CN107017932A - 一种考虑发射信号畸变的全双工中继波束赋形优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑发射信号畸变的全双工中继波束赋形优化方法，用于存在发射信号畸变的全双工多天线译码转发中继系统，采用迭代优化的方法，优化中继发射端和接收端的波束赋形矢量，从而最大化系统的传输速率。本发明能够有效提高存在发射信号畸变时的系统传输速率，计算复杂度较低，利于工程实现。

Description

一种考虑发射信号畸变的全双工中继波束赋形优化方法
技术领域
本发明涉及中继通信系统，尤其是一种考虑发射信号畸变的全双工多天线中继系统的波束赋形优化方法。
背景技术
无线通信在人们的生活中占有十分重要的位置，近年来，用户数的增长造成了对诸如带宽和能量等通信资源的高需求。根据信息论，信道容量将随收发天线数中的最小值近似线性增长,天线数量越多,频谱效率和可靠性提升越明显。全双工技术使得通信设备不仅能够发送信号，同时也能够接收信号，相比于半双工工作模式极大地提升了传输速率。全双工和多天线的配合使用能够提高频谱的利用效率，从而引起了广泛的兴趣。
常见的多天线中继的工作模式主要为放大转发和译码转发，放大转发模式的中继会把从信源处接收到的信号直接提供增益后传给下一跳，而译码转发模式的中继在接收到信源传输的信号时，会采用某种检测或者是解码的算法，然后对信号进行重新编码再将信号向前传输。两种方法都能减低噪声对系统性能的影响。
由于器件(包括数模转换器、模数转换器、放大器以及振荡器等)的非理想性，多天线中继的发射信号会产生畸变。这种信号畸变已经被硬件测量所证实。忽略畸变信号会减低系统的实际性能，因此需要在优化中考虑信号的畸变。
发明内容
技术问题：针对上述现有技术存在的缺陷，本发明旨在提供一种考虑发射信号畸变的全双工多天线中继系统的波束赋形优化方法，该方法能针对发射信号畸变的情况，通过优化中继接收和发射波束赋形矢量，最大化系统传输速率。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种考虑发射信号畸变的全双工多天线中继波束赋形优化方法，包括如下步骤：
(1)固定中继接收端的波束赋形矢量wr，对中继发射端的波束赋形矢量wt进行优化；
(2)根据优化后的wt，再对wr进行优化，wr的最优解具有闭合形式；
(3)重复以上两个步骤，直至传输速率值收敛。
进一步的，步骤(1)中通过求解如下优化问题得到可行的最大t以及所述中继发射端的波束赋形矢量wt的的最优解：
优化目标为：最大化t
约束条件为：
(1+α)‖wt‖2≤1
其中，t为辅助变量，Pr是中继最大发射功率，Ps是信源最大发射功率，α为发射信号畸变方差相对于发射信号方差的倍率，是中继处加性高斯白噪声的方差，是信宿处加性高斯白噪声的方差，hSR是信源到中继的信道，HRR是中继自干扰信道，hRD是中继到信宿的信道，(·)H表示共轭对称，diag(A)为由矩阵A的对角线元素组成的对角矩阵，‖·‖为矢量的二范数；
进一步的，可以运用二分法快速搜索确定使得问题可行的最大t以及对应wt的最优解。
进一步的，步骤(2)中所述中继接收端的波束赋形矢量wr的最优解为
其中，I表示单位矩阵。
进一步的，步骤(3)中的传输速率值R的计算公式为
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.本发明针对存在发射信号畸变的情况，通过对中继接收和发射波束赋形矢量的迭代优化，最大化系统传输速率。
2.相对于未考虑发射信号畸变的全双工多天线中继以及传统半双工多天线中继传输方案，本发明能够获得显著的速率增益。
3.本发明计算复杂度较低，利于工程实现。
附图说明
图1是本发明的算法流程图。
图2是仿真实验结果图。
具体实施方式
下面通过一个最佳实施例并结合附图对本技术方案进行详细说明。
本发明的典型应用场景为发射信号畸变的全双多天线中继系统，通过对中继的发射端和接收端进行波束赋形的迭代优化，使系统的传输速率达到最优，如图1所示，本发明实施例公开的一种考虑发射信号畸变的全双工中继波束赋形优化方法，具体步骤如下：
(1)固定中继接收端的波束赋形矢量wr，对中继发射端的波束赋形矢量wt进行优化；
本步骤中，中继发射波束赋形矢量wt的确定方法为：
求解如下优化问题：
优化目标为：最大化t
约束条件为：
(1+α)‖wt‖2≤1
其中，t为辅助变量，Pr是中继最大发射功率，Ps是信源最大发射功率，α为发射信号畸变方差相对于发射信号方差的倍率，是中继处加性高斯白噪声的方差，是信宿处加性高斯白噪声的方差，hSR是信源到中继的信道，HRR是中继自干扰信道，hRD是中继到信宿的信道，(·)H表示共轭对称，diag(A)为由矩阵A的对角线元素组成的对角矩阵，‖·‖为矢量的二范数；
可以运用二分法快速搜索确定使得问题可行的最大t以及对应wt的最优解。
(2)根据优化后的wt，再对wr进行优化，wr的最优解具有闭合形式；
其中，wr的最优解的计算公式为
其中，I表示单位矩阵。
(3)重复以上两个步骤，直至传输速率值收敛。其中传输速率值R的计算公式为
为了验证本发明的效果，进行了仿真实验，仿真实验所涉及的参数如下表所示：
表1仿真实验参数表
图2为仿真实验的对比结果，在实际存在信号畸变的情况下，考虑信号畸变的传输方案比不考虑信号畸变的传输方案得到的系统性能更优，全双工工作模式的中继系统比半双工的性能更优。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种考虑发射信号畸变的全双工中继波束赋形优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)固定中继接收端的波束赋形矢量wr，对中继发射端的波束赋形矢量wt进行优化；
(2)根据优化后的wt，再对wr进行优化，wr的最优解具有闭合形式；
(3)重复以上两个步骤，直至传输速率值收敛。
2.根据权利要求1所述的一种考虑发射信号畸变的全双工中继波束赋形优化方法，其特征在于，步骤(1)中通过求解如下优化问题得到可行的最大t以及所述中继发射端的波束赋形矢量wt的最优解：
优化目标为：最大化t
约束条件为：
(1+α)‖wt‖2≤1
其中，t为辅助变量，Pr是中继最大发射功率，Ps是信源最大发射功率，α为发射信号畸变方差相对于发射信号方差的倍率，是中继处加性高斯白噪声的方差，是信宿处加性高斯白噪声的方差，hSR是信源到中继的信道，HRR是中继自干扰信道，hRD是中继到信宿的信道，(·)H表示共轭对称，diag(A)为由矩阵A的对角线元素组成的对角矩阵，‖·‖为矢量的二范数。
3.根据权利要求2所述的一种考虑发射信号畸变的全双工中继波束赋形优化方法，其特征在于，运用二分法快速搜索确定使得问题可行的最大t以及对应wt的最优解。
4.根据权利要求1所述的一种考虑发射信号畸变的全双工中继波束赋形优化方法，其特征在于，步骤(2)中所述中继接收端的波束赋形矢量wr的最优解为
其中，I表示单位矩阵，Pr是中继最大发射功率，α为发射信号畸变方差相对于发射信号方差的倍率，是中继处加性高斯白噪声的方差，hSR是信源到中继的信道，HRR是中继自干扰信道，(·)H表示共轭对称，diag(A)为由矩阵A的对角线元素组成的对角矩阵，‖·‖为矢量的二范数。
5.根据权利要求1所述的一种考虑发射信号畸变的全双工中继波束赋形优化方法，其特征在于，步骤(3)中的传输速率值R的计算公式为
其中，Pr是中继最大发射功率，Ps是信源最大发射功率，α为发射信号畸变方差相对于发射信号方差的倍率，是中继处加性高斯白噪声的方差，是信宿处加性高斯白噪声的方差，hSR是信源到中继的信道，HRR是中继自干扰信道，hRD是中继到信宿的信道，min表示取最小值。
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