多用户双向MIMO中继系统下包含直传链路的预编码方法与流程

本发明属于无线中继通信技术领域，具体涉及一种多用户双向mimo中继系统下包含直传链路的预编码方法。

背景技术：

由于多输入多输出(mimo)系统潜在的高速率、大容量而受到广泛关注，成为未来移动通信的系统的关键技术。在欧盟启动“5gnow”课题计划以来，世界各国都加大了5g通信技术的研究力度。我国也将5g通信技术的研究工作加入到了“863”计划当中，其中的关键技术就是mimo技术。mimo技术是一种不需要增加无线频率带宽，但是又能提供类似于增加带宽一样带来同样增益效果的通信技术方法，而中继通信技术能提高频谱利用效率。mimo技术与中继通信技术的结合是近代无线通信发展的趋势，它能充分发挥mimo技术提供的空间复用增益与中继通信提供的分集增益。在未来移动网络中，基站和用户均采用多天线的收发信号，在双方均已知信道状态信息时，预编码不仅可以消除多天线、多用户间的干扰，同时可以减少移动台处理的复杂度，因此，学术界专注于研究多用户mimo中继系统的预编码问题。

目前已发表的关于点对多点的mimo中继通信的文献大多都忽略了信源到所有用户的直接链路，然而在实际系统中，不管是上行链路还是下行链路，直接链路往往是存在的，其贡献也是不可忽略不计的。文献sunq,lil.weightedsumratemaximizationfordownlinkmultiuserrelaynetworkwithdirectlink[j].wirelesspersonalcommunications,2014,75(1):369-384.研究了单向传输下包含直传链路的联合预编码，但是其研究只是单纯的下行链路，同时实现复杂度高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种多用户双向mimo中继系统下包含直传链路的预编码方法，考虑一个包含直传链路的多用户mimo双向中继通信系统模型，模型由一个发射端用户、k个接收端用户和一个中继节点组成。发射端用户和接收端用户配备相同的天线数为nk，中继节点配备nr个天线。为简化分析，假设中继节点采用af中继协议。

本发明的目的是这样实现的：

多用户双向mimo中继系统下包含直传链路的预编码方法，包括如下步骤：

步骤1：分别计算第一时隙内发射端和接收端在直传链路下接收的信号以及中继接收到的信号；

步骤2：分别计算第二时隙内信源和第k个接收端用户通过中继转发接收到的信号；

步骤3：分别计算信源和第k个用户在两个时隙内接收的总信号；

步骤4：分别计算信源和第k个用户处的信号波形均方误差表达式，并以系统和均方误差最小化为目标，构建直传链路下mimo中继系统的收发预编码方法的优化问题表示式；

步骤5：对中继转发矩阵f采用qr分解的方法进行优化；

步骤6：固定给定中继转发矩阵f和第k个用户预编码b2,k直接通过对mse1和mse2,k分别求偏导方法求解信源接收滤波矩阵w1和第k个用户接收滤波矩阵w2,k；

步骤7：固定中继转发矩阵f、信源接收滤波矩阵w1和第k个用户接收滤波矩阵w2,k(k＝1,2,…,k)，通过平方约束二次规划问题优化第k个用户预编码b2,k；

步骤8：联合第k个用户预编码b2,k、信源接收滤波矩阵w1和第k个用户接收滤波矩阵w2,k，设最大迭代次数为imax，迭代终止门限为ε，迭代次数为n，则第k个用户预编码矩阵b2,k进行迭代至收敛，得到优化后的预编码矩阵；判断条件或者n＞imax是否满足，满足则结束迭代；否则，跳转到步骤6，继续迭代直到满足收敛条件。

所述步骤1中发射端在直传链路下接收的信号向量为接收端在直传链路下接收的信号向量为中继接收到的信号为其中为第k个用户到信源节点之间的mimo信道矩阵，为第k个用户的预编码矩阵，为第k个用户的信号向量，为信源节点到第k个用户之间的mimo信道矩阵，为第k个用户到中继节点之间的mimo信道矩阵，为信源节点到中继节点之间的mimo信道矩阵，为信源节点的信号向量，和分别为信源节点、第k个接收端用户和中继节点处的复加性高斯白噪声。

所述步骤2中信源处接收到的信号为第k个接收端用户接收到的信号为其中h1r为中继节点到信源节点之间的mimo信道矩阵，为中继节点通过中继的预处理矩阵，gkr为中继节点到第k个用户之间的mimo信道矩阵，和分别为信源节点和第k个用户处的复高斯白噪声。

所述步骤3中信源节点在两个传输时隙内接收的信号为第k个用户在两个时隙内接收的总信号为其中为等效后的基站到第k个接收端的用户间的等效信道矩阵，为信源节点处的等效噪声，为第k个用户处的等效噪声。

所述步骤4中直传链路下mimo中继系统的收发预编码方法的优化问题表示式为：

其中mse1为信源节点处的信号波形估计均方误差矩阵，mse2,k为第k个用户处的信号波形估计均方误差矩阵，pr为中继节点处最大的发射功率，ps2为第k个用户处最大的发射功率。

所述步骤5中中继转发矩阵f为f＝ρfftfr，其中fr为接收矩阵，ft为发射矩阵，ρf为功率因子。

所述步骤7中通过平方约束二次规划问题优化转化为关于等效变量b2的qcqp问题：

其中，和dkk是由矩阵dk的从第行到第行组成的矩阵，

本发明有益效果在于：本发明在发射/接收端多用户mimo中继通信场景下，针对双向传输模型下忽略发射端和接收端之间的直传链路会导致系统性能损失的问题，提出了一种联合预编码矩阵优化的方法，考虑直传链路的贡献，有效的提高系统的性能。

附图说明

图1为包含直传链路的多用户双向mimo中继通信系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步描述。

本发明是在发射/接收端多用户双向mimo中继通信场景下，针对中继在双向传输的半双工模式下，提出了一种基于完全信道下包含直传链路的预编码设计方案。

多用户双向mimo中继系统下包含直传链路的的预编码算法，模型由一个发射端用户、k个接收端用户和一个中继节点组成，如图1所示。发射端用户和接收端用户配备相同的天线数为nk，中继节点配备nr个天线。为简化分析，假设中继节点采用af中继协议。在双向传输的系统模型中考虑发射端和接收端之间的直传链路；中继转发矩阵f采用qr分解的方法进行优化：引入功率因子ρf，之后将f拆分为两个矩阵相乘再分别进行qr分解；在中继矩阵、用户矩阵和接收矩阵联合下，基于msmse设计准则，信源接收滤波矩阵w1和第k个用户接收滤波矩阵w2,k(k＝1,2,…,k)通过对信源端mse1和用户端mse2,k分别求偏导方法求解；第k个用户预编码b2,k通过平方约束二次规划(quadraticconstraintquadraticprogramming,qcqp)问题进行优化；通过联合第k个用户预编码b2,k、信源接收滤波矩阵w1和第k个用户接收滤波矩阵w2,k进行迭代的方法达到所求解的要求。

步骤一：分别计算第一时隙内发射端和接收端在直传链路下接收的信号以及中继接收到的信号；

在第一个传输时隙内，信源节点和k个用户同时发送各自的信号到中继节点。其中，为信源节点的信号向量且满足为第k个用户的信号向量且满足定义为第k个用户的预编码矩阵。中继节点的接收信号向量可表达为：

则中继接收信号向量yr可进一步改写成：

在直传链路下，信源节点处的接收信号向量和第k个用户处的接收信号向量可表示如下，令

其中，为信源节点到中继节点之间的mimo信道矩阵，为第k个用户到中继节点之间的mimo信道矩阵，为第k个用户到信源节点之间的mimo信道矩阵，为信源节点到第k个用户之间的mimo信道矩阵，和分别为中继节点、信源节点和第k个接收端用户处的复加性高斯白噪声(awgn)，且满足均值为零、方差矩阵分别为和和分别为中继节点和第k个接收端用户处的噪声功率。

步骤二：分别计算第二时隙内信源和第k个接收端用户通过中继转发接收到的信号；

在第二个传输时隙内，中继节点通过中继预处理矩阵对接收信号yr进行处理，并将线性处理后的信号向量xr同时转发给信源节点和所有用户。其中，中继转发信号向量xr和中继功率限制的表达式如下：

其中，pr为中继节点处最大的发射功率。另外，第k个用户处的功率限制满足ps2分别定义为第k个用户处最大的发射功率。信源节点处的接收信号向量和第k个用户处的接收信号向量可表示如下：

其中，h1r为中继节点到信源节点之间的mimo信道矩阵，gkr为中继节点到第k个用户之间的mimo信道矩阵。定义为信源节点处的复awgn且满足定义为第k个用户处的复awgn且满足和分别为信源节点和第k个用户处的噪声功率。

步骤三：分别计算信源和第k个用户在两个时隙内接收的总信号；

结合(3)和(7)，信源节点在两个传输时隙内接收的信号y1为：

结合(4)和(8)，信源节点在两个传输时隙内接收的信号y2,k为：

定义为等效后的基站到第k个接收端的用户间的等效信道矩阵，为等效后的基站到第k个接收端的用户间的等效噪声。定义为等效后的基站到第k个接收端的用户间的等效信道矩阵，为等效后的基站到第k个接收端的用户间的等效噪声。那么，接收端的接收信号y1以及接收端的接收信号y2,k可进一步表达为：

因为信源节点和k个用户知道自己的发射信号，并且通过信道训练和估计可以得知mimo信道矩阵的全部信道状态信息(csi)，所以各个节点的自身干扰(si)项可以忽略不考虑。则信源节点和第k个用户处的接收信号向量可进一步表示为：

其中，为信源节点处的等效噪声，第k个用户处的等效噪声为不考虑第k个用户本身来自其它用户的相邻干扰为为降低所有接收节点处理的复杂度，所有接收节点均采用线性滤波来恢复所有接收到的发射信号。定义为信源节点处的接收滤波矩阵，为第k个用户处的接收滤波矩阵。则信源节点处对所有用户发射信号s2的估计信号为第k个用户处对信源发射信号s1的估计信号为

步骤四：分别计算信源和第k个用户处的信号波形均方误差(meansquareerror,mse)表达式并以系统和均方误差(minimumsummeansquareerror,msmse)最小化为目标，构建直传链路下mimo中继系统的收发预编码算法的优化问题表示式；

信源节点处的信号波形估计均方误差(mse1)矩阵和第k个用户处的信号波形估计均方误差(mse2,k)矩阵可分别直接的表示为：

在所有节点功率限制条件下，基于msmse设计准则的多用户双向mimo中继系统的源预编码优化问题表示如下：

步骤五：中继转发矩阵f采用qr分解的方法进行优化；

首先把中继节点的收发处理矩阵f拆分成两个子矩阵相乘之积，也就是

f＝ρfftfr(20)

上式中的fr命名为接收矩阵，ft命名为发射矩阵，ρf为功率因子。

第一步：令：

第二步：采用qr分解每个以便获得各自的正交基矩阵，也就是令

上式中rrk为上三角矩阵，qrk为正交基矩阵；

第三步：令中继节点的接收矩阵为：

在确定中继节点的接收矩阵fr之后，中继节点发射矩阵ft的设计也是只考虑基于用户与中继节点之间的信道信息矩阵，设计中继节点的发射矩阵ft，设计过程类似fr，即：

第一步:令：

第二步：采用qr分解每个以便获得各自的正交基矩阵，也就是令：

上式中rtk为上三角矩阵，qtk为正交基矩阵；

第三步：令中继节点的发射矩阵为:

最后，确定中继节点收发处理矩阵f中的功率控制因子ρf，由于f必须满足中继节点的功率控制约束条件，因此首先假设以及然后根据下式求出初步的ρf后，在此f的基础上求出具体的b2＝diag(b2,1,b2,2,…b2,k)后再把具体的b2,k代入到下面ρf的式子(27)中做微调处理以使得其最终满足中继节点的功率控制约束条件。至此，中继节点的收发处理矩阵f设计完毕。

步骤六：固定给定中继转发矩阵f和第k个用户预编码b2,k直接通过对mse1和mse2,k分别求偏导方法求解信源接收滤波矩阵w1和第k个用户接收滤波矩阵w2,k(k＝1,2,…,k)；接收端矩阵的求解可转化为固定固定中继转发矩阵f、信源预编码矩阵b1和第k个用户预编码b2,k求解源接收滤波矩阵w1和第k个用户接收滤波矩阵w2,k(k＝1,2,…,k)的子问题，因为接收端不存在功率限制，因此可直接对(15)mse1和(16)mse2,k分别求偏导：由和可以得到：

步骤七：固定中继转发矩阵f和信源接收滤波矩阵w1和第k个用户接收滤波矩阵w2,k(k＝1,2,…,k)；，通过平方约束二次规划(quadraticconstraintquadraticprogramming,qcqp)问题优化第k个用户预编码b2,k；

令利用定义与矩阵变量b2,k有关的mse1表达式可转化为：

其中，dkk是由矩阵dk的从第行到第行组成的矩阵。另外，定义下面的变量替换：

根据上述分析，最初的优化问题(17)-(19)可进一步转化为如下关于等效变量b2的qcqp问题：

其中，和同时qcqp问题(32)-(34)可以通过凸优化工具箱cvx求解出等效变量b2的优化值，进而得到优化变量b2,k(k＝1,2,…,k)的优化值。

步骤八：联合第k个用户预编码b2,k、信源接收滤波矩阵w1和第k个用户接收滤波矩阵w2,k，设最大迭代次数为imax，迭代终止门限为ε，迭代次数为n，则第k个用户预编码矩阵b2,k进行迭代至收敛，得到优化后的预编码矩阵。判断条件或者n＞imax是否满足，满足则结束迭代；否则，跳转到步骤六，继续迭代直到满足收敛条件。

本发明首次提出了包含直传链路的双向传输mimo中继系统的预编码算法。本发明针对现有的多用户mimo中继双向传输模式下的研究，提出了考虑信源与多用户之间的直传链路的预编码算法，不忽略直传链路对系统研究的贡献，提高系统的性能。