CN102882569B - 一种基于译码转发策略的多天线中继波束成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于译码转发策略的多天线中继波束成形方法，其包括如下步骤：在第一时隙，求取信源节点S的波束成形矢量，并使信源节点S向中继节点R和目的节点D同时发送信号s₁，中继节点R和目的节点D同时接收信号s₁；在第二时隙，中继节点R接收信号s₁并译码，重新将信息编码成信号s₂并发送给目的节点D。本发明提出了在第一时隙时信源节点S的波束成形矢量的设计，实现了传输效率最大化、信道中断概率最小化。本发明将中继技术和多天线波束成形技术结合起来，通过设计最优的波束成形矢量，能够提高传输效率和可靠性，节约发射功率。

Description

一种基于译码转发策略的多天线中继波束成形方法

技术领域

本发明属于无线通信网络技术领域，涉及无线协作中继传输，特别涉及一种基于译码转发策略的多天线中继波束成形方法。

背景技术

中继技术因其可以扩大无线网络的覆盖范围，提高信息传输速率，受到了广泛的关注。在LTE-Advanced等4G移动通信技术中也将选用中继技术作为***性能提升的重要手段。待选的中继策略主要的有三大类：第一类是译码转发的中继策略，在这种中继策略中，中继节点准确译码，然后转发出去；第二类是放大转发中继策略，在这种中继策略中，中继节点只放大接收到的信号，然后转发；第三类是估计转发中继策略，在这种中继策略中，中继对接受到的信号先做估计，再转发。

在中继技术得到广泛关注的同时，多天线技术也是下一代无线通信网的核心技术。多天线技术一方面可以提高***的容量，另一方面也可以提高***分集增益以增强可靠性。在多天线技中，既可以使用空时编码的方法，也可以使用波束成形的方法。

将中继技术和多天线波束成形技术结合，能够设计最优的波束成形矢量，提高传输效率和可靠性，节约发射功率。但是，目前还没有将中继技术和多天线波束成形技术结合起来的研究。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于译码转发策略的多天线中继波束成形方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于译码转发策略的多天线中继波束成形方法，其包括如下步骤：

S1：在第一时隙，求取信源节点S的波束成形矢量，并使信源节点S向中继节点R和目的节点D同时发送信号s¹，中继节点R和目的节点D同时接收信号s¹；

S2：在第二时隙，中继节点R接收信号s¹并译码，重新将信息编码成信号s²并发送给目的节点D。

本发明提出了在第一时隙时信源节点的波束成形矢量的设计，实现了传输效率最大化、信道中断概率最小化。

在本发明的一种优选实施例中，求取信源节点S的波束成形矢量的方法为：在信源节点S处对增益矩阵H实行奇异值分解，增益矩阵H＝{H_ij}_N×N为信源节点S到中继节点R的信道增益矩阵，令H＝UΛV^H，其中，U和V都是酉矩阵，Λ是一个N×N的对角矩阵，其中，N为正整数，

其中，λ₁≥λ₂≥…≥λ_N≥0按降序排列，令矩阵V的列向量分别为V＝(v₁,v₂,…,v_N)，信源节点S的波束成形矢量为：

w_s＝Vw＝v₁w₁+v₂w₂+…+v_Nw_N，

其中，w＝(w₁,w₂,…,w_N)^t，取复角，有：

$\∠w_1=\mathrm{\θ}-\∠h_1^t{v}_1+2k_1\mathrm{\π}$

$\∠w_2=\mathrm{\θ}-\∠h_1^t{v}_2+2k_2\mathrm{\π}$

$\∠w_N=\mathrm{\θ}-\∠h_1^t{v}_N+2k_N\mathrm{\π}$

其中，θ是任意取值，k₁,k₂,…,k_N是任意的整数，h₁为从信源节点S到目的节点D的信道增益矢量，令能量分配系数P_i＝|w_i|²，i＝1,2，……，N。

本发明将中继技术和多天线波束成形技术结合起来，通过设计最优的波束成形矢量，能够提高传输效率和可靠性，节约发射功率。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1本发明基于译码转发策略的多天线中继波束成形方法的时隙图；

图2是本发明基于译码转发策略的多天线中继波束成形方法利用的***模型图；

图3是在本发明的一种优选实施方式中求取能量分配系数的算法流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提出了一种基于译码转发策略的多天线中继波束成形方法，该方法在信源节点S和中继节点R配置多根天线，而目的节点D配置单根天线的情况下，效果非常明显。利用该方法，一轮信息的传输需要两个时隙完成，其传输的方式如图1所示，包括如下步骤：

S1：在第一时隙，求取信源节点S的波束成形矢量，并使信源节点S向中继节点R和目的节点D同时发送信号s¹，中继节点R和目的节点D同时接收信号s¹；

S2：在第二时隙，中继节点R接收信号s¹并译码，重新将信息编码成信号s²并发送给目的节点D，在本实施方式中，中继节点R的编码方式可以事先与目的节点D约定好，可以采用本领域内普遍采用的编码方式。

本发明通过信源节点S借由自身与目的节点D之间的直接链路，以及中继节点R的帮助，实现与目的节点D之间的可靠通信。在第一时隙时信源节点S的波束成形矢量的设计，从而使传输效率最大化、信道中断概率最小化。

在本发明基于译码转发策略的多天线中继波束成形方法利用的***模型图中，如图2所示，h₁为从信源节点S到目的节点D的信道增益矢量，h₂为从中继节点R到目的节点D的信道增益矢量，H＝{H_ij}_N×N为信源节点S到中继节点R的信道增益矩阵。信源节点S的平均功率是P_s，归一化波束成形矢量是w_s＝(w_1s,w_2s,...,w_Ns)^t；中继节点R的平均功率是P_r，归一化波束成形矢量是w_r＝(w_1r,w_2r,…,w_Nr)^t；中继节点R的波束成形矢量设计是 $w_r=\frac{h_2}{\left|\right|h_2\left|\right|},$ 并且令 ${\mathrm{\γ}}_2^{*}={\left|\right|h_2\left|\right|}^2{P}_r.$

在本实施方式中，在第一时隙首先要求取信源节点S的波束成形矢量，求取信源节点S的波束成形矢量的方法为：在信源节点S处对增益矩阵H实行奇异值分解，增益矩阵H＝{H_ij}_N×N为信源节点S到中继节点R的信道增益矩阵，令H＝UΛV^H，其中，U和V都是酉矩阵，Λ是一个N×N的对角矩阵，其中，N为正整数，

其中，λ₁≥λ₂≥…≥λ_N≥0按降序排列，令矩阵V的列向量分别为V＝(v₁,v₂,…,v_N)，信源节点S的波束成形矢量为：

w_s＝Vw＝v₁w₁+v₂w₂+…+v_Nw_N，

其中，w＝(w₁,w₂,…,w_N)^t，取复角，有：

$\∠w_1=0-\∠h_1^t{v}_1+2k_1\mathrm{\π}$

$\∠w_2=\mathrm{\θ}-\∠h_1^t{v}_2+2k_2\mathrm{\π}$

$\∠w_N=\mathrm{\θ}-\∠h_1^t{v}_N+2k_N\mathrm{\π}$

其中，θ是任意取值，k₁,k₂,…,k_N是任意的整数，令能量分配系数P_i＝|w_i|²，i＝1,2，……，N。在得到了能量分配系数P_i后，也即得到了波束成形矢量。

为了求取能量分配系数P_i，给定如下预备优化问题：

${\max }_{P_1,P_2,\·\·\·,P_N}{a}_1\sqrt{P_1}+a_2\sqrt{P_2}+\·\·\·+a_N\sqrt{P_N}$

s.t.P₁+P₂+…+P_N＝1

${\mathrm{\λ}}_1^2{P}_1{+\mathrm{\λ}}_2^2{P}_2+\·\·\·+{\mathrm{\λ}}_N^2{P}_N={\mathrm{\γ}}_R$

其中，γ^R是此预备优化问题中预先假定的数值，在计算过程中，其初始值可以任意取值。

该预备优化问题的解是：

$P_1={\left(\frac{a_1}{2u+2v{\mathrm{\λ}}_1^2}\right)}^2$

$P_2={\left(\frac{a_2}{2u+2v{\mathrm{\λ}}_2^2}\right)}^2$

$P_N={\left(\frac{a_N}{2u+2v{\mathrm{\λ}}_N^2}\right)}^2$

其中，u和v是实数，并满足以下关系：

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{a_i}{2u+2v{\mathrm{\λ}}_i^2}\right)}^2=1$

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i^2{\left(\frac{a_i}{2u+2v{\mathrm{\λ}}_i^2}\right)}^2={\mathrm{\γ}}_R$

在这个优化问题的解的条件下，定义 ${\mathrm{\γ}}_1={(a_1\sqrt{P_1}+a_2\sqrt{P_2}+\·\·\·+a_N\sqrt{P_N})}^2{P}_s.$

根据以上预备优化问题，最终的能量分配系数P_i的解为：

当 $\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_i^2{P}_s+{\left|\right|h_2\left|\right|}^2{P}_r<\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&lambda;}}_i^2{a}_i^2}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_i^2}{P}_s$ 时，则能量分配系数是 $P=(\frac{a_1^2}{\mathrm{\&Sigma;}{a}_i^2},\frac{a_2^2}{\mathrm{\&Sigma;}{a}_i^2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,\frac{a_N^2}{\mathrm{\&Sigma;}{a}_i^2});$

当时，能量分配系数是P＝(1,0,…,0)；

当不满足 $\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_i^2{P}_s+{\left|\right|h_2\left|\right|}^2{P}_r<\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&lambda;}}_i^2{a}_i^2}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_i^2}{P}_s,$ 也不满足 $a_1^2{P}_s+{\left|\right|h_2\left|\right|}^2{P}_r>{\mathrm{\&lambda;}}_1^2{P}_s$ 时，利用图3所示算法计算能量分配系数，步骤为：

S41：初始化，令x¹＝x_s,x²＝x^t，其中， $x_s=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&lambda;}}_i^2{a}_i^2}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_i^2},x_t={\mathrm{\&lambda;}}_1^2{P}_s;$

S42：令预备优化问题中的γ_R＝(x¹+x²)/2，计算对应得到的其中

S43：判断是否满足当不满足时，计算结束，利用权利要求3所述的方法求取能量分配系数P_i，当满足时，进入步骤S44；

S44：判断是否满足当满足时，令当不满足时，令返回步骤S42。

本发明将中继技术和多天线波束成形技术结合起来，通过设计最优的波束成形矢量，能够提高传输效率和可靠性，节约发射功率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种基于译码转发策略的多天线中继波束成形方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：在第一时隙，在信源节点S处对增益矩阵H实行奇异值分解，增益矩阵H＝{H_ij}_N×N为信源节点S到中继节点R的信道增益矩阵，令H＝UΛV^H，其中，U和V都是酉矩阵，Λ是一个N×N的对角矩阵，其中，N为正整数，

其中，λ₁≥λ₂≥…≥λ_N≥0按降序排列，令矩阵V的列向量分别为V＝(v₁,v₂,…,v_N)，信源节点S的波束成形矢量为：

w_s＝Vw＝v₁w₁+v₂w₂+…+v_Nw_N，

其中，w＝(w₁,w₂,…,w_N)^t，取复角，有：

$\&angle;w_1=\mathrm{\&theta;}-\&angle;h_1^t{v}_1+2k_1\mathrm{\&pi;}$

$\&angle;w_2=\mathrm{\&theta;}-\&angle;h_1^t{v}_2+2k_2\mathrm{\&pi;}$

·

·

·

$\&angle;w_N=\mathrm{\&theta;}-\&angle;h_1^t{v}_N+2k_N\mathrm{\&pi;}$

其中，θ是任意取值，k₁,k₂,…,k_N是任意的整数，h₁为从信源节点S到目的节点D的信道增益矢量，令能量分配系数P_i＝|w_i|²，i＝1,2，……，N，以求取信源节点S的波束成形矢量，并使信源节点S向中继节点R和目的节点D同时发送信号s₁，中继节点R和目的节点D同时接收信号s₁；

S2：在第二时隙，中继节点R接收信号s₁并译码，重新将信息编码成信号s₂并发送给目的节点D。

2.如权利要求1所述的基于译码转发策略的多天线中继波束成形方法，其特征在于，求取所述能量分配系数P_i，i＝1,2，……，N时，执行预备优化步骤以利用预备优化问题：

${\max }_{P_1,P_2,...,P_N}{a}_1\sqrt{P_1}+a_2\sqrt{P_2}+...+a_N\sqrt{P_N}$

s.t.  P₁+P₂+…+P_N＝1

${\mathrm{\&lambda;}}_1^2{P}_1+{\mathrm{\&lambda;}}_2^2{P}_2+...+{\mathrm{\&lambda;}}_N^2{P}_N={\mathrm{\&gamma;}}_R$

所述预备优化问题的解是：

$P_1={\left(\frac{a_1}{2u+2v{\mathrm{\&lambda;}}_1^2}\right)}^2$

$P_2={\left(\frac{a_2}{2u+2v{\mathrm{\&lambda;}}_2^2}\right)}^2$

·

·

·

$P_N={\left(\frac{a_N}{2u+2v{\mathrm{\&lambda;}}_N^2}\right)}^2$

其中，u和v是实数，并满足以下关系：

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left(\frac{a_i}{2u+2v{\mathrm{\&lambda;}}_i^2}\right)}^2=1$

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&lambda;}}_i^2{\left(\frac{a_i}{2u+2v{\mathrm{\&lambda;}}_i^2}\right)}^2={\mathrm{\&gamma;}}_R$

令其中，P_s为信源节点S的平均功率。

3.如权利要求2所述的基于译码转发策略的多天线中继波束成形方法，其特征在于，所述能量分配系数P_i的最终取值以其集合P表示，根据条件不同，可以分为三类情况：

情况1：当时，其中，h₂是中继节点R到目的节点D的信道增益矢量，P_r为中继节点R的平均功率，则能量分配系数是

情况2：当时，能量分配系数是P＝(1,0,…,0)；

情况3：当不满足 $\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_i^2{P}_s+{\left|\right|h_2\left|\right|}^2{P}_r<\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&lambda;}}_i^2{a}_i^2}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_i^2}{P}_s,$ 也不满足 $a_1^2{P}_s+{\left|\right|h_2\left|\right|}^2{p}_r>{\mathrm{\&lambda;}}_1^2{P}_s$ 时，能量分配系数的求取方法为：

S41：初始化，令x₁＝x_s,x₂＝x_t，其中，

S42：更新预备优化问题中的γ_R＝(x₁+x₂)/2，计算对应得到的其中

S43：判断是否满足当不满足时，结束当前计算，再次执行利用权利要求2中的预备优化步骤以求取最终的能量分配系数P_i，当满足时，进入步骤S44；

S44：判断是否满足当满足时，更新并返回所述步骤S42；当不满足时，更新并返回步骤S42。