CN103297108A - 一种多源多中继协作网络的上行波束成形方法 - Google Patents

Abstract

针对多源多中继的基站装置有多天线的协作通信模型，本发明提出了一种中继节点权向量与基站端线性均衡向量联合优化的技术方案，以求在中继节点总功率不超过给定阈值的情况下使基站处接收信干噪比中最小的那个最大化。该优化问题中涉及两个待优化的向量。本发明发现了两个向量之间的内在联系，将多向量的优化问题转化为单向量的优化问题，进而转化为凸可行性问题，运用凸优化和二分法求得了该方案信干噪比的最优值，以及实现该最优值时，中继节点波束成形权向量和基站处线性均衡向量的配置值。

Description

一种多源多中继协作网络的上行波束成形方法

技术领域

本发明公开了一种基站端配置多天线，多源多中继协作网络的上行波束成形方法，属于信号处理、无线通信技术领域。

背景技术

天线分集技术由于其复用和分集增益，可以显著地提高无线通信系统的频谱效率和可靠性，在过去几十年中备受关注。在所有的空间分集技术中，波束成形技术通过多天线的收发器获得空间分集增益，由于其实现简单而最为常见。在实际应用环境中，在基站端可以配置多天线，但是由于空间、复杂性和功耗的限制，在移动终端上装备多天线是不可行的。近年来，在协作分集技术中，移动用户可以分享自己独立的天线来形成一个虚拟的天线阵列，进而通过分布式信号处理以及协作通信，取代传统的多输入多输出（MIMO）系统。在协作通信中，如果发送端、中继以及接收端信道状态信息完全可知，那么最优的波束成形可以很容易的实现；如果只有二阶信道状态信息已知，那么优化问题可以通过半正定松弛（SDR）转化成半正定问题（SDP）。

在以往的模型中，各节点都是装置着单天线，本发明则是考虑基站端（目的节点）装配多天线的情形。在这种情况下，多个用户同时通过中继网络向基站端传输独立的数据流。在基站处通过装置多天线并进行均衡处理，可以有效地消除不同用户之间的干扰，提高信干噪比。针对该模型，原有的波束成形优化方案是通过迭代法解决，这种方法不是全局最优的。本发明提出一个新的解决信干噪比（SINR）最大化的优化方法，即在中继节点总功率满足一定约束的情形下，通过联合优化中继节点波束成形权向量以及基站端的线性均衡向量，实现基站端所有SINR中最小的那一个最大化，该技术可视为实现全局最优的方法，效果好并且实现复杂度低。

发明内容

本发明的目的在于提供一个针对多源多中继协作网络，并且在基站端装置有多天线的波束成形及线性均衡器联合优化的方法。在中继节点总功率消耗满足一定约束的情况下，使基站端接收信干噪比中最小的那一个最大化。

本发明的技术解决方案如下：

一种多源多中继协作网络的上行波束成形方法，该方法基于一个多源多中继并且基站端装置多天线的协作通信系统，该系统由多个装置单天线的源节点、多个装置单天线的中继节点、一个装置多天线的基站组成，源节点与基站之间无法建立直接的通信链路，源节点需要通过中继节点群来建立与基站之间的通信；

在通信过程中，多个源节点同时向中继节点群广播信号，这些信号混叠上噪声之后，广播到中继节点群，中继节点对接收到的信号用波束成形权向量进行加权，然后用放大转发的方式向多天线基站广播，多天线基站接收到信号后，用另一个均衡权向量进行加权；

在中继节点群总功耗限制的前提下，使多天线基站处的多个接收信干噪比中最小的那一个最大化，步骤如下：

步骤一、通过信道估计，得到第一、二跳的信道参数，设定中继节点群的总功率约束，使多个接收信干噪比中最小的那一个最大化；

步骤二、通过引入中间变量t，使每一个信干噪比的值都大于或等于t，原问题也就转化成求t最大值的凸可行性问题；

步骤三、确定一个包含t的可实现最大值的区间[l,u]，l和u分别表示该区间的下边界和上边界，令

步骤四、将t代入步骤二中的凸可行性问题，用凸优化工具检验是否存在满足约束的可行解，若存在可行解，则t在可行域中，令l＝t，若不存在满足约束的可行解，则t不在可行域中，令u＝t；

步骤五、判断t是否满足二分法停止迭代的条件，若不满足则重复步骤三、四的过程，若满足则进行步骤六；

步骤六、输出最后一次迭代所产生的波束成形权向量，同时可求得所对应的基站处最优化的均衡向量。

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

针对基站端装置有多天线的多源多中继的协作网络，本发明提出了一种运用凸优化和二分法实现中继节点处波束成形权向量以及基站处线性均衡向量的联合优化问题。该联合优化的原问题是非凸的，多向量的，本发明通过发掘两个向量之间的联系，针对每一个波束成形权向量都有唯一的一个线性均衡向量使的该系统实现最优化。这样原问题可转化为单向量的优化问题，该问题也是一个可行性问题，我们运用二分法，在每次迭代时运用凸优化，可求得系统信干噪比最优化的目标值，以及相对应的波束成形权向量和基站处的均衡向量。

下面结合具体实施例（但不限于此例）以及附图对本发明进行进一步的说明。

考虑一个基于放大转发机制的多源多中继并且基站端装置多天线的协作通信系统，该系统由多个装置单天线的源节点（S），多个装置单天线的中继节点（R），一个装置多天线的基站（D）组成。假定源节点与基站之间无法建立直接的通信链路，因此，源节点需要通过中继节点群组来建立与基站之间的通信。假设该网络包括K个源节点，M个中继节点，基站装置有N根天线，如附图1所示，第k个源节点的发送功率为p_k，第k个源节点到第m个中继节点的信道参数为f_k,m，第二跳信道参数矩阵为H，基站端线性均衡矩阵为G＝[g₁,g₂,...,g_N]，中继节点权向量为w＝[w₁,w₂,...,w_M]^T。所有噪声都为平稳高斯白噪声，在中继节点处噪声功率为在基站处噪声功率为

该方法步骤如下：

步骤一、通过信道估计，得到信道参数f、H，所有的噪声都是高斯白噪声，噪声功率

都为1dBw。中继节点的总功率P_T满足约束：

为我们设定的阈值。我们的目标便是使K个SINR_k中最小的那一个最大化，也就是：

步骤二、根据矩阵逆定理及矩阵舒尔补引理，通过半正定松弛并引入中间变量t，使每一个SINR都大于或等于t，原问题也就转化成求t最大值的问题：

使得

并且 $w^H\mathrm{Dw}\≤P_T^{\max }.$

其中

I表示单位矩阵。进一步，该问题可转化成凸可行性问题：

寻找w

使得

并且 $w^H\mathrm{Dw}\≤P_T^{\max }.$

步骤三、初始化n＝0，确定一个包含t可实现最大值t_max的区间[l,u]，其中可设l＝0， $u=\mathrm{SIN}{R}_{\max }\left(P_T^{\max }\right),$ 令 $t_n=\frac{l+u}{2},$ t_n表示第n次迭代时t的值。

步骤四、将t_n代入步骤二中提到的凸可行性问题，用凸优化工具（如CVX）检验是否存在满足约束的w。若存在满足约束的w，即问题可行，则t_n在可行域中，令l＝t_n；若不存在满足约束的w，则t不在可行域中，令u＝t_n。

步骤五、更新n＝n+1，计算

判断是否满足

其中ε＝0.001表示信干噪比所要求的精度。若不满足该不等式，则重复步骤四，直到满足该不等式。

步骤六、令t_n＝l，输出最终所得的t_n，即为所求的K个SINR中最小的那一个的最大值。输出所对应的最优化的波束成形权向量w，输出最优化的基站端线性均衡向量 $g_k=\mathrm{\ρ}\left\{{(H{W}^H{Q}_{k}W{H}^H+R_d)}^{-1}H{W}^H{f}_k{f}_k^{H}W{H}^H\right\},\∀k,$ 其中ρ{B}表示矩阵B的主特征向量。本发明的方法比遗传算法及其他方法所实现的接受信干噪比有明显的提高。并且由于t的搜索域是连贯的，且具有唯一的边界（可行与不可行之间），可以证明我们的方法为全局最优的。

Claims (1)

1.一种多源多中继协作网络的上行波束成形方法，该方法基于一个多源多中继并且基站端装置多天线的协作通信系统，该系统由多个装置单天线的源节点、多个装置单天线的中继节点、一个装置多天线的基站组成，源节点与基站之间无法建立直接的通信链路，源节点需要通过中继节点群来建立与基站之间的通信；

在通信过程中，多个源节点同时向中继节点群广播信号，这些信号混叠上噪声之后，广播到中继节点群，中继节点对接收到的信号用波束成形权向量进行加权，然后用放大转发的方式向多天线基站广播，多天线基站接收到信号后，用另一个均衡权向量进行加权；

在中继节点群总功耗限制的前提下，使多天线基站处的多个接收信干噪比中最小的那一个最大化，步骤如下：

步骤一、通过信道估计，得到第一、二跳的信道参数，设定中继节点群的总功率约束，使多个接收信干噪比中最小的那一个最大化；

步骤二、通过引入中间变量t，使每一个信干噪比的值都大于或等于t，原问题也就转化成求t最大值的凸可行性问题；

步骤三、确定一个包含t的可实现最大值的区间[l,u]，l和u分别表示该区间的下边界和上边界，令

步骤四、将t代入步骤二中的凸可行性问题，用凸优化工具检验是否存在满足约束的可行解，若存在可行解，则t在可行域中，令l＝t，若不存在满足约束的可行解，则t不在可行域中，令u＝t；

步骤五、判断t是否满足二分法停止迭代的条件，若不满足则重复步骤三、四的过程，若满足则进行步骤六；

步骤六、输出最后一次迭代所产生的波束成形权向量，同时可求得所对应的基站处最优化的均衡向量。

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