基于译码转发的全双工多用户对双向中继mimo系统波束成形算法-崔玉荻.pdf

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1、第48卷第5期201 6年10月南京航空 航天大学学报Journal of Nanjing University of AeronauticsAstronauticsV0148 NO50Ct2016DOI：1016356j10052615201605003基于译码转发的全双工多用户对双向中继MIMO系统波束成形算法崔玉荻1 束 锋123 胡锦松1 王 进1 陈洪洋1 朱 伟(1南京理工大学电子工程与光电技术学院，南京，210094；2电子科技集团公司第二十二研究所电波环境特性及模块化技术国防科技重点实验室，青岛，266107；3东南大学移动通信国家重点实验室，南京，210096)摘要：全双工系

2、统相比半双工系统对通信容量有很大的提升，但中继处的自干扰问题严重影响全双工系统的性能，而且多个用户间存在的信号泄漏也对系统性能造成影响。文中针对基于译码转发(Decodeandforward，DF)的全双工多用户对双向中继系统，将用于消除中继自干扰的零空间投影算法(Nullspace projection，NSP)与消除多用户对间干扰的迫零(Zero forcing，ZF)和块对角化(Block diagonalization，BD)算法结合，重新设计波束成形矩阵，实现同时消除白干扰和多用户闰干扰的目的。仿真结果表明，构造的全双工多用户对双向中继系统可以达到同时消除自干扰与多用户间干扰的目的。

3、关键词：译码转发；全双工；自干扰消除；多用户对双向中继；波束成形中图分类号：TN9295 文献标志码：A 文章编号：10052615(2016)05063304Beamforming Scheme for Full-Duplex Multi-pair Two-WayMIMO Relay System with Decode-andForward StrategyCui Yudil，Shu Fen91,2,3，Hu Jinson91，Wang Jinl，Chen Hongyan91，Zhu Weil(1School of Electronic and Optical Engineering，Na

4、njing University of Science and Technology，Nanjing，210094，China；2National Key Laboratory of Electromagnetic Environment，China Research Institute of Radiowave Propagation，Qingdao，266107，China；3National Mobile Communications Research Laboratory，Southeast University，Nanjing，210096，China)Abstract：Fulldu

5、plex has a great promotion for channel capacity compared with half-duplex，hut the interference of relay and the leakage between multiuser affect the performance of communication systemWe combine nullspace projection(NSP)algorithm used to restrain the selfinterference with zero forcing(ZF)and block d

6、iagonalization(BD)algorithms used to cancel the interference between different users torestructure beamforming matrixes，thus canceling the selfinterference and multipair interference inmultiuser fullduplex tWOway relay system with decodeandforward(DF)strategySimulation results基金项目：国家自然科学基金(61271230，

7、6147210)资助项技术国防科技重点实验室开放课题(201500013)资助项目助项目。收稿日期：20160221；修订日期：2016-0918目；电子科技集团公司第二十二所电波环境特性及模块化；东南大学移动通信国家重点实验室开放课题(2013D02)资通信作者：束锋，男，研究员，博士生导师，Email：shufengnjusteducn。引用格式：崔玉荻，束锋，胡锦松，等基于译码转发的全双工多用户对双向中继MIMO系统波束成形算法J南京航空航天大学学报，2016，48(5)：633636Cui Yudi，Shu Feng，Hu Jinsong，et a1Beamforming scheme

8、 for fullduplexmultipair tWOway MIMO relay system with decodeandforward strategy-JJournal of Nanjing University of Aeronautics&Astronautics，2016，48(5)：633636万方数据634 南京航空航天大学学报 第48卷reveal that the multi，-user full-duplex twoway relay system can restrain the selfinterference of relay andthe interferen

9、ce between multiuser at the same timeKey words：decodeandforward；fullduplex；self-interference cancelled；multipair twoway relay；beamforming全双工系统可以实现同时同频接收和发送信号，能够大幅度地提升无线通信容量和频谱利用率，因而受到广大学者的关注口。但全双工系统中继的接收端和发送端在传送信号的过程中会产生泄漏，即自干扰，会严重影响系统性能2。3。所以自干扰消除是全双工系统需要解决的主要问题。文献E43对现有的自扰消除方法做了总结，包括天线隔离、时域消除和空域抑制

10、等。但是天线隔离只能部分消除白干扰2，时域消除算法复杂度高而且仪器成本高，所以本文主要讨论空域抑制的相关算法。文献5-73给出了一些经典的空域白干扰消除方法，如：迫零(Zero forcing，ZF)、最小均方误差(Minimum mean square error，MMSE)和零空间投影(Nullspace projection，NSP)。文献E8-1提出了梯度投影算法以最大化全双工MIMO中继系统的和速率下界。文献9研究了基于译码转发(Decodeandforward，DF)协议的全双工中继系统误码率，利用特征函数分析性能并给出不同信道衰落下的系统误码率表达式。文献IO提出了基于放大转发(

11、Amplifyandforward，AF)的全双工双向中继系统。但以上系统为均采用单用户对模型，如果将系统扩展为多用户对模型，那么多用户对间提供的分集增益会进一步提高系统性能。不过在多用户对系统中，用户对之间存在的干扰也会影响系统性能。文献11研究了基于AF的全双工多用户单向中继系统。文献12给出了一种基于AF的半双工多用户对双向中继系统的波束成形算法奇异值分解(Singular value decomposition，SVD)。为了进一步提升频谱利用率，构造了全双工多用户对双向中继模型，并将其应用DF系统。结果表明，文中构造的全双工多用户对双向中继系统在抑制自干扰信号的同时也能够消除用户对之

12、间的干扰，提高了系统性能。并且中继端配置的天线数越多，系统的性能也越好。1 系统模型本文研究的是全双工多用户对双向中继系统，其模型如图1所示。由于路径损耗以及阴影衰落，假设不同的用户之间没有直达通道，而是通过中继进行信息交换。中继节点R在接收来自用户当前图1 全双工多用户对双向中继系统模型Fig1 System model of fullduplex multipair twowayMIM0 relay system时隙的信号的同时也向用户节点发送上一时隙的信号。系统配置为：中继配有N副天线，K个用户对，每个用户配有M根天线。H舡和G艇，ia，b)分别表示上行信道和下行信道的信道增益矩阵，H，

13、为中继白干扰信道增益矩阵。设用户乜发送信号为z“，且满足trx垃工嚣)=P。，经过上行信道传输以及中继接收信号波束成形，中继接收信号为Ky，扎一WH茸x衄咒+w一(H，x，+z，咒)k=1 iEn，bl(1)式中：wR表示中继端接收波束成形矩阵；z，表示中继接收端的加性循环对称复高斯白噪声，满足trz，z，=盯；工，为经过中继协议发送波束成形的中继端发送信号，具体表示为x，=3w，x行一r。其中wT为中继端发送波束成形矩阵；13为功率约束因子；P硒为中继端发射功率，则口表示为 8一陈(2)经过中继发送端波束成形以及下行信道传输，用户接收信号表示为KY缸In一aT叫x，+H，x垃，z+矩咒(3)

14、jI式中：Hi为所有忌i用户对k(一i)用户的干扰；z为服从零均值高斯分布的用户接收噪声，且tr及H)=盯2。在本文研究的多用户对全双工双向中继系统中，波束成形算法不仅包括对中继的自干扰抑制，也包括用户对内以及用户对间干扰消除。所以，w。和wT可以分解为WRWW WTW。Wrd (4)蝈；日；羽窒万方数据第5期 崔玉荻，等：基于译码转发的全双工多用户对双向中继MIMO系统波束成形算法 635式中：w，和w，分别表示中继接收端和发送端的白干扰消除矩阵，w，和w耐分别表示中继接收端和发送端波束成形矩阵。根据式(14)，得到上行链路中继接收的和速率为R。“一logzdet(In，+PMsWRH茸(W

15、RH茸)HRwl)(5)式中：Rw=p2(wRH，WT)(wRH，W丁)“+盯；wRK(w。)H+E舸，而E矗一 PMsWRH。啪=1mHa6)(WRH。)H。同理，可得下行链路用户接收的和速率表示为Rd。一l092det(M+胪PesG最叫WT(G最吲W丁)“R亍1) (6)K式中：Rr一仃kJM+ 卢2PRsG。Wr(G。m=1，m女nC-a6)W，)“+HjH?。由此得出依照DF准则的全双工多用户对双向中继系统的和速率为1 3Rmin(R。，Rd) (7)K式中：R。=R表示上行链路和速率；=1 i62波束成形算法本节讨论全双工多用户对双向中继系统的波束成形算法。首先，需要消除中继端的自

16、干扰，本文采用NSP算法6。依照NSP算法，白干扰消除需满足条件W，H，W，一0 (8)通过对H，的SVD分解，H，一UZVH一眇， Uz三，。 VzH，分别得到了系统的中继接收自干扰消除矩阵和发送自干扰消除矩阵W，一【，f，W。一V：。在消除了中继白干扰之后，还需对用户对问的干扰进行处理，所以重新构造了上行和下行信道矩阵w，HfGTW，一6 (9)ZF算法143与SVD算法123均可依据式(9)构造，在此不作赘述。由于ZF算法会受到信道相关性的影响，为了提升系统和速率采取块对角化波束成形算法14。首先定义矩阵自。叫=宜。白。台。一。，。自茸宜。抖。，。俞me；。一。一eL e矗e矗一。，。O

17、三Ok。，。ek1(10)BD算法采用将中继波束成形矩阵映射在的零空间上的方法来消除用户对间的干扰。对上述定义矩阵进行SVD分解fL-一-V站u硭三H卜y趾e卜一【，钆三c。V出V鞋H (11)令L=rank(-卜)，R一rank(堂卜)，则u跋CNk和V髭C2删Rt分别为自卜和G卜的零空间。将每用户的上下行信道矩阵日t和Gt分别与【，趾和y鞋相乘，并对相乘后得到的矩阵进行SVD分解，以达到消除用户对内干扰的目的。【，掣日t一【，彬【，翌晶。，嚣。GtV鞋=uq三qv出yT (12)最后，得到了中继接收端和发送端的BD波束成形矩阵W，-一。FT巩(1)HU艘H W耐一yZ，芷 (13)3仿真结

18、果及分析本节通过仿真来评估构造的全双工多用户对双向中继系统的性能，采用SVD算法作为上界，并用ZF和BD算法对比进行验证。系统参数设置如下：系统用户对数K一2；每用户天线数M一2；中继的发射天线与接收天线的数N=16。用户的平均信噪比为sNR硒一PMs仃惫，中继端的平均信噪比为SNRMSPRSak。图2比较了当SNRRsSN，用户对数K一2，用户天线数为M一2时，全双工双向中继模式下NSP+SVD，NSP+BD，NSP+ZF的3种波束成形算法，以及半双工双向中继模式下SVD，BD，ZF三种波束成形算法的和速率。由图2可知，在本文构造的全双工多用户对双向中继系统中，全双工模式下的3种波束成形算法

19、性能均高于半双工模式下波束成形的算法，且其性能排序为：NSP+SVDNSP+BDNSP+ZFSVDBDZF ZF算法南于受信道柙关忭影响较大其忭注：虚线表示全双工模式实线代表半双工模式图2 提出的波束成形算法与经典算法的和速率比较Fig2 Compa rison of achievable rate under differerbeanlforming schemes万方数据636 南京航空航天大学学报 第48卷能次于BD算法。BD算法以牺牲发射信号空间自由度来彻底消除用户对之间的干扰，所以其性能次于SVD算法。理论上全双工双向模式的和速率应该为半双工双向模式的2倍，而文中数据结果(以SNRR

20、sSNRm=25 dB，NSP+BD算法为例)只达到178倍。这是因为NSP并不是最优的白干扰抑制方式，因为在其干扰置零过程中会有维度损失，而且在两步波束成形过程中很可能会产生新的干扰，影响系统性能，所以不能达到理想的条件。图3为在SNRRsSNRMs一20 dB时，不同波束成形算法和速率随用户天线数目的变化曲线。由图3可知，随着用户配置的天线数增加，系统的和速率快速上升，且不同波束成形算法间的差距也逐渐拉大。这意味着采用多天线，甚至达到中大规模的天线数11时可以带求更尚的复用增益：Number of per user antemlas注：虚线表示全双工模式，实线代表半双工模式图3用户配置不同

21、数目天线时，不同波束成形算法的和速率比较Fig3 Comparison of achievable rate under differentbeamforming schemes with different user antenna numbers4结束语本文针对基于译码转发的全双工多用户对双向中继系统，设计了NSP+SVD，NSP+ZF，NSP+BD三种波束成形矩阵，以达到同时消除中继白干扰和用户对间干扰的目的。仿真表明，设计的3种波束成形算法既能消除中继自干扰，又能消除用户对间及对内干扰。并且，随着用户配置天线数目的增多，提出的系统的性能也越好。参考文献：112Bliss D，Parke

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