基于自干扰能量收集的全双工中继鲁棒波束成形设计方法与流程

本发明涉及中继通信系统，尤其是一种基于自干扰能量收集的全双工中继鲁棒波束成形设计。

背景技术：

无线中继是第五代无线网络的支持技术之一，可以显着提高网络覆盖范围和系统吞吐量。半双工中继占用两个时隙以实现源节点和目的节点之间的一次传输，这限制了频谱效率。全双工通信是可以帮助实现吞吐量增益的技术，与半双工通信相比，它通过利用整个带宽进行数据传输，提供了更高的频谱效率。全双工同时收发，具有比半双工加倍的信息速率，但同时会带来一个新的不容忽略的问题，中继在发送信号时接收天线也在工作，因此中继的发射信号会被其本身的接收天线重新接收，形成自干扰。自干扰可以证明在射频(rf)域中是有益的，其中可以收集自干扰信号的能量，并且因此增加用于后续传输的节点的功率。

理想的无线信息和能量同时传输(swipt)接收机是能够解码信息并从同一信号中获取能量的，然而现在实际的电路无法实现。常用的接收机结构包括时间切换(ts)和功率划分(ps)。时间切换接收机由共同定位的信息解码(id)和能量收集(eh)接收机组成，其中id接收器是传统的信息解码器。在这种情况下，发射机将传输块分成两个正交时隙，一个用于传输功率，另一个用于传输数据。在每个时隙，发射机可以优化其发射波形，以进行能量或信息传输。因此，接收器在收集能量和解码信息的两个时隙之间周期切换操作，不同的速率-能量(r-e)权衡可以通过改变能量传输的时隙长度实现。功率划分接收机的eh和id接收机组件与ts相同。但是，ps接收器将接收信号分成两个流，其中一个占总功率ρ(0<ρ<1)，用于eh，剩下的用于id。通过调整ρ的值来实现不同的r-e权衡。中继采用功率划分接收机结构时如何设计波束成形是本发明的主要研究课题。

技术实现要素：

发明目的：本发明旨在提供一种基于自干扰能量收集的全双工中继鲁棒波束成形设计方法，以最小化中继自身电池所需提供的功率为目标，并对最大中继发射功率以及最低端到端信噪比进行约束，并考虑实际系统中的信道信息误差。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于自干扰能量收集的全双工中继鲁棒波束成形设计方法具体包括以下步骤：

(1)构建以最小化中继自身电池所需提供的功率为目标的优化问题，所述中继自身电池所需提供的功率为中继发射功率与中继收集能量的差值，优化问题的约束条件包括中继发射功率不超过中继发射功率上限，以及端到端信噪比不低于信噪比下限；

(2)利用施密特正交化转换问题形式；

(3)利用kkt条件求解最优正交化系数的模值；

(4)得出最优中继鲁棒波束成形。

作为优选，步骤(1)中构建的优化问题如下：

优化目标：最小化pb＝pr-peh

约束条件：pr≤pmax

γ≥γ0

pb是中继自身电池所需提供的功率，pr＝||wr||²是中继发射功率，wr是中继波束成形向量，是中继收集能量，β是能量转换效率，α是功率划分因子，ps是信源发射功率，e(·)表示求取统计平均，为信源到中继的估计信道，为估计自干扰信道，是中继处噪声方差，则pmax是中继发射功率上限；γ＝min(sr,γrd)是端到端信噪比，是信源端到中继端的信道信噪比，是中继端到目的端的信道信噪比，是信源到中继的估计信道，δh为信源到中继的估计误差，服从均值为0方差为的复高斯分布，δf为自干扰信道估计误差，服从均值为0协方差为的复高斯分布，为中继到目的估计信道，δg为中继到目的估计误差，服从均值为0协方差为的复高斯分布，是目的节点处噪声方差；γ0是端到端信噪比要求。

作为优选，步骤(2)利用施密特正交化，wr可写成其中β1，β2表示正交化系数的模值，j表示虚数单位，∠表示复数的幅角，优化问题转换为如下等价形式：

优化目标：

约束条件：

其中，令上述问题改写成：

优化目标：

约束条件：

作为优选，步骤(3)利用kkt条件求解得到β1，β2的最优解:

令解集b为下列{β1,β2}的集合：

1)β1＝0,β2＝0；

2)

3)β2＝0

4)

则β1,β2的最优解为

作为优选，步骤(4)得出最优中继鲁棒波束成形向量

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.本发明针对全双工中继系统，通过优化中继波束成形wr，在满足约束条件前提下，最小化中继自身电池所需提供的发射功率pb。相较于不考虑信道信息误差的非鲁棒情况，本发明可以得到更低的中继自身电池所需功率。

2、本发明算法复杂度较低，便于工程实现。

附图说明

图1是本发明实施例的算法流程图。

图2是本发明实施例的仿真实验结果图。

具体实施方式

下面通过一个最佳实施例并结合附图对本发明进行详细说明。

本发明的典型应用场景是以最小化中继自身电池所需提供的功率为目标，并对最大中继发射功率以及最低端到端信噪比进行约束，并考虑实际系统中的信道信息误差。优化过程为利用施密特正交化转换优化问题，然后利用kkt条件求解得到闭合形式的最优中继鲁棒波束成形。如图1所示，本发明实施例公开的一种基于自干扰能量收集的全双工中继鲁棒波束成形设计方法，所构建的优化问题可以表示为：

优化目标：最小化pb

约束条件：pr≤pmax

γ≥γ0

pr＝||wr||²是中继发射功率，是中继收集能量，β是能量转换效率，α是功率划分因子，ps是信源发射功率，e(·)表示求取统计平均，为信源到中继的估计信道，为估计自干扰信道，是中继处噪声方差，则是中继自身电池所需提供的功率；pmax是中继发射功率上限；γ＝min(γsr,γrd)是端到端信噪比，是信源端到中继端的信道信噪比，

是中继端到目的端的信道信噪比，是信源到中继的估计信道，δh为信源到中继的估计误差，服从均值为0方差为的复高斯分布，δf为自干扰信道估计误差，服从均值为0协方差为的复高斯分布，为中继到目的估计信道，δg为中继到目的估计误差，服从均值为0协方差为的复高斯分布，是目的节点处噪声方差；γ0是端到端信噪比要求。

该问题的具体优化求解步骤如下：

(1)用施密特正交化，wr可写成其中β1，β2表示正交化系数的模值，优化问题转换为如下等价形式：

优化目标：

约束条件：

其中，令上述问题改写成：

优化目标：

约束条件：

(2)利用kkt条件求解得到β1，β2的最优解:

令解集b为下列几组{β1,β2}的集合：

1)β1＝0,β2＝0；

2)

3)β2＝0

4)

则β1,β2的最优解为上述组合2)和4)中±分别对应两种组合，β1中同时取加号，则β2也取加，β1中同时取减号，则β2也取减。

(3)得出最优中继鲁棒波束成形：

最优波束成形量

为了验证本发明的效果，进行了仿真实验，仿真实验所涉及的参数如下表所示：

表1仿真实验参数表

图2所示为鲁棒波束成形设计方案和非鲁棒波束成形设计方案的对比结果，仿真结果表明：相比于非鲁棒算法，鲁棒算法所需的中继自身电池功率更小。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。