任意时间偏差下鲁棒的分布式波束形成器设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种任意时间偏差下鲁棒的分布式波束形成器设计方法，将整数倍的时间偏差假设为频率选择性信道的影响，将从发射节点到中继节点以及从中继节点到接收节点的信道都假设为频率选择性信道；N个协作中继节点以AF方式将接收到的信号同步转发给接收节点，利用复系数{ωn}进行波束形成加权设计；假设脉冲成型函数为升余弦函数，用线段来拟合升余弦函数曲线，将得到的近似升余弦函数代入接收信号中，化简得到接收信干噪比，利用柯西施瓦茨不等式以及三角不等式求出信干噪比的下限值；采用凸优化的方法，最大化接收信干噪比的下限值，分别在总的中继发射功率和单个中继发射功率的约束下；求出对任意偏差下时间异步鲁棒的分布式波束形成方法的权值。
【专利说明】任意时间偏差下鲁棒的分布式波束形成器设计方法 【【技术领域】】
[0001] 本发明涉及协作通信系统中的分布式波束形成【技术领域】，特别涉及一种任意偏差 时间异步即同时存在整数和分数符号间隔时间偏差时鲁棒的分布式波束形成器设计方法。 【【背景技术】】
[0002] 无线通信技术在近年内取得了突飞猛进的发展，早已成为人们生活和工作中必不 可少的部分。而随着无线通信技术的发展，人们对于移动通信质量尤其是数据速率的要求 越来越高。
[0003] MMO系统通过在收发两端配置多天线，可以有效地利用空间信道的独立衰落特 性，获得分集和复用增益，已经成为移动通信系统提高系统性能和频谱效率的重要方式。然 而，实际中的无线终端往往由于尺寸、功耗、成本或者硬件复杂度的限制，很难配置多天线。 此时，协作通信的概念被提出。
[0004] 协作通信系统通过多个单天线中继节点的协作来组成虚拟的天线阵列，可以取得 相当于MMO系统的性能。在协作通信系统中，各个中继用户以一定的方式共享天线，就构 成了一个虚拟的MIMO系统。目前常见的应用协作通信技术的网络系统有：协作中继网络 (Relay)、协作分布式天线系统（Cooperative Distributed Antenna Systems，Cooperative DAS)、协作多点传输网络（Coordinated Multiple Point transmission and reception， CoMP)等。
[0005] 协作波束形成技术允许各个中继节点对接收信号进行复加权，调整各个信号的幅 度和相位使得各个中继节点通过相互协作形成期望的波束，从而通过用户间协作获得空间 分集增益和空间阵列增益。协作通信技术给我们带来性能提升的同时，在实际应用中也面 临着许多挑战，一个突出的难题就是时间异步问题。由于协作通信中的各个协作节点是分 布式的，处于不同位置的协作节点的处理延时以及它们到接收节点的传播延时的不同，使 得它们发射的中继信号到达接收节点处时存在不同的时偏，即时间异步问题。由于接收端 的信号是多个不同时偏信号的叠加，将会导致系统性能的严重恶化。特别地，当各个协作中 继节点相距很远时，它们到达接收端的相对时间偏差很大，可能会超过一个符号周期，此时 就会存在整数和分数倍符号间隔的时间偏差，系统性能下降更加明显。
[0006] 目前大多数分布式波束形成的研宄都假设理想时间同步，而针对时间异步下的情 况研宄很少。对时间异步的分布式波束形成鲁棒的设计至今仍很不完善。文献"The effect of time synchronization errors on the performance of cooperative MISO systems" 分析了时间异步对协作MMO系统的性能影响，但是没有提出解决方案。已公开的中国发明 专利"CN103402213A"提出了一种协作通信系统中对小尺度偏差时间异步鲁棒的分布式波 束形成方法，但是假设时间偏差不超过一个符号周期，而对于偏差较大即同时存在整数和 分数倍符号间隔时间偏差的情况，该方法也将失效。本发明将对会对同时存在整数和分数 倍符号间隔时间偏差时鲁棒的分布式波束形成技术进行研宄。 【
【发明内容】
】
[0007] 本发明的目的是提供一种任意时间偏差下鲁棒的分布式波束形成器设计方法，能 对任意偏差时间异步即同时存在整数和分数倍符号间隔时间偏差的协作通信系统的性能 进行显著提高。
[0008] 为了达到以上目的，本发明是采用如下的技术方案实现的：
[0009] 一种任意时间偏差下鲁棒的分布式波束形成器设计方法，其特征在于，该方法应 用于采用一个发射节点，一个接收节点，N个中继节点的协作通信系统模型中；其中发射节 点、N个中继节点和接收节点均配置单天线；中继节点采用协作地方式共享彼此的天线以 形成一个虚拟的多天线系统，实现空域分集；采用放大转发的中继策略进行通信；
[0010] 所述任意时间偏差下鲁棒的分布式波束形成器设计方法，包括下述步骤：
[0011] (1)获取发射端所发射的信号序列Sl，经调制后所发射的基带信号
【权利要求】
1. 一种任意时间偏差下鲁棒的分布式波束形成器设计方法，其特征在于，该方法应用 于采用一个发射节点，一个接收节点，N个中继节点的协作通信系统模型中；其中发射节 点、N个中继节点和接收节点均配置单天线；中继节点采用协作地方式共享彼此的天线以 形成一个虚拟的多天线系统，实现空域分集；采用放大转发的中继策略进行通信； 所述任意时间偏差下鲁棒的分布式波束形成器设计方法，包括下述步骤： (1) 获取发射端所发射的信号序列S1，经调制后所发射的基带信号
'获取发射成型脉冲g(t)，符号周期Ts，发射信号功率Ps; (2) 信道模型为从发射节点到N个中继节点的IXN的SIMO信道和从N个中继节点到 接收节点的NX1的MISO信道都是频率选择性信道，获取信道阶数MjPM2，获取对应的复衰 落系数{气将从发射端到中继的信道K>(0|和从中继到接收端信道丨建模为：
其中，是发射节点与第n个协作中继节点之间信道的第!!^个抽头的复衰落系数， 亡1i为相应的延时；是第n个协作中继节点与接收节点之间信道的第m2个抽头的复衰 落系数，为相应的延时； (3) 获取第n个中继节点处的高斯白噪声^的方差值 将第n个中继节点处的接收 信号建模为：
(4) 中继节点对它接收到的信号rn乘以bn<后转发给接收端，其中 < 是加权系数，bn 是伸缩系数，计算伸缩系数匕=ff ; (5) 获取接收机处的高斯白噪声nk的功率o;2，对接收信号进一步简化并将其写成矩阵 的形式：
其中，d= 0^-1)-(1?+!?),n= (1+1?+!?; (6) 表示出接收信干噪比，利用柯西施瓦茨不等式和三角不等式给出接收信干噪比的 最小值； (7) 采用凸优化的方法求出对时间异步鲁棒的分布式波束形成的加权值； (8) 在各个中继处应用所求出的加权值进行波束形成。
2. 如权利要求1所述的一种任意时间偏差下鲁棒的分布式波束形成器设计方法，其特 征在于，所述步骤（1)中，采用升余弦函数来替代脉冲成型函数；升余弦函数的主瓣两边各 有U个旁瓣，将升余弦函数用线段进行拟合，这些线段的选取与偏差的最大值有关，若偏差 是在（-1，U之间均匀分布的，那么这些线段就是以整数倍的符号周期11；为起点，11\分 别加减I为终点拟合得到的；当采样的时候往左偏的话，升余弦函数用ITs点左边的线段 进行拟合，往右偏的话就用ITs点右边的线段进行拟合；令In=S-en，将g(-mi-m2+|n) 和g(d+U进行泰勒展开：
其中，g'n(m)表示经第n个中继信道延时后的等效脉冲信号对应曲线的导数值g，（mTs)，<和< 分别为11^点左右两边线段的斜率。
3. 如权利要求1所述的一种任意时间偏差下鲁棒的分布式波束形成器设计方法，其特 征在于，所述步骤（5)中，为了将接收机处的信号表示成矩阵形式，定义了以下矩阵： 对于第n个中继节点， an^-,anlJ--发射端到该中继的信道参数； --该中继到接收端的信道参数； Hvn^Vn ,,-,VbmJ--该中继处的噪声向量；
这是一个标准的凸优化问题，通过求解该优化问题即可得到对时间异步鲁棒的分布式 波束形成加权系数。
6. 如权利要求1所述的一种任意时间偏差下鲁棒的分布式波束形成器设计方法，其特 征在于，所述协作通信系统为Relay系统；从源节点到中继节点的SMO信道为非频率选择 性信道，从中继节点到目的节点的MISO信道为频率选择性信道。
7. 如权利要求1所述的一种任意时间偏差下鲁棒的分布式波束形成器设计方法，其特 征在于，所述协作通信系统为DAS系统；DAS系统的分布式天线RAU与基带处理单元BPU之 间通过高速光纤等有线方式连接，在分布式天线RAU端能够准确地获得并解码所传输的信 号。
【文档编号】H04B7/04GK104506223SQ201410842278
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月30日 优先权日:2014年12月30日
【发明者】王慧明, 李亚川, 余鸿亮 申请人:西安交通大学