[发明专利]智能手机与中继节点鲁棒性联合信号处理方法及系统

权利要求书

1.一种智能手机与中继节点鲁棒性联合信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，所有源节点向所有中继节点分别发射训练序列，所有中继节点的信道估计模块通过信道估计，得到各源节点与各中继节点间的估计信道、以及相应的信道估计误差方差；

第二步，所有中继节点向所有源节点分别发射训练序列，所有源节点的信道估计模块通过信道估计，得到各中继节点与各源节点间的估计信道、以及相应的信道估计误差方差；

第三步，所有源节点将中继节点到源节点的信道信息、以及相应的信道估计误差方差反馈给相应的中继节点；所有中继节点将所有估计得到的信道信息、以及相应的信道估计误差方差传输给中央处理器；

第四步，中央处理器根据所有信道信息以及信道估计误差方差，迭代计算所有源节点发射预编码矩阵、所有中继节点处理预编码矩阵、以及所有源节点接收均衡矩阵；

第五步，中央处理器将计算得到的源节点发射预编码矩阵、源节点接收均衡矩阵传输给所有中继节点，将中继节点处理预编码矩阵传输给相应的中继节点；中继节点将源节点发射预编码矩阵、源节点接收均衡矩阵反馈到相应的源节点；中继节点向源节点反馈从该源节点到中继节点的估计信道；

第六步，所有源节点使用源节点发射预编码矩阵，对预发射数据进行预处理，得到发射信号并通过无线信道传输给中继节点；

第七步，所有中继节点使用中继节点处理预编码矩阵，对接收到的信号进行处理，得到中继节点发射信号，将中继节点发射信号广播给所有源节点；

第八步，所有源节点使用源节点接收均衡矩阵，对接收到的信号进行检测处理，得到估计的发射数据。

2.根据权利要求1所述的智能手机与中继节点鲁棒性联合信号处理方法，其特征在于，所述中央处理器为一个与所有中继节点相连的处理器设备。

3.根据权利要求1所述的智能手机与中继节点鲁棒性联合信号处理方法，其特征在于，所述中央处理器集成在某一中继节点内。

4.根据权利要求1所述的智能手机与中继节点鲁棒性联合信号处理方法，其特征在于，第四步中所述的计算方法在中央处理器的处理过程，通过迭代的方法实现，具体为：

系统初始化步骤：初始化所有中继节点处理预编码矩阵、源节点发射预编码矩阵为任意满足各节点功率约束的值；初始迭代计数为j＝0；设定最大迭代次数N_max以及相对收敛阈值ξ；之后进行源节点接收均衡矩阵计算步骤；

假设无线通信系统中共有2K个源节点，组成K对源节点组进行数据的交互，R个中继节点辅助通信；记第k个源节点的天线数目为N_k，k和为一对想要相互通信的源节点对，平均发射功率限制为P_Sk，发射预编码矩阵为A_k,k＝1,..,2K，源节点接收均衡矩阵为B_k,k＝1,..,2K，第r个中继节点的天线数目为M_r，平均发射功率限制为P_Rr，中继节点处理预编码矩阵为F_r,r＝1,..,R；信道估计器估计出的从第k个源节点到第r个中继节点的估计信道为从第r个中继节点到第k个源节点的估计信道为估计信道的信道估计误差方差为预先测量的两个信道的接收天线相关矩阵分别为Σ_H,rk和Σ_G,kr，预先测量的两个信道的发射天线相关矩阵分别为Ψ_H,rk和Ψ_G,kr，各源节点发射的调制信号平均功率为各源节点的接收噪声平均功率为各中继节点的接收噪声平均功率为

源节点接收均衡矩阵计算步骤：固定所有源节点的源节点发射预编码矩阵A_k,k＝1,..,2K以及所有中继处理预编码矩阵F_r,r＝1,..,R，计算所有源节点的源节点接收均衡矩阵B_k,k＝1,..,2K如下：

Bk=σd2Σr=1RAk‾HH^rk‾HFrHG^krHR~wk-1]]>

其中，R~wk=σd2Σi≠ki=12KΣr=1RΣs=1RG^ksFsH^siAiAiHH^riHFrHG^krH+σe2Σr=1RTr(FrHΨG,krFrR~xk)+σx2INk;]]>

+σe2σd2Σr=1RΣi=12KTr(AiAiHΨH,ri)G^krFrΣH,riFrHG^krH+σr2Σr=1RG^krFrFrHG^krH]]>

Tr(·)为求矩阵的迹；I_M为大小为M×M的单位矩阵；为估计得到的中继节点s到源节点k的信道矩阵；F_s为中继节点s的中继处理预编码矩阵；为估计得到的源节点i到中继节点s的信道矩阵；A_i为源节点i的源节点发射预编码矩阵；为估计得到的源节点i到中继节点r的信道矩阵；为大小为N_k×N_k的单位矩阵；Ψ_H,ri为信道H_ri的发射信道相关矩阵；Σ_H,ri为信道H_ri的接收信道相关矩阵；之后进行中继节点处理预编码矩阵计算步骤；

中继节点处理预编码矩阵计算步骤：固定所有源节点的源节点发射预编码矩阵A_k,k＝1,..,2K以及所有源节点的接收均衡矩阵B_k,k＝1,..,2K，计算所有中继节点处理预编码矩阵F_r,r＝1,..,R；记A＝blkdiag{A₁,A₂,...,A_2K}，F＝blkdiag{F₁,F₂,...,F_R}，vec(F)＝T_ff；其中，blkdiag{·}是将多个矩阵作为对角元素组成新的矩阵的运算，vec(·)是矩阵的向量化操作，f=vec(F1)T···vec(FR)TT,]]>通过F和f的相互关系得到转化矩阵T_f；

使用内点法求解最优化问题：

minf,t~,t^k∀k∈1,2,···,2K]]>t~,]]>

s.t.I2K-1+R×(4K+2)t^kt^kTt~-s1k≥0,]]>σd||Z^1kf-vec(ILk‾)||≤ck(1)Tt^k,σd||Z^2kif||≤cki(2)Tt^k,σr||Z^3krf||≤ckr(3)Tt^k,]]>σeσdαkr(a)||Z^kr(a)f||≤ckr(a)Tt^k,σeσdαkr(b)||Z^kr(b)f||≤ckr(b)Tt^k,σeσdαkr(c)||Z^kr(c)f||≤ckr(c)Tt^k,]]>其中，σeσdαkr(d)||Z^kr(d)f||≤ckr(d)Tt^k,σeσdαkir(e)||Z^kir(e)f||≤ckir(e)Tt^k,]]>σeσdαkir(f)||Z^kir(f)f||≤ckir(f)Tt^k,σeσrαkr(g)||Z^kr(g)f||≤ckr(g)Tt^k,]]>||D^r1/2f||≤PRr,∀k∈{1,2,···,2K},∀i∈{1,2,···,2K},i≠k,k‾,∀r∈{1,2,···,R}]]>表示矩阵为半正定矩阵，||·||表示求矩阵的范数，是一个标量，为优化问题的目标函数，为辅助自变量向量，σ_d为源节点发射调制信号的平均功率平方根，σ_e为信道估计误差方差，为大小为的单位矩阵，σ_r为源节点发射调制信号的平均功率平方根，Z^1k=(Σr=1R((PrTH^rk‾Qk‾AVk‾T)T⊗(BkG^krPr)))Tf,⊗]]>为矩阵的克罗内克乘积，P_r是满足条件的大小为的由0和1组成的置换矩阵，Q_k和V_k是满足条件的大小分别为和的由0和1组成的置换矩阵，Z^2ki=(Σr=1R((PrTH^riQiAViT)T⊗(BkG^krPr)))Tf,Z^3kr=((Pr)⊗(BkG^krPr))Tf,]]>Z^kr(a)=((PrTH^rk‾Qk‾AVk‾T)T⊗(ΨG,kr12Pr))Tf,Z^kr(b)=((PrTΣH,rk‾1/2)T⊗(BkG^krPr))Tf,]]>Z^kr(c)=((PrTH^rkQkAVkT)T⊗(ΨG,kr12Pr))Tf,Z^kr(d)((PrTΣH,rk1/2)T⊗(BkG^krPr))Tf,]]>Z^kir(e)((PrTΣH,ri1/2)T⊗(BkG^krPr))Tf,Z^kir(f)=((PrTH^riQiAViT)T⊗(ΨG,kr1/2Pr))Tf,]]>Z^kr(g)=((Pr)⊗(ΨG,kr1/2Pr))Tf,ck(1),cki(2),ckr(3),ckr(a),ckr(b),ckr(c),ckr(d),ckir(e),ckir(f),ckr(g)]]>依次为单位矩阵I_{2K-1+R×(4K+2)}的所有列向量，αkr(a)=||BkΣG,kr1/2||2,αkr(b)||ψH,rk‾1/2Qk‾AVk‾T||2,αkr(c)=||BkΣG,kr1/2||2,]]>αkr(d)=||ΨH,rk1/2QkAVkT||2,αkir(e)=||ΨH,ri1/2QiAViT||2,αkir(f)=||BkΣG,kr1/2||2,αkr(g)=||BkΣG,kr1/2||2,]]>D^r12=[(PrT(σd2Σk=12KH^rkQkAVkTVkAHQkTH^rkH+σr2IMr)Pr)T⊗(PrTPr)]]>+σe2σd2Σk=12KTr(QkAVkTVkAHQkTΨH,rk)((PrTΣH,rkPr)T⊗(PrTPr))]1/2Tf;]]>

式中，Q_i和V_i是满足条件的置换矩阵，A_i为源节点i的发射预编码矩阵，Σ_H,ri为信道H_ri的接收信道相关矩阵，为估计的从源节点i到中继r的信道矩阵，为大小为M_r×M_r的单位矩阵，

由解得的向量f得到所有中继节点处理预编码矩阵F_r,r＝1,..,R；之后进行源节点发射预编码矩阵计算步骤；

源节点发射预编码矩阵计算步骤：固定所有中继节点处理预编码矩阵F_r,r＝1,..,R以及所有源节点接收均衡矩阵B_k,k＝1,..,2K，计算所有源节点发射预编码矩阵A_k,k＝1,..,2K；记vec(A)＝T_aa；其中，a=vec(A1)T···vec(A2K)TT,]]>通过A和a的相互关系得到转化矩阵T_a；

使用内点法求解最优化问题：

minf,z~,zk]]>z~]]>

s.t.I2K-1+4KRz^kz^kTz~-s2k≥0,]]>σd||M^1ka-vec(ILk‾)||≤dk(1)Tz^k,σd||M^2kia||≤dki(2)Tz^k,]]>σeσdαkr(a)||M^kr(a)a||≤dkr(a)Tz^k,σeσdβkr(b)||M^kr(b)a||≤dkr(b)Tz^k,σeσdαkr(c)||M^kr(c)a||≤dkr(c)Tz^k,]]>σeσdβkr(a)||M^kr(d)a||≤dkr(d)Tz^k,σeσdβkir(b)||M^kir(b)a||≤dkir(e)Tz^k,σeσdαkir(f)||M^kir(c)a||≤dkir(f)Tz^k,]]>||N1r1/2a||≤P~Rr,σd||N2k1/2a||≤PSk,∀k∈{1,2,···,2K},∀i∈{1,2,···,2K},i≠k,k‾,∀r∈{1,2,···,R}]]>其中，S2k=σx2||Bk||2+σr2Σr=1R||vec(BkG^krPrFPrT)||2+σe2σr2Σr=1R||ΨG,kr1/2PrFPrT||2||BkΣG,kr1/2||2,]]>M^1k=(Σr=1R((Vk‾)⊗(BkG^krPrFPrTH^rk‾Qk‾)))Ta,]]>M^2ki=(Σr=1R((Vi)⊗(BkG^krPrFPrTH^riQi)))Ta,M^kr(a)=(Vk‾⊗(ΨG,kr1/2PrFPrPH^rk‾Qk‾))Ta,]]>M^kr(b)=(Vk‾⊗(ΨH,rk‾1/2Qk‾))Ta,M^kr(c)=(Vk⊗(ΨG,kr1/2PrFPrTH^rkQk))Ta,]]>M^kr(d)=(Vk⊗(ΨH,rk1/2Qk))Ta,M^kir(e)=(Vi⊗(ΨH,ri1/2Qi))Ta,M^kir(f)=(Vi⊗(ΨG,kr1/2PrFPrTH^riQi))Ta,]]>N^1r1/2=[σd2Σk=12K((VkTVk)⊗(QkTH^rkHPrFHPrTPrFPrTH^rkQk))]]>+σe2σd2Σk=12K(((VkTVk)⊗(QkTQk))Tr(PrFPrTΣH,rkPrFHPrT))]1/2Ta,]]>N^2k1/2=((VkTVk)⊗(QkTQk))1/2Ta,dk(1),dki(2),dkr(3),dkr(a),dkr(b),dkr(c),dkr(d),dkir(e),dkir(f)]]>依次为单位矩阵I_2K-1+4KR的所有列向量，P~Rr=PRr-σr2Tr(PrFPrTPrFHPrT),βkr(b)=||BkG^krPrFPrTΣH,rk‾1/2||2,]]>βkr(d)=||BkG^krPrFPrTΣH,rk1/2||2,βkir(e)=||BkG^krPrFPrTΣH,ri1/2||2;]]>

式中，为最优化问题的标量目标函数，为辅助自变量向量，V_i是满足条件的置换矩阵，Ψ_H,ri为信道H_ri的发射信道相关矩阵，

由解得的向量a得到所有源节点发射预编码矩阵A_k,k＝1,..,2K，记录解得的最小目标函数为maxmse_j＝；之后进行迭代终止判定步骤；

迭代终止判定步骤：使迭代计数加1；

如果迭代计数小于1，maxmse_pre＝maxmse_j-1；之后执行源节点接收均衡矩阵计算步骤；

如果迭代计数已达到最大迭代次数，即j≥N_max，则执行源节点接收均衡矩阵计算步骤；

如果迭代收敛条件满足则计算过程结束；

否则，执行源节点接收均衡矩阵计算步骤；

式中，maxmse_j为第j步迭代后所有源节点均方误差的最大值，maxmse_pre为临时变量，maxmse_j-1为第j-1步迭代后所有源节点均方误差的最大值。