[发明专利]一种包含直传链路的多用户MIMO中继系统的联合预编码方法

摘要

本发明是一种包含直传链路的多用户MIMO中继系统的联合预编码方法，在发射/接收端多用户MIMO中继通信场景下，以MSMSE为设计准则，提出一种发射端的所有用户集中优化的联合预编码方法。根据MMSE接收滤波理论，直接求解出接收滤波矩阵的优化表达式。发射端用户的子预编码矩阵的子优化问题通过求解K.K.T条件获得，中继收发矩阵的子优化问题被转化成一个标准的SDP问题进行优化处理。最后，发射端用户的子预编码矩阵、中继收发矩阵和接收滤波矩阵联合迭代至收敛，得到优化后的预编码矩阵。经过仿真分析验证，所提方法的和均方误差和方法的误码率性能较好,特别在低信噪比情况下的系统性能最优。

主权项

1.一种包含直传链路的多用户MIMO中继系统的联合预编码方法，基于一个包含直传链路的多用户MIMO AF中继通信系统模型：模型由K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，中继节点采用AF中继协议，系统中的第k个发射端用户通过中继节点或者直接将信息传输给第k个接收端用户，第k个接收端用户在两个传输时隙内均接收到信息，其特征在于,包括以下步骤：步骤一：分别计算接收端直接接收到的发射端信号和接收端通过中继接收到的发射端信号；在第一个传输时隙内，第k个发射端的用户将原始的单流信号s_k(k＝1,2,…,K)经过发射预编码矩阵B_k处理后得到发送信号x_k＝B_ks_k，信号x_k被同时发送给中继节点和所有接收端的用户，其中在第一个时隙内，中继节点和第k个接收端的用户接收到的信号分别为y_r和其具体表达式如下：其中，H是等效后的基站到中继节点的MIMO信道矩阵，令是等效后基站的预编码矩阵，矩阵B由所有发射端用户的子预编码矩阵构成，等效后的基站到第k个接收端用户之间的MIMO信道矩阵为T_k(k＝1,2,…,K)，P_s,k为第k个发射端用户最大的发射功率，且假设所有的发射端用户有相同的发射功率，即P_s,k＝P_s,n_r和分别定义为中继节点和第k个接收端用户处的复加性高斯白噪声，和分别为中继节点和第k个接收端用户处的噪声功率，表达式中T_kB_ks_k为有用信号、为干扰信号；在第二个传输时隙内，中继收发矩阵F对接收信号y_r进行预处理，通过中继节点再转发给所有接收端的用户，第k个接收端用户接收的信号向量表达式如下：其中，G_k(k＝1,2,…,K)为中继节点到第k个接收端用户的信道矩阵，为第k个接收端的用户在第二个传输时隙内的复加性高斯白噪声，P_r为中继节点处的最大发射功率，表达式中G_kFHB_ks_k为有用信号，为干扰信号；步骤二：计算第k个接收端用户在两个传输时隙内接收到的总信号；结合表达式和表达式，第k个接收端用户在两个传输时隙内接收的信号和可以被合并为一个信号y_k，y_k具体表达式为：y_k表达式中，为有用信号，为干扰信号，为噪声，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，则接收端的接收信号y_k可进一步表达为：步骤三：计算第k个用户处的信号波形均方误差表达式：其中，第k个接收端用户处的接收滤波矩阵为Wk，根据第k个接收端用户处的信号yk的表达式和其对应的滤波矩阵Wk的表达式，第k个接收端用户处的均方误差矩阵MSEk的表达式为：其中，||·||₂是向量的模二运算，步骤四：以系统和均方误差最小化为目标，构建直传链路下MIMO中继系统的联合预编码方法的优化问题表示式:步骤五：假设给定中继转发矩阵F和发射预编码矩阵Bk，直接通过最小均方误差接收滤波理论方法求解接收滤波矩阵Wk(k＝1,2,…,K)；第k个接收端用户处的接收滤波矩阵Wk由第一个传输时隙的接收滤波矩阵W1k和第二个传输时隙的接收滤波矩阵W2k组成，根据最小均方误差接收滤波原理，第k个接收端用户处的接收滤波矩阵Wk的表达式可表达如下：步骤六：假设给定中继转发矩阵F和接收滤波矩阵Wk(k＝1,2,…,K)，通过采用凸优化求解方法K.K.T条件求解发射预编码矩阵Bk的优化值；将式MSEk表达式带入[Bk,F,Wk]表达式中，仅以Bk为优化变量的优化方程可以表示为：忽略中继节点处的功率限制条件，采用凸优化求解方法K.K.T条件求解其优化值：首先构造有关Bk的拉格朗日函数为：其中，是表达式的拉格朗日系数，需满足表达式的功率条件，基于表达式通过拉格朗日乘数法求得的矩阵变量B_k的优化表达式为：步骤七：假设给定矩阵变量Bk和Wk(k＝1,2,…,K)，通过求解半定规划问题更新中继收发矩阵F；将MSEk表达式带入[Bk,F,Wk]表达式中，以F为优化变量的优化方程转化为：首先，根据下面的运算规则：Tr(CHD)＝(vec(C))Tvec(D)令V_k＝W_1kT_k和f＝vec(F)，其中vec(·)是矩阵的向量化运算，CVX工具箱允许存在向量形式的操作，为矩阵的克罗内克积运算，关于中继收发矩阵F的目标函数[F]表达式可进行如下的分解：Tr(MkFHBk)＝Tr(HBkMkF)＝(vec((HBkMk)T))Tf令中继功率限制条件的表达式左边的一项根据矩阵运算法则可转化为：另外，定义下面几个变量替换：将表达式、Tr(M_kFHB_k)表达式、表达式、表达式、Tr(FRF^H)表达式、U_k表达式、a_k表达式、b_k表达式和t_k表达式带入到关于优化变量F的优化方程式[F]表达式和中，则与中继收发矩阵F相关的优化问题可进一步转化为：根据舒尔补定理，引入辅助变量pk(k＝1,2,…K)且满足pk≥Tr(MSEk)，基于最小和均方误差准则的关于矩阵变量F的优化问题转化为如下等价的SDP问题：CVX优化工具箱识别标准的SDP问题且自动调用内点法对该问题进行求解；步骤八：设最大迭代次数为I_max，迭代终止门限为ε，迭代次数为n；则发射端用户的子预编码矩阵B_k、中继收发矩阵F和接收滤波矩阵W_k联合迭代至收敛，得到优化后的预编码矩阵，判断是否满足结束迭代条件，当满足时，结束迭代；否则，跳转到步骤五，继续迭代直到满足结束迭代条件，其中结束迭代条件具体为：且||F⁽ⁿ⁺¹⁾‑F⁽ⁿ⁾||≤ε，或者n＞I_max。