專利名稱：雙向信道中基于最小均方誤差波束成型的信息傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及網(wǎng)絡(luò)編碼和波束成型，具體地說是針對兩個源節(jié)點(diǎn)和一個中繼節(jié)點(diǎn)的無線通信網(wǎng)絡(luò)，可用于改善信道容量和誤比特率性能。

背景技術(shù)：
利用中繼幫助移動用戶轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，可獲得額外的分集增益，改善接收端的誤比特BER性能，是提高移動用戶在小區(qū)邊緣通話質(zhì)量的有效手段之一。針對圖1所示的無線雙向中繼信道，兩個源節(jié)點(diǎn)通過一個中繼節(jié)點(diǎn)交換信息時，通常需要四個時隙，即兩個源節(jié)點(diǎn)分別占用一個時隙與中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，中繼節(jié)點(diǎn)占用兩個時隙，分別為兩個源節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。
網(wǎng)絡(luò)編碼作為現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)中的一種設(shè)計(jì)方案允許網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)把多條鏈路接收到的信號進(jìn)行一定的線性或非線性編碼后轉(zhuǎn)發(fā)，減少了數(shù)據(jù)包的傳輸次數(shù)，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的容錯性和魯棒性，為提高雙向中繼信道的傳輸效率提供了一個有效的方法。特別是在無線網(wǎng)絡(luò)中，由于其在無線傳輸中的廣播特性使其能更好的利用網(wǎng)絡(luò)編碼，更有效的解決了無線網(wǎng)絡(luò)中的干擾問題。
通常交換一次信息需要四個時隙，在中繼節(jié)點(diǎn)通過利用網(wǎng)絡(luò)編碼我們可以在三個時隙內(nèi)完成一次交換，其基本原理是將兩個源節(jié)點(diǎn)分別占用一個時隙與中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，然后由中繼節(jié)點(diǎn)將譯碼得到兩個源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行模2運(yùn)算后重新編碼轉(zhuǎn)發(fā)，需要三個時隙就可以交換一個數(shù)據(jù)包，利用基于模擬網(wǎng)絡(luò)編碼ANC的TWRC可以在兩個時隙內(nèi)完成這一過程，源節(jié)點(diǎn)同時向中繼發(fā)送信息，然后在中繼進(jìn)行放大轉(zhuǎn)發(fā)操作，從而實(shí)現(xiàn)了兩個源節(jié)點(diǎn)之間信息的交換。
無線通信網(wǎng)絡(luò)中的波束成型方法根據(jù)衰落信道狀態(tài)設(shè)計(jì)波束成型矩陣，利用波束成型矩陣對發(fā)送信號進(jìn)行預(yù)處理消除信道間干擾，提高多徑衰落信道中的傳輸性能，雙向中繼信道的容量最優(yōu)波束成型方法不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)計(jì)，均是基于系統(tǒng)的容量限問題設(shè)計(jì)出波束成型矩陣，現(xiàn)有的最優(yōu)波束成型方法雖然可以在滿足系統(tǒng)容量的同時消除干擾，但卻存在復(fù)雜度較高的問題，而次優(yōu)波束成型方法雖然降低了復(fù)雜度但是誤碼率性能較差，給傳輸過程中帶來較多的錯誤比特，影響傳輸?shù)恼_性。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的缺點(diǎn)，提出了一種雙向信道中基于最小均方誤差波束成型的信息傳輸方法，以在中繼功率受限條件下，降低波束成型矩陣的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)誤碼率性能，避免傳輸過程中的錯誤比特，保證了傳輸?shù)恼_性。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的 (1)采用Turbo碼對兩個源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息d1，d2分別進(jìn)行編碼，得到編碼序列x1，x2，對該編碼序列進(jìn)行調(diào)制，并將調(diào)制后的信號s1(n)和s2(n)以功率p1和p2同時發(fā)送至中繼節(jié)點(diǎn)； (2)中繼節(jié)點(diǎn)基于最小均方誤差準(zhǔn)則構(gòu)建波束成型矩陣 (2a)令HUL＝[h1，h2]，HDL＝[h2，h1]T，h1和h2分別為源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的信道，對HUL進(jìn)行奇異值分解HUL＝U∑VH，U∈CM×2，將中繼最小均方誤差波束成型矩陣表示為A＝U*BUH，B∈C2×2； (2b)采用最小均方誤差準(zhǔn)則構(gòu)建中繼波束成型矩陣 根據(jù)最小均方誤差準(zhǔn)則的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)表達(dá)式構(gòu)建中繼最小均方誤差波束成型矩陣 其中σn2和σa2分別為噪聲功率和信號功率，aMMSE和bMMSE是構(gòu)建波束成型矩陣需要求解的兩個復(fù)變量，I是復(fù)單位矩陣，

是最小均方誤差接收機(jī)表達(dá)式，

是最小均方誤差發(fā)射機(jī)表達(dá)式； 利用奇異值分解公式

和

分別對HDLH和HULH進(jìn)行分解，得到中繼波束成型矩陣為 令 使AMMSE＝U*BMMSEUH； 式中BMMSE矩陣通過對源節(jié)點(diǎn)S1和S2的可達(dá)速率求解得到，U*為U的共軛矩陣，UH為U的共軛轉(zhuǎn)置矩陣； (3)利用得到的最小均方誤差波束成型矩陣，對中繼節(jié)點(diǎn)接收到的混合信號進(jìn)行最小均方誤差波束成型，表示為xR(n)＝AMMSEyR(n)，n＝1，...，N，其中yR(n)為中繼節(jié)點(diǎn)接收到的兩個源節(jié)點(diǎn)的混合信息； (4)中繼節(jié)點(diǎn)在第二個時隙將波束成型信息xR(n)廣播給兩個源節(jié)點(diǎn)，這兩個源節(jié)點(diǎn)分別從各自接收到的信息中減去自相干擾后，通過解調(diào)得到對方源節(jié)點(diǎn)的信息，以在兩個時隙內(nèi)實(shí)現(xiàn)源節(jié)點(diǎn)之間信息的交換。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn) 1.本發(fā)明由于在中繼節(jié)點(diǎn)采用可達(dá)速率優(yōu)化構(gòu)建最小均方誤差波束成型矩陣，在不對系統(tǒng)性能造成較大影響下，相比于最優(yōu)波束成型方法極大的降低了復(fù)雜度，同時保證了傳輸?shù)恼_性。
2.本發(fā)明由于在中繼節(jié)點(diǎn)上采用了最小均方誤差波束成型，使中繼節(jié)點(diǎn)不需要譯出兩個源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信息而直接放大轉(zhuǎn)發(fā)，可以在兩個時隙完成兩個源節(jié)點(diǎn)的信息交互，使吞吐量達(dá)到1/2符號/用戶/符號周期，提高了系統(tǒng)吞吐量；


圖1是現(xiàn)有的無線雙向中繼通信網(wǎng)絡(luò)模型示意圖； 圖2是本發(fā)明的信息傳輸流程圖； 圖3是本發(fā)明的可達(dá)速率優(yōu)化求解矩陣BMMSE的流程圖； 圖4是本發(fā)明容量域性能比較圖； 圖5是本發(fā)明誤碼率性能比較圖。

具體實(shí)施例方式 參照圖2，雙向信道中基于最小均方誤差波束成型的信息傳輸方法，包括如下步驟 步驟1，兩個源節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送信息 參照圖1，采用Turbo碼對兩個源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息d1，d2分別進(jìn)行編碼，得到編碼序列x1，x2，對該編碼序列進(jìn)行調(diào)制，并將調(diào)制后的信號s1(n)和s2(n)以功率p1和p2同時發(fā)送至中繼節(jié)點(diǎn)。
步驟2，中繼節(jié)點(diǎn)構(gòu)建波束成型矩陣 中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)最小均方誤差準(zhǔn)則構(gòu)造波束成型矩陣 (2.1)令上行鏈路信道HUL＝[h1，h2]，下行鏈路信道HDL＝[h2，h1]T，h1和h2分別為源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的信道，對上行鏈路信道HUL進(jìn)行奇異值分解HUL＝U∑VH，U∈CM×2，將中繼最小均方誤差波束成型矩陣表示為AMMSE＝U*BMMSEUH，BMMSE∈C2×2； (2.2)根據(jù)最小均方誤差準(zhǔn)則的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)表達(dá)式構(gòu)建中繼最小均方誤差波束成型矩陣 其中σn2和σa2分別為噪聲功率和信號功率，aMMSE和bMMSE是構(gòu)建波束成型矩陣需要求解的兩個復(fù)變量，I是復(fù)單位矩陣，

為已知基于最小均方誤差的接收機(jī)表達(dá)式為，

為已知基于最小均方誤差的發(fā)射機(jī)表達(dá)式為， (2.3)利用奇異值分解公式

和

對HDLH和HULH分別進(jìn)行分解，代入上述最小均方誤差波束成型矩陣，將其轉(zhuǎn)化為 令 使AMMSE＝U*BMMSEUH； 式中U*為U的共軛矩陣，UH為U的共軛轉(zhuǎn)置矩陣，BMMSE矩陣通過對源節(jié)點(diǎn)S1和S2的可達(dá)速率求解得到； (2.4)參照圖3，利用源節(jié)點(diǎn)可達(dá)速率優(yōu)化求解BMMSE矩陣 首先，引進(jìn)向量α＝[α21，α12]T，


Rsnm＝r21+r12，r12為源節(jié)點(diǎn)S1通過中繼節(jié)點(diǎn)向源節(jié)點(diǎn)S2傳輸?shù)目蛇_(dá)速率，r21為源節(jié)點(diǎn)S2通過中繼節(jié)點(diǎn)向源節(jié)點(diǎn)S1傳輸?shù)目蛇_(dá)速率，對于確定的向量α，源節(jié)點(diǎn)可達(dá)速率優(yōu)化表達(dá)式為 其中g(shù)1＝UHh1和g2＝UHh2分別為兩個源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的等價(jià)信道，Rsum為源節(jié)點(diǎn)可達(dá)速率； 其次，將上述可達(dá)速率優(yōu)化轉(zhuǎn)化為中繼發(fā)射功率優(yōu)化求解的表達(dá)式為 其中r為求解過程中的一個常量； 最后，對上述中繼發(fā)射功率優(yōu)化表達(dá)式進(jìn)行求解，步驟如下 (a)設(shè)定向量α、源節(jié)點(diǎn)速率和的上限

及中繼發(fā)射功率上限PR均為已知，令

rmin＝0，
(b)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)求解中繼發(fā)射功率優(yōu)化表達(dá)式，得到最優(yōu)解pR*以及此時的矩陣BMMSE，如果

令rmin＝r，否則令rmax＝r； (c)令δr為給定的一個常數(shù)，若rmax-rmin≥δr，利用

更新r的值后，返回步驟(b)執(zhí)行循環(huán)，繼續(xù)求解中繼發(fā)射功率優(yōu)化表達(dá)式，直到rmax-rmin≤δr，循環(huán)結(jié)束，最終得到矩陣BMMSE。
步驟3，中繼節(jié)點(diǎn)波束成型 利用得到的最小均方誤差波束成型矩陣，對中繼節(jié)點(diǎn)接收到的混合信號進(jìn)行最小均方誤差波束成型，中繼節(jié)點(diǎn)接收到的混合信號表示

zR(n)表示加性高斯白噪聲，中繼節(jié)點(diǎn)波束成型表示為xR(n)＝AMMSEyR(n)，n＝1，...，N，其中AMMSE∈CM×M為中繼節(jié)點(diǎn)最小均方誤差波束成型矩陣。
步驟4，中繼節(jié)點(diǎn)廣播信息 中繼節(jié)點(diǎn)在第二個時隙將波束成型處理后的信息xR(n)廣播給兩個源節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)到源節(jié)點(diǎn)的信道分別為h1T和h2T，源節(jié)點(diǎn)S1和S2接收到的信號表示為 其中z1(n)和z2(n)分別為中繼節(jié)點(diǎn)到源節(jié)點(diǎn)S1和S2的加性高斯白噪聲，源節(jié)點(diǎn)分別從各自接收到的信息中減去自相干擾

和

后，通過解調(diào)得到對方源節(jié)點(diǎn)的信息，從而在兩個時隙內(nèi)實(shí)現(xiàn)源節(jié)點(diǎn)之間信息的交換。
本發(fā)明的有益結(jié)果通過以下進(jìn)一步仿真說明 仿真中采用兩個源節(jié)點(diǎn)一個中繼節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)模型，源節(jié)點(diǎn)各配置一根天線，中繼節(jié)點(diǎn)配置四根天線，源節(jié)點(diǎn)信息采用turbo編碼以及BPSK調(diào)制進(jìn)行處理，分別對系統(tǒng)的容量和誤碼率進(jìn)行仿真。
圖4給出了本發(fā)明與現(xiàn)有最優(yōu)波束成型方法以及兩種次優(yōu)波束成型方法的容量性能比較，從圖4可見，本發(fā)明在降低波束成型矩陣復(fù)雜度下不會對系統(tǒng)容量性能帶來較大影響。
圖5給出了本發(fā)明與現(xiàn)有最優(yōu)波束成型方法以及兩種次優(yōu)波束成型方法的誤碼率性能比較，從圖5可見，本發(fā)明較好的提高了系統(tǒng)誤碼率性能，減少了傳輸錯誤比特，保證了傳輸?shù)恼_性。
權(quán)利要求
1.一種雙向信道中基于最小均方誤差波束成型的信息傳輸方法，包括如下步驟
(1)采用Turbo碼對兩個源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息d1，d2分別進(jìn)行編碼，得到編碼序列x1，x2，對該編碼序列進(jìn)行調(diào)制，并將調(diào)制后的信號s1(n)和s2(n)以功率p1和p2同時發(fā)送至中繼節(jié)點(diǎn)；
(2)中繼節(jié)點(diǎn)基于最小均方誤差準(zhǔn)則構(gòu)建波束成型矩陣
2a)令HUL＝[h1，h2]，HDL＝[h2，h1]T，h1和h2分別為源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的信道，對HUL進(jìn)行奇異值分解HUL＝U∑VH，U∈CM×2，將中繼最小均方誤差波束成型矩陣表示為AMMSE＝U*BMMSEUH，BMMSE∈C2×2；
2b)采用最小均方誤差準(zhǔn)則構(gòu)建中繼波束成型矩陣
根據(jù)最小均方誤差準(zhǔn)則的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)表達(dá)式構(gòu)建中繼最小均方誤差波束成型矩陣
其中σn2和σa2分別為噪聲功率和信號功率，aMMSE和bMMSE是構(gòu)建波束成型矩陣需要求解的兩個復(fù)變量，I是復(fù)單位矩陣，
是最小均方誤差接收機(jī)表達(dá)式，
是最小均方誤差發(fā)射機(jī)表達(dá)式；
利用奇異值分解公式
和
分別對HDLH和HULH進(jìn)行分解，得到中繼波束成型矩陣為
令
使AMMSE＝U*BMMSEUH；
式中BMMSE矩陣通過對源節(jié)點(diǎn)S1和S2的可達(dá)速率求解得到，U*為U的共軛矩陣，UH為U的共軛轉(zhuǎn)置矩陣；
(3)利用得到的最小均方誤差波束成型矩陣，對中繼節(jié)點(diǎn)接收到的混合信號進(jìn)行最小均方誤差波束成型，表示為xR(n)＝AMMSEyR(n)，n＝1，...，N，其中yR(n)為中繼節(jié)點(diǎn)接收到的兩個源節(jié)點(diǎn)的混合信息；
(4)中繼節(jié)點(diǎn)在第二個時隙將波束成型信息xR(n)廣播給兩個源節(jié)點(diǎn)，這兩個源節(jié)點(diǎn)分別從各自接收到的信息中減去自相干擾后，通過解調(diào)得到對方源節(jié)點(diǎn)的信息，以在兩個時隙內(nèi)實(shí)現(xiàn)源節(jié)點(diǎn)之間信息的交換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向信道中基于最小均方誤差波束成型的信息傳輸方法，其中步驟2b)所述的矩陣BMMSE通過源節(jié)點(diǎn)的可達(dá)速率求解，按照如下步驟進(jìn)行
第一步，引進(jìn)向量α＝[α21，α12]T，其中
Rsum＝r21+r12，r12為源節(jié)點(diǎn)S1通過中繼節(jié)點(diǎn)向源節(jié)點(diǎn)S2傳輸?shù)目蛇_(dá)速率，r21為源節(jié)點(diǎn)S2通過中繼節(jié)點(diǎn)向源節(jié)點(diǎn)S1傳輸?shù)目蛇_(dá)速率，
對于確定的向量α，源節(jié)點(diǎn)可達(dá)速率優(yōu)化表示為
其中g(shù)1＝UHh1，g2＝UHh2，Rsum為源節(jié)點(diǎn)可達(dá)速率；
第二步，將上述可達(dá)速率優(yōu)化轉(zhuǎn)化為中繼發(fā)射功率優(yōu)化求解的表達(dá)式為
pR＝||BMMSEg1||2p1+||BMMSEg2||2p2+tr(BMMSEBMMSEH)
subject to
r為求解過程中的一個常量
第三步，對第二步的中繼發(fā)射功率優(yōu)化求解表達(dá)式進(jìn)行求解
(a)設(shè)定向量α、源節(jié)點(diǎn)速率和的上限
及中繼發(fā)射功率上限PR均為已知，令
rmin＝0，
(b)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)求解中繼發(fā)射功率優(yōu)化表達(dá)式，得到最優(yōu)解pR*以及此時的矩陣BMMSE，如果
令rmin＝r，否則令rmax＝r；
(c)令δr為給定的一個常數(shù)，若rmax-rmin≥δr，利用
更新r的值后，返回步驟(b)執(zhí)行循環(huán)，繼續(xù)求解中繼發(fā)射功率優(yōu)化表達(dá)式，直到rmax-rmin≤δr，循環(huán)結(jié)束，最終得到矩陣BMMSE。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙向信道中基于最小均方誤差波束成型的信息傳輸方法，它屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，主要解決現(xiàn)有技術(shù)復(fù)雜度高的問題。具體地說是針對兩個源節(jié)點(diǎn)和一個中繼節(jié)點(diǎn)的無線通信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)一種能改善信道容量和誤比特性能同時降低復(fù)雜度的信息傳輸方法。其步驟是兩個源節(jié)點(diǎn)同時將編碼信息發(fā)送至中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)按照最小均方誤差準(zhǔn)則構(gòu)建波束成型矩陣；中繼節(jié)點(diǎn)對接收到的源節(jié)點(diǎn)混合信息波束成型處理后再廣播給源節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)譯碼獲得對方信息。本發(fā)明在不對系統(tǒng)性能造成較大影響下，降低了復(fù)雜度，保證了傳輸?shù)恼_性，可用于雙向中繼系統(tǒng)中信息的可靠傳輸。
文檔編號H04L1/06GK101741448SQ20091021934
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月4日
發(fā)明者李穎, 李海強(qiáng), 孫岳 申請人:西安電子科技大學(xué)