[發明專利]一種基于遺傳算法的多跳協作中繼波束成形方法

有效

• 申請號: 201310218790.6
• 申請日: 2013-06-04
• 公開（公告）號: CN103259586A
• 公開（公告）日: 2013-08-21
• 發明（設計）人: 劉琚;王超;鄭麗娜;盧冰冰;王新華;馬爽
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H04B7/06
• 分類號: H04B7/06;H04B7/04;H04B7/14
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 李健康

技術領域

本發明公開了一種基于遺傳算法的三跳多中繼網絡的波束成形技術，屬于信號處理、無線通信技術領域。?

背景技術

無線通信技術的應用近年來呈現出爆炸式增長的態勢，人們對無線通信的通信質量和用戶體驗的要求也越來越高。在頻譜資源有限的背景下，多輸入多輸出（MIMO）技術應運而生，它可以有效地提高系統容量和頻譜利用率。近年來，包括空間、時間、頻率、編碼等分集技術已經被廣泛研究。然而，MIMO技術需要在終端安置多天線，受體積和功率的約束，在便攜設備運用MIMO技術非常困難。?

為有效的解決以上問題，一種稱作協作通信的技術越來越受到人們的重視。實際上，由于無線信道具有廣播的特性，我們可以把地理位置鄰近的節點視為分布式天線的集合，因此，無線通信中的這些臨近的節點可以通過互相合作來傳輸信號。對于信號發送節點來說，一個協作節點可以看做是一個中繼節點。協作通信技術可以在通信節點之間形成虛擬的MIMO鏈路?；谟脩魠f作的通信技術就是“協作通信”。在協作通信中，用戶可以作為中繼節點，形成從信號發送節點到目的節點的多重傳輸鏈路，可實現與MIMO系統相同的分集增益。多種協作通信策略已經得到廣泛的研究，例如放大轉發、譯碼轉發、編碼轉發、選擇中繼等等。在以上協作通信策略中，由于放大轉發具有實現簡單，延時較小的優勢而被人們所重視。本發明研究的協作通信模型也將采用放大轉發的方式。?

先前的研究主要傾向于兩跳的中繼波束成形模型，而在實際的無線通信當中，三跳的中繼模型也是比較常見的，相對于兩跳的中繼波束成形模型，三跳的網絡模型覆蓋范圍更廣。在三跳中繼網絡中，包含兩個中繼節點群組，每個群組都對應一個中繼波束成形權向量。為了提高通信質量，在中繼節點滿足一定功率約束的條件下，最大化目的節點的接收信噪比是一項非常有意義的工作。以往曾有研究人員將上述問題近似為半正定問題，然后用凸優化工具求得近優的波束成形權向量，然而這種方法容易陷入局部最優，效果不夠理想。?

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于遺傳算法的針對三跳多中繼網絡的最優化的波束成形方法，在中繼節點功率滿足一定約束的前提下，對兩組中繼節點波束成形權向量進行聯合優化，?使目的節點的接收信噪比最大化。本方法中，基于對第一組中繼節點用波束成形權向量w和第二組中繼節點波束成形權向量v之間關系的研究，將其中一個向量用另一個向量表示出來，然后完全運用遺傳算法實現，可以實現全局最優解。?

本發明的技術解決方案如下：?

一種基于遺傳算法的中繼協作波束成形方法，該方法基于三跳多中繼協作通信系統，該系統由一個源節點、兩組中繼節點群和一個目標節點組成，且網絡中的所有節點均只裝配有單天線，由于信道衰落的影響，源節點與目標節點之間、源節點與第二組中繼節點群之間、第一組中繼節點群與目標節點之間均無法直接建立通信鏈路，發送節點需要通過兩個中繼節點群來建立與目標節點之間的通信；參與協作通信的中繼節點的個數是已知的，整個網絡模型的信道參數可以通過信道估計來獲得；在通信過程中，源節點向第一組中繼節點廣播信號，在第一跳的信道混疊上噪聲，第一組中繼節點用波束成形權向量w對接收到的信號進行加權，然后用放大轉發的方式經過第二跳信道向第二組中繼節點廣播，第二組中繼節點接收到信號后，對接收信號用另一個波束成形權向量v進行加權，然后以放大轉發的方式向目的節點發送信號，該信號通過第三跳的信道混疊上噪聲之后，在目的節點處接收；?

在每組中繼節點都滿足一定功率約束的前提下，對兩組中繼節點波束成形權向量進行聯合優化，從而提高目的節點的接收信噪比，具體實施中，基于第一組中繼節點用波束成形權向量w和第二組中繼節點波束成形權向量v之間的關系，將第二組中繼節點波束成形權向量v用第一組中繼節點用波束成形權向量w表示出來，將多變量最優化問題轉化為僅包含一個波束成形權向量的單一變量最優化問題，然后完全運用遺傳算法實現，具體步驟如下：?

步驟一、設定第一組和第二組中繼節點各自的功率約束，通過信道估計，得到第一、二、三跳信道的參數分別為f、H、g；?

步驟二、初始化第一組中繼節點的波束成形權向量w的種群，該種群須在由第一組中繼節點的功率約束確定的可行域內，對于任意滿足第一組中繼節點功率約束的w，最優化的第二組中繼節點波束成形權向量v用w表示出來，計算出當前種群中每一個w所對應的目標函數值，即目的節點的接收信噪比；?

步驟三、根據上述一系列目標函數值，運用遺傳算法，生成w新的種群，計算該種群中每一個w所對應的目標函數值，并選出其中最大的目標函數值；?