一種濾波前傳中繼網(wǎng)絡(luò)中濾波器系數(shù)的設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的是提出一種適用于濾波前傳中繼網(wǎng)絡(luò)中濾波器系數(shù)的設(shè)計(jì)方法，涉及無線通信中繼傳輸【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是：通過遵循信道容量最大化原則，獲取整個(gè)濾波前傳中繼網(wǎng)絡(luò)中濾波器系數(shù)的最優(yōu)設(shè)計(jì)。通過構(gòu)建發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間的虛擬信道，把對(duì)信道容量最大化問題的求解，轉(zhuǎn)化為對(duì)接收機(jī)在虛擬信道中，加權(quán)均方誤差最小化問題的求解，從而獲得整個(gè)濾波前傳中繼網(wǎng)絡(luò)中濾波器系數(shù)的最優(yōu)設(shè)計(jì)。本發(fā)明為濾波前傳中繼通信網(wǎng)絡(luò)中濾波器系數(shù)的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)的處理、資源的分配提供良好的理論依據(jù)。
【專利說明】一種濾波前傳中繼網(wǎng)絡(luò)中濾波器系數(shù)的設(shè)計(jì)方法 一、

【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及無線通信中繼傳輸【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種濾波前傳中繼網(wǎng)絡(luò)中濾波器 系數(shù)的設(shè)計(jì)方法。 二、

【背景技術(shù)】：
[0002] 協(xié)作式波束形成技術(shù)是在原有拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過多用戶協(xié)作，提高系 統(tǒng)功率的效率和無線頻譜資源的利用率。它是一種利用地理位置上分散的單天線無線中繼 節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)空間分集的新技術(shù)。它解決了由于通信設(shè)備尺寸、發(fā)射功率、以及系統(tǒng)成本等方面 的限制，一個(gè)無線終端上無法通過安裝多個(gè)天線獲取空間分集的問題。與此同時(shí)，通過對(duì)無 線通信系統(tǒng)時(shí)間、空間、頻率等多維資源的高效復(fù)用，協(xié)作式波束形成通信技術(shù)可以支撐 更高速率、更高帶寬的無線傳輸，顯著改善網(wǎng)絡(luò)性能，逐漸成為3G與4G移動(dòng)通信中的關(guān) 鍵技術(shù)
[0003] 常見的協(xié)作式波束形成技術(shù)有解碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF, decode and forward)，放大轉(zhuǎn)發(fā) (AF, amplify and forward)和壓縮轉(zhuǎn)發(fā)（CF, compress and forward)。其中，放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF) 技術(shù)，即中繼節(jié)點(diǎn)只是將接收到的信號(hào)放大并轉(zhuǎn)發(fā)，這種中繼方式復(fù)雜程度較低較、處理方 便，因此在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而遺憾的是，放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF)技術(shù)不能獲 得分布式多中繼的陣列增益。為了解決上述中繼方式中的不足之處，全新的濾波前傳技術(shù) (FF，F(xiàn)ilter-and-Forward)被提出。在濾波前傳技術(shù)（FF)中，所有的中繼節(jié)點(diǎn)均配備有限 長單位沖擊響應(yīng)濾波器用以抵消發(fā)送機(jī)到中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)到接收機(jī)信道的影響，每個(gè) 中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行復(fù)加權(quán)，從而更好地利用多信道的空間特征，可以獲得更加有效 的性能增益。
[0004] 在現(xiàn)有的對(duì)濾波前傳中繼技術(shù)的研究成果中，已經(jīng)有對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)功率優(yōu)化、接收 機(jī)服務(wù)質(zhì)量、信干噪比改善等方面的技術(shù)成果產(chǎn)生。但是對(duì)濾波器系數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，仍 然還是空白。對(duì)于在無線中繼通信網(wǎng)絡(luò)中濾波器系數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，目前比較流行的研 究方法是迭代加權(quán)均方誤差最小化算法。迭代加權(quán)均方誤差最小化算法已經(jīng)被很好地應(yīng)用 到求解基于多信道約束條件下信道容量最大值的問題中。然而，由于在濾波前傳中繼網(wǎng)絡(luò) 中信道容量最大化問題結(jié)構(gòu)的特殊性，所以用傳統(tǒng)的加權(quán)均方誤差最小化算法不能直接應(yīng) 用到濾波前傳中繼網(wǎng)絡(luò)中信道容量的求解中去。進(jìn)而無法以信道容量最大化為原則，進(jìn)行 濾波器系數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 三、


【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0005] 本發(fā)明的目的是提出一種適用于濾波前傳中繼網(wǎng)絡(luò)中濾波器系數(shù)的設(shè)計(jì)方法，此 方法通過遵循信道容量最大化原則，獲取整個(gè)濾波前傳中繼網(wǎng)絡(luò)中濾波器系數(shù)的最優(yōu)設(shè) 計(jì)。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明上述目的的技術(shù)方案是：一種濾波前傳（Filter-and-Forward)中繼 網(wǎng)絡(luò)中濾波器系數(shù)的設(shè)計(jì)方法，通過構(gòu)建發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間的虛擬信道，把對(duì)信道容量 最大化問題的求解，轉(zhuǎn)化為對(duì)接收機(jī)在虛擬信道中，加權(quán)均方誤差最小化問題的求解，從而 獲得整個(gè)濾波前傳中繼網(wǎng)絡(luò)中濾波器系數(shù)的最優(yōu)設(shè)計(jì)。
[0007] 本發(fā)明包括以下步驟：
[0008] 1、建立虛擬信道。
[0009] 2、根據(jù)濾波前傳中繼網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的濾波器系數(shù)向量，確定虛擬信道接收波束成形向 量。
[0010] 3、根據(jù)接收波束成形向量和濾波器系數(shù)向量，計(jì)算虛擬信道中的最小均方誤差并 更新權(quán)重系數(shù)。
[0011] 4、對(duì)每一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)依次求解加權(quán)均方誤差最小化子問題，并更新濾波器系數(shù) 向量。
[0012] 5、前后兩次迭代計(jì)算對(duì)應(yīng)的信道容量差值大于精度控制參數(shù)時(shí)，重復(fù)步驟2到步 驟4,前后兩次迭代計(jì)算對(duì)應(yīng)的信道容量差值小于精度控制參數(shù)時(shí)，迭代計(jì)算全過程終止， 最后一次迭代計(jì)算結(jié)束后，所獲取的濾波器系數(shù)向量，既為本實(shí)施例中濾波器系數(shù)的最優(yōu) 設(shè)計(jì)。
[0013] 在步驟1中，所述虛擬信道，是指平坦衰落無線通信信道。
[0014] 在步驟2中，所述濾波前傳中繼網(wǎng)絡(luò)，是指一個(gè)半雙工多路中繼無線通信網(wǎng)絡(luò)，它 由發(fā)射機(jī)、配備有限長單位沖擊響應(yīng)濾波器（FIR)的中繼節(jié)點(diǎn)和接收機(jī)構(gòu)成。
[0015] 本發(fā)明的有益效果是：由于濾波前傳中繼網(wǎng)絡(luò)中信道容量估計(jì)問題結(jié)構(gòu)的特殊 性，用傳統(tǒng)的迭代算法和凸優(yōu)化技術(shù)無法完成對(duì)濾波前傳中繼網(wǎng)絡(luò)中濾波器系數(shù)的優(yōu)化設(shè) 計(jì)。本發(fā)明通過構(gòu)造發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的虛擬信道，并結(jié)合使用凸優(yōu)化思想和迭代加權(quán)均方 誤差最小化算法的原理，將求解濾波前傳中繼網(wǎng)絡(luò)信道容量的問題，轉(zhuǎn)化為對(duì)接收機(jī)在虛 擬信道中加權(quán)均方誤差最小化問題的求解，從而間接地完成對(duì)濾波前傳中繼網(wǎng)絡(luò)中信道容 量的估計(jì)，并以濾波前傳中繼網(wǎng)絡(luò)的信道容量最大化為原則，實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波器系數(shù)的優(yōu)化設(shè) 計(jì)。本發(fā)明為濾波前傳中繼通信網(wǎng)絡(luò)中濾波器系數(shù)的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)的處理、資源的分配提供良 好的理論依據(jù)。 四、

【專利附圖】

【附圖說明】：
[0016] 以下為本發(fā)明的4幅示意圖。
[0017] 圖1 :本發(fā)明所述濾波前傳中繼網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖2 :本發(fā)明實(shí)施例中的具體步驟流程示意圖；
[0019] 圖3 :本發(fā)明的實(shí)施例通過計(jì)算機(jī)軟件MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)后得出的信道容量收斂 圖；
[0020] 圖4 :本發(fā)明的實(shí)施例通過計(jì)算機(jī)軟件MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)后得出的在不同約束條件 下信道容量的變化圖； 五、

【具體實(shí)施方式】：
[0021] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，做進(jìn)一步詳細(xì)說明和描述。
[0022] 如圖1所示，一種濾波前傳中繼網(wǎng)絡(luò)中濾波器系數(shù)的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明中所述的 濾波前傳中繼網(wǎng)絡(luò)，是指一個(gè)半雙工多路中繼無線通信網(wǎng)絡(luò)，它由發(fā)射機(jī)、配有濾波器的中 繼節(jié)點(diǎn)和接收機(jī)構(gòu)成。在發(fā)射機(jī)到中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)到接收機(jī)之間的所有信道均為平坦 衰落無線通信信道。每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)均配備有限長單位沖擊響應(yīng)（FIR)濾波器，用于補(bǔ)償平 坦衰落信道對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)的影響。圖1中上標(biāo)指的是對(duì)復(fù)數(shù)取共軛。
[0023] 據(jù)前向?yàn)V波協(xié)議（FF)，所有的中繼節(jié)點(diǎn)均配備有限長單位沖擊響應(yīng)濾波器用以抵 消發(fā)射機(jī)到中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)到接收機(jī)信道的影響。在發(fā)射機(jī)中，配置有計(jì)算器用于存 儲(chǔ)、計(jì)算和更新本實(shí)施例中濾波前傳中繼網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)系數(shù)、向量和矩陣信息。所述計(jì)算器是 使用完整瞬時(shí)信道狀態(tài)信息（CSI)來計(jì)算接收機(jī)的權(quán)重系數(shù)和每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)中有限長單 位沖擊響應(yīng)濾波器的濾波器系數(shù)，然后將權(quán)重系數(shù)和濾波器系數(shù)及時(shí)反饋到每個(gè)接收機(jī)和 中繼節(jié)點(diǎn)。所述瞬時(shí)信道狀態(tài)信息（CSI)指的是接收機(jī)到中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)到接收機(jī)之 間信道的瞬時(shí)信道狀態(tài)信息，包括由信道抽頭系數(shù)構(gòu)成的信道特征矩陣，且瞬時(shí)信道狀態(tài) 信息可以被計(jì)算器及時(shí)收集獲取。
[0024] 在本實(shí)施例中，對(duì)部分涉及的數(shù)學(xué)運(yùn)算符號(hào)作出以下定義和解釋：
[0025] (1) In指的是η行η列的單位矩陣。
[0026] (2)數(shù)學(xué)符號(hào)（·）Η指的是對(duì)矩陣進(jìn)行共軛轉(zhuǎn)置，（?）1指的是對(duì)矩陣進(jìn)行轉(zhuǎn)置，符 號(hào)" ? "表示兩個(gè)矩陣的克羅內(nèi)克乘積。符號(hào)" 表示的是：均值為a,方差為b的 循環(huán)對(duì)稱復(fù)高斯變量。：指的是對(duì)變量A求數(shù)學(xué)期望。
[0027] (3) diag{x}指的是將一個(gè)向量X或者數(shù)列X，構(gòu)造為一個(gè)以X為主對(duì)角的對(duì)角矩 陣。
[0028] 例如：a = [a" a2, a3,…，an]，

【權(quán)利要求】
1. 一種濾波前傳中繼網(wǎng)絡(luò)中濾波器系數(shù)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟： 1) 建立虛擬信道； 2) 根據(jù)濾波前傳中繼網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的濾波器系數(shù)向量，確定虛擬信道接收波束成形向量； 3) 根據(jù)接收波束成形向量和濾波器系數(shù)向量，計(jì)算虛擬信道中的最小均方誤差并更新 權(quán)重系數(shù)； 4) 對(duì)每一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)依次求解加權(quán)均方誤差最小化子問題，并更新濾波器系數(shù)向量； 5) 前后兩次迭代計(jì)算對(duì)應(yīng)的信道容量差值大于精度控制參數(shù)時(shí)，重復(fù)步驟2到步驟4， 前后兩次迭代計(jì)算對(duì)應(yīng)的信道容量差值小于精度控制參數(shù)時(shí)，迭代計(jì)算全過程終止，最后 一次迭代計(jì)算結(jié)束后，所獲取的濾波器系數(shù)向量，既為本實(shí)施例中濾波器系數(shù)的最優(yōu)設(shè)計(jì)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種濾波前傳中繼網(wǎng)絡(luò)中濾波器系數(shù)的設(shè)計(jì)方法，其特征 是：所述虛擬信道，是指平坦衰落無線通信信道。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種濾波前傳中繼網(wǎng)絡(luò)中濾波器系數(shù)的設(shè)計(jì)方法，其特征 是：所述濾波前傳中繼網(wǎng)絡(luò)，是指一個(gè)半雙工多路中繼無線通信網(wǎng)絡(luò)，它由發(fā)射機(jī)、配備有 限長單位沖擊響應(yīng)濾波器（FIR)的中繼節(jié)點(diǎn)和接收機(jī)構(gòu)成。
【文檔編號(hào)】H03H17/02GK104270118SQ201410446069
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月3日
【發(fā)明者】史清江, 陳力 申請(qǐng)人:浙江理工大學(xué)