

dopt≤m-mmin+1(30)

最优天线选择分集阶数dopt的下界计算过程为：

为求解dopt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aj的可能数量，aj中随机变量(即正交投影的范数α)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mmin＝2n-1根天线，等效于从m维空间中选择一个mmin维子空间它可以看作是子空间与的正交和，它们的维数分别为2n-2和1，各个空间的关系如图3所示，设mmin个标准正交向量是空间的标准正交基，即所以子空间可以表示为其中一个标准正交基的值空间，即因此可以得到和基于上述分析，集合中必然存在一个子集合并且中的m-mmin+1个随机变量相互独立，另外，考虑到和服从指数分布，随机事件aj发生概率的上界可以表示为：

将式(33)带入式(31)得到：

根据式(27)得最优天线选择分集阶数dopt的下界为：

综合式(30)和式(35)可以得到天线选择满分集阶数为dopt＝m-mmin+1。

因此，本发明所提出的op-anc传输方案与传统的mu-mimo通信方案相比，能够减小中继节点所需的最小天线数目，当中继配置的天线数目大于最小天线数目时，采用本发明所提出的rs天线选择方案，可以获得满分集阶数，能够有效提高系统的传输性能。

计算机仿真实验与结果分析

在所有仿真实验中，网络采用qpsk调制方式，awgn噪声方差n0＝1，用户数目n＝4，中继功率增益因子β＝1。图4给出了当中继天线数目m＝2n、m＝2n+1时非对称mimotwr网络采用不同中继天线选择准则下的中断概率特性，其中，目标速率rth＝2bit/s/hz，图4中随机选择方案是指rs任意选取m＝2n-1根天线实现op-anc传输方案，用其作为性能基准。本发明所提准则是指公式(20)所示的基于正交投影的最大最小准则。传统准则是指在mimo信道中通常采用基于snr的最大最小准则，即最大化所有接收天线的最小snr。因此，可以直接采用该传统准则在非对称twr网络中实现中继天线选择，使得汇聚节点sn和用户节点的最小接收snr最大化，即从图4中可以看到，随机选择准则只能获得一阶分集。但是，对于本发明所提出的基于正交投影最大最小准则与传统的基于snr的最大最小准则，当多天线中继站rs天线数目m＝2n时分集阶数d＝2，当m＝2n+1时分集阶数d＝3。而且，基于正交投影的最大最小准则所对应的网络中断概率性能明显优于基于snr的最大最小准则。这是因为，本发明所提的rs天线选择准则的目的是使得所有信息对吞吐量的最小值最大化，而传统的天线选择准则只是优化最差信息流的吞吐量。

图5比较了本发明所提出的联合正交投影和天线选择通信方案与其他两种常用通信方案的吞吐量性能，两种对比方案分别为：tdd通信方案与基于zf的mu-mimo通信方案。在tdd方案中，整个信息交互过程包含四个时隙：在时隙1中，汇聚节点sn使用基于zf的mimo多路复用方法将n个信息符号发送给多天线中继站rs；在时隙2，多天线中继站rs使用基于zf的波束赋形方法将n个信息符号发送给n个用户；后两个时隙的过程与前两个时隙相反，用于实现n个信息符号从n个用户发送给汇聚节点sn。基于zf的mu-mimo方案与本发明所提的op-anc传输方案类似，包括两个阶段：ma和bc阶段。但是在基于zf的mu-mimo方案中，多天线中继站rs直接采用zf方法实现预编码，因此多天线中继站rs所需要的最小天线数目为2n。通过上述分析可以看到，由于完成一次信息交互所需要的时隙数目不一样，本发明所提方案和mu-mimo方案的信息自由度是tdd方案的两倍。图5给出了在中继天线数目m＝2n和m＝2n-1条件下非对称twr网络分别采用这三种通信方案时每对信息流的平均吞吐量，从图5可以看到，由于信息自由度的差别，本发明所提方案的吞吐量明显优于tdd方案。当中继天线数目m＝2n时，本发明由于采用了天线选择可以获得二阶分集增益，而基于zf的mu-mimo方案不能获得额外的分集增益，因此前者的吞吐量性能明显高于后者。