CN102647217B - 两跳半双工mimo中继网络分布式波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种两跳半双工MIMO中继网络分布式波束形成方法，考虑多天线多中继两跳半双工无线网络，基于RZF预编码以及MF技术提出了适用于莱斯信道的两种分布式波束形成方案RZF和IRZF-MF。在中继节点处，RZF方案使用RZF技术进行接收和发射波束形成，IRZF-MF方案则分别使用IRZF和MF技术进行接收和发射波束形成。两种方案仅仅要求中继节点获得本身的前向和后向信道状态信息，且两种方案均在目的节点使用QR接收机进行连续干扰消除检测以获得最大的空间复用增益。试验结果表明，本发明提出的两种方案可完全适用于莱斯信道条件，并在该信道条件下可获得比较接近容量上界的信道容量。

Description

两跳半双工MIMO中继网络分布式波束形成方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域方法，具体是两跳半双工MIMO中继网络的分布式波束形成方法。

背景技术

移动通信中，多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)无线传输技术利用空间资源增加传输速率和可靠性，在近十多年来得到充分发展。对于点对点MIMO通信系统，当通信终端完全获知信道状态信息(Channel StateInformation，CSI)时，在发送端采用波束形成(Beam Forming，BF)，接收端采用最大比合并(Maximal Ratio Combining，MRC)技术可以有效地克服信道衰落带来的负面影响。同时，近年来的研究工作表明，中继协作的增强型通信可大大提高系统频谱利用率和网络覆盖面。所以结合MIMO技术与协作中继技术能更加充分利用协作分集提高频谱有效性、链路可靠性和功率效率。

对现有文献检索发现，相关文献如下：

R.U.Nabar等人在《Proc.Allerton Conf.Commun.，Control and Comput.，Monticello，IL，October 2003，pp.378-389.》上发表了题为“Capacity scaling laws inMIMO wireless networks(无线MIMO网络的信道容量分析准则)”的文章，该文章中提出了基于迫零(Zero Forcing，ZF)准则的分布式中继波束形成方法，它通过对每个中继节点的后向信道进行ZF均衡和对前向信道进行ZF预编码，从而使得目的节点来自不同中继的接收信号可以方向一致地进行合并。

Krishna R.等人在《IEEE Signal Process.Lett.，2008，15，pp.549-552.》上发表了题为“A cooperative MMSE relay strategy for wireless sensor networks(无线传感器网络中一种协同最小均方误差中继转发方法)”的文章，文中提出了基于最小均方误差(Minimizing Mean-Squared Error，MMSE)准则的分布式中继波束形成方法。然而，由于针对后向信道以及前向信道的ZF变换或MMSE变换，会损失后向信道以及前向信道因多天线而带来的自由度优势，因此，无论是基于ZF准则还是基于MMSE准则的中继波束形成方法，都只能获得分布式阵列增益(Distributed Array Gain，DAG)，而不能同时获得节点内阵列增益(Intra-node ArrayGain，IAG)。

Hui Shi等人在《Proc.IEEE ICC 2005，Seoul，Korea，May 2005，vol.4，pp.2705-2711.》上发表了题为“A relaying scheme using QR decomposition with phasecontrol for MIMO wireless networks(无线MIMO网络中一种使用QR分解和相位控制方法的中继转发方法)”的文章，该文章中提出了基于QR分解的分布式中继波束形成方法QR-P-QR，该方法对每个中继节点的后向信道和前向信道分别进行QR分解，利用分解所得酉矩阵以及设计好的相位控制矩阵(Phase ControlMatrix，PCM)进行中继波束形成，最终使得源节点和目的节点间的等效信道转化为下三角形式，从而在目的节点可以利用连续干扰消除(Successive InterferenceCancellation，SIC)检测以获得最大的系统性能增益。理论分析表明QR-P-QR方法可以同时获得DAG和IAG，但由于QR-P-QR方法对中继节点的噪声有明显的放大作用，因此该方法获得的IAG相对较小。

Hui Shi等人在《IEEE Trans.Commun.，2007，55，(9)，pp.1683-1688.》上发表了题为“Relaying schemes using matrix triangularization for MIMO wirelessnetworks(无线MIMO网络中一中利用矩阵三角化的中继转发方法)”的文章，文中提出了两种结合QR-P-QR方法以及ZF方法的混合QRD-ZF分布式中继传输方法法QR-P-ZF和ZF-P-QR。仿真结果显示QR-P-ZF方法性能好于QR-P-QR方法，但距离系统容量上界仍然有较大的距离。

Yu Zhang等人在《IEEE Trans.Vehicular Technology，Vol.59，No.8，pp.4192-4197，Oct.2010.》上发表了题为“Efficient Relay Beamforming Design WithSIC Detection for Dual-Hop MIMO Relay Networks(基于SIC检测的两跳MIMO中继网络的一种高效波束形成方法设计)”的文章，文中提出两种结合匹配滤波器(Matched Filter，MF)和正则化迫零预编码(Regularized Zero-Forcing，RZF)的MF以及MF-RZF分布式中继波束形成方法。仿真结果显示，相较于之前已有的各种分布式中继波束形成方法，MF和MF-RZF方法性能最优，且比较接近系统容量上界。

上述研究均在存在丰富散射体的环境下进行，也即信道衰落服从瑞利分布，此时系统可以达到较大的信道容量。实际系统应用中，除了存在随机的散射体外，发送机和接收机之间还可能存在直视路径。在这种情况下，信道直视分量便成为信道主要成分，信道衰落将服从莱斯分布而不是瑞利分布。而通过在莱斯信道下进行仿真可以发现，瑞利信道下性能最优的MF和MF-RZF方法的性能均出现较大程度的降低。因此，现有研究难以直接应用于莱斯信道。

发明内容

本发明提出两种优选的适用于莱斯信道的两跳半双工MIMO中继网络的分布式波束形成方法IRZF-MF和RZF，克服了现有研究与技术上的不足。两种优选的方法在中继节点处，都仅利用本身的后向和前向CSI进行波束形成，其中RZF方法使用RZF技术进行接收波束形成与发射波束形成，IRZF-MF方法则分别使用IRZF技术进行接收波束形成与使用MF技术进行发射波束形成。在目的节点处，两种优选的方法均使用QR接收机进行SIC检测以获得最大的空间复用增益。

根据本发明的另一个方面，提供一种两跳半双工MIMO中继网络分布式波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：源节点通过其发射天线向所有中继节点发送广播信息x_S；

第二步：各个中继节点分别对各自接收到的信号y_k进行波束形成。波束形成也即中继节点对接收信号y_k经过波束形成矩阵F_k变化，得到新的发射信号x_k：

第三步：波束形成之后，各个中继节点对信号进行ρ_k倍的放大；经波束形成和功率放大之后，中继节点的发射信号表示为：

第四步：所有中继节点同时将各自发射信号x_k发送给目的节点；

第五步：目的节点接收到信号之后，利用其已知的所有后向信道H_k和前向信道G_k的信息进行接收处理。

优选地，在所述第五步中，使用QR接收机进行SIC检测以获得最大的空间复用增益。

更为具体地，本发明优选地通过以下技术方案和步骤实现：

在本发明中，E{·}和tr{·}分别表示求期望和求迹的操作。A^H表示矩阵A的共轭转置，表示矩阵A的逆，表示矩阵A的伪逆。(A)_i表示矩阵A的第i行，(A)_i，j则表示矩阵A的第i行和第j列的元素。||a||表示向量a的模，I_m表示mλm维的单位矩阵。

第一步：源节点通过其发射天线向所有中继节点发送广播信息x_S；

第二步：各个中继节点分别对各自接收到的信号y_k进行波束形成；波束形成也即中继节点对接收信号y_k经过波束形成矩阵F_k变化，得到新的发射信号x_k：

在该步骤中，RZF方法使用RZF技术进行接收波束形成与发射波束形成，而IRZF-MF方法则分别使用IRZF技术和MF技术进行接收波束形成与发射波束形成。具体如下：

1)、RZF方法中分别使用和作为接收和发射波束形成器。其中H_k为源节点与第k个中继节点之间的后向信道矩阵，G_k为中继节点与目的节点之间的前向信道矩阵，α_k，β_k为常数。

2)、IRZF-MF方法中分别使用和作为接收和发射波束形成器。

第三步：波束形成之后，各个中继节点对信号进行ρ_k倍的放大；设各个中继节点的发射功率分别为Q_k。则第K个中继节点的发射信号x_k的功率满足如下约束不等式：

根据上式可求得中继节点的功率放大因子：

对于RZF和IRZF-MF方法，分别将以及代入上式中即可求得各自的功率放大因子。

经波束形成和功率放大之后，中继节点的发射信号可表示为：

第四步：所有中继节点同时将各自发射信号x_k发送给目的节点；

第五步：目的节点接收到信号之后，利用其已知的所有后向信道H_k和前向信道G_k的信息进行接收处理。具体处理步骤如下：

其中接收信号可表示为：

式中n_d为目的节点的加性高斯白噪声，服从均值为0方差为的复高斯分布，即

由接收信号可知，整个中继系统源节点到目的节点等效信道矩阵为：

对于RZF和IRZF-MF方法，有效信道矩阵分别为：

对等效信道矩阵H_SD进行QR分解可得：

目的节点的QR接收机选择：

则经过QR接收机之后的接收信号可表示为：

由于R_SD矩阵为H_SD经QR分解所得上三角矩阵，所以，其具有如下形式：

因此，可以在目的节点进行SIC检测。最后，经SIC检测之后，RZF和IRZF-MF方法中，第m个数据流的有效SNR可以分别表示为：

因此，对于RZF和IRZF-MF方法，系统遍历信道容量可表示为：

与现有技术相比，本发明的有益结果是：完全适用于莱斯信道；同时，在莱斯信道下，本发明可取得较好的系统信道容量。

附图说明

图1本发明所采用单源单宿多中继半双工两跳MIMO无线网络模型示意图；

图2本发明在莱斯信道下系统容量随PNR(QNR)的变化示意图；

图3本发明在莱斯信道下系统容量随PNR的变化示意图；

图4本发明在莱斯信道下系统容量随QNR的变化示意图；

图5本发明在莱斯信道下系统容量随中继节点数K的变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在实例中，本发明与两跳MIMO中继无线网络的系统容量上界、MF、MF-RZF、QR-P-QR，QR-P-ZF方法进行了对比。

其中，两跳MIMO中继无线网络的系统容量上界通过H.Bolcskei等人在《IEEE Trans.Wireless Commun.，vol.5，no.6，pp.1433-1444，Jun.2006.》上发表的文章“Capacity scaling laws in MIMO relay networks(MIMO中继网络中的信道容量定理)”中的割集定理得出：

其它方法，包括MF、MF-RZF、QR-P-QR，QR-P-ZF，均已在上文“背景技术”中进行过说明。

实施例

本实施例是具有一个源节点S、一个宿节点W、K个中继节点的半双工两跳MIMO无线网络。系统中源节点S与宿节点W均有M根天线，每个中继节点有K根天线；在本实例中，M＝4，N＝4，K＝4(除图5中的K从0增加到30外)，具体网络模型及信道信息如图1所示。实施步骤为：

第一步：源节点S通过M根发射天线向所有K个中继节点R_i，iP{1，2，·，K}发送广播信息x_S。其中x_S为Mλ1维向量，且发射信号总功率为P，即

第二步：各个中继节点分别对各自接收到的信号y_k进行波束形成。在本实例中，接收信号y_k可表示为：该公式中，为源节点与第k个中继节点之间的后向信道矩阵，且H₁，H₂，…，H_K相互独立并均服从相同莱斯因子的莱斯分布；n_k表示中继节点R_k处的加性高斯白噪声，n₁，n₂，…，n_K相互独立且均服从均值为0、方差为的复高斯分布，即波束形成也即中继节点对接收信号y_k经过波束形成矩阵F_k变化，得到新的发射信号x_k：

其中，F_k为NλN维矩阵。

在该步骤中，RZF方法使用RZF技术进行接收波束形成与发射波束形成，而IRZF-MF方法则分别使用IRZF技术和MF技术进行接收波束形成与发射波束形成。具体如下：

1)、RZF方法中分别使用和作为接收和发射波束形成器。其中G_k为中继节点R_k与目的节点之间的前向信道矩阵，α_k以及β_k为常数。在本例中，中继节点R_k的波束形成矩阵为：

2)、IRZF-MF方法中分别使用和作为接收和发射波束形成器。在本例中，中继节点R_k的波束形成矩阵为：

第三步：波束形成之后，各个中继节点对信号进行ρ_k倍放大。具体放大步骤见于上文“发明内容”。

经波束形成和功率放大之后，中继节点R_k的发射信号可表示为：

第四步：所有中继节点同时将各自发射信号x_k发送给目的节点。

第五步：目的节点接收到信号之后，利用其已知的所有后向信道H_k和前向信道G_k的信息进行接收处理。具体处理步骤见于上文“发明内容”。

图2反映了在固定两跳信噪比为第一跳信噪比，为第二跳信噪比)的情况下，系统容量在莱斯信道下随PNR(QNR)从0增加到50的变化情况。由图可知，本发明提出的RZF方案性能最优，IRZF-MF次之；相较于其他方案，这两种方案有较明显的性能增益。

图3反映了在固定第二跳信噪比QNR＝20dB的情况下，系统容量在莱斯信道下随PNR从0增加到50的变化情况。由图可知，莱斯信道下，本发明提出的RZF方案性能最优，且随着PNR的提升，其性能优势越来越明显；IRZF-MF方案次之，但性能相对之前已有的各种分布式方案性能仍然最优。

图4反映了在固定第一跳信噪比PNR＝20dB的情况下，系统容量在莱斯信道下随QNR从0增加到50的变化情况。由图可知，莱斯信道下，本发明提出的RZF方案性能最优，且QNR越低，RZF的性能优越性越明显；IRZF方案则相对次之，但性能相对之前已有的各种分布式方案性能仍然最优。

图5反映了在固定PNR＝QNR＝20dB的情况下，系统容量在莱斯信道下随中继节点数K从0增加到30的变化情况。由图可知，莱斯信道下，本发明提出的RZF方案性能最优，IRZF-MF次之。另外，随着中继节点的增多，系统容量的增加逐渐减小。

Claims (7)

1.一种两跳半双工MIMO中继网络分布式波束形成方法，其特征在于，针对莱斯信道的两跳半双工MIMO中继网络，包括以下步骤： 

第一步：源节点通过其发射天线向所有中继节点发送广播信息x_S； 

第二步：各个中继节点分别对各自接收到的信号y_k进行波束形成；波束形成也即中继节点对接收信号y_k经过波束形成矩阵F_k变化，得到新的发射信号x_k： 

x_k＝F_ky_k

第三步：波束形成之后，各个中继节点对信号进行ρ_k倍的放大；经波束形成和功率放大之后，中继节点的发射信号表示为： 

x_k＝ρ_kF_ky_k

第四步：所有中继节点同时将各自发射信号x_k发送给目的节点； 

第五步：目的节点接收到信号之后，利用其已知的所有后向信道H_k和前向信道G_k的信息进行接收处理； 

--在所述第二步中，采用RZF方式使用RZF方法进行波束形成，具体地， 

分别使用和作为接收和发射波束形成器，其中H_k为源节点与第k个中继节点之间的后向信道矩阵，G_k为中继节点与目的节点之间的前向信道矩阵，α_k,β_k为常数，从而： 

；或者 

--在所述第二步中，采用IRZF-MF方式分别使用IRZF方法和MF方法进行接收波束形成与发射波束形成，具体地， 

分别使用和作为接收和发射波束形成器，从而： 

2.根据权利要求1所述的两跳半双工MIMO中继网络分布式波束形成方法，其特征是，对信号进行ρ_k倍放大的因子如下： 

设各个中继节点的发射功率分别为Q_i，则第K个中继节点的发射信号x_k的功率满足如下约束不等式： 

根据上式可求得中继节点的功率放大因子： 

3.根据权利要求2所述的两跳半双工MIMO中继网络分布式波束形成方法，其特征是，将代入下式求得功率放大因子： 

4.根据权利要求2所述的两跳半双工MIMO中继网络分布式波束形成方法，其特征是，将代入下式求得功率放大因子： 

5.根据权利要求1所述的两跳半双工MIMO中继网络分布式波束形成方法，其特征是，利用其已知的所有后向信道H_k和前向信道G_k的信息进行接收处理的具体步骤如下： 

接收信号表示为： 

式中n_d为目的节点的加性高斯白噪声，服从均值为0方差为的复高斯分布，即

由接收信号可知，整个中继系统源节点到目的节点等效信道矩阵为： 

对于RZF方式，有效信道矩阵为： 

对等效信道矩阵H_SD进行QR分解可得： 

H_SD＝Q_SDR_SD

目的节点的QR接收机选择： 

W＝(Q_SD)^H

则经过QR接收机之后的接收信号表示为： 

由于R_SD矩阵为H_SD经QR分解所得上三角矩阵，所以，其具有如下形式： 

进一步地，在目的节点进行SIC检测，经SIC检测之后，第m个数据流的有效SNR表示为： 

因此，系统遍历信道容量表示为： 

6.根据权利要求1所述的两跳半双工MIMO中继网络分布式波束形成方法，其特征是，利用其已知的所有后向信道H_k和前向信道G_k的信息进行接收处理的具体步骤如下： 

接收信号表示为： 

式中n_d为目的节点的加性高斯白噪声，服从均值为0方差为的复高斯分布，即

由接收信号可知，整个中继系统源节点到目的节点等效信道矩阵为： 

对于IRZF-MF方式，有效信道矩阵为： 

对等效信道矩阵H_SD进行QR分解可得： 

H_SD＝Q_SDR_SD

目的节点的QR接收机选择： 

W＝(Q_SD)^H

则经过QR接收机之后的接收信号表示为： 

由于R_SD矩阵为H_SD经QR分解所得上三角矩阵，所以，其具有如下形式： 

进一步地，在目的节点进行SIC检测，经SIC检测之后，第m个数据流的有效SNR表示为： 

因此，系统遍历信道容量表示为： 

7.根据权利要求1所述的两跳半双工MIMO中继网络分布式波束形成方法，其特征是，在所述第五步中，使用QR接收机进行SIC检测以获得最大的空间复用增益。