一种多用户双向AF MIMO中继系统的联合预编码方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多用户双向AF MIMO中继系统的联合预编码方法，属于通信技术领域。本发明专利技术采用在所有节点功率限制下以最小的和均方误差(MSMSE)为设计准则，设计了一种四步迭代算法(Four‑Step iterative algorithm)去分别求解联合信源、中继和多用户的非凸优化问题，将最初非凸优化问题转化成子优化问题单独求解，再基于标准的凸优化设计交替迭代地优化每一个子问题。本发明专利技术验证了能使多用户双向AF MIMO中继通信系统具有较好的sum‑MSE性能，并且在低信噪比情况下，所提出的算法有一个快速的收敛速度。

A Joint Precoding Method for Multiuser Bidirectional AF MIMO Relay System

The invention discloses a joint precoding method for a multi-user bidirectional AF MIMO relay system, which belongs to the field of communication technology. The invention adopts the minimum sum-mean-square error (MSMSMSE) as the design criterion under all node power constraints, and designs a four-step iterative algorithm to solve the joint source, relay and multi-user non-convex optimization problems respectively. The original non-convex optimization problem is transformed into a sub-optimization problem to be solved separately, and then the standard-based convex optimization design is iterated alternately. Optimize each sub-problem. The invention verifies that the multi-user bidirectional AF MIMO relay communication system has good sum MSE performance, and the proposed algorithm has a fast convergence speed in the case of low signal-to-noise ratio.

【技术实现步骤摘要】
一种多用户双向AFMIMO中继系统的联合预编码方法
本专利技术属于通信
，具体涉及一种多用户双向AFMIMO中继系统的联合预编码方法。
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。由于双向中继能弥补单向中继带来的频谱效率损失的不足，而得到越来越多的关注。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。对于两个信源节点通过一个中继节点交换信息的双向AFMIMO中继系统，基于MSMSE准则的文献WangCL,ChenJY,JhengJJ.Aprecoderdesignfortwo-wayamplify-and-forwardMIMOrelaysystemswithlinearreceivers[C]//VehicularTechnologyConference(VTCFall),2014IEEE80th.IEEE,2014:1-5P提出了中继预编码设计方案。一种基于凸优化设计理念的联合信源和中继的预编码设计在文献FangB,QianZ,ZhongW,etal.JointdesignforsourceandrelayprecodinginAF-basedMIMOtwo-wayrelaynetworks[C]//SignalandInformationProcessing(ChinaSIP),2015IEEEChinaSummitandInternationalConferenceon.IEEE,2015:953-957P中被提出，算法使得系统的和均方误差(sum-MSE)最小。然而，到目前为止仅有很少的文献对一个信源节点和多个用户通过一个中继节点交换信息的双向AFMIMO中继系统的联合预编码设计进行研究，该系统模型在实际的通信中更加实用。本专利技术考虑了多用户双向AFMIMO中继系统，在所有节点发射功率限制下，以最小的和均方误差(MSMSE)为设计准则的联合信源、中继和多用户的预编码设计问题。在基于MSMSE设计准则下对多用户双向AFMIMO中继系统的联合预编码问题进行研究，利用交替迭代方法、半正定规划(SDP)设计和平方约束二次规划(QCQP)设计求解等效子优化问题，简化数学运算的复杂度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供基于MSMSE设计准则的四步迭代算法，进一步提升多用户双向AFMIMO中继通信系统的性能的一种多用户双向AFMIMO中继系统的联合预编码方法。本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：该方法针对多用户双向MIMO中继系统的联合预编码问题，用四步迭代算法去求解联合信源、中继、和多用户的非凸优化问题，考虑了一个多用户双向AFMIMO中继系统模型，模型由一个信源节点和K个用户通过配备Nr个天线的中继节点交换信息组成，假设信源节点配备Nb个天线，每个用户配备Nk(k＝1,2,…,K)个天线，如图1所示。本文假设系统工作在半双工模式下，整个通信过程发生在两个传输时隙内，并假设每个时隙内信道状态信息(channelstateinformation,CSI)保持不变。一种多用户双向AFMIMO中继系统的联合预编码方法，包括以下步骤：(1)分别计算发射端、中继和接收端三个节点在两个传输时隙内的接收信号；(2)计算信源节点和第k个用户处的信号波形均方误差表达式，并在基于MSMSE设计准则下，构建多用户双向AFMIMO中继系统的联合预编码优化问题表示式，其中k为正整数；(3)固定信源预编码矩阵B1，用户k预编码矩阵B2,k和用户k预编码矩阵F，分别计算信源接收滤波矩阵W1和用户k接收滤波矩阵W2,k；(4)固定B1，B2,k，W1和W2,k，通过求解SDP问题更新用户k预编码矩阵F；(5)固定B2,k，F，W1和W2,k，通过求解SDP问题更新信源预编码矩阵B1；(6)根据更新后的B1，F，W1和W2,k，通过求解QCQP问题获得更新后的用户k预编码矩阵B2,k；(7)判断是否满足终止标准，若满足标准，则结束迭代，否则跳转步骤(3)继续迭代直到满足收敛条件。所述的步骤(2)具体包括：(2.1)信源节点的信号波形估计均方误差矩阵可以表示为：第k个用户处的信号波形估计均方误差(MSE2,k)矩阵可以表示为：其中，为信源节点等效噪声向量的协方差矩阵，为第k个用户处等效噪声向量的协方差矩阵；(2.2)所有节点功率限制条件下，基于MSMSE设计准则的多用户双向AFMIMO中继系统的联合预编码优化问题表示如下：所述的步骤(3)具体包括：根据维纳滤波理论，使得表达式(1)的MSE1最小的信源接收滤波矩阵W1和使得表达式(2)的MSE2,k最小的第k个用户处接收滤波矩阵W2,k具体表达式为：所述的步骤(4)具体包括：进一步整理(1)、(2)式，MSE1和MSE2,k分别有如下的表达：其中，有如下变量替换中继功率限制条件可进一步改写成：所述的步骤(5)具体包括：利用舒尔补定理，最初的优化问题(3)-(6)可进一步转化为如下关于矩阵变量F的SDP问题：其中，辅助变量p1满足p1≥MSE1，p2,k满足p2,k≥MSE2,k。所述的步骤(6)具体包括：(6.1)与矩阵变量B1有关的MSE2,k表达式可转化为：其中：(6.2)利用舒尔补定理，最初的优化问题(3)-(6)可进一步转化为如下关于等效变量vec(B1)的SDP问题：其中，辅助变量满足(6.3)与矩阵变量B2,k有关的MSE1表达式可转化为：其中，Dkk是由矩阵Dk的从第行到第行组成的矩阵；(6.4)定义下面的变量替换：根据上述分析，最初的优化问题(3)-(6)可进一步转化为如下关于等效变量b2的QCQP问题：其中和同时QCQP问题(14)-(16)可以通过凸优化工具箱CVX求解出等效变量b2的优化值，进而得到优化变量B2,k(k＝1,2,…,K)的优化值。本专利技术的有益效果在于：本专利技术提出了针对多用户双向AFMIMO中继系统的一种新颖的联合预编码设计方法，并设计了一种四步迭代算法去求解联合信源、中继和多用户的非凸优化问题，将最初的优化问题转化成子优化问题单独求解，再基于标准的凸优化设计交替迭代地优化每一个子问题。在所有节点功率限制条件下以MSMSE为设计准则，用户双向AFMIMO中继系统具有良好的性能。同时，本专利技术设计的四步迭代算法在低信噪比下有良好的收敛性。附图说明图1为多用户双向AFMIMO中继系统模型；图2为系统和最小均方误差(sum-MSE)性能随迭代次数变化曲线。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步说明：步骤一：分别计算发射端、中继和接收端三个节点在两个传输时隙内的接收信号。在第一个传输时隙内，信源节点和K个用户同时发送各自的信号x本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多用户双向AF MIMO中继系统的联合预编码方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)分别计算发射端、中继和接收端三个节点在两个传输时隙内的接收信号；(2)计算信源节点和第k个用户处的信号波形均方误差表达式，并在基于MSMSE设计准则下，构建多用户双向AF MIMO中继系统的联合预编码优化问题表示式，其中k为正整数；(3)固定信源预编码矩阵B1，用户k预编码矩阵B2,k和用户k预编码矩阵F，分别计算信源接收滤波矩阵W1和用户k接收滤波矩阵W2,k；(4)固定B1，B2,k，W1和W2,k，通过求解SDP问题更新用户k预编码矩阵F；(5)固定B2,k，F，W1和W2,k，通过求解SDP问题更新信源预编码矩阵B1；(6)根据更新后的B1，F，W1和W2,k，通过求解QCQP问题获得更新后的用户k预编码矩阵B2,k；(7)判断是否满足终止标准，若满足标准，则结束迭代，否则跳转步骤(3)继续迭代直到满足收敛条件。

【技术特征摘要】
2018.03.25 CN 20181024879751.一种多用户双向AFMIMO中继系统的联合预编码方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)分别计算发射端、中继和接收端三个节点在两个传输时隙内的接收信号；(2)计算信源节点和第k个用户处的信号波形均方误差表达式，并在基于MSMSE设计准则下，构建多用户双向AFMIMO中继系统的联合预编码优化问题表示式，其中k为正整数；(3)固定信源预编码矩阵B1，用户k预编码矩阵B2,k和用户k预编码矩阵F，分别计算信源接收滤波矩阵W1和用户k接收滤波矩阵W2,k；(4)固定B1，B2,k，W1和W2,k，通过求解SDP问题更新用户k预编码矩阵F；(5)固定B2,k，F，W1和W2,k，通过求解SDP问题更新信源预编码矩阵B1；(6)根据更新后的B1，F，W1和W2,k，通过求解QCQP问题获得更新后的用户k预编码矩阵B2,k；(7)判断是否满足终止标准，若满足标准，则结束迭代，否则跳转步骤(3)继续迭代直到满足收敛条件。2.根据权利要求1所述的一种多用户双向AFMIMO中继系统的联合预编码方法，其特征在于，所述的步骤(2)具体包括：(2.1)信源节点的信号波形估计均方误差矩阵可以表示为：第k个用户处的信号波形估计均方误差(MSE2,k)矩阵可以表示为：其中，为信源节点等效噪声向量的协方差矩阵，为第k个用户处等效噪声向量的协方差矩阵；(2.2)所有节点功率限制条件下，基于MSMSE设计准则的多用户双向AFMIMO中继系统的联合预编码优化问题表示如下：。3.根据权利要求1，2所述的一种多用户双向AFMIMO中继系...

【专利技术属性】
技术研发人员：禹永植，郭立民，彭立群，刘鲁涛，张未坤，侯培迟，
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