一种滤波前传中继网络中滤波器系数的设计方法技术

本发明专利技术的目的是提出一种适用于滤波前传中继网络中滤波器系数的设计方法，涉及无线通信中继传输技术领域。本发明专利技术所解决的技术问题是：通过遵循信道容量最大化原则，获取整个滤波前传中继网络中滤波器系数的最优设计。通过构建发射机到接收机之间的虚拟信道，把对信道容量最大化问题的求解，转化为对接收机在虚拟信道中，加权均方误差最小化问题的求解，从而获得整个滤波前传中继网络中滤波器系数的最优设计。本发明专利技术为滤波前传中继通信网络中滤波器系数的设计、数据的处理、资源的分配提供良好的理论依据。

【技术实现步骤摘要】
一种滤波前传中继网络中滤波器系数的设计方法一、
：本专利技术涉及无线通信中继传输
，具体为一种滤波前传中继网络中滤波器系数的设计方法。二、
技术介绍
：协作式波束形成技术是在原有拓扑网络结构的基础上通过多用户协作,提高系统功率的效率和无线频谱资源的利用率。它是一种利用地理位置上分散的单天线无线中继节点实现空间分集的新技术。它解决了由于通信设备尺寸、发射功率、以及系统成本等方面的限制，一个无线终端上无法通过安装多个天线获取空间分集的问题。与此同时，通过对无线通信系统时间、空间、频率等多维资源的高效复用,协作式波束形成通信技术可以支撑更高速率、更高带宽的无线传输,显著改善网络性能,逐渐成为3G与4G移动通信中的关键技术常见的协作式波束形成技术有解码转发(DF,decodeandforward)，放大转发(AF,amplifyandforward)和压缩转发(CF,compressandforward)。其中，放大转发(AF)技术，即中继节点只是将接收到的信号放大并转发，这种中继方式复杂程度较低较、处理方便，因此在实际应用系统中得到了广泛的应用。然而遗憾的是，放大转发(AF)技术不能获得分布式多中继的阵列增益。为了解决上述中继方式中的不足之处，全新的滤波前传技术(FF，Filter-and-Forward)被提出。在滤波前传技术(FF)中，所有的中继节点均配备有限长单位冲击响应滤波器用以抵消发送机到中继节点，中继节点到接收机信道的影响，每个中继节点对接收信号进行复加权，从而更好地利用多信道的空间特征，可以获得更加有效的性能增益。在现有的对滤波前传中继技术的研究成果中，已经有对中继节点功率优化、接收机服务质量、信干噪比改善等方面的技术成果产生。但是对滤波器系数的优化设计技术，仍然还是空白。对于在无线中继通信网络中滤波器系数的优化设计技术，目前比较流行的研究方法是迭代加权均方误差最小化算法。迭代加权均方误差最小化算法已经被很好地应用到求解基于多信道约束条件下信道容量最大值的问题中。然而，由于在滤波前传中继网络中信道容量最大化问题结构的特殊性，所以用传统的加权均方误差最小化算法不能直接应用到滤波前传中继网络中信道容量的求解中去。进而无法以信道容量最大化为原则，进行滤波器系数的优化设计。三、
技术实现思路
：本专利技术的目的是提出一种适用于滤波前传中继网络中滤波器系数的设计方法，此方法通过遵循信道容量最大化原则，获取整个滤波前传中继网络中滤波器系数的最优设计。实现本专利技术上述目的的技术方案是：一种滤波前传(Filter-and-Forward)中继网络中滤波器系数的设计方法，通过构建发射机到接收机之间的虚拟信道，把对信道容量最大化问题的求解，转化为对接收机在虚拟信道中，加权均方误差最小化问题的求解，从而获得整个滤波前传中继网络中滤波器系数的最优设计。本专利技术包括以下步骤：1、建立虚拟信道。2、根据滤波前传中继网络当前的滤波器系数向量，确定虚拟信道接收波束成形向量。3、根据接收波束成形向量和滤波器系数向量，计算虚拟信道中的最小均方误差并更新权重系数。4、对每一个中继节点依次求解加权均方误差最小化子问题,并更新滤波器系数向量。5、前后两次迭代计算对应的信道容量差值大于精度控制参数时，重复步骤2到步骤4，前后两次迭代计算对应的信道容量差值小于精度控制参数时，迭代计算全过程终止，最后一次迭代计算结束后，所获取的滤波器系数向量，既为本实施例中滤波器系数的最优设计。在步骤1中，所述虚拟信道，是指平坦衰落无线通信信道。在步骤2中，所述滤波前传中继网络，是指一个半双工多路中继无线通信网络，它由发射机、配备有限长单位冲击响应滤波器(FIR)的中继节点和接收机构成。本专利技术的有益效果是：由于滤波前传中继网络中信道容量估计问题结构的特殊性，用传统的迭代算法和凸优化技术无法完成对滤波前传中继网络中滤波器系数的优化设计。本专利技术通过构造发射机到接收机的虚拟信道，并结合使用凸优化思想和迭代加权均方误差最小化算法的原理，将求解滤波前传中继网络信道容量的问题，转化为对接收机在虚拟信道中加权均方误差最小化问题的求解，从而间接地完成对滤波前传中继网络中信道容量的估计，并以滤波前传中继网络的信道容量最大化为原则，实现对滤波器系数的优化设计。本专利技术为滤波前传中继通信网络中滤波器系数的设计、数据的处理、资源的分配提供良好的理论依据。四、附图说明：以下为本专利技术的4幅示意图。图1：本专利技术所述滤波前传中继网络的结构示意图；图2：本专利技术实施例中的具体步骤流程示意图；图3：本专利技术的实施例通过计算机软件MATLAB仿真实验后得出的信道容量收敛图；图4：本专利技术的实施例通过计算机软件MATLAB仿真实验后得出的在不同约束条件下信道容量的变化图；五、具体实施方式：下面结合附图对本专利技术的示例性实施方式，做进一步详细说明和描述。如图1所示，一种滤波前传中继网络中滤波器系数的设计方法。本专利技术中所述的滤波前传中继网络，是指一个半双工多路中继无线通信网络，它由发射机、配有滤波器的中继节点和接收机构成。在发射机到中继节点，中继节点到接收机之间的所有信道均为平坦衰落无线通信信道。每个中继节点均配备有限长单位冲击响应(FIR)滤波器，用于补偿平坦衰落信道对中继节点的影响。图1中上标“*”指的是对复数取共轭。据前向滤波协议(FF)，所有的中继节点均配备有限长单位冲击响应滤波器用以抵消发射机到中继节点，中继节点到接收机信道的影响。在发射机中，配置有计算器用于存储、计算和更新本实施例中滤波前传中继网络的相关系数、向量和矩阵信息。所述计算器是使用完整瞬时信道状态信息(CSI)来计算接收机的权重系数和每个中继节点中有限长单位冲击响应滤波器的滤波器系数，然后将权重系数和滤波器系数及时反馈到每个接收机和中继节点。所述瞬时信道状态信息(CSI)指的是接收机到中继节点，中继节点到接收机之间信道的瞬时信道状态信息，包括由信道抽头系数构成的信道特征矩阵，且瞬时信道状态信息可以被计算器及时收集获取。在本实施例中，对部分涉及的数学运算符号作出以下定义和解释：(1)In指的是n行n列的单位矩阵。(2)数学符号(·)H指的是对矩阵进行共轭转置，(·)T指的是对矩阵进行转置，符号表示两个矩阵的克罗内克乘积。符号表示的是：均值为a，方差为b的循环对称复高斯变量。指的是对变量A求数学期望。(3)diag{x}指的是将一个向量x或者数列x，构造为一个以x为主对角的对角矩阵。例如：a＝[a1,a2,a3,…,an]，则(4)blkshift(A,k,a)指的是将矩阵A与k个组成元素全为0的列向量按一定规则进行组合，生成一个新的矩阵。其中，全0列向量的长度等于矩阵A中任意一个列向量的长度。例如：对于任意一个矩阵Am×n，有如下关系：其中，具体地，例如：(5)vec(A)指的是将矩阵A的列向量ak依次取出，然后依次地顺序排列起来，形成一个新的列向量。例如：A＝[a1a2…an]，则其中ak为矩阵A的第k个列向量，k＝1,2,…,n。(6)A(i:j,m:n)指的是取出矩阵A中第i行到j行，与第m列到n列范围内的元素，并以此组成一个新的矩阵。特别地A(i:j,:)指的是取出矩阵中第i行到j行的所有元素组成一个矩阵；A(:,m:n)指的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种滤波前传中继网络中滤波器系数的设计方法，其特征在于包括以下步骤：1)建立虚拟信道；2)根据滤波前传中继网络当前的滤波器系数向量，确定虚拟信道接收波束成形向量；3)根据接收波束成形向量和滤波器系数向量，计算虚拟信道中的最小均方误差并更新权重系数；4)对每一个中继节点依次求解加权均方误差最小化子问题,并更新滤波器系数向量；5)前后两次迭代计算对应的信道容量差值大于精度控制参数时，重复步骤2到步骤4，前后两次迭代计算对应的信道容量差值小于精度控制参数时，迭代计算全过程终止，最后一次迭代计算结束后，所获取的滤波器系数向量，既为本实施例中滤波器系数的最优设计。

【技术特征摘要】
1.一种滤波前传中继网络中滤波器系数的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1）建立虚拟信道；虚拟信道是指平坦衰落无线通信信道；2）根据滤波前传中继网络当前的滤波器系数向量，确定虚拟信道接收波束成形向量；3）根据接收波束成形向量和滤波器系数向量，计算虚拟信道中的最小均方误差并更新权重系数；4）对每一个中继节点依次求解加权均方误差最小化子问题,并更新滤波器系数向量...

【专利技术属性】
技术研发人员：史清江，陈力，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33