CN100531167C - 使用中继的无线通信网络的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用中继的无线网络。在根据本发明的在两跳无线通信网络中执行通信的方法中，发射器210、接收器220和至少一个中继站215参与通信会话。中继站215将信号从发射器210与中继站215之间的第一链路转发到中继站215与接收器220之间的第二链路。作为对至少第一链路的估计无线电信道特征的响应，调整至少一个中继站215执行的转发。最好作为对第一和第二链路的估计无线电信道特征的响应，调整转发。

Description

使用中继的无线通信网络的方法和系统

发明领域

本发明涉及增强通信性能的支持中继的无线通信。更具体地来说，本发明涉及一种在两跳无线通信网络中执行通信的方法和系统。

发明背景

开发无线/蜂窝通信网络和系统中主要的努力方向是提供(且不说许多其他方面)增加的覆盖区或支持更高的数据速率或二者的组合。同时，构建和维护系统的成本是很重要的方面，并预期在将来会变得甚至更重要。随着数据速率和/或通信距离的增加，电池消耗增加的问题成了另一关注领域。

迄今，无线网络的主要拓扑没有大的变化，包括现有的这三代蜂窝网络。这种拓扑表征为以固定的无线电基站和移动台作为网络中的发射和接收实体的蜂窝体系结构，其中通信通常仅涉及这两个实体。实现网络的备选方法以熟知的多跳网络为例，其中通常在无线方案中，通信涉及中继配置中的多个发射和接收实体。此类系统提供大大减少通信(中继)实体之间的路径损耗的可能性，这可以有益于端到端(ETE)用户。

最近的关注给予了另一种拓扑，其许多特点和优点与多跳网络相同但是限于只有两(或少许)跳的中继。与多跳网络比较，前述的拓扑利用类似(parallelism)的方面并且还采用高级天线系统中的主题。利用此新类型的拓扑的这些网络以多站之间的协作作为常见命名依据。在最近的研究文献中，有若干名称，如协作中继、协作分集、协作编码和虚拟天线阵列等。在本申请中，术语“协作中继”和“协作方案/方法”意在分别涵盖所有利用多站之间的协作的系统和网络和用于这些系统的方案/方法。[1]中给出的是协作通信方案的综合概述。可以部署中继信号的各种格式。可以对信号进行解码、再调制和转发，或备选地可以只是放大并转发。前者被称为解码并转发或再生中继，而后者被称为放大并转发或非再生中继。再生和非再生中继例如分别以常规的多跳和中继器解决方案而众所周知。[2]中针对这两种方法的各个方面。

无线通信中的协作中继的多种效益可以归结为更高的数据速率、降低的中断(因不同形式的分集所致)、增加的电池寿命、扩大的覆盖区(例如蜂窝的)。

已经提出各种利用协作中继的方案和拓扑，例如，有作为信息理论领域内的理论模型的、有作为实际网络的建议的、以及少数情况作为实验室测试系统的。在[1]中第37-39页、41-44页中找到实例。可以基于哪些实体有数据要发送、发送给谁以及谁协作来对各种协作方案进行分类。在图1a-f(现有技术)中，图示了不同的拓扑，示出在哪里生成通信业务、谁是接收方以及无线电传输的路径。

图1a所示的常规中继信道，包括希望通过使用中继与目的地通信的源。中继通过有噪信道接收源发射的信号，处理该信号并将其转发到目的地。目的地观察到源和中继传输的叠加。中继没有任何信息要发送；因此中继的目的是使从源到目的地的信息流的总速率最大化。在[1]、[7]中和[3]中研究了常规中继信道，其中在后者中引入了接收器分集。三站形式的常规中继信道完全不利用多个中继站，因此不提供上述的优点。

图1b图示了一种更有前途的方法即并行中继信道，其中无线系统用具有重叠覆盖区的中继器(如支持中继器的蜂窝基站)，接收器可以受益于使用从多个中继器接收的叠加信号。这是在各中继器设在靠近的位置时系统中自动出现的情况。最近，信息理论研究已经针对该情况。具体相关的例子是Schein所著的[4]和[5]。Schein就面向协作的网络进行了信息理论研究，其中该面向协作的网络具有四个节点，即一个发射器、一个接收器和仅两个中间中继。研究一种传播损耗等于1的实值信道。每个中继用非再生中继，即单纯放大。由于对实值传播损耗的过分简单化假设，所以在接收器天线上信号以相干方式相加。在单独的中继功率约束下，Schein还指出可以选择放大系数来使接收器SNR最大化，但是未推导放大系数的显式表达式。其中一个站以它的最大功率发送，而另一个站以某个其他但较小的功率发送。Schein方案的缺点在于只是信息理论分析、限于只有两个中继站、在增益为1的实值信道中推导(因此忽略了基本的和现实性传播假定)，缺乏使该方法实际可行的装置和机制。例如，完全没有针对协议、功率控制和RRM机制、复杂性和开销问题。仅就针对只有两个中继站而言，未考虑也未利用更多的中继会产生的高得多的天线增益和分集效益。

近来若干研究者研究了具有中继的多址信道的概念(也称为具有通用反馈的多址信道)，如图1c所图示的。此概念涉及两用户协作，即交换各自想要发射的信息，并随后每个用户向一个接收器不只发送它自己的信息，而且还发送另一用户的信息。这样做的好处在于协作提供分集增益。实质上研究了两种方案：协作分集和编码协作分集。例如[1]中报告了研究。就分集而言，提出了各种形式，如Alamouti分集、接收器分集、基于相干组合的分集。通常，研究的方案和拓扑依赖于在传输之前编码数据。这还意味着各站需要靠近设置来协作，因此排除了与更远中继以及在可形成大规模群情况下的大量潜在中继的协作。那些方案的另一个缺点是不太可能会有靠近设置且同时发射的站。这些缺点表明所研究的拓扑不太适于付诸实践。具有中继的广播信道(如图1d所示)实质上是图1c所示的拓扑的反向结构，因此享有相同严重的缺点。

对图1c所示的拓扑的再一个扩展是所说的具有中继的干扰信道，如图1e所示，其中考虑了两个接收器。例如[8]和[1]中研究过此方案，只是接收器之间没有协作，因此没有利用协作中继可能提供的潜能。

图1f所图示的另一个报告的拓扑有时也称为虚拟天线阵列信道，如[9]所述。在此概念中，假设通信站与相邻中继节点之间有(显著的)带宽扩展，因此可以在正交资源上传送无干扰信号，这样考虑到保留相位和振幅信息。利用此体系结构，利用单个天线接收器来使能MIMO(多输入多输出)通信(也可以是其他空间-时间编码方法)。该拓扑可以等效地用于传输。一般的假设是，中继站靠近接收器(或发射器)。这限制了找到中继的可能性以及可以使用的潜在中继的总数。显著的实际的限制是，需要非常大的带宽扩展以在无干扰信道上将信号中继传送到接收器来处理。

协作中继与发射分集概念(也称为具有富反馈(rich feedback)的发射分集，TDRF)有一些表面的相似性，如[10]所述以及图1g所图示。对于此概念关键的是，例如在蜂窝系统中的基站的具有固定位置天线的发射器找出从每个天线单元到接收器天线的信道参数(考虑到衰落效应和随机相位)，并使用此信息来确保在发射器中进行加权和相位调节之后的(无噪声)信号被发送并在接收器天线以相干方式相加，由此最大化信噪比。虽然利用最好是已知信道且在固定基站上实施的发射分集提供显著的性能效益，但是就可以在一个设备中或在一个天线场地实施的天线单元的数量而言还存在实际的局限。因此，可以获得性能增益的程度上有限制。面向基站的发射分集的缺点还在于发射器和接收器之间的大物体造成高路径损耗。

因此，在现有技术中证明，协作中继在提供例如高容量和灵活性方面具有大的潜力。再者，在现有技术提出的拓扑和方法没有充分利用具有协作中继的网络所预期的优点。

发明概述

在现有技术方法中，在调整任何传输参数时未考虑第一链路、第二链路或其组合的质量。其结果是性能可能降低以及资源未被有效利用。

因此，上面讨论的现有技术的显著缺点在于它们未响应转发过程中所涉及的链路或链路组合(第一和第二)的质量来调整中继的发射参数。由此，现有技术已经无法充分利用协作中继网络所预期的优点。

显然需要一种改进的方法和系统来实现协作中继网络，需要在调整传输参数时考虑第一链路、第二链路或其组合的质量，由此有能力更好地利用协作中继网络所预期的优点。

本发明的目标在于提出一种克服了现有领域技术缺点的方法、中继站和系统。这通过如本发明所限定的方法，本发明所限定的中继站和本发明所限定的系统来实现。

为解决上述问题，本发明提出一种方法、中继站和系统，其使得使用第一和第二链路的估计无线电信道特征来调整中继站执行的从第一链路到第二链路的信号转发变得可能。

在该方法中，根据执行两跳无线通信网络的本发明，发射器、接收器和至少一个中继站参与通信会话。中继站将信号从发射器和中继站之间的第一链路转发到中继站和接收器之间的第二链路。作为对至少第一链路的估计无线电信道特征的响应来调整至少一个中继站执行的转发。最好作为对第一和第二链路的估计无线电信道特征的响应来调整转发。

根据本发明的中继站适合用于两跳无线通信网络，其中网络包括发射器、接收器和至少一个中继站。中继站适于将信号从发射器和中继站之间的第一链路转发到中继站和接收器之间的第二链路。中继站设有基于第一和第二链路的表征来调整转发的装置。

由于本发明，使第二链路上的转发更好地适应通信会话期间出现的实际条件是可能的。此外，可以使转发更好地适应条件的变化。

本发明提供的一个优点在于单独的无线电路径的更精确和可靠的表征可以用于确定和优化不同的传输参数。由此，例如可以更充分地利用协作中继网络的潜能。

再一个优点在于，在中继站中执行第一和第二链路的表征是有利的。因此，根据本发明的方法便于网络中功能的分布，从而允许增加通信会话中的中继站的数量，而不会显著地增加从发射器到接收器的数据传输所需的协议开销量。

根据本发明的方法和系统的又再一个优点是，改进的第一和第二链路的表征便于充分利用包括更多数量的中继站的具有协作中继的网络所预期的优点。通过将本发明用于相干组合设置，方向性增益和分集增益随中继站数量的增加而增加。方向性增益本身提供增加的SNR，它可以用于范围的扩展和/或数据速率的提高。分集增益增加了通信的稳健性，从而提供在不同时间上更恒定的通信质量。虽然方向性和分集增益可以由各种常规的高级天线解决方案(其中这些天线设在发射器或接收器)来提供，但是所提出的解决方案一般不限于在基站或移动终端中见到的物理空间约束。因此，确实存在使用比基站或移动台上的天线数量更多的中继的潜力，并由此提供甚至更大的方向性和分集增益。

本发明的实施例在从属权利要求中限定。通过以下对本发明的详细描述并结合附图和权利要求一起考虑时，本发明的其他目标、优点和新颖特点将变得显而易见。

附图简介

以下在结合附图的详细描述中对上述本发明的特点和优点作更全面的描述，附图中相似的引用号在全文中指相似的单元，附图中：

图1a-g是利用协作中继的某个现有技术的拓扑的示意图；

图2以示意图说明根据本发明的使用协作中继的蜂窝系统；

图3是用于描述用于本发明的参数和项的示意模型；

图4是根据本发明的方法的流程图；

图5a和图5b是根据本发明的协作中继网络的两个备选逻辑体系结构的示意图；

图6是根据本发明的方法的一个实施例的流程图；

图7是利用具有多个天线的中继站的本发明备选实施例的示意图；

图8是利用发射器与接收器之间的直接传输的本发明备选实施例的示意图。

发明的详细描述

现在将参考附图描述本发明的实施例。

图2所示的网络是利于实施本发明的协作中继网络的实例。附图示出无线网络的一个小区205，包括基站210(BS)、多个中继站215(RS)和多个移动台(MS)220-223。如图所示，中继站215安装在天线杆上，但是还可以安装在例如建筑物上。因为可以布置视线条件，所以可以使用固定中继；可以使用朝向基站的定向天线来提高SNR(信噪比)或干扰抑制；固定中继在发射功率上不会严重受限，因为通常可以利用供电网络。但是，还可以将诸如用户移动终端的移动中继用作固定中继的补充或独立工作。移动台221和222是移动中继的实例，即临时还作为中继的移动台。移动台220与基站210正在进行有效通信。如箭头所示的信令基本同时使用以两跳表征的多个路径，即经由中继站215或作为移动中继的移动台221、222。该传输会经历来自例如相邻小区的干扰，以及干扰的影响因不同的路径而不同。

应该注意的是，虽然基于中继的通信用于增强通信，但是仍可以使用BS到MS的直接通信。实际上，可能需要BS和MS之间的某个基本低速率的信令来建立支持中继的通信信道。例如，诸如传呼的蜂窝系统功能可以不使用基于相干组合的中继，因为至MS信道的中继并非先验已知的，在呼叫建立和类似的过程期间最好改用BS到MS的直接通信。

图2所示现实中的蜂窝系统通过图3所示的系统模型来建模，此时关注的是一对发射器和接收器，以及任意数量K个中继站。调整符号：基站210作为发射器，而移动台220作为接收器，但是并不局限于此。基站210和移动台220之间的通信可以描述为包括两个主要部分：从基站210到中继站215:k的传输称为链路1，从中继站215:k到移动台220的传输称为链路2。

发射器(即BS 210)以功率P_BS发射。每个中继站215:k接收该信号并以总功率P_k再发射，其中k∈{1，2，...，K}且K是中继站的总数。所有中继站215:k的集合发射功率表示为P_RS。h_1，k是从基站210到中继站k215:k的复路径增益，而h_2，k是从中继站k到移动台的复路径增益，即h_1，k和h_2，k表征单独的信号路径。接收器即MS 220接收表示为C_r的总信号并经历总噪声N_r。

通常，在实际情况中，小区内的BS同时参与与多个移动台的通信。这可以通过考虑每个根据图3建模的通信来设想。为清楚起见，在本申请中将仅考虑涉及一个BS、一个MS和多个中继站的通信会话。但是，对于本领域技术人员来说，显然本发明的体系结构和方法/方案还易于应用于在基站与移动台之间有多个同时通信的情况。

正如本领域技术人员所意识到的，在根据上述模型的网络中，需要设定且最好优化大量的参数，以便充分利用此类网络提供的潜能和容量。这还是，如先前讨论的，现有技术的系统显示了其作为多中继系统的缺点，由于其假定的复杂性，未进行讨论。需要考虑和最好优化的参数包括但不限于基站210和每个中继站215:k(应该用于通信中的那些中继站)的发射功率、相位控制(如果使用相干组合)、编码、延迟(如果是延迟分集的情况)、天线参数(波束赋形，空间复用)等。控制并优化传输所需的参数将称为传输参数(TP)。优选的优化包括但不限于优化基站210和中继站215:k的发射功率，以便依据例如不同实体的功耗和本小区和相邻小区中的干扰电平，在接收移动台上获得特定的SNR，该SNR又与例如某个服务质量或容量对应。

所有优化的基础以及有效使用无线电资源的必要条件是准确地表征第一和第二链路中的无线电路径，并且控制任何传输参数的任何改变将如何影响总体性能。根据本发明的方法提出了一种中继站215:k使用第一和第二链路的信道特征来确定传输参数用于第二链路上转发的方法。此外，根据该方法，每个中继站215:k可以任选地使其在第二链路上的转发适合例如接收器220感受到的整体通信的质量测量。整体通信的质量测量将称为公共传输参数。

在根据在两跳无线通信网络中执行通信的本发明的方法中，发射器210、接收器220和至少一个中继站215参与通信会话。中继站215将信号从发射器210与中继站215之间的第一链路转发到中继站215与接收器220之间的第二链路。作为对至少第一链路的估计无线电信道特征的响应来调整至少一个中继站215执行的转发。最好作为对第一和第二链路的估计无线电信道特征的响应来调整转发。

将参考图4的流程图，描述根据本发明的方法。所述方法包括如下的主要步骤：

400：在链路1的k个路径上发送导频；

410：表征链路1的k个路径。

420：在链路2的k个路径上发送导频；

430：表征链路2的k个路径。

440：确定每个中继站215的相对传输参数，其中每个相对参数基于链路1或链路1和链路2的组合的各路径的表征。

450：每个中继站215:k使用其各自的相对传输参数调整在链路2上的向接收器220的转发。

任选地该方法包括如下步骤：

445：确定反映整体通信质量的公共传输参数。

447：将该公共传输参数分发到中继站(215)。以及随后将步骤450替换为：

450’：每个中继站215:k使用其各自的相对传输参数和公共传输参数来调整在第二链路上的向接收器220的转发。

“导频”和“发送导频”应该视为发送任何类型的信道估计码元。还可以将“问候消息”用于此目的。

应该注意发送导频无需依照上述次序进行，还可以在链路1和链路2上同时进行。

步骤410和430中表征无线电路径最好与使用的传输技术相适应，并且可能还与应该利用表征的优化类型相适应。表征可以包括但不限于：

估计复路径增益h_1，k和h_2，k，它们分别表征第一和第二链路的每个路径。

因为有两个链路，即发射器到中继和中继到接收器，所以哪些站发射以及哪些站估计信道有四种可能性。表1概述了这四种可能性。其目的是要说明可以采取本发明的若干不同的实施方法。

表1

假定在某个站上执行了信道估计，还有问题就是谁来执行所整理信息的处理，即确定相对传输参数。基本上，有三种选择，发射器BS 210、接收器MS 220或一组中继站RS 215。因为中继站必须执行链路2上转发的调节，所以这是确定相对传输参数的优选地方。如果中继站发送导频信号，则需要将信道表征的表示报告回给中继。如果改为由中继站接收导频，则无需将信道表征的表示向任何地方报告(对应于情况1)。情况1在许多场合中是优选，因为它使开销信令降至最少。另一方面，可能希望使中继站尽可能简单，并在接收器和/或发射器或与接收器或发射器有关的实体中执行所有计算。如果这样，则表1的情况4可能是优选，并且所有估计和计算都在非中继站的其他实体中执行。将中继站调节其各自转发所需的信息发送到每个中继站。如上所述，存在许多可能的组合，并且本发明并不局限于特定的一个。

将参考图5a描述根据本发明的优选系统，它适于可以实施上述的情况1。每个中继站215:k具有执行信道表征的装置216和基于信道表征确定相对传输参数的装置217以及基于相对传输参数和任选地基于公共传输参数来调节转发的装置218。接收器220具有执行集合信号的质量测量的装置221和任选地具有确定公共传输参数的装置222。通过直接广播到中继站215:k或经由发射器210，将公共传输参数从接收器220分发到中继站215:k。中继站215:k接收公共传输参数，并结合其相对传输参数调节它们对信号的转发。这可以视为在接收器220和中继站215:k之间包括逻辑控制环路。通常接收器220和发射器210之间存在另一个逻辑控制环路，以调整发射器的传输参数，如输出功率、调制模式等。因此本发明的优选实施例包括两个逻辑控制环路：接收器220和中继站215:k之间的第一控制环路505，向中继站提供公共传输参数；以及第二控制环路510，将传输信息从接收器220反馈到发射器210。

在适于可以实施上述的情况3-4并参考图5b描述的另一个实施例中，例如将执行信道表征的装置216和确定相对传输参数的装置217和确定公共传输参数的装置222集中设在接收器220中。接收器从中继站215和/或发射器210接收导频的未处理的结果。接收器执行必要的估计并将有关相对传输参数和公共传输参数的信息发送到中继站215，以含所有相对传输参数的广播消息的方式或以到每个中继站的专用消息的方式。备选地，发射器可以执行对第一链路的无线电路径的估计(情况2)，由此具有相应的装置。另外的备选方案是，执行传输参数的表征和确定。但是，最好接收器和发射器进行通信以将收集的含有所有传输参数信息的一个或多个消息提供给中继站，作为广播消息提供到所有中继站或作为专用消息提供到每个中继站。另外的备选方案是在网络某个地方执行传输参数的表征和确定，例如在无线电网络控制器(RNC)中或具有相似功能的实体中。

如上所述，本发明使更精确且可靠地确定和优化不同的传输参数变得可能。这又使充分地利用中继网络的潜能具体来说协作中继网络的潜能变得可能。

根据本发明的方法便于网络中功能的分布，从而允许增加通信会话中的中继站的数量，而不会显著地增加从发射器到接收器的数据传输所需的协议开销量。

为了有效地实施根据上述内容的方法，需要将两个链路的无线电路径的表征以及可能有的公共质量测量纳入考虑来确定转发参数的过程。下文概述了一种有效的过程，并在详细说明的结尾给出所含表达式的完整推导“解析表达式的推导”。下面还给出如何可以调整过程来控制和优化发射功率、相位和中继站激活，从而表示不同的实施例。

每个中继站k以如下定义的总功率来发射

$P_k=\frac{P_{\mathrm{RS}}\·{\left|a_k\right|}^2}{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a_k\right|}^2}---\left(1\right)$

其中P_RS是所有中继站的集合发射功率；a_k是中继站的非标准化的复增益系数k∈{l，2，...，K}；以及K是中继站的总数。

在“解析表达式的推导”中，示出如果如下两个表达式成立，则达到最大接收器SNR(假设接收的信号被标准化为单位功率)：

$\left|a_k\right|=\frac{\sqrt{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}}\·\sqrt{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}}\·\sqrt{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}+1}}{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}+{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}+1}---\left(2\right)$

且

arg{a_k}＝-arg{h_1，k}-arg{h_2，k}                    (3)

其中

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}=\frac{{\left|h_{1,k}\right|}^2{P}_{\mathrm{BS}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{RS},k}^2}$

以及

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}=\frac{{\left|h_{2,k}\right|}^2{P}_{\mathrm{RS}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{MS}}^2}$

以及P_BS是基站的发射功率，σ_RS，k ²是任何中继站上的噪声加干扰电平，σ_MS ²是移动台上的噪声电平，h_1，k是从基站到中继站k的复路径增益，以及最后h_2，k是从中继站k到移动台的复路径增益。

可以示出(参见详细推导)接收信号y_k的中继站k将发射如下信号

$z_k=y_k\·\frac{1}{\sqrt{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a_k\right|}^2}}\·\frac{\sqrt{P_{\mathrm{RS}}\·{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}\·{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{RS},k}\·({\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}+{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}+1)}\·e^{-j\·(\arg \left(h_{1,k}\right)+\arg \left(h_{2,k}\right))}---\left(4\right)$

应该注意的是Γ_RS，k指第一链路的无线电路径以及Γ_MS，k指第二链路的无线电路径。由此，在每个中继站转发中，两个链路的无线电特征均被纳入考虑。Γ_RS，k和Γ_MS，k最好但非必须在每个中继站上计算。

∑|a_k|²项作为功率标准化系数，表示为

且观察到无法由每个中继单独来确定它。相反这暗示

必须在某个其他适合的站上确定并分发到中继。

对应于公共传输参数，以及

对应于中继站k的相对传输参数。

可以将在集合中继发射功率约束下的最大可达接收器SNR确定为：

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{Eff}}^{\left(\max \right)}=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}\·{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}}{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}+{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}+1}---\left(5\right)$

更进一步观察，注意到每个单独的中继对Γ_Eff ^(max)的SNR贡献等效于每个中继站以所有中继发射功率P_RS本身来发射的情况。

再者，“解析表达式的推导”，还提出再生和非再生相干组合的组合表达式。当研究再生和非再生相干组合时，一个有趣的发现是再生方法往往差于非再生的情况，因为根据需要的再生中继受限于发射器周围的地域，而无法以最优方式利用所有可用的中继。换言之，即使可能不对信号进行解码，当用相干组合时，它仍可以贡献。总的来说，非再生和再生方案的组合的效果将稍好于仅考虑非再生方法的情况。下文中讨论的功率和相位控制的机制是独立的且对是否还用了再生中继是通用的。

相位控制

作为第一实施实例，根据本发明的逻辑体系结构和方法适合用于促进相干组合。相干组合的先决条件是在接收器使信号相位对齐。这通过补偿从发射器210到中继站215的复相位以及从中继站215到接收器220的复相位来实现。实际上，在每个中继站中，接收到的信号y_k与相位系数

相乘，其中

arg{a_k}＝-arg{h_1，k}-arg{h_2，k}

因此，在每个单独的中继站上显式或隐含的信道相位信息必须可用。本质上有两个基本的方案可以用于推导相位信息，一个是基于闭环控制而一个是基于开环控制。当无法利用信道互逆性时，如在FDD(在单个链路上使用)或当要求高的控制精度时使用闭环控制是必需的。相反，开环控制方案利用信道互逆性，例如通过TDD来实现(在单个链路上使用)且信道探测(channel sounding)在信道相干时间内操作。开环控制一般不如闭环控制准确，这是因为站的发射/接收链不对称所致。这些差距归结于投入硬件设计的努力，并且总是可以通过改进设计来补偿。再者，引入偶尔的闭环控制循环可以补偿静态的开环误差。但是，在本发明中，相位误差原则上可以达到±90度，并仍可以以相干方式(但是不是非常有效)与其他中继的信号组合。因此，绝对相位精度不是必须的，而当然是优选的。闭合控制方案一般依赖于显式信令来报告测量结果，由此消耗了更多的通信资源并引起相对于开环方案的时延。注意，有关TDD与FDD的这种讨论考虑了某个时间在例如中继站到接收器的链路的单个链路上的双工技术，但是还可能的是基于时分和频分来表征网络中的整体通信。例如，链路1和链路2可以共享频带或使用不同的频带。但是从本发明的角度来说，可以使用双工和多址方案的任何组合，只要可以确定信道相位信息并将其用于中继站中的相位补偿。

与闭环和开环控制密切相关的问题是哪个站发送导频，这已在上文中参考表1进行了讨论。因为中继站必须执行相位调节，所以它自然成了确定arg{a_k}的地方。如果中继站发送导频信号，则需要将相位(或信道)参数报告回给中继。这对应于闭环的情况。如果改为中继站接收导频，则无需将相位(或信道)参数向任何地方报告。这对应于开环的情况。显然，根据是需要在控制分组中发送出相位(即信道)信息还是可以保持在同一个站中，这对无线电资源效率、功耗以及实施的复杂性都有影响。总的来说，如上所见，存在许多种可能性，而我们选择最有希望的。将另外讨论双工和多址的优选组合。但是，如本领域技术人员所理解的，存在非常多的可能性，且本发明不局限于下文实例说明的。

情况1(参见表1)，它属于开环类型且适合于具有“足够”相干时间的TDD，它提供最低的信令复杂度，因为只需要两次传输，且处理分布在所有中继站上。此处，发射器以及预期的接收器足够频繁地或只要需要就发出信道估计码元，使得每个中继可以跟踪两个信道。中继站随后估计确定相位系数a_k的信道相位。

功率控制

对于资源有效的通信来说，除了相位控制之外，第二个重要的方面是功率控制，因为它提供了确保通信质量令人满意的措施。根据本发明的逻辑体系结构和方法易于适合用于实现有效的功率控制。该功率控制方法基于将接收器上的有效SNR朝目标SNR即Γ₀来控制，目标SNR表明期望的链路质量。当然该目标SNR可以随时间而变化，取决于链路模式或QoS要求随时间的变化。根据本发明的逻辑体系结构和方法可以在发射器上以及单独在每个中继上调节功率。中继功率控制具有公共以及单独的中继分量。在最小化的目标中，集合功率针对多址干扰最小化以及将中继功耗最小化的问题。但是，当MS作为发射器时，功率控制还可用作一种显著最小化MS的功耗和辐射功率的方法，其中的优点就有延长MS的电池寿命。

在最高电平上，功率控制问题可以定义为：

找到{P_BS，P_k}， $\∀k\∈\{\mathrm{1,2},...,K\};$ 使得 ${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{eff}}^{\left(\max \right)}={\mathrm{\Γ}}_0$

这最好在一些约束下来实现，如最小化P_RS＝∑P_k以及以固定的P_BS，但是还可以考虑其他的约束，例如最小化总发射功率P_RS+P_BS或将限制中继感生的干扰生成纳入考虑。下文中，我们假定最小化P_RS＝∑P_k且固定(或相对慢地)调整P_BS。这是下行链路中的合理设计目标，但是对于上行链路来说，更关注的可能是最小化发射功率。但是，如果中继是移动的且中继是电池供电的，则可以最小化中继和发射器的总功率。

这是功率控制的基本功能。从实际的角度来看，通常协作中继网络中以及具体通过相干组合来控制功率的总任务是要使用先前知道的用过的功率P_BS和P_k，并更新这些参数来满足期望的通信质量。

功率控制与相位控制具有许多共同的特性，因为可以以若干方式来估计链路增益，具体视闭/开环、TDD/FDD、控制分布等方面而定。由此，此处还可以设想一系列的备选实施方式。在下文中，与相位控制的讨论相似，假定发射器和接收器发出信道估计信号，并可以假定信道增益互逆性，但是本发明不局限于此。

本文提出的功率控制具有针对每个中继站的分布式分量即相对传输参数和对所有中继通用的分量即公共传输参数。该方案按如下方式操作：通过信道估计，以及已知用于发送导频的功率，每个中继站可以确定其分别至发射器和接收器的各路径增益，而且同时可以估计干扰和噪声电平。基于路径增益的测量和有关P_RS和σ_MS ²的信息，确定Γ_MS，k是可能的。还可能的是，基于路径增益、噪声和干扰估计且已知P_BS或仅仅对任何接收到的信号的直接的SNR测量，可以确定中继站上的SNR即Γ_RS，k。基于此，可以在每个中继站上以完全分布式方式来确定相对发射功率电平。但是，每个相对发射功率电平需要按标准化系数

缩放以确保集合发射功率与集合发射功率P_RS相同或至少接近。这是公共功率控制部分。如果

太小，则发送较最优P_RS大的功率，由此对于投入的发射功率存在更优化的相对功率分配。当太大时，同样有效。由此，对于最优资源投入来说，重要的是控制

以使预期功率P_RS是中继的集合发射功率电平。注意，从性能的角度来看，如果

有点小使得仅提高有效SNR，则不是大问题，因为降低了接收器内部噪声的相对影响。

现在参考图5所示的逻辑体系结构，最好确定标准化系数，即公共传输参数，并从接收器分发。这应该视为逻辑体系结构，因为还可能的是，例如将所有控制信息转发到发射器，然后发射器将其再分发到中继站。接收器220和中继站215:k之间的第一控制环路505为中继站提供P_RS，而从接收器220到发射器210的第二控制环路510为发射器提供P_BS。任选地，如果该发射器对包括多组协作TX-RS-RX链路的整个无线电系统具有更好的视野，类似于蜂窝系统中连接基于的基站应该具有的，则它可以引入力争优化整个系统的其他方面。

现在给出在接收器上实施控制环路的一种方法，然后假定P_BS是固定的(或被缓慢控制的)。根据在n表示的时间上发生的传输，接收器测量感兴趣的相干组合信号的功率C_r，在接收器上测量的中继感生的噪声N_r和接收器中的内部噪声N_i。基于此以及受条件限制的Γ₀，接收器确定P_RS ⁽ⁿ⁺¹⁾和标准化系数的更新

这可以书写为通过目标函数f的映射

然后接收器将更新P_RS ⁽ⁿ⁺¹⁾和

通过组播控制消息分发到所有中继。为了说明该理念，假定P_RS从前一次传输保持固定不变，但是要调整标准化系数。在“解析表达式的推导”部分中，示出最优标准化需要根据如下公式的在接收到的信号C_r和总接收噪声、干扰和接收器内部噪声N_r+N_i之间的平衡

C_r＝(N_r+N_i)²                            (7)

由此，通过包括接收器已知的先前的标准化系数

以及平衡该等式所需的更新则关系变成

这样通过解简单的二次方程式就得到

如果P_RS和都需要更新，则上述平衡方程式、接收器SNR即Γ的关系可以配合测量的信号电平使用，并解得P_RS和

最好可以将诸如泰勒展开式和微分的线性化技术用于该目的，并解得ΔP_RS和

注意到，对于第一次传输，标准化系数未被赋予先验值。可以采取不同的策略来快速调整功率。例如，发射功率上限最初可以通过每个中继来确定，因为它们可以已知Γ₀并且还可以确定它们的(相干组合)SNR贡献。如果每个中继以某个系数保持低于该上限很多，则可以通过控制环路将功率连续上升，所以正在进行的通信不会受到突然的干扰。对于其他通信站，这使得控制环路可以以分布式和受控方式适应新的干扰源。

还要注意，即使在任何中继中出现发射功率限制，功率控制环路仍确保在所有条件下最大化SNR。

确定标准化系数的另一个可能更精确的方法是在每个中继中确定|a_k|项，然后将其发送到接收器，在那里计算∑|a_k|²，由此得到标准化系数

随后将分发到所有中继，类似于先前的实施例。注意可以通过仅对所有中继的子集即一些最重要的中继取样来减少信令量并将信令量保持在可接受的水平上，以便产生足够的好的∑|a_k|²项的估计。还要提一下的是∑|a_k|²项通常在短时间内将不会变化太大，即使是在衰落信道中也是如此，这是因为本发明固有的大分集增益。

虽然功率控制是在相干组合的场合中描述的，但是该框架还适用于其他类型的中继协作方案中的功率控制，如各种中继感生的发射分集，例如Alamouti分集。该框架是类似的，因为功率控制考虑发射器功率、单独的中继功率和集合中继功率的组合。中继感生的发射分集的另一个实例是(循环/线性)延迟分集。每个中继在中继的信号上施加随机或受控的线性(或循环)延迟，由此导致人为频率选择性。延迟分集是所熟知的来自基于CDMA和OFDM的通信的发射分集。

为了总结该部分，本发明提出将功率控制用作一种概念来确保现实信道中基于相干组合的协作中继的性能优化，且具体地在集合中继发射功率约束下优化信噪比。该功率控制概念不限于基于相干组合的协作中继网络，而且其他面向协作中继的网络可以使用同样的概念，只是然后要使用最适合该方案的优化目标。此外，提出了基于在链路1和链路2上的增益参数的估计和信道探测的协议的基本特点。基于低复杂度、低信令开销和低总功耗，还概述了一种协议设计的合理设计选择(与相位控制具有共同之处)。具体来说，示出可以使用包括中继和发射器功率控制的功率控制环路的组合。最后，还证明中继的控制环路可以基于每个中继中的分布式功率控制决策以及公共功率控制部分(在那里联合控制整组中继)来构建。

使用本发明方法和体系结构来实现有效的功率控制和相位控制的实施例的主要步骤如图6的流程图所示。该方法包括如下步骤：

600：在链路1的k个路径上发送导频，从发射器210’向中继站215:k；

610：每个中继站215:k估计链路1的k信道h_1，k；还估计干扰和噪声电平以计算Γ_RS，k。

620：在链路2的k个路径上发送导频，从接收器220’向中继站215:k；

630：每个中继站215:k估计其出自2的k信道的各自信道，h_2，k；

640：每个中继站215:k基于信道估计值来确定相对传输参数。

650：接收器220’确定标准化系数

660：接收器220’将标准化系数

P_RS和σ_RS ²广播到中继站215:k。

670：每个中继站215:k使用广播的

P_RS和在本地确定的Γ_MS，k和Γ_RS，k，以及信道估计值h_1，k和h_2，k的相位以在接收到信号y_k时发射如下信号：

其中基于信道估计、P_BS和σ_RS ²计算参数Γ_RS，k，并且基于P_RS和σ_MS ²计算参数Γ_MS，k。

如果考虑至接收器的第一次传输，(那么功率环路不知道现有的链路质量)，例如中继可以对接收的标准化系数

进行修改和设定上限，以使

其中c≤1从接收器发送或是先验已知的。

675：接收器220’向发射器210’反馈控制信息(P_BS)。

步骤660所示的第一控制环路还可以包括如下子步骤：

660：1接收器在时间n测量接收到的信号的质量，或更具体地来说相干组合信号的功率C_r、接收器上测量的中继感生的噪声N_r和接收器中的内部噪声N_i。

660：2基于步骤675：1的测量结果和受条件限制的期望的Γ₀目标，接收器确定标准化系数

和集合中继功率P_RS ⁽ⁿ⁺¹⁾的至少其中之一的更新。

660：3接收器通过组播控制消息将更新P_RS ⁽ⁿ⁺¹⁾和

分发到所有中继。

类似地，步骤675所示的第二控制环路可以任选地包括：

675：1接收器更新发射器(BS)功率P_BS ⁽ⁿ⁺¹⁾。

备选地，如果中继站不进行任何估计和计算，则将导频的未处理结果转发到例如接收器中的集中式功能，以及将相关的传输参数发射到每个中继站。

中继站激活控制

本发明的方法和体系结构可以有利地用于判断在建立通信时或通信会话期间哪些中继站215:k包括在通信中。作为在其中一个链路(发射器到中继和中继到接收器)或两个链路上经历差的SNR条件的一些中继，它们可能对总的SNR提高贡献非常小。再者，那些中继仍可能因接收器、发射器和信号处理功能而耗费显著的功率。还有要关注的是，设有一些控制方式以将中继干扰生成限制于更少的中继。因此，使用某些中继站从而被认为是浪费。由此，一个期望的功能是基于预定的准则来激活中继。这样的准则可以是其中一个链路、两个链路上可接受的SNR的或对有效SNR的贡献的预设下限阈值。该极限还可以通过某个实体进行调整和控制，最好是接收站，因为它拥有关于瞬时有效SNR的信息。由此中继可以例如连同功率控制信息和信道估计码元一起从接收器接收中继激活SNR阈值Γ_活动，将其与期望的SNR贡献比较，并且如果超过阈值，则允许传输，否则不允许。中继激活SNR阈值Γ_活动对应于公共传输参数，最好由接收器220’来确定并分发到中继站215。每个中继站使用本地参数(对应于相对传输参数)的实际决策过程以本发明方法和体系结构提供的方式分发到中继站。传输之前最好在每个中继站中执行的此测试，可以例如按如下公式表示为公式：

但是根据包括备选中继分集技术的中继方法，还可以使用其他条件。

例如，根据f₂(Γ_RS，k，Γ_MS，k)，中继激活条件可以更广泛表征为目标函数f₂。

再者，含有Γ_活动的广播消息还可以包括可用于精确定位特定中继(通过分配的中继地址)的字段，这些中继应该被引入或唯一允许使用或必须被排除或这些情况的任何组合。寻址某些中继的其他方法可以例如基于地址范围。这允许根据需要限制涉及的中继的数量。

根据上述讨论和表达式(9)，可以注意到，接收器220’可以在经历弱化SNR(例如因MS移动的原因)时选择通过降低阈值Γ_活动来命令增加发射功率和或包括更多的中继站215。接收器还可以使用如分组或比特差错率的其他通信质量条件来触发公共参数的变化，如所有中继功率的联合发射功率换算。

通过修改步骤650-670，在参考图6所述的功率和相位控制算法中可以引入中继激活控制，由此：

在650中：接收器220’还确定激活SNR阈值Γ_活动

在660中：接收器220’还将Γ_活动广播到中继站215:k。

在670中：每个中继站215:k首先确定是否使用激活SNR阈值Γ_活动广播，例如根据表达式(9)。

根据本发明的方法和体系结构可以适合于上述示例的以外的其他拓扑。可以例如修改图5中的拓扑以在每个中继站中包括多个天线，如图7所示。这样做的好处在于，可以减少中继站的数量，同时仍获得近似的总天线方向性增益。如果每个天线单元相隔的距离大于相干距离，则还提供了分集增益。总之，这可以降低成本，同时提供几乎相同的性能。但是，减少中继的数量可能因阴影(即对数正态衰落)而具有有害影响，因此必须小心应用。从信号、处理和协议的角度来看，每个天线可以视为分立的中继站。但是该方法的另一个优点在于可以共享内部和其他资源。再者，可以潜在地在天线之间内部协调中继，由此减轻了对非预期接收器的干扰生成。

还可以通过引入从发射器210到接收器220的直接信号来提高通信质量。至少有两种可设想到的主要方法以引入来自发射器的信号。图8示出还将从发射器的直接传输纳入考虑时的拓扑。

在第一种方法中，需要两个通信阶段。接收器在第一阶段将直接从发射器接收到的信号与来自第二阶段的中继传输组合。这有点类似于常规中继信道中的基于接收器的组合，但是具有基于相干组合的中继。可以用最大比率或干扰抗拒组合。

在第二种方法即面向发射-中继的相干组合中，仅使用一个通信阶段，并用于将从发射器到接收器的直接信号与中继信号相干组合。如果中继可以同时在例如分开设置的天线上发射和接收，则这可以变得可能。a_k的相位则必须根据如下公式确保中继的信号与直接信号对齐

arg{a_k}＝-arg{h_1，k}-arg{h_2，k}-arg{h_BS，MS}+c₁

其中h_BS，MS是从基站到移动台的复信道。引入直接信号用于相干组合的结果是，中继必须自适应地相对于直接信号调节它们的相位。为此可以使用闭环。与标准化系数功率控制相似，接收器向整组中继站发送相位控制消息，但是要从计算的相位补偿(-arg{h_1，k}-arg{h_2，k})减去德尔塔相位θ。

因为基站通过其传输不会感生任何噪声，所以无需调节它的发射功率来适应最优性能，对于中继而言却需要。代替地，性能随基站发射功率的增加而单调增加。但是一种选择是尽力最小化总发射功率、集合中继功率和基站功率。为此的参数设置类似于有关再生中继讨论中推导的，假定基站被当做中继。除此之外，还可以使用发射器上的多个天线单元，类似于有关具有多天线的中继的讨论。

通过独立地处理每个子载波，相对和公共传输参数的推导还可以直接应用于多载波传输，如OFDM。这将然后包括每个子载波的公共振幅标准化、相位和分布式中继振幅补偿。为此，取通过FFT-处理-IFFT的路径，或可能通过时域滤波。功率控制可以以矢量形式发送标准化系数

和中继功率指示P_RS以优化每个子载波的性能。一个更切合实际的解决方案是，将

和P_RS作为标量发送，作用于所有子载波。如果子载波优化，则功率控制可以尽力最小化功率即所有子载波上的总发射功率以满足期望的通信质量。这样然后得到频域中的某种分集增益。

另一个OFDM的方面是，它对于上述面向发射-中继的相干组合来说是优选选择。原因是循环前缀考虑到某个短的中继传输时延，其中通过时域滤波器修改相位和振幅，以允许即时传输。

对于单载波传输，如CDMA以及采用频率选择信道的情况，可以用类似于OFDM的频域操作或可以任选地对最强信号路径执行相位对齐或利用时域滤波器，如就OFDM所作的讨论。

为了使相干组合行之有效，重要的是将中继站频率与公共源同步。在蜂窝系统中，BS是自然源，因为基站上的时钟精度一般好于任何移动台中的。该功能可以如常规OFDM接收器实施中执行的那样利用规则的频率偏移补偿，那减轻了信道间干扰。

但是，中继还可以任选地利用GPS来实现频率同步，如果有的话。

虽然本发明主要是在相干组合的场合中来进行描述的，但是本发明并不局限于此。本发明可以应用于各种现有的和将来的两跳(协作)中继的方法。在最一般的情况下，中继的发射参数是第一链路的通信特征、第二链路的通信特征或二者组合的函数。从复信道增益(适合于相干组合)出发来描述通信质量，但是当考虑其他方案(提供分集和/或空间复用增益)时，其他链路特征的度量可能更实用。例如，对于Alamouti分集，可以更优选的是使用平均路径增益度量G，而非复信道增益h。

虽然本发明是结合目前被认为是最可行和最优选的实施例来描述的，但是应该理解的是，本发明并不局限于所公开的实施例，而相反意在涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置。

详细推导

在分析中，我们假定任意设置K个中继站。每个中继站k∈{1，2，...，K}接收由期望的信号的衰减版本构成的信号，例如按如下公式建模为复高斯x～N(0，1)，以及噪声加干扰项n_RS，k，

$y_k=h_{1,k}\·\sqrt{P_{\mathrm{BS}}}\·x+n_{\mathrm{RS},k}$

其中h_1，k是从基站到中继站k的复路径增益，而P_BS是基站的发射功率。

在中继中，y_k(为了易于分析)被标准化为单位功率，并乘以复系数，得到输出z_k。随后，在链路2上将z_k发往接收器，并在传送过程中以复路径增益为h_2，k衰减，在那里它与来自其他中继的信号叠加，并加入了噪声和干扰。

因为假定在放大和相位调节之前每个中继将接收到的功率加噪声标准化为单位功率，所以通过让每个中继站k使用如下的发射功率，可以在分析中引入中继发射功率约束，

$P_k=\frac{P_{\mathrm{RS}}\·{\left|a_k\right|}^2}{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a_k\right|}^2}$

其中P_RS是所有中继站的总发射功率，以及a_k是中继站k的非标准化复增益系数。

对于集合功率受约束的中继传输，则可以将接收器(此处假定为移动台MS)上的SNR书写为

$\mathrm{\Γ}=\frac{{|\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\sqrt{P_{\mathrm{RS}}}\·a_k}{\sqrt{\underset{q=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a_q\right|}^2}}\·\frac{h_{1,k}\·\sqrt{P_{\mathrm{BS}}}}{\sqrt{{\left|h_{1,k}\right|}^2{P}_{\mathrm{BS}}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{RS},k}^2}}\·h_{2,k}|}^2}{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\frac{P_{\mathrm{RS}}{\left|a_k\right|}^2}{\underset{q=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a_q\right|}^2}\·\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{RS},k}^2}{{\left|h_{1,k}\right|}^2{P}_{\mathrm{BS}}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{RS},k}^2}\·{\left|h_{2,k}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{MS}}^2}$

其中σ_MS ²是移动台上的噪声加干扰电平。

相干组合的条件是信号的相位对齐，这可以通过确保如下等式来实现

arg{a_k}＝-arg{h_1，k}-arg{h_2，k}+c₁

其中c₁是任意常数。

通过相干组合得到的有效SNR的表达式可以然后再书写为

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{Eff}}=\frac{{\left|\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\right|a_k|\·\frac{\sqrt{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}}\·\sqrt{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}}}{\sqrt{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}+1}}|}^2}{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a_k\right|}^2\·\frac{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}+{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}+1}{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}+1}}$

其中

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}=\frac{{\left|h_{1,k}\right|}^2{P}_{\mathrm{BS}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{RS},k}^2}$

以及

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}=\frac{{\left|h_{2,k}\right|}^2{P}_{\mathrm{RS}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{MS},k}^2}$

注意Γ_MS，k是“虚拟SNR”，意味着它是在中继站k本身使用所有集合中继站发射功率时的SNR。

注意SNR表达式具有如下形式

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{Eff}}=\frac{{\left|\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\right|a_k|\·c_{1,k}|}^2}{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a_k\right|}^2\·c_{2,k}}$

它可以通过使用如下公式来变换

|b_k|²＝|a_k|²·c_2，k

这样得到

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{Eff}}=\frac{{\left|\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\right|b_k|\·\frac{c_{1,k}}{\sqrt{c_{2,k}}}|}^2}{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|b_k\right|}^2}$

现在，通过Cauchy-Schwarz不等式对分子设上限

${\left|\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\right|b_k|\·\frac{c_{1,k}}{\sqrt{c_{2,k}}}|}^2\≤\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|b_k\right|}^2\·\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\frac{c_{1,k}}{\sqrt{c_{2,k}}}\right|}^2$

由此，为获得最优b_k，可以取相等，结果SNR则为

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{Eff}}^{\left(\max \right)}=\frac{{\left|\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\right|b_k|\·\frac{c_{1,k}}{\sqrt{c_{2,k}}}|}^2}{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|b_k\right|}^2}=\frac{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|b_k\right|}^2\·\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\frac{c_{1,k}}{\sqrt{c_{2,k}}}\right|}^2}{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|b_k\right|}^2}$

这可以用SNR方便地表示为

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{Eff}}^{\left(\max \right)}=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}\·{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}}{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}+{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}+1}$

通过标识，看到的是，如下条件下可以得到最大SNR

$\left|b_k\right|=\mathrm{Const}\·\frac{c_{1,k}}{\sqrt{c_{2,k}}}$

其中Const是任意常数，为方便起见可以设为1。

从功率控制的角度来看，令人感兴趣的是注意到，对于最优SNR而言，分子恰恰是分母的平方。因此可以将该知识用作功率控制目标。

使用逆变换，得到

$\left|a_k\right|=\frac{c_{1,k}}{c_{2,k}}$

或用SNR表示为

$\left|a_k\right|=\frac{\sqrt{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}}\·\sqrt{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}}\·\sqrt{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}+1}}{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}+{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}+1}$

因此接收信号y_k的中继可以通过确定如下项来确定z_k

$z_k=\frac{\sqrt{P_{\mathrm{RS}}}}{\sqrt{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a_k\right|}^2}}\·\frac{e^{-j\·(\arg \left(h_{1,k}\right)+\arg \left(h_{2,k}\right))}\·\sqrt{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}}\·\sqrt{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}}\·\sqrt{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}+1}}{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}+{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}+1}\·\frac{y_k}{\sqrt{{\left|h_{1,k}\right|}^2{P}_{\mathrm{BS}}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{RS},k}^2}}$

$=y_k\·\frac{1}{\sqrt{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a_k\right|}^2}}\·\frac{\sqrt{P_{\mathrm{RS}}\·{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}\·{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{RS},k}\·({\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}+{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}+1)}\·e^{-j(\arg \left(h_{1,k}\right)+\arg \left(h_{2,k}\right))}$

再生中继加入

如果中继站上的SNR足够高，则接收到的信号可以在中继该信号之前解码。为了对此行为建模，假设比最小SNR大，Γ_解码足够解码。这样做的好处在于，可以一起避免转发有害噪声(和干扰)，由此在接收器上得到进一步增强的SNR。但是在此情况中，应该只为第二跳对解码的信号进行相位补偿，即

arg{a_k}＝-arg{h_2，k}

通过在先前的表达式中为那些站设定 ${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{RS},k}^2=0,$ 可以推导乘法系数a_k的数值，以及对SNR提高的贡献。无噪(再生)和有噪(非再生)传输的组合则取如下形式

以及

以及

注意Γ_RS，k＜Γ_解码是仅用于评估混合的非再生和再生中继方案中的性能的模型。实际情况中，上面的表达式，即对应于Γ_RS，k＜Γ_解码在不以非再生方式转发信号时使用；而下面的表达式，即对应于Γ_RS，k＞Γ_解码在不以再生方式转发信号时使用。

参考文献

[1].“无线网络中的协作分集：算法和体系结构”(J.N.Laneman，Cooperative Diversity in Wireless  Networks：Algorithms andArchitectures，Ph.D.Thesis，Massachusetts Institute of Technology，Cambridge，MA，August 2002。<论文>)

[2].“在无线自组织网络中实现分布式空间分集的有效协议”(J.N.Laneman and G.W.Wornell，″An Efficient Protocol for RealizingDistributed Spatial Diversity in Wireless Ad-Hoc Networks，″inProc.ofARL FedLab Symposium on Advanced Telecommunications andInformation Distribution(ATIRP-2001)，(College Park，MD)，March2001。<报告>)。

[3].“用于无线网络的节能的天线共享和中继”(J.N.Lanemanand G.W.Wornell，″Energy-Efficient Antenna-Sharing and Relaying forWireless Networks，″in Proc.IEEE Wireless Communications andNetworking  Conference(WCNC-2000)，(Chicago，IL)，September2000。)

[4].“高斯并行中继网络”(B.Schein and R.Gallagher，″TheGaussian parallel relay network，″in IEEE International Symposium onInformation Theory ISIT2000，Sorrento，Italy，June 25-30，2000。)

[5].“网络信息理论中的分布式协作”(B.Schein.″DistributedCoordination in Network Information Theory.″PhD thesis，pp.64-68，MIT，Cambridge，MA，August 2001。Lippman，Bletsas)

[6].“中继信道的容量法则”(T.M.Cover and A.A.El Gamal，″Capacity theorems for the relay channel，″IEEE Trans.Inform.Theory，vol.25，no.5，pp.572-584，Sept.1979。)

[7].“三终端通信信道”(E.V.D.Meulen，″Three-terminalcommunication channels，″Advances in Applied Prob-ability，vol.3，pp.120154，1971。)

[8].“经由小区内用户协作来提高CDMA小区容量”(A.Sendonaris，E.Erkip，B.Aazhang，″Increasing CDMA Cell Capacity viaIn-Cell User Cooperation″，Department of Electrical and ComputerEngineering，Rice University，Poster Titles，November 11，1997。)

[9].“用于未来无线移动通信系统的虚拟天线阵列”(M.Dohler，E.Lefranc，H.Aghvami，″Virtual Antenna Arrays for Future WirelessMobile Communication Systems，″ICT2002，June 2002)

[10].“无线通信：信号处理展望”(G.W.Wornell，V.Poor，″Wireless Communications：Signal Processing Perspectives(Prentice HallSignal Processing Series)Prentice Hall；1st edition(April 1998)。)

Claims (16)

1.一种在两跳无线通信网络中执行通信的方法，其中发射器、接收器和至少一个中继站参与通信会话，并且所述中继站将信号从所述发射器与所述中继站之间的第一链路转发到所述中继站与所述接收器之间的第二链路，其特征在于，作为对第一和第二链路的估计无线电信道特征的响应来调整所述至少一个中继站执行的转发。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通信会话涉及多个中继站，并且基于每个中继站特定的相对传输参数和对所有中继站通用的公共传输参数来调整它们各自的转发。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

-通过使用导频来表征第一和第二链路的无线电路径；

-至少部分地基于第一和第二链路的每个中继站路径的信道估计值来确定至少一个相对传输参数；

-确定至少一个公共传输参数；

-至少将所述公共传输参数分发到所有中继站；

-将所述信号从第一链路转发到第二链路，其中，基于每个中继站的相对传输参数和所述公共传输参数来调整所转发的信号。

4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，调整所发射的信号包括调节相位。

5.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，调整所发射的信号包括调节发射功率。

6.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，调整所发射的信号包括调节发射功率和相位。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，调整所发射的信号包括调节与分集有关的参数。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，调整所发射的信号包括调节与延迟分集有关的参数。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，调整所发射的信号包括调节与空间时间编码分集有关的参数。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用所述中继站的各自相对传输参数和所述公共传输参数来调整链路2上的后续传输的步骤，包括在接收到信号y_k时发射所述信号：

其中参数Γ_RS，k和Γ_MS，k是基于所述信道估计值h_1，k和h_2，k的本地确定的相对传输参数，P_BS是所述发射器的发射功率，σ_RS ²是所述中继站上的噪声和干扰电平，P_RS是来自所有中继站的集合发射功率，σ_MS ²是每个接收器上的噪声电平，并且标准化系数

是基于所述接收器经历的总通信质量的公共参数。

11.一种适合用于两跳无线通信网络中的中继站，其中，所述网络包括发射器、接收器和至少一个中继站，所述中继站适于将信号从所述发射器与所述中继站之间的第一链路转发到所述中继站与所述接收器之间的第二链路，其特征在于，所述中继站设有基于第一和第二链路的无线电信道表征来调整所述转发的装置。

12.如权利要求11所述的中继站，其特征在于，所述中继站还设有执行信道表征的装置和基于所述信道表征确定相对传输参数的装置，并且所述转发至少部分基于所述相对传输参数。

13.如权利要求11或12所述的中继站，其特征在于，所述中继站还设有接收公共传输参数的装置，并且所述转发至少部分地基于所述相对传输参数和所述公共传输参数。

14.一种适合于在两跳无线通信网络中通信的系统，其中所述网络包括发射器、接收器和至少一个中继站，所述中继站适于将信号从所述发射器与所述中继站之间的第一链路转发到所述中继站与所述接收器之间的第二链路，其特征在于，所述中继站将第一和第二链路的无线电信道表征用于第二链路上的转发。

15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述中继站还设有执行信道表征的装置和基于信道表征确定相对传输参数的装置，并且所述转发至少部分基于所述相对传输参数。

16.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述系统设有确定公共传输参数的装置，所述公共传输参数基于所述发射器和所述接收器之间的总通信质量，并且所述中继站还设有接收所述公共传输参数的装置，并且在第二链路上的所述转发至少部分基于所述相对传输参数和所述公共传输参数。

Images