任意時(shí)間偏差下魯棒的分布式波束形成器設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種任意時(shí)間偏差下魯棒的分布式波束形成器設(shè)計(jì)方法，將整數(shù)倍的時(shí)間偏差假設(shè)為頻率選擇性信道的影響，將從發(fā)射節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)以及從中繼節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)的信道都假設(shè)為頻率選擇性信道；N個(gè)協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)以AF方式將接收到的信號(hào)同步轉(zhuǎn)發(fā)給接收節(jié)點(diǎn)，利用復(fù)系數(shù){ωn}進(jìn)行波束形成加權(quán)設(shè)計(jì)；假設(shè)脈沖成型函數(shù)為升余弦函數(shù)，用線段來(lái)擬合升余弦函數(shù)曲線，將得到的近似升余弦函數(shù)代入接收信號(hào)中，化簡(jiǎn)得到接收信干噪比，利用柯西施瓦茨不等式以及三角不等式求出信干噪比的下限值；采用凸優(yōu)化的方法，最大化接收信干噪比的下限值，分別在總的中繼發(fā)射功率和單個(gè)中繼發(fā)射功率的約束下；求出對(duì)任意偏差下時(shí)間異步魯棒的分布式波束形成方法的權(quán)值。
【專利說(shuō)明】任意時(shí)間偏差下魯棒的分布式波束形成器設(shè)計(jì)方法 【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001] 本發(fā)明涉及協(xié)作通信系統(tǒng)中的分布式波束形成【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種任意偏差 時(shí)間異步即同時(shí)存在整數(shù)和分?jǐn)?shù)符號(hào)間隔時(shí)間偏差時(shí)魯棒的分布式波束形成器設(shè)計(jì)方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 無(wú)線通信技術(shù)在近年內(nèi)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，早已成為人們生活和工作中必不 可少的部分。而隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)于移動(dòng)通信質(zhì)量尤其是數(shù)據(jù)速率的要求 越來(lái)越高。
[0003] MMO系統(tǒng)通過(guò)在收發(fā)兩端配置多天線，可以有效地利用空間信道的獨(dú)立衰落特 性，獲得分集和復(fù)用增益，已經(jīng)成為移動(dòng)通信系統(tǒng)提高系統(tǒng)性能和頻譜效率的重要方式。然 而，實(shí)際中的無(wú)線終端往往由于尺寸、功耗、成本或者硬件復(fù)雜度的限制，很難配置多天線。 此時(shí)，協(xié)作通信的概念被提出。
[0004] 協(xié)作通信系統(tǒng)通過(guò)多個(gè)單天線中繼節(jié)點(diǎn)的協(xié)作來(lái)組成虛擬的天線陣列，可以取得 相當(dāng)于MMO系統(tǒng)的性能。在協(xié)作通信系統(tǒng)中，各個(gè)中繼用戶以一定的方式共享天線，就構(gòu) 成了一個(gè)虛擬的MIMO系統(tǒng)。目前常見(jiàn)的應(yīng)用協(xié)作通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有：協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò) (Relay)、協(xié)作分布式天線系統(tǒng)（Cooperative Distributed Antenna Systems，Cooperative DAS)、協(xié)作多點(diǎn)傳輸網(wǎng)絡(luò)（Coordinated Multiple Point transmission and reception， CoMP)等。
[0005] 協(xié)作波束形成技術(shù)允許各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行復(fù)加權(quán)，調(diào)整各個(gè)信號(hào)的幅 度和相位使得各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)通過(guò)相互協(xié)作形成期望的波束，從而通過(guò)用戶間協(xié)作獲得空間 分集增益和空間陣列增益。協(xié)作通信技術(shù)給我們帶來(lái)性能提升的同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中也面 臨著許多挑戰(zhàn)，一個(gè)突出的難題就是時(shí)間異步問(wèn)題。由于協(xié)作通信中的各個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)是分 布式的，處于不同位置的協(xié)作節(jié)點(diǎn)的處理延時(shí)以及它們到接收節(jié)點(diǎn)的傳播延時(shí)的不同，使 得它們發(fā)射的中繼信號(hào)到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)處時(shí)存在不同的時(shí)偏，即時(shí)間異步問(wèn)題。由于接收端 的信號(hào)是多個(gè)不同時(shí)偏信號(hào)的疊加，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能的嚴(yán)重惡化。特別地，當(dāng)各個(gè)協(xié)作中 繼節(jié)點(diǎn)相距很遠(yuǎn)時(shí)，它們到達(dá)接收端的相對(duì)時(shí)間偏差很大，可能會(huì)超過(guò)一個(gè)符號(hào)周期，此時(shí) 就會(huì)存在整數(shù)和分?jǐn)?shù)倍符號(hào)間隔的時(shí)間偏差，系統(tǒng)性能下降更加明顯。
[0006] 目前大多數(shù)分布式波束形成的研宄都假設(shè)理想時(shí)間同步，而針對(duì)時(shí)間異步下的情 況研宄很少。對(duì)時(shí)間異步的分布式波束形成魯棒的設(shè)計(jì)至今仍很不完善。文獻(xiàn)"The effect of time synchronization errors on the performance of cooperative MISO systems" 分析了時(shí)間異步對(duì)協(xié)作MMO系統(tǒng)的性能影響，但是沒(méi)有提出解決方案。已公開(kāi)的中國(guó)發(fā)明 專利"CN103402213A"提出了一種協(xié)作通信系統(tǒng)中對(duì)小尺度偏差時(shí)間異步魯棒的分布式波 束形成方法，但是假設(shè)時(shí)間偏差不超過(guò)一個(gè)符號(hào)周期，而對(duì)于偏差較大即同時(shí)存在整數(shù)和 分?jǐn)?shù)倍符號(hào)間隔時(shí)間偏差的情況，該方法也將失效。本發(fā)明將對(duì)會(huì)對(duì)同時(shí)存在整數(shù)和分?jǐn)?shù) 倍符號(hào)間隔時(shí)間偏差時(shí)魯棒的分布式波束形成技術(shù)進(jìn)行研宄。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種任意時(shí)間偏差下魯棒的分布式波束形成器設(shè)計(jì)方法，能 對(duì)任意偏差時(shí)間異步即同時(shí)存在整數(shù)和分?jǐn)?shù)倍符號(hào)間隔時(shí)間偏差的協(xié)作通信系統(tǒng)的性能 進(jìn)行顯著提高。
[0008] 為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采用如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0009] 一種任意時(shí)間偏差下魯棒的分布式波束形成器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該方法應(yīng) 用于采用一個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)，一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，N個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的協(xié)作通信系統(tǒng)模型中；其中發(fā)射節(jié) 點(diǎn)、N個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)均配置單天線；中繼節(jié)點(diǎn)采用協(xié)作地方式共享彼此的天線以 形成一個(gè)虛擬的多天線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空域分集；采用放大轉(zhuǎn)發(fā)的中繼策略進(jìn)行通信；
[0010] 所述任意時(shí)間偏差下魯棒的分布式波束形成器設(shè)計(jì)方法，包括下述步驟：
[0011] (1)獲取發(fā)射端所發(fā)射的信號(hào)序列Sl，經(jīng)調(diào)制后所發(fā)射的基帶信號(hào)
【權(quán)利要求】
1. 一種任意時(shí)間偏差下魯棒的分布式波束形成器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該方法應(yīng)用 于采用一個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)，一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，N個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的協(xié)作通信系統(tǒng)模型中；其中發(fā)射節(jié) 點(diǎn)、N個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)均配置單天線；中繼節(jié)點(diǎn)采用協(xié)作地方式共享彼此的天線以 形成一個(gè)虛擬的多天線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空域分集；采用放大轉(zhuǎn)發(fā)的中繼策略進(jìn)行通信； 所述任意時(shí)間偏差下魯棒的分布式波束形成器設(shè)計(jì)方法，包括下述步驟： (1) 獲取發(fā)射端所發(fā)射的信號(hào)序列S1，經(jīng)調(diào)制后所發(fā)射的基帶信號(hào)
'獲取發(fā)射成型脈沖g(t)，符號(hào)周期Ts，發(fā)射信號(hào)功率Ps; (2) 信道模型為從發(fā)射節(jié)點(diǎn)到N個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的IXN的SIMO信道和從N個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到 接收節(jié)點(diǎn)的NX1的MISO信道都是頻率選擇性信道，獲取信道階數(shù)MjPM2，獲取對(duì)應(yīng)的復(fù)衰 落系數(shù){氣將從發(fā)射端到中繼的信道K>(0|和從中繼到接收端信道丨建模為：
其中，是發(fā)射節(jié)點(diǎn)與第n個(gè)協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)之間信道的第!!^個(gè)抽頭的復(fù)衰落系數(shù)， 亡1i為相應(yīng)的延時(shí)；是第n個(gè)協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)之間信道的第m2個(gè)抽頭的復(fù)衰 落系數(shù)，為相應(yīng)的延時(shí)； (3) 獲取第n個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)處的高斯白噪聲^的方差值 將第n個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)處的接收 信號(hào)建模為：
(4) 中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)它接收到的信號(hào)rn乘以bn<后轉(zhuǎn)發(fā)給接收端，其中 < 是加權(quán)系數(shù)，bn 是伸縮系數(shù)，計(jì)算伸縮系數(shù)匕=ff ; (5) 獲取接收機(jī)處的高斯白噪聲nk的功率o;2，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)一步簡(jiǎn)化并將其寫成矩陣 的形式：
其中，d= 0^-1)-(1?+!?),n= (1+1?+!?; (6) 表示出接收信干噪比，利用柯西施瓦茨不等式和三角不等式給出接收信干噪比的 最小值； (7) 采用凸優(yōu)化的方法求出對(duì)時(shí)間異步魯棒的分布式波束形成的加權(quán)值； (8) 在各個(gè)中繼處應(yīng)用所求出的加權(quán)值進(jìn)行波束形成。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種任意時(shí)間偏差下魯棒的分布式波束形成器設(shè)計(jì)方法，其特 征在于，所述步驟（1)中，采用升余弦函數(shù)來(lái)替代脈沖成型函數(shù)；升余弦函數(shù)的主瓣兩邊各 有U個(gè)旁瓣，將升余弦函數(shù)用線段進(jìn)行擬合，這些線段的選取與偏差的最大值有關(guān)，若偏差 是在（-1，U之間均勻分布的，那么這些線段就是以整數(shù)倍的符號(hào)周期11；為起點(diǎn)，11\分 別加減I為終點(diǎn)擬合得到的；當(dāng)采樣的時(shí)候往左偏的話，升余弦函數(shù)用ITs點(diǎn)左邊的線段 進(jìn)行擬合，往右偏的話就用ITs點(diǎn)右邊的線段進(jìn)行擬合；令I(lǐng)n=S-en，將g(-mi-m2+|n) 和g(d+U進(jìn)行泰勒展開(kāi)：
其中，g'n(m)表示經(jīng)第n個(gè)中繼信道延時(shí)后的等效脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)曲線的導(dǎo)數(shù)值g，（mTs)，<和< 分別為11^點(diǎn)左右兩邊線段的斜率。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種任意時(shí)間偏差下魯棒的分布式波束形成器設(shè)計(jì)方法，其特 征在于，所述步驟（5)中，為了將接收機(jī)處的信號(hào)表示成矩陣形式，定義了以下矩陣： 對(duì)于第n個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)， an^-,anlJ--發(fā)射端到該中繼的信道參數(shù)； --該中繼到接收端的信道參數(shù)； Hvn^Vn ,,-,VbmJ--該中繼處的噪聲向量；

這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的凸優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)求解該優(yōu)化問(wèn)題即可得到對(duì)時(shí)間異步魯棒的分布式 波束形成加權(quán)系數(shù)。
6. 如權(quán)利要求1所述的一種任意時(shí)間偏差下魯棒的分布式波束形成器設(shè)計(jì)方法，其特 征在于，所述協(xié)作通信系統(tǒng)為Relay系統(tǒng)；從源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的SMO信道為非頻率選擇 性信道，從中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的MISO信道為頻率選擇性信道。
7. 如權(quán)利要求1所述的一種任意時(shí)間偏差下魯棒的分布式波束形成器設(shè)計(jì)方法，其特 征在于，所述協(xié)作通信系統(tǒng)為DAS系統(tǒng)；DAS系統(tǒng)的分布式天線RAU與基帶處理單元BPU之 間通過(guò)高速光纖等有線方式連接，在分布式天線RAU端能夠準(zhǔn)確地獲得并解碼所傳輸?shù)男?號(hào)。
【文檔編號(hào)】H04B7/04GK104506223SQ201410842278
【公開(kāi)日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月30日
【發(fā)明者】王慧明, 李亞川, 余鴻亮 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)