基于ADMM的多天线全双工系统分布式波束成形方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于ADMM的多天线全双工系统分布式波束成形方法，该方法适用于多中继多天线全双工系统的多重干扰联合抑制，在用户速率约束下降低系统发送总功率。利用ADMM算法解决原始问题非严格凸导致的无法收敛问题，同时提升收敛速率。该方法包含以下几个步骤：(1)初始化系统变量；(2)构造紧凑形式ADMM问题，并将该问题解耦合；(3)在每个中继处求解增广拉格朗日函数最小化问题，得原始和松弛变量，并将其广播给所有中继，从而更新对偶变量。重复步骤(3)直至满足预先设定的停止准则。将最后一次迭代的解输出，并对原始变量的最终迭代解进行特征值分解或高斯随机化，得到分布式波束成形矩阵和波束成形矢量。

Distributed beamforming method for multi antenna full duplex system based on ADMM

The invention discloses a distributed beamforming method based on ADMM for multi antenna full duplex system, which is applicable to multiple interference joint inhibition of multiple relay multi antenna duplex system, and reduces the total transmission power under the user rate constraint. The ADMM algorithm is used to solve the problem of non - convergence caused by the non - strict convex problem of the original problem, and the convergence rate is also improved. \u8be5\u65b9\u6cd5\u5305\u542b\u4ee5\u4e0b\u51e0\u4e2a\u6b65\u9aa4\uff1a(1)\u521d\u59cb\u5316\u7cfb\u7edf\u53d8\u91cf\uff1b(2)\u6784\u9020\u7d27\u51d1\u5f62\u5f0fADMM\u95ee\u9898\uff0c\u5e76\u5c06\u8be5\u95ee\u9898\u89e3\u8026\u5408\uff1b(3)\u5728\u6bcf\u4e2a\u4e2d\u7ee7\u5904\u6c42\u89e3\u589e\u5e7f\u62c9\u683c\u6717\u65e5\u51fd\u6570\u6700\u5c0f\u5316\u95ee\u9898\uff0c\u5f97\u539f\u59cb\u548c\u677e\u5f1b\u53d8\u91cf\uff0c\u5e76\u5c06\u5176\u5e7f\u64ad\u7ed9\u6240\u6709\u4e2d\u7ee7\uff0c\u4ece\u800c\u66f4\u65b0\u5bf9\u5076\u53d8\u91cf\u3002 Repeat step (3) until the predetermined stopping criterion is met. The output of the last iteration is output, and the eigenvalue decomposition or Gauss randomization of the final iterative solution of the original variable is applied to get the distributed beamforming matrix and beamforming vector.

【技术实现步骤摘要】
基于ADMM的多天线全双工系统分布式波束成形方法
本专利技术涉及无线通信
，具体涉及一种基于ADMM(AlternatingDirectionMethodofMultipliers，交替方向乘子算法)的多天线全双工系统分布式波束成形方法。
技术介绍
在多天线全双工中继系统中，为了解决服务范围内用户的覆盖问题，往往需要部署多个全双工中继，在该场景下，系统中存在中继自干扰、中继间互干扰以及多用户干扰，设计同时抑制多种干扰的集中式优化方案不再可行。有些人研究了多天线多全双工中继OFDMA系统中的资源分配，采取端到端链路正交隔离并为不同中继分配不同频带的方法避免中继互干扰和多用户干扰，但是由中继部署带来的频率重用优势将不复存在。有些仅仅考虑了单一全双工中继网络中的波束成形设计，而没有考虑实际多中继网络中存在的中继间的互干扰。有些研究提出了分布式波束成形算法，但并不能兼顾系统性能提升和快速收敛特性。基于ADMM(AlternatingDirectionMethodofMultipliers，交替方向乘子算法)的分布式波束成形方法，通过引入辅助变量和对偶变量，设计了适用于ADMM算法规则处理的新的二次规划问题，可用于解决了上述算法或不适用于多中继网络，或收敛速度慢等问题，提升多全双工中继网络的整体性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现存多天线多全双工中继网络分布式波束成形设计收敛速度慢，或者难以兼顾系统性能提升和快速收敛的缺陷，提供一种基于ADMM的多天线全双工系统分布式波束成形方法。本专利技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：一种基于ADMM的多天线全双工系统分布式波束成形方法，所述的方法包括下列步骤：S1、初始化系统参数，多中继网络的基站天线数目为NB，多天线全双工中继与单天线用户数目均为L，且每个多天线全双工中继的发送和接收天线数目分别为Nt和Nr，给定基站的发送符号向量为且满足基站发送波束成形矩阵为其中Ni是回传链路i上传输的子流数，回传链路i上的信道矩阵为给定中继i的发送符号为xR,i∈C，且满足E{|xR,i|2}＝1，中继i波束成形矩阵为给定中继干扰矩阵给定单根天线的零均值高斯白噪声功率为给定基站波束成形矩阵的自相关矩阵以及中继波束成形向量的自相关矩阵构建一个以系统的总发送功率为优化目标函数的优化问题，如下：其中，约束(1.1b)和(1.1d)表示回传链路i与接入链路i上的数据速率不应低于用户i的速率需求，(1.1c)表示中继l接收的中继自干扰和中继互干扰之和，(1.1e)表示用户l接收的多用户干扰，约束(1.1f)使得QB,i和QR,i均为半正定矩阵；S2、通过定义辅助变量和松弛变量，将所述的以系统的总发送功率为优化目标函数的优化问题转化为适宜用交替方向乘子法处理的新问题，具体如下：S21、定义全干扰辅助变量z以及部分干扰辅助变量zi分别为：其中，以及分别表示中继l所受到的来自中继i的干扰，以及用户l所受到的来自中继i的多用户干扰，符号vec(·)表示对矩阵做矢量化运算，集合NL＝{1,2,…,L}，变量且找到满足Eiz＝zi的线性映射矩阵S22、定义松弛变量WB,i和WR,i，满足约束WB,i＝QB,i和WR,i＝QR,i，i＝1,2,…,L；S23、定义以下对偶变量：与约束Eiz＝zi相关的对偶变量以及分别与约束WB,i＝QB,i和WR,i＝QR,i相关的对偶变量和i＝1,2,…,L；S24、通过上述变量定义，原问题可以转化为以下适宜利用交替方向乘子法处理的优化问题：Di表示由约束(1.1b-1.1f)及Eiz＝zi，WB,i＝QB,i和WR,i＝QR,i所确定的可行凸约束集；S3、零初始化解决步骤S2中的优化问题(1.4)所需的变量：松弛变量WB,i(0)＝0，WR,i(0)＝0，全干扰辅助变量z(0)＝0，以及约束变量及给定一个大于零的惩罚参数c，设迭代次数k＝0；S4、第k+1次迭代时，利用前一次迭代或初始化得到的步骤S2中所定义的辅助变量z(k)、松弛变量WB,i(k)和WR,i(k)、对偶变量和在每个中继处利用凸优化处理工具解决以下问题：得到部分干扰辅助变量和原始变量zi(k+1),QB,i(k+1),QR,i(k+1)，i＝1,2,…,L；S5、根据步骤S4计算的zi(k+1),QB,i(k+1),QR,i(k+1)，按照以下公式求出k+1次迭代的辅助变量和松弛变量z(k+1),WB,i(k+1),WR,i(k+1)，i＝1,2,…,L：其中，S6、更新步骤S2中所定义的对偶变量值i＝1,2,…,L：S7、令k＝k+1，得到QB,i(k),QR,i(k)，判断其是否满足迭代终止条件，如果不满足，则重复步骤S2-S7；如果满足，继续进行下一步；S8、令QB,i＝QB,i(k),QR,i＝QR,i(k)，并对其进行特征值分解或高斯随机化处理，得到相应的波束成形矩阵UB,i和波束成形矢量uR,i。进一步地，所述的线性映射矩阵Ei的构造方法具体如下：给定系统的初始化参数后，向量z和zi的符号表示是唯一确定的，分别用符号zRil和zUil表示公式(1.2)中的和根据z中的符号zR11,…,zRL1,…,zR1L,…,zRLL,zU21,…,zUL1,…,zU1L,…,zU(L-1)L，构造向量空间的基向量e：e＝(zR11,…,zRL1,…,zR1L,…,zRLL,zU21,…,zUL1,…,zU1L,…,zU(L-1)L)向量空间表示为：zi的第k行的行向量可以表示为：其中，row_k＝1,2,…,2L+1，根据行向量zi,row_k在空间中的坐标表示，得到矩阵Ei第k行的行向量：按照上述方式，得到2L+1个行向量，将其组合得到线性映射矩阵Ei。进一步地，所述的迭代终止条件包括两种设置方法，其中，判据一：设定终止迭代的迭代次数上限为K，经过K次迭代，即满足迭代终止条件，否则，不满足迭代终止条件；判据二：经过若干次迭代后，设得到的结果为QB,i(k),QR,i(k)，设置某一给定常量δ，如果QB,i,QR,i的前后两次迭代计算结果相对的均方误差满足||QB,i(k)-QB,i(k-1)||＜δ,||QR,i(k)-QR,i(k-1)||＜δ，则认为结果满足迭代终止条件，否则，不满足迭代终止条件。进一步地，所述的中继干扰矩阵包含自干扰与互干扰。进一步地，所述的全干扰辅助变量z包含系统中的全部干扰：中继自干扰、中继互干扰以及多用户干扰，所述的部分干扰辅助变量zi包含只与QR,i相关的中继干扰和多用户干扰。进一步地，所述的凸优化处理工具包括：MATLAB自带工具包optimizationToolbox，MATLAB第三方工具包CVX，SeDuMi、Mosek、Libsvm，基于Python的工具CVXPY，CVVXOPT，APMpython。本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：本专利技术提出了一种基于ADMM的多天线多全双工中继网络分布式波束成形方法，通过引入辅助变量和对偶变量，设计了适用于ADMM算法规则处理的新的二次规划问题，与传统多天线全双工中继网络的波束成形方法相比，既适用于多各个中继场景下多种干扰联合抑制问题，又能加快收敛速度，提升多全双工中继网络的整体性能。附图说明本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ADMM的多天线全双工系统分布式波束成形方法，其特征在于，所述的方法包括下列步骤：S1、初始化系统参数，多中继网络的基站天线数目为NB，多天线全双工中继与单天线用户数目均为L，且每个多天线全双工中继的发送和接收天线数目分别为Nt和Nr，给定基站的发送符号向量为

【技术特征摘要】
1.一种基于ADMM的多天线全双工系统分布式波束成形方法，其特征在于，所述的方法包括下列步骤：S1、初始化系统参数，多中继网络的基站天线数目为NB，多天线全双工中继与单天线用户数目均为L，且每个多天线全双工中继的发送和接收天线数目分别为Nt和Nr，给定基站的发送符号向量为且满足基站发送波束成形矩阵为其中Ni是回传链路i上传输的子流数，回传链路i上的信道矩阵为给定中继i的发送符号为xR,i∈C，且满足E{|xR,i|2}＝1，中继i波束成形矩阵为给定中继干扰矩阵给定单根天线的零均值高斯白噪声功率为给定基站波束成形矩阵的自相关矩阵以及中继波束成形向量的自相关矩阵构建一个以系统的总发送功率为优化目标函数的优化问题，如下：其中，约束(1.1b)和(1.1d)表示回传链路i与接入链路i上的数据速率不应低于用户i的速率需求，(1.1c)表示中继l接收的中继自干扰和中继互干扰之和，(1.1e)表示用户l接收的多用户干扰，约束(1.1f)使得QB,i和QR,i均为半正定矩阵；S2、通过定义辅助变量和松弛变量，将所述的以系统的总发送功率为优化目标函数的优化问题转化为适宜用交替方向乘子法处理的新问题，具体如下：S21、定义全干扰辅助变量z以及部分干扰辅助变量zi分别为：其中，以及分别表示中继l所受到的来自中继i的干扰，以及用户l所受到的来自中继i的多用户干扰，符号vec(·)表示对矩阵做矢量化运算，集合NL＝{1,2,…,L}，变量且找到满足Eiz＝zi的线性映射矩阵S22、定义松弛变量WB,i和WR,i，满足约束WB,i＝QB,i和WR,i＝QR,i，i＝1,2,…,L；S23、定义以下对偶变量：与约束Eiz＝zi相关的对偶变量以及分别与约束WB,i＝QB,i和WR,i＝QR,i相关的对偶变量和S24、通过上述变量定义，原问题可以转化为以下适宜利用交替方向乘子法处理的优化问题：Di表示由约束(1.1b-1.1f)及Eiz＝zi，WB,i＝QB,i和WR,i＝QR,i所确定的可行凸约束集；S3、零初始化解决步骤S2中的优化问题(1.4)所需的变量：松弛变量WB,i(0)＝0，WR,i(0)＝0，全干扰辅助变量z(0)＝0，以及约束变量及给定一个大于零的惩罚参数c，设迭代次...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈翔，林靖靖，龚杰，陆许明，陈晓春，
申请(专利权)人：深圳清华大学研究院，广东顺德中山大学卡内基梅隆大学国际联合研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44