CN103259575B - 基于多天线双向中继无线通信系统的线性处理优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多天线双向中继无线通信系统的线性处理优化方法，属于无线通信网络传输的技术领域，包括以下步骤：基站和用户同时发送各自的信号给中继；中继接收到基站和用户发送信号的叠加，中继构建以信号均方误差（MSE）为目标函数、中继功率限制为约束条件的优化问题；然后将该矩阵变量的优化问题对角化处理简化为标量变量的优化问题，通过KKT条件求解标量变量并得到最优中继预编码矩阵；中继对接收到的基站和用户发射的信号乘以所求得的最优线性预编码，再广播发射给基站和用户；基站和用户各自对接收到的信号进行处理。本发明可以使得基站和用户各自的发射信号与接收信号的均方误差降低，进而使终端接收信号的差错概率降低。

Description

基于多天线双向中继无线通信系统的线性处理优化方法

技术领域

本发明涉及一种基于放大转发（AF）中继策略的双向中继辅助多输入多输出（MIMO）通信系统的线性处理优化方法，属于无线通信网络传输中的优化技术领域。

背景技术

为了满足未来无线通信系统对频谱有效性和功率有效性的更高要求，需要充分挖掘利用空间无线资源，在现有的蜂窝网结构中引入中继协作式通信可以显著提高系统的频谱利用率和网络覆盖面积。无线通信中高传输带宽的要求只能让系统在更高的频段工作，而更高的工作频段意味着路径损耗的增大，这将导致传统的蜂窝网络不得不降低小区的覆盖面积，从而提高了组网成本。因此，我们需要更有效地利用无线资源，扩展系统覆盖。中继协作通信技术被认为可以在不明显改变骨干网络结构的同时显著提高网络的传输性能。另外，高质量传输的要求使蜂窝网中为了提高频率复用因子，不同的蜂窝小区因需要共享相同的频率资源而产生小区间的相互干扰，这样会影响在小区边缘的用户服务质量，严重时会使小区出现所谓的“盲区”。而中继协作能提高小区边缘和覆盖盲区或弱区的频谱效率。

双向中继传输技术是近年来中继协作通信研究的一个新进展。双向中继通过应用物理层的网络编码，能进一步提高信道资源的利用。传统的单向中继由于半双工工作模式，需要四个时隙完成基站与用户的一次信息交换；与之相比，双向中继只用两个时隙。理论分析已表明：相比传统的单向中继传输协议，双向中继传输能将网络的吞吐量提高33%。在双向中继通信的过程中，第一个时隙，基站和用户同时向中继发送各自的数据，中继接收到两个信号的叠加；第二个时隙，中继对该叠加信号进行处理后同时广播给基站和用户，基站和用户利用网络编码对自己发送的信息进行自干扰消除，然后进行信号检测。由于放大转发的中继策略具有复杂度低和时延小的优点，中继一般采用放大转发（AF）方式。所以，将MIMO技术与双向中继协议结合被认为能更大地提高系统吞吐量，其优化处理设计这两年来也成为无线通信领域的研究热点。但是，目前关于双向中继特别是多天线多中继系统的线性优化处理的研究还不够深入。由于两个用户的通信性能涉及容量域、均方误差和等，多个中继要同时保证对两个用户的性能优化，其优化问题是非线性非凸的，目前尚没有闭式解或一些高效的方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述背景技术中指出的缺陷，提供一种基于双向中继无线通信系统的线性处理优化方法，目的在于双向中继MIMO通信系统中应用联合优化的线性处理，提高系统可靠性，能够降低接收信号与发送信号的均方误差。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

基于多天线双向中继无线通信系统的线性处理优化方法，该方法基于的网络架构包括用户、基站、n个中继，其中n为1以上的自然数，所述用户和基站通过n个中继实现双向通信，具体包括以下步骤：

步骤（1），基站和用户各自对发送信号进行预编码后同时在第一时隙发送给中继；

步骤（2）中继接收基站和用户发送的信号的叠加，优化处理获得中继的最优线性预编码，具体如下：

（21）中继首先构建以基站和用户各自的接收信号与发射信号间的MSE矩阵的迹之和为目标函数，其优化变量是由n个中继的预处理方阵构成的中继预编码矩阵，将原MSE矩阵对角化或找到MSE矩阵对角化形式的上界，并得到以标量为变量的目标函数的形式，同时还得到中继预编码矩阵变量与标量变量的线性关系式；

（22）将中继的总功率限制作为MSE矩阵优化的约束条件，将上一步得到的中继预编码矩阵与标量变量间关系式代入总功率约束条件，最终得到与原MSE矩阵变量优化问题等价的标量变量优化问题；

（23）应用凸优化理论，通过KKT条件求解上述标量变量优化问题，然后通过求解中继预编码矩阵变量与标量变量的线性方程组，得到中继的最优线性预编码；

步骤（3），中继对接收到的基站和用户发射的信号乘以所求得的中继最优线性预编码，再在第二时隙同时广播发射给基站和用户；

步骤（4），基站和用户各自利用网络编码对接收到的中继处理后的叠加信号进行处理后再判决恢复出原始信号。

作为本发明的一种优选技术方案：步骤（1）中所述预编码是指：所述基站和用户分别将要发送信息的后向信道作奇异值分解，取其酉矩阵作为预编码矩阵。

作为本发明的一种优选技术方案：步骤（4）具体如下：

第一步：基站与用户首先分别利用网络编码对接收到的中继处理后的叠加信号进行自干扰消除，得到其所需的对方发送的信号和噪声；

第二步：基站和用户各自对MSE矩阵的迹求其接收矩阵的一阶偏导，并令其为零，然后根据已求得的中继最优线性预编码最终求解得到最佳线性接收机为维纳滤波器；

第三步：基站和用户各自采用第二步中的维纳滤波器对接收信号进行处理后再判决恢复出原始信号。

本发明采用上述技术方案产生如下有益效果：本发明的目的是针对多天线多中继的双向中继无线通信系统提出一种信源、中继和信宿联合优化的线性处理方法，使得基站和用户各自的发射信号与接收信号的均方误差降低，进而使终端接收信号的差错概率降低。这样，提高了接收信号的质量和无线通信系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明的双向中继辅助MIMO通信系统模型及通信过程示意图。

图2为本发明线性编码和检测的优化方法及应用方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

如图1所示，本发明涉及的基于多天线双向中继无线通信系统的线性处理优化方法，该方法基于的网络架构包括用户、基站、n个中继，其中n为1以上的自然数，所述用户和基站通过n个中继实现双向通信，具体包括以下步骤：

步骤（1），基站和用户各自对发送信号进行预编码后同时在第一时隙发送给中继；

步骤（2）中继接收基站和用户发送的信号的叠加，优化处理获得中继的最优线性预编码，具体如下：

（21）中继首先构建以基站和用户各自的接收信号与发射信号间的MSE矩阵的迹之和为目标函数，其优化变量是由n个中继的预处理方阵构成的中继预编码矩阵，将原MSE矩阵对角化或找到MSE矩阵对角化形式的上界，并得到以标量为变量的目标函数的形式，同时还得到中继预编码矩阵变量与标量变量的线性关系式；

（22）将中继的总功率限制作为MSE矩阵优化的约束条件，将上一步得到的中继预编码矩阵与标量变量间关系式代入总功率约束条件，最终得到与原MSE矩阵变量优化问题等价的标量变量优化问题；

（23）应用凸优化理论，通过KKT条件求解上述标量变量优化问题，然后通过求解中继预编码矩阵变量与标量变量的线性方程组，得到中继的最优线性预编码；

步骤（3），中继对接收到的基站和用户发射的信号乘以所求得的中继最优线性预编码，再在第二时隙同时广播发射给基站和用户；

步骤（4），基站和用户各自利用网络编码对接收到的中继处理后的叠加信号进行处理后再判决恢复出原始信号。

本发明分别在信源处、中继处和信宿处进行。信源根据其已知的信道状态信息（完全和不完全的都适用）对信道矩阵进行奇异值分解，取酉矩阵作为预编码以对角化信道，目的是使MIMO信道分解为独立平行的单输入单输出（SISO）信道。在中继处主要是根据已知的完全或不完全信道状态信息分别对两跳通信中第一时隙和第二时隙的信道进行奇异值分解，将中继总功率受限下两个用户的均方误差（MSE）矩阵的迹之和最小化的约束优化问题从矩阵变量简化为等价的标量变量凸优化问题；进而利用KKT条件求解得到中继的优化线性预编码。在信宿处根据终端MSE矩阵的迹之和的表达式和已得到的优化中继预编码得到最优的维纳滤波器，使系统的总MSE矩阵之迹最小。

本发明的整个过程如图2所示，具体实施方法如下：

步骤一：信源也就是基站和用户首先对将要发送信息的后向信道作奇异值分解，取其酉矩阵作为信源的预编码矩阵，对发送信号进行预编码后在第一时隙发送给中继。

步骤二：中继处构建以基站和用户各自的接收信号与发射信号间的MSE矩阵的迹之和为目标函数，中继的总功率限制为约束的矩阵优化问题，其中优化变量为各个中继的预编码矩阵构成的一个大的对角块阵。中继处求解该复杂的矩阵变量优化问题主要是将其对角化并简化为标量变量的优化问题，求解到这些标量变量后再通过线性方程最终求解得到中继预编码矩阵。具体步骤如下：

第一步：首先根据第一时隙和第二时隙建立的多播信道的信道状态信息对信道矩阵进行奇异值分解，找出由信道奇异值分解的酉向量和功率分配变量构成的每个中继预编码矩阵的表达式，将MSE矩阵对角化或其对角化形式的上界，并得到以标量为变量的目标函数的形式。

第二步：将中继预编码矩阵的表达式与上一步得到的标量变量间关系代入总功率约束条件，最终得到以每个子信道的功率分配为变量的等价标量变量优化问题；

第三步：应用凸优化理论，通过KKT条件求解上述简化的标量变量优化问题，并求解中继预编码矩阵变量与标量变量的线性关系构成的线性方程组，得到中继的最优线性预编码。

中继对接收到的基站和用户第一时隙发射的信号乘以所求得的中继最优线性预编码，再在第二时隙同时广播发射给基站和用户。

步骤三：基站和用户接收到中继发送的优化处理后的叠加信号，

第一步：首先利用网络编码对该叠加信号进行自干扰消除，得到其所需的对方发送的信号和噪声。

第二步：基站和用户各自对MSE矩阵的迹求其接收矩阵的一阶偏导，并令其为零，并根据已求得的中继最优线性预编码最终求解得到最佳线性接收机为维纳滤波器。

第三步：基站和用户各自采用优化的维纳滤波器对接收信号进行处理后再判决恢复出原始信号。

至此，整个双向中继辅助通信的终端线性处理过程执行完毕。

Claims (3)

1.基于多天线双向中继无线通信系统的线性处理优化方法，其特征在于，该方法基于的网络架构包括用户、基站、n个中继，其中n为1以上的自然数，所述用户和基站通过n个中继实现双向通信，具体包括以下步骤：

步骤（1），基站和用户各自对发送信号进行预编码后同时在第一时隙发送给中继；

步骤（2）中继接收基站和用户发送的信号的叠加，优化处理获得中继的最优线性预编码，具体如下：

（21）中继首先构建以基站和用户各自的接收信号与发射信号间的MSE矩阵的迹之和为目标函数，其优化变量是由n个中继的预处理方阵构成的中继预编码矩阵，将原MSE矩阵对角化或找到MSE矩阵对角化形式的上界，并得到以标量为变量的目标函数的形式，同时还得到中继预编码矩阵变量与标量变量的线性关系式； 

（22）将中继的总功率限制作为MSE矩阵优化的约束条件，将上一步得到的中继预编码矩阵与标量变量间关系式代入总功率约束条件，最终得到与原MSE矩阵变量优化问题等价的标量变量优化问题；

（23）应用凸优化理论，通过KKT条件求解上述标量变量优化问题，然后通过求解中继预编码矩阵变量与标量变量的线性方程组，得到中继的最优线性预编码；

步骤（3），中继对接收到的基站和用户发射的信号乘以所求得的中继最优线性预编码，再在第二时隙同时广播发射给基站和用户；

步骤（4），基站和用户各自利用网络编码对接收到的中继处理后的叠加信号进行处理后再判决恢复出原始信号。

2.根据权利要求1所述的基于多天线双向中继无线通信系统的线性处理优化方法，其特征在于：步骤（1）中所述预编码是指：所述基站和用户分别将要发送信息的后向信道作奇异值分解，取其酉矩阵作为预编码矩阵。

3.根据权利要求1所述的基于多天线双向中继无线通信系统的线性处理优化方法，其特征在于：步骤（4）具体如下：

第一步：基站与用户首先分别利用网络编码对接收到的中继处理后的叠加信号进行自干扰消除，得到其所需的对方发送的信号和噪声；

第二步：基站和用户各自对MSE矩阵的迹求其接收矩阵的一阶偏导，并令其为零，然后根据已求得的中继最优线性预编码最终求解得到最佳线性接收机为维纳滤波器；

第三步：基站和用户各自采用第二步中的维纳滤波器对接收信号进行处理后再判决恢复出原始信号。