一種濾波前傳中繼網(wǎng)絡中濾波器系數(shù)的設計方法
【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)絡中濾波器系數(shù)的設計方法，涉及無線通信中繼傳輸【技術領域】。本發(fā)明所解決的技術問題是：通過遵循信道容量最大化原則，獲取整個濾波前傳中繼網(wǎng)絡中濾波器系數(shù)的最優(yōu)設計。通過構(gòu)建發(fā)射機到接收機之間的虛擬信道，把對信道容量最大化問題的求解，轉(zhuǎn)化為對接收機在虛擬信道中，加權均方誤差最小化問題的求解，從而獲得整個濾波前傳中繼網(wǎng)絡中濾波器系數(shù)的最優(yōu)設計。本發(fā)明為濾波前傳中繼通信網(wǎng)絡中濾波器系數(shù)的設計、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)絡中濾波器系數(shù)的設計方法 一、

【技術領域】：
[0001] 本發(fā)明涉及無線通信中繼傳輸【技術領域】，具體為一種濾波前傳中繼網(wǎng)絡中濾波器 系數(shù)的設計方法。 二、

【背景技術】：
[0002] 協(xié)作式波束形成技術是在原有拓撲網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的基礎上通過多用戶協(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)點實現(xiàn)空間分集的新技術。它解決了由于通信設備尺寸、發(fā)射功率、以及系統(tǒng)成本等方面 的限制，一個無線終端上無法通過安裝多個天線獲取空間分集的問題。與此同時，通過對無 線通信系統(tǒng)時間、空間、頻率等多維資源的高效復用，協(xié)作式波束形成通信技術可以支撐 更高速率、更高帶寬的無線傳輸，顯著改善網(wǎng)絡性能，逐漸成為3G與4G移動通信中的關 鍵技術
[0003] 常見的協(xié)作式波束形成技術有解碼轉(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，即中繼節(jié)點只是將接收到的信號放大并轉(zhuǎn)發(fā)，這種中繼方式復雜程度較低較、處理方 便，因此在實際應用系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。然而遺憾的是，放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF)技術不能獲 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 (FF，F(xiàn)ilter-and-Forward)被提出。在濾波前傳技術（FF)中，所有的中繼節(jié)點均配備有限 長單位沖擊響應濾波器用以抵消發(fā)送機到中繼節(jié)點，中繼節(jié)點到接收機信道的影響，每個 中繼節(jié)點對接收信號進行復加權，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)有的對濾波前傳中繼技術的研究成果中，已經(jīng)有對中繼節(jié)點功率優(yōu)化、接收 機服務質(zhì)量、信干噪比改善等方面的技術成果產(chǎn)生。但是對濾波器系數(shù)的優(yōu)化設計技術，仍 然還是空白。對于在無線中繼通信網(wǎng)絡中濾波器系數(shù)的優(yōu)化設計技術，目前比較流行的研 究方法是迭代加權均方誤差最小化算法。迭代加權均方誤差最小化算法已經(jīng)被很好地應用 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 中信道容量最大化問題結(jié)構(gòu)的特殊性，所以用傳統(tǒng)的加權均方誤差最小化算法不能直接應 用到濾波前傳中繼網(wǎng)絡中信道容量的求解中去。進而無法以信道容量最大化為原則，進行 濾波器系數(shù)的優(yōu)化設計。 三、


【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005] 本發(fā)明的目的是提出一種適用于濾波前傳中繼網(wǎng)絡中濾波器系數(shù)的設計方法，此 方法通過遵循信道容量最大化原則，獲取整個濾波前傳中繼網(wǎng)絡中濾波器系數(shù)的最優(yōu)設 計。
[0006] 實現(xiàn)本發(fā)明上述目的的技術方案是：一種濾波前傳（Filter-and-Forward)中繼 網(wǎng)絡中濾波器系數(shù)的設計方法，通過構(gòu)建發(fā)射機到接收機之間的虛擬信道，把對信道容量 最大化問題的求解，轉(zhuǎn)化為對接收機在虛擬信道中，加權均方誤差最小化問題的求解，從而 獲得整個濾波前傳中繼網(wǎng)絡中濾波器系數(shù)的最優(yōu)設計。
[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)絡當前的濾波器系數(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，計算虛擬信道中的最小均方誤差并 更新權重系數(shù)。
[0011] 4、對每一個中繼節(jié)點依次求解加權均方誤差最小化子問題，并更新濾波器系數(shù) 向量。
[0012] 5、前后兩次迭代計算對應的信道容量差值大于精度控制參數(shù)時，重復步驟2到步 驟4,前后兩次迭代計算對應的信道容量差值小于精度控制參數(shù)時，迭代計算全過程終止， 最后一次迭代計算結(jié)束后，所獲取的濾波器系數(shù)向量，既為本實施例中濾波器系數(shù)的最優(yōu) 設計。
[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，是指一個半雙工多路中繼無線通信網(wǎng)絡，它 由發(fā)射機、配備有限長單位沖擊響應濾波器（FIR)的中繼節(jié)點和接收機構(gòu)成。
[0015] 本發(fā)明的有益效果是：由于濾波前傳中繼網(wǎng)絡中信道容量估計問題結(jié)構(gòu)的特殊 性，用傳統(tǒng)的迭代算法和凸優(yōu)化技術無法完成對濾波前傳中繼網(wǎng)絡中濾波器系數(shù)的優(yōu)化設 計。本發(fā)明通過構(gòu)造發(fā)射機到接收機的虛擬信道，并結(jié)合使用凸優(yōu)化思想和迭代加權均方 誤差最小化算法的原理，將求解濾波前傳中繼網(wǎng)絡信道容量的問題，轉(zhuǎn)化為對接收機在虛 擬信道中加權均方誤差最小化問題的求解，從而間接地完成對濾波前傳中繼網(wǎng)絡中信道容 量的估計，并以濾波前傳中繼網(wǎng)絡的信道容量最大化為原則，實現(xiàn)對濾波器系數(shù)的優(yōu)化設 計。本發(fā)明為濾波前傳中繼通信網(wǎng)絡中濾波器系數(shù)的設計、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)絡的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖2 :本發(fā)明實施例中的具體步驟流程示意圖；
[0019] 圖3 :本發(fā)明的實施例通過計算機軟件MATLAB仿真實驗后得出的信道容量收斂 圖；
[0020] 圖4 :本發(fā)明的實施例通過計算機軟件MATLAB仿真實驗后得出的在不同約束條件 下信道容量的變化圖； 五、

【具體實施方式】：
[0021] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的示例性實施方式，做進一步詳細說明和描述。
[0022] 如圖1所示，一種濾波前傳中繼網(wǎng)絡中濾波器系數(shù)的設計方法。本發(fā)明中所述的 濾波前傳中繼網(wǎng)絡，是指一個半雙工多路中繼無線通信網(wǎng)絡，它由發(fā)射機、配有濾波器的中 繼節(jié)點和接收機構(gòu)成。在發(fā)射機到中繼節(jié)點，中繼節(jié)點到接收機之間的所有信道均為平坦 衰落無線通信信道。每個中繼節(jié)點均配備有限長單位沖擊響應（FIR)濾波器，用于補償平 坦衰落信道對中繼節(jié)點的影響。圖1中上標指的是對復數(shù)取共軛。
[0023] 據(jù)前向濾波協(xié)議（FF)，所有的中繼節(jié)點均配備有限長單位沖擊響應濾波器用以抵 消發(fā)射機到中繼節(jié)點，中繼節(jié)點到接收機信道的影響。在發(fā)射機中，配置有計算器用于存 儲、計算和更新本實施例中濾波前傳中繼網(wǎng)絡的相關系數(shù)、向量和矩陣信息。所述計算器是 使用完整瞬時信道狀態(tài)信息（CSI)來計算接收機的權重系數(shù)和每個中繼節(jié)點中有限長單 位沖擊響應濾波器的濾波器系數(shù)，然后將權重系數(shù)和濾波器系數(shù)及時反饋到每個接收機和 中繼節(jié)點。所述瞬時信道狀態(tài)信息（CSI)指的是接收機到中繼節(jié)點，中繼節(jié)點到接收機之 間信道的瞬時信道狀態(tài)信息，包括由信道抽頭系數(shù)構(gòu)成的信道特征矩陣，且瞬時信道狀態(tài) 信息可以被計算器及時收集獲取。
[0024] 在本實施例中，對部分涉及的數(shù)學運算符號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)學符號（·）Η指的是對矩陣進行共軛轉(zhuǎn)置，（?）1指的是對矩陣進行轉(zhuǎn)置，符 號" ? "表示兩個矩陣的克羅內(nèi)克乘積。符號" 表示的是：均值為a,方差為b的 循環(huán)對稱復高斯變量。：指的是對變量A求數(shù)學期望。
[0027] (3) diag{x}指的是將一個向量X或者數(shù)列X，構(gòu)造為一個以X為主對角的對角矩 陣。
[0028] 例如：a = [a" a2, a3,…，an]，

【權利要求】
1. 一種濾波前傳中繼網(wǎng)絡中濾波器系數(shù)的設計方法，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)絡當前的濾波器系數(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，計算虛擬信道中的最小均方誤差并更新 權重系數(shù)； 4) 對每一個中繼節(jié)點依次求解加權均方誤差最小化子問題，并更新濾波器系數(shù)向量； 5) 前后兩次迭代計算對應的信道容量差值大于精度控制參數(shù)時，重復步驟2到步驟4， 前后兩次迭代計算對應的信道容量差值小于精度控制參數(shù)時，迭代計算全過程終止，最后 一次迭代計算結(jié)束后，所獲取的濾波器系數(shù)向量，既為本實施例中濾波器系數(shù)的最優(yōu)設計。
2. 根據(jù)權利要求1中所述的一種濾波前傳中繼網(wǎng)絡中濾波器系數(shù)的設計方法，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)權利要求1中所述的一種濾波前傳中繼網(wǎng)絡中濾波器系數(shù)的設計方法，其特征 是：所述濾波前傳中繼網(wǎng)絡，是指一個半雙工多路中繼無線通信網(wǎng)絡，它由發(fā)射機、配備有 限長單位沖擊響應濾波器（FIR)的中繼節(jié)點和接收機構(gòu)成。
【文檔編號】H03H17/02GK104270118SQ201410446069
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月3日 優(yōu)先權日:2014年9月3日
【發(fā)明者】史清江, 陳力 申請人:浙江理工大學