基于天线选择的全双工中继干扰抑制

陈 勤，芮贤义

苏州大学 电子信息学院，江苏 苏州 215006

1 引言

在协作通信领域，全双工中继技术因其频谱效率和信道容量方面的优势而受到广泛的关注[1-4]。由于全双工中继同时发送和接收信号，因此和半双工中继相比改善了频谱效率[5-6]。但工作在全双工模式下的中继在发送端和接收端之间存在信号泄漏，产生收发自干扰，这种干扰使得中继系统不稳定[7]，降低了系统的信道容量，因此难以获得半双工模式下两倍的信道容量。为解决上述问题，全双工的干扰抑制成为协作通信的研究热点[8]。如文献[9]利用干扰信道的正交奇异值分解（SVD），通过设计编解码器来抑制干扰；文献[10]介绍了一种迫零（ZF）干扰抑制方案；文献[11]利用零空间映射和最小均方误差（MMSE），提出了一种综合考虑时域抵消和频域抑制的方案；文献[12-13]针对SISO中继系统，假设能够获知干扰信号，通过从中继输入信号中减去该估计干扰信号来进行抑制；而文献[9-11]研究的传统方法引入了权重矩阵，使得系统复杂性增加，因此有必要研究一种新的易行抑制技术；文献[14]仅考虑在中继接收端采取干扰抑制措施；文献[15]在中继发送端抑制的研究基础上，提出同时在中继发送端和接收端进行天线选择，改善了通信系统的性能，降低了系统复杂性。

2 系统模型

考虑不存在直传链路的单源单宿全双工协作通信系统模型，如图1所示，包含一个源节点S，一个目的节点D以及一个中继节点R。S、D工作在半双工模式，均配置单根天线，R工作在全双工模式，配置有Nt根发送天线和Nr根接收天线。本文仅考虑中继发送天线数和接收天线数相等的情况，即Nr=Nt=N。 HSR(Nr×1)、HRD(1×Nt)和 HI(Nr×Nt)分别表示S-R、R-D和R-R中继收发自干扰链路的信道矩阵，表征对应的信道状态信息。nR(Nr×1)和nD分别表示R、D处均值为零，方差为N0的加性高斯白噪声。

图1 全双工协作通信系统模型

在上述两跳系统模型下，中继接收端对来自S发送的信号，干扰信号和噪声信号进行合并，因此中继R接收到的信号yR可以表示为：

其中，x为S端发送的信号，xR(Nt×1)为R采用某种协作协议处理后转发的信号，则HIxR表示R收发端的干扰信号，并且

f(·)函数关系由中继所采用的协作策略决定。

目的节点D接收到的信号yD表示如下：

假设S-R和R-D链路均为瑞利衰落信道，中继发送端和接收端可以看作两个具有视距传输的近距离基站，其间的干扰信道可设为莱斯衰落，各条链路的信道衰落相互独立。因此，信道矩阵HSR和HRD中的每个变量服从瑞利分布，HI中的元素表示MIMO中继干扰莱斯信道的信道增益。

3 干扰抑制方案

本文提出的干扰抑制方法考虑中继发送端和接收端之间的链路状况，分别在配置多根天线的中继发送端和接收端选择合适的天线子集进行传输，因此中继端接收到的信号如下：

其中，PR为中继节点的发射功率，INk为Nk×Nk维单位矩阵，(·)H表示转置矩阵。

根据图1所示的系统模型，理论推导不同干扰抑制方法下的信道容量，进而分析比较全双工模式的性能。

（1）不进行干扰抑制

设源节点的发射功率为PS，在不采取任何干扰抑制的情况下，S-R和R-D链路的信噪比分别表示为：

其中WN是如下所示的矩阵：

考虑中继采用放大转发AF协议，此时系统的信道容量：

（2）单独考虑中继发送端或接收端

若采用式（5）所示的中继天线子集选择标准，仅考虑在中继发送端或接收端进行天线选择，Hm(Nkr×1)和Hn(1×Nkt)为经过选择后参与传输的干扰信道矩阵，分别表示矩阵HI的第m列和第n行，干扰信道的信道容量分别表示如下：

由于仅在中继发送端或接收端选择，无法获得最优的干扰抑制效果。

（3）综合考虑发送端和接收端

提出的抑制方案基于最小化干扰信道的信道容量准则，选择出干扰信道矩阵HP。根据干扰信道链路情况，综合考虑在中继发送端和接收端同时进行天线选择，两跳的瞬时信噪比：

其中WNk是如下所示的矩阵：

在AF协作协议下，干扰抑制后系统的信道容量由γ1sup和γ2sup表示如下：

4 仿真结果与讨论

图2给出了等功率分配时，系统在不采取任何干扰抑制措施，仅在中继发送端或接收端天线选择和同时在中继发送端和接收端天线选择四种方案下，系统的信道容量关于信噪比SNR的比较，其中信干比SIR=3.01 dB。由图可以看出，不采取任何干扰抑制下全双工信道容量性能最不理想，因此进行干扰抑制来改善系统的传输质量很有必要。综合考虑发送端和接收端的天线选择下，系统信道容量明显优于其他方案。SNR越大，本文方案优势越明显。

图2 不同SNR下全双工信道容量仿真图

在无线网络中，节省移动设备的能量消耗很重要，尤其对于使用电池供电的中继。因此，考虑固定中继发送功率PR时的功率分配方案。图3给出了固定PR时系统信道容量关于SIR的仿真比较图。可以看到信道容量是关于SIR的增函数，本文提出的干扰抑制方案的系统信道容量最优，尤其在低SIR时，抑制效果更明显；不进行干扰抑制、TS和RS三种方案下信道容量差距不大。

图4仿真了等功率分配下，传统TS方案和TS&RS方案的误码率。可以看出，TS&RS方案下系统的误码率明显优于TS方案，两种方案的性能差异取决于SIR，SIR增大，TS&RS方案下系统的传输性能优势更明显。

图3 不同SIR下全双工信道容量仿真图

图4 全双工误码率仿真图

5 结论

基于最小化干扰信道的信道容量进行中继发送端和接收端的天线选择，提出了全双工模式下的干扰抑制方案来改善系统的频谱效率。由仿真结果可知，本文抑制方案可以获得优于只在中继一端进行天线选择的方案，无需引入传统的权重矩阵，简单易行。和其他抑制方案相比，全双工中继系统可以通过中继发送端和接收端同时进行天线选择来进行干扰抑制，以较低的复杂度获得理想的传输性能。

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