专利名称：多组多用户双向中继网络中一种对抗干扰的方法
技术领域：
本发明涉及一种联合物理层网络编码和叠加编码对抗多组多用户双向中继网络中两类干扰一组内干扰和组间干扰的方法，属于无线通信技术领域。
背景技术：
双向中继网络由于其在扩大网络覆盖范围和提高系统频谱效率方面的潜在优势吸引了学术界和工业界的共同关注。中继技术的概念最先起源于Ad hoc网络中。由于无线电波的功率随着传输距离的增加而衰减，当衰减到一定程度后接收端无法从微弱的接收信号中检测出期望的信息。也就是说，如果两个节点的距离超过天线的有效覆盖范围，那么这两个节点便无法完成通信。此时若仍要继续通信则需要借助这两个节点外的其它节点进行协作传输，即通过中继来完成通信过程。中继技术最先其实以单向中继的概念出现，即应用在单向通信系统中。双向中继网络，即通信中双方需要相互交换信息，是一个非常实用的通信场景。在一个典型的三节点无线双向中继网络中，两个端节点通过中继节点进行双向信息交换，即数据流是双向的。通信过程需要两个阶段完成:多址(multiple-access，MA)阶段和广播(broadcast，BC)阶段。在MA阶段，两个端节点同时向中继节点发送消息；在BC阶段，中继节点对接收到的信号进行处理后广播给两个端节点。典型的三节点双向中继网络可以看作是单组情形，即两个端节点属于同一组，组内的两个用户通过中继节点进行双向通信。物理层网络编码(physical-layer network coding, PNC)是利用无线传播介质的广播特性和信号自然叠加特性的一种先进的通信技术。双向中继网络是一个非常适合采用物理层网络编码的场景。采用物理层网络编码技术只需要两个时隙就可以完成两个端节点之间的双向信息交换。根据中继是否对接收到的混合信号解码可将物理层网络编码分为两类:基于解码转发(Decode-and-Forward, DF)的物理层网络编码和基于放大转发(Amplify-and-Forward,AF)的物理层网络编码(又称为模拟网络编码，Analogue NetworkCoding, ANC)。在基于DF的PNC中，中继对接收到的自然叠加的信号进行解码后映射为网络编码符号广播给端节点；在基于AF的ANC中，中继对接收到的自然叠加的信号进行简单的放大后直接转发给端节点。叠加编码由于其在增强通信系统容量性能方面的优势获得了广泛的研究和关注，其本质是一种分层编码调制技术。在所有节点都配置有单根天线的加性白高斯噪声下行链路中，叠加编码已经被证明是一项最优的获取信道容量的技术。对于无衰落上行链路(多个发射机和一个接收机)而言，最优多址接入策略是所有用户将他们的信号扩展到整个带宽，占用全部的自由度，与码分多址系统十分相像。但是，其并不是将来自其它用户的干扰作为噪声处理来对每个用户进行解码，而是需要采用串行干扰消除接收机来达到容量。具体地说，对一个用户解码之后，要将其估计信号从总的接收信号中减去再进行下一个用户的解码。相似的传输策略对下行链路(一个发射机和多个接收机)也是最优的，用户的信号相互混合叠加在一起，并在各自进行串行干扰消除:各用户首先对发给其它信号较弱的用户的信息进行解码，然后将解码出的其它用户的信息消除后再解码其自身信息。已经证明，当用户到基站的信道条件完全不相同时，把串行干扰消除和码分多址结合使用就能够使系统获得比采用传统的多址接入技术更大的性能提升。传统的三节点双向中继网络可以看作是单组情形，即两个端节点属于同一个组。作为单组情形的自然扩展，多组多用户双向中继网络是一种更为实用的通信场景。考虑每个用户只与同属于一个组的伙伴进行双向通信而不与其它组的用户进行通信的情况。但是相比单组情形，多组多用户场景可以增加系统服务的用户数，提高频率利用率；但是此种场景下存在可能会使系统性能严重恶化的两类干扰，即组内干扰和组间干扰。对于组内干扰的处理可以采用类似单组情形的处理方案，即采用物理层网络编码来消除组内干扰；而对于组间干扰的处理是一个非常有挑战性的问题，具体处理方法与系统的天线配置有很大关系。对于不同天线配置的多组多用户双向中继网络，处理两类干扰的思路有所不同。根据中继天线数目和用户天线数目的配置，把多组多用户双向中继网络分为如下三类:(1)中继和用户都只配备有单天线；(II)中继配备有多天线而用户配备单天线；(III)中继和用户都配备有多根天线。对于第I类双向中继网络，可用物理层网络编码处理组内干扰，用码分多址对抗组间干扰。对于第I1、III类双向中继网络，波束成形是一种有效对抗干扰的方法，但是波束成形方法对系统的天线配有有很苛刻的要求:中继的天线数目必须大于或至少等于所有用户天线数目的总和，否则中继就没有足够的自由度来对抗干扰。当系统的天线配置不满足波束成形的要求时，如何对抗两类干扰所导致的系统性能恶化是一个非常有挑战性的问题。
发明内容
本发明的目的是探索当系统天线配置不满足波束成形的应用要求时能够减轻多组多用户双向中继网络中两类干扰对系统性能恶化的方法。本发明提出了一种联合物理层网络编码和叠加编码对抗两类干扰的方法，具体来说，物理层网络编码可用来消除组内干扰，叠加编码用来对抗组间干扰。考虑由2K个单天线用户和一个配备有两根天线的中继节点组成的双向中继网络，每个用户只与属于同 组的伙伴进行通信。Uki表示第k组的第i个用户，其中k = 1，2，…，K，i = 1，2。h表示用户Uki到中继节点的信道矩阵，其每个元素都是独立同分布的，即每个元素服从C#(0,1)分布；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(.)Η代表向量或矩阵的共轭转置操作。其特征在于，所述方法包括两个阶段:(I)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。本阶段包括如下操作步骤:(a)中继对接收到的信号进行解码以恢复出用户的信息；(b)对属于同一组用户的信息执行物理层网络编码操作；(C)对步骤(b)得到的网络编码符号进行叠加编码并通过空时码的方式广播给所有用户。本发明提出了一种多组多用户双向中继网络不满足波束成形应用条件时对抗组内干扰和组间干扰的方法，其优点在于:物理层网络编码可以消除组内干扰，叠加编码以及与其相应的用户端的串行干扰消除可以对抗组间干扰，从而减轻了两类干扰所导致的系统性能恶化，有效提升了系统的性能。另外，本发明还给出了系统的和速率和中断概率的表达式。
为了更直观清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施过程中所需要使用的附图简要介绍。图1是本发明应用的通信场景:多组多用户双向中继网络示意图。图2本发明提出的联合物理层网络编码和叠加编码对抗多组多用户双向中继网络中组内干扰和组间干扰的流程图。图3是本发明实施例中，系统的平均和速率与已有方案性能比较示意图。图4是本发明实施例中，系统的中断概率与已有方案性能比较示意图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。参考图1，图1是本发明实例的应用场景。如图1所示，所考虑的多组多用户双向中继网络由2K个单天线用户和一个配备有两根天线的中继节点组成，每个用户只与属于同组的伙伴进行通信。Uki表示第k组的第i个用户，其中k= 1，2，…，K，i = l，2。hKfk表示用户Uki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CN(0,1)分布。根据通信过程中的具体条件，本发明做出如下三项合理假设:1、所有节点工作在半双工模式，信道具有互易性。若％表示用户Uki到中继节点的信道矩阵，由信道互易性可知，中继节点到用户的信道为
权利要求
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。Uki表示第k组的第i个用户，其中k = 1，2，…，K，i = l，2。ski表示用户Uki发送的信息；％表示用户Uki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(O,I)分布；pki表示用户Uki的发射功率；n表示中继节点的2X1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
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
全文摘要
多组多用户双向中继网络中一种对抗干扰的方法，该方法实施需要两个阶段(1)多址阶段，所有用户同时向中继节点发送消息；(2)广播阶段，中继对多址阶段接收到的信号进行一定的处理后广播给所有用户，用户通过解码从而完成双向信息交换。中继节点对多址阶段接收的自然叠加的信号的处理操作是本发明的核心，操作步骤如下(a)中继对接收到的信号进行解码以恢复出用户的信息；(b)对属于同一组用户的信息执行物理层网络编码操作；(c)对步骤(b)得到的网络编码符号进行叠加编码并通过空时码的方式广播给所有用户。本发明通过采用物理层网络编码和叠加编码可对抗组间干扰和组内干扰所导致的系统性能恶化。具体来说，物理层网络编码可以消除组内干扰，叠加编码可以对抗组间干扰。理论分析和仿真实验证明本发明可获得良好的系统性能。
文档编号H04L1/06GK103078710SQ201310003570
公开日2013年5月1日 申请日期2013年1月4日 优先权日2013年1月4日
发明者吕铁军, 吴仁举 申请人:北京邮电大学