[发明专利]多输入多输出中继天线设计方法

说明书

多输入多输出中继天线设计方法。本发明涉及一种考虑硬件不完美和功率约束的信号噪声失真比SNDR优化的中继天线设计方法，包括中继天线总功率约束和单个天线功率约束两种场景。信息从源节点发出经信道传输到中继节点，中继节点再通过天线扩大转发经信道传输到目的节点，其中信息在源节点和中继节点发出时会受到硬件不完美因素影响而导致相应的损伤失真。在总功率约束场景下，基于矩阵向量化将多输入多输出MIMO中继系统信号噪声失真比SNDR优化问题等价转化成一般的瑞利熵形式，并求出SNDR最大时的天线矩阵向量型闭式解；在单个天线功率约束场景下，基于秩分解和随机化给出了一种以SNDR为目标函数的优化问题数值求解算法，一定程度上实现网络系统性能的提升。

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其是涉及一种考虑硬件不完美和功率约束，基于信号噪声失真比优化的中继天线设计方法。

背景技术

随着无线通信网络技术的发展和无线业务的广泛开展，网络系统传输的性能一直是学术界和业界关注的核心问题之一。作为合作传输中的双跳中继传输技术，因其容易实施并有助于传递信号信息，而被深入应用到实际中去获得系统性能的提升和成本的有效降低。

在实际无线传输中，相关研究已经表明收发器硬件往往会受到如高功率放大器幅度非线性、相位噪声和I/Q不平衡等不完美因素的影响，这导致在传输和接收信号时会产生一些不可避免的失真。这种问题在未来的高速率通信系统中将会更加明显。相对于单跳通信系统的硬件不完美在学术界已经有很多相关的研究，值得注意的是，已有的研究工作大都是考虑没有中继节点的信道传输。少数考虑中继传输的研究模型都是基于中继系统配置单天线的假设，并且已有成果表明节点收发器硬件不完美对网络通信系统的性能会产生负面作用。

发明内容

MIMO技术因其能够提高传输的维度而被应用于现代通信实践中。本发明在双跳中继传输系统中除了考虑硬件不完美因素外，探讨融合MIMO技术，即考虑中继节点天线配置多天线，以期实现无线网络传输系统的性能提升。同时基于MIMO技术分析中继系统的天线优化设计也是很有意义的。因为在已有的MIMO技术相关工作中大都是假设中继信道的传输矩阵是固定的某种结构，如常量的放大因子，或者简单的数量矩阵。事实上，中继系统的波束传输矩阵可以基于不同的目标函数和约束条件进行相应的优化设计。除了中继天线总功率的约束场景外，本发明还针对性考虑了更实际的单天线功率限制情况下的中继天线设计，通过凸分析和优化计算得到最优信号噪声失真比SNDR时对应的天线设计和对应的网络性能分析。

本发明的目的就是为了克服现有技术存在的缺陷而提供一种考虑硬件不完美和功率约束，基于信号噪声失真比优化的MIMO中继天线设计方法，包括中继天线总功率约束和单个天线功率约束两种场景，与现有技术相比，本发明充分考虑了硬件不完美和功率约束情况下MIMO中继天线的优化设计，并在一定程度上实现网络系统性能的提升。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

在总功率约束场景下，基于矩阵向量化将信号噪声失真比优化问题等价转化成一般的瑞利熵形式，并求出SNDR最大时的天线矩阵向量型闭式解；在单个天线功率约束场景下，基于秩分解和随机化给出了一种以SNDR为目标函数的优化问题数值求解算法。其包括以下具体步骤：

1.在中继天线总功率约束场景信号发送过程中，建立基于SNDR最大化的优化模型并求解获取中继天线矩阵的方法为：

1)中继天线总功率约束下建立目标优化模型，满足以下公式：