放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)中的干擾檢測*

王 寧，李聰穎

(1.91336部隊(duì),河北 秦皇島 066326；2.海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院,湖北 武漢 430033)

放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)中的干擾檢測*

王 寧1，李聰穎2

(1.91336部隊(duì),河北 秦皇島 066326；2.海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院,湖北 武漢 430033)

由于放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)中信宿接收噪聲為兩級鏈路噪聲累積，使得中繼處所受同道干擾功率難以估計(jì)。于是，提出一種適用于AF中繼系統(tǒng)的中繼干擾能量檢測法。該方法中，中繼將訓(xùn)練塊內(nèi)的噪聲選擇性置零，使得中繼訓(xùn)練序列不再受噪聲影響；信宿利用中繼訓(xùn)練序列估計(jì)出中繼—信宿鏈路信道狀態(tài)信息后，均衡得到訓(xùn)練塊冗余頻點(diǎn)上的噪聲值，進(jìn)而用噪聲值估計(jì)中繼干擾功率。仿真結(jié)果表明，所提方案在高信噪比區(qū)域能夠準(zhǔn)確估計(jì)出中繼干擾功率。

放大轉(zhuǎn)發(fā)；中繼網(wǎng)絡(luò)；同道干擾；干擾估計(jì)

0 引 言

在頻率復(fù)用技術(shù)廣為應(yīng)用的今天，同道干擾（Co-channel Interference，CCI）普遍存在于通信系統(tǒng)中，協(xié)作通信也不例外。通信系統(tǒng)降低CCI的動態(tài)頻率選擇、動態(tài)子信道選擇和動態(tài)功率控制等技術(shù)，需要以控制中心檢測到某處干擾存在為前提。從干擾檢測的檢測依據(jù)來看，現(xiàn)有的檢測技術(shù)可分為干擾能量檢測和干擾概率密度檢測兩大類。干擾概率密度檢測需要大量的數(shù)據(jù)來近似得出信號的概率密度函數(shù)，通過概率分布形式判斷干擾是否存在；干擾能量檢測通過計(jì)算目標(biāo)頻段信號能量，并與提前設(shè)定的閾值比較，若檢測能量超過閾值，則認(rèn)為存在干擾。能量檢測的優(yōu)點(diǎn)在于它不僅能檢測出干擾是否存在，還可為系統(tǒng)資源配置提供有用信息。

具體到協(xié)作通信的主要中繼方式之一——AF中繼，其研究文獻(xiàn)雖多，卻大多以協(xié)作過程中用戶不會互相干擾為前提[1-3]。然而，這一假設(shè)并不符合協(xié)作通信中多用戶同時發(fā)送信息這一實(shí)際情況。現(xiàn)有為數(shù)不多的關(guān)于AF系統(tǒng)CCI的文獻(xiàn)[4-8]主要集中于分析CCI對性能的影響和多天線AF中繼如何通過合并抑制CCI，尚未有專門的文獻(xiàn)分析AF中繼系統(tǒng)的CCI檢測問題?？紤]到AF中繼系統(tǒng)中信宿收到的噪聲為中繼轉(zhuǎn)發(fā)的噪聲和信宿本地噪聲的疊加，因此AF中繼噪聲干擾能量與傳統(tǒng)的能量檢測是有區(qū)別的。

本文提出一種適用于AF中繼系統(tǒng)的中繼干擾能量檢測法。該方案以文獻(xiàn)[9]提出的時分疊加訓(xùn)練模型為基礎(chǔ)，采用頻率上位于少數(shù)離散頻點(diǎn)的多項(xiàng)序列作為信源訓(xùn)練序列和中繼訓(xùn)練序列。中繼采用選擇性去噪放大轉(zhuǎn)發(fā)（Noise Selective Nulling AF，NSN AF）協(xié)議，在接收到訓(xùn)練塊后，將與中繼訓(xùn)練序列位于同樣頻點(diǎn)的干擾置零，使得中繼訓(xùn)練序列不再受兩級鏈路的干擾，從而提高信道估計(jì)性能。信宿收到訓(xùn)練塊后，將訓(xùn)練塊中的干擾視為需要恢復(fù)的信號，利用信道估計(jì)結(jié)果做均衡，估計(jì)出訓(xùn)練塊冗余頻點(diǎn)（不含中繼訓(xùn)練序列非零元素的頻點(diǎn)）上的干擾值，再利用干擾值估計(jì)干擾功率，實(shí)現(xiàn)AF中繼的干擾能量檢測。

本文所用標(biāo)記說明：大寫和小寫的黑斜體分別表示矩陣和列向量，[·]T和[·]H分別表示轉(zhuǎn)置和共軛轉(zhuǎn)置，F(xiàn)和FH分別為歸一化離散傅里葉（Discrete Fourier Transform，DFT）矩陣和歸一化離散傅里葉逆變換（Inverse Discrete Fourier Transform，IDFT）矩陣，

1 系統(tǒng)模型

傳統(tǒng)的AF系統(tǒng)模型如圖1所示。系統(tǒng)由三個單天線半雙工終端構(gòu)成，分別是源節(jié)點(diǎn)S、中繼節(jié)點(diǎn)?和目的節(jié)點(diǎn)D。?附近有NI個CCI源，網(wǎng)絡(luò)工作于準(zhǔn)靜態(tài)頻率選擇性信道中。本文僅分析中繼處的CCI檢測問題，故假設(shè)只有中繼受到CCI，信宿不受。文中將中繼接收的CCI與熱噪聲統(tǒng)稱為中繼干擾。中繼干擾功率則指中繼處CCI與熱噪聲的總功率。此外，假設(shè)S、D間無直達(dá)鏈路。

圖1 三節(jié)點(diǎn)單向中繼網(wǎng)絡(luò)

1.1 系統(tǒng)中的信號傳播模型

首先對CCI建模。不失一般性地，假設(shè)第i個干擾源在時刻n發(fā)送的符號為si(n)，i=0,1,…,NI-1。E[|si(n)|2]=Pi[8]。設(shè)向量vint=[vint(0),vint(1),…,vint(N-1)]H表示R收到的CCI之和，則有

式中的ejφi表示干擾源與R不同步引入的隨機(jī)相差，φi是在[0,2π]間均勻分布的隨機(jī)變量[10]。

tS，tR的構(gòu)造方法不是本文的研究范圍，這里給出一組符合系統(tǒng)要求的序列作為例子。首先，生成序列c(k)=exp(j2πk2/(2M)),k=0,1,…M-1；在c的每個元素后補(bǔ)N/M-1個0，得到序列

取tS=Fb，對b做循環(huán)移位，得到

取tR=Fb1。此處給出的tS、tR適用于L1+L2≤M的系統(tǒng)，兩序列在頻域均只占據(jù)M個頻點(diǎn)。

設(shè)H1是以為首列的列循環(huán)矩陣，Op×q表示p×q的全零矩陣。結(jié)合式（1），中繼接收到的訓(xùn)練信息為：

式中，nR,t表示一個在中繼處疊加至訓(xùn)練塊的N×1的高斯白噪聲向量，各噪聲分量的方差為

設(shè)КR表示b1中非零元素的索引組成的集合。為了抑制中繼噪聲，定義一個N×N的對角陣%J，其對角元素中其余對角元素為0。中繼在轉(zhuǎn)發(fā)前對訓(xùn)練塊的操作如圖2和式（3）所示。

圖2 NSN AF中繼的操作

NSN AF（Noise Selective Nulling AF,NSN AF）系統(tǒng)最大的特點(diǎn)在于，中繼處通過選擇性去噪抑制了與tR占據(jù)相同頻點(diǎn)的中繼噪聲，同時保留了冗余頻點(diǎn)（不含非零元素的頻點(diǎn)）上的噪聲，為信宿估計(jì)中繼干擾功率提供樣本。我們稱這一中繼方式為噪聲選擇性置零放大轉(zhuǎn)發(fā)。

設(shè)H2是以為首列的列循環(huán)矩陣，則收到的訓(xùn)練塊為

1.2 頻域LS信道估計(jì)

其中Hi(k)表示信道頻域響應(yīng)的第k個元素。則式（4）的頻域表達(dá)為

抽取信源訓(xùn)練序列的非零導(dǎo)頻，得：

式中，SК表示b中非零元素的索引組成的集合。

抽取中繼訓(xùn)練序列的非零導(dǎo)頻，得：

1.3 中繼噪聲功率估計(jì)

中繼干擾能量檢測法實(shí)質(zhì)上即根據(jù)AF系統(tǒng)中已知的信道狀態(tài)信息，對中繼噪聲的功率進(jìn)行有效估計(jì)。

將D接收的訓(xùn)練塊中僅包含噪聲的頻點(diǎn)索引依次放入(N-2M)×1的向量中，再令(N-2M)×1的向量取值：

設(shè) Кn為元素組成的集合，則待估計(jì)的中繼噪聲頻域值為：

2 仿真結(jié)果與分析

仿真實(shí)驗(yàn)中，SNR定義為訓(xùn)練符號功率與熱噪聲功率之比，信干比（Signal to Interference Ratio，SIR）定義為訓(xùn)練符號功率與CCI源發(fā)送符號功率之比。同道干擾數(shù)NI=1，發(fā)送塊長N=256，信道階數(shù)分別設(shè)為L1=4,L2=4,LI1=5，各信道抽頭功率和歸一化為1，M=16。

圖3給出了在SNR=30dB,25dB時，信道估計(jì)NMSE隨SIR的變化。從圖3中可以看出，在NSN AF系統(tǒng)中，對信道估計(jì)的NMSE不受中繼噪聲（CCI與中繼熱噪聲的統(tǒng)稱）影響，只受D處噪聲的影響。該信道估計(jì)的準(zhǔn)確度與SNR有關(guān)，與SIR無關(guān)。

圖3 信道估計(jì)NMSE隨SIR的變化

圖4給出了在SIR=10dB,20dB,30dB時，中繼干擾功率估計(jì)MSE隨SNR的變化曲線。隨著SNR的增加，信道估計(jì)更加精確，對中繼干擾值的估計(jì)也更為準(zhǔn)確，即功率估計(jì)精度隨SNR的增加而增加。

圖4 中繼功率估計(jì)MSE隨SNR的變化

3 結(jié) 語

本文針對AF中繼系統(tǒng)中繼CCI功率難以估計(jì)的問題，提出了一種適用于AF中繼系統(tǒng)的中繼干擾能量檢測法。仿真結(jié)果表明，中繼采用選擇性去噪放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，能夠在高信噪比區(qū)域準(zhǔn)確估計(jì)中繼干擾功率，而且信道估計(jì)性能不受中繼噪聲（CCI與中繼熱噪聲的統(tǒng)稱）影響，只受D節(jié)點(diǎn)處噪聲的影響。與傳統(tǒng)的CAF系統(tǒng)相比，應(yīng)用提出的中繼干擾能量檢測法的新系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，實(shí)現(xiàn)了單天線AF系統(tǒng)中訓(xùn)練塊的CCI抑制，改善了信道估計(jì)性能；第二，在無需調(diào)用通信靜默周期的情況下，提供了中繼干擾功率的估計(jì)方法。

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王 寧（1987—），男，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)仿真、裝備管理、通信；

李聰穎（1989—），女，碩博連讀在讀，主要研究方向?yàn)閰f(xié)作通信、信道估計(jì)。

Co-channel Interference Detection for AF Relay Networks

WANG Ning1,LI Cong-ying2
(1.No.91336 Troop of PLA,Qinhuangdao Hebei,066326; 2.Naval University of Engineering,Wuhan Hubei,430033)

In the amplify-and-forward relay networks, the noise received by the destination came from two links, which made the power of the co-channel interference at the relay was hard to estimate. To cope with that, a novel relay interference power detection method was proposed for amplify-and-forward relay system. In this system, the relay nulled part of noise in the training block selectively, which made the relay training sequence avoid suffering from the interference at the relay; the destination node estimated the power of CCI and thermal noise at the relay with signal at redundant frequency points. Simulation results show that the new scheme can acquire a precise estimation at the high SNR region.

Amplify-and-forward; relay networks; co-channel interference; interference estimation

TN925

：A

：1002-0802(2016)-06-0687-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.06.008

2016-02-06;

：2016-05-08 Received date:2016-02-06;Revised date:2016-05-08