[发明专利]基于ADMM的多天线全双工系统分布式波束成形方法

摘要

本发明公开了一种基于ADMM的多天线全双工系统分布式波束成形方法，该方法适用于多中继多天线全双工系统的多重干扰联合抑制，在用户速率约束下降低系统发送总功率。利用ADMM算法解决原始问题非严格凸导致的无法收敛问题，同时提升收敛速率。该方法包含以下几个步骤：(1)初始化系统变量；(2)构造紧凑形式ADMM问题，并将该问题解耦合；(3)在每个中继处求解增广拉格朗日函数最小化问题，得原始和松弛变量，并将其广播给所有中继，从而更新对偶变量。重复步骤(3)直至满足预先设定的停止准则。将最后一次迭代的解输出，并对原始变量的最终迭代解进行特征值分解或高斯随机化，得到分布式波束成形矩阵和波束成形矢量。

主权项

一种基于ADMM的多天线全双工系统分布式波束成形方法，其特征在于，所述的方法包括下列步骤：S1、初始化系统参数，多中继网络的基站天线数目为NB，多天线全双工中继与单天线用户数目均为L，且每个多天线全双工中继的发送和接收天线数目分别为Nt和Nr，给定基站的发送符号向量为且满足基站发送波束成形矩阵为其中Ni是回传链路i上传输的子流数，回传链路i上的信道矩阵为给定中继i的发送符号为xR,i∈C，且满足E{|xR,i|2}＝1，中继i波束成形矩阵为给定中继干扰矩阵给定单根天线的零均值高斯白噪声功率为给定基站波束成形矩阵的自相关矩阵以及中继波束成形向量的自相关矩阵构建一个以系统的总发送功率为优化目标函数的优化问题，如下：minΣl=1L{Tr(QB,i)+Tr(QR,i)}---(1.1a)]]>s.t.ln|I+HBR,iQB,iHBR,iH+ZR,i||I+ZR,i|≥ri,∀i---(1.1b)]]>Σi=1LHRR,l,iQR,iHRR,l,iH=ZR,l,∀l---(1.1c)]]>ln(1+hRU,i,iQR,ihRU,i,iH1+zU,i)≥ri,∀i---(1.1d)]]>Σi=1,i≠lLhRU,l,iQR,ihRU,l,iH=zU,l,∀l---(1.1e)]]>QB,i≥0,QR,i≥0,∀i---(1.1f)]]>其中，约束(1.1b)和(1.1d)表示回传链路i与接入链路i上的数据速率不应低于用户i的速率需求，(1.1c)表示中继l接收的中继自干扰和中继互干扰之和，(1.1e)表示用户l接收的多用户干扰，约束(1.1f)使得QB,i和QR,i均为半正定矩阵；S2、通过定义辅助变量和松弛变量，将所述的以系统的总发送功率为优化目标函数的优化问题转化为适宜用交替方向乘子法处理的新问题，具体如下：S21、定义全干扰辅助变量z以及部分干扰辅助变量zi分别为：z=Δ[[vec(ZR,1,1)T,...,vec(ZR,L,1)T],[vec(ZR,1,2)T,...,vec(ZR,L,2)T],...,[vec(ZR,1,L)T,...,vec(ZR,L,L)T],[zU,2,1,...,zU,L,1],[zU,1,2,...,zU,L,2],...,[zU,1,L,...,zU,(L-1),L]]T∈CNr2L2+L(L-1)---(1.2)]]>其中，以及分别表示中继l所受到的来自中继i的干扰，以及用户l所受到的来自中继i的多用户干扰，符号vec(·)表示对矩阵做矢量化运算，集合NL＝{1,2,…,L}，变量且找到满足Eiz＝zi的线性映射矩阵S22、定义松弛变量WB,i和WR,i，满足约束WB,i＝QB,i和WR,i＝QR,i，i＝1,2,…,L；S23、定义以下对偶变量：与约束Eiz＝zi相关的对偶变量以及分别与约束WB,i＝QB,i和WR,i＝QR,i相关的对偶变量和S24、通过上述变量定义，原问题可以转化为以下适宜利用交替方向乘子法处理的优化问题：Di表示由约束(1.1b‑1.1f)及Eiz＝zi，WB,i＝QB,i和WR,i＝QR,i所确定的可行凸约束集；S3、零初始化解决步骤S2中的优化问题(1.4)所需的变量：松弛变量WB,i(0)＝0，WR,i(0)＝0，全干扰辅助变量z(0)＝0，以及约束变量及给定一个大于零的惩罚参数c，设迭代次数k＝0；S4、第k+1次迭代时，利用前一次迭代或初始化得到的步骤S2中所定义的辅助变量z(k)、松弛变量WB,i(k)和WR,i(k)、对偶变量和在每个中继处利用凸优化处理工具解决以下问题：得到部分干扰辅助变量和原始变量zi(k+1),QB,i(k+1),QR,i(k+1)，i＝1,2,…,L；S5、根据步骤S4计算的zi(k+1),QB,i(k+1),QR,i(k+1)，按照以下公式求出k+1次迭代的辅助变量和松弛变量z(k+1),WB,i(k+1),WR,i(k+1)，i＝1,2,…,L：其中，S6、更新步骤S2中所定义的对偶变量值S7、令k＝k+1，得到QB,i(k),QR,i(k)，判断其是否满足迭代终止条件，如果不满足，则重复步骤S2‑S7；如果满足，继续进行下一步；S8、令QB,i＝QB,i(k),QR,i＝QR,i(k)，并对其进行特征值分解或高斯随机化处理，得到相应的波束成形矩阵UB,i和波束成形矢量uR,i。