本发明涉及一种降低粗量化中继系统中误比特率的方法，系统包括多对单天线用户和多天线中继，多天线中继配置单比特模数转换器和单比特数模转换器，具体步骤：1)源端用户发送信号s给多天线中继；多天线中继内建立基于最大化正确解码概率的优化问题；2)将优化问题转化为松弛问题，用于对待优化的发送向量进行优化；3)针对松弛问题执行低复杂度的梯度投影算法，获得最优的发送向量进行硬判决后，获得粗量化的发送向量4)多天线中继将粗量化的发送向量转发给目的端用户。本发明还涉及针对单对用户场景下方法。采用非线性预编码设计方法，降低粗量化中继系统的误比特率。
1.一种降低粗量化中继系统中误比特率的方法，其特征在于，所述系统包括多对单天线用户和多天线中继，所述多天线中继配置单比特模数转换器和单比特数模转换器，具体包括如下步骤：
1)源端用户发送信号s给多天线中继；所述多天线中继内建立基于最大化正确解码概率的优化问题；
2)将所述优化问题转化为松弛问题，用于对待优化的发送向量进行优化；
3)针对所述松弛问题执行低复杂度的梯度投影算法，获得最优的发送向量 进行硬判决后，获得粗量化的发送向量
4)多天线中继将粗量化的发送向量 转发给目的端用户。
2.根据权利要求1所述的降低粗量化中继系统中误比特率的方法，其特征在于，所述步骤1)中基于最大化正确解码概率的优化问题，具体为：其中， 为累积分布函数；gSR,i和gRD,j分别表示源端用户、目的端用户与多天线中继之间的信道向量；yR,i表示多天线中继收到的信号向量的第i个元素；K表示用户对的数目；M表示多天线中继的天线数目；v表示源端用户可能的发送信号向量，所述发送信号向量为QPSK信号，集合V中共有4K个向量；vj表示向量v的第j个元素； 和 分别表示复信号的实部和虚部；pS和pR分别为每个源端用户和多天线中继的发送功率；xR是待优化的发送向量。
3.根据权利要求2所述的降低粗量化中继系统中误比特率的方法，其特征在于，所述步骤2)中松弛问题，具体为：其中， 是通过线性估计方法得到的 的第j元素， F表示线性估计矩阵，yR表示多天线中继收到的信号向量，
4.根据权利要求1所述的降低粗量化中继系统中误比特率的方法，其特征在于，所述步骤3)中粗量化的发送向量 为：其中， 是向量 的第i个元素，M表示多天线中继的天线数目。
5.根据权利要求1所述的降低粗量化中继系统中误比特率的方法，其特征在于，所述步骤3)中最优的发送向量 继续通过执行连续解码算法进行优化。
6.根据权利要求5所述的降低粗量化中继系统中误比特率的方法，其特征在于，所述连续解码算法为：通过比较目标函数的值，来确定最优的发送向量 中的每一个元素解码为还是即，如果解码为 时，目标函数较大，则解码为 如果解码为 时，目标函数较大，则解码为
7.根据权利要求1所述的降低粗量化中继系统中误比特率的方法，其特征在于，所述步骤3)中最优的发送向量 继续通过执行向量扰动算法进行优化。
8.根据权利要求7所述的降低粗量化中继系统中误比特率的方法，其特征在于，所述向量扰动算法为：首先获得与 距离为1的相邻向量，共有2M个；其次，在这2M个相邻向量和 中，找出使得目标函数最大的向量，作为向量扰动算法得到的最优的发送向量。
9.一种降低粗量化中继系统中误比特率的方法，其特征在于，所述系统包括单对单天线用户和多天线中继，所述多天线中继配置单比特模数转换器和单比特数模转换器，具体包括如下步骤：
2)多天线中继直接计算得到最优的发送向量 所述最优的发送向量的计算方法为：其中，gRD表示多天线中继到目的端用户的信道向量，Q(z)表示单比特量化操作，独立地处理信号的实部和虚部；
到多天线中继第i根天线的信道系数； 为累积分布函数；yR,i表示多天线中继收到的信号向量的第i个元素；M表示多天线中继的天线数目； 和 分别表示复信号的实部和虚部；pS表示源端用户的发送功率；
3)多天线中继将最优的发送向量 转发给目的端用户。
一种降低粗量化中继系统中误比特率的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及通信领域，具体涉及一种降低粗量化中继系统中误比特率的方法。
背景技术
[0002] 大规模天线中继系统是指在中继端部署较大天线阵列的系统，通过在用户与用户之间设置中继站，有效地扩展网络的覆盖范围，提供空间分集和多路复用增益，并降低系统的能量损耗。大规模天线中继系统信道渐近正交，天线阵列的分辨率提升，可以显著地降低系统误比特率。但随着天线数目的增加，电路能耗不可忽视，模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)作为主要能耗部件，受到业界的广泛关注。
[0003] 部件ADC和DAC的能耗，一方面随着采样率(带宽)的增加而线性增加，另一方面随着量化精度的增加而指数增长，因此，采用低精度甚至是单精度的ADC和DAC可以有效地降低系统能耗。当采用单精度ADC和DAC后，能耗大幅度降低，硬件复杂度方面也得到改善，但是系统引入了非线性量化噪声，使得原来大规模天线中继系统中的预编码方法不再适用。
[0004] 针对粗量化系统，现有文献中设计预编码的方法，主要有：(1)线性预编码方法；(2)基于编码理论的非线性预编码方法；(3)基于双凸松弛的最小化均方误差的方法；(4)基于向量扰动的非线性预编码方法。
[0005] 对现有方法进行分析后，发明人发现：文献中所提到的方法或是性能较差，或是复杂度较高，或是适用范围狭窄，具有一定的局限性。方法(1)虽然复杂度低，但是线性预编码不能很好的抑制量化噪声的影响，导致系统误码率较高；方法(2)中基于编码理论的方法复杂度非常高，不利于实施；方法(3)和(4)只适用于大规模天线系统的下行链路，并没有扩展到中继系统中。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种降低粗量化中继系统中误比特率的方法，采用非线性预编码设计方法，降低粗量化中继系统的误比特率(BER)。
[0007] 本发明针对所要解决的技术问题所提供的技术方案为：
[0008] 一种降低粗量化中继系统中误比特率的方法，所述系统包括多对单天线用户和多天线中继，所述多天线中继配置单比特模数转换器和单比特数模转换器，具体包括如下步骤：
[0009] 1)源端用户发送信号s给多天线中继；所述多天线中继内建立基于最大化正确解码概率的优化问题；
[0010] 2)将所述优化问题转化为松弛问题，用于对待优化的发送向量 进行优化；
[0011] 3)针对所述松弛问题执行低复杂度的梯度投影算法，获得最优的发送向量 进行硬判决后，获得粗量化的发送向量
[0012] 4)多天线中继将粗量化的发送向量 转发给目的端用户。
[0013] 上述技术方案中，粗量化中继系统中采用非线性预编码设计方法，降低误比特率(BER)。
[0014] 所述步骤1)中基于最大化正确解码概率的优化问题，具体为：
[0015]
[0016]
[0017] 其中， 为累积分布函数；gSR,i和gRD,j分别表示源端用户、目的端用户与多天线中继之间的信道向量；yR,i表示多天线中继收到的信号向量的第i个元素；K表示用户对的数目；M表示多天线中继的天线数目；v表示源端用户可能的发送信号向量，所述发送信号向量为QPSK信号，集合V中共有4K个向量；vj表示向量v的第j个元素； 和分别表示复信号的实部和虚部；pS和pR分别为每个源端用户和多天线中继的发送功率；xR是待优化的发送向量。
[0018] 所述步骤2)中松弛问题，具体为：
[0019]
[0020]
[0021] 其中， 是通过线性估计方法得到的 的第j元素， F表示线性估计矩阵，yR表示多天线中继收到的信号向量，
[0022] 所述步骤3)中粗量化的发送向量 为：
[0023]
[0024] 其中， 是向量 的第i个元素。
[0025] 所述步骤3)中最优的发送向量 继续通过执行连续解码算法进行优化。
[0026] 所述连续解码算法为：通过比较目标函数的值，来确定最优的发送向量 中的每一个元素解码为 还是
[0027] 即，如果解码为 时，目标函数较大，则解码为 如果解码为 时，目标函数较大，则解码为
[0028] 所述步骤3)中最优的发送向量 继续通过执行向量扰动算法进行优化。
[0029] 所述向量扰动算法为：首先获得与 距离为1的相邻向量，共有2M个；其次，在这2M个相邻向量和 中，找出使得目标函数最大的向量，作为向量扰动算法得到的最优的发送向量。
[0030] 本发明还提供一种降低粗量化中继系统中误比特率的方法，所述系统包括单对单天线用户和多天线中继，所述多天线中继配置单比特模数转换器和单比特数模转换器，具体包括如下步骤：
[0031] 1)源端用户发送信号s给多天线中继；
[0032] 2)多天线中继直接计算得到最优的发送向量 所述最优的发送向量的计算方法为：
[0033]
[0034] 其中，gRD表示多天线中继到目的端用户的信道向量，Q(z)表示单比特量化操作，独立地处理信号的实部和虚部；
[0035] gSR,i表示源端用户到多天线中继第i根天线的信道系数； 为累积分布函数；yR,i
表示多天线中继收到的信号向量的第i个元素；M表示多天线中继的天线数目； 和 分别表示复信号的实部和虚部；pS表示源端用户的发送功率；
[0036] 3)多天线中继将最优的发送向量 转发给目的端用户。
[0037] 同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
[0038] (1)本发明充分结合了中继系统和大规模天线技术，不仅利用了中继系统覆盖面积广泛，能量损耗低的优势，还具备大规模天线较强的干扰协调能力。
[0039] (2)本发明针对粗量化中继系统，采用梯度投影算法，复杂度较低，误码率相比于线性预编码方案可以得到显著的降低，满足了未来移动通信系统的需求。
附图说明
[0040] 图1为粗量化中继系统的通信结构图；
[0041] 图2为针对多对用户场景下，降低粗量化中继系统中误比特率的方法流程图；
[0042] 图3为针对多对用户场景下，非线性预编码设计方法和线性预编码方法的BER比较曲线；
[0043] 图4为针对单对用户场景下，降低粗量化中继系统中误比特率的方法流程图；
[0044] 图5为针对单对用户场景下，非线性预编码设计方法和线性预编码方法的BER比较曲线。
具体实施方式
[0045] 下面结合具体的实施例对本发明作进一步说明。
[0046] 实施例1
[0047] 如图1所示为粗量化中继系统的通信结构图，该系统包括4对单天线用户和一个多天线中继，该多天线中继配置单比特模数转换器和单比特数模转换器，源端用户发送信号为QPSK信号，且SNR＝pS＝pR。源端用户发送信号s，经过传输信道GSR后，多天线中继收到含有噪声nR的信号，该信号经过单精度ADC的量化处理，转变为yR；接着，中继经过非线性预编码算法和单精度DAC的量化，发送信号xR，经过传输信道GRD，目的端用户收到含有噪声nd的信号，经过硬判决后，得到接收信号d。
[0048] 如图2所示，降低粗量化中继系统中误比特率的方法，具体包括如下步骤：
[0049] 1)源端用户发送信号s给多天线中继；多天线中继内建立基于最大化正确解码概率的优化问题，具体为：
[0050]
[0051]
[0052] 其中， 为累积分布函数；gSR,i和gRD,j分别表示源端用户、目的端用户与多天线中继之间的信道向量；yR,i表示多天线中继收到的信号向量的第i个元素；K表示用户对的数目；M表示多天线中继的天线数目；v表示源端用户可能的发送信号向量，所述发送信号向量为QPSK信号，集合V中共有4K个向量；vj表示向量v的第j个元素； 和分别表示复信号的实部和虚部；pS和pR分别为每个源端用户和多天线中继的发送功率；xR是待优化的发送向量；
[0053] 2)将优化问题转化为松弛问题，用于对待优化的发送向量 进行优化；松弛问题具体为：
[0054]
[0055]
[0056] 其中， 是通过线性估计方法得到的 的第j元素， F表示线性估计矩阵，yR表示多天线中继收到的信号向量，
[0057] 3)针对松弛问题执行低复杂度的梯度投影算法，获得最优的发送向量 进行硬判决后，获得粗量化的发送向量
[0058]
[0059] 其中， 是向量 的第i个元素；
[0060] 4)多天线中继将粗量化的发送向量 转发给目的端用户。
[0061] 实施例2
[0062] 采用实施例1的粗量化中继系统和方法进行，不同之处在于，步骤3)中最优的发送向量 继续通过执行连续解码算法进行进一步优化。
[0063] 连续解码算法为：通过比较目标函数的值，来确定最优的发送向量 中的每一个元素解码为 还是
[0064] 即，如果解码为 时，目标函数较大，则解码为 如果解码为 时，目标函数较大，则解码为
[0065] 实施例3
[0066] 采用实施例1的粗量化中继系统和方法进行，不同之处在于，步骤3)中最优的发送向量 继续通过执行向量扰动算法进行进一步优化。
[0067] 向量扰动算法为：首先获得与 距离为1的相邻向量，共有2M个；其次，在这2M个相邻向量和 中，找出使得目标函数最大的向量，作为向量扰动算法得到的最优的发送向量。
[0068] 应用例1
[0069] 将实施例1～3的方法与线性预编码算法(MRC/MRT和ZFR/ZFT)进行比较，其中MRC/MRT的发送向量表示为 ZFR/ZFT的发送向量 表示为如图3所示，与线性预编码算法MRC/MRT和ZFR/
ZFT相比，我们提出的非线性预编码算法可以有效地降低粗量化中继系统的BER，当SNR越大时，效果越明显。
[0070] 实施例4
[0071] 粗量化中继系统包括1对单天线用户和一个多天线中继，该多天线中继配置单比特模数转换器和单比特数模转换器，源端用户发送信号为BPSK信号，且SNR＝pS。源端用户发送信号s，经过传输信道GSR后，多天线中继收到含有噪声nR的信号，该信号经过单精度ADC的量化处理，转变为yR；接着，中继经过非线性预编码算法和单精度DAC的量化，发送信号xR，经过传输信道GRD，目的端用户收到含有噪声nd的信号，经过硬判决后，得到接收信号d。
[0072] 如图4所示，降低粗量化中继系统中误比特率的方法，具体包括如下步骤：
[0073] 1)源端用户发送信号s给多天线中继；
[0074] 2)多天线中继直接计算得到最优的发送向量 最优的发送向量的计算方法为：
[0075]
[0076] 其中，gRD表示多天线中继到目的端用户的信道向量，Q(z)表示单比特量化操作，独立地处理信号的实部和虚部；
[0077] gSR,i表示源端用户到多天线中继第i根天线的信道系数； 为累积分布函数；yR,i
表示多天线中继收到的信号向量的第i个元素；M表示多天线中继的天线数目； 和 分别表示复信号的实部和虚部；pS表示源端用户的发送功率；
[0078] 3)多天线中继将最优的发送向量 转发给目的端用户。
[0079] 应用例2
[0080] 将实施例4的方法与线性预编码算法(MRC/MRT)进行比较，输入信号为BPSK信号，采用线性预编码MRC/MRT时，中继端的发送向量表示为 如图5所示，最优的非线性预编码方案在BER方面有1-2dB的提升。
