[發明專利]一種存在天線相關與信道估計誤差的MIMO多中繼系統的預編碼方法

有效

• 申請號: 201810301617.5
• 申請日: 2018-04-04
• 公開（公告）號: CN108768473B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發明（設計）人: 景晨
• 申請（專利權）人: 景晨
• 主分類號: H04B7/0413
• 分類號: H04B7/0413;H04B7/0456;H04B17/309;H04B17/391
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

1.一種存在天線相關與信道估計誤差的MIMO多中繼系統的預編碼方法，其特征在于：包括如下步驟：

第一步：針對存在直傳路徑的MIMO多中繼系統，構建存在天線相關性和信道估計誤差的信道模型，用表示信源S至中繼節點F的信道矩陣，表示中繼節點F_k至接收端D的信道矩陣，表示發射端S至接收端D的信道矩陣，其中，N₁,N₂,N₃分別表示發射端，中繼節點以及接收端的天線數目，K表示中繼站的數目；

第二步：發射信號矢量N_b為發射端、中繼節點、接收端天線數目的最小值，經信源S_i傳輸至第k(k＝1...K)個中繼節點，第k個中繼端的接收信號為y_rk(t)；

第三步：中繼節點對接收信號y_rk(t)進行預編碼并將其轉發至接收節點，中繼轉發信號受中繼最大發送功率約束，接收信號經過不完全自干擾消除后得到經過D處線性處理矩陣的檢測處理得到信號

第四步：以最小均方誤差為設計準則，比較發送信號x(t)與接收后還原信號構建D處的均方誤差函數使S與D處的總均方誤差MSE(F_s,F_rk,W)最小，并結合中繼功率約束條件聯合設計發射端預編碼矩陣F_s，中繼端預編碼矩陣F_rk以及接收端線性處理矩陣W，將預編碼矩陣設計問題轉化為存在不等式約束的凸優化問題，采用聯合迭代法進行預編碼設計以改善系統的誤比特率；

所述第一步在考慮發射端到中繼端的直傳路徑，構建存在天線相關性與信道估計誤差的信道模型包括：

信道矩陣用Kronecker模型表示，定義Φ_j是各個節點發射天線的相關性系數矩陣，∑_j是各個節點接收天線的相關性系數矩陣，相關性系數矩陣均假設滿足半正定且已知，的元素服從CN(0,κ_j)分布，CN(0,κ)表示均值為0，方差為κ的獨立復高斯分布，實際信道矩陣可表示為：

其中，ΔH_j是信道估計誤差矩陣，元素服從獨立的分布；

信號在發射端進行預編碼后同時發送至中繼端以及接收端，所述第二步信號經過發射端預編碼并同時發送至中繼端和接收端，采用如下公式得到：

發射端向K個中繼節點和接收端同時發送已預編碼后的信息，令E[·]表示期望，中繼端和接收端的接收信號分別表示為：

y_rk(t)＝H_1kF_sx(t)+n_r(t)

y_d(t)＝H₃F_sx(t)+n_d(t)

其中，為發射端預編碼矩陣，且滿足發射節點最大功率約束條件tr(·)表示矩陣的跡，P_s是發射端最大功率，是發射端到第k個中繼節點的信道矩陣，是發射端到接收端的信道矩陣，分別是中繼端和接收端的加性高斯白噪聲，均滿足均值為0，協方差矩陣分別為為中繼端和接收端的噪聲方差，中繼節點k通過矩陣對接收到的信號y_r(t)進行預處理，并轉發至接收端，中繼端的待發射信號可表示為：

Y_k(t+1)＝F_rky_rk(t)

其中，中繼端的發射功率滿足P_r是中繼端的最大功率；

中繼端采用預編碼矩陣對信號進行處理，接收端采用維納濾波器對接收到的合并信號進行線性處理，所述第三步中繼轉發和接收端還原信號是根據以下公式得到：

接收端信號可表示為：

y_d(t+1)＝H₂Y_k(t+1)+n_d(t+1)＝H₂F_rH₁F_sx(t)+H₂F_rn_r(t)+n_d(t+1)

其中，是中繼端到接收端的信道矩陣,F_r＝bd(F_r1,...,F_rK)，n_d(t+1)與n_d(t)相互獨立，

兩個時隙內接收端信號可表示為：

其中，是發射端與接收端之間的等效MIMO信道矩陣，是等效噪聲矩陣；

考慮信道存在天線相關和估計誤差，根據MMSE準則建立約束優化函數，并采用一種等效轉化法對目標函數和約束函數進行轉化，所述第四步結合中繼功率約束條件采用基于聯合迭代法的設計方案進行預編碼方法設計，求取發射端預編碼矩陣、中繼端預編碼矩陣、接收端處理矩陣最優解的處理方法是根據以下公式得到：

(1).以MMSE為設計準則，建立MSE函數

其中，

A＝GG^H+C_v

(2).綜合考慮天線相關性和信道估計誤差，并將MSE函數進行適當化簡，可得MSE函數為

其中，

E_H[A]＝E_H[G]E_H[G^H]+E_H[C_v]+K

其中，

功率約束為：

由于發射端與中繼端需滿足功率約束，則對于最小化代價函數MSE的最優化問題可表示為：

(3)采用一種等效轉化法將上述的約束優化函數進行等效轉化，方法如下：

令約束優化函數可表示為：

其中，W₁，W₂分別包含W的前N₃行和后N₃行，

因此約束優化問題可等效轉化為如下形式：