[發明專利]多輸入多輸出中繼天線設計方法

有效

• 申請號: 201711308483.1
• 申請日: 2017-12-11
• 公開（公告）號: CN108173575B
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 王睿;吳俊;程松林
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: H04B7/026
• 分類號: H04B7/026;H04B7/0456;H04B17/336;H04B17/391
• 代理公司: 上海科律專利代理事務所(特殊普通合伙) 31290
• 代理人: 葉鳳

多輸入多輸出中繼天線設計方法。本發明涉及一種考慮硬件不完美和功率約束的信號噪聲失真比SNDR優化的中繼天線設計方法，包括中繼天線總功率約束和單個天線功率約束兩種場景。信息從源節點發出經信道傳輸到中繼節點，中繼節點再通過天線擴大轉發經信道傳輸到目的節點，其中信息在源節點和中繼節點發出時會受到硬件不完美因素影響而導致相應的損傷失真。在總功率約束場景下，基于矩陣向量化將多輸入多輸出MIMO中繼系統信號噪聲失真比SNDR優化問題等價轉化成一般的瑞利熵形式，并求出SNDR最大時的天線矩陣向量型閉式解；在單個天線功率約束場景下，基于秩分解和隨機化給出了一種以SNDR為目標函數的優化問題數值求解算法，一定程度上實現網絡系統性能的提升。

技術領域

本發明涉及無線通信領域，尤其是涉及一種考慮硬件不完美和功率約束，基于信號噪聲失真比優化的中繼天線設計方法。

背景技術

隨著無線通信網絡技術的發展和無線業務的廣泛開展，網絡系統傳輸的性能一直是學術界和業界關注的核心問題之一。作為合作傳輸中的雙跳中繼傳輸技術，因其容易實施并有助于傳遞信號信息，而被深入應用到實際中去獲得系統性能的提升和成本的有效降低。

在實際無線傳輸中，相關研究已經表明收發器硬件往往會受到如高功率放大器幅度非線性、相位噪聲和I/Q不平衡等不完美因素的影響，這導致在傳輸和接收信號時會產生一些不可避免的失真。這種問題在未來的高速率通信系統中將會更加明顯。相對于單跳通信系統的硬件不完美在學術界已經有很多相關的研究，值得注意的是，已有的研究工作大都是考慮沒有中繼節點的信道傳輸。少數考慮中繼傳輸的研究模型都是基于中繼系統配置單天線的假設，并且已有成果表明節點收發器硬件不完美對網絡通信系統的性能會產生負面作用。

發明內容

MIMO技術因其能夠提高傳輸的維度而被應用于現代通信實踐中。本發明在雙跳中繼傳輸系統中除了考慮硬件不完美因素外，探討融合MIMO技術，即考慮中繼節點天線配置多天線，以期實現無線網絡傳輸系統的性能提升。同時基于MIMO技術分析中繼系統的天線優化設計也是很有意義的。因為在已有的MIMO技術相關工作中大都是假設中繼信道的傳輸矩陣是固定的某種結構，如常量的放大因子，或者簡單的數量矩陣。事實上，中繼系統的波束傳輸矩陣可以基于不同的目標函數和約束條件進行相應的優化設計。除了中繼天線總功率的約束場景外，本發明還針對性考慮了更實際的單天線功率限制情況下的中繼天線設計，通過凸分析和優化計算得到最優信號噪聲失真比SNDR時對應的天線設計和對應的網絡性能分析。

本發明的目的就是為了克服現有技術存在的缺陷而提供一種考慮硬件不完美和功率約束，基于信號噪聲失真比優化的MIMO中繼天線設計方法，包括中繼天線總功率約束和單個天線功率約束兩種場景，與現有技術相比，本發明充分考慮了硬件不完美和功率約束情況下MIMO中繼天線的優化設計，并在一定程度上實現網絡系統性能的提升。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

在總功率約束場景下，基于矩陣向量化將信號噪聲失真比優化問題等價轉化成一般的瑞利熵形式，并求出SNDR最大時的天線矩陣向量型閉式解；在單個天線功率約束場景下，基于秩分解和隨機化給出了一種以SNDR為目標函數的優化問題數值求解算法。其包括以下具體步驟：

1.在中繼天線總功率約束場景信號發送過程中，建立基于SNDR最大化的優化模型并求解獲取中繼天線矩陣的方法為：

1)中繼天線總功率約束下建立目標優化模型，滿足以下公式：