CN102780545B - 放大转发分布式协作系统发射天线选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种放大转发分布式协作系统发射天线选择方法，解决了现有技术中反馈信息量大、天线选择效率低的问题。具体步骤包括：(1)分别对所有发射天线以及中继节点进行编号；(2)每个中继节点估计出发射节点-中继节点的信道矢量矩阵并将之反馈给发射节点；(3)根据反馈回的信息得到天线选择模值矩阵；(4)比较天线选择模值矩阵中每列元素，得到最小信道增益矩阵，选取该矩阵中最大的元素，得到所要选择的天线；(5)所选择的天线向所有中继节点广播信息，中继节点对接收的信息进行空时编码然后放大转发；(6)判断通信是否完成，假如完成，则结束通信，否则转入步骤(2)。本发明具有系统反馈信息少、执行效率高的优点。

Description

放大转发分布式协作系统发射天线选择方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及多输入多输出领域的放大转发分布式空时协作通信系统中的发射天线选择方法。本发明可用于提升协作通信系统的传输性能。

背景技术

天线选择技术是根据系统各节点之间的信道状态信息，选择其中最优的信道质量所对应节点的天线或天线组进行信号传输，以提升无线传输的性能。为了实现放大转发分布式协作系统发射端的天线选择，接收节点到发射节点、接收节点到中继节点以及中继节点到发射节点之间分别或同时需要进行信道状态信息的反馈，反馈方式的不同以及开销的多少与天线选择方法密切相关，直接影响系统的整体性能。

中兴通讯股份有限公司申请的专利“在MIMO中继系统中实现天线选择的方法与系统”(申请号2010234905.7，公开号102340340A)中公开了一种基于信噪比的中继节点以及源节点的天线选择方法。该方法实施步骤包括：第一，中继节点天线选择过程：目的节点测量中继节点各个或各组天线到目的节点的信道质量，选择其中最优的信道质量所对应的中继节点的天线或天线组作为中继节点选择的发射天线；第二，源节点天线选择过程：方式一，目的节点获取源节点各个或各组天线与所选定的中继节点的天线或天线组进行协作传输的等效信道质量，选择其中最优的等效信道质量所对应的源节点的天线或天线组作为源节点选择的发射天线；方式二，目的节点测量源节点各个或各组天线到目的节点的信道质量，选择其中最优的信道质量所对应的原节点或天线组作为源节点选择的发射天线；方式三，中继节点测量源节点各个或各组天线到中继节点的信道质量，选择其中最优信道质量所对应的源节点的天线或各组天线到中继节点选择的发射天线。中兴通讯股份有限公司所申请的专利存在的不足之处是，对于源节点天线选择方法中不同的选择方式，不能在系统的反馈开销、运算复杂度和性能之间系统之间获得权衡，不是系统整体反馈开销大、运算复杂度较高，就是系统所获得的性能较差。

Ming Ding，Shi Liu，Hanwen Luo，and Wen Chen等人在文章“MMSE Based GreedyAntenna Selection Scheme for AF MIMO Relay Systems”(IEEE Signal Process.Lett.，vol.17.no5.pp433-436，May2010)中提出一种基于最小均方误差(MMSE)准则的天线选择方法，该方法的实施步骤是：第一，源节点向多个中继节点广播导频信息，中继节点对每个发射节点天线到中继节点各接收天线之间的信道增益估计；第二，中继节点将信道估计结果全部发送至目的节点；第三，目的节点对每个中继发射天线和每个目的节点接收天线之间的信道进行估计；第四，根据源节点和中继节点所需选择出的天线数目要求，由目的节点根据整体的信道状态信息，利用“贪婪最小均方误差准则”，选出最佳的源节点-中继节点-目的节点收发天线配对组合；第五，目的节点把所选出的最佳天线配对组合索引反馈至中继节点和源节点。该方法存在的不足之处是，中继节点到目的节点传输信息量大，计算复杂度较高，反馈信息经过目的节点-中继节点和中继节点-源节点两条链路反馈，造成噪声的叠加使得发射节点天线选择错误，进而使得系统性能下降。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，针对采用分布式空时编码放大转发多中继协作通信系统中的天线选择问题，提供一种基于发射节点-中继节点信道状态信息的天线选择方法，在保证系统获得次最优的发射天线选择增益的同时，大幅降低放大转发分布式协作系统中系统的反馈开销以及提高天线选择的效率。

本发明实现的具体思路是：根据发射节点-中继节点信道状态信息来实现发射端天线的选择，在实施天线选择时，仅仅需要发射节点-中继节点的链路信息并且反馈也仅需中继节点向发射节点反馈，这样无需目的节点到中继节点反馈过程，从而可以实现上述目的。

本发明实现上述目的的具体步骤如下：

(1)初始化

1a)发射节点对所有的发射天线按发射顺序进行编号；

1b)发射节点依次向每个中继节点发送一个初始为1逐个递增的编号；

(2)信道估计

2a)发射节点依照发射天线的编号顺序逐次向多个中继节点发送导频信息；

2b)每个中继节点的接收机按照接收到导频信息的顺序生成导频信息矩阵；

2c)每个中继节点的信道估计器根据接收到的导频信息矩阵，采用最小二乘方法获得发射节点到中继节点的信道矢量矩阵；

2d)将信道矢量矩阵中每个元素依次反馈给发射节点；

(3)构造天线选择模值矩阵

3a)发射节点对所有中继节点反馈回来信道矢量矩阵生成一个天线选择矩；

3b)将天线选择矩阵中每个元素乘以其共轭，得到天线选择模值矩阵；

(4)选择天线

4a)比较天线选择模值矩阵中每列元素，逐次选取每列元素中的最小值，直至完成所有列元素最小值的选取；

4b)将所有列元素的最小值生成最小信道增益矩阵；

4c)比较最小信道增益矩阵所有元素，选取该矩阵中元素的最大值，将最大值元素对应的列作为最佳发射天线的编号，得到所要选择的天线；

(5)分布式空时编码传输

5a)将所选择的天线向所有中继节点逐个符号广播信息矢量矩阵；

5b)每个中继节点对接收到的每一个符号除以其模值进行归一化处理，得到中继节点的归一化信息矢量矩阵；

5c)按照空时编码准则，以所有中继节点的数目作为矩阵的行、列维数，从空时编码矩阵码本集中查找与之对应的空时编码矩阵；

5d)每个中继节点从空时编码矩阵中选取与中继节点编号相对应的行向量，得到中继节点的编码矢量矩阵；

5e)按照每个中继节点编码矢量矩阵中符号的编码规则，对中继节点归一化信息矢量矩阵中每个符号进行编码，得到中继节点的发送信息矢量矩阵；

5f)所有中继节点将各自的发送信息矢量矩阵逐个符号放大转发至目的节点；

5g)目的节点采用最大似然方法对接收到的数据译码，得到发射节点所发送的信息，完成一次通信传输；

(6)判断通信是否完成

6a)发射节点判断所有数据是否传输完成，假如完成，则结束通信，否则转入步骤(2)。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明中的天线选择仅需要发射节点到中继节点的链路信息，无需中继节点到目的节点的链路信息，克服了现有技术中目的节点-中继节点、中继节点-发射节点反馈信息大，接收节点天线选择信号处理复杂度高的不足，使得本发明具有系统传输、执行效率高的优点。

第二，由于本发明中的整个天线选择过程仅需中继节点向发射节点反馈，而并不需要目的节点到中继节点反馈，克服了现有技术中目的节点-中继节点、中继节点-发射节反馈过程中噪声叠加过多的不足，使得本发明具有反馈中的噪声叠加小、反馈信息可靠性高的优点。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的网络结构示意图；

图3为本发明方法与现有天线选择方法接收端误码率(Symbol Error Ratio，SER)比较图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明做进一步的描述。

参照图2，本发明的网络结构图由一个发射节点S，N个中继节点R₁到R_N和一个目的节点D组成，发射节点配有N_T根发射天线，中继节点和目的节点只配有一根天线。天线选择的实施从发射节点N_T根发射天线仅选出一根作为发射天线向所有中继节点发送信息。图中的实线代表所要发送的数据经过的信道，虚线代表未被选择发射节点发射天线与中继节点中接收天线之间的信道。中继节点的工作方式为半双工模式，采用的放大转发协作协议。中继节点到目的节点之间的传输采用分布式空时编码。

参照图1，本发明实现的步骤如下：

步骤1，初始化

为了区分发射节点所有发射天线，所有的发射天线按发射顺序从1到N_T编号对发射天线进行标识，其中N_T为发射天线的总数目；同样，为了区分所有中继节点，发射节点依次向每个中继节点发送1到N逐个递增的编号对中继节点进行标识，N为中继节点的总数目。

步骤2，信道估计

为了估计发射节点-中继节点的信道，发射节点依照发射天线的编号顺序逐次向所有中继节点发送导频信息，然后每个中继节点的接收机按照接收到导频信息的顺序生成导频信息矩阵。

每个中继节点的信道估计器根据接收到的导频信息矩阵，采用最小二乘方法按照以下公式来获得发射节点到中继节点的信道矢量矩阵：

H＝X^-1Y

其中，H为估计得到的信道状态信息矩阵，X表示发送的导频信号矩阵，Y为接收到的导频信号矩阵，[·]^-1表示矩阵的逆。因此可以得到每个中继节点的信道矢量矩阵：其中，H_i表示第i(1≤i≤N)个中继的信道矢量矩阵，h_j，i(1≤j≤N_T)表示发射节点第j根发射天线到第i个中继节点的信道状态信息，然后每个中继节点将各自的信道矢量矩阵中每个元素依次反馈给发射节点。

步骤3，构造天线选择模值矩阵

因为天线选择将要对发射结点-中继节点的所有信道状态信息进行比较处理，而把所有的信道信息整合成矩阵形式有助于处理机处理，可以提升天线选择效率。发射节点对所有中继节点反馈回来信道矢量矩阵生成一个天线选择矩阵H：

$H=\left[\begin{array}{c}{H}_1\\ .\\ .\\ .\\ H_N\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cccc}{h}_{\mathrm{1,1}}& h_{\mathrm{2,1}}& ...& h_{N_T,1}\\ .& & & .\\ .& & ...& .\\ .& & & .\\ h_{1,N}& h_{2,N}& ...& h_{N_T,N}\end{array}\right]}_{N\×N_T}$

其中，H为天线选择矩阵，该矩阵的行向量代表发射节点到每个中继的信道矢量矩阵，维数为发射天线的数目，列向量代表每根天线到和所有中继之间信道矢量矩阵，维数为中继节点的数目。表示矩阵的行、列维数分别为N、N_T。

由于矩阵的模值将反映一个信道质量的好坏，所以将天线选择矩阵中每个元素乘以其共轭，得到天线选择模值矩阵。

步骤4，选择天线

发射节点比较天线选择模值矩阵中每列元素，逐次选取每列元素中的最小值，直至完成所有列元素最小值的选取，将所有列元素的最小值生成最小信道增益矩阵H_min：

$H_{\min }={[\arg \underset{1\≤i\≤N}{\min }\left(\right|h_{1,i}\left|\right)\arg \underset{1\≤i\≤N}{\min }\left(\right|h_{2,i}\left|\right)...\arg \underset{1\≤i\≤N}{\min }\left(\right|h_{N_T,i})]}_{1\×N_T}$

其中，H_min是所得到的最小信道增益矩阵，该矩阵的该矩阵行维数为1，列维数为发射天线数目N_T。argmin(·)表示根据自变量的变化取最小值，i表示中继节点的编号，|·|表示求元素的模值，h_j，i(1≤j≤N_T)表示发射节点第j根发射天线到第i个中继节点的信道状态信息，表示矩阵的行、列维数分别为1、N_T。

比较最小信道增益矩阵所有元素，选取该矩阵中元素的最大值，这样就可以保证发射天线到所有中继节点的信道质量不至于太差。将最大值元素对应的列作为最佳发射天线的编号，至此得到所要选择的天线。

步骤5，分布式空时编码传输

将步骤4中所选择的天线向所有中继节点逐个符号广播信息矢量矩阵，该矩阵行维数为1，列维数为所有中继节点的数目N。然后每个中继节点对接收到的每一个符号除以其模值进行归一化处理，得到中继节点的归一化信息矢量矩阵。按照空时编码准则，以所有中继节点的数目N作为矩阵的行、列维数，从空时编码矩阵码本集中查找与之对应的空时编码矩阵。

每个中继节点从空时编码矩阵中选取与中继节点编号相对应的行向量，得到中继节点的编码矢量矩阵。然后按照每个中继节点编码矢量矩阵中符号的编码规则，对中继节点归一化信息矢量矩阵中每个符号进行编码，得到中继节点的发送信息矢量矩阵。所有中继节点将各自的发送信息矢量矩阵逐个符号放大转发至目的节点。

目的节点采用最大似然方法按照下列公式对接收到的数据译码：

$X_o=\arg \underset{X\∈W}{\max }\left(P\left(Y\right|X)\right)$

其中，X_o为译码得出的符号信息，argmax(·)表示根据自变量的变化取最大值，W为发送信号调制后所有星座点的集合，X表示W中的星座点，Y表示目的节点接收的数据，P(|)为条件发生的概率。至此，得到发射节点所发送的信息，完成一次通信传输。

步骤6，判断通信是否完成

发射节点判断所有数据是否传输完成，假如完成，则结束通信，否则转入步骤2。

本发明的效果可通过以下仿真实验条件进一步说明：

1.仿真实验条件

本仿真利用MATLAB仿真平台软件，采用蒙特卡洛仿真方式。仿真中系统采用QPSK调制方式，系统中所有节点间的信道为平坦的瑞利信道，噪声为高斯白噪声服从CN(0，N₀)分布，CN(ω，σ²)表示均值为ω，方差为σ²的复高斯分布；发射节点天线个数为2，中继节点个数为2；发射节点-中继节点信道方全部服从CN(0，5)分布，中继节点-目的节点信道全部服从CN(0，1)分布；发射节点天线的发射功率为P/3，其中P为单个码元总的发射功率，同时，每个中继节点的天线的发射功率为P/3；目的节点采用最大似然译码。

2.仿真内容

此仿真对本发明方法以及现有方法的系统误码率(SER)进行仿真。如图3所示，曲线1、曲线2和曲线3为不同天线选择策略下所得到目的节点的误码率随着P/N₀变化的仿真图。曲线1所示的发射天线通过随机从发射端两根天线中选取一根的方式所得到，用以作为本方法和现有方法比较的基准。曲线2所示的发射天线通过本法明天线选择方法所得到。曲线3所示的发射天线通过文献中所提到的全搜方法所得到，也就是目的节点获取源节点各个天线的信噪比，选择其中最大的信噪比所对应的源节点的天线为源节点选择的发射天线，此仿真曲线图用以说明本发明的性能。

3.仿真结果

从图3中仿真结果可以看出，在接收端误码率为10^-5时，利用本发明的方法进行天线选择结果性能较之于随机天线选择方法有4.96dB的提升，而和全搜方法相比仅相差0.72dB，其性能可以达到全搜方法的87.32％。但考虑到此发明方法仅需发射节点和中继节点之间的信道信息的反馈，其反馈开销、反馈中噪声叠加要比全搜方法少的多。同时本发明的天线选择方法执行效率要比全搜方法高，易于工程实现，使得本发明在系统性能和效率之间得很好的权衡。

Claims (3)

1.一种基于放大转发分布式协作系统的发射天线选择方法，所述放大转发分布式协作系统由发射节点、中继节点和接收节点组成，其中发射节点数目为1个，配置有N_T根天线，中继节点数目为N，每个中继节点只配置1根天线；接收节点数目为1个，只配置1根天线；所述发射天线选择方法具体包括如下步骤：

(1)初始化

1a)发射节点对所有的发射天线按发射顺序进行编号；

1b)发射节点依次向每个中继节点发送一个初始为1逐个递增的编号；

(2)信道估计

2a)发射节点依照发射天线的编号顺序逐次向多个中继节点发送导频信息；

2b)每个中继节点的接收机按照接收到导频信息的顺序生成导频信息矩阵；

2c)每个中继节点的信道估计器根据接收到的导频信息矩阵，采用最小二乘方法获得发射节点到中继节点的信道矢量矩阵；

2d)将信道矢量矩阵中每个元素依次反馈给发射节点；

(3)构造天线选择模值矩阵

3a)发射节点对所有中继节点反馈回来信道矢量矩阵生成一个天线选择矩阵如下：

$H=\left[\begin{array}{c}{H}_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ H_N\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cccc}{h}_{\mathrm{1,1}}& h_{\mathrm{2,1}}& \·\·\·& h_{N_T,1}\\ \·& & & \·\\ \·& & \·\·\·& \·\\ \·& & & \·\\ h_{1,N}& h_{2,N}& \·\·\·& h_{N_T,N}\end{array}\right]}_{N\×N_T}$

其中，H为天线选择矩阵，该矩阵的行向量代表发射节点到每个中继的信道矢量矩阵，列维数为发射节点的发射天线数目，列向量代表每根天线到和所有中继之间信道矢量矩阵，行维数为中继节点的数目，表示矩阵的行、列维数分别为N、N_T；

3b)将天线选择矩阵中每个元素乘以其共轭，得到天线选择模值矩阵；

(4)选择天线

4a)比较天线选择模值矩阵中每列元素，逐次选取每列元素中的最小值，直至完成所有列元素最小值的选取；

4b)将所有列元素的最小值生成最小信道增益矩阵如下：

$H_{\min }={[\arg \underset{1\≤i\≤N}{\min }\left(\right|h_{1,i}\left|\right)\arg \underset{1\≤i\≤N}{\min }\left(\right|h_{2,i}\left|\right)\·\·\·\arg \underset{1\≤i\≤N}{\min }\left(\right|h_{N_T,i}\left|\right)]}_{1\×N_T}$

其中，H_min是所得到的最小信道增益矩阵，arg min(·)表示根据自变量的变化取最小值，i表示中继节点的编号，|·|表示求元素的模值，h_j，i(1≤j≤N_T)表示发射节点第j根发射天线到第i个中继节点的信道状态信息，表示矩阵的行、列维数分别为1、N_T；

4c)比较最小信道增益矩阵所有元素，选取该矩阵中元素的最大值，将最大值元素对应的列作为最佳发射天线的编号，得到所要选择的天线；

(5)分布式空时编码传输

5a)将所选择的天线向所有中继节点逐个符号广播信息矢量矩阵，其中，所述广播信息矢量矩阵行维数为1，列维数为所有中继节点的数目；

5b)每个中继节点对接收到的每一个符号除以其模值进行归一化处理，得到中继节点的归一化信息矢量矩阵；

5c)按照空时编码准则，以所有中继节点的数目作为矩阵的行、列维数，从空时编码矩阵码本集中查找与之对应的空时编码矩阵；

5d)每个中继节点从空时编码矩阵中选取与中继节点编号相对应的行向量，得到中继节点的编码矢量矩阵；

5e)按照每个中继节点编码矢量矩阵中符号的编码规则，对中继节点归一化信息矢量矩阵中每个符号进行编码，得到中继节点的发送信息矢量矩阵；

5f)所有中继节点将各自的发送信息矢量矩阵逐个符号放大转发至目的节点；

5g)目的节点采用最大似然方法对接收到的数据译码，得到发射节点所发送的信息，完成一次通信传输；

(6)判断通信是否完成

6a)发射节点判断所有数据是否传输完成，假如完成，则结束通信，否则转入步骤(2)。

2.根据权利要求1所述的放大转发分布式协作系统的发射端天线选择方法，其特征在于，步骤2c)中所述的最小二乘方法是按照下列公式实现：

H＝X^-1Y

其中，H为估计得到的信道状态信息矩阵，X表示发送的导频信号矩阵，Y为接收到的导频信号矩阵，[·]^-1表示矩阵的逆。

3.根据权利要求1所述的放大转发分布式协作系统的发射端天线选择方法，其特征在于，步骤5g)中所述的最大似然方法是指按照下列公式实现：

$X_o=\arg \underset{X\∈W}{\max }\left(P\left(Y\right|X)\right)$

其中，X_o为译码得出的符号信息，argmax(·)表示根据自变量的变化取最大值，W为发送信号调制后所有星座点的集合，X表示W中的星座点，Y表示目的节点接收的数据，P(|)为条件发生的概率。