CN103269241A - 一种多跳多中继协作网络的波束成形方法 - Google Patents

Abstract

针对三跳中继协作通信模型，本发明提出了一种波束成形方法，力求在中继节点总功率不超过一定阈值的情况下使目的节点的接受信噪比最大。三跳中继协作通信中存在两个中继节点群，每个群组都对应着各自的波束成形权向量。本发明通过交替固定两个中继节点群权向量，运用半正定松弛将上述问题转化成凸优化问题，然后运用内点法等方法，经过若干次迭代，最终实现了两个权向量的联合优化。

Description

一种多跳多中继协作网络的波束成形方法

技术领域

本发明公开了一种多跳多中继协作网络的波束成形方法，属于无线通信、信号处理技术领域。

背景技术

随着无线通信的快速发展，人们对无线通信的服务质量和体验质量的要求越来越高。多输入多输出（MIMO）技术在频谱资源一定的情况下可以有效地提高频谱利用率，提高系统的可靠性，包括时间、频率、编码、空间等多种方式的分集已经被开发出来。对于便携设备而言，由于受体积和能量的限制，安置多天线非常困难。为解决以上问题，协作通信应运而生。

一个无线网络模型通常可以看作是可相互通信的节点的集合。但是，从另一个角度来看，因为无线信道具备广播的特性，我们可以将这些通信节点视为无线通信中的一些分布式天线的集合。根据这一特性，无线通信中的网络节点可以通过互相协作来进行分布式的信号传输。对于源节点来说，一个协作节点可以看作是一个中继节点。协作通信可以在源节点与目的节点之间产生一种虚拟的MIMO传输链路。基于用户协作的通信通常就被称为“协作通信”，协作通信实现了多用户系统的空间分集，同时避免了在每个用户端使用多天线。在协作通信中，用户可以作为中继节点，提供从源节点到目的节点的多重路径，并可通过分集技术来抑制多径衰落对无线信道的影响。近年来的文献中提出了多种协作通信策略，比如译码转发（DF）、放大转发（AF）、选择中继（SR）和增量中继等协作分集方法。其中放大转发策略因其延时较小，实现简单而被广泛的应用。

以往的研究多倾向于两跳的中继波束成形模型，而在移动通信领域，多跳网络模型也是较为常见的。针对多跳多中继协作通信网络，其波束成形涉及多个中继节点权向量。在中继节点功耗限制的前提下，提高目的节点的接收信噪比具有很大的现实意义。先前已有研究人员用近似的方法将上述问题转化为半正定问题，然后实现近优的波束成形，但这种方法效果并不理想。本发明则将联合运用迭代法和内点法，实现更加优化的波束成形。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对多跳多中继协作网络的波束成形方法，在中继节点功耗限制的前提下，提高目的节点的接收信噪比。

本发明的技术解决方案如下：

一种多跳多中继协作网络的波束成形方法，该方法基于三跳多中继协作通信系统，该系统由一个源节点、一个目标节点和两组中继节点群组成，且网络中的所有节点均只装配有单天线，受信道衰落的影响，源节点与目标节点之间、源节点与第二组中继节点群之间、第一组中继节点群与目标节点之间均无法建立直接的通信链路，源节点需要通过所述两个中继节点群来建立与目标节点之间的通信；参与协作通信的中继节点的个数是已知的，整个网络模型的信道参数可以通过信道估计来获得；在通信过程中，源节点发送信号，经过第一跳的信道，混叠上噪声之后，广播到第一组中继节点；第一组中继节点对接收到的信号用波束成形权向量w进行加权，然后用放大转发的方式经过第二跳信道向第二组中继节点广播，第二组中继节点接收到信号后，用另一个波束成形权向量v进行加权，以放大转发的方式向目的节点发送信号，该信号通过第三跳的信道混叠上噪声之后，最终被目的节点接收；

在每组中继节点功耗限制的前提下，对两组中继节点波束成形权向量进行联合优化，提高目的节点的接收信噪比，上述最优化的步骤如下：

步骤一、利用信道估计，得到第一、二、三跳的信道参数，设定第一组和第二组中继节点各自的功率约束；

步骤二、初始化第一组中继节点的波束成形权向量w，使其满足第一组中继节点的功率约束；

步骤三、固定w，原问题转化为仅包含一个变量v的优化问题，利用广义瑞利商，求得对应该w的第二组中继节点波束成形权向量v；

步骤四、固定上述v的值，原问题转化为仅包含一个变量w的优化问题，通过对秩约束进行松弛，进而转化为半正定规划问题，通过内点法计算该v所对应的w的值；

步骤五、判断w是否满足迭代条件，若满足则重复步骤三、四的过程，若不满足则进行步骤六；

步骤六、输出最终所得的w和v，即为所求的两个波束成形权向量。

附图说明

图1：本发明的系统模型图；

图2：本方法的工作流程图；

图3：仿真图。

具体实施方式

针对现有的三跳多中继波束成形优化所面临的问题，本发明提出了一种综合运用迭代法等方法实现两组中继群组波束成形权向量的联合优化方法。该联合优化问题是非凸的，多向量的，难以通过常见的方法实现，本发明通过固定其中一个权向量，将原有问题转化成单向量，容易用现有方法解决的问题，得到另一个波束成形权向量，然后固定所得的权向量，再来优化第一个权向量，通过多次迭代最终求得两个波束成形权向量。

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明，但不限于此例。

考虑一个基于放大转发机制的三跳多中继协作通信系统，该系统由一个源节点（S），一个目标节点（D）和两组中继节点群组成，且网络中的所有节点均只装配有单天线。假定源节点与目标节点之间，源节点与第二组中继节点群之间，第一组中继群与目标节点之间均无法建立直接的通信链路。因此，源节点需要通过两个中继节点群组来建立与目标节点的通信。参与协作通信的中继节点的个数是已知的，其中第一组中继节点群包括M=6或者M=10个中继，第二组包括K=6或者K=10个中继；如附图1中所示，发送功率为P_S，记第一跳信道参数为，f＝[f₁,f₂,...,f_M]^T，第二跳信道参数矩阵为H，第三跳信道参数为g＝[g₁,g₂,...,g_K]^T；所有噪声均为平稳高斯白噪声，第一跳中继节点处的噪声功率为

第二跳中继节点处的噪声功率为

第一跳中继节点权向量为w＝[w₁,w₂,...,w_M]^T，第二跳中继节点权向量为

我们综合运用迭代法、内点法等方法联合设计这两个中继节点群的复加权矢量。

该方法步骤如下：

步骤一、利用信道估计，得到f、H、g、设定第一跳和第二跳的功率约束分别为P_T和P_R；

步骤二、初始化w，使其满足w^HD_Tw≤P_T，其中D_T为对角阵，

m＝1,2,...,M，令n为迭代次数，将n初始化为0；

步骤三、固定w_n的值（w_n表示第n次迭代时w值），计算该w_n所对应的最优的v_n（v_n表示第n次迭代时v的值）为：

$v_n=\sqrt{P_R}{D}_R^{-1/2}\mathrm{\ρ}\left\{{(D_R^{-1/2}{Q}_v{D}_R^{-1/2}+{\mathrm{\σ}}_T^{2}I)}^{-1}{D}_R^{-1/2}{R}_v{D}_R^{-1/2}\right\},$ 其中R_v＝P_sF_vF_v ^H， $Q_v={\mathrm{\σ}}_T^2{G}_v{G_v}^H+{\mathrm{\σ}}_R^2{\mathrm{gg}}^H,$ F_v＝GHFw_n，G_v＝GHw_n，F＝diag(f)，G＝diag(g)，D_R也为对角阵，

${\left[D_R\right]}_{k,k}=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{k,m}\right|}^2({\left|f_m\right|}^2{P}_s+{\mathrm{\σ}}_T^2){\left|w_m\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_R^2,k=\mathrm{1,2},...,K,$ 其中h_k,m表示矩阵H第k行第m列的元素。

ρ{B}表示矩阵B的主特征向量；

步骤四、固定v_n的值，计算该v_n所对应的新的最优的w_n+1，也就是解决如下优化问题：

使得tr(D_TX)≤P_T,

并使rank X＝1,X≥0

其中 $X=w_{n+1}{w}_{n+1}^H,$

我们通过对上述优化问题舍弃X秩为1的条件，进行半正定松弛后，该问题可运用内点法有效的解决，从而得到w_n+1。将n的值更新为n+1，即n=n+1；

步骤五、判断是否满足

其中ε表示迭代算法所要求的精度，令其等于0.0001。若满足该不等式，则将新的w代入步骤三，重复步骤三、四的过程，直到该不等式不再满足；

步骤六、输出最终所得的w和v，即为所求的两个波束成形权向量，由附图三可以看出，本发明的方法比其他方法所实现的接受信噪比有明显的提高。

Claims (1)

1.一种多跳多中继协作网络的波束成形方法，该方法基于三跳多中继协作通信系统，该系统由一个源节点、一个目标节点和两组中继节点群组成，且网络中的所有节点均只装配有单天线，受信道衰落的影响，源节点与目标节点之间、源节点与第二组中继节点群之间、第一组中继节点群与目标节点之间均无法建立直接的通信链路，源节点需要通过所述两个中继节点群来建立与目标节点之间的通信；参与协作通信的中继节点的个数是已知的，整个网络模型的信道参数可以通过信道估计来获得；在通信过程中，源节点发送信号，经过第一跳的信道，混叠上噪声之后，广播到第一组中继节点；第一组中继节点对接收到的信号用波束成形权向量w进行加权，然后用放大转发的方式经过第二跳信道向第二组中继节点广播，第二组中继节点接收到信号后，用另一个波束成形权向量v进行加权，以放大转发的方式向目的节点发送信号，该信号通过第三跳的信道混叠上噪声之后，最终被目的节点接收；

在每组中继节点功耗限制的前提下，对两组中继节点波束成形权向量进行联合优化，提高目的节点的接收信噪比，上述最优化的步骤如下：

步骤一、利用信道估计，得到第一、二、三跳的信道参数，设定第一组和第二组中继节点各自的功率约束；

步骤二、初始化第一组中继节点的波束成形权向量w，使其满足第一组中继节点的功率约束；

步骤三、固定w，原问题转化为仅包含一个变量v的优化问题，利用广义瑞利商，求得对应该w的第二组中继节点波束成形权向量v；

步骤四、固定上述v的值，原问题转化为仅包含一个变量w的优化问题，通过对秩约束进行松弛，进而转化为半正定规划问题，通过内点法计算该v所对应的w的值；

步骤五、判断w是否满足迭代条件，若满足则重复步骤三、四的过程，若不满足则进行步骤六；

步骤六、输出最终所得的w和v，即为所求的两个波束成形权向量。

Images