一种滤波前传中继网络中滤波器系数的设计方法
【专利摘要】本发明的目的是提出一种适用于滤波前传中继网络中滤波器系数的设计方法，涉及无线通信中继传输【技术领域】。本发明所解决的技术问题是：通过遵循信道容量最大化原则，获取整个滤波前传中继网络中滤波器系数的最优设计。通过构建发射机到接收机之间的虚拟信道，把对信道容量最大化问题的求解，转化为对接收机在虚拟信道中，加权均方误差最小化问题的求解，从而获得整个滤波前传中继网络中滤波器系数的最优设计。本发明为滤波前传中继通信网络中滤波器系数的设计、数据的处理、资源的分配提供良好的理论依据。
【专利说明】一种滤波前传中继网络中滤波器系数的设计方法 一、
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及无线通信中继传输【技术领域】，具体为一种滤波前传中继网络中滤波器 系数的设计方法。 二、
【背景技术】：
[0002] 协作式波束形成技术是在原有拓扑网络结构的基础上通过多用户协作，提高系 统功率的效率和无线频谱资源的利用率。它是一种利用地理位置上分散的单天线无线中继 节点实现空间分集的新技术。它解决了由于通信设备尺寸、发射功率、以及系统成本等方面 的限制，一个无线终端上无法通过安装多个天线获取空间分集的问题。与此同时，通过对无 线通信系统时间、空间、频率等多维资源的高效复用，协作式波束形成通信技术可以支撑 更高速率、更高带宽的无线传输，显著改善网络性能，逐渐成为3G与4G移动通信中的关 键技术
[0003] 常见的协作式波束形成技术有解码转发（DF, decode and forward)，放大转发 (AF, amplify and forward)和压缩转发（CF, compress and forward)。其中，放大转发（AF) 技术，即中继节点只是将接收到的信号放大并转发，这种中继方式复杂程度较低较、处理方 便，因此在实际应用系统中得到了广泛的应用。然而遗憾的是，放大转发（AF)技术不能获 得分布式多中继的阵列增益。为了解决上述中继方式中的不足之处，全新的滤波前传技术 (FF，Filter-and-Forward)被提出。在滤波前传技术（FF)中，所有的中继节点均配备有限 长单位冲击响应滤波器用以抵消发送机到中继节点，中继节点到接收机信道的影响，每个 中继节点对接收信号进行复加权，从而更好地利用多信道的空间特征，可以获得更加有效 的性能增益。
[0004] 在现有的对滤波前传中继技术的研究成果中，已经有对中继节点功率优化、接收 机服务质量、信干噪比改善等方面的技术成果产生。但是对滤波器系数的优化设计技术，仍 然还是空白。对于在无线中继通信网络中滤波器系数的优化设计技术，目前比较流行的研 究方法是迭代加权均方误差最小化算法。迭代加权均方误差最小化算法已经被很好地应用 到求解基于多信道约束条件下信道容量最大值的问题中。然而，由于在滤波前传中继网络 中信道容量最大化问题结构的特殊性，所以用传统的加权均方误差最小化算法不能直接应 用到滤波前传中继网络中信道容量的求解中去。进而无法以信道容量最大化为原则，进行 滤波器系数的优化设计。 三、
【发明内容】
：
[0005] 本发明的目的是提出一种适用于滤波前传中继网络中滤波器系数的设计方法，此 方法通过遵循信道容量最大化原则，获取整个滤波前传中继网络中滤波器系数的最优设 计。
[0006] 实现本发明上述目的的技术方案是：一种滤波前传（Filter-and-Forward)中继 网络中滤波器系数的设计方法，通过构建发射机到接收机之间的虚拟信道，把对信道容量 最大化问题的求解，转化为对接收机在虚拟信道中，加权均方误差最小化问题的求解，从而 获得整个滤波前传中继网络中滤波器系数的最优设计。
[0007] 本发明包括以下步骤：
[0008] 1、建立虚拟信道。
[0009] 2、根据滤波前传中继网络当前的滤波器系数向量，确定虚拟信道接收波束成形向 量。
[0010] 3、根据接收波束成形向量和滤波器系数向量，计算虚拟信道中的最小均方误差并 更新权重系数。
[0011] 4、对每一个中继节点依次求解加权均方误差最小化子问题，并更新滤波器系数 向量。
[0012] 5、前后两次迭代计算对应的信道容量差值大于精度控制参数时，重复步骤2到步 骤4,前后两次迭代计算对应的信道容量差值小于精度控制参数时，迭代计算全过程终止， 最后一次迭代计算结束后，所获取的滤波器系数向量，既为本实施例中滤波器系数的最优 设计。
[0013] 在步骤1中，所述虚拟信道，是指平坦衰落无线通信信道。
[0014] 在步骤2中，所述滤波前传中继网络，是指一个半双工多路中继无线通信网络，它 由发射机、配备有限长单位冲击响应滤波器（FIR)的中继节点和接收机构成。
[0015] 本发明的有益效果是：由于滤波前传中继网络中信道容量估计问题结构的特殊 性，用传统的迭代算法和凸优化技术无法完成对滤波前传中继网络中滤波器系数的优化设 计。本发明通过构造发射机到接收机的虚拟信道，并结合使用凸优化思想和迭代加权均方 误差最小化算法的原理，将求解滤波前传中继网络信道容量的问题，转化为对接收机在虚 拟信道中加权均方误差最小化问题的求解，从而间接地完成对滤波前传中继网络中信道容 量的估计，并以滤波前传中继网络的信道容量最大化为原则，实现对滤波器系数的优化设 计。本发明为滤波前传中继通信网络中滤波器系数的设计、数据的处理、资源的分配提供良 好的理论依据。 四、
【专利附图】
【附图说明】：
[0016] 以下为本发明的4幅示意图。
[0017] 图1 :本发明所述滤波前传中继网络的结构示意图；
[0018] 图2 :本发明实施例中的具体步骤流程示意图；
[0019] 图3 :本发明的实施例通过计算机软件MATLAB仿真实验后得出的信道容量收敛 图；
[0020] 图4 :本发明的实施例通过计算机软件MATLAB仿真实验后得出的在不同约束条件 下信道容量的变化图； 五、
【具体实施方式】：
[0021] 下面结合附图对本发明的示例性实施方式，做进一步详细说明和描述。
[0022] 如图1所示，一种滤波前传中继网络中滤波器系数的设计方法。本发明中所述的 滤波前传中继网络，是指一个半双工多路中继无线通信网络，它由发射机、配有滤波器的中 继节点和接收机构成。在发射机到中继节点，中继节点到接收机之间的所有信道均为平坦 衰落无线通信信道。每个中继节点均配备有限长单位冲击响应（FIR)滤波器，用于补偿平 坦衰落信道对中继节点的影响。图1中上标指的是对复数取共轭。
[0023] 据前向滤波协议（FF)，所有的中继节点均配备有限长单位冲击响应滤波器用以抵 消发射机到中继节点，中继节点到接收机信道的影响。在发射机中，配置有计算器用于存 储、计算和更新本实施例中滤波前传中继网络的相关系数、向量和矩阵信息。所述计算器是 使用完整瞬时信道状态信息（CSI)来计算接收机的权重系数和每个中继节点中有限长单 位冲击响应滤波器的滤波器系数，然后将权重系数和滤波器系数及时反馈到每个接收机和 中继节点。所述瞬时信道状态信息（CSI)指的是接收机到中继节点，中继节点到接收机之 间信道的瞬时信道状态信息，包括由信道抽头系数构成的信道特征矩阵，且瞬时信道状态 信息可以被计算器及时收集获取。
[0024] 在本实施例中，对部分涉及的数学运算符号作出以下定义和解释：
[0025] (1) In指的是η行η列的单位矩阵。
[0026] (2)数学符号（·）Η指的是对矩阵进行共轭转置，（?）1指的是对矩阵进行转置，符 号" ? "表示两个矩阵的克罗内克乘积。符号" 表示的是：均值为a,方差为b的 循环对称复高斯变量。：指的是对变量A求数学期望。
[0027] (3) diag{x}指的是将一个向量X或者数列X，构造为一个以X为主对角的对角矩 阵。
[0028] 例如：a = [a" a2, a3,…，an]，
【权利要求】
1. 一种滤波前传中继网络中滤波器系数的设计方法，其特征在于包括以下步骤： 1) 建立虚拟信道； 2) 根据滤波前传中继网络当前的滤波器系数向量，确定虚拟信道接收波束成形向量； 3) 根据接收波束成形向量和滤波器系数向量，计算虚拟信道中的最小均方误差并更新 权重系数； 4) 对每一个中继节点依次求解加权均方误差最小化子问题，并更新滤波器系数向量； 5) 前后两次迭代计算对应的信道容量差值大于精度控制参数时，重复步骤2到步骤4， 前后两次迭代计算对应的信道容量差值小于精度控制参数时，迭代计算全过程终止，最后 一次迭代计算结束后，所获取的滤波器系数向量，既为本实施例中滤波器系数的最优设计。
2. 根据权利要求1中所述的一种滤波前传中继网络中滤波器系数的设计方法，其特征 是：所述虚拟信道，是指平坦衰落无线通信信道。
3. 根据权利要求1中所述的一种滤波前传中继网络中滤波器系数的设计方法，其特征 是：所述滤波前传中继网络，是指一个半双工多路中继无线通信网络，它由发射机、配备有 限长单位冲击响应滤波器（FIR)的中继节点和接收机构成。
【文档编号】H03H17/02GK104270118SQ201410446069
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月3日 优先权日:2014年9月3日
【发明者】史清江, 陈力 申请人:浙江理工大学