CN101834649B - 用于多天线协作通信***中的随机数据联合检测方法 - Google Patents

Abstract

用于多天线协作通信***中的随机数据联合检测方法是一种用于多天线协作通信***的信号检测方法，确切地说，涉及一种两阶段MIMO协作通信***的检测方法，该方法考虑一个两阶段协作通信***，***包括一个信源节点，一个转发节点和一个接收节点，并且所有节点均安装有多根天线，利用多天线技术所提供的空间复用增益，为抑制干扰量，分别在转发节点端和基站端使用PDA检测器来进行信号检测，转发节点利用PDA检测器所提供的信息来决定是否转发其所检测的信息；当转发节点对所检测的信息进行转发时，可以在接收节点端使用两个级联的PDA检测器来进行迭代检测，本***分为转发节点端和接收节点端两个部分，提高MIMO协作通信***数据链路可靠性能。

Description

用于多天线协作通信***中的随机数据联合检测方法

技术领域

本发明设计一种用于多天线协作通信***的信号检测方法，确切地说，涉及一种两阶段MIMO协作通信***的检测方法，属于无线通信中的协作通信领域。

背景技术

协作通信***中的移动终端可以共享它们的物理资源来相互转发信息，使得同一信息可通过不同的独立无线信道到达接收端，从而可获得协作通信增益。利用协作通信技术可以减少发射端的发射信号功率或提高网络覆盖面积。而MIMO***(多天线通信***)也可以利用空间分集技术来提高***性能，因而当前许多学者考虑将MIMO技术和协作通信技术相结合，提出MIMO协作通信***。

对于点到点的MIMO***，可以用MIMO技术来提高信道容量，也可以用MIMO技术来提高信道传输数据的可靠性，降低误码率。前者利用MIMO***提供的空间复用增益；后者利用MIMO***提供的分集增益。当利用MIMO***的空间复用增益来提高信道容量时，发射端的不同发射天线发送不同的信号，对于其中某一发射天线所发射的信号而言，其它发射天线所发射的信号在接收端相叠加会形成多天线干扰，多天线干扰的存在严重影响着MIMO***的***性能，抑制多天线干扰则可相应提高***性能。

对于MIMO协作通信***，不仅接收节点可以接收到信源节点发射的信号，而且转发节点也可以接收到信源节点发射的信号。因而，在MIMO协作通信***中，当利用MIMO***所提供的空间复用增益时，不仅在接收节点端存在干扰量，而且在转发节点端也存在干扰量，可相应考虑在接收节点端和转发节点端采用检测技术来抑制干扰，从而可以相应提高***性能。并且转发节点端检测算法的检测性能也影响协作通信***的转发策略，如果转发节点端的检测性能不可靠，则转发节点所转发的信号在接收节点端会引起“错误传播”现象，反而会使***性能明显下降。

最大后验概率检测算法可取得最优的检测性能，但其计算复杂度随发射天线数和信号调制星座点数呈指数级增长，难以在实际***中得到应用。Batu等学者在“IEEE Commun.Lett.，2009，13(5)：330-332”上所发表的文章“Performanceanalysis of linear receivers in a MIMO relaying system”中考虑在MIMO协作通信***的转发节点端和接收节点端使用解相关检测算法来抑制干扰量，并分析了该***的性能。这种技术的缺点是：解相关检测算法属于线性检测算法，虽然计算复杂度较低，但其性能也较最优检测算法明显下降。并且该检测算法输出的是硬判决信息，无法获得检测数据的检测可靠度信息，即无法为协作通信***的转发策略提供有效参考信息。

PDA检测算法为Luo等学者在“IEEE Commun.Lett.，2001，5(9)：361-363”上发表的论文“Near-optimal Multiuser Detection in Synchronous CDMA UsingProbabilistic Data Association”中提出用来抑制CDMA***中的多址干扰，后来Liu Shoumin等学者在“IEEE Trans.Signal Process.，2004，52(3)：721-732”上发表的论文“Near-optimum soft Decision Equalization for FrequencySelective MIMO Channels”中将PDA算法应用于MIMO检测，该算法可取得接近于最优算法的***性能，计算复杂度仅与用户数或天线数目的立方成正比，受到了当前学者的广泛关注。并且PDA检测算法可输出检测信号的检测可靠度信息，可以利用该信息来决定是否允许转发节点参与协作通信。因此，本发明考虑在MIMO协作通信***的转发节点端和接收节点端使用PDA检测算法来抑制干扰量。相对于点到点的MIMO***中的PDA检测算法，本方法必须考虑如下两个问题：

(1)如何利用转发节点端PDA检测器所输出的信息来确定信号转发策略。由于转发节点端的PDA检测器可以输出发送符号的检测可靠度信息，为避免在接收节点端引起“错误传播”现象，当且仅当转发节点端被检测数据具有一定的检测可靠度时，转发节点才将所检测的数据发送至接收节点端。

(2)接收节点端如何利用所接收的信息进行信号检测。对于点到点的MIMO***，接收节点仅收到信源节点所发送的信息。而对于MIMO协作通信***，当转发节点处于激活状态时，接收节点不仅接收到信源节点所发送的信息，而且可以接收到转发节点所转发的信息，必须考虑如何综合利用这两方面的信息来进行信号检测。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种用于多天线协作通信***中的随机数据联合检测方法，可以抑制转发节点端和接收节点端的干扰量，从而可以达到提高MIMO协作通信***数据链路可靠性能的目的。

技术方案：本发明考虑一个两阶段协作通信***，***包括一个信源节点，一个转发节点和一个接收节点，并且所有节点均安装有多根天线，利用多天线技术所提供的空间复用增益，为抑制干扰量，分别在转发节点端和基站端使用PDA检测器来进行信号检测，转发节点利用PDA检测器所提供的信息来决定是否转发其所检测的信息；当转发节点对所检测的信息进行转发时，可以在接收节点端使用两个级联的PDA检测器来进行迭代检测，本***分为转发节点端和接收节点端两个部分：

第一，转发节点端包括下列操作步骤：

1.1)利用PDA检测器对所接收的数据进行信号检测，在协作通信的第一阶段，转发节点接收到来自信源节点所发送的数据，假设转发节点端知道信源节点与转发节点间的MIMO信道信息，可利用PDA检测器对所接收的数据进行信号检测；

1.2)决定转发策略，PDA检测器输出被检测数据的检测可靠度信息，预先给定一个阈值，当PDA检测器输出的所有检测数据的检测可靠度均大于所给定的阈值时，转发节点在协作通信的第二阶段便将所检测的数据转发至接收节点端；否则，转发节点在协作通信的第二阶段对所检测的信息不进行转发；

第二，假设接收节点端知道信源节点与接收节点间的MIMO信道信息，以及转发节点与接收节点间的MIMO信道信息，接收节点端将包括下列操作步骤：

2.1)当转发节点在协作通信的第二阶段没有被激活时，接收节点只能接收到来自信源节点所发送的信息，PDA检测器将根据该信息来进行信号检测，

2.2)当转发节点在协作通信的第二阶段被激活时，接收节点不仅在协作通信的第一阶段接收到信源节点所发送的信息，而且在协作通信的第二阶段接收到转发节点所转发的信息，此时迭代检测器结构由两个级联的PDA检测器组成，可利用该迭代检测器来进行信号检测。

步骤2.2)所述的利用两个级联的PDA检测器来进行信号检测包括以下操作步骤：

2.2a)PDA-I检测器将PDA-II检测器所输出的信息作为发送符号的先验信息，利用接收节点端在协作通信的第一阶段从信源节点所接收的信息来进行信号检测，并且输出软信息；

2.2b)PDA-II检测器将PDA-I检测器所输出的信息作为发送符号的先验信息，利用接收节点端在协作通信的第二阶段从转发节点所接收的信息来进行信号检测，并且输出软信息；

2.2c)当***没有达到所给定的最大迭代运算次数时，转至步骤2.2a)；

2.2d)当***达到最大迭代运算次数时，根据PDA-I检测器和PDA-II检测器输出的软信息对发送符号进行硬判决。

利用多天线技术所提供的空间复用增益，即信源节点的每根发射天线均发送不同的数据，转发节点的每根发射天线也均发送不同的数据。

考虑一个两阶段协作通信***，在协作通信的第一阶段，信源节点发送数据至转发节点和接收节点端；在协作通信的第二阶段，如果转发节点处于激活状态，其将所检测的信息转发至接收节点端。

***包括一个信源节点，一个转发节点和一个接收节点，该检测方法可被推广至有多个转发节点的多天线协作通信***中，此时转发节点的转发策略同权利要求1中的步骤1.2)。

分别在转发节点端和基站端使用PDA检测器来进行信号检测，该方法同样适用于码分多址协作通信***，在两阶段CDMA协作通信***中，同样可考虑在转发节点端和接收节点端使用PDA检测器来抑制多址干扰，从而可以提高***性能。

步骤2.2)所述迭代检测器结构由两个级联的PDA检测器组成，该结构可以被推广至用任何两个软输入软输出检测器级联组成迭代检测器，用两个最大后验概率(maximum a posteriori，MAP)检测器级联，或用一个PDA检测器和一个MAP检测器级联。

有益效果：

第一，本发明考虑在转发节点端和基站端使用PDA检测算法来抑制干扰量，PDA检测算法可取得逼近于最优检测算法的***性能，并且计算复杂度仅与天线数的立方成正比。

第二，PDA检测算法可以输出软信息，即信号的检测可靠度信息，可将转发节点端所有检测数据的检测可靠度信息与一个预先设定阈值相比较，当且仅当所有的被检测数据具有较高的检测可靠度时，转发节点才在协作通信的第二阶段将所检测的数据转发至接收节点端，从而可以尽量避免转发节点因转发不可靠的检测数据在接收节点端引起“错误传播”现象。

第三，当转发节点参与协作通信时，接收节点端在协作通信的第一阶段可接收到来自信源节点所发送的信息，在协作通信的第二阶段可接收到来自转发节点所发送的信息，可用两个PDA检测器分别根据这两个接收信号来进行信号检测，并且利用PDA检测器的软输入软输出特性，将两个PDA检测器级联组成迭代接收机，随着迭代次数的增加，***可相应获得更好的性能。

第四，本发明同样可被应用于CDMA协作通信***中，在CDMA协作通信***中，其转发节点端和接收节点端存在多址干扰，可在转发节点端使用PDA检测器进行信号检测，在接收节点端使用两个级联的PDA检测器进行信号检测，从而可以达到抑制干扰量，提高***性能的目的。

附图说明

图1为所给出的MIMO协作通信***模型。该***中包括一个信源节点，一个转发节点和一个接收节点，所有的节点均安装有多根天线。

图2为本发明转发节点端和接收节点端的工作流程图。

图3为转发节点端的PDA检测器。在协作通信的第一阶段，转发节点接收来自信源节点所发送的数据，并对所接收的数据进行信号检测，当且仅当被检测信号具有较高的检测可靠度时，转发节点才将所检测的信号转发至接收节点端。

图4为接收节点端两个相互级联的PDA检测器。当转发节点没有被激活时，接收节点端仅能在协作通信的第一阶段收到来自信源节点发送的数据，可使用PDA检测器对所接收数据进行信号检测；当转发节点被激活时，接收节点不仅在协作通信的第一阶段可接收到来自信源节点所发送的数据，而且在协作通信的第二阶段可接收到来自转发节点所发送的数据，可利用两个PDA检测器分别根据这两个接收数据来进行信号检测，并且可以借鉴于Turbo码迭代译码思想，将这两个检测器进行级联组成迭代接收机。

图5为***性能仿真结果图。其中所有节点的天线数目均为4，信源节点和转发节点的发射信号功率相等，PDA检测器的总的迭代运算次数为3，设定可靠度阈值为10.5。

图6为选择不同可靠度阈值时的***性能仿真结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。但本发明的保护范围不限于下述的实施示例。

图1给出了发明所采用的MIMO协作通信***模型。

该MIMO协作通信***模型包括一个信源节点，一个转发节点和一个接收节点。信源节点，转发节点和接收节点分别具有N_S，N_R和N_D根天线。用

和

分别表示信源节点与转发节点，信源节点与接收节点，和转发节点与接收节点间的MIMO信道，并假设它们均为块衰落瑞利MIMO信道，H_SR，H_SD和H_RD中元素均被建模成均值为0方差为1的复高斯随机变量。用c_SR，c_SD和c_RD分别表示信源节点与转发节点，信源节点与接收节点，和转发节点与接收节点间与距离相关的信道衰落系数。用P_S和P_R分别表示信源节点和转发节点端的发射信号功率。本发明考虑一个两阶段协作通信***模型，在协作通信的第一阶段，信源节点发送信号至转发节点端和接收节点端，用和

来分别表示转发节点端和接收节点端的信道噪声，

为信源节点所发送的信号，为简便，我们可假定其为BPSK调制符号，则转发节点端和接收节点端所接收的信号可被分别表示为：

$y_R=\sqrt{\frac{P_S{c}_{\mathrm{SR}}}{N_S}}{H}_{\mathrm{SR}}x+n_R,$

$y_D^I=\sqrt{\frac{P_S{c}_{\mathrm{SD}}}{N_S}}{H}_{\mathrm{SD}}x+n_D^I.$

在协作通信的第二阶段，如果转发节点处于激活状态，其将所检测的信息转发至接收节点端，用

表示转发节点端被检测信号的硬判决值，

表示接收端的信号噪声，则接收节点端所接收的信号可被表示为

$y_D^{\mathrm{II}}=\sqrt{\frac{P_R{c}_{\mathrm{RD}}}{N_R}}{H}_{\mathrm{RD}}\hat{x}+n_D^{\mathrm{II}}.$

图2给出了本发明转发节点端和接收节点端的工作流程图。

转发节点端工作流程的操作步骤：

步骤(1)转发节点端的PDA信号检测。当对发送数据x_k进行信号检测时，可相应将转发节点端的接收数据表示为：

$y_R=\sqrt{\frac{P_S{c}_{\mathrm{SR}}}{N_S}}{\left(H_{\mathrm{SR}}\right)}_{(:,k)}{x}_k+\sqrt{\frac{P_S{c}_{\mathrm{SR}}}{N_S}}\underset{j=1,j\≠k}{\overset{N_S}{\mathrm{\Σ}}}{\left(H_{\mathrm{SR}}\right)}_{(:,j)}{x}_j+n_R.$

$=\sqrt{\frac{P_S{c}_{\mathrm{SR}}}{N_S}}{\left(H_{\mathrm{SR}}\right)}_{(:,k)}{x}_k+e_{k,R}$

上式中

表示检测x_k时转发节点端的干扰量和信道噪声。PDA检测算法的基本思想是用多维高斯分布函数来逼近干扰量和信道噪声，即有

均值μ_k，R和方差Ω_k，R可被分别表示为

${\mathrm{\μ}}_{k,R}=E\left\{e_{k,R}\right\}$

$=\sqrt{\frac{P_S{c}_{\mathrm{SR}}}{N_S}}\underset{j=1,j\≠k}{\overset{N_S}{\mathrm{\Σ}}}{\left(H_{\mathrm{SR}}\right)}_{(:,j)}\·E\left\{x_j\right\}$

${\mathrm{\Ω}}_{k,R}=\mathrm{var}\left\{e_{k,R}\right\}$

$=\frac{P_S{c}_{\mathrm{SR}}}{N_S}\underset{j=1,j\≠k}{\overset{N_S}{\mathrm{\Σ}}}\left[{\left(H_{\mathrm{SR}}\right)}_{(:,j)}\right]\·{\left[{\left(H_{\mathrm{SR}}\right)}_{(:,j)}\right]}^H\·\mathrm{var}\left\{x_j\right\}+I_{N_R\×N_R}$

$=\frac{P_S{c}_{\mathrm{SR}}}{N_S}\underset{j=1,j\≠k}{\overset{N_S}{\mathrm{\Σ}}}\left[{\left(H_{\mathrm{SR}}\right)}_{(:,j)}\right]\·{\left[{\left(H_{\mathrm{SR}}\right)}_{(:,j)}\right]}^H\·[1-{\left(E\right\{x_j\left\}\right)}^2]+I_{N_R\×N_R}$

上面两式中E{x_j}可以根据上次迭代运算过程中PDA检测器的输出结果来进行信号估值，即有

通过上述高斯逼近，PDA检测器的输出结果可被表示为

$L_{k,R}^{\mathrm{iter}}=\log \left[\frac{p(x_k=+1|y_R)}{p(x_k=-1|y_R)}\right]$

$=\log \left[\frac{\exp \{-{(y_R-{\mathrm{\μ}}_{k,R}-\sqrt{\frac{P_S{c}_{\mathrm{SR}}}{N_S}}{\left(H_{\mathrm{SR}}\right)}_{(:,k)})}^H{\left({\mathrm{\Ω}}_{k,R}\right)}^{-1}(y_R-{\mathrm{\μ}}_{k,R}-\sqrt{\frac{P_S{c}_{\mathrm{SR}}}{N_S}}{\left(H_{\mathrm{SR}}\right)}_{(:,k)})\}}{\exp \{-{(y_R-{\mathrm{\μ}}_{k,R}+\sqrt{\frac{P_S{c}_{\mathrm{SR}}}{N_S}}{\left(H_{\mathrm{SR}}\right)}_{(:,k)})}^H{\left({\mathrm{\Ω}}_{k,R}\right)}^{-1}(y_R-{\mathrm{\μ}}_{k.R}+\sqrt{\frac{P_S{c}_{\mathrm{SR}}}{N_S}}{\left(H_{\mathrm{SR}}\right)}_{(:,k)})\}}\right]\·$

$=2\·{(y_R-{\mathrm{\μ}}_{k,R})}^H{\left({\mathrm{\Ω}}_{k,R}\right)}^{-1}\left[\sqrt{\frac{P_S{c}_{\mathrm{SR}}}{N_S}}{\left(H_{\mathrm{SR}}\right)}_{(:,k)}\right]+2\·{\left[\sqrt{\frac{P_S{c}_{\mathrm{SR}}}{N_S}}{\left(H_{\mathrm{SR}}\right)}_{(:,k)}\right]}^H{\left({\mathrm{\Ω}}_{k,R}\right)}^{-1}(y_R-{\mathrm{\μ}}_{k,R})$

PDA检测器的执行过程是一个迭代运算过程，迭代运算次数越高，对发送信息的检测可靠度也相应越高，但计算复杂度也相应增大。在每次迭代运算过程中，PDA检测器可以利用上次迭代运算的输出结果来对E{x_j}进行重新估值。在最后一次迭代运算过程中，对发送符号进行硬判决，即有

步骤(2)决定转发策略。为避免转发节点所转发的信号在接收节点端引起“错误传播”现象，当且仅当转发节点被检测的信号具有较高的检测可靠度时，所检测的信息才在协作通信的第二阶段被转发至接收节点端；否则转发节点在协作通信的第二阶段处于非激活状态。很明显，PDA检测器软输出的绝对值|L_k，R ^iter|越大，对应的检测信号x_k的检测可靠度越高。因此，我们可以将PDA检测器的输出结果与一个给定的阈值γ₀相比较来判决被检测信号是否具有较高的检测可靠度。用二进制符号B_R表示转发节点是否处于激活状态，则有

$B_R=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{if}{\left\{\right|L_{k,R}^{\mathrm{iter}}\left|\right\}}_{k=1}^{N_S}\≥{\mathrm{\γ}}_0\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right..$

接收节点端工作流程的操作步骤：

步骤(1)转发节点处于非激活状态时(B_R＝0)接收节点端的PDA信号检测。此时接收节点端仅能接收到信源节点所发送的数据，PDA信号检测器的工作过程同转发节点端的PDA信号检测器类似，只是此时的接收数据为y_D ^I而不是y_R，为简便，我们将不重复叙述该过程。

步骤(2)转发节点处于激活状态时(B_R＝1)接收节点端的PDA信号检测。此时接收节点端在协作通信的第一阶段可以接收到来自信源节点端所发送的数据；在协作通信的第二阶段可以接收到来自转发节点端所转发的数据。我们可以用PDA-I检测器和PDA-II检测器级联组成迭代检测器来进行信号检测，该检测器的工作过程包括如下操作步骤：

步骤(2a)PDA-I检测器将PDA-II检测器在上次迭代运算过程中所输出的信息作为发送符号的先验信息，利用在协作通信的第一阶段从信源节点所接收的数据y_D ^I来进行信号检测。当对发送符号x_k进行检测时，可将接收信号y_D ^I表示成

$y_D^I=\sqrt{\frac{P_S{c}_{\mathrm{SD}}}{N_S}}{H}_{\mathrm{SD}}x+n_D^I$

$=\sqrt{\frac{P_S{c}_{\mathrm{SD}}}{N_S}}{\left(H_{\mathrm{SD}}\right)}_{(:,k)}{x}_k+\underset{j=1,j\≠k}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{\frac{P_S{c}_{\mathrm{SD}}}{N_S}}{\left(H_{\mathrm{SD}}\right)}_{(:,j)}{x}_j+n_D^I\·$

$=\sqrt{\frac{P_S{c}_{\mathrm{SD}}}{N_S}}{\left(H_{\mathrm{SD}}\right)}_{(:,k)}{x}_k+e_{k,D}^I$

上式中

表示检测x_k时的干扰量和信道噪声。用多维高斯分布函数逼近e_k，D ^I可得到

μ_k，D ^I与Ω_k，D ^I可被相应表示成

${\mathrm{\μ}}_{k,D}^I=E\left\{e_{k,D}^I\right\}$

$=\sqrt{\frac{P_S{c}_{\mathrm{SD}}}{N_S}}\underset{j=1,j\≠k}{\overset{N_S}{\mathrm{\Σ}}}{\left(H_{\mathrm{SD}}\right)}_{(:,j)}\·E\left\{x_j\right\}$

${\mathrm{\Ω}}_{k,D}^I=\mathrm{var}\left\{e_{k,D}^I\right\}$

$=\frac{P_S{c}_{\mathrm{SD}}}{N_S}\underset{j=1,j\≠k}{\overset{N_S}{\mathrm{\Σ}}}\left[{\left(H_{\mathrm{SD}}\right)}_{(:,j)}\right]\·{\left[{\left(H_{\mathrm{SD}}\right)}_{(:,j)}\right]}^H\·[1-{\left(E\right\{x_j\left\}\right)}^2]+I_{N_D\×N_D}$

需注意的是此时由于PDA-I检测器将PDA-II检测器在上次迭代运算过程中所输出的信息作为发送符号的先验信息，即可以利用PDA-II检测器所输出的信息来对上两式中的E{x_j}来进行估值，而不是根据PDA-I检测器自身在上次迭代运算过程所输出的信息，即有

$E\left\{x_j\right\}\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\frac{\exp \left\{L_{k,D}^{\mathrm{II},\mathrm{iter}-1}\right\}-1}{\exp \left\{L_{k,D}^{\mathrm{II},\mathrm{iter}-1}\right\}+1}$

相应当前迭代运算过程中PDA-I检测器的输出结果可被表示成

$L_{k,D}^{I,\mathrm{iter}}=\log \left[\frac{p(x_k=+1|y_D^I)}{p(x_k=-1|y_D^I)}\right]$

$=2\·{(y_D^I-{\mathrm{\μ}}_{k,D}^I)}^H{\left({\mathrm{\Ω}}_{k,D}^I\right)}^{-1}\left[\sqrt{\frac{P_S{c}_{\mathrm{SD}}}{N_S}}{\left(H_{\mathrm{SD}}\right)}_{(:,k)}\right]+2\·{\left[\sqrt{\frac{P_S{c}_{\mathrm{SD}}}{N_S}}{\left(H_{\mathrm{SD}}\right)}_{(:,k)}\right]}^H{\left({\mathrm{\Ω}}_{k,D}^I\right)}^{-1}(y_D^I-{\mathrm{\μ}}_{k,D}^I)$

步骤(2b)PDA-II检测器将PDA-I检测器在本次迭代运算过程中所输出的信息作为发送符号的先验信息，利用在协作通信的第二阶段从转发节点所接收的信息y_D ^II来进行信号检测。我们假定转发节点对发送数据的检测完全正确

同样当对发送符号x_k进行检测时，可将接收信号y_D ^II表示成

$y_D^{\mathrm{II}}=\sqrt{\frac{P_R{c}_{\mathrm{RD}}}{N_R}}{H}_{\mathrm{RD}}\hat{x}+n_D^{\mathrm{II}}$

$=\sqrt{\frac{P_R{c}_{\mathrm{RD}}}{N_R}}{H}_{\mathrm{RD}}x+n_D^{\mathrm{II}}$

$=\sqrt{\frac{P_R{c}_{\mathrm{RD}}}{N_R}}{\left(H_{\mathrm{RD}}\right)}_{(:,k)}{x}_k+\underset{j=1,j\≠k}{\overset{N_S}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{\frac{P_R{c}_{\mathrm{RD}}}{N_R}}{\left(H_{\mathrm{RD}}\right)}_{(:,j)}{x}_j+n_D^{\mathrm{II}}$

$=\sqrt{\frac{P_R{c}_{\mathrm{RD}}}{N_R}}{\left(H_{\mathrm{RD}}\right)}_{(:,k)}{x}_k+e_{k,D}^{\mathrm{II}}$

上式中

表示检测x_k时的干扰量和信道噪声。用多维高斯分布函数逼近e_k，D ^II可得到

μ_k，D ^II与Ω_k，D ^II可被相应表示成

${\mathrm{\μ}}_{k,D}^{\mathrm{II}}=E\left\{e_{k,D}^{\mathrm{II}}\right\}$

$=\underset{j=1,j\≠k}{\overset{N_S}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{\frac{P_R{c}_{\mathrm{RD}}}{N_R}}{\left(H_{\mathrm{RD}}\right)}_{(:,j)}\·E\left\{x_j\right\}$

${\mathrm{\Ω}}_{k,D}^{\mathrm{II}}=\mathrm{var}\left\{e_{k,D}^{\mathrm{II}}\right\}$

$=\frac{P_R{c}_{\mathrm{RD}}}{N_R}\underset{j=1,j\≠k}{\overset{N_S}{\mathrm{\Σ}}}\left[{\left(H_{\mathrm{RD}}\right)}_{(:,j)}\right]\·{\left[{\left(H_{\mathrm{RD}}\right)}_{(:,j)}\right]}^H\·[1-{\left(E\right\{x_j\left\}\right)}^2]+I_{N_D\×N_D}$

同样需注意的是我们利用当前迭代运算过程中PDA-I检测器所输出结果L_j，D ^I，iter来对上两式中的E{x_j}来进行估值，而不是根据PDA-II检测器自身在上次迭代运算过程所输出的信息，即有

$E\left\{x_j\right\}\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\frac{\exp \left\{L_{k,D}^{I,\mathrm{iter}}\right\}-1}{\exp \left\{L_{k,D}^{I,\mathrm{iter}}\right\}+1}$

相应当前迭代运算过程中PDA-II检测器的输出结果可被表示成

$L_{k,D}^{\mathrm{II},\mathrm{iter}}=\log \left[\frac{p(x_k=+1|y_D^{\mathrm{II}})}{p(x_k=-1|y_D^{\mathrm{II}})}\right]$

$=2\·{(y_D^{\mathrm{II}}-{\mathrm{\μ}}_{k,D}^{\mathrm{II}})}^H{\left({\mathrm{\Ω}}_{k,D}^{\mathrm{II}}\right)}^{-1}\left[\sqrt{\frac{P_R{c}_{\mathrm{RD}}}{N_R}}{\left(H_{\mathrm{RD}}\right)}_{(:,j)}\right]+2\·{\left[\sqrt{\frac{P_R{c}_{\mathrm{RD}}}{N_R}}{\left(H_{\mathrm{RD}}\right)}_{(:,j)}\right]}^H{\left({\mathrm{\Ω}}_{k,D}^{\mathrm{II}}\right)}^{-1}(y_D^{\mathrm{II}}-{\mathrm{\μ}}_{k,D}^{\mathrm{II}})$

步骤(2c)当迭代运算次数没有超过给定的最大迭代运算次数时，转至步骤(2a)；

步骤(2d)当迭代运算次数超过最大迭代运算次数时，根据PDA-I检测器和PDA-II检测器输出的软信息对发送符号进行硬判决，即有

${\hat{x}}_k=\mathrm{sign}(L_{k,D}^{I,\mathrm{iter}}+L_{k,D}^{\mathrm{II},\mathrm{iter}}),$ k＝1，…，N_S

对本发明方法已经进行了实施试验，我们取N_S＝N_R＝N_D＝4，c_SD＝0.8，c_SR＝0.9和c_RD＝0.95。假定信源节点端和转发节点端具有相等的发射信号功率，即有P_S＝P_R。图5给出了阈值γ₀＝10.5时的***性能示意图。由该图可以看出本发明所提出的检测算法较Batu等学者在“IEEE Commun.Lett.，2009，13(5)：330-332”上发表文章“Performance analysis of linear receivers in a MIMO relaying system”中所提出的解相关检测算法可取得较明显的性能增益，在迭代运算次数为3且误码率为10^-4时可取得12dB的性能增益。PDA检测算法的性能能够随迭代运算次数的增加而得到提高，但迭代运算次数从2增加到3时，性能增加不够显著，原因是随着迭代运算次数的增加，PDA检测器所输出的软信息和所输入的软信息间的相关性也越来越强。

图6给出了不同阈值γ₀时本发明方法的***性能。由该图可看出，当信噪比较小时，γ₀＝0.5可取得较好的***性能；而当信噪比较大时，γ₀＝10.5可取得较好的***性能。阈值γ₀较大时，转发节点所转发数据的检测可靠度相应较高，从而能够较好的抑制接收节点端“错误传播”现象；但另一方面转发节点处于激活状态的概率相应降低，即接收节点端获得协作增益的可能性相应降低。当信噪比较小时，转发节点端输出的软信息绝对值相应较小，因此需相应选择较小的阈值γ₀(γ₀＝0.5)能够使转发节点具有一定的保持激活状态的概率；当信噪比较大时，转发节点端输出的软信息绝对值相应增大，阈值γ₀较小时，接收节点端“错误传播”现象比较严重，阈值γ₀较大时，转发节点处于激活状态的概率较小，因此必须选择恰当的阈值γ₀(不能太大也不能太小)来平衡抑制“错误传播”现象和接收节点端尽可能获得转发节点所提供的协作通信增益这两面需求。

Claims (6)

1.一种用于多天线协作通信***中的随机数据联合检测方法，其特征在于考虑一个两阶段协作通信***，***包括一个信源节点，一个转发节点和一个接收节点，并且所有节点均安装有多根天线，利用多天线技术所提供的空间复用增益，为抑制干扰量，分别在转发节点端和基站端使用随机数据联合PDA检测器来进行信号检测，转发节点利用PDA检测器所提供的信息来决定是否转发其所检测的信息；当转发节点对所检测的信息进行转发时，可以在接收节点端使用两个级联的PDA检测器来进行迭代检测，本***分为转发节点端和接收节点端两个部分：第一，转发节点端包括下列操作步骤：

1.1)利用PDA检测器对所接收的数据进行信号检测，在协作通信的第一阶段，转发节点接收到来自信源节点所发送的数据，假设转发节点端知道信源节点与转发节点间的MIMO信道信息，可利用PDA检测器对所接收的数据进行信号检测；

1.2)决定转发策略，PDA检测器输出被检测数据的检测可靠度信息，预先给定一个阈值，当PDA检测器输出的所有检测数据的检测可靠度均大于所给定的阈值时，转发节点在协作通信的第二阶段便将所检测的数据转发至接收节点端；否则，转发节点在协作通信的第二阶段对所检测的信息不进行转发；

第二，假设接收节点端知道信源节点与接收节点间的MIMO信道信息，以及转发节点与接收节点间的MIMO信道信息，接收节点端将包括下列操作步骤：

2.1)当转发节点在协作通信的第二阶段没有被激活时，接收节点只能接收到来自信源节点所发送的信息，PDA检测器将根据该信息来进行信号检测，

2.2)当转发节点在协作通信的第二阶段被激活时，接收节点不仅在协作通信的第一阶段接收到信源节点所发送的信息，而且在协作通信的第二阶段接收到转发节点所转发的信息，此时迭代检测器结构由两个级联的PDA检测器组成，可利用该迭代检测器来进行信号检测；

所述的利用两个级联的PDA检测器来进行信号检测包括以下操作步骤：

2.2a)PDA-I检测器将PDA-II检测器所输出的信息作为发送符号的先验信息，利用接收节点端在协作通信的第一阶段从信源节点所接收的信息来进行信号检测，并且输出软信息；

2.2b)PDA-II检测器将PDA-I检测器所输出的信息作为发送符号的先验信息，利用接收节点端在协作通信的第二阶段从转发节点所接收的信息来进行信号检测，并且输出软信息；

2.2c)当***没有达到所给定的最大迭代运算次数时，转至步骤2.2a)；

2.2d)当***达到最大迭代运算次数时，根据PDA-I检测器和PDA-II检测器输出的软信息对发送符号进行硬判决。

2.根据权利要求1所述的用于多天线协作通信***中的随机数据联合检测方法，其特征在于利用多天线技术所提供的空间复用增益，即信源节点的每根发射天线均发送不同的数据，转发节点的每根发射天线也均发送不同的数据。

3.根据权利要求1所述的用于多天线协作通信***中的随机数据联合检测方法，其特征在于考虑一个两阶段协作通信***，在协作通信的第一阶段，信源节点发送数据至转发节点和接收节点端；在协作通信的第二阶段，如果转发节点处于激活状态，其将所检测的信息转发至接收节点端。

4.根据权利要求1所述的用于多天线协作通信***中的随机数据联合检测方法，其特征在于***包括一个信源节点，一个转发节点和一个接收节点，该检测方法可被推广至有多个转发节点的多天线协作通信***中，此时转发节点的转发策略同权利要求1中的步骤1.2)。

5.根据权利要求1所述的用于多天线协作通信***中的随机数据联合检测方法，其特征在于分别在转发节点端和基站端使用PDA检测器来进行信号检测，该方法同样适用于码分多址协作通信***，在两阶段CDMA协作通信***中，同样可考虑在转发节点端和接收节点端使用PDA检测器来抑制多址干扰，从而可以提高***性能。

6.根据权利要求1所述的用于多天线协作通信***中的随机数据联合检测方法，其特征在于步骤2.2)所述迭代检测器结构由两个级联的PDA检测器组成，该结构可以被推广至用任何两个软输入软输出检测器级联组成迭代检测器，用两个最大后验概率检测器级联，或用一个PDA检测器和一个最大后验概率MAP检测器级联。

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