一种包含直传链路的多用户MIMO中继系统的联合预编码方法技术方案

本发明专利技术是一种包含直传链路的多用户MIMO中继系统的联合预编码方法，在发射/接收端多用户MIMO中继通信场景下，以MSMSE为设计准则，提出一种发射端的所有用户集中优化的联合预编码方法。根据MMSE接收滤波理论，直接求解出接收滤波矩阵的优化表达式。发射端用户的子预编码矩阵的子优化问题通过求解K.K.T条件获得，中继收发矩阵的子优化问题被转化成一个标准的SDP问题进行优化处理。最后，发射端用户的子预编码矩阵、中继收发矩阵和接收滤波矩阵联合迭代至收敛，得到优化后的预编码矩阵。经过仿真分析验证，所提方法的和均方误差和方法的误码率性能较好,特别在低信噪比情况下的系统性能最优。

【技术实现步骤摘要】
一种包含直传链路的多用户MIMO中继系统的联合预编码方法
本专利技术涉及一种联合预编码方法，特别是一种包含直传链路的多用户MIMO中继系统的联合预编码方法，属于无线中继通信

技术介绍
近年来，无线通信技术的发展紧跟着信息时代的步伐，新的无线通信技术层出不穷，发展到今天的无线通信技术更加迫切的需要具有大容量、高频谱利用率、高传输速率和高可靠性等特点。为了解决这些需求，采用中继协助多输入多输出(Multiple-Input－Multiple-Output,MIMO)技术，将中继节点考虑到最初的无线通信系统中，形成了“信源-中继-信宿”的典型三节点通信系统结构，该技术能有效地利用整个系统的空间资源，提高整个系统的可靠性。考虑直传链路的多用户MIMO中继通信系统可以明显地提高通信质量，所以越来越多的研究学者对该通信模型的研究产生兴趣。另外，在实际的双向通信系统中，双向放大转发(Amplify-and-Forward,AF)中继协议因其具有低复杂度、较小处理延迟和低实现成本等特点而被广泛地考虑。虽然方法的性能较文献ShenH,LiB,TaoM,etal.MSE-basedtransceiverdesignsfortheMIMOinterferencechannel[J].IEEETransactionsonWirelessCommunications,2010,9(11):3480-3489P.有明显的提升，但是其实现复杂度仍然很高。发射/接收端多用户MIMO中继通信系统中研究联合预编码方法的典型代表是文献ShinJ,MoonJ,AhnJ.MMSE-basedfilterdesignformulti-userpeer-to-peerMIMOamplify-and-forwardrelaysystems[C]//Communications(ICC),2013IEEEInternationalConferenceon.IEEE,2013:5505-5510P.文献中提出了两种分别采用迫零信道分解和最小均方误差(MinimumMeanSquareError,MMSE)信道分解的非迭代设计方案，两种非迭代方法的实现复杂度低，但系统的通信性能却没有迭代算法的好。然而，现有的大多数文献忽略了发射端与接收端用户之间的直传链路，而导致这条链路在通信系统中的贡献为零。另外，多用户间通过中继节点协作通信的场合，在实际的通信系统中应用的较多。为此，本专利技术针对现有的联合预编码方法忽略多用户之间的直传链路而导致通信性能下降的问题，以最小和均方误差(MinimumSumMeanSquareError,MSMSE)为设计准则，提出了一种发射端的所有用户集中优化的联合预编码方法。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术一种发射端的所有用户的预编码矩阵集中优化的包含直传链路的多用户MIMO中继系统的联合预编码方法。为解决上述技术问题，本专利技术一种包含直传链路的多用户MIMO中继系统的联合预编码方法，基于一个包含直传链路的多用户MIMOAF中继通信系统模型：模型由K个发射端用户、K个接收端用户和一个中继节点组成，发射端用户和接收端用户配备相同的天线数为Nk，中继节点配备Nr个天线，中继节点采用AF中继协议，系统中的第k个发射端用户通过中继节点或者直接将信息传输给第k个接收端用户，第k个接收端用户在两个传输时隙内均接收到信息，包括以下步骤：步骤一：分别计算接收端直接接收到的发射端信号和接收端通过中继接收到的发射端信号；在第一个传输时隙内，第k个发射端的用户将原始的单流信号sk(k＝1,2,…,K)经过发射预编码矩阵Bk处理后得到发送信号xk＝Bksk，信号xk被同时发送给中继节点和所有接收端的用户，其中在第一个时隙内，中继节点和第k个接收端的用户接收到的信号分别为yr和其具体表达式如下：其中，H是等效后的基站到中继节点的MIMO信道矩阵，令是等效后基站的预编码矩阵，矩阵B由所有发射端用户的子预编码矩阵构成，等效后的基站到第k个接收端用户之间的MIMO信道矩阵为Tk(k＝1,2,…,K)，Ps,k为第k个发射端用户最大的发射功率，且假设所有的发射端用户有相同的发射功率，即nr和分别定义为中继节点和第k个接收端用户处的复加性高斯白噪声，和分别为中继节点和第k个接收端用户处的噪声功率，表达式中TkBksk为有用信号、为干扰信号；在第二个传输时隙内，中继收发矩阵F对接收信号yr进行预处理，通过中继节点再转发给所有接收端的用户，第k个接收端用户接收的信号向量表达式如下：其中，Gk(k＝1,2,…,K)为中继节点到第k个接收端用户的信道矩阵，为第k个接收端的用户在第二个传输时隙内的复加性高斯白噪声，Pr为中继节点处的最大发射功率，表达式中GkFHBksk为有用信号，为干扰信号；步骤二：计算第k个接收端用户在两个传输时隙内接收到的总信号；结合表达式和表达式，第k个接收端用户在两个传输时隙内接收的信号和可以被合并为一个信号yk，yk具体表达式为：yk表达式中，为有用信号，为干扰信号，为噪声，定义为等效后的基站到第k个接收端的用户间的等效信道矩阵，为等效后的基站到第k个接收端的用户间的等效噪声，则接收端的接收信号yk可进一步表达为：步骤三：计算第k个用户处的信号波形均方误差表达式：其中，第k个接收端用户处的接收滤波矩阵为Wk，根据第k个接收端用户处的信号yk的表达式和其对应的滤波矩阵Wk的表达式，第k个接收端用户处的均方误差矩阵MSEk的表达式为：其中，||·||2是向量的模二运算，步骤四：以系统和均方误差最小化为目标，构建直传链路下MIMO中继系统的联合预编码方法的优化问题表示式:步骤五：假设给定中继转发矩阵F和发射预编码矩阵Bk，直接通过最小均方误差接收滤波理论方法求解接收滤波矩阵Wk(k＝1,2,…,K)；第k个接收端用户处的接收滤波矩阵Wk由第一个传输时隙的接收滤波矩阵W1k和第二个传输时隙的接收滤波矩阵W2k组成，根据最小均方误差接收滤波原理，第k个接收端用户处的接收滤波矩阵Wk的表达式可表达如下：步骤六：假设给定中继转发矩阵F和接收滤波矩阵Wk(k＝1,2,…,K)，通过采用凸优化求解方法K.K.T条件求解发射预编码矩阵Bk的优化值；将式MSEk表达式带入[Bk,F,Wk]表达式中，仅以Bk为优化变量的优化方程可以表示为：忽略中继节点处的功率限制条件，采用凸优化求解方法K.K.T条件求解其优化值：首先构造有关Bk的拉格朗日函数为：其中，是表达式的拉格朗日系数，需满足表达式的功率条件，基于表达式通过拉格朗日乘数法求得的矩阵变量Bk的优化表达式为：步骤七：假设给定矩阵变量Bk和Wk(k＝1,2,…,K)，通过求解半定规划问题更新中继收发矩阵F；将MSEk表达式带入[Bk,F,Wk]表达式中，以F为优化变量的优化方程转化为：首先，根据下面的运算规则：Tr(CHD)＝(vec(C))Tvec(D)令Vk＝W1kTk和f＝vec(F)，其中vec(·)是矩阵的向量化运算，CVX工具箱允许存在向量形式的操作，为矩阵的克罗内克积运算，关于中继收发矩阵F的目标函数[F]表达式可进行如下的分解：Tr(MkFHBk)＝Tr(HBkMkF)＝(vec((HBk本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种包含直传链路的多用户MIMO中继系统的联合预编码方法，基于一个包含直传链路的多用户MIMO AF中继通信系统模型：模型由K个发射端用户、K个接收端用户和一个中继节点组成，发射端用户和接收端用户配备相同的天线数为Nk，中继节点配备Nr个天线，中继节点采用AF中继协议，系统中的第k个发射端用户通过中继节点或者直接将信息传输给第k个接收端用户，第k个接收端用户在两个传输时隙内均接收到信息，其特征在于,包括以下步骤：步骤一：分别计算接收端直接接收到的发射端信号和接收端通过中继接收到的发射端信号；在第一个传输时隙内，第k个发射端的用户将原始的单流信号sk(k＝1,2,…,K)经过发射预编码矩阵Bk处理后得到发送信号xk＝Bksk，信号xk被同时发送给中继节点和所有接收端的用户，其中在第一个时隙内，中继节点和第k个接收端的用户接收到的信号分别为yr和

【技术特征摘要】
1.一种包含直传链路的多用户MIMO中继系统的联合预编码方法，基于一个包含直传链路的多用户MIMOAF中继通信系统模型：模型由K个发射端用户、K个接收端用户和一个中继节点组成，发射端用户和接收端用户配备相同的天线数为Nk，中继节点配备Nr个天线，中继节点采用AF中继协议，系统中的第k个发射端用户通过中继节点或者直接将信息传输给第k个接收端用户，第k个接收端用户在两个传输时隙内均接收到信息，其特征在于,包括以下步骤：步骤一：分别计算接收端直接接收到的发射端信号和接收端通过中继接收到的发射端信号；在第一个传输时隙内，第k个发射端的用户将原始的单流信号sk(k＝1,2,…,K)经过发射预编码矩阵Bk处理后得到发送信号xk＝Bksk，信号xk被同时发送给中继节点和所有接收端的用户，其中在第一个时隙内，中继节点和第k个接收端的用户接收到的信号分别为yr和其具体表达式如下：其中，H是等效后的基站到中继节点的MIMO信道矩阵，令是等效后基站的预编码矩阵，矩阵B由所有发射端用户的子预编码矩阵构成，等效后的基站到第k个接收端用户之间的MIMO信道矩阵为Tk(k＝1,2,…,K)，Ps,k为第k个发射端用户最大的发射功率，且假设所有的发射端用户有相同的发射功率，即Ps,k＝Ps,nr和分别定义为中继节点和第k个接收端用户处的复加性高斯白噪声，和分别为中继节点和第k个接收端用户处的噪声功率，表达式中TkBksk为有用信号、为干扰信号；在第二个传输时隙内，中继收发矩阵F对接收信号yr进行预处理，通过中继节点再转发给所有接收端的用户，第k个接收端用户接收的信号向量表达式如下：其中，Gk(k＝1,2,…,K)为中继节点到第k个接收端用户的信道矩阵，为第k个接收端的用户在第二个传输时隙内的复加性高斯白噪声，Pr为中继节点处的最大发射功率，表达式中GkFHBksk为有用信号，为干扰信号；步骤二：计算第k个接收端用户在两个传输时隙内接收到的总信号；结合表达式和表达式，第k个接收端用户在两个传输时隙内接收的信号和可以被合并为一个信号yk，yk具体表达式为：yk表达式中，为有用信号，为干扰信号，为噪声，定义为等效后的基站到第k个接收端的用户间的等效信道矩阵，为等效后的基站到第k个接收端的用户间的等效噪声，则接收端的接收信号yk可进一步表达为：步骤三：计算第k个用户处的信号波形均方误差表达式：其中，第k个接收端用户处的接收滤波矩阵为Wk，根据第k个接收端用户处的信号yk的表达式和其对应的滤波矩阵Wk的表达式，第k个接收端用户处的均方误差矩阵MSEk的表达式为：其中，||·||2是向量的模二运算，步骤四：以系统和均方误差最小化为目标，构建直传链路...

【专利技术属性】
技术研发人员：禹永植，郭立民，彭立群，刘鲁涛，侯培迟，张未坤，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23