一种多天线乒乓中继系统中的联合功率分配及中继分组方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多天线乒乓中继系统中的联合功率分配及中继分组方法。它通过对中继群分组以及发射端的功率分配矩阵进行联合优化，从而达到在基站总功率以及各个中继站各自的平均发射功率确定的条件下，最大化系统传输速率。本发明专利技术基于模拟网络编码的多天线乒乓中继系统，避免了系统吞吐量的半双工损失。同时，通过联合优化中继群分组以及发射端的功率分配，系统吞吐量可以进一步提升。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线通信领域，尤其涉及一种多天线乒乓中继系统中的联合功率分配及中继分组方法。
技术介绍
科技的发展在推动了无线通信技术发展的同时，也带来了更大的通信业务需求。伴随着业务需求量和接入设备数量的高速增长，传统的无线通信系统已经无法满足需求。MIMO技术的使用是解决提高系统通信速率的重要渠道。所谓MIMO技术，是利用在传输系统中利用多天线的分集和复用增益从而提高传输系统的速率和稳定性。乒乓中继算法也是提高系统通信速率的一种方法。传统的两时隙传输方法，由于中继采用半双工方法传输，将会带来频谱效率的损失。为了避免传统的半双工方法带来的频谱效率损失，我们可以采用一种多个中继站来交替协助传输的乒乓中继的方法。我们把所有的传输时隙分为奇数和偶数时隙。奇时隙时，基站向一组中继群发送数据，另一组中继群转发上一时隙的数据给接收端，在偶数时隙，之前负责接收的中继站群转发上一时隙的数据，而另一组中继群负责接收来自发送端的数据。模拟网络编码有利于具有大量中继群的密集通信系统提升性能。模拟网络编码在每个中继上采用的是放大转发策略，信号处理过程简单，同时由于该策略仅仅需要基站以及用户终端到其本身的信道增益，而不需要全局信道增益，因此可以显著减少获取信道增益的信令开销。在无线通信过程中，由于其特殊的无线电磁波传输方式，信道往往不是稳定和均匀的。为了使发送的信息流更加适应信道的状态，提高系统的吞吐量，在发送端采取特定的信息预编码是非常必要的。特别是在信道不平坦的情况下，采用注水策略分配功率具有显著的效果。在乒乓中继的传输过程中，需要对中继进行分组操作，而分组的好坏情况会直接影响系统的性能。特别是在中继采用匹配接收的乒乓中继系统中，由于需要将中继站群进一步分成对应于数据流数的小组，分组的好坏将会明显决定系统的最终可达容量。因此，对中继分组进行优化，有利于提高系统吞吐量，提高系统整体性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种多天线乒乓中继系统中的联合功率分配及中继分组方法。该方法仅仅利用网络信道状态统计信息来进行发射端功率分配和中继分组，无需实时信道状态信息，信令开销低。通过本专利技术中的方法，能有效提升系统吞吐量。本专利技术的技术方案是：系统采用基于模拟网络编码的多天线乒乓中继传输，通过对中继群分组以及发射端的功率分配矩阵进行联合优化，从而在基站总功率以及各个中继站各自的平均发射功率确定的条件下，最大化系统传输速率。所述的一种多天线乒乓中继系统中的联合功率分配及中继分组方法，其特征在于：系统采用基于模拟网络编码的多天线乒乓中继传输，在基站以及各个中继站各自的平均发射功率受限的条件下，以最大化系统传输速率为目的，对中继群分组和发射端的功率分配进行联合优化，具体包括如下步骤：1.1)、在传输前，从所有中继站群中选取若干中继并且进行分组，分为中继群A和中继群B，其集合分别用GA和GB表示，基站有M路数据流，中继群A和中继群B按照步骤2.3.1)的分组方法分别分成M小组，分别记为χA,m和χB,m,m取1,2,…M，中继采用匹配接收的方法对应接收基站的M路数据流，基站向中继传输前对数据流进行功率分配，功率分配矩阵为P；1.2)、假定在一轮数据传输的L个时隙，L取奇数，共需要传输L-1个子帧，在第一个时隙时基站向中继群A广播，中继群B保持静默，A组第k个中继收到的信号为：其中，为发送端第一时隙需要发送的M×1数据矩阵，为第一个时隙时Q×M的功率分配矩阵，为第一个时隙发送端与中继k之间的N×Q的信道系数矩阵，其中的每一个元素的方差为θN,Q，为第一个时隙中继接收端的噪声矩阵，记HkP＝[hk,1hk,2…hk,M]，其中hk,l＝[h1plh2pl…hNpl]T，hk,l的各个元素的方差为αk,l，所有中继采用匹配接收方法接收信号，所以A组第k个中继最终得到的信号为：1.3)、在第二个时隙，中继群A不接收广播，而是将上一个时隙接收到的来自基站的信号进行放大及前向信道匹配滤波处理，并转发给用户终端，转发的信号为：为中继k和接收端天线i之间在第二时隙的N×1信道系数矩阵，其中的元素gk,i为第k个中继到第i根接收天线间的信道系数，方差为βk,i，利用中继的功率限制可以得到系数其中，为A组中继的总功率限制，MA为中继组A的总中继数。接收端第i根天线接收到的信号为：其中为第二时隙A组中继广播出的信号，同时，中继群B的中继接收基站的信号，到达中继群B第k个中继的信号为其中是A组中继与B组中继之间信道的系数矩阵，其中的每个元素fm,n为中继第m根天线到另外一个中继第n根天线间信道系数，其方差为ηm,n，中继采用匹配接收，最终B组第k个中继收到的信号为：1.4)、在第三个时隙以及接下来的奇数时隙l，中继群A接收基站的信号，A组中继的第k个中继最终收到的信号为：同时，B组中继对上一时隙接收到的信号进行前向信道匹配滤波处理并进行放大，得到广播信号其中的系数如下：然后放大转发给接收端，接收端第i根天线接收到的信号为:1.5)、在第四个时隙以及接下来的偶数时隙l，中继群B接收基站的信号，B组中继的第k个中继最终收到的信号为：同时，A组中继对上一时隙接收到的信号进行前向信道匹配滤波处理并进行放大，得到广播信号其中的系数如下：然后A组中继将广播信号发送给接收端，接收端第i根天线接收到的信号为:1.6)、在最后一个时隙奇数L，基站停止发送帧，中继群A停止工作，中继站群B将上一时隙接收到的帧放大转发给接收端。所述的一种多天线乒乓中继系统中的联合功率分配及中继分组方法，其特征在于步骤1.1中的发射端功率分配方法和中继分组方法的具体步骤如下：2.1)获取基站和中继站的平均发射功率，获取各中继站以及用户的噪声功率，获取基站到各中继站，各中继站之间，各中继站到用户的信道增益的方差；2.2)系统可达吞吐量可以表示为中继群组A和中继群组B集合以及功率分配矩阵的多元函数，即：L为系统总时隙，由系统事先确定，和分别是奇数时隙和偶数时隙可达吞吐量，我们以偶数时隙为例，其吞吐量按下式计算：其中，2.2.1)相应地，奇数时隙的系统吞吐量计算如下：其中，2.2.2)相应地，第二时隙的系统吞吐量计算如下：其中，2.3)令最大循环优化次数为Tmax，设功率分配为[P1′，P2′,…,PM′]，2.3.1)首先优化中继分组矩阵[C1，C2,…,CM…,C2M-1]，其中CM为中继组χM与中继组χM+1的分界线，[CM-1,CM]区域内的中继记为中继组χM，第一组中继组和最后一组中继组的另一分界线为区域边界，确定中继分组优化最大迭代次数Gmax，选取符合系统限制的初始备选解，个数为D,D＝20*M.解个体表示为Ci,G，i＝1，2，…，D，其中的G表示解的迭代代数,i表示初始解的个体标号，每代解中的元素表示为Cj,i,G,j表示第i个初始解的数据维度标号，第0代第i个初始解个体的第一个元素生成方式如下：其中，与分别表示系统限制的中继分组矩阵元素的最大最小值，根据系统限制，更新与为与利用如下公式生成初始解Ci,0的第二个元素，依次得到初始解Ci,0的所有元素Cj,i,0；2.3.2)利用公式Vi,G+1＝Cr1,G+F·(Cr2,G-Cr3,G)生成初始解的变异体解。其中r1，r2，r3互不相同，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多天线乒乓中继系统中的联合功率分配及中继分组方法，其特征在于：系统采用基于模拟网络编码的多天线乒乓中继传输，在基站以及各个中继站各自的平均发射功率受限的条件下，以最大化系统传输速率为目的，对中继群分组和发射端的功率分配进行联合优化，具体包括如下步骤：1.1)、在传输前，从所有中继站群中选取若干中继并且进行分组，分为中继群A和中继群B，其集合分别用GA和GB表示，基站有M路数据流，中继群A和中继群B按照步骤2.3.1)的分组方法分别分成M小组，分别记为χA,m和χB,m,m取1,2,…M，中继采用匹配接收的方法对应接收基站的M路数据流，基站向中继传输前对数据流进行功率分配，功率分配矩阵为P；1.2)、假定在一轮数据传输的L个时隙，L取奇数，共需要传输L‑1个子帧，在第一个时隙时基站向中继群A广播，中继群B保持静默，A组第k个中继收到的信号为：其中，为发送端第一时隙需要发送的M×1数据矩阵，为第一个时隙时Q×M的功率分配矩阵，为第一个时隙发送端与中继k之间的N×Q的信道系数矩阵，其中的每一个元素的方差为θN,Q，为第一个时隙中继接收端的噪声矩阵，记HkP＝[hk,1hk,2…hk,M]，其中hk,l＝[h1pl h2pl … hNpl]T，hk,l的各个元素的方差为αk,l，所有中继采用匹配接收方法接收信号，所以A组第k个中继最终得到的信号为：uk(1)=hk,l(1)Hrk(1)==||hk,l(1)||2sl(1)+Σj=1,j≠lMhk,l(1)Hhk,j(1)sj(1)+hk,l(1)ωk(1)]]>1.3)、在第二个时隙，中继群A不接收广播，而是将上一个时隙接收到的来自基站的信号进行放大及前向信道匹配滤波处理，并转发给用户终端，转发的信号为：为中继k和接收端天线i之间在第二时隙的N×1信道系数矩阵，其中的元素gk,i为第k个中继到第i根接收天线间的信道系数，方差为βk,i，利用中继的功率限制可以得到系数其中，为A组中继的总功率限制，MA为中继组A的总中继数。接收端第i根天线接收到的信号为：其中为第二时隙A组中继广播出的信号，同时，中继群B的中继接收基站的信号，到达中继群B第k个中继的信号为其中是A组中继与B组中继之间信道的系数矩阵，其中的每个元素fm,n为中继第m根天线到另外一个中继第n根天线间信道系数，其方差为ηm,n，中继采用匹配接收，最终B组第k个中继收到的信号为：1.4)、在第三个时隙以及接下来的奇数时隙l，中继群A接收基站的信号，A组中继的第k个中继最终收到的信号为：同时，B组中继对上一时隙接收到的信号进行前向信道匹配滤波处理并进行放大，得到广播信号其中的系数如下：γk(l)=PGB/(NMB)1MpsΣk=1Nβk,lΣk=1N3αk,l2+Σj=1,j≠lM1MpsΣk=1Nβk,lΣk=1Nαk,lαk,j+Σk=1Nβk,lΣk=1Nαk,l+PGANMAΣk=1Nβk,lΣk=1Nαk,lΣRk∈GAΣk=1NηkA,k,l=3,5...,L.]]>然后放大转发给接收端，接收端第i根天线接收到的信号为:1.5)、在第四个时隙以及接下来的偶数时隙l，中继群B接收基站的信号，B组中继的第k个中继最终收到的信号为：同时，A组中继对上一时隙接收到的信号进行前向信道匹配滤波处理并进行放大，得到广播信号其中的系数如下：γk(l)=PGA/(NMA)1MpsΣk=1Nβk,lΣk=1N3αk,l2+Σj=1,j≠lM1MpsΣk=1Nβk,lΣk=1Nαk,lαk,j+Σk=1Nβk,lΣk=1Nαk,l+PGBNMBΣk=1Nβk,lΣk=1Nαk,lΣRk∈GBΣk=1NηkB,k,l=4,6...,L-1]]>然后A组中继将广播信号发送给接收端，接收端第i根天线接收到的信号为:1.6)、在最后一个时隙奇数L，基站停止发送帧，中继群A停止工作，中继站群B将上一时隙接收到的帧放大转发给接收端。...

【技术特征摘要】
1.一种多天线乒乓中继系统中的联合功率分配及中继分组方法，其特征在于：系统采用基于模拟网络编码的多天线乒乓中继传输，在基站以及各个中继站各自的平均发射功率受限的条件下，以最大化系统传输速率为目的，对中继群分组和发射端的功率分配进行联合优化，具体包括如下步骤：1.1)、在传输前，从所有中继站群中选取若干中继并且进行分组，分为中继群A和中继群B，其集合分别用GA和GB表示，基站有M路数据流，中继群A和中继群B按照步骤2.3.1)的分组方法分别分成M小组，分别记为χA,m和χB,m,m取1,2,…M，中继采用匹配接收的方法对应接收基站的M路数据流，基站向中继传输前对数据流进行功率分配，功率分配矩阵为P；1.2)、假定在一轮数据传输的L个时隙，L取奇数，共需要传输L-1个子帧，在第一个时隙时基站向中继群A广播，中继群B保持静默，A组第k个中继收到的信号为：其中，为发送端第一时隙需要发送的M×1数据矩阵，为第一个时隙时Q×M的功率分配矩阵，为第一个时隙发送端与中继k之间的N×Q的信道系数矩阵，其中的每一个元素的方差为θN,Q，为第一个时隙中继接收端的噪声矩阵，记HkP＝[hk,1hk,2…hk,M]，其中hk,l＝[h1plh2pl…hNpl]T，hk,l的各个元素的方差为αk,l，所有中继采用匹配接收方法接收信号，所以A组第k个中继最终得到的信号为：uk(1)=hk,l(1)Hrk(1)==||hk,l(1)||2sl(1)+Σj=1,j≠lMhk,l(1)Hhk,j(1)sj(1)+hk,l(1)ωk(1)]]>1.3)、在第二个时隙，中继群A不接收广播，而是将上一个时隙接收到的来自基站的信号进行放大及前向信道匹配滤波处理，并转发给用户终端，转发的信号为：为中继k和接收端天线i之间在第二时隙的N×1信道系数矩阵，其中的元素gk,i为第k个中继到第i根接收天线间的信道系数，方差为βk,i，利用中继的功率限制可以得到系数其中，为A组中继的总功率限制，MA为中继组A的总中继数。接收端第i根天线接收到的信号为：其中为第二时隙A组中继广播出的信号，同时，中继群B的中继接收基站的信号，到达中继群B第k个中继的信号为其中是A组中继与B组中继之间信道的系数矩阵，其中的每个元素fm,n为中继第m根天线到另外一个中继第n根天线间信道系数，其方差为ηm,n，中继采用匹配接收，最终B组第k个中继收到的信号为：1.4)、在第三个时隙以及接下来的奇数时隙l，中继群A接收基站的信号，A组中继的第k个中继最终收到的信号为：同时，B组中继对上一时隙接收到的信号进行前向信道匹配滤波处理并进行放大，得到广播信号其中的系数如下：γk(l)=PGB/(NMB)1MpsΣk=1Nβk,lΣk=1N3αk,l2+Σj=1,j≠lM1MpsΣk=1Nβk,lΣk=1Nαk,lαk,j+Σk=1Nβk,lΣk=1Nαk,l+PGANMAΣk=1Nβk,lΣk=1Nαk,lΣRk∈GAΣk=1NηkA,k,l=3,5...,L.]]>然后放大转发给接收端，接收端第i根天线接收到的信号为:1.5)、在第四个时隙以及接下来的偶数时隙l，中继群B接收基站的信号，B组中继的第k个中继最终收到的信号为：同时，A组中继对上一时隙接收到的信号进行前向信道匹配滤波处理并进行放大，得到广播信号其中的系数如下：γk(l)=PGA/(NMA)1MpsΣk=1Nβk,lΣk=1N3αk,l2+Σj=1,j≠lM1MpsΣk=1Nβk,lΣk=1Nαk,lαk,j+Σk=1Nβk,lΣk=1Nαk,l+PGBNMBΣk=1Nβk,lΣk=1Nαk,lΣRk∈GBΣk=1NηkB,k,l=4,6...,L-1]]>然后A组中继将广播信号发送给接收端，接收端第i根天线接收到的信号为:1.6)、在最后一个时隙奇数L，基站停止发送帧，中继群A停止工作，中继站群B将上一时隙接收到的帧放大转发给接收端。2.根据权利要求1中的一种多天线乒乓中继系统中的联合功率分配及中继分组方法，其特征在于步骤1.1中的发射端功率分配方法和中继分组方法的具体步骤如下：2.1)获取基站和中继站的平均发射功率，获取各中继站以及用户的噪声功率，获取基站到各中继站，各中继站之间，各中继站到用户的信道增益的方差；2.2)系统可达吞吐量可以表示为中继群组A和中继群组B集合以及功率分配矩阵的多元函数，即：L为系统总时隙，由系统事先确定，和分别是奇数时隙和偶数时隙可达吞吐量，我们以偶数时隙为例，其吞吐量按下式计算：Ri(even)=log(1+Ef|L1|2Σn=2...

【专利技术属性】
技术研发人员：张昱，苏长然，彭宏，施建飞，李枫，华惊宇，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33