专利名称：两跳半双工mimo中继网络分布式波束形成方法
技术领域：
本发明涉及无线通信技术领域方法，具体是两跳半双エMIMO中继网络的分布式波束形成方法。
背景技术：
移动通信中，多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output, ΜΙΜΟ)无线传输技术利用空间资源増加传输速率和可靠性，在近十多年来得到充分发展。对于点对点MMO通信系统，当通信终端完全获知信道状态信息(Channel State Information, CSI)时，在发送端采用波束形成(Beam Forming, BF),接收端采用最大比合并(Maximal RatioCombining,MRC)技术可以有效地克服信道衰落带来的负面影响。同时，近年来的研究工作表明，中继协作的增强型通信可大大提高系统频谱利用率和网络覆盖面。所以结合MMO技术与协作中继技术能更加充分利用协作分集提高频谱有效性、链路可靠性和功率效率。对现有文献检索发现，相关文献如下R. U. Nabar 等人在《Proc. Allerton Conf. Commun. , Control and Comput.,Monticello, IL, October 2003, pp. 378-389.》上发表了题为 “Capacity scaling laws inMIMO wireless networks (无线MIMO网络的信道容量分析准则)”的文章,该文章中提出了基于迫零(Zero Forcing, ZF)准则的分布式中继波束形成方法,它通过对姆个中继节点的后向信道进行ZF均衡和对前向信道进行ZF预编码，从而使得目的节点来自不同中继的接收信号可以方向一致地进行合井。Krishna R.等人在《IEEE Signal Process. Lett. , 2008,15, pp. 549-552.》上发表J 题为 “A cooperative MMSE relay strategy for wireless sensor networks、无 1 传感器网络中ー种协同最小均方误差中继转发方法)”的文章，文中提出了基于最小均方误差(Minimizing Mean-Squared Error,MMSE)准则的分布式中继波束形成方法。然而，由于针对后向信道以及前向信道的ZF变换或丽SE变换,会损失后向信道以及前向信道因多天线而带来的自由度优势，因此，无论是基于ZF准则还是基于MMSE准则的中继波束形成方法，都只能获得分布式阵列增益(Distributed Array Gain, DAG),而不能同时获得节点内阵列增益(Intra-node Array Gain, I AG)。Hui Shi 等人在《Proc. IEEE ICC 2005, Seoul, Korea, May 2005, vol. 4,pp. 2705-2711.》上发表 J 题为“A relaying scheme using QR decomposition with phasecontrol for MIMO wireless networks (无线MIMO网络中一种使用QR分解和相位控制方法的中继转发方法)”的文章，该文章中提出了基于QR分解的分布式中继波束形成方法QR-P-QR，该方法对每个中继节点的后向信道和前向信道分别进行QR分解，利用分解所得酉矩阵以及设计好的相位控制矩阵(Phase Control Matrix,PCM)进行中继波束形成,最终使得源节点和目的节点间的等效信道转化为下三角形式，从而在目的节点可以利用连续干扰消除(Successive Interference Cancellation, SIC)检测以获得最大的系统性能增益。理论分析表明QR-P-QR方法可以同时获得DAG和IAG，但由于QR-P-QR方法对中继节点的噪声有明显的放大作用，因此该方法获得的IAG相对较小。Hui Shi 等人在《IEEE Trans. Commun.，2007，55，(9)，pp. 1683-1688.》上发表 J 题为 “Relaying schemes using matrix triangularization for MIMO wirelessnetworks (无线MMO网络中一中利用矩阵三角化的中继转发方法)”的文章，文中提出了两种结合QR-P-QR方法以及ZF方法的混合QRD-ZF分布式中继传输方法法QR-P-ZF和ZF-P-QR0仿真结果显示QR-P-ZF方法性能好于QR-P-QR方法，但距离系统容量上界仍然有较大的距离。Yu Zhang 等人在《IEEE Trans. Vehicular Technology, Vol. 59, No. 8,pp. 4192-4197, Oct. 2010.》上发表了题为 “Efficient Relay Beamforming Design WithSIC Detection for Dual-Hop MIMO Relay Networks (基于 SIC检测的两跳MIMO 中继网络的一种高效波束形成方法设计)”的文章，文中提出两种结合匹配滤波器(Matched Filter,MF)和正则化迫零预编码(Regularized Zero-Forcing, RZF)的MF以及MF-RZF分布式中继波束形成方法。仿真结果显示，相较于之前已有的各种分布式中继波束形成方法，MF和 MF-RZF方法性能最优，且比较接近系统容量上界。上述研究均在存在丰富散射体的环境下进行，也即信道衰落服从瑞利分布，此时系统可以达到较大的信道容量。实际系统应用中，除了存在随机的散射体外，发送机和接收机之间还可能存在直视路径。在这种情况下，信道直视分量便成为信道主要成分，信道衰落将服从莱斯分布而不是瑞利分布。而通过在莱斯信道下进行仿真可以发现，瑞利信道下性能最优的MF和MF-RZF方法的性能均出现较大程度的降低。因此，现有研究难以直接应用于莱斯信道。
发明内容
本发明提出两种优选的适用于莱斯信道的两跳半双エMMO中继网络的分布式波束形成方法IRZF-MF和RZF，克服了现有研究与技术上的不足。两种优选的方法在中继节点处，都仅利用本身的后向和前向CSI进行波束形成，其中RZF方法使用RZF技术进行接收波束形成与发射波束形成，IRZF-MF方法则分别使用IRZF技术进行接收波束形成与使用MF技术进行发射波束形成。在目的节点处，两种优选的方法均使用QR接收机进行SIC检测以获得最大的空间复用増益。根据本发明的另ー个方面，提供一种两跳半双エMIMO中继网络分布式波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤第一步源节点通过其发射天线向所有中继节点发送广播信息Xs ;第二步各个中继节点分别对各自接收到的信号yk进行波束形成。波束形成也即中继节点对接收信号yk经过波束形成矩阵Fk变化，得到新的发射信号Xk
In第三步波束形成之后，各个中继节点对信号进行Pk倍的放大；经波束形成和功率放大之后，中继节点的发射信号表示为
pfkyk
第四步所有中继节点同时将各自发射信号Xk发送给目的节点；第五歩目的节点接收到信号之后，利用其已知的所有后向信道Hk和前向信道Gk的信息进行接收处理。优选地，在所述第五步中，使用QR接收机进行SIC检测以获得最大的空间复用增益。更为具体地，本发明优选地通过以下技术方案和步骤实现在本发明中，E{·}和tr{·}分别表示求期望和求迹的操作。Ah表示矩阵A的共轭转置，Ail表示矩阵A的逆，A」表示矩阵A的伪逆。(A)i表示矩阵A的第i行，㈧u则表示矩阵A的第i行和第j列的元素。I |a| I表示向量a的摸，Im表示πιλπι维的单位矩阵。第一步源节点通过其发射天线向所有中继节点发送广播信息Xs ;第二步各个中继节点分别对各自接收到的信号yk进行波束形成；波束形成也即中继节点对接收信号yk经过波束形成矩阵Fk变化，得到新的发射信号Xk
Ykyk在该步骤中，RZF方法使用RZF技术进行接收波束形成与发射波束形成，而IRZF-MF方法则分别使用IRZF技术和MF技术进行接收波束形成与发射波束形成。具体如下I)、RZF方法中分别使用(Hf Hit JルIM) ilHf和Gf (GifcGf J atIM)作为接收和发射波束形成器。其中Hk为源节点与第k个中继节点之间的后向信道矩阵，Gk为中继节点与目的节点之间的前向信道矩阵，ak，3,为常数。2)、IRZF-MF方法中分别使用(Hf Hit J GifcGf J atIM) ilHf和Gf作为接收和发射波束形成器。第三步波束形成之后，各个中继节点对信号进行Pk倍的放大；设各个中继节点的发射功率分别为Qk。则第K个中继节点的发射信号Xk的功率满足如下约束不等式
权利要求
1.一种两跳半双エMIMO中继网络分布式波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤 第一歩源节点通过其发射天线向所有中继节点发送广播信息xs ； 第二步各个中继节点分别对各自接收到的信号yk进行波束形成；波束形成也即中继节点对接收信号yk经过波束形成矩阵Fk变化，得到新的发射信号Xk Xk 一 FkYk 第三步波束形成之后，各个中继节点对信号进行Pk倍的放大；经波束形成和功率放大之后，中继节点的发射信号表示为Xk 一 P k^kYk 第四步所有中继节点同时将各自发射信号Xk发送给目的节点； 第五步目的节点接收到信号之后，利用其已知的所有后向信道Hk和前向信道Gk的信息进行接收处理。
2.根据权利要求I所述的两跳半双エMMO中继网络分布式波束形成方法，其特征是，在所述第二步中，采用RZF方式使用RZF方法进行波束形成，具体地， 分别使用(HfHit+ルIm^1Hf和Gf (GitGf +ちし)-1作为接收和发射波束形成器，其中Hk为源节点与第k个中继节点之间的后向信道矩阵，Gk为中继节点与目的节点之间的前向信道矩阵，ak，Pk*常数,从而 Fr = Gf (GitGf + aklM)-1 (Hf H, + β,1Μ)-1 Hf。
3.根据权利要求I所述的两跳半双エMMO中继网络分布式波束形成方法，其特征是，在所述第二步中，采用IRZF-MF方式分别使用IRZF方法和MF方法进行接收波束形成与发射波束形成，具体地， 分别使用(HfHit+GitGf +AliJ-1Hf和Gf作为接收和发射波束形成器。从而 f = Gf (HfH, +GkGnk 。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的两跳半双エMMO中继网络分布式波束形成方法，其特征是，对信号进行Pk倍放大的因子如下 设各个中继节点的发射功率分别为Qi,则第K个中继节点的发射信号Xk的功率满足如下约束不等式 翁+〔トー,伞ト仏 根据上式可求得中继节点的功率放大因子士+〔ト喊MT 。
5.根据权利要求4所述的两跳半双エMIMO中继网络分布式波束形成方法，其特征是，将代入下式求得功率放大因子士+〔ト喊Mi 。
6.根据权利要求4所述的两跳半双エMIMO中继网络分布式波束形成方法，其特征是，将FfZF—ヰ代入下式求得功率放大因子
7.根据权利要求2所述的两跳半双エMIMO中继网络分布式波束形成方法，其特征是，利用其已知的所有后向信道Hk和前向信道Gk的信息进行接收处理的具体步骤如下 接收信号表示为
8.根据权利要求3所述的两跳半双エMMO中继网络分布式波束形成方法，其特征是，利用其已知的所有后向信道Hk和前向信道Gk的信息进行接收处理的具体步骤如下 接收信号表示为
9.根据权利要求I至3中任一项所述的两跳半双エMMO中继网络分布式波束形成方法，其特征是，在所述第五步中，使用QR接收机进行SIC检测以获得最大的空间复用増益。
全文摘要
本发明提供一种两跳半双工MIMO中继网络分布式波束形成方法，考虑多天线多中继两跳半双工无线网络，基于RZF预编码以及MF技术提出了适用于莱斯信道的两种分布式波束形成方案RZF和IRZF-MF。在中继节点处，RZF方案使用RZF技术进行接收和发射波束形成，IRZF-MF方案则分别使用IRZF和MF技术进行接收和发射波束形成。两种方案仅仅要求中继节点获得本身的前向和后向信道状态信息，且两种方案均在目的节点使用QR接收机进行连续干扰消除检测以获得最大的空间复用增益。试验结果表明，本发明提出的两种方案可完全适用于莱斯信道条件，并在该信道条件下可获得比较接近容量上界的信道容量。
文档编号H04L5/16GK102647217SQ201210112270
公开日2012年8月22日 申请日期2012年4月17日 优先权日2012年4月17日
发明者何晨, 占敖, 蒋铃鸽, 黄自立 申请人:上海交通大学