放大转发中继网络中的干扰检测*

王 宁，李聪颖

(1.91336部队,河北 秦皇岛 066326；2.海军工程大学 电子工程学院,湖北 武汉 430033)

放大转发中继网络中的干扰检测*

王 宁1，李聪颖2

(1.91336部队,河北 秦皇岛 066326；2.海军工程大学 电子工程学院,湖北 武汉 430033)

由于放大转发中继网络中信宿接收噪声为两级链路噪声累积，使得中继处所受同道干扰功率难以估计。于是，提出一种适用于AF中继系统的中继干扰能量检测法。该方法中，中继将训练块内的噪声选择性置零，使得中继训练序列不再受噪声影响；信宿利用中继训练序列估计出中继—信宿链路信道状态信息后，均衡得到训练块冗余频点上的噪声值，进而用噪声值估计中继干扰功率。仿真结果表明，所提方案在高信噪比区域能够准确估计出中继干扰功率。

放大转发；中继网络；同道干扰；干扰估计

0 引 言

在频率复用技术广为应用的今天，同道干扰（Co-channel Interference，CCI）普遍存在于通信系统中，协作通信也不例外。通信系统降低CCI的动态频率选择、动态子信道选择和动态功率控制等技术，需要以控制中心检测到某处干扰存在为前提。从干扰检测的检测依据来看，现有的检测技术可分为干扰能量检测和干扰概率密度检测两大类。干扰概率密度检测需要大量的数据来近似得出信号的概率密度函数，通过概率分布形式判断干扰是否存在；干扰能量检测通过计算目标频段信号能量，并与提前设定的阈值比较，若检测能量超过阈值，则认为存在干扰。能量检测的优点在于它不仅能检测出干扰是否存在，还可为系统资源配置提供有用信息。

具体到协作通信的主要中继方式之一——AF中继，其研究文献虽多，却大多以协作过程中用户不会互相干扰为前提[1-3]。然而，这一假设并不符合协作通信中多用户同时发送信息这一实际情况。现有为数不多的关于AF系统CCI的文献[4-8]主要集中于分析CCI对性能的影响和多天线AF中继如何通过合并抑制CCI，尚未有专门的文献分析AF中继系统的CCI检测问题。考虑到AF中继系统中信宿收到的噪声为中继转发的噪声和信宿本地噪声的叠加，因此AF中继噪声干扰能量与传统的能量检测是有区别的。

本文提出一种适用于AF中继系统的中继干扰能量检测法。该方案以文献[9]提出的时分叠加训练模型为基础，采用频率上位于少数离散频点的多项序列作为信源训练序列和中继训练序列。中继采用选择性去噪放大转发（Noise Selective Nulling AF，NSN AF）协议，在接收到训练块后，将与中继训练序列位于同样频点的干扰置零，使得中继训练序列不再受两级链路的干扰，从而提高信道估计性能。信宿收到训练块后，将训练块中的干扰视为需要恢复的信号，利用信道估计结果做均衡，估计出训练块冗余频点（不含中继训练序列非零元素的频点）上的干扰值，再利用干扰值估计干扰功率，实现AF中继的干扰能量检测。

本文所用标记说明：大写和小写的黑斜体分别表示矩阵和列向量，[·]T和[·]H分别表示转置和共轭转置，F和FH分别为归一化离散傅里叶（Discrete Fourier Transform，DFT）矩阵和归一化离散傅里叶逆变换（Inverse Discrete Fourier Transform，IDFT）矩阵，

1 系统模型

传统的AF系统模型如图1所示。系统由三个单天线半双工终端构成，分别是源节点S、中继节点ℝ和目的节点D。ℝ附近有NI个CCI源，网络工作于准静态频率选择性信道中。本文仅分析中继处的CCI检测问题，故假设只有中继受到CCI，信宿不受。文中将中继接收的CCI与热噪声统称为中继干扰。中继干扰功率则指中继处CCI与热噪声的总功率。此外，假设S、D间无直达链路。

图1 三节点单向中继网络

1.1 系统中的信号传播模型

首先对CCI建模。不失一般性地，假设第i个干扰源在时刻n发送的符号为si(n)，i=0,1,…,NI-1。E[|si(n)|2]=Pi[8]。设向量vint=[vint(0),vint(1),…,vint(N-1)]H表示R收到的CCI之和，则有

式中的ejφi表示干扰源与R不同步引入的随机相差，φi是在[0,2π]间均匀分布的随机变量[10]。

tS，tR的构造方法不是本文的研究范围，这里给出一组符合系统要求的序列作为例子。首先，生成序列c(k)=exp(j2πk2/(2M)),k=0,1,…M-1；在c的每个元素后补N/M-1个0，得到序列

取tS=Fb，对b做循环移位，得到

取tR=Fb1。此处给出的tS、tR适用于L1+L2≤M的系统，两序列在频域均只占据M个频点。

设H1是以为首列的列循环矩阵，Op×q表示p×q的全零矩阵。结合式（1），中继接收到的训练信息为：

式中，nR,t表示一个在中继处叠加至训练块的N×1的高斯白噪声向量，各噪声分量的方差为

设КR表示b1中非零元素的索引组成的集合。为了抑制中继噪声，定义一个N×N的对角阵%J，其对角元素中其余对角元素为0。中继在转发前对训练块的操作如图2和式（3）所示。

图2 NSN AF中继的操作

NSN AF（Noise Selective Nulling AF,NSN AF）系统最大的特点在于，中继处通过选择性去噪抑制了与tR占据相同频点的中继噪声，同时保留了冗余频点（不含非零元素的频点）上的噪声，为信宿估计中继干扰功率提供样本。我们称这一中继方式为噪声选择性置零放大转发。

设H2是以为首列的列循环矩阵，则收到的训练块为

1.2 频域LS信道估计

其中Hi(k)表示信道频域响应的第k个元素。则式（4）的频域表达为

抽取信源训练序列的非零导频，得：

式中，SК表示b中非零元素的索引组成的集合。

抽取中继训练序列的非零导频，得：

1.3 中继噪声功率估计

中继干扰能量检测法实质上即根据AF系统中已知的信道状态信息，对中继噪声的功率进行有效估计。

将D接收的训练块中仅包含噪声的频点索引依次放入(N-2M)×1的向量中，再令(N-2M)×1的向量取值：

设 Кn为元素组成的集合，则待估计的中继噪声频域值为：

2 仿真结果与分析

仿真实验中，SNR定义为训练符号功率与热噪声功率之比，信干比（Signal to Interference Ratio，SIR）定义为训练符号功率与CCI源发送符号功率之比。同道干扰数NI=1，发送块长N=256，信道阶数分别设为L1=4,L2=4,LI1=5，各信道抽头功率和归一化为1，M=16。

图3给出了在SNR=30dB,25dB时，信道估计NMSE随SIR的变化。从图3中可以看出，在NSN AF系统中，对信道估计的NMSE不受中继噪声（CCI与中继热噪声的统称）影响，只受D处噪声的影响。该信道估计的准确度与SNR有关，与SIR无关。

图3 信道估计NMSE随SIR的变化

图4给出了在SIR=10dB,20dB,30dB时，中继干扰功率估计MSE随SNR的变化曲线。随着SNR的增加，信道估计更加精确，对中继干扰值的估计也更为准确，即功率估计精度随SNR的增加而增加。

图4 中继功率估计MSE随SNR的变化

3 结 语

本文针对AF中继系统中继CCI功率难以估计的问题，提出了一种适用于AF中继系统的中继干扰能量检测法。仿真结果表明，中继采用选择性去噪放大转发协议，能够在高信噪比区域准确估计中继干扰功率，而且信道估计性能不受中继噪声（CCI与中继热噪声的统称）影响，只受D节点处噪声的影响。与传统的CAF系统相比，应用提出的中继干扰能量检测法的新系统具有以下优点：第一，实现了单天线AF系统中训练块的CCI抑制，改善了信道估计性能；第二，在无需调用通信静默周期的情况下，提供了中继干扰功率的估计方法。

[1] Madsen A H,Zhang J.Capacity Bounds and Power Allocation for Wireless Relay Channels[J].IEEE Transactions on Information Theory,2005,51(06):2020-2040.

[2] Hasna M O,Alouini M S. End-to-end Performance of Transmission Systems With Relays Over Rayleighfading Channels[J].IEEE Transactions on Wireless Com munications,2003,2(06):1126-1131.

[3] Lai L,Liu K,Gamal H E.The Three-node Wireless Network:Achievable Rates and Cooperation Strategies [J].IEEE Transactions on Information Theory,2006,52(03):805-828.

[4] 孙鸣蔚，韩思远.基于BP神经网络的GSM-R抗同频干扰方法研究[J].通信技术，2015，48（09）：999-1003. SUN Ming-wei,HAN Si-yuan.GSM-R Resisting Same Frequency Interference Based on BP Neural Network[J]. Communications Technology,2015,48(09):999-1003.

[5] Ding H,He C,Jiang LPerformance Analysis of Fixed Gain MIMO Relay Systems in the Presence of Cochannel Interference[J].IEEE Communications Letters,2012,16(07):1133-1136.

[6] Krikidis I,Thompson J,McLaughlin S,Goertz N.Maxmin Relay Selection for Legacy Amplify-and-forward Systems With Interference[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2009,8(06):3016-3027.

[7] Shah A,Haimovich A M.Performance Analysis of Maximal Ratio Combining and Comparison with Optimum Combining for Mobile Radio Communications with co-channel Interference[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2000,49(04):1454-1463.

[8] Karthik KS,Ramamurthi B A.Two-Hop AF Relaying Scheme With Interference Suppression at the Relay[J].IEEE Transactions on Vehicular Technolo gy,2014,63(07):3469-3474.

[9] Gao F F,Jiang B,Gao X Q,Zhang X D.Superimposed Training Based Channel Estimation for OFDM Modulated Amplify-and-forward Relay Networks[J].IEEE Transactions on Communicatio ns,2011,59(07):2029-2039.

[10] Radaydeh R M.MRC in the Presence of Asynchronous co-channel Interference Over Frequency-selective Rayleigh Fading Channels[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2009,58(08):4329-4341.

王 宁（1987—），男，硕士，助理工程师，主要研究方向为系统仿真、装备管理、通信；

李聪颖（1989—），女，硕博连读在读，主要研究方向为协作通信、信道估计。

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