本发明专利技术公开了一种基于分布式双向中继系统的鲁棒波束成型方法。该系统由两个用户节点和多个分布在不同位置的双向中继节点所组成，且所有节点均配置单天线。两个用户通过中继在两个时隙内完成信息交换，如摘要附图中所示。考虑到中继节点处为非理想信道信息，提出一种以最大化接收信号的期望加权和均方误差为目标，以所有中继节点的平均发射总功率为约束的鲁棒波束成型优化方案。由于该优化问题中目标函数无精确解析形式，通过大信噪比区间下近似并借助Jensen不等式对目标函数求下界，再利用一阶泰勒级数展开式获得该下界的近似表达式，将该非凸优化问题逐步释放为易于求解的凸问题。最后，通过矩阵代换与分解，得到鲁棒波束成型向量的闭合形式解。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种基于分布式双向中继系统的鲁棒波 束成型方法。
技术介绍
近些年来，双向中继通信系统受到了工业界与学术界的广泛关注。该系统利用自 干扰消除技术和物理层网络编码技术，使得两端用户可以在两个时隙内通过中继节点转发 完成信息互传，相比于传统的单向中继系统，其频谱效率提升了一倍，这也使其被认为是未 来异构无线通信网络中的重要组成部分。 为了进一步提升双向中继系统的链路可靠性、分集特性及小区吞吐量，并考虑到 中继节点的尺寸及功耗特点，业界提出了单天线分布式双向中继系统，通过分散在不同位 置的中继节点协作，形成虚拟多天线波束向量，从而大大提升系统性能。基于此，针对单天 线分布式双向中继系统的波束成型设计也随之得到了广泛的研究，并取得了许多重要成 果。 值得注意的是，这些波束成型方案设计大都基于中继节点能够获得理想的信道状 态信息，从而设计波束向量。然而，在实际系统中，由于多种因素的影响，诸如信道估计算 法、量化误差、反馈延时等，都将导致中继节点无法获得精确的信道状态信息。如果在波束 成型设计中，忽略信道信息不准确所产生的影响，将会使得设计出的波束成型向量出现严 重的性能恶化。因而，针对非理想信道信息条件下的双向中继系统鲁棒波束成型方案设计 具有十分重要的实际意义，并且受到了越来越多的关注。但是，由于鲁棒波束成型优化问题 的形式过于复杂，该优化问题的求解非常困难，通常需要迭代算法进行数值求解，对于鲁棒 波束成型方案的闭合形式解就更难于获得，而闭合形式解对于探究波束成型向量的内部结 构和作用机理有着重要的指导意义。 本专利技术公开了。该系统由两个 用户节点和多个分布在不同位置的双向中继节点所组成，且所有节点均配置单天线。两个 用户通过中继在两个时隙内完成信息交换，如摘要附图中所示。考虑到中继节点处为非理 想信道信息，提出一种以最大化接收信号的期望加权和均方误差为目标，以所有中继节点 的平均发射总功率为约束的鲁棒波束成型优化方案。由于该优化问题中目标函数无精确 解析形式，通过大信噪比区间下近似并借助Jensen不等式对目标函数求下界，再利用一阶 泰勒级数展开式获得该下界的近似表达式，将该非凸优化问题逐步释放为易于求解的凸问 题。最后，通过矩阵代换与分解，得到鲁棒波束成型向量的闭合形式解。
技术实现思路
本专利技术为使三小区多用户通信系统获得较高的能效性能而提出一种基于满自由 度传输协议的三小区多用户联合功率分配设计方法，并求得了功率分配变量的闭合形式 解。 本专利技术的，其特征在于，所述 方法包括以下步骤： 1).两个用户节点S1和S2,分别通过信道估计获得各自节点到N个中继节点的第 一个时隙内的理想信道系数向量，即h=IX，h2, . . .，hN]T和g= T;假设系统 采用时分双工TDD制式且在两个时隙内信道系数保持不变，则第二时隙内，所有中继节点 到S1和S2的信道向量，即Μ和g'满足关系式h缃g* =gτ; 2).Ν个中继节点分别通过信道估计获得S1和S2到自身的信道系数，且该信道系 数存在信道估计误差，以向量形式表示为如下关系式： 其中，表示所有中继节点到用户S1的信道估计向量，表示所有中继节点到用户S2的信道估计向量，Ah =|>ν<5·ν,,.，&Λ.『和 ~=[&八，...4』则分别对应于￡和^的信道估计误差向量，4和％分别服从复高斯 分才i= 1，. . .，Ν表示中继节点编号，4和<表示误差功率，用 以描述信道估计的精确度；同时，β与Ah，|与Ag满足统计独立性；中继节点之间共享信 道信息； 3).在第一时隙内，S1和S2分别将各自的信息符号七和x2经前向信道发送至所 有中继节点，如附图1中实线所示。此时，中继节点民所接收到的信号rJO下所示： 其中，n"表示第一时隙内中继节点1^处的复加性高斯白噪声，且满足复高斯分布 ??ν?ασ〗），将所有中继节点的接收信号表示为如下所示的列向量形式： 4).在第二时隙内，各中继节点将接收到的信号乘以相应的复标量因子Wl，构成待 转发的信号向量I，如下所示： 其中，.jr _=L1',..1;,，…，.r,」，為表不中继Ri所要转发的?目号，界=T则表示分布式中继节点所构成的波束成型矢量，该矢量正是要需设计的满足系统性 能要求的参量；然后，中继节点将信号^通过后向信道V和f转发至源节点S1和S2,如附 图2中虚线所示；由于TDD信道满足互易性，且假设信道系数在连续传输的两个时隙内信道 保持不变，则S1和S2在第二时隙末所接收的信号为： 其中，叫和η2分别表示第二时隙内S1和S2端的所叠加的复高斯白噪声，且分别 满足复高斯分布〇/(0, <)和CV(0,4): 5).利用自干扰消除技术，S1和S2节点可将接收信号中的自干扰部分完全消除 掉，最终得到的待检测信号如下式所示： 进而，可以得到两用户节点的接收信干燥比SINR分别为： 其中，| ; 6).利用接收信号^和^?用户节点S1和S2采用维纳滤波检测法估计出对应的 期望信号&和^，则检测符号的均方误差性能如下式所示： 以两用户节点处检测符号的加权和均方误差WSMSE作为性能指标来设计波束成 型向量，如下式所示： 其中，λ为给定的源节点Si的正数权值，用以表征对应源节点在目标函数中的重 要程度；由于S1和S2处采用维纳滤波检测法，则检测符号的MSE与接收SINR满足如下关 系： 从而，WSMSE可写成两侧信道系数和波束向量的表达式，如下式所示： 7).由于中继节点处所获得信道信息存在误差，需要对步骤6)中所示的目标函数 WSMSE进行期望运算，得到期望加权和均方误差，如下所示：， 8).基于步骤7)中期望加权和均方误差表达式，在中继节点处建立以最小化期望 加权和均方误差为目标，以所有中继节点平均发射总功率为约束，以分布式中继节点的波 束成型向量为变量的优化问题，如下所示：[0039[0040 9).考虑S1和S2节点处的接收SINR处于中高水平时，期望加权和均方误差 WSMSE丨可以近似为如下表达式： 从而，将步骤8)中的优化问题转化为如下形式： 10).借助Jensen不等式得到步骤9)中WMSE的下界如下所示： 11).利用一阶泰勒级数展开式对js{SINFU进行近似，进而可以得到步骤10) 中WMSElb的近似表达式，如下所示: 12).对步骤11)中的j{SINR」和￡ {SINR^进行化简得到如下表达 Ah ,As ^ y ^ppr Δι, v _J ^PPr 式：i=l ' ' 表示成矩阵形式，如下所示： 13).利用步骤11)中的WMSELB.和步骤12)中的矩阵表达式，可以将步骤9) 中的优化问题进一步转化为如下形式的优化问题： 将这些表达式代入步骤13)中优化问题，可简化为如下形式： s.t.xHx= 1 15).将步骤14)中的优化问题进一步等价表示为如下最大化问题： s.t.xHx= 1 16).令v=Dfx，并代入步骤15)中最大化问题的目标函数，可以得到如下等价 表达式：[0081； 利用Rayleigh-Ritz比，可以得到关于向量v的闭合形式最优解如下所示： 利用X与v的关系可以本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于分布式双向中继系统的鲁棒波束成型方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1).两个用户节点S1和S2，分别通过信道估计获得各自节点到N个中继节点的第一个时隙内的理想信道系数向量，即h＝[h1,h2,...,hN]T和g＝[g1,g2,...,gN]T；假设系统采用时分双工TDD制式且在两个时隙内信道系数保持不变，则第二时隙内，所有中继节点到S1和S2的信道向量，即hr和gr，满足关系式hr＝hT和gr＝gT；2).N个中继节点分别通过信道估计获得S1和S2到自身的信道系数，且该信道系数存在信道估计误差，以向量形式表示为如下关系式：h=h^+Δh,g=g^+Δg]]>其中，表示所有中继节点到用户S1的信道估计向量，表示所有中继节点到用户S2的信道估计向量，和则分别对应于和的信道估计误差向量，和分别服从复高斯分布和i＝1,...,N表示中继节点编号，和表示误差功率，用以描述信道估计的精确度；同时，与Δh，与Δg满足统计独立性；中继节点之间共享信道信息；3).在第一时隙内，S1和S2分别将各自的信息符号x1和x2经前向信道发送至所有中继节点，此时，中继节点Ri所接收到的信号ri如下所示：ri=P1hix1+P2gix2+nri]]>其中，表示第一时隙内中继节点Ri处的复加性高斯白噪声，且满足复高斯分布将所有中继节点的接收信号表示为如下所示的列向量形式：r=P1hx1+P2gx2+nr]]>4).在第二时隙内，各中继节点将接收到的信号乘以相应的复标量因子wi，构成待转发的信号向量yr，如下所示：其中，表示中继Ri所要转发的信号，w＝[w1,...,wi,...,wN]T则表示分布式中继节点所构成的波束成型矢量，该矢量正是要需设计的满足系统性能要求的参量；然后，中继节点将信号yr通过后向信道hr和gr转发至源节点S1和S2；由于TDD信道满足互易性，且假设信道系数在连续传输的两个时隙内信道保持不变，则S1和S2在第二时隙末所接收的信号为：其中，n1和n2分别表示第二时隙内S1和S2端的所叠加的复高斯白噪声，且分别满足复高斯分布和5).利用自干扰消除技术，S1和S2节点可将接收信号中的自干扰部分完全消除掉，最终得到的待检测信号如下式所示：进而，可以得到两用户节点的接收信干燥比SINR分别为：其中，u=[σr12,...,σri2,...,σrN2]T;]]>6).利用接收信号和用户节点S1和S2采用维纳滤波检测法估计出对应的期望信号和则检测符号的均方误差性能如下式所示：MSES1=Ex2,n1,nr{|x2-x^2|},MSES2=Ex1,n1,nr{|x1-x^1|}]]>以两用户节点处检测符号的加权和均方误差WSMSE作为性能指标来设计波束成型向量，如下式所示：WSMSE=Σi=12λiMSESi]]>其中，λi为给定的源节点Si的正数权值，用以表征对应源节点在目标函数中的重要程度；由于S1和S2处采用维纳滤波检测法，则检测符号的MSE与接收SINR满足如下关系：MSE=1SINR+1]]>从而，WSMSE可写成两侧信道系数和波束向量的表达式，如下式所示：7).由于中继节点处所获得信道信息存在误差，需要对步骤6)中所示的目标函数WSMSE进行期望运算，得到期望加权和均方误差，如下所示：，EΔh,Δg{WSMSE}=EΔh,Δg{Σi=12λiSINRsi+1}]]>8).基于步骤7)中期望加权和均方误差表达式，在中继节点处建立以最小化期望加权和均方误差为目标，以所有中继节点平均发射总功率为约束，以分布式中继节点的波束成型向量为变量的优化问题，如下所示：9).考虑S1和S2节点处的接收SINR处于中高水平时，期望加权和均方误差可以近似为如下表达式：EΔh,Δg{WSMSE}≈WSMSE‾=EΔh,Δg{Σi=12λiSINRsi}]]>从而，将步骤8)中的优化问题转化为如下形式：10).借助Jensen不等式得到步骤9)中的下界如下所示：WMSE‾≥WMSE‾LB=Σi=12λiEΔh,Δg{SINRsi}]]>11).利用一阶泰勒级数展开式对进行近似，进而可以得到步骤10)中的近似表达式，如下所示：WMSE‾LB≈WMSE‾LB,appr=Σi=12λiEΔh,Δ...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李春国，王毅，杨绿溪，王东明，郑福春，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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