专利名称：基于有限反馈的协作中继波束形成方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于无线通信系统波束形成方法，尤其涉及一种基于有限反馈的协作中 继波束形成方法，属于无线通信领域。
背景技术：
中继辅助的蜂窝无线通信系统具有扩展小区覆盖范围、改善小区边缘用户的频谱效率、克服阴 影衰落等优点。近年来，研究人员分别从中继协议、信息论和处理算法的角度研究了中继通信，例 如针对单输入单输出(Single-input Single-output, SISO)的无线中继通信系统，有三种典型的中继 协议，即放大转发(Amplify-and-Forward, AF)、解码转发(Decode-and-Forward, DF)和压縮转发 (Compress-and-Forward， CF)，其中AF中继协议由于不需要解码直接转发信号，处理复杂度和功 率消耗都很低，所以应用更为广泛。同时，多输入多输出(MIMO)通信系统能够通过利用空间复 用增益、空间分集增益和阵列增益提高通信的有效性和可靠性，将MIMO技术和中继技术相结合能 够利用二者的优点进一步地提高通信性能。
目前针对中继转发矩阵的最优结构的设计以及中继的最优功率分配方案已有初步研究，但都是 针对单个多天线中继的通信系统，而没有考虑多个中继的情况，多中继协作通信涉及到分布式中继 的协作或协同。当系统的发射机和接收机都配备多根天线，且使用多个分布式中继进行协作通信时， 该系统的协作不能只局限在中继的层次上，而应该在包括多天线的发射机、多个分布式的中继和多 天线的接收机的系统级上进行协作。另外，目前针对多个中继协作的研究主要集中在功率分配问题 而没有考虑多中继的相位旋转(即波束形成)问题。在实际通信系统中，发送信号和信道都是复数， 这使得多中继的联合优化不但包括联合的功率分配而且包括联合的相位旋转，即波束形成。波束形 成技术是指发射机通过利用信道状态信息对发射信号进行发送预相干叠加，从而实现发射天线分集 的目的。
目前的研究通常假定每个中继都必须获取理想的信道状态信息(Channel State Information, CSD，然后由于接收机的信道估计不准确、信道信息的反馈有时延、噪声污染，使得该假设是不现 实的，更为实用的情况是中继只知道部分CSI。
综上所述，多中继辅助分布式MIMO系统中基于有限反馈的联合波束成形问题具有重要的研究
发明内容
技术问题针对现有技术的缺点，本发明提供了一种能获得较高的系统吞吐量，实现复 杂度较低的基于有限反馈的协作中继波束形成方法。
技术方案本发明的实施例公开了一种基于有限反馈的协作中继波束形成方法。该方法适 用于一种通信系统，该通信系统包括一个发射机、多个中继和一个接收机，发射机配置多根天线， 每个中继都配置单根天线，接收机配置多根天线，多个中继相互协作并采用放大转发协议；整个通信过程在两个时隙完成，在第一时隙，发射机对数据流进行发射波束形成后广播给所有中继，在第 二时隙，所有中继根据来自接收机的包含码字标号和功率放大因子的有限反馈信息确定分布式波束 形成的码字，然后多个中继将接收信号经各自码字分量处理后转发给信宿。
本发明的实施例公开了一种的基于有限反馈的波束形成方法，具体步骤如下
步骤1:发射机估计第一跳的信道响应//,;
步骤2:发射机根据W,设计发射机的发射波束形成向量rf,，《-7^V,(:,1),其中，《为发射 机的发射功率，^来自于对好,进行奇异值分解W,-tVf,^, R为左奇异矩阵，4为奇异值组成 的对角阵，^为右奇异矩阵，K(:,l)表示取酉阵的第一列
步骤3:接收机估计第一跳和第二跳的信道响应A和W2 ;
步骤4:接收机首先根据广义Lloyd算法设计码本子空间，再与本发明所设计的码字更新算法
相结合进行迭代直至满足收敛精度要求，得到所需码本，最后将每个码字能量归一化。码本设计与
码字更新算法具体步骤为
Step 1:初始化一组联合波束形成的码本{^,;' = 1,...，28}，并随机产生^次信道实现
{WU,A.2C其中5是反馈比特数，好,..|和^.2表示第/次两跳的信道实现，^是信道实现次数， 例如IA = 10000 ;
Step 2:针对给定的码本卜,,乂' = 1, ,2"}，把信道空间划分成2"个信道子空间，划分准则如下-
叫好,.,，好,.:
<formula>formula see original document page 5</formula>
接收噪声方差，g为信宿接收噪声方差，^为所有中继的发送功率；
Step3:针对2"个信道子空间^J二，分别对每个联合波束形成的码字通过新设计的码字算法 进行更新。码字更新问题可描述为
<formula>formula see original document page 5</formula>
针对上式，设计码字更新算法，具体步骤如下
Step4:初始化"0， x0=0, a。-l,^-0; Step 5: While + ) < ) + 0.45^ )End
Step 6:令,=&+，；
Step 7:将^代入Step2生成更新的子空间，如此循环直至满足收敛精度要求。 步骤5:接收机将所设计的码本反馈给所有中继；
步骤6:接收机根据两跳信道信息选择一个能使接收信噪比最大的码字H^，然后计算出该码
字对应的中继转发功率《，然后将f和Wj对应的标号反馈给所有中继；
步骤7:每个中继根据码字标号找到相应码字，进而得到自己对应的码字分量，乘以接收信号 再放大后，在下一个时隙转发给接收机；
步骤8:接收机采用最大比合并(MRC)进行接收，接收矢量Z为z 早 ;其中
其中，(.)" 一矩阵或向量的共轭转置；A'艰(.)一取对角元构成一对角阵；A —夂x《的单位
阵，尺为中继数；求和运算；，—函数/W对自变量x求偏导；II—取矩阵的Frobenius 范数；max(.)—求最大值。
有益效果本发明提出了一种基于有限反馈的协作中继波束形成方法，其特征在于，该方法适 用于一种通信系统，该通信系统包括一个发射机、多个中继和一个接收机，发射机配置多根天线， 每个中继都配置单根天线，接收机配置多根天线，多个中继相互协作并采用放大转发协议。整个通 信过程在两个时隙完成，在第一时隙，发射机对数据流进行发射波束形成后广播给所有中继，在第 二时隙，所有中继根据来自接收机的包含码字标号和功率放大因子的有限反馈信息确定分布式波束 形成的码字，然后多个中继将接收信号经各自码字分量处理后转发给信宿。本发明设计了一种非常 实用的基于有限反馈的波束形成方法，根据一种码本设计算法和本发明所设计的码字更新算法相互 迭代来设计码本，中继根据每次信道条件从该码本中选择能使接收机瞬时信噪比最大的码字作为波 束形成向量。本发明所设计的协作中继波束形成码本能在反馈开销很小的情况下获得明显的性能增 益，码字更新算法简单实用，以较低的系统实现复杂度获得了较好的系统频谱效率性能。
图l是本发明的通信系统组成结构示意图，图中《为发射机的发射波束形成向量，《,，…,《《为 K个中继的波束形成分量，z为接收机的接收矢量，M为发射机的天线数，N为接收机的天线数， K为中继数；
图2 图4给出了所设计的分布式波束形成码本在不同反馈量和不同天线配置下的频谱效率性 能。定义A-^和p^^Ar;
M《 《CT2
图2给出了发射机天线数是4，中继数是4，接收机接收天线数是4， A-A-20dB的情况下，不同的反馈比特数S对应的系统频谱效率累积分布函数曲线(Cumulative and Distributive Function, CDF)图3给出了发射机天线数是4，中继数是2，接收机接收天线数是4， A-^-20dB的情况下，
不同的反馈比特数5对应的系统频谱效率CDF曲线图4和图5给出了两个分布式中继的情况，图4给出了发射机天线数是4，中继数是2，接收机 接收天线数是2， P, :A-20dB的情况下，不同的反馈比特数S对应的系统频谱效率CDF曲线图； 图5给出了另一种发射机天线数的情形。
具体实施例方式
如图l所示，本发明所述的通信系统包括一个发射机、多个中继和一个接收机，发射机配 置多根天线，每个中继都配置单根天线，接收机配置多根天线，多个中继相互协作并采用放大 转发协议。整个通信过程在两个时隙完成，在第一时隙，发射机对数据流进行发射波束形成后 广播给所有中继，在第二时隙，所有中继根据来自接收机的包含码字标号和功率放大因子的有 限反馈信息确定分布式波束形成的码字，然后多个中继将接收信号经各自码字分量处理后转发 给信宿。
为与本发明所设计的基于有限反馈的协作中继波束形成方法做性能比较，本发明还设计了一种 中继需获知全部信道状态信息的协作多中继最优分布式波束形成方法，具体实施步骤如下 步骤l:发射机估计第一跳(发射机到所有中继)的信道响应好,；
步骤2:发射机根据好,设计发射机的发射波束形成向量rf,， rf'-V^^(:,1),其中，^为发射机 的发射功率，F,来自于对好，进行奇异值分解(Singular Value Decomposition, SVD)巧=f/,/l,K," ， t/, 为左奇异矩阵，4为奇异值组成的对角阵，",为右奇异矩阵，K(:,l)表示取酉阵的第一列；
步骤3:接收机估计第一跳和第二跳(所有中继到接收机)的信道响应好,和好2;
步骤4:接收机根据接收机接收信噪比最大化准则确定最优的协作式转发处理矩阵 ^=diag(《)，然后把该矩阵信息反馈给所有中继。接收信噪比最大化问题的数学模型为
max
《好,"化Hgfg2化g,rf,
s.t. tr + of/, ] "f}=尸2
该最大化问题的最优解^ =出绍00为《=f《，其中,
7<formula>formula see original document page 8</formula>
尸2
其中，尸2分别表示所有中继的功率约束，trO表示矩阵的迹，cr,2和g分别表示中继接收噪声 方差和信宿接收噪声方差，g-^"为Choleskey分解，{ }表示最大特征值对应的归一化特征 向量，i—'表示取逆，diag(^rf,《〃，+^/K)表示取对角元构成一对角阵。
步骤5:接收机将协作式转发处理矩阵A ^diag(《)反馈给多中继；
步骤6:各个中继将各自的接收信号经波束形成向量《的分量处理后再转发出去；
步骤7:接收机采用最大比合并(MRC)进行接收，接收矢量Z为z ;
本发明所述的一种的基于有限反馈的波束形成方法的具体步骤如下 步骤l:发射机估计第一跳的信道响应巧
步骤2:发射机根据好,设计发射机的发射波束形成向量rf,， rf,-V^K(:，1)，其中，K来自于 对W,进行奇异值分解好,=t/,4^f . K(:,l)表示取酉阵的第一列； 步骤3:接收机估计第一跳和第二跳的信道响应和好2 ;
步骤4:接收机首先根据广义Lloyd算法设计码本子空间，再与本发明所设计的码字更新算法
相结合进行迭代直至满足收敛精度要求，得到所需码本，最后将每个码字能量归一化。码本设计与
码字更新算法具体步骤为
Step 1:初始化一组联合波束形成的码本卜"y、l，…,2"，并随机产生^次信道实现
{^,,,^.2^,，其中fi是反馈比特数，^,和H,.2表示第!'次两跳的信道实现，A是信道实现次数， 例如^ =10000 :
Step 2:针对给定的码本卜^、1,…，2^,把信道空间划分成28个信道子空间，划分准则如下
"^T^2^"^，,P",…,2气y-P ，其中'
j = [W2diag(W,rf,)]W [Adiag(好,《)]'2J = ^diag(好f好,)+ "^diag(好,rf,《"W," ， cr,2为中继
尸2
接收噪声方差，c^为信宿接收噪声方差，尸2为所有中继的发送功率
Step3:针对2^个信道子空间[SJ二，分别对每个联合波束形成的码字通过新设计的码字算法 进行更新。码字更新问题可描述为
8"=argmax
、
log2 〔xw ([^diag(仏,A.,)]" [",.2diag(" ,,《,)]} x〕 -1og2(A:Vdiag(好d)ac)
针对上式，设计码字更新算法，具体步骤如下 Step4:初始化"O, x0=0, "0=1, 4=0: Step 5: While* + ) </(&) +0.45"* (《&)
End
Step 6:令"=;
Step 7:将代入Step2生成更新的子空间，如此循环直至满足收敛精度要求。 步骤5:接收机将所设计的码本反馈给所有中继；
步骤6:接收机根据两跳信道信息选择一个能使接收信噪比最大的码字HV然后计算出该码 字对应的中继转发功率《，然后将f和^对应的标号反馈给所有中继；
步骤7:每个中继根据码字标号找到相应码字，进而得到自己对应的码字分量，乘以接收信号 再放大后，在下一个时隙转发给接收机；
步骤8:接收机采用最大比合并(MRC)进行接收，接收矢量Z为Z = ，其中
其中，(.广 一矩阵或向量的共轭转置d艰(O—取对角元构成一对角阵；^一A:x/:的单位 阵，/C为中继数；求和运算；，一函数/(x)对自变量x求偏导；||.||F—取矩阵的Frobenius 范数；max(.)—求最大值。
图3 图5给出了所设计的分布式波束形成码本在不同反馈量和不同天线配置下的频谱效率性 能。其中完全反馈的情况为本发明所设计的中继需获知全部信道状态信息的协作多中继最优分布式 波束形成方法。
由图3可见，当fi从l增加到2， 5时，频谱效率明显增大，当￡ = 5时，获得大约0.6b/s/Hz的 增益。可见，所设计码本在反馈开销比较小的情况下得到很明显的频谱效率增益。
图4和图5给出了两个分布式中继的情况，在两种接收机的接收天线数下，系统的频谱效率在 反馈比特数5 = 5时都非常接近理想情况下的性能。可见所提分布式波束形成方案在所设计码本下 以很小的反馈量获得了明显的系统性能增益。
权利要求
1.一种基于有限反馈的协作中继波束形成方法，其特征在于，该方法适用于一种通信系统，该通信系统包括一个发射机、多个中继和一个接收机，发射机配置多根天线，每个中继都配置单根天线，接收机配置多根天线，多个中继相互协作并采用放大转发协议；整个通信过程在两个时隙完成，在第一时隙，发射机对数据流进行发射波束形成后广播给所有中继，在第二时隙，所有中继根据来自接收机的包含码字标号和功率放大因子的有限反馈信息确定分布式波束形成的码字，然后多个中继将接收信号经各自码字分量处理后转发给信宿；通过码本设计和码字更新算法来完成码本的设计，中继根据每次信道条件从该码本中选择能使接收机瞬时信噪比最大的码字作为波束形成向量。
2. 根据权利要求1所述的基于有限反馈的协作中继波束形成方法，其特征在于该方法 的具体步骤如下步骤1:发射机估计第一跳的信道响应;步骤2:发射机根据W,设计发射机的发射波束形成向量rf,,《-V^V^'l)，其中，S为发射机的发射功率，^来自于对好,进行奇异值分解好,-tVi^"， R为左奇异矩阵，/^为 奇异值组成的对角阵，K为右奇异矩阵，K(:，l)表示取酉阵的第一列； 步骤3:接收机估计第一跳和第二跳的信道响应好,和W2 ;步骤4:接收机首先根据广义Lloyd算法设计码本子空间，再与码字更新算法相结合 进行迭代直至满足收敛精度要求，得到所需码本，最后将每个码字能量归一化；步骤5:接收机将所设计的码本反馈给所有中继；步骤6:接收机根据两跳信道信息选择一个能使接收信噪比最大的码字^，然后计算 出该码字对应的中继转发功率。然后将f和"对应的标号反馈给所有中继；步骤7:每个中继根据码字标号找到相应码字，进而得到自己对应的码字分量，乘以 接收信号再放大后，在下一个时隙转发给接收机；步骤8:接收机采用最大比合并(MRC)进行接收，接收矢量Z为 ， ;,其中R =f^ag(H^);
3. 根据权利要求1所述的基于有限反馈的协作中继波束形成方法，其特征在于，码本 设计与码字更新算法具体步骤为步骤1:初始化一组联合波束形成的码本(HW、1,…,2",并随机产生Z^次信道实现(好,.,，好,」t'，，其中^是反馈比特数，好i,和W,，表示第Z次两跳的信道实现，^是信道实现次数，例如A =10000;步骤2:针对给定的码本{^,7 = 1,-，21，把信道空间划分成2"个信道子空间，划分准则如下ff,,,^^,力p-l,…,2 y7p ,其中，尸2为中继接收噪声方差，g为信宿接收噪声方差，尸2为所有中继的发送功率；步骤3:针对2^个信道子空间{&}二，分别对每个联合波束形成的码字通过新设计的 码字算法进行更新，码字更新问题可描述为<formula>formula see original document page 3</formula>针对上式，设计码字更新算法，具体步骤如下步骤4:初始化* = 0, x。=0, a。=l, J。=0; 步骤5: While + "A) < /(^) + 0.45^ (《^) JEnd步骤6:令^=&+1:步骤7:将h^代入步骤2生成更新的子空间，如此循环直至满足收敛精度要求。 其中，(.广一矩阵或向量的共轭转置；取对角元构成一对角阵；a:x/:的单位阵，/:为中继数；z(.)-求和运算；，一函数/0^对自变量;c求偏导；|||F —取矩阵的Frobenius范数；max(.) —求最大值。
全文摘要
基于有限反馈的协作中继波束形成方法适用于一种通信系统，该通信系统包括一个发射机、多个中继和一个接收机，发射机配置多根天线，每个中继都配置单根天线，接收机配置多根天线，多个中继相互协作并采用放大转发协议；整个通信过程在两个时隙完成，在第一时隙，发射机对数据流进行发射波束形成后广播给所有中继，在第二时隙，所有中继根据来自接收机的包含码字标号和功率放大因子的有限反馈信息确定分布式波束形成的码字，然后多个中继将接收信号经各自码字分量处理后转发给信宿；通过码本设计和码字更新算法来完成码本的设计，中继根据每次信道条件从该码本中选择能使接收机瞬时信噪比最大的码字作为波束形成向量。
文档编号H04L1/02GK101552632SQ200910029240
公开日2009年10月7日 申请日期2009年4月7日 优先权日2009年4月7日
发明者仲崇显, 菲 俞, 李春国, 杨绿溪, 睿 赵 申请人:东南大学