CN105007608A - 用于解码转发中继网络的中继选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于解码转发中继网络的中继选择方法，该方法包括：构建步骤、迭代步骤、调整步骤以及选择步骤。该方法能够在限制所有源端的总发射功率、所有中继的总发射功率和虚拟中继的最大个数的前提下，使得每一个被服务用户的上行链路和下行链路的最小信干比最大化。此外，还能对源端的发射功率和波束赋形，以及中继的发射功率和波束赋形进行优化。

Description

用于解码转发中继网络的中继选择方法

技术领域

本发明涉及解码转发中继技术领域，尤其涉及用于解码转发中继网络的中继选择方法。

背景技术

在解码转发(Decode-and-Forward)多中继网络中，中继之间能够协作将数据信息从源端传送到目的端。图1示出了一个两跳的解码转发多中继网络，其中包含有K个中继、M个源端和M个目的端。M个源端和M个目的端也可以称作M个被服务的用户对。从源端到中继可以称作上行，从中继到目的端可以称作下行。

在某些回程约束条件下，可以从这K个中继中选出多个中继(至少一个)，形成一个大的虚拟中继，同时为M个源端和M个目的端提供解码转发服务。现有的一种中继选择方法是为单个用户选择最佳转发中继，常用的策略是最大化信噪比SNR、最小化中断概率、最小化截获率、最小化传输功率等。

但是，上述的中继选择方法存在如下技术问题：

1)没有考虑同时为多个用户服务的情况，并且没有以确保多个用户之间的公平性为切入点进行中继选择；

2)没有同时考虑上、下行链路；

3)没有同时考虑限制所有源端的总发射功率和所有中继的总发射功率。

发明内容

本发明的目的在于提供用于解码转发中继网络的中继选择方法，以解决现有技术中存在的上述技术问题。

本发明的一个实施例提供了用于解码转发中继网络的中继选择方法，包括：构建步骤：根据解码转发中继网络对源端的波束赋形构建上行波束赋形矩阵V；根据解码转发中继网络对目的端的波束赋形构建下行波束赋形矩阵U；根据所述上行波束赋形矩阵和所述下行波束赋形矩阵构建联合波束赋形矩阵W；根据解码转发中继网络的下行信道矩阵、目的端的噪声功率和所述下行波束赋形矩阵构建第一辅助矩阵F；根据解码转发中继网络的上行信道矩阵、中继的噪声功率和所述上行波束赋形矩阵构建第二辅助矩阵Q；根据中继的总数、中继的天线数目和源端的总数构建第一随机矩阵Z；根据源端的总数构建第二随机矩阵Λ和第三随机矩阵Φ；迭代步骤：对所述构建步骤中构建的所有矩阵进行多轮迭代更新，直至最近两轮迭代更新得到的矩阵的差异小于预先设定的门限；调整步骤：根据所述迭代步骤得到的所述联合波束赋形矩阵的稀疏程度调整信干比的上界值或下界值；以及选择步骤：当信干比的上界值与下界值的差异小于预先设定的门限时，根据所述联合波束赋形矩阵中的非零行块的位置选择对应的中继。

本发明提供的用于解码转发中继网络的中继选择方法，能够在限制所有源端的总发射功率(上行功率)、所有中继的总发射功率(下行功率)和虚拟中继的最大个数的前提下，使得每一个被服务用户的上行链路和下行链路的最小信干比(SINR)最大化。此外，还能对源端的发射功率和波束赋形，以及中继的发射功率和波束赋形进行优化。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。其中在附图中，参考数字之后的字母标记指示多个相同的部件，当泛指这些部件时，将省略其最后的字母标记。在附图中：

图1所示为解码转发中继网络为多个用户提供服务的示意图；

图2所示为本发明的用于解码转发中继网络的中继选择方法的一个实施例的流程图；

图3所示为图2中的步骤202的一个实施例的示意图；

图4所示为本发明的用于解码转发中继网络的中继选择方法的另一个实施例的流程图；

图5所示为图4中的步骤404的一个实施例的流程图；

图6所示为图4中的步骤405的一个实施例的流程图。

在附图中，使用相同或类似的标号来指代相同或类似的元素。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

当把中继选择的目标设定为要同时考虑上行和下行链路时，上下行链路的变量会耦合在一起，导致优化问题的维度增大，直接求解该问题非常困难，并且其计算方法也会变得十分复杂繁琐，为了能够将该复杂的过程变得具有可实现性，特别是可以将耦合在一起的上下行链路变量尽量分解开来，使分布式的求解变为可能，本发明通过一系列的推导和简化，将该计算过程转换成下面将要描述的方法步骤。

参考图2，图2所示为本发明的用于解码转发中继网络的中继选择方法的一个实施例200的流程图。图2所示的实施例200可以包含如下步骤201至203。

步骤201是构建步骤。

可以根据解码转发中继网络对源端的波束赋形构建上行波束赋形矩阵V。在本发明的一个实施例中，矩阵V可以是KT×M维的复数矩阵，其中，K为所有可选中继的总数，T为每个中继上的天线数，M为所有源端的总数，这样，矩阵V就可以包含有中继网络中的每一个中继对每一个源端的接收波束赋形。在本发明的一个实施例中，矩阵V中的第m列包含有每一个中继对第m个源端的接收波束赋形。

可以根据解码转发中继网络对目的端的波束赋形构建下行波束赋形矩阵U。在本发明的一个实施例中，矩阵U也可以是KT×M维的复数矩阵，这样，矩阵U就可以包含有中继网络中的每一个中继对每一个目的端的发射波束赋形。在本发明的一个实施例中，矩阵U中的第m列包含有每一个中继对第m个目的端的发射波束赋形。

根据上行波束赋形矩阵和下行波束赋形矩阵构建联合波束赋形矩阵W。在本发明的一个实施例中，联合波束赋形矩阵W＝[U,V]。

根据解码转发中继网络的下行信道矩阵、目的端的噪声功率和下行波束赋形矩阵构建第一辅助矩阵F。在本发明的一个实施例中，第一辅助矩阵可以被构建为其中，H为下行信道矩阵，H的上标H表示求共轭转置，H可以包含每一个中继与每一个目的端之间的信道信息，H∈C^KT×M，即：H中的第m列包含有第m个目的端与所有中继之间的信道信息，为目的端的噪声功率，1为M×1维的全1列向量。

根据解码转发中继网络的上行信道矩阵、中继的噪声功率和上行波束赋形矩阵构建第二辅助矩阵Q。在本发明的一个实施例中，第二辅助矩阵可以被构造为其中，G为上行信道矩阵，G的上标H表示求共轭转置，G可以包含每一个中继与每一个源端之间的信道信息，G∈C^KT×M，即：G中的第m列包含有第m个源端与所有中继之间的信道信息，为中继的噪声功率，1为M×1维的全1列向量。

根据中继的总数、中继的天线数目和源端的总数构建第一随机矩阵Z。在本发明的一个实施例中，第一随机矩阵Z可以被构建为Z∈C^KT×2M，即，被构建为一个KT×2M维的复数随机矩阵。

根据源端的总数构建第二随机矩阵Λ和第三随机矩阵Φ。在本发明的一个实施例中，第二随机矩阵Λ∈C^M×(M+1)，第三随机矩阵Φ∈C^M×(M+1)，即，两者均被构建为一个M×(M+1)维的复数随机矩阵。

在本发明的一个实施例中，上述的三个随机矩阵中的每个元素的取值可以在0到1之间均匀分布。

步骤202是迭代步骤:对构建步骤中构建的所有矩阵进行多轮迭代更新，直至最近两轮迭代更新得到的矩阵的差异小于预先设定的门限。

参考图3，图3所示为本发明的步骤202的一个实施例的示意图。在图3所示的实施例中，步骤202可以包含如下子步骤301至309。

子步骤301是初始化步骤：可以按照如下公式对步骤101中构建的矩阵进行初始化

$U\left(0\right)=H,V\left(0\right)=G,W\left(0\right)=\[U\left(0\right),V\left(0\right)\],F\left(0\right)=\[H^{H}U\left(0\right),{\mathrm{\σ}}_d^{2}1\],Q\left(0\right)=\[G^{H}V\left(0\right),{\mathrm{\σ}}_u^{2}1\],$

Ζ(0)＝rand(K*T,2M),Λ(0)＝rand(M,M+1),Φ(0)＝rand(M,M+1),

其中，H为解码转发中继网络与目的端之间的信道，G为解码转发中继网络与源端之间的信道，H和G均为KT×M维的复数矩阵，为目的端的噪声功率，1为M×1维的全1列向量，为中继的噪声功率，rand(K*T,2M)为K×T行、2M列的随机矩阵，K为可选中继的总数，T为中继的天线数，M为源端的总数，rand(M,M+1)为M行、M+1列的随机矩阵。

子步骤302是下行波束赋形矩阵更新步骤，可以根据如下公式对下行波束赋形矩阵U进行更新：

U(l+1)＝[cHH^H+(c+2ε_u)I]^-1[cHF_U(l)+HΛ_U(l)+cW_U(l)+Z_U(l)]

其中，l表示对矩阵进行迭代更新的轮数，c为预先设定的大于零的惩罚性参数，I为单位矩阵，F_U为第一辅助矩阵去掉最后一列的部分所组成的子矩阵，Λ_U为第二随机矩阵中与F_U维度相同的左子矩阵，W_U为联合波束赋形矩阵中与HF_U维度相同的左子矩阵，Z_U为第一随机矩阵中与HF_U维度相同的左子矩阵；

ε_u可以按照如下规则取值：

如果 $Tr\left(U^H\right(l+1\left)U\right(l+1\left)\right){|}_{{\mathrm{\ϵ}}_u=0}\≤{\stackrel{\‾}{p}}_d,$ 则ε_u＝0；否则通过解方程 $Tr\left(U^H\right(l+1\left)U\right(l+1\left)\right)={\stackrel{\‾}{p}}_d$ 求出ε_u。其中，Tr()表示求矩阵的迹，为所有源端到中继的总发射功率上限。

子步骤303是上行波束赋形矩阵更新步骤，可以根据如下公式对上行波束赋形矩阵V进行更新：

V(l+1)＝[cGG^H+(c+2ε_v)I]^-1[cGQ_V(l)+GΦ_V(l)+cW_V(l)+Z_V(l)]

其中，ε_ν按照如下规则取值：

如果 $Tr\left(V^H\right(l+1\left)V\right(l+1\left)\right){|}_{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ν}}=0}\≤{\stackrel{\‾}{p}}_u,$ 则ε_ν＝0；否则通过解方程 $Tr\left(V^H\right(l+1\left)V\right(l+1\left)\right)={\stackrel{\‾}{p}}_u$ 求出ε_ν。其中，为所有中继到目的端的总发射功率上限。

Q_V为第二辅助矩阵去掉最后一列的部分所组成的子矩阵，Φ_V为第二随机矩阵中与Q_V维度相同的左子矩阵，W_V为联合波束赋形矩阵中与GQ_V维度相同的右子矩阵，Z_V为第一随机矩阵中与GQ_V维度相同的右子矩阵。

子步骤304是联合波束赋形矩阵更新步骤，可以通过如下公式对联合波束赋形矩阵W的第k个行块进行更新：

其中，||||_F表示求F范数，[U(l+1),V(l+1)]^k表示矩阵[U(l+1),V(l+1)]的第k个行块，Z^k表示第一随机矩阵的第k个行块，θ_k表示预先设定的第k个中继被选中的权重，δ_k＝(||c[U(l+1),V(l+1)]^k-Z^k(l)||_F-θ_k)^-1c。

子步骤305是第一辅助矩阵更新步骤，可以通过如下公式对第一辅助矩阵F进行更新：

$f_m^m(l+1)=\frac{{\mathrm{cy}}_m^m(l+1)-{\mathrm{\λ}}_m^m\left(l\right)+\sqrt{{\mathrm{\γ}}^{-1}}{\mathrm{\μ}}_m}{c}$

$f_{-m}^m(l+1)=\frac{{\mathrm{cy}}_{-m}^m(l+1)-{\mathrm{\λ}}_{-m}^m\left(l\right)}{c+{\mathrm{\μ}}_m{\mathrm{\ρ}}_m}$

其中，为第一辅助矩阵F的第m行m列的元素值，表示第一辅助矩阵的第m行中除去后的剩余部分，表示矩阵的第m行m列的元素，表示矩阵的第m行中除去后的剩下部分，为第二随机矩阵第m行m列的元素值，为第二随机矩阵第m行中除去后的剩余部分，γ为信干比的中间值，μ_m和ρ_m按照如下规则取值：

当 $\sqrt{{\mathrm{\γ}}^{-1}}\left({\mathrm{cy}}_m^m\right(l+1)-{\mathrm{\λ}}_m^m(l\left)\right)\≥{||{\mathrm{cy}}_{-m}^m(l+1)-{\mathrm{\λ}}_{-m}^m\left(l\right)||}_2$ 时，μ_m＝0；

当 ${||{\mathrm{cy}}_{-m}^m(l+1)-{\mathrm{\λ}}_{-m}^m\left(l\right)||}_2>max\{\sqrt{{\mathrm{\γ}}^{-1}}\left({\mathrm{cy}}_m^m\right(l+1)-{\mathrm{\λ}}_m^m(l\left)\right),-\sqrt{\mathrm{\γ}}\left({\mathrm{cy}}_m^m\right(l+1)-{\mathrm{\λ}}_m^m(l\left)\right)\}$ 时：

${\mathrm{\μ}}_m=\frac{\mathrm{\γ}{||{\mathrm{cy}}_{-m}^m(l+1)-{\mathrm{\λ}}_{-m}^m\left(l\right)||}_2-\sqrt{\mathrm{\γ}}\left({\mathrm{cy}}_m^m\right(l+1)-{\mathrm{\λ}}_m^m(l\left)\right)}{1+\mathrm{\γ}}$

${\mathrm{\ρ}}_m=\frac{c(1+\mathrm{\γ})}{{||{\mathrm{cy}}_{-m}^m(l+1)-{\mathrm{\λ}}_{-m}^m\left(l\right)||}_2+\sqrt{\mathrm{\γ}}\left({\mathrm{cy}}_m^m\right(l+1)-{\mathrm{\λ}}_m^m(l\left)\right)}$

当 ${||{\mathrm{cy}}_{-m}^m(l+1)-{\mathrm{\λ}}_{-m}^m\left(l\right)||}_2\≤-\sqrt{\mathrm{\γ}}\left({\mathrm{cy}}_m^m\right(l+1)-{\mathrm{\λ}}_m^m(l\left)\right)$ 时，f^m＝0。

子步骤306是第二辅助矩阵更新步骤，可以通过如下公式对第二辅助矩阵Q进行更新：

$q_m^m(l+1)=\frac{{\mathrm{cb}}_m^m(l+1)-{\mathrm{\φ}}_m^m\left(l\right)+\sqrt{{\mathrm{\γ}}^{-1}}{\mathrm{\κ}}_m}{c}$

其中，为第二辅助矩阵第m行m列的元素值，表示第二辅助矩阵的第m行中除去后的剩余部分，表示矩阵的第m行m列的元素，表示矩阵的第m行中除去后的剩下部分，为第三随机矩阵第m行m列的元素值，为第三随机矩阵第m行中除去后的剩余部分，γ为信干比的中间值，κ_m和ξ_m按照如下规则取值：

当时，κ_m＝0；

当时：

当时，q^m＝0。

子步骤307是第一随机矩阵更新步骤，可以通过如下公式对第一随机矩阵进行更新：

Z(l+1)＝Z(l)+c(W(l+1)-[U(l+1),V(l+1)])。

子步骤308是第二随机矩阵更新步骤，可以通过如下公式对第二随机矩阵进行更新：

$\mathrm{\Λ}(l+1)=\mathrm{\Λ}\left(l\right)+c\left(F\right(l+1)-\[H^{H}U(l+1),{\mathrm{\σ}}_d^{2}1\]).$

子步骤309是第三随机矩阵更新步骤，可以通过如下公式对第三随机矩阵进行更新：

$\mathrm{\Φ}(l+1)=\mathrm{\Φ}\left(l\right)+c\left(Q\right(l+1)-\[G^{H}V(l+1),{\mathrm{\σ}}_d^{2}1\]).$

需要说明的是，上述的对八个矩阵进行迭代更新的步骤，其执行顺序可以进行一定程度上的交换。具体来说，如果将子步骤302和303视为第一组，将子步骤304、305和306视为第二组，将子步骤307、308和309视为第三组，那么每一组内的子步骤的执行顺序是可以任意交换的，此外，组与组之间的执行顺序也是可以交换的。

子步骤310是差异判断步骤：判断最近两轮迭代更新得到的矩阵的差异是否小于预先设定的门限值，如果是，则结束迭代步骤202并进入步骤203，否则返回下行波束赋形矩阵更新子步骤302。

在本发明的一个实施例中，可以将最近两轮迭代更新得到的八个矩阵进行对应相减，进而判断差值矩阵中的元素的和是否小于预先设定的门限值，如果是，则可以结束迭代步骤202并进入步骤203，否则，可以返回子步骤302并开始对所有八个矩阵的新一轮迭代更新。

在本发明的一个实施例中，还可以设置最大迭代轮数，当达到最大迭代轮数且最近两轮迭代更新得到的矩阵的差异仍大于预先设定的门限值时，可以停止迭代，直接转入203，并将信干比的上限值修改为等于信干比的中间值，即：γ_u＝γ。

步骤203是调整步骤：根据迭代步骤得到的联合波束赋形矩阵的稀疏程度调整信干比的上界值或下界值。

在本发明的一个实施例中，可以通过如下方法来决定是调整信干比的上界值还是下界值：

如果则可以将信干比的下限值修改为等于信干比的中间值，即：γ_l＝γ；否则，可以将信干比的上限值修改为等于信干比的中间值，即：γ_u＝γ。

在本发明的一个实施例中，信干比的下限值的初始值γ_l＝0，信干比的上限值的初始值 ${\mathrm{\γ}}_u={\min }_m\{\frac{{\stackrel{\‾}{p}}_u{||g_m||}_2^2}{{\mathrm{\σ}}_u^2},\frac{{\stackrel{\‾}{p}}_d{||h_m||}_2^2}{{\mathrm{\σ}}_d^2}\}.$

其中，α为预先设定的稀疏度参数，γ_l为信干比的下限值，γ_u为信干比的上限值，g_m为用户m的所有上行信道矢量，h_m为用户m的所有下行信道矢量。

步骤204是选择步骤：当信干比的上界值与下界值的差异小于预先设定的门限时，根据联合波束赋形矩阵中的非零行块的位置选择对应的中继。

在本发明的一个实施例中，可以将经过步骤203调整以后的信干比的上界值与下界值进行比较，当两者的差异小于预先设定的门限时，就可以根据联合波束赋形矩阵中的非零行块的位置选择对应的中继。即：可以选出所有非零的行块，将其对应的中继作为为用户提供服务的中继集合。

在本发明的一个实施例中，当经过步骤203调整以后的信干比的上界值与下界值的差异大于预先设定的门限时，可以返回迭代步骤202。

参考图4，图4所示为本发明的用于解码转发中继网络的中继选择方法的另一个实施例400的流程图。图4所示的实施例400可以包含如下步骤401至405。其中的步骤401至403与上述的步骤201至203类似，这里不再赘述。

步骤404是上行链路优化步骤：根据被选中的中继信息更新上行波束赋形和源端的发射功率。参考图5，图5所示为步骤404的一个实施例，在该实施例中，步骤404可以包含如下子步骤501至503。

子步骤501是上行波束赋形计算步骤：根据被选中的中继信息和上行链路的功率分配值计算上行波束赋形。

在本发明的一个实施例中，可以通过如下公式计算上行波束赋形：

${\hat{v}}_m^{\left(i\right)}={({{\mathrm{\σ}}_u}^{2}I+{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^M{p}_{un}^{(i-1)}{\hat{g}}_n{\hat{g}}_n^H)}^{-1}{\hat{g}}_m$

其中，表示第i轮计算得到的源端m的上行波束赋形，为步骤403选出的中继与源端m之间的信道信息矢量，为第i-1轮计算得到的源端n的发射功率，其预先设定的初始值满足其中，为源端m的发射功率的初始值。

子步骤502是上行功率更新步骤：在上行波束赋形保持不变的情况下，对上行功率分配值和上行信干比进行多轮更新，直至最近两轮更新得到的上行功率分配值的差异小于预先设定的门限。

在本发明的一个实施例中，可以先根据源端的发射功率初始值计算其信干比的初始值，然后根据如下公式对发射功率和信干比进行更新：

对源端m，可以先通过公式计算其发射功率然后可以通过公式 $p_{um}^{\left(j_i\right)}=\frac{{\stackrel{\‾}{p}}_u}{\max \left\{p_{um}^{\left(j_i\right)}\right\}}{p}_{um}^{\left(j_i\right)}$ 调整其发射功率。

对移动台m，其信干比 ${\stackrel{\‾}{SINR}}_{um}^{\left(j_i\right)}=\frac{p_{um}^{\left(j_i\right)}{\hat{v}}_m^{\left(i\right)H}{\hat{g}}_m{\hat{g}}_m^H{\hat{v}}_m^{\left(i\right)}}{{\hat{v}}_m^{\left(i\right)H}({{\mathrm{\σ}}_u}^{2}I+{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^M{p}_{un}^{\left(j_i\right)}{\hat{g}}_n{\hat{g}}_n^H){\hat{v}}_m^{\left(i\right)}}.$

其中，j_i为基于的对发射功率和信干比进行更新的轮数，为第j_i次更新得到的源端m的发射功率，为第j_i次更新得到的源端m的上行信干比。

在本发明的一个实施例中，如果最近两轮更新得到的上行功率分配值的差异大于预先设定的门限，则可以反复执行子步骤502，直至最近两轮更新得到的上行功率分配值的差异小于预先设定的门限。

在子步骤503中，当最近两轮更新得到的上行信干比的最小值的差异小于预先设定的门限时，输出上行波束赋形和上行功率分配值。

比如，第i轮计算得到信干比的最小值第i-1轮计算得到信干比的最小值则当|γ⁽ⁱ⁾-γ^(i-1)|小于预先设定的门限值时，就可以输出第i轮计算得到上行波束赋形和上行功率分配值。

在本发明的一个实施例中，当最近两轮更新得到的上行信干比的最小值的差异大于预先设定的门限时，可以返回上行波束赋形计算子步骤501，并反复执行子步骤501和子步骤502。

步骤405是下行链路优化步骤：根据被选中的中继信息更新下行波束赋形和中继的发射功率。参考图6，图6所示为步骤405的一个实施例，在该实施例中，步骤405可以包含如下子步骤601至603。

子步骤601是下行波束赋形计算步骤：根据被选中的中继信息和下行链路的功率分配值计算下行波束赋形。

在本发明的一个实施例中，可以通过如下公式计算下行波束赋形：

${\hat{u}}_m^{\left(i\right)}={({\mathrm{\σ}}^{2}I+{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^M{p}_{dn}^{(i-1)}{\hat{h}}_n{\hat{h}}_n^H)}^{-1}{\hat{h}}_m$

其中，表示第i轮计算得到的中继对目的端m的下行波束赋形，为步骤403选出的中继与目的端m之间的信道信息矢量，为第i-1轮计算得到的中继对目的端n的发射功率，其预先设定的初始值满足其中，为目的端m的发射功率的初始值。

子步骤602是下行功率更新步骤：在下行波束赋形保持不变的情况下，对下行功率分配值和下行信干比进行多轮更新，直至最近两轮更新得到的下行功率分配值的差异小于预先设定的门限。

在本发明的一个实施例中，可以先根据源端的发射功率初始值计算其信干比的初始值，然后根据如下公式对发射功率和信干比进行更新：

对源端m，可以先通过公式计算其发射功率然后可以通过公式 $p_{dm}^{\left(j_i\right)}=\frac{{\stackrel{\‾}{p}}_d}{\max \left\{p_{dm}^{\left(j_i\right)}\right\}}{p}_{dm}^{\left(j_i\right)}$ 调整其发射功率。

对移动台m，其信干比 ${\stackrel{\‾}{SINR}}_{dm}^{\left(j_i\right)}=\frac{p_{dm}^{\left(j_i\right)}{\hat{u}}_m^{\left(i\right)H}{\hat{h}}_m{\hat{h}}_m^H{\hat{u}}_m^{\left(i\right)}}{{\hat{u}}_m^{\left(i\right)H}({\mathrm{\σ}}^{2}I+{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^M{p}_{dn}^{\left(j_i\right)}{\hat{h}}_n{\hat{h}}_n^H){\hat{u}}_m^{\left(i\right)}}.$

其中，j_i为基于的对发射功率和信干比进行更新的轮数，为第j_i次更新得到的中继对目的端m的发射功率，为第j_i次更新得到的目的端m的信干比。

在本发明的一个实施例中，如果最近两轮更新得到的下行功率分配值的差异大于预先设定的门限，则可以反复执行子步骤602，直至最近两轮更新得到的下行功率分配值的差异小于预先设定的门限。

在子步骤603中，当最近两轮更新得到的下行信干比的最小值的差异小于预先设定的门限时，输出下行波束赋形和下行功率分配值。

比如，第i轮计算得到信干比的最小值第i-1轮计算得到信干比的最小值则当|γ⁽ⁱ⁾-γ^(i-1)|小于预先设定的门限值时，就可以输出第i轮计算得到下行波束赋形和下行功率分配值。

在本发明的一个实施例中，当最近两轮更新得到的下行信干比的最小值的差异大于预先设定的门限时，可以返回下行波束赋形计算子步骤601，并重复执行子步骤601和602。

至此描述了根据本发明实施例的用于解码转发中继网络的中继选择方法，本方法能够在限制所有源端的总发射功率、所有中继的总发射功率和虚拟中继的最大个数的前提下，使得每一个被服务用户的上行链路和下行链路的最小信干比(SINR)最大化。此外，还能对上行发射功率和波束赋形，以及下行发射功率和波束赋形进行优化。

Claims (9)

1.用于解码转发中继网络的中继选择方法，其特征是，包括：

构建步骤：

根据解码转发中继网络对源端的波束赋形构建上行波束赋形矩阵V；

根据解码转发中继网络对目的端的波束赋形构建下行波束赋形矩阵U；

根据所述上行波束赋形矩阵和所述下行波束赋形矩阵构建联合波束赋形矩阵W；

根据解码转发中继网络的下行信道矩阵、目的端的噪声功率和所述下行波束赋形矩阵构建第一辅助矩阵F；

根据解码转发中继网络的上行信道矩阵、中继的噪声功率和所述上行波束赋形矩阵构建第二辅助矩阵Q；

根据中继的总数、中继的天线数目和源端的总数构建第一随机矩阵Z；

根据源端的总数构建第二随机矩阵Λ和第三随机矩阵Φ；

迭代步骤：对所述构建步骤中构建的所有矩阵进行多轮迭代更新，直至最近两轮迭代更新得到的矩阵的差异小于预先设定的门限；

调整步骤：根据所述迭代步骤得到的所述联合波束赋形矩阵的稀疏程度调整信干比的上界值或下界值；以及

选择步骤：当信干比的上界值与下界值的差异小于预先设定的门限时，根据所述联合波束赋形矩阵中的非零行块的位置选择对应的中继。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述迭代步骤进一步包括：

初始化步骤：按照如下公式对所述矩阵进行初始化

$U\left(0\right)=H,V\left(0\right)=G,W\left(0\right)=\[U\left(0\right),V\left(0\right)\],F\left(0\right)=\[H^{H}U\left(0\right),{\mathrm{\σ}}_d^{2}1\],Q\left(0\right)=\[G^{H}V\left(0\right),{\mathrm{\σ}}_u^{2}1\],$

Ζ(0)＝rand(K*T,2M),Λ(0)＝rand(M,M+1),Φ(0)＝rand(M,M+1),

其中，H为解码转发中继网络与目的端之间的信道，G为解码转发中继网络与源端之间的信道，为目的端的噪声功率，1为Mx1维的全1列向量，为中继的噪声功率，rand(K*T,2M)为K*T行、2M列的随机矩阵，K为可选中继的总数，T为中继的天线数，M为源端的总数，rand(M,M+1)为M行、M+1列的随机矩阵；

下行波束赋形矩阵更新步骤：

U(l+1)＝[cHH^H+(c+2ε_u)I]^-1[cHF_U(l)+HΛ_U(l)+cW_U(l)+Z_U(l)]

其中，l表示对矩阵进行迭代更新的轮数，c为预先设定的大于零的惩罚性参数，I为单位矩阵，F_U为第一辅助矩阵去掉最后一列的部分所组成的子矩阵，Λ_U为第二随机矩阵中与F_U维度相同的左子矩阵，W_U为联合波束赋形矩阵中与HF_U维度相同的左子矩阵，Z_U为第一随机矩阵中与HF_U维度相同的左子矩阵；

ε_u按照如下规则取值：

如果则ε_u＝0；Tr()表示求矩阵的迹，为所有中继到目的端的总发射功率上限；否则通过解方程求出ε_u；

上行波束赋形矩阵更新步骤：

V(l+1)＝[cGG^H+(c+2ε_v)I]^-1[cGQ_V(l)+GΦ_V(l)+cW_V(l)+Z_V(l)]

其中，ε_ν按照如下规则取值：

如果则ε_ν＝0；为所有源端到中继到的总发射功率上限；否则通过解方程求出ε_ν；

Q_V为第二辅助矩阵去掉最后一列的部分所组成的子矩阵，Φ_V为第二随机矩阵中与Q_V维度相同的左子矩阵，W_V为联合波束赋形矩阵中与GQ_V维度相同的右子矩阵，Z_V为第一随机矩阵中与GQ_V维度相同的右子矩阵；

联合波束赋形矩阵更新步骤：

根据公式

更新联合波束赋形矩阵的第k个行块；

其中，||||_F表示求F范数，[U(l+1),V(l+1)]^k表示矩阵[U(l+1),V(l+1)]的第k个行块，Z^k表示第一随机矩阵的第k个行块，θ_k表示预先设定的第k个中继被选中的权重，δ_k＝(||c[U(l+1),V(l+1)]^k-Z^k(l)||_F-θ_k)^-1c；

第一辅助矩阵更新步骤：

$f_m^m(l+1)=\frac{{\mathrm{cy}}_m^m(l+1)-{\mathrm{\λ}}_m^m\left(l\right)+\sqrt{{\mathrm{\γ}}^{-1}}{\mathrm{\μ}}_m}{c}$

$f_{-m}^m(l+1)=\frac{{\mathrm{cy}}_{-m}^m(l+1)-{\mathrm{\λ}}_{-m}^m\left(l\right)}{c+{\mathrm{\μ}}_m{\mathrm{\ρ}}_m}$

其中，为第一辅助矩阵第m行m列的元素值，表示第一辅助矩阵的第m行中除去后的剩余部分，表示矩阵的第m行m列的元素，表示矩阵的第m行中除去后的剩下部分，为第二随机矩阵第m行m列的元素值，为第二随机矩阵第m行中除去后的剩余部分，γ为信干比的中间值，μ_m和ρ_m按照如下规则取值：

当 $\sqrt{{\mathrm{\γ}}^{-1}}\left({\mathrm{cy}}_m^m\right(l+1)-{\mathrm{\λ}}_m^m(l\left)\right)\≥{||{\mathrm{cy}}_{-m}^m(l+1)-{\mathrm{\λ}}_{-m}^m\left(l\right)||}_2$ 时，μ_m＝0；

当 ${||{\mathrm{cy}}_{-m}^m(l+1)-{\mathrm{\λ}}_{-m}^m\left(l\right)||}_2>\max \{\sqrt{{\mathrm{\γ}}^{-1}}\left({\mathrm{cy}}_m^m\right(l+1)-{\mathrm{\λ}}_m^m(l\left)\right),-\sqrt{\mathrm{\γ}}\left({\mathrm{cy}}_m^m\right(l+1)-{\mathrm{\λ}}_m^m(l\left)\right)\}$ 时：

${\mathrm{\μ}}_m=\frac{\mathrm{\γ}{||{\mathrm{cy}}_{-m}^m(l+1)-{\mathrm{\λ}}_{-m}^m\left(l\right)||}_2-\sqrt{\mathrm{\γ}}\left({\mathrm{cy}}_m^m\right(l+1)-{\mathrm{\λ}}_m^m(l\left)\right)}{1+\mathrm{\γ}}$

${\mathrm{\ρ}}_m=\frac{c(1+\mathrm{\γ})}{{||{\mathrm{cy}}_{-m}^m(l+1)-{\mathrm{\λ}}_{-m}^m\left(l\right)||}_2+\sqrt{\mathrm{\γ}}\left({\mathrm{cy}}_m^m\right(l+1)-{\mathrm{\λ}}_m^m(l\left)\right)}$

当 ${||{\mathrm{cy}}_{-m}^m(l+1)-{\mathrm{\λ}}_{-m}^m\left(l\right)||}_2\≤-\sqrt{\mathrm{\γ}}\left({\mathrm{cy}}_m^m\right(l+1)-{\mathrm{\λ}}_m^m(l\left)\right)$ 时，直接令f^m＝0；

第二辅助矩阵更新步骤：

$q_m^m(l+1)=\frac{{\mathrm{cb}}_m^m(l+1)-{\mathrm{\φ}}_m^m\left(l\right)+\sqrt{{\mathrm{\γ}}^{-1}}{\mathrm{\κ}}_m}{c}$

其中，为第二辅助矩阵第m行m列的元素值，表示第二辅助矩阵的第m行中除去后的剩余部分，表示矩阵的第m行m列的元素，表示矩阵的第m行中除去后的剩下部分，为第三随机矩阵第m行m列的元素值，为第三随机矩阵第m行中除去后的剩余部分，γ为信干比的中间值，κ_m和ξ_m按照如下规则取值：

当时，κ_m＝0；

当时：

当时，直接令q^m＝0；

第一随机矩阵更新步骤：Z(l+1)＝Z(l)+c(W(l+1)-[U(l+1),V(l+1)])；

第二随机矩阵更新步骤： $\mathrm{\Λ}(l+1)=\mathrm{\Λ}\left(l\right)+c\left(F\right(l+1)-\[H^{H}U(l+1),{\mathrm{\σ}}_d^{2}1\]);$

第三随机矩阵更新步骤： $\mathrm{\Φ}(l+1)=\mathrm{\Φ}\left(l\right)+c\left(Q\right(l+1)-\[G^{H}V(l+1),{\mathrm{\σ}}_d^{2}1\]);$ 以及

差异判断步骤：判断最近两轮迭代更新得到的矩阵的差异是否小于预先设定的门限值，如果是，则结束所述迭代步骤，否则返回所述下行波束赋形矩阵更新步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述调整步骤进一步包括：当时，将信干比的下界值调整为等于信干比的中间值；否则，将信干比的上界值调整为等于信干比的中间值；其中，α为预先设定的稀疏度参数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，还包括：

当信干比的上界值与下界值的差异大于预先设定的门限时，返回所述迭代步骤。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，还包括：

上行链路优化步骤：根据被选中的中继信息更新上行波束赋形和源端的发射功率；以及

下行链路优化步骤：根据被选中的中继信息更新下行波束赋形和中继的发射功率。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述上行链路优化步骤进一步包括：

上行波束赋形计算步骤：根据被选中的中继信息和上行链路的功率分配值计算上行波束赋形；

上行功率更新步骤：在所述上行波束赋形保持不变的情况下，对上行功率分配值和上行信干比进行多轮更新，直至最近两轮更新得到的上行功率分配值的差异小于预先设定的门限；以及

当最近两轮更新得到的上行信干比的最小值的差异小于预先设定的门限时，输出上行波束赋形和上行功率分配值。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，还包括：

当最近两轮更新得到的上行信干比的最小值的差异大于预先设定的门限时，返回所述上行波束赋形计算步骤。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述下行链路优化步骤进一步包括：

下行波束赋形计算步骤：根据被选中的中继信息和下行链路的功率分配值计算下行波束赋形；

下行功率更新步骤：在所述下行波束赋形保持不变的情况下，对下行功率分配值和下行信干比进行多轮更新，直至最近两轮更新得到的下行功率分配值的差异小于预先设定的门限；以及

当最近两轮更新得到的下行信干比的最小值的差异小于预先设定的门限时，输出下行波束赋形和下行功率分配值。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征是，还包括：

当最近两轮更新得到的下行信干比的最小值的差异大于预先设定的门限时，返回所述下行波束赋形计算步骤。