基于無(wú)人機(jī)雙路移動(dòng)中繼通信的干擾抑制*

楊潤(rùn)豐，駱春波，張依群

(1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系， 廣東 東莞 523808； 2.英國(guó)埃克塞特大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)系， 英國(guó) EX4 4QF)

0 引言

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)組在遠(yuǎn)程交互式控制中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。由于無(wú)人機(jī)應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性，無(wú)人機(jī)組通信的持續(xù)連接和數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題受到了約束。對(duì)無(wú)人機(jī)組的通信采用移動(dòng)中繼通信方式實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)組與地面基站的通信系統(tǒng)的連接、數(shù)據(jù)和信息同步[3]。無(wú)人機(jī)與移動(dòng)中繼形成了一個(gè)合作通信網(wǎng)絡(luò)，可以保障無(wú)人機(jī)組和地面基站間的數(shù)據(jù)傳輸，克服了持續(xù)連接系統(tǒng)的覆蓋范圍低的缺點(diǎn)。雙路移動(dòng)中繼網(wǎng)絡(luò)利用額外的中繼節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成一個(gè)虛擬的全雙工中繼傳輸，從而能大大提高頻譜效率。

源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)在同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)不僅從源節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，還從其他中繼接收數(shù)據(jù)。中繼間干擾的形成來(lái)源于中繼的數(shù)據(jù)，隨后傳遞給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。這種中繼間干擾被視為噪聲，并且會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸性能明顯下降[4]。因此，中繼間干擾的抑制措施非常重要。干擾抑制的措施一般在中繼節(jié)點(diǎn)或目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行。文獻(xiàn)[5]提出在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)采用部分干擾抵消方法對(duì)直接路徑傳輸?shù)碾p路中繼系統(tǒng)的中繼間干擾進(jìn)行抑制，但此方法依賴于對(duì)先前數(shù)據(jù)符號(hào)的成功檢測(cè)，容易受到錯(cuò)誤傳播的影響，并且計(jì)算復(fù)雜度大和存儲(chǔ)器需求量大。針對(duì)移動(dòng)中繼終端的低復(fù)雜度計(jì)算需求，本文著重分析研究在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)實(shí)施中繼間干擾抑制措施，提出全干擾對(duì)消的方法，把中繼間干擾計(jì)算轉(zhuǎn)化為在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)中接收信號(hào)的單一迭代項(xiàng)。這樣中繼間干擾抑制可不依賴于先前符號(hào)的檢測(cè)，只需要存儲(chǔ)先前接收的信號(hào)瞬時(shí)值。這使全干擾對(duì)消的方法更加有效和更容易實(shí)現(xiàn)。此外，通過(guò)提出的數(shù)據(jù)檢測(cè)方案，把全干擾對(duì)消方法應(yīng)用在系統(tǒng)的直接路徑傳輸中。

1 系統(tǒng)模型

無(wú)人機(jī)雙路移動(dòng)中繼通信方案如圖1所示。無(wú)人機(jī)組在集合點(diǎn)通過(guò)中繼無(wú)人機(jī)1或中繼無(wú)人機(jī)2輸送數(shù)據(jù)給基站。此方案可看作為一個(gè)源節(jié)點(diǎn)S、一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D和兩個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)R1和R2。如圖2所示，在奇數(shù)時(shí)隙，S輸送數(shù)據(jù)給R1和D。此時(shí)，R2在第(n-1)時(shí)隙把從S接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送給D。在偶數(shù)時(shí)隙，S輸送數(shù)據(jù)給R2和D，并且R1轉(zhuǎn)送數(shù)據(jù)給D。

圖1 無(wú)人機(jī)雙路移動(dòng)中繼通信模型

圖2 無(wú)人機(jī)雙路移動(dòng)中繼通信方案

假設(shè)信道為塊衰落特性。hsr1、hsr2和hsd分別是從S到R1、R2和D的信道增益。hr1r2和hr2r1別是從R1到R2和R2到R1的中繼間信道增益。hr1d和hr2d分別是從R1到D和R2到D的信道增益。假設(shè)從S到兩個(gè)中繼與兩個(gè)中繼到D的衰減變化相同，并且中繼間信道對(duì)稱。當(dāng)時(shí)隙為奇數(shù)n(n≠1)時(shí)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D的接收信號(hào)表示為：

yd(n)=hsdxs(n)+hr2dβr2hsr2xs(n-1)+hr2dβr2·hr1r2xr1(n-1)+(hr2dβr2wr2(n-1)+wd(n))

(1)

式中右邊第一項(xiàng)和第二項(xiàng)分別表示從直接路徑和中繼路徑傳輸?shù)男畔⒎?hào)，第三項(xiàng)表示中繼間干擾，最后兩項(xiàng)表示噪聲。βr2是R2的放大系數(shù)。wr2(n-1)是R2在第(n-1)時(shí)隙的噪聲。

假設(shè)S、R1和R2的傳輸功率分別為Ps、Pr1和Pr2，則Pr1=αr1Ps,Pr2=αr2Ps，其中αr1和αr2分別是R1和R2的功率放大系數(shù)，并滿足E[|xr2(n)|2]≤Pr2。由于放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議具有較低的復(fù)雜性，因此其在處理干擾抑制方面比其他廣泛使用的解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議更靈活[6]。在中繼通信中應(yīng)用放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，可推導(dǎo)出：

(2)

當(dāng)時(shí)隙索引n是偶數(shù)，S傳輸給R2和D，R1傳輸給D，那么D的接收信號(hào)可表示為：

yd(n)=hsdxs(n)+hr1dβr1hsr1xs(n-1)+hr1dβr1·hr1r2·xr2(n-1)+(hr1dβr1wr1(n-1)+wd(n))

(3)

并且：

(4)

在某些系統(tǒng)中，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間不存在直接路徑或者直接路徑信號(hào)太弱導(dǎo)致無(wú)法檢測(cè)。中繼節(jié)點(diǎn)接收和發(fā)送的信號(hào)不變，但到達(dá)目的地的接收信號(hào)應(yīng)表達(dá)為：

yd(n)=hr2dxr2(n)+wd(n)

(5)

2 干擾抑制

2.1 全干擾對(duì)消

在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)采用全干擾對(duì)消方法對(duì)中繼間干擾進(jìn)行抑制。設(shè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)已知每個(gè)傳輸路徑的信道狀態(tài)信息，在(n-1)時(shí)隙，第n個(gè)接收信號(hào)可表示為：

(6)

其中w′(n)是噪聲項(xiàng)，可表示為：

(7)

從式(6)右邊第三項(xiàng)可以看出，中繼間干擾在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)表現(xiàn)為單個(gè)遞歸項(xiàng)。如果yd(n-1)在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)(n-1)時(shí)隙進(jìn)行存儲(chǔ)計(jì)算，從式(6)中通過(guò)減去hr2dβr2hr1r2/yd(n-1)項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)中繼間干擾的消除。此時(shí)，中繼間干擾消除后的接收信號(hào)為：

(8)

式中xs(n)和xs(n-1)分別是通過(guò)直接路徑和中繼路徑傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)。

同理，當(dāng)時(shí)隙n為偶數(shù)時(shí)，消除中繼間干擾后的接收信號(hào)為：

(9)

其中

(10)

將式(8)和式(9)以統(tǒng)一形式表示為：

y′d(n)=hsdxs(n)+B(n)xs(n-1)+w′(n)

(11)

其中

并且Bo=hr2dβr2(hsr2-hr1r2hsd/hr1d)，Be=hr1dβr1(hsr1-hr1r2hsd/hr1d)。若目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)間沒(méi)有直接路徑的傳輸，則hsd為0。

按(n+ 1)時(shí)隙對(duì)y′d(n)進(jìn)行堆棧運(yùn)算，其向量表達(dá)式為：

(12)

其中

2.2 數(shù)據(jù)檢測(cè)

若目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有直接路徑的傳輸，數(shù)據(jù)檢測(cè)可采用最小均方誤差計(jì)算獲得。相反，對(duì)于目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)之間的直接路徑傳輸，式(11)中xs(n)是通過(guò)直接路徑發(fā)送的當(dāng)前數(shù)據(jù)，xs(n-1)是通過(guò)中繼路徑發(fā)送的先前數(shù)據(jù)。

假設(shè)總共有N個(gè)數(shù)據(jù)包，且N為偶數(shù)。在第一個(gè)時(shí)隙(n=1)，因?yàn)橹欣^節(jié)點(diǎn)還沒(méi)有傳輸數(shù)據(jù)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)只接收來(lái)自源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。在最后一個(gè)時(shí)隙(n=N+1)，因?yàn)镹個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)全部被發(fā)送，源節(jié)點(diǎn)停止傳輸，源節(jié)點(diǎn)只接收中繼節(jié)點(diǎn)的最后數(shù)據(jù)幀符號(hào)。接收信號(hào)在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)經(jīng)全干擾對(duì)消處理后的待檢測(cè)數(shù)據(jù)可列為：

n=1:y′d(1)=hsdxs(1)+w′(1)

n=2:y′d(2)=hsdxs(2)+Bexs(1)w′(2)

?

n=N:y′d(N)=hsdxs(N)+Bexs(N-1)w′(N)

n=N+1:y′d(N+1)=Boxs(N)w′(N+1)

然后分別使用前向跟蹤、后向跟蹤和最大比合并方法檢測(cè)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)合并法：利用前向跟蹤數(shù)據(jù)檢測(cè)所得的yf(N)和后向跟蹤數(shù)據(jù)檢測(cè)所得的yb(N)以最大比合并的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)檢測(cè)，如公式(13)所示，最后檢測(cè)數(shù)據(jù)的估算為ys(n)的軟判斷值。

(13)

公式(11)的性能增益由hsd和B(n)之間關(guān)系或分別由xs(n)和xs(n-1)的系數(shù)決定。由于B(n)是hsd的函數(shù)，非零值的信道增益hr1r2、hsd和B(n)并不相互獨(dú)立。也就是說(shuō)，在全干擾對(duì)消算法中利用yd(n-1)減去yd(n)的處理會(huì)讓來(lái)自中繼路徑的接收信號(hào)受到直接路徑的干擾影響。當(dāng)hr1r2≠0時(shí)，最大比合并才可獲最優(yōu)值。相反，如果所有信道的信道系數(shù)是具有零均值的相同獨(dú)立分布變量，可得E[hsdB(n)]=0，hsd與B(n)相互不相關(guān)。這說(shuō)明使用最大比合并法可達(dá)到合理的性能增益。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

對(duì)不同方法測(cè)試所得誤碼率性能進(jìn)行比較，如圖3所示，其中“部分干擾對(duì)消-中繼”表示測(cè)試系統(tǒng)只通過(guò)中繼路徑傳輸，利用部分干擾對(duì)消算法實(shí)現(xiàn)干擾抑制；“全干擾對(duì)消-中繼”表示測(cè)試系統(tǒng)只通過(guò)中繼路徑傳輸，利用全干擾對(duì)消算法實(shí)現(xiàn)干擾抑制；“全干擾對(duì)消-直接-前向”表示測(cè)試系統(tǒng)有通過(guò)直接路徑傳輸，利用全干擾對(duì)消算法和前向數(shù)據(jù)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)干擾抑制；“全干擾對(duì)消-直接-后向”表示測(cè)試系統(tǒng)有通過(guò)直接路徑傳輸，利用全干擾對(duì)消算法和后向數(shù)據(jù)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)干擾抑制；“全干擾對(duì)消-直接-合并”表示測(cè)試系統(tǒng)有通過(guò)直接路徑傳輸，利用全干擾對(duì)消算法和最大比合并數(shù)據(jù)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)干擾抑制；“無(wú)干擾”表示系統(tǒng)在不受任何干擾情況下進(jìn)行傳輸，相當(dāng)于公式(11)中的xs(n)和xs(n-1)兩項(xiàng)被去除后的現(xiàn)象表現(xiàn)。

圖3 不同方法所得的誤碼率性能比較

從圖3中可以看到，所有“全干擾對(duì)消”的識(shí)碼率性能優(yōu)于“部分干擾對(duì)消”的識(shí)碼率性能。“全干擾對(duì)消-直接-前向”和“全干擾對(duì)消-直接-后向”兩種方法所得的識(shí)碼率性能相近，主要原因是所有信道的平均信道增益相同。“全干擾對(duì)消-直接-前向”和“全干擾對(duì)消-直接-后向”兩種方法的性能分別取決于直接路徑和中繼路徑的傳輸。“全干擾對(duì)消-直接-后向”方法能從中繼路徑中分離出接收的信號(hào)。沒(méi)有通過(guò)直接路徑傳輸?shù)摹叭蓴_對(duì)消-中繼”方法可以用作“全干擾對(duì)消-直接-后向”的性能比較參照。然而，從圖3中還可看到“全干擾對(duì)消-中繼”的性能比“全干擾對(duì)消-直接-后向”的性能稍好一些。這是因?yàn)椤叭蓴_對(duì)消-中繼”方法利用了yd(n-1)減去yd(n)的處理方式，這會(huì)讓從中繼路徑中接收的信號(hào)被直接路徑干擾影響。另外，后向檢測(cè)方法存在檢測(cè)誤差。但總的來(lái)看，這兩種方法的誤碼率性能差異很小，表明后向檢測(cè)方法對(duì)于從中繼路徑中分離接收信號(hào)是有用的。“全干擾對(duì)消-直接-合并”方法使系統(tǒng)的識(shí)碼率性能高于“全干擾對(duì)消-直接-前向”和“全干擾對(duì)消-直接-后向”兩種方法，其原因是前向檢測(cè)和后向檢測(cè)的最大比合并后獲得性能增益。“全干擾對(duì)消-直接-合并”誤碼率性能最接近于無(wú)干擾系統(tǒng)的性能。

4 結(jié)論

本文研究了全干擾對(duì)消方法對(duì)無(wú)人機(jī)雙路移動(dòng)中繼之間的干擾進(jìn)行抑制，對(duì)比其他干擾抑制方法，全干擾對(duì)消方法在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)對(duì)中繼間干擾不但有較好的抑制效果，還可以滿足無(wú)人機(jī)作為移動(dòng)中繼終端的低復(fù)雜度計(jì)算需求。