基于天線選擇的全雙工中繼干擾抑制

陳 勤，芮賢義

蘇州大學 電子信息學院，江蘇 蘇州 215006

1 引言

在協作通信領域，全雙工中繼技術因其頻譜效率和信道容量方面的優勢而受到廣泛的關注[1-4]。由于全雙工中繼同時發送和接收信號，因此和半雙工中繼相比改善了頻譜效率[5-6]。但工作在全雙工模式下的中繼在發送端和接收端之間存在信號泄漏，產生收發自干擾，這種干擾使得中繼系統不穩定[7]，降低了系統的信道容量，因此難以獲得半雙工模式下兩倍的信道容量。為解決上述問題，全雙工的干擾抑制成為協作通信的研究熱點[8]。如文獻[9]利用干擾信道的正交奇異值分解（SVD），通過設計編解碼器來抑制干擾；文獻[10]介紹了一種迫零（ZF）干擾抑制方案；文獻[11]利用零空間映射和最小均方誤差（MMSE），提出了一種綜合考慮時域抵消和頻域抑制的方案；文獻[12-13]針對SISO中繼系統，假設能夠獲知干擾信號，通過從中繼輸入信號中減去該估計干擾信號來進行抑制；而文獻[9-11]研究的傳統方法引入了權重矩陣，使得系統復雜性增加，因此有必要研究一種新的易行抑制技術；文獻[14]僅考慮在中繼接收端采取干擾抑制措施；文獻[15]在中繼發送端抑制的研究基礎上，提出同時在中繼發送端和接收端進行天線選擇，改善了通信系統的性能，降低了系統復雜性。

2 系統模型

考慮不存在直傳鏈路的單源單宿全雙工協作通信系統模型，如圖1所示，包含一個源節點S，一個目的節點D以及一個中繼節點R。S、D工作在半雙工模式，均配置單根天線，R工作在全雙工模式，配置有Nt根發送天線和Nr根接收天線。本文僅考慮中繼發送天線數和接收天線數相等的情況，即Nr=Nt=N。 HSR(Nr×1)、HRD(1×Nt)和 HI(Nr×Nt)分別表示S-R、R-D和R-R中繼收發自干擾鏈路的信道矩陣，表征對應的信道狀態信息。nR(Nr×1)和nD分別表示R、D處均值為零，方差為N0的加性高斯白噪聲。

圖1 全雙工協作通信系統模型

在上述兩跳系統模型下，中繼接收端對來自S發送的信號，干擾信號和噪聲信號進行合并，因此中繼R接收到的信號yR可以表示為：

其中，x為S端發送的信號，xR(Nt×1)為R采用某種協作協議處理后轉發的信號，則HIxR表示R收發端的干擾信號，并且

f(·)函數關系由中繼所采用的協作策略決定。

目的節點D接收到的信號yD表示如下：

假設S-R和R-D鏈路均為瑞利衰落信道，中繼發送端和接收端可以看作兩個具有視距傳輸的近距離基站，其間的干擾信道可設為萊斯衰落，各條鏈路的信道衰落相互獨立。因此，信道矩陣HSR和HRD中的每個變量服從瑞利分布，HI中的元素表示MIMO中繼干擾萊斯信道的信道增益。

3 干擾抑制方案

本文提出的干擾抑制方法考慮中繼發送端和接收端之間的鏈路狀況，分別在配置多根天線的中繼發送端和接收端選擇合適的天線子集進行傳輸，因此中繼端接收到的信號如下：

其中，PR為中繼節點的發射功率，INk為Nk×Nk維單位矩陣，(·)H表示轉置矩陣。

根據圖1所示的系統模型，理論推導不同干擾抑制方法下的信道容量，進而分析比較全雙工模式的性能。

（1）不進行干擾抑制

設源節點的發射功率為PS，在不采取任何干擾抑制的情況下，S-R和R-D鏈路的信噪比分別表示為：

其中WN是如下所示的矩陣：

考慮中繼采用放大轉發AF協議，此時系統的信道容量：

（2）單獨考慮中繼發送端或接收端

若采用式（5）所示的中繼天線子集選擇標準，僅考慮在中繼發送端或接收端進行天線選擇，Hm(Nkr×1)和Hn(1×Nkt)為經過選擇后參與傳輸的干擾信道矩陣，分別表示矩陣HI的第m列和第n行，干擾信道的信道容量分別表示如下：

由于僅在中繼發送端或接收端選擇，無法獲得最優的干擾抑制效果。

（3）綜合考慮發送端和接收端

提出的抑制方案基于最小化干擾信道的信道容量準則，選擇出干擾信道矩陣HP。根據干擾信道鏈路情況，綜合考慮在中繼發送端和接收端同時進行天線選擇，兩跳的瞬時信噪比：

其中WNk是如下所示的矩陣：

在AF協作協議下，干擾抑制后系統的信道容量由γ1sup和γ2sup表示如下：

4 仿真結果與討論

圖2給出了等功率分配時，系統在不采取任何干擾抑制措施，僅在中繼發送端或接收端天線選擇和同時在中繼發送端和接收端天線選擇四種方案下，系統的信道容量關于信噪比SNR的比較，其中信干比SIR=3.01 dB。由圖可以看出，不采取任何干擾抑制下全雙工信道容量性能最不理想，因此進行干擾抑制來改善系統的傳輸質量很有必要。綜合考慮發送端和接收端的天線選擇下，系統信道容量明顯優于其他方案。SNR越大，本文方案優勢越明顯。

圖2 不同SNR下全雙工信道容量仿真圖

在無線網絡中，節省移動設備的能量消耗很重要，尤其對于使用電池供電的中繼。因此，考慮固定中繼發送功率PR時的功率分配方案。圖3給出了固定PR時系統信道容量關于SIR的仿真比較圖?？梢钥吹叫诺廊萘渴顷P于SIR的增函數，本文提出的干擾抑制方案的系統信道容量最優，尤其在低SIR時，抑制效果更明顯；不進行干擾抑制、TS和RS三種方案下信道容量差距不大。

圖4仿真了等功率分配下，傳統TS方案和TS&RS方案的誤碼率?？梢钥闯?，TS&RS方案下系統的誤碼率明顯優于TS方案，兩種方案的性能差異取決于SIR，SIR增大，TS&RS方案下系統的傳輸性能優勢更明顯。

圖3 不同SIR下全雙工信道容量仿真圖

圖4 全雙工誤碼率仿真圖

5 結論

基于最小化干擾信道的信道容量進行中繼發送端和接收端的天線選擇，提出了全雙工模式下的干擾抑制方案來改善系統的頻譜效率。由仿真結果可知，本文抑制方案可以獲得優于只在中繼一端進行天線選擇的方案，無需引入傳統的權重矩陣，簡單易行。和其他抑制方案相比，全雙工中繼系統可以通過中繼發送端和接收端同時進行天線選擇來進行干擾抑制，以較低的復雜度獲得理想的傳輸性能。

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