单向全双工MIMO中继系统容量优化设计

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1、单向全双工MIMO中继系统容量优化设计单向全双工MIMO中继系统容量优化设计【摘要】全双工设备的使用能够大大地增加频谱效率。本文重点研究MIMO全双工中继系统的信道容量最优化方案，提出一种源节点和中继联合处理的优化方案，在一定的中继自干扰功率以及源节点发射功率和中继发射功率限制条件下，求中继系统的最优化信道容量。仿真结果表明，通过使用这种方法，系统性能与半双工系统相比有显著提升，而且随着中继天线的增加，信道容量也有提升。【关键词】全双工；半双工；信道容量；自干扰CapacityOptimizationDesignforOne-WayFull-DuplexMIMORelayin

2、gSystemsSUNBen-liZHANGFeng-jie(CommunicationandInfonnationEngineeringCollegeofNanjingUniversityofPosts&Telecommunications,NanjingJiangsu210003,China)[Abstract]Full-duplexdevicescouldenhancethespectrumefficiencyobviously.Inthispaper,wemainlyfocusonthecharrnelcapacitymaximizationschemeofMIMOf

3、ull-duplexrelayingsystem,proposingajointsourceandrelayprocessingoptimizationscheme,underthespecificconstraintofself-interfereneepowerandthetransmitpoweratthesourceandtherelay,gettingtheoptimizationchannelcapacityofrelayingsystem・Simulationresultsshowthatasignificantgaincanbeobtainedoverahal

4、f-duplexrelayingsystembyusingtheproposedscheme・Andwiththeincreasingofrelayingantennas,thechannelcapacitywillbeenhanced.[KeywordsjFull-Duplex；Half-Duplex；ChannelCapacity；Self-Interferenee0引言无线蜂窝网中，无线中继能够提供稳定的、经济效率高的室内或者户外的网络覆盖范围扩展。在这种背景下，中继可以看作是通过转发信号实现多跳通信的基于基础设施的收发机。中继按照工作方式可以分为全双工(FD)中继模式

5、和半双工(HD)中继模式。HD中继在正交信道上接收和发送信息，而FD模式端到端的传输只需要一个信道，即FD中继系统允许在同一吋间同一频率，同吋接收和发送信号，所以可能具有双倍的频谱效率，相比较于HD中继系统。实现全双工技术的挑战在于如何消除全双工带來的自干扰。文献［1,2,3］提出一系列数字、模拟自干扰消除技术。然而，这一系列技术主要目的是减少自干扰，并不能保证系统的性能。文献［4］提出了一种能够平衡自干扰抑制和改善系统性能的预编码技术。木文我们研究单向放大转发(AF)协议FD中继系统的信道容量放大化的问题。当所有的节点只有一个天线时，可以得到解析解的最优的解决方案。当中继有

6、多根天线，源节点和目的节点只有一根天线时，如果我们强制中继放大矩阵的秩为1,那么最优化的问题可以转变为凸优化问题。1系统模型我们考虑单向AF协议FD中继系统，即信号从S发向R的吋候,R也向D发射信号，不考虑同吋存在D反过来向S发送信号的情况,如图1所示。图1系统框图假设hSD二0,而且中继R的接收天线个数M■■和发送天线个数M■■相等，M■■二M■■二M・。源节点S有Mt个发送天线，目的节点D具有Mr个接收天线。信道是平坦的，且信道矩阵满秩。我们考虑S与R之间，R与D之间都是单数据流的情况，所以S与D分别只有一根天线，即Mt=Mr=loS与R之间的信道为hSR丘■■,R与DZ

7、间的信道hRDeB■以及R与RZ间的自干扰信道hRRe«Bo源节点S的发送信号为xS二Ws(1)其中WGB■是发送端的预编码矩阵，由于我们研究的是单输入单输出(SISO)模型，所以预编码矩阵W是一个标量。数据矢量S的每一个元素的均值为0,方差为1。源节点的发送功率限制为ExBB^Pmax,其中E{•}表示数学期望，•表示欧儿里德范数。所以得到中继的接收信号为yR二hSRxS+hRRxR+nR(2)其中nR是零均值循环对称复高斯(ZMCSCG)噪声，En・n■■二。hRR・xR表示中继接收端接收到的自干扰