CN108540192B - 中断概率约束下的全双工多天线中继发射波束赋形方法 - Google Patents

中断概率约束下的全双工多天线中继发射波束赋形方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108540192B
CN108540192B CN201810336467.1A CN201810336467A CN108540192B CN 108540192 B CN108540192 B CN 108540192B CN 201810336467 A CN201810336467 A CN 201810336467A CN 108540192 B CN108540192 B CN 108540192B
Authority
CN
China
Prior art keywords
relay
matrix
beam forming
variance
channel estimation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810336467.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108540192A (zh
Inventor
沈弘
许威
赵春明
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southeast University
Original Assignee
Southeast University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southeast University filed Critical Southeast University
Priority to CN201810336467.1A priority Critical patent/CN108540192B/zh
Publication of CN108540192A publication Critical patent/CN108540192A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108540192B publication Critical patent/CN108540192B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0613—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission
    • H04B7/0615—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal
    • H04B7/0617—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal for beam forming
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L5/00—Arrangements affording multiple use of the transmission path
    • H04L5/14—Two-way operation using the same type of signal, i.e. duplex
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Abstract

本发明公开一种中断概率约束下的全双工多天线中继发射波束赋形方法，该方法考虑由信道状态信息误差引起的全双工多天线中继系统中断问题，通过优化中继发射端的波束赋形向量，在系统中断概率受限的前提下，最小化中继侧的发射功率。相对于半双工多天线中继，本发明能够显著降低中继发射功率，并且本发明计算复杂度较低，利于工程实现。

Description

中断概率约束下的全双工多天线中继发射波束赋形方法
技术领域
本发明涉及中继通信系统，尤其是一种中断概率约束下，全双工多天线中继发射波束赋形方法。
背景技术
传统的中继站通常采用半双工机制，其特点是在某一时间或者频段内，仅接收来自信源的信号或者向信宿转发信号。虽然半双工中继传输易于硬件实现，但是由于其并未有效利用时频资源，会造成频谱效率的损失。最近，随着射频和基带技术的不断发展和进步，研究者们开始探索全双工机制下的中继传输，即中继站在同一时间和同一频段内完成信号的接收与转发，通过充分挖掘时频资源提升系统传输速率。由于多天线技术能有效利用空域资源获得系统性能增益，因此，将全双工中继与多天线技术结合，势必能够获得可观的系统传输容量。
在实际多天线通信系统中，往往很难获取精确的信道状态信息，从而导致系统中断问题。针对全双工多天线中继系统，有必要考虑中断概率受限前提下的发射波束赋形方案，使得中继侧所需要的发射功率最小化。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的缺陷，本发明旨在提供一种中断概率约束下，全双工多天线中继发射波束赋形方法。该方法能针对非理想信道状态信息的情况，在满足系统中断概率约束的前提下，通过优化中继发射波束赋形向量，最小化中继发射功率。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种中断概率约束下的全双工多天线中继发射波束赋形方法，包括如下步骤：
(1)设置传输速率门限值以及系统允许的中断概率；
(2)根据给定的传输速率门限值以及系统允许的中断概率，以最小化中继的发射功率为目标，优化中断概率受限情况下的中继发射自相关矩阵；所构建的优化问题为：
优化目标为：最小化tr(Wt)
约束条件为：
Figure BDA0001627677000000011
Wt≥0
其中，tr(·)为求矩阵的迹，Pr{·}表示求取概率，log2(·)表示以2为底的对数函数，min{a,b}表示a和b的最小值，(·)H表示共轭转置，
Figure BDA0001627677000000021
是信源到中继信道的估计值，
Figure BDA0001627677000000022
是中继到信宿信道的估计值，esr是信源到中继信道估计误差，
Figure BDA0001627677000000023
是中继到信宿信道估计误差，Err是中继自干扰信道估计误差，esr
Figure BDA0001627677000000024
和Err的元素均为独立同分布高斯随机变量，
Figure BDA0001627677000000025
是中继接收波束赋形向量，Wt是中继发射自相关矩阵，
Figure BDA0001627677000000026
是中继处加性高斯白噪声的方差，
Figure BDA0001627677000000027
是信宿处加性高斯白噪声的方差，γ是传输速率门限值，Po是系统允许的中断概率，A≥0表示A为半正定矩阵；
(3)根据得到的最优中继发射自相关矩阵求解中继发射波束赋形向量。
进一步的，步骤(2)中将构建的原始优化问题转换成如下优化问题进行求解得到中继发射自相关矩阵Wt：
优化目标为：最小化tr(Wt)
约束条件为：
Figure BDA0001627677000000028
Figure BDA0001627677000000029
Figure BDA00016276770000000210
Figure BDA00016276770000000211
Figure BDA00016276770000000212
Wt≥0
其中，(·)T表示转置，||·||为向量的二范数，vec(·)表示矩阵拉直，blkdiag(A,B)表示对角元分别为矩阵A和B的块对角矩阵，
Figure BDA00016276770000000213
表示矩阵A和B的克罗内克积，x，y，
Figure BDA00016276770000000214
和
Figure BDA00016276770000000215
为辅助变量，I表示单位矩阵，
Figure BDA00016276770000000216
是信源到中继信道估计误差的方差，
Figure BDA00016276770000000217
是中继自干扰信道估计误差的方差，
Figure BDA0001627677000000031
是中继到信宿信道估计误差的方差。
在具体的实施方式中，步骤(2)中可采用内点法进行求解所述优化问题。
进一步的，步骤(3)中求解中继发射波束赋形向量的过程如下：
当步骤(2)得到的最优解
Figure BDA0001627677000000032
的秩等于1时，进行特征值分解，将得到的主特征向量与主特征值的根号相乘，即获得中继发射波束赋形向量；否则根据最优解
Figure BDA0001627677000000033
采用高斯随机化方法得到一个秩为1的矩阵，再进行特征值分解，最后将得到的主特征向量与主特征值的根号相乘，即获得中继发射波束赋形向量。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明针对存在信道误差的全双工多天线中继系统，通过对中继发射波束赋形向量进行优化，在满足系统中断概率约束的前提下，最小化中继发射功率。
2、相对于半双工多天线中继，本发明能够显著降低中继发射功率。
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发明进行详细说明。
本发明的典型应用场景为存在信道状态信息误差的全双工多天线中继系统，通过对中继发射波束赋形向量进行优化，在满足系统中断概率约束的前提下，最小化中继发射功率，如图1所示，本发明实施例公开的一种中断概率约束下的全双工多天线中继发射波束赋形方法，具体步骤如下：
(1)根据全双工多天线中继系统的性能要求设置传输速率门限值以及系统允许的中断概率。
(2)根据给定的传输速率门限值以及系统允许的中断概率，以最小化中继的发射功率为目标，优化中断概率受限情况下的中继发射自相关矩阵。
本步骤中，所构建的优化问题描述为：
优化目标为：最小化tr(Wt)
约束条件为：
Figure BDA0001627677000000041
Wt≥0
其中，tr(·)为求矩阵的迹，Pr{·}表示求取概率，log2(·)表示以2为底的对数函数，min{a,b}表示a和b的最小值，(·)H表示共轭转置，
Figure BDA0001627677000000042
是信源到中继信道的估计值，
Figure BDA0001627677000000043
是中继到信宿信道的估计值，esr是信源到中继信道估计误差，
Figure BDA0001627677000000044
是中继到信宿信道估计误差，Err是中继自干扰信道估计误差，esr
Figure BDA0001627677000000045
和Err的元素均为独立同分布高斯随机变量，
Figure BDA0001627677000000046
是中继接收波束赋形向量，Wt是中继发射自相关矩阵，
Figure BDA0001627677000000047
是中继处加性高斯白噪声的方差，
Figure BDA0001627677000000048
是信宿处加性高斯白噪声的方差，γ是传输速率门限值，Po是系统允许的中断概率，A≥0表示A为半正定矩阵。
为便于求解，可将上述构建的原始优化问题进行转换，本例中转换成如下等效的优化问题：
优化目标为：最小化tr(Wt)
约束条件为：
Figure BDA0001627677000000049
Figure BDA00016276770000000410
Figure BDA00016276770000000411
Figure BDA00016276770000000412
Figure BDA00016276770000000413
Wt≥0
其中，(·)T表示转置，||·||为向量的二范数，vec(·)表示矩阵拉直，blkdiag(A,B)表示对角元分别为矩阵A和B的块对角矩阵，
Figure BDA00016276770000000414
表示矩阵A和B的克罗内克积，x，y，
Figure BDA00016276770000000415
和
Figure BDA00016276770000000416
为辅助变量，I表示单位矩阵，
Figure BDA0001627677000000051
是信源到中继信道估计误差的方差，
Figure BDA0001627677000000052
是中继自干扰信道估计误差的方差，
Figure BDA0001627677000000053
是中继到信宿信道估计误差的方差。
上述转换后的优化问题属于凸问题，可以采用内点法进行求解得到中继发射自相关矩阵的最优解。
(3)根据得到的最优的中继发射自相关矩阵求解中继发射波束赋形向量。
本步骤中，中继发射波束赋形向量wt的确定方法为：
当步骤(2)得到的最优解
Figure BDA0001627677000000054
的秩等于1时，进行特征值分解，将得到的主特征向量与主特征值的根号相乘，即获得中继发射波束赋形向量；否则根据最优解
Figure BDA0001627677000000055
采用高斯随机化方法得到一个秩为1的矩阵，再进行特征值分解，最后将得到的主特征向量与主特征值的根号相乘，即获得中继发射波束赋形向量。
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
参数 取值
信源发射天线数 1
中继接收天线数 4
中继发射天线数 4
信宿接收天线数 1
中继处加性高斯白噪声方差 -25dBW
信宿处加性高斯白噪声方差 -20dBW
信源到中继信道估计值方差 -10dB
中继到信宿信道估计值方差 -10dB
中继自干扰信道估计值方差 -6dB
信源到中继信道估计误差方差 -20dB
中继到信宿信道估计误差方差 -20dB
中继自干扰信道估计误差方差 -16dB
信源功率 0dBW
系统允许的中断概率 0.1
图2为仿真实验的对比结果，仿真结果表明：中继发射功率随着传输速率门限值的提高而增加；全双工中继所需发射功率低于传统半双工中继。
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 (3)

1.一种中断概率约束下的全双工多天线中继发射波束赋形方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)设置传输速率门限值以及系统允许的中断概率；
(2)根据给定的传输速率门限值以及系统允许的中断概率，以最小化中继的发射功率为目标，优化中断概率受限情况下的中继发射自相关矩阵；
(3)根据得到的最优中继发射自相关矩阵求解中继发射波束赋形向量；
步骤(2)中通过构建如下优化问题优化中继发射自相关矩阵Wt：
优化目标为：最小化tr(Wt)
约束条件为：
Figure FDA0002727510950000011
Wt≥0
其中，tr(·)为求矩阵的迹，Pr{·}表示求取概率，log2(·)表示以2为底的对数函数，min{a,b}表示a和b的最小值，(·)H表示共轭转置，
Figure FDA0002727510950000012
是信源到中继信道的估计值，
Figure FDA0002727510950000013
是中继到信宿信道的估计值，esr是信源到中继信道估计误差，
Figure FDA0002727510950000014
是中继到信宿信道估计误差，Err是中继自干扰信道估计误差，esr、
Figure FDA0002727510950000015
和Err的元素均为独立同分布高斯随机变量，
Figure FDA0002727510950000016
是中继接收波束赋形向量，Wt是中继发射自相关矩阵，
Figure FDA0002727510950000017
是中继处加性高斯白噪声的方差，
Figure FDA0002727510950000018
是信宿处加性高斯白噪声的方差，γ是传输速率门限值，Po是系统允许的中断概率，A≥0表示A为半正定矩阵；
步骤(2)中将构建的原始优化问题转换成如下优化问题进行求解得到中继发射自相关矩阵Wt：
优化目标为：最小化tr(Wt)
约束条件为：
Figure FDA0002727510950000021
Figure FDA0002727510950000022
Figure FDA0002727510950000023
Figure FDA0002727510950000024
Figure FDA0002727510950000025
Wt≥0
其中，(·)T表示转置，||·||为向量的二范数，vec(·)表示矩阵拉直，blkdiag(A,B)表示对角元分别为矩阵A和B的块对角矩阵，
Figure FDA00027275109500000213
表示矩阵A和B的克罗内克积，x，y，
Figure FDA0002727510950000026
和
Figure FDA0002727510950000027
为辅助变量，I表示单位矩阵，
Figure FDA0002727510950000028
是信源到中继信道估计误差的方差，
Figure FDA0002727510950000029
是中继自干扰信道估计误差的方差，
Figure FDA00027275109500000210
是中继到信宿信道估计误差的方差。
2.根据权利要求1所述的一种中断概率约束下的全双工多天线中继发射波束赋形方法，其特征在于，步骤(2)中采用内点法进行求解转换后的优化问题。
3.根据权利要求1所述的一种中断概率约束下的全双工多天线中继发射波束赋形方法，其特征在于，步骤(3)中求解中继发射波束赋形向量的过程如下：
当步骤(2)得到的最优解
Figure FDA00027275109500000211
的秩等于1时，进行特征值分解，将得到的主特征向量与主特征值的根号相乘，获得中继发射波束赋形向量；否则根据最优解
Figure FDA00027275109500000212
采用高斯随机化方法得到一个秩为1的矩阵，再进行特征值分解，最后将得到的主特征向量与主特征值的根号相乘，获得中继发射波束赋形向量。
CN201810336467.1A 2018-04-13 2018-04-13 中断概率约束下的全双工多天线中继发射波束赋形方法 Active CN108540192B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810336467.1A CN108540192B (zh) 2018-04-13 2018-04-13 中断概率约束下的全双工多天线中继发射波束赋形方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810336467.1A CN108540192B (zh) 2018-04-13 2018-04-13 中断概率约束下的全双工多天线中继发射波束赋形方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108540192A CN108540192A (zh) 2018-09-14
CN108540192B true CN108540192B (zh) 2020-12-11

Family

ID=63480229

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810336467.1A Active CN108540192B (zh) 2018-04-13 2018-04-13 中断概率约束下的全双工多天线中继发射波束赋形方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108540192B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109195215B (zh) * 2018-10-29 2019-12-10 东南大学 全双工译码转发中继系统的能效优化方法
CN110224728A (zh) * 2019-04-30 2019-09-10 中国空间技术研究院 基于中断概率约束的多波束卫星通信系统鲁棒预编码方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102724027A (zh) * 2012-06-15 2012-10-10 西安电子科技大学 全双工协作通信系统中异步空时码编解码系统和方法
CN106992803A (zh) * 2017-05-04 2017-07-28 华侨大学 一种全双工中继系统的人工噪声预编码安全传输方法
CN107248875A (zh) * 2017-05-12 2017-10-13 东南大学 一种基于信噪比的多天线中继系统物理层安全设计方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090116422A1 (en) * 2007-11-02 2009-05-07 Chia-Chin Chong Method and system for opportunistic hybrid relay selection scheme for downlink transmission

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102724027A (zh) * 2012-06-15 2012-10-10 西安电子科技大学 全双工协作通信系统中异步空时码编解码系统和方法
CN106992803A (zh) * 2017-05-04 2017-07-28 华侨大学 一种全双工中继系统的人工噪声预编码安全传输方法
CN107248875A (zh) * 2017-05-12 2017-10-13 东南大学 一种基于信噪比的多天线中继系统物理层安全设计方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"On the Outage Probability of MIMO Full-Duplex Relaying: Impact of Antenna Correlation and Imperfect CSI";Ahmed Almradi等;《IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY》;20160824;第1-9页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN108540192A (zh) 2018-09-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108601088B (zh) 一种基于非正交多址接入的协作通信方法及系统
CN103427874B (zh) 多径环境下大发射功率同时同频自干扰抵消系统及方法
Ikki et al. Performance analysis of adaptive decode-and-forward cooperative diversity networks with best-relay selection
CN106992803B (zh) 一种全双工中继系统的人工噪声预编码安全传输方法
CN101141235B (zh) 一种适用于同频同时隙双工的干扰消除方法
Cheng et al. Two-way full-duplex amplify-and-forward relaying
US10044491B2 (en) Data transmission method for performing full-duplex communications and base station using the same
US9455816B2 (en) Interference cancellation in TDD massive MIMO wireless systems
CN111314935B (zh) 基于noma-mec系统的下行传输时延最小化的方法
CN105656537B (zh) 一种基于认知混合双向中继的波束成形方法
CN110169142A (zh) 上行信号发射功率控制
CN106357377B (zh) 基于分集增益的全双工半双工混合中继实现方法
CN108540192B (zh) 中断概率约束下的全双工多天线中继发射波束赋形方法
CN104837110A (zh) 蜂窝d2d通信系统中基于中断性能提升的传输策略实现方法
CN110299934A (zh) 一种无线携能全双工中继系统的保密传输方法
CN102694628A (zh) 基于多用户mimo协同中继系统的干扰抑制方法
Okandeji et al. Joint transmit power and relay two-way beamforming optimization for energy-harvesting full-duplex communications
CN103906198A (zh) 放大转发协作网络的中继选择与功率分配方法
CN112134656A (zh) 一种基于部分解码转发的d2d-noma协作通信系统
CN109600144B (zh) 自激抵消方法、装置和系统
KR20110110733A (ko) 중계기 및 그의 신호 전달 방법
CN108092928B (zh) 聚合干扰导向干扰管理方法、混合蜂窝网络、无线局域网
CN108880651B (zh) 非理想csi下多天线解码转发中继收发机优化方法
CN110417445B (zh) 网络辅助全双工系统的稀疏波束设计与功率控制方法
CN108882354B (zh) 基于能量效率的双跳全双工中继系统发射功率优化方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant