[发明专利]基于有限反馈的协作中继波束形成方法

权利要求书

1.一种基于有限反馈的协作中继波束形成方法，其特征在于，该方法适用于一种通信系统，该通信系统包括一个发射机、多个中继和一个接收机，发射机配置多根天线，每个中继都配置单根天线，接收机配置多根天线，多个中继相互协作并采用放大转发协议；整个通信过程在两个时隙完成，在第一时隙，发射机对数据流进行发射波束形成后广播给所有中继，在第二时隙，所有中继根据来自接收机的包含码字标号和功率放大因子的有限反馈信息确定分布式波束形成的码字，然后多个中继将接收信号经各自码字分量处理后转发给信宿；通过码本设计和码字更新算法来完成码本的设计，中继根据每次信道条件从该码本中选择能使接收机瞬时信噪比最大的码字作为波束形成向量。

2.根据权利要求1所述的基于有限反馈的协作中继波束形成方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

步骤1：发射机估计第一跳的信道响应H₁；

步骤2：发射机根据H₁设计发射机的发射波束形成向量d1,d1=P1V1(:,1),]]>其中，P₁为发射机的发射功率，V₁来自于对H₁进行奇异值分解H1=U1Λ1V1H,]]>U₁为左奇异矩阵，Λ₁为奇异值组成的对角阵，V₁为右奇异矩阵，V₁(：，1)表示取酉阵的第一列；

步骤3：接收机估计第一跳和第二跳的信道响应H₁和H₂；

步骤4：接收机首先根据广义Lloyd算法设计码本子空间，再与码字更新算法相结合进行迭代直至满足收敛精度要求，得到所需码本，最后将每个码字能量归一化；

步骤5：接收机将所设计的码本反馈给所有中继；

步骤6：接收机根据两跳信道信息选择一个能使接收信噪比最大的码字w_j，然后计算出该码字对应的中继转发功率ξ，然后将ξ和w_j对应的标号反馈给所有中继；

步骤7：每个中继根据码字标号找到相应码字，进而得到自己对应的码字分量，乘以接收信号再放大后，在下一个时隙转发给接收机；

步骤8：接收机采用最大比合并(MRC)进行接收，接收矢量z为：z=H2WrH1d1||H2WrH1d1||F,]]>其中W_r＝ξ·diag(w_j)；

3.根据权利要求1所述的基于有限反馈的协作中继波束形成方法，其特征在于，码本设计与码字更新算法具体步骤为：

步骤1：初始化一组联合波束形成的码本{w_j，j＝1，…，2^B}，并随机产生L_h次信道实现其中B是反馈比特数，H_i，1和H_i，2表示第i次两跳的信道实现，L_h是信道实现次数，例如L_h＝10000；

步骤2：针对给定的码本{w_j，j＝1，…，2^B}，把信道空间划分成2^B个信道子空间，划分准则如下：Sj={Hi,1,Hi,2|wjHAwjwjHBwj≥wpHAwpwpHBwp,j,p=1,···,2B,j≠p},]]>其中，A＝[H₂diag(H₁d₁)]^H[H₂diag(H₁d₁)]，B=σ12diag(H2HH2)+σ22P2diag(H1d1d1HH1H+σ12IK),]]>σ₁²为中继接收噪声方差，σ₂²为信宿接收噪声方差，P₂为所有中继的发送功率；

步骤3：针对2^B个信道子空间分别对每个联合波束形成的码字通过新设计的码字算法进行更新，码字更新问题可描述为：

wj=argmaxx{f(x)=Σq=1Ljlog2(xH{[Hq,2diag(Hq,1dq,1)]H[Hq,2diag(Hq,1dq,1)]}x)-log2(xHσ12diag(Hq,2HHq,2)x)},]]>

针对上式，设计码字更新算法，具体步骤如下：

步骤4：初始化k＝0，x₀＝0，α₀＝1，δ₀＝0；

步骤5：Whilef(xk+αkδk)<f(xk)+0.45αk(δkHδk)]]>

δk+1=∂f(xk)∂xk;]]>x_k+1＝x_k+α_kδ_k；α_k+1＝0.75α_k；

End

步骤6：令w_j＝x_k+1；

步骤7：将w_j代入步骤2生成更新的子空间，如此循环直至满足收敛精度要求。其中，(·)^H-矩阵或向量的共轭转置；diag(·)-取对角元构成一对角阵；I_K-K×K的单位阵，K为中继数；∑(·)-求和运算；||·||_F-取矩阵的Frobenius范数；max(·)-求最大值。