CN114337744B - 非完美信道状态下的移动中继辅助鲁棒mimo高速通信传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非完美信道状态下的移动中继辅助鲁棒MIMO速通信传输方法，该方法利用移动中继的高速移动特性，将其作为移动中继，快速建立基站与多个用户之间的宽带高速MIMO无线通信链路。基于非完美信道信息，设计了联合MIMO系统鲁棒波束赋形策略和轨迹规划的高速传输方法。在设计MIMO系统鲁棒波束赋形策略和轨迹规划时，系统会根据信道误差和用户通信需求，不断优化设计，从而增大广域覆盖无线通信系统的传输吞吐量。

Description

非完美信道状态下的移动中继辅助鲁棒MIMO高速通信传输 方法

技术领域

本发明涉及基于非完美信道信息的高速MIMO无线通信技术领域，特别是涉及一种非完美信道状态下的移动中继辅助鲁棒MIMO高速通信传输方法。

背景技术

多输入多输出(MIMO)技术可以表现出最大的分集增益改进，特别是对于多用户、远距离的广域通信场景。当用户分在一个较为广阔的区域时，天线阵列的波束方向可以根据用户的地理位置轻松确定，同时与协作多播波束成形合并进一步提升系统的速率。此外，可以通过派遣自主无人设备同时为多个用户提供服务，在这种情况下，即使在稀疏散射场景下，自主无人设备也能通过多用户MIMO技术获得复用增益。

启用多天线自主无人设备辅助的宽带高速MIMO系统需要准确的信道状态信息(CSI)以获得最佳性能，由于自主无人设备和用户的移动性，这实际场景下很难获取完美信道信息。为了提高系统可靠性，需要精心设计为支持基于无人设备的网络量身定制的MIMO技术，以应对存在信道估计误差或者不确定性的MIMO通信场景。然而，目前并没有非完美信道状态下的移动中继辅助鲁棒MIMO高速通信传输方法。如果直接采用传统的完美信道通信方法，将会导致波束无法对准，通信系统性能损失的现象。

目前，现有基于完美信道信息的通信系统存在以下本质上差别：

1、当用户处于移动状态时，难以对准用户，导致性能下降甚至通信中断。

2、当用户远离基站时，会导致衰落和延时增大，无法满足延迟容忍服务要求。

3、未能考虑移动中继辅助的无线通信方法，即利用移动中继作为中继，提供高灵活性的通信服务。

4、未能考虑联合轨迹和波束赋形的策略设计,进一步提升系统通信状态以及通信速率。

因此现有的静态中继无线通信传输方式存在覆盖范围有限、维护成本大、难以适应广域覆盖环境和通信时延长的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种非完美信道状态下的移动中继辅助鲁棒MIMO高速通信传输方法，以解决非完美信道信息下无线通信方案设计。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种非完美信道状态下的移动中继辅助鲁棒MIMO高速通信传输方法，该方法针对实际通信场景下非完美信道信息的通信传输方案设计，基于移动中继(包括无人机、无人船、无人车等)鲁棒MIMO高速通信传输方法，实现多用户场景下的宽带高速MIMO通信服务。

包括如下步骤：

步骤S1、用户向控制中心发送通信需求，所述控制中心接收所述多用户通信需求后整理用户的位置信息和通信信息。随后派遣多天线自主移动设备，将其作为地面基站的中继提供MIMO高速通信服务；

步骤S2、根据S1收到的多用户信息，整理多用户坐标和历史轨迹。采用离散时隙方法，将整个任务周期离散化为若干个长度很短的实习序列，然后计算每个时隙下的用户坐标；

步骤S3、根据S2得到的时隙化用户坐标和信道估计误差模型，建立当前时隙下基于非完美信道信息的MIMO基站到移动中继信道模型，以及移动中继到多用户的信道模型，然后建立非完美信道信息下对应传输模型并计算对应的传输速率；

步骤S4、根据S2得到的时隙化用户信息以及S3得到的无线信号传输模型，建立当前时隙面向多天线多用户的鲁棒波束赋形策略优化问题，然后对该鲁棒波束赋形优化问题的目标函数进行处理后，采用MIMO系统鲁棒波束赋形优化算法迭代求解，得到当前时隙最优的基站鲁棒波束赋形向量和传输功率、自主移动基站鲁棒波束赋形向量以及传输功率，最终迭代求解当前时隙优化问题确定最优的波束方向以及传输功率；

步骤S5、建立基于用于非完美MIMO信道状态下的多天线移动中继的动力学模型。在动力学模型上建立当前时隙多天线移动中继轨迹优化问题，并将当前时隙轨迹优化问题转化为易于求解的形式，最后利用移动中继轨迹优化算法进行迭代求解得当前时隙到移动中继的最优轨迹；

步骤S6、建立当前时隙下的联合非完美信道信息下MIMO系统鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹设计的优化算法，迭代加载步骤S4中的MIMO系统鲁棒波束赋形优化算法和步骤S5中的移动中继轨迹优化算法，直到输出的MIMO系统吞吐量稳定；

步骤S7、基于步骤S6的联合非完美信道信息下MIMO系统鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹设计的优化算法，完成所有时隙的计算，并将所有时隙的结果结合，构成整个任务周期包含鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹的高速传输方法。地面控制中心控制移动中继按照最优的高速传输方法为用户提供宽带高速通信服务。

进一步的，所述用户的相关信息包括：信道估计误差，用户坐标、用户历史运动轨迹以及用户通信需求指标；

进一步的，所述步骤S1具体包括：

步骤S101用户向控制中心发送高速通信需求，所述控制中心接收所述多用户高速通信需求后整理用户的位置信息和通信信息；

步骤S102、地面控制中心收到用户的高速通信需求后，通过数据中心或者全球定位系统或者数据中心获取该用户的相关信息；

步骤S103、随后派遣多天线自主移动设备，将其作为地面基站的移动中继在任务周期范围内持续提供MIMO高速通信服务；

进一步的，所述步骤S2具体包括：

步骤S201、首先建立三维卡迪尔坐标系，包括用以表示地面坐标的横轴x，纵轴y，以及海拔高度z轴。地面基站假设位于原点，坐标表示为z_b＝[0,0,h_b]，其中h_b表示地面基站的天线高度。同时根据用户信息，在坐标系上构建映射用户对应坐标。假设一共有M个用户，且用户在过程中保持静止，第m个用户坐标可以表示为q_s,m＝(x_s,m,y_s,m,h_s,m)，其中x_s,m，y_s,m和h_s,m分别表示第m个用户的横坐标，纵坐标和高度；

步骤S202采用时间离散化的方法，将整个任务周期长度T离散成为N个等间隔长度很短的时隙，时隙长度为δ_t，即T＝Nδ_t。当δ_t取足够小时，所述的多天线移动中继在每一个时隙中即可视为位置恒定。因此，所述移动中继的轨迹即可近似为N个长度的序列其中，x_u[n]，y_u[n]和h_u[n]分别表示第n个时隙下移动中继的横坐标，纵坐标以及高度；

步骤S203、基于步骤S201得到的用户坐标，计算时隙为n时，地面基站到移动中继的通信链路距离以及移动中继到用户m的通信链路距离

进一步的，所述步骤S2具体包括：

步骤S301、基于步骤S203得到的用户坐标，建立面向非完美MIMO信道状态下的移动中继辅助的天线阵列响应。根据用户信息，计算得到基站到移动中继以及移动中继到用户m的天线阵列响应，

其中b为天线单元间距，θ_bu[n]，和θ_us,m[n]分别表示多天线基站到多天线移动中继的到达角、离开角以及多天线移动中继到用户m的离开角。N_b,N_u分别表示基站和移动中继的天线数量；

步骤S302、根据归一化有界性信道建模模型，采用建立非完美信道信息下的基于误差的信道模型。基站到移动中继的信道误差可建模为Δ_bu，移动中继到多用户m的信道误差可以建模为Δ_us,m。对应的信道误差是确定性归一化有界性限制的，即||Δ_bu||≤ε_bu，||Δ_us,m||≤ε_us,m，其中ε_bu，ε_us,m分别为基站到移动中继的信道的有界误差以及移动中继到多用户m的信道的有界误差。

步骤S303、根据步骤S301得到的天线阵列响应和S302得到的有界信道误差，建立非完美信道信息下的带误差的天线阵列响应

步骤S304、建立用于非完美MIMO信道状态下的移动中继辅助的通信信道。具体是以常用的两径信道为例，考虑直达信号和通过地面反射的信号，建立包括距离相关的大尺度以及带误差的天线阵列响应的复合两径信道模型。接着根据基于第n-1个时隙的通信链路距离，分别计算第n个时隙下的地面基站到移动中继的信道H_bu[n]，以及移动中继到用户m的信道h_us,m[n]，表达式为：

其中λ为载波波长，h_b，h_u和h_s,m分别表示基站、移动中继和用户m的天线高度；

步骤S305、基于步骤S304得到的复合信道模型，构建所述面向非完美信道的地面基站到多天线移动中继以及移动中继到多用户的信号传输模型。第n个时隙下的吞吐量为

其中，R_bu[n]表示为地面基站到移动中继在时隙n的信号传输速率，H_bu[n]表示在时隙n时，地面基站到多天线移动中继的考虑了误差的信道，d≤N_b表示传输流数，l表示数据流的序号，w_bu,l[n]表示应用于第l个流的波束赋形向量。R_us，m[n]表示为多天线移动中继到用户m在时隙n的信号传输速率，h_us,m[n]表示在时隙n时，移动中继到用户m考虑了误差信道，w_us,m[n]表示为m用户发送信息的波束赋形向量，分母中表示其他用户产生的干扰；

步骤S306、在步骤S305中得到的信号传输速率由于两径信道的存在，表达式非常复杂。因此我们采用两径信道近似方法简化。具体包括：利用两径信道近似方法简化步骤S305中得到的信号传输速率，得到地面基站到移动中继以及移动中继到用户m在时隙n的近似信号传输速率表达式：

其中

进一步的，所述步骤S4包括：

步骤S401、建立用于非完美MIMO信道状态下的移动中继辅助鲁棒通信方法的波束赋形策略优化问题，具体包括：

首先，建立以最大化M个用户在N个时隙下的总速率为优化目标的波束赋形问题；

然后，建立相关的波束赋形策略优化的约束条件，包括：

地面基站的传输功率小于最大传输基站功率的约束；

移动中继传输总功率小于最大中继功率的约束；

回传约束，即移动中继向用户发送的总速率不能超过基站向移动中继的速率；

用户需求约束，即为用户提供的通信服务需要满足用户提前设定的指标。

步骤S402、将S401建立的波束赋形策略优化问题转化为易于处理的形式，具体包括：

处理非凸的目标函数R_sum，引入辅助变量γ_m,替换每个用户的速率目标函数，同时引入新约束/>该约束通过一阶泰勒展开近似进一步转化为易于求解的凸约束形式，重新建立波束赋形策略优化问题。然后引入半正定矩阵/> 同时利用半正定松弛进一步处理优化问题。

步骤S403、加载波束赋形策略优化算法，具体包括：

首先，输入相关参数，移动中继设定的轨迹以及初始设定的预编码向量；

然后，利用内点法求解步骤S402转化后的波束赋形策略优化问题，得到N个时隙下最优的最优基站波束赋形向量移动中继传输功率/>

最后，利用特征值分解，得到最终的波束赋形向量

进一步的，所述步骤S5体包括：

步骤S501、首先建立所述移动中继辅助的无线系统的动力学模型，具体包括：运动约束和偏转约束，所述运动约束为V_min[n]≤V_u[n]≤V_max[n]，其中，V_u表示移动中继的实际运动速度，V_min表示移动中继的最小失速速度，V_max表示移动中继的最大速度；所述偏转约束为其中，/>表示为最大偏转角，/>表示为转向角；

步骤S502、建立安全避障模型，具体包括：以及其中，q[n]，q_s,m[n]和w_o分别表示第n个时隙下移动中继和用户的二维坐标以及障碍物的二维坐标，/>和/>分别表示障碍物和用户之间最小安全距离；

步骤S503、建立面向宽带高速MIMO通信系统的移动中继的轨迹优化问题，具体包括：建立以最大化M个用户在N个时隙下的总速率为优化目标的波束赋形问题；综合考虑运动约束、安全航行约束，建立移动中继轨迹设计优化问题；

步骤S504、将移动中继轨迹设计优化问题转化为易于求解的形式，具体包括：

首先，处理非凸的目标函数引入辅助变量γ_m,/>替换每个用户的速率目标函数，同时引入新约束/>该约束通过一阶泰勒展开近似进一步转化为易于求解的凸约束形式；

然后，同样采用一阶泰勒展开对步骤S502中建立的运动约束和偏转约束，以及步骤S503中建立的用户之间避免碰撞约束进行近似处理为易于求解的凸形式。

进一步的，所述步骤S6体包括：

步骤S601、建立当前时隙下联合鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹设计的优化算法，具体包括：设定初始鲁棒波束赋形的波束方向参数以及移动中继的初始点和初始轨迹，建立循环加载步骤S4中鲁棒波束赋形策略优化算法和步骤S5中设计的移动中继轨迹算法的联合算法框架；

步骤S602、求解当前时隙下联合鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹设计的优化算法，具体包括：

首先，将设定的初始波束赋形的波束方向参数以及移动中继初始轨迹作为算法输入量，利用步骤S4中设计的鲁棒波束赋形策略优化算法求解第一次迭代下的当前时隙的最优的鲁棒基站发射波束赋形向量以及移动中继的发射波束赋形向量；

然后，将第一次迭代下的鲁棒波束赋形策略作为步骤S5中设计的移动中继轨迹算法的输入参数，求解出当前时隙下的最优移动中继轨迹，并将轨迹作为步骤S4中设计的非完美信道状态下的MIMO系统波束赋形策略优化算法输入量；

紧接着，循环迭代加载步骤S4中波束赋形策略优化算法和步骤S5中移动中继轨迹优化算法，直到算法求解得到的系统吞吐量稳定，输出最终迭代得到的当前时隙下非完美信道状态下的MIMO系统波束赋形策略和移动中继轨迹；

步骤S603、根据步骤S602得到的当前时隙下的最优结果，并在当前时隙中以最优策略前进以及完成通信任务；

进一步的，所述步骤S7包括：

步骤S701、以时隙为单位，加载步骤S601得到的每个时隙下联合鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹设计的优化算法，得到每个时隙下最优的鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹。

步骤S702、结合所有时隙结果后，构成完整的非完美信道状态下的移动中继辅助鲁棒MIMO高速通信传输方法。地面控制中心按照最优的鲁棒波束赋形策略和移动中继服务轨迹控制基站和移动中继为用户提供宽带高速MIMO通信服务。

进一步的，移动中继按如下的方式为用户提供通信服务：

步骤S801、多用户向控制中心发送通信需求，所述控制中心接收所述多用户通信需求后整理用户的位置信息和通信信息。随后派遣多天线自主移动设备，将其作为地面基站的中继提供MIMO高速通信服务；

步骤S802、采用离散时隙方法，将整个任务周期离散化若干个长度很短的实习序列，然后计算每个时隙下的用户坐标。

步骤S803、根据信道估计误差模型，建立当前时隙下基于非完美信道信息的MIMO基站到移动中继信道模型，以及移动中继到多用户的信道模型，然后建立非完美信道信息下对应传输模型并计算对应的传输速率；

步骤S804、建立当前时隙面向多天线多用户的鲁棒波束赋形策略优化问题，然后对该鲁棒波束赋形优化问题的目标函数进行处理后，采用MIMO系统鲁棒波束赋形优化算法迭代求解，得到当前时隙最优的基站鲁棒波束赋形向量和传输功率、自主移动基站鲁棒波束赋形向量以及传输功率，最终迭代求解当前时隙优化问题确定最优的波束方向以及传输功率；

步骤S805、建立基于用于非完美MIMO信道状态下的多天线移动中继的动力学模型。在动力学模型上建立当前时隙多天线移动中继轨迹优化问题，并将当前时隙轨迹优化问题转化为易于求解的形式，最后利用移动中继轨迹优化算法进行迭代求解得当前时隙到移动中继的最优轨迹；

步骤S806、建立当前时隙下的联合非完美信道信息下MIMO系统鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹设计的优化算法，迭代加载步骤S4中的MIMO系统鲁棒波束赋形优化算法和步骤S5中的移动中继轨迹优化算法，直到输出的MIMO系统吞吐量稳定，最终确定包含MIMO系统波束赋性策略和多天线移动中继轨迹设计的当前时隙下最优的用于非完美MIMO信道状态下的多天线移动中继辅助的鲁棒通信方法；

步骤S807、基于步骤S806的联合非完美信道信息下MIMO系统鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹设计的优化算法，完成所有时隙的计算，并将所有时隙的结果结合，构成整个任务周期包含鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹的高速传输方法。地面控制中心控制移动中继按照最优的高速传输方法为用户提供宽带高速通信服务；

进一步的，所述非完美信道状态下的移动中继辅助鲁棒MIMO高速通信传输方法适用于非完美信息场景、鲁棒通信场景、安全通信场景、无线异构网、多用户场景以及未来通信网络。

本发明的有益效果是：

本发明利用移动中继的高速移动特性，将其作为移动中继，快速建立基站与多个用户之间的宽带高速MIMO无线通信链路。基于非完美信道信息，设计了联合MIMO系统鲁棒波束赋形策略和轨迹规划的高速传输方法。在设计MIMO系统鲁棒波束赋形策略和轨迹规划时，系统会根据信道误差和用户通信需求，不断优化设计，从而增大广域覆盖无线通信系统的传输吞吐量。

附图说明

图1为本实施例1中提供的一种非完美信道状态下的移动中继辅助鲁棒MIMO高速通信传输方法的应用场景图。

图2为本实施例1中提供的一种非完美信道状态下的移动中继辅助鲁棒MIMO高速通信传输方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参见图1-图2，本实施例提供一种非完美信道状态下的移动中继辅助鲁棒MIMO高速通信传输方法，以应用到存在信道估计误差的地面远距离无线通信为例介绍本方法，具体如图1所示，地面上部署了一台天线数量为N_b的基站，以及控制信息交互和控制移动基站的地面控制中心。远离基站的地区中有M个广域覆盖船舶用户。为了满足广域覆盖用户的高速无线通信需求，控制中心需要派遣天线数为N_u移动中继来协助陆地基站发送高速通信息给用户。

图2为本发明的实施流程示意图，具体的实施步骤为：

步骤1、用户向地面控制中心发送通信需求，地面控制中心接收通信需求指令，并收集用户的相关信息，该相关信息具体包括：用户信息、通信服务的类型π_s,m、请求时间t_s,m、通信需求数据量Γ_s,m、用户坐标q_s,m以及历史运动轨迹d_s,m；其中，用户信息包括：速度v_s,m、天线高度h_s,m和最大功率

地面控制中心收集用户的相关信息以及排除自主无人设备采用了如下步骤：

步骤101、用户向控制中心发送高速通信需求，所述控制中心接收所述多用户高速通信需求后整理用户的位置信息和通信信息；

步骤102、地面控制中心收到用户的高速通信需求后，通过数据中心或者全球定位系统或者数据中心获取该用户的相关信息；

步骤103、随后派遣多天线自主移动设备，将其作为地面基站的移动中继在任务周期范围内持续提供MIMO高速通信服务；

步骤2、根据步骤1中的相关信息，例如实时的用户坐标q_s,m等，将用户信息时隙化，并计算MIMO系统的通信链路距离。

信息时隙化和距离计算采用了如下步骤：

步骤201、首先建立三维卡迪尔坐标系，包括用以表示地面坐标的横轴x，纵轴y，以及海拔高度z轴。地面基站假设位于原点，坐标表示为z_b＝[0,0,h_b]，其中h_b表示地面基站的天线高度。同时根据用户信息，在坐标系上构建映射用户对应坐标。假设一共有M个用户，且用户在过程中保持静止，第m个用户坐标可以表示为q_s,m＝(x_s,m,y_s,m,h_s,m)；

步骤202、采用时间离散化的方法，将整个任务周期长度T离散成为N个等间隔长度很短的时隙，时隙长度为δ_t，即T＝Nδ_t。当δ_t取足够小时，所述的多天线移动中继在每一个时隙中即可视为位置恒定。因此，所述移动中继的轨迹即可近似为N个长度的序列其中，x_u[n]，y_u[n]和h_u[n]分别表示第n个时隙下移动中继的横坐标，纵坐标以及高度；

步骤203、基于步骤S201得到的用户坐标，计算时隙为n时，地面基站到移动中继的通信链路距离以及移动中继到用户m的通信链路距离

步骤3、根据步骤2得到的时隙化用户坐标以及信道估计误差，建立当前时隙下的信道模型和传输速率。

具体的说，在本实施中，步骤3具体包括：

步骤301、基于步骤203得到的用户坐标，建立所述面向非完美MIMO信道状态下的移动中继辅助的天线阵列响应。根据用户信息，计算得到基站到移动中继以及移动中继到用户m的天线阵列响应，

其中b为天线单元间距，θ_bu[n]，和θ_us,m[n]分别表示多天线基站到多天线移动中继的到达角、离开角以及多天线移动中继到用户m的离开角。N_b,N_u分别表示基站和移动中继的天线数量；

步骤302、根据归一化有界性信道建模模型，采用建立非完美信道信息下的基于误差的信道模型。基站到移动中继的信道误差可以建模为Δ_bu，移动中继到多用户m的信道误差可以建模为Δ_us,m。对应的信道误差是确定性归一化有界性限制的，即||Δ_bu||≤ε_bu，||Δ_us,m||≤ε_us,m，其中ε_bu，ε_us,m分别为基站到移动中继的信道的有界误差以及移动中继到多用户m的信道的有界误差。

步骤303、根据步骤301得到的天线阵列响应和302得到的有界信道误差，建立非完美信道信息下的带误差的天线阵列响应

步骤304、建立用于非完美MIMO信道状态下的移动中继辅助的通信信道。具体是以常用的两径信道为例，考虑直达信号和通过地面反射的信号，建立包括距离相关的大尺度以及带误差的天线阵列响应的复合两径信道模型。接着根据基于第n-1个时隙的通信链路距离，分别计算第n个时隙下的地面基站到移动中继的信道H_bu[n]，以及移动中继到用户m的信道h_us,m[n]，表达式为：

其中λ为载波波长，h_b，h_u和h_s,m分别表示基站、移动中继和用户m的天线高度；

步骤305、基于步骤304得到的复合信道模型，构建面向非完美信道的地面基站到多天线移动中继以及移动中继到多用户的信号传输模型。第n个时隙下的吞吐量为

其中，R_bu[n]表示为地面基站到移动中继在时隙n的信号传输速率，H_bu[n]表示在时隙n时，地面基站到多天线移动中继的考虑了误差的信道，d≤N_b表示传输流数，l表示数据流的序号w_bu,l[n]表示应用于第l个流的波束赋形向量。R_us，m[n]表示为多天线移动中继到用户m在时隙n的信号传输速率，h_us,m[n]表示在时隙n时，移动中继到用户m考虑了误差信道，w_us,m[n]表示为m用户发送信息加的波束赋形向量，分母中表示其他用户产生的干扰；

步骤306、在步骤305中得到的信号传输速率由于两径信道的存在，表达式非常复杂。因此我们采用两径信道近似方法简化。具体包括：利用两径信道近似方法简化骤305中得到的信号传输速率，得到地面基站到移动中继以及移动中继到用户m在时隙n的近似信号传输速率表达式：

其中

步骤4、根据S3得到的无线信号传输模型和速率表达式，建立当前时隙面向多天线多用户的鲁棒波束赋形策略优化问题，然后对该鲁棒波束赋形优化问题的目标函数进行处理后，采用MIMO系统鲁棒波束赋形优化算法迭代求解，得到当前时隙最优的基站鲁棒波束赋形向量；

具体的说，在本实施例中步骤4包括：

步骤401、建立用于非完美MIMO信道状态下的移动中继辅助鲁棒通信方法的波束赋形策略优化问题，具体包括：

首先，建立以最大化M个用户在N个时隙下的总速率为优化目标的波束赋形问题；

然后，建立相关的波束赋形策略优化的约束条件，包括：

地面基站的传输功率小于最大传输基站功率的约束；

移动中继传输总功率小于最大中继功率的约束；

回传约束，即移动中继向用户发送的总速率不能超过基站向移动中继的速率；

用户需求约束，即为用户提供的通信服务需要满足用户提前设定的指标。

步骤402、将401建立的波束赋形策略优化问题转化为易于处理的形式，具体包括：

处理非凸的目标函数R_sum，引入辅助变量γ_m,替换每个用户的速率目标函数，同时引入新约束/>该约束通过一阶泰勒展开近似进一步转化为易于求解的凸约束形式，重新建立波束赋形策略优化问题。然后引入半正定矩阵 同时利用半正定松弛进一步处理优化问题。

步骤403、加载波束赋形策略优化算法，具体包括：

首先，输入相关参数，移动中继设定的轨迹以及初始设定的预编码向量；

然后，利用内点法求解步骤402转化后的波束赋形策略优化问题，得到N个时隙下最优的最优基站波束赋形向量移动中继传输功率/>

最后，利用特征值分解，得到最终的波束赋形向量

步骤5、建立基于用于非完美MIMO信道状态下的多天线移动中继的动力学模型。在动力学模型上建立当前时隙多天线移动中继轨迹优化问题，并将当前时隙轨迹优化问题转化为易于求解的形式，最后利用移动中继轨迹优化算法进行迭代求解得当前时隙到移动中继的最优轨迹；

具体的说，在本实施中，步骤5具体包括：

步骤501、首先建立所述移动中继辅助的无线系统的动力学模型，具体包括：运动约束和偏转约束，所述运动约束为V_min[n]≤V_u[n]≤V_max[n]，其中，V_u表示移动中继的实际运动速度，V_min表示移动中继的最小失速速度，V_max表示移动中继的最大速度；所述偏转约束为其中，/>表示为最大偏转角，/>表示为转向角；

步骤502、建立安全避障模型，具体包括：以及/>其中，q[n]，q_s,m[n]和w_o分别表示第n个时隙下移动中继和用户的二维坐标以及障碍物的二维坐标，/>和/>分别表示障碍物和用户之间最小安全距离；

步骤503、建立面向宽带高速MIMO通信系统的移动中继的轨迹优化问题，具体包括：建立以最大化M个用户在N个时隙下的总速率为优化目标的波束赋形问题；综合考虑运动约束、安全航行约束，建立移动中继轨迹设计优化问题；

步骤504、将移动中继轨迹设计优化问题转化为易于求解的形式，具体包括：

首先，处理非凸的目标函数引入辅助变量γ_m,/>替换每个用户的速率目标函数，同时引入新约束/>该约束通过一阶泰勒展开近似进一步转化为易于求解的凸约束形式；

然后，同样采用一阶泰勒展开对步骤502中建立的运动约束和偏转约束，以及步骤S503中建立的用户之间避免碰撞约束进行近似处理为易于求解的凸形式。

步骤6、建立当前时隙下的联合非完美信道信息下MIMO系统鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹设计的优化算法，迭代加载联合优化算法，直到输出的MIMO系统吞吐量稳定，最终确定用于非完美MIMO信道状态下的多天线移动中继辅助的鲁棒通信方法。

具体的说，在本实施中，步骤6具体包括：

步骤601、建立当前时隙下联合鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹设计的优化算法，具体包括：设定初始鲁棒波束赋形的波束方向参数以及移动中继的初始点和初始轨迹，建立循环加载步骤S4中鲁棒波束赋形策略优化算法和步骤S5中设计的移动中继轨迹算法的联合算法框架；

步骤602、求解当前时隙下联合鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹设计的优化算法，具体包括：

首先，将设定的初始波束赋形的波束方向参数以及移动中继初始轨迹作为算法输入量，利用步骤S4中设计的鲁棒波束赋形策略优化算法求解第一次迭代下的当前时隙的最优的鲁棒基站发射波束赋形向量以及移动中继的发射波束赋形向量。

然后，将第一次迭代下的鲁棒波束赋形策略作为步骤S5中设计的移动中继轨迹算法的输入参数，求解出当前时隙下的最优移动中继轨迹，并将轨迹作为步骤S4中设计的非完美信道状态下的MIMO系统波束赋形策略优化算法输入量；

紧接着，循环迭代加载步骤S4中波束赋形策略优化算法和步骤S5中移动中继轨迹优化算法，直到算法求解得到的系统吞吐量稳定，输出最终迭代得到的当前时隙下非完美信道状态下的MIMO系统波束赋形策略和移动中继轨迹；

步骤603、根据步骤602得到的当前时隙下的最优结果，并在当前时隙中以最优策略前进以及完成通信任务。

步骤7、于步骤S6的联合鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹设计的优化算法，完成所有时隙的计算，并将所有时隙的结果结合，构成覆盖整个任务高速传输方法。地面控制中心控制移动中继按照最优的高速传输方法为用户提供宽带高速通信服务；

具体的说，在本实施中，步骤7具体包括：

步骤701、以时隙为单位，加载步骤601得到的每个时隙下联合鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹设计的优化算法，得到每个时隙下最优的鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹。

步骤702、结合所有时隙结果后，构成完整的非完美信道状态下的移动中继辅助鲁棒MIMO高速通信传输方法。地面控制中心按照最优的鲁棒波束赋形策略和移动中继服务轨迹控制基站和移动中继为用户提供宽带高速MIMO通信服务。

步骤8、所述一种非完美信道状态下的移动中继辅助鲁棒MIMO高速通信传输方法，移动中继按如移动中继按如下的方式完成通信任务：

步骤S801、多用户向控制中心发送通信需求，所述控制中心接收所述多用户通信需求后整理用户的位置信息和通信信息。随后派遣多天线自主移动设备，将其作为地面基站的中继提供MIMO高速通信服务；

步骤802、采用离散时隙方法，将整个任务周期离散化若干个长度很短的实习序列，然后计算每个时隙下的用户坐标。

步骤803、根据信道估计误差模型，建立当前时隙下基于非完美信道信息的MIMO基站到移动中继信道模型，以及移动中继到多用户的信道模型，然后建立非完美信道信息下对应传输模型并计算对应的传输速率；

步骤804、建立当前时隙面向多天线多用户的鲁棒波束赋形策略优化问题，然后对该鲁棒波束赋形优化问题的目标函数进行处理后，采用MIMO系统鲁棒波束赋形优化算法迭代求解，得到当前时隙最优的基站鲁棒波束赋形向量和传输功率、自主移动基站鲁棒波束赋形向量以及传输功率，最终迭代求解当前时隙优化问题确定最优的波束方向以及传输功率；

步骤S805、建立基于用于非完美MIMO信道状态下的多天线移动中继的动力学模型。在动力学模型上建立当前时隙多天线移动中继轨迹优化问题，并将当前时隙轨迹优化问题转化为易于求解的形式，最后利用移动中继轨迹优化算法进行迭代求解得当前时隙到移动中继的最优轨迹；

步骤806、建立当前时隙下的联合非完美信道信息下MIMO系统鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹设计的优化算法，迭代加载步骤4中的MIMO系统鲁棒波束赋形优化算法和步骤5中的移动中继轨迹优化算法，直到输出的MIMO系统吞吐量稳定，最终确定包含MIMO系统波束赋性策略和多天线移动中继轨迹设计的当前时隙下最优的用于非完美MIMO信道状态下的多天线移动中继辅助的鲁棒通信方法；

步骤807、基于步骤806的联合非完美信道信息下MIMO系统鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹设计的优化算法，完成所有时隙的计算，并将所有时隙的结果结合，构成整个任务周期包含鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹的高速传输方法。地面控制中心控制移动中继按照最优的高速传输方法为用户提供宽带高速通信服务；

综上所述，本发明能够有效应用于存在信道估计误差的高速MIMO无线通信场景，利用了移动中继的高速移动和快速部署的特点，高效建立基站与用户之间高速MIMO通信链路。同时考虑到获取完整的先验信息在实际应用中非常困难，将正周期的问题时隙化，分解成以单时隙为单位多个问题。基于非完美信道信息，设计了MIMO系统鲁棒波束赋形策略和轨迹规划的通信传输方法。在设计MIMO系统苦逼波束赋形策略和轨迹规划时，系统会根据通信速率和用户通信需求，不断优化设计，从而提升广域覆盖无线通信系统的传输吞吐量。

在实施例1中只是以一种应用在非完美信道信息场景的移动中继(无人机)辅助的鲁棒通信场景进行举例详细说明移动中继也同样包括无人机、无人车等一系列无人控制的移动设施，用于空中、高速公路等场景的广域覆盖通信，对此并不做限定，本发明提供的非完美信道状态下的移动中继辅助鲁棒MIMO高速通信传输方法适用于非完美信信息场景、鲁棒通信场景、安全通信场景、无线异构网、多用户场景以及未来通信网络。

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种非完美信道状态下的移动中继辅助鲁棒MIMO高速通信传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、用户向地面控制中心发送通信需求，所述地面控制中心接收多用户通信需求后整理用户的位置信息和通信信息；随后派遣多天线自主移动设备，将其作为地面基站的中继提供MIMO高速通信服务；所述用户的位置信息和通信信息包括：用户分组，用户历史轨迹，用户当前坐标，用户需求，以及任务周期长度；

步骤S2、根据S1收到的多用户信息，整理多用户坐标和历史轨迹；采用离散时隙方法，将整个任务周期离散化为若干个长度很短的实习序列，然后计算每个时隙下的用户坐标；

步骤S3、根据S2得到的时隙化用户坐标和信道估计误差模型，建立当前时隙下基于非完美信道信息的MIMO基站到移动中继信道模型，以及移动中继到多用户的信道模型，然后建立非完美信道信息下对应传输模型并计算对应的传输速率；

步骤S4、根据S2得到的时隙化用户信息以及S3得到的无线信号传输模型，建立当前时隙面向多天线多用户的鲁棒波束赋形策略优化问题，然后对该鲁棒波束赋形优化问题的目标函数进行处理后，采用MIMO系统鲁棒波束赋形优化算法迭代求解，得到当前时隙最优的基站鲁棒波束赋形向量和传输功率、自主移动基站鲁棒波束赋形向量以及传输功率，最终迭代求解当前时隙优化问题确定最优的波束方向以及传输功率；

步骤S5、建立基于用于非完美MIMO信道状态下的多天线移动中继的动力学模型；在动力学模型上建立当前时隙多天线移动中继轨迹优化问题，并将当前时隙轨迹优化问题转化为易于求解的形式，最后利用移动中继轨迹优化算法进行迭代求解得当前时隙到移动中继的最优轨迹；

步骤S6、建立当前时隙下的联合非完美信道信息下MIMO系统鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹设计的优化算法，迭代加载步骤S4中的MIMO系统鲁棒波束赋形优化算法和步骤S5中的移动中继轨迹优化算法，直到输出的MIMO系统吞吐量稳定，最终确定包含MIMO系统波束赋性策略和多天线移动中继轨迹设计的当前时隙下最优的用于非完美MIMO信道状态下的多天线移动中继辅助的鲁棒通信方法，并根据该方法向用户持续提供高速通信服务；

步骤S7、基于步骤S6的联合非完美信道信息下MIMO系统鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹设计的优化算法，完成所有时隙的计算，并将所有时隙的结果结合，构成整个任务周期包含鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹的高速传输方法；地面控制中心控制移动中继按照最优的高速传输方法为用户提供宽带高速通信服务；

所述步骤S2具体包括：

步骤S201、首先建立三维卡迪尔坐标系，包括用以表示地面坐标的横轴x，纵轴y，以及海拔高度z轴；地面基站假设位于原点，坐标表示为z_b＝[0,0,h_b]，其中h_b表示地面基站的天线高度；同时根据用户信息，在坐标系上构建映射用户对应坐标；假设一共有M个用户，且用户在过程中保持静止，第m个用户坐标表示为q_s,m＝(x_s,m,y_s,m,h_s,m)；

步骤S202、采用时间离散化的方法，将整个任务周期长度T离散成为N个等间隔长度很短的时隙，时隙长度为δ_t，即T＝Nδ_t；当δ_t取足够小时，多天线移动中继在每一个时隙中即可视为位置恒定；因此，移动中继的轨迹即可近似为N个长度的序列其中，x_u[n]，y_u[n]和h_u[n]分别表示第n个时隙下移动中继的横坐标，纵坐标以及高度；

步骤S203、基于步骤S201得到的用户坐标，计算时隙为n时，地面基站到移动中继的通信链路距离以及移动中继到用户m的通信链路距离

所述步骤S3具体包括：

步骤S301、基于步骤S203得到的用户坐标，建立面向非完美MIMO信道状态下的移动中继辅助的天线阵列响应；根据用户信息，计算得到基站到移动中继以及移动中继到用户m的天线阵列响应，

其中b为天线单元间距，θ_bu[n]，和θ_us,m[n]分别表示多天线基站到多天线移动中继的到达角、离开角以及多天线移动中继到用户m的离开角；N_b，N_u分别表示基站和移动中继的天线数量；

步骤S302、根据归一化有界性信道建模模型，采用建立非完美信道信息下的基于误差的信道模型；基站到移动中继的信道误差可建模为Δ_bu，移动中继到多用户m的信道误差可建模为Δ_us,m；对应的信道误差是确定性归一化有界性限制的，即||Δ_bu||≤ε_bu，||Δ_us,m||≤ε_us,m，其中ε_bu，ε_us,m分别为基站到移动中继的信道的有界误差以及移动中继到多用户m的信道的有界误差；

步骤S303、根据步骤S301得到的天线阵列响应和S302得到的有界信道误差，建立非完美信道信息下的带误差的天线阵列响应

步骤S304、建立用于非完美MIMO信道状态下的移动中继辅助的通信信道；接着根据基于第n-1个时隙的通信链路距离，分别计算第n个时隙下的地面基站到移动中继的信道H_bu[n]，以及移动中继到用户m的信道h_us,m[n]，表达式为：

其中λ为载波波长，h_b，h_u和h_s,m分别表示基站、移动中继和用户m的天线高度；

步骤S305、基于步骤S304得到的复合信道模型，构建面向非完美信道的地面基站到多天线移动中继以及移动中继到多用户的信号传输模型；第n个时隙下的吞吐量为

其中，R_bu[n]表示为地面基站到移动中继在时隙n的信号传输速率，H_bu[n]表示在时隙n时，地面基站到多天线移动中继的考虑了误差的信道，d≤N_b表示传输流数，l表示数据流的序号，w_bu,l[n]表示应用于第l个流的波束赋形向量；R_us，m[n]表示为多天线移动中继到用户m在时隙n的信号传输速率，h_us,m[n]表示在时隙n时，移动中继到用户m考虑了误差信道，w_us,m[n]表示为m用户发送信息的波束赋形向量，分母中表示其他用户产生的干扰；

所述步骤S304中具体是以常用的两径信道为例，考虑直达信号和通过地面反射的信号，建立包括距离相关的大尺度以及带误差的天线阵列响应的复合两径信道模型；

所述方法还包括步骤S306、采用两径信道近似方法简化，具体包括：利用两径信道近似方法简化步骤S305中得到的信号传输速率，得到地面基站到移动中继以及移动中继到用户m在时隙n的近似信号传输速率表达式：

其中

2.根据权利要求1所述的一种非完美信道状态下的移动中继辅助鲁棒MIMO高速通信传输方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

步骤S401、建立用于非完美MIMO信道状态下的移动中继辅助鲁棒通信方法的波束赋形策略优化问题，具体包括：

首先，建立以最大化M个用户在N个时隙下的总速率为优化目标的波束赋形问题；

然后，建立相关的波束赋形策略优化的约束条件，包括：

地面基站的传输功率小于最大传输基站功率的约束；

移动中继传输总功率小于最大中继功率的约束；

回传约束，即移动中继向用户发送的总速率不能超过基站向移动中继的速率；

用户需求约束，即为用户提供的通信服务需要满足用户提前设定的指标；

步骤S402、将S401建立的波束赋形策略优化问题转化为易于处理的形式，具体包括：

处理非凸的目标函数R_sum，引入辅助变量替换每个用户的速率目标函数，同时引入新约束/>该约束通过一阶泰勒展开近似进一步转化为易于求解的凸约束形式，重新建立波束赋形策略优化问题；然后引入半正定矩阵/> 同时利用半正定松弛进一步处理优化问题；

步骤S403、加载波束赋形策略优化算法，具体包括：

首先，输入相关参数，移动中继设定的轨迹以及初始设定的预编码向量；

然后，利用内点法求解步骤S402转化后的波束赋形策略优化问题，得到N个时隙下最优的最优基站波束赋形向量移动中继传输功率/>

最后，利用特征值分解，得到最终的波束赋形向量

3.根据权利要求1所述的一种非完美信道状态下的移动中继辅助鲁棒MIMO高速通信传输方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：

步骤S501、首先建立所述移动中继辅助的无线系统的动力学模型，具体包括：运动约束和偏转约束，所述运动约束为V_min[n]≤V_u[n]≤V_max[n]，其中，V_u表示移动中继的实际运动速度，V_min表示移动中继的最小失速速度，V_max表示移动中继的最大速度；所述偏转约束为其中，/>表示为最大偏转角，/>表示为转向角；

步骤S502、建立安全避障模型，具体包括：以及/>其中，q[n]，q_s,m[n]和w_o分别表示第n个时隙下移动中继和用户的二维坐标以及障碍物的二维坐标，/>和/>分别表示障碍物和用户之间最小安全距离；

步骤S503、建立面向宽带高速MIMO通信系统的移动中继的轨迹优化问题，具体包括：建立以最大化M个用户在N个时隙下的总速率为优化目标的波束赋形问题；综合考虑运动约束、安全航行约束，建立移动中继轨迹设计优化问题；

步骤S504、将移动中继轨迹设计优化问题转化为易于求解的形式，具体包括：

首先，处理非凸的目标函数引入辅助变量/>替换每个用户的速率目标函数，同时引入新约束/>该约束通过一阶泰勒展开近似进一步转化为易于求解的凸约束形式；

然后，同样采用一阶泰勒展开对步骤S502中建立的运动约束和偏转约束，以及步骤S503中建立的用户之间避免碰撞约束进行近似处理为易于求解的凸形式。

4.根据权利要求1所述的一种非完美信道状态下的移动中继辅助鲁棒MIMO高速通信传输方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括：

步骤S601、建立当前时隙下联合鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹设计的优化算法，具体包括：设定初始鲁棒波束赋形的波束方向参数以及移动中继的初始点和初始轨迹，建立循环加载步骤S4中鲁棒波束赋形策略优化算法和步骤S5中设计的移动中继轨迹算法的联合算法框架；

步骤S602、求解当前时隙下联合鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹设计的优化算法，具体包括：

首先，将设定的初始波束赋形的波束方向参数以及移动中继初始轨迹作为算法输入量，利用步骤S4中设计的鲁棒波束赋形策略优化算法求解第一次迭代下的当前时隙的最优的鲁棒基站发射波束赋形向量以及移动中继的发射波束赋形向量；

然后，将第一次迭代下的鲁棒波束赋形策略作为步骤S5中设计的移动中继轨迹算法的输入参数，求解出当前时隙下的最优移动中继轨迹，并将轨迹作为步骤S4中设计的非完美信道状态下的MIMO系统波束赋形策略优化算法输入量；

紧接着，循环迭代加载步骤S4中波束赋形策略优化算法和步骤S5中移动中继轨迹优化算法，直到算法求解得到的系统吞吐量稳定，输出最终迭代得到的当前时隙下非完美信道状态下的MIMO系统波束赋形策略和移动中继轨迹；

步骤S603、根据步骤S602得到的当前时隙下的最优结果，并在当前时隙中以最优策略前进以及完成通信任务。

5.根据权利要求1所述的一种非完美信道状态下的移动中继辅助鲁棒MIMO高速通信传输方法，其特征在于，所述步骤S7具体包括：

步骤S701、以时隙为单位，加载步骤S601得到的每个时隙下联合鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹设计的优化算法，得到每个时隙下最优的鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹；

步骤S702、结合所有时隙结果后，构成完整的非完美信道状态下的移动中继辅助鲁棒MIMO高速通信传输方法；地面控制中心按照最优的鲁棒波束赋形策略和移动中继服务轨迹控制基站和移动中继为用户提供宽带高速MIMO通信服务。

6.根据权利要求5所述的一种非完美信道状态下的移动中继辅助鲁棒MIMO高速通信传输方法，其特征在于，移动中继按如下的方式为用户提供宽带高速MIMO通信服务：

步骤S801、多用户向控制中心发送通信需求，所述控制中心接收多用户通信需求后整理用户的位置信息和通信信息；随后派遣多天线自主移动设备，将其作为地面基站的中继提供MIMO高速通信服务；

步骤S802、采用离散时隙方法，将整个任务周期离散化为若干个长度很短的实习序列，然后计算每个时隙下的用户坐标；

步骤S803、根据信道估计误差模型，建立当前时隙下基于非完美信道信息的MIMO基站到移动中继信道模型，以及移动中继到多用户的信道模型，然后建立非完美信道信息下对应传输模型并计算对应的传输速率；

步骤S804、建立当前时隙面向多天线多用户的鲁棒波束赋形策略优化问题，然后对该鲁棒波束赋形优化问题的目标函数进行处理后，采用MIMO系统鲁棒波束赋形优化算法迭代求解，得到当前时隙最优的基站鲁棒波束赋形向量和传输功率、自主移动基站鲁棒波束赋形向量以及传输功率，最终迭代求解当前时隙优化问题确定最优的波束方向以及传输功率；

步骤S805、建立基于用于非完美MIMO信道状态下的多天线移动中继的动力学模型；在动力学模型上建立当前时隙多天线移动中继轨迹优化问题，并将当前时隙轨迹优化问题转化为易于求解的形式，最后利用移动中继轨迹优化算法进行迭代求解得当前时隙到移动中继的最优轨迹；

步骤S806、建立当前时隙下的联合非完美信道信息下MIMO系统鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹设计的优化算法，迭代加载步骤S4中的MIMO系统鲁棒波束赋形优化算法和步骤S5中的移动中继轨迹优化算法，直到输出的MIMO系统吞吐量稳定，最终确定包含MIMO系统波束赋性策略和多天线移动中继轨迹设计的当前时隙下最优的用于非完美MIMO信道状态下的多天线移动中继辅助的鲁棒通信方法；

步骤S807、基于步骤S806的联合非完美信道信息下MIMO系统鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹设计的优化算法，完成所有时隙的计算，并将所有时隙的结果结合，构成整个任务周期包含鲁棒波束赋形策略和移动中继轨迹的高速传输方法；地面控制中心控制移动中继按照最优的高速传输方法为用户提供宽带高速通信服务。

7.根据权利要求1-6中任一所述的一种非完美信道状态下的移动中继辅助鲁棒MIMO高速通信传输方法，其特征在于，包括：用于非完美MIMO信道状态下的移动中继辅助鲁棒通信方法适用于非完美信息场景、鲁棒通信场景、安全通信场景、无线异构网、多用户场景以及未来通信网络。