CN101416465A - 使用中继的无线通信网络中的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用中继增强性能的无线通信系统。根据本发明的方法和装置，通过引入延迟分集而提供了人工频率选择性和空间分集。通过将一个OFDM块的表示的最后列前置添加到该块表示，为该块添加2D循环前缀。前置添加块的最后几行被复制到增大的块顶部，形成增大的块。

Description

使用中继的无线通信网络中的方法和装置

技术领域

本发明涉及使用中继增强性能的无线通信系统。具体而言，本发明涉及用于在利用正交频分复用(OFDM)技术的无线通信系统中提供分集的方法和装置。

背景技术

无线/蜂窝通信网络和系统开发中的一个主要动力是除许多其它方面外提供增大的覆盖范围或更高的数据率，或两者的组合。同时，构建和维护系统的成本方面很重要，并且预计在将来甚至变得更重要。随着数据率和/或通信距离的增大，增大的电池能耗问题是另一个关注区域。

无线通信系统的主要拓扑直到最近完全未更改，包括现存三代蜂窝网络。现存无线通信系统拓扑的特征在于蜂窝体系结构具有固定无线电基站和移动台，而固定无线电基站和移动台作为在网络中一般在通信会话中涉及的仅有的发射和接收实体。

几种新的传输或无线电接入技术已被提议用于在通信系统中增大容量、灵活性和/或覆盖范围。一种前景良好的技术是通过有线或无线通信介质同时发射多个信号的正交频分复用(OFDM)。在无线通信中，OFDM接收机较简单，这是因为多个数据流通过多个并行平坦衰落信道发射。实际上，均衡不在时间域中实现；相反，频率域中的单抽头(one tap)滤波器便足够。尽管存在这种简单性，未编码的OFDM传输缺乏大大有助于克服无线电传播环境中的损失，即路径损失、快速衰落等的固有分集。

在已接收信号中引入分集的一种方式是在发射器且可能也在接收器利用多根天线。相对于单天线系统，使用多根天线提供了相当大的分集和复用增益。在发射器和在接收器均利用多根天线的系统经常称为多输入多输出(MIMO)无线系统。相对于单输入单输出(SISO)系统，此类系统提供的空间分集因此可提高链路可靠性和频谱效率。

引入宏分集的一种备选方案是协作中继。协作中继系统具有与更熟知的多跳网络相同的许多特性和优点，其中，一般在无线情况下，通信涉及在中继配置中的多个发射和接收实体。此类系统提供了在通信(中继)的实体之间大大减少路径损失的可能性，这可有利于端对端(ETE)用户。协作中继系统一般仅限于两(或几次)跳中继。典型的协作中继系统包括接入点，例如，经多个中继节点与例如移动台等一个或多个用户设备通信的无线电基站。

与多跳网络不同，协作中继系统利用平行性方面，并且也采用高级天线系统的理论。这些系统具有在多个站或中继节点之间协作的共同特点。在最近的研究文献中，使用了几个名称，如协作分集、协作编码和虚拟天线阵。在本申请中，术语“协作中继系统”和“协作方案/方法”分别表示包含利用在这些系统中使用的多个站和方案/方法之间协作的所有系统和网络。术语“中继系统”表示包含利用任何形式中继的所有系统和网络，例如，多跳系统和协作中继系统。“无线网络中的协作分集：算法和体系结构”(Cooperative Diversity inWireless Networks：Algorithms and Architectures，J.N.Laneman，Ph.D.Thesis，Massachusetts Institute of Technology，Cambridge，MA，August2002)中提供了协作通信方案的全面概述。

中继信号的各种格式均可部署。信号可以被解码，重新调制并转发，或者只是放大并转发。前者称为解码和转发或再生中继，而后者称为放大和转发或非再生中继。再生和非再生中继两者例如分别通过传统的多跳和中继器解决方案而为人所熟知。“无线特定网络中用于实现分布式空间分集的有效协议”(＂An Efficient Protocol for RealizingDistributed Spatial Diversity in Wireless Ad-Hoc Networks＂，J.N.Laneman and G.W.Wornell，Proc.of ARL FedLab Symposium onAdvanced Telecommunications and Information Distribution(ATIRP-2001)，(College Park，MD)，March 2001)中提出了两种方案的各个方面。

分集增益由于提供了更高的通信性能稳定性以及允许降低相同BER体验到的平均SNR，因此，它特别有吸引力。另外，协作中继可提供其它积极作用，如波束成形(或指向性)增益和空间复用增益。上述增益的一般益处包括更高的数据率、主要由于不同形式分集形成的更少运转中断、延长的电池寿命及延伸的覆盖范围。

有几种不同的方案提供分集增益：例如“协作型网络中的分布式空时编码”(＂Distributed Space-Time Coding in Cooperative Networks″′，P.A.Anghel et al，Proc.of the Nordic Signal Processing Symp.，Norway，October 2002)中所述的，基于Alamouti分集的协作中继；还提供如“聚集中继功率约束下具最佳相干组合的大规模协作中继网络”(＂Large-Scale Cooperative Relay Network with Optimal CoherentCombining under Aggregate Relay Power Constraints＂，P.Larsson，Proc.Future Telecommunications Conference(FTC2003)，Beijing，China，9-10/12 2003.pp166-170.)中所述波束成形增益的基于相干组合的中继；以及如WO06121381中所述中继循环延迟分集。根据方案，中继节点在基站与用户设备之间的转发中将循环位移应用到其相应转发的OFDM符号。

这些方案对每个下行链路(DL)和上行链路(UL)方向需要两个传输阶段：例如，在DL中，在第一传输阶段，基站向中继节点发射，并且在第二传输阶段，中继节点向用户设备发射。双阶段传输方法可有效地将数据吞吐量减半。

发明内容

从上述内容可明白现有技术的严重缺陷。因此，最好是提供一种方法，可在协作中继无线通信系统中引入人工频率、时间和空间分集，并且对每个方向只需要单个传输阶段。

本发明的目的是提供克服现有技术缺陷的方法、中继节点和系统。这通过如权利要求1所述的方法和如权利要求10所述的发射器实现。

本发明提供了在利用中继和正交频分复用(OFDM)的通信系统中执行通信的方法，从而解决了问题。在本发明适用的一种情况下，例如无线电基站的发射无线电节点参与同例如用户设备等至少一个接收无线电节点的通信。发射与接收节点之间的部分通信是直接的，部分经过至少一个中继节点。数据以包括多个OFDM符号的OFDM块形式发射。根据本发明方法，通过以下方式在传输阶段期间添加循环前缀到OFDM表示：

-将OFDM块表示末尾的最后OFDM符号前置添加到OFDM块表示；

-在前置添加后，将前置添加OFDM块预定数量的最后几行复制到OFDM块表示的顶部，形成增大的OFDM块。

第一步可视为提供列式循环前缀，并且第二步可视为提供行式循环前缀，从而产生二维循环前缀过程。

选择复制到增大块顶部的行数应对应于由无线电信道延迟扩展决定的循环前缀或保护间隔的长度。

根据本发明的方法一个实施例包括以下步骤：

-定义OFDM块B，该块包括N个子载波，并且跨对应于M个OFDM符号的时间窗口；

-对OFDM块B应用二维IFFT，产生变换块X；

-将变换块X的最后OFDM符号前置添加到所述变换块X；

-在变换块X前置添加后，将前置添加的变换块X的最后几行复制到变换块X的顶部，形成增大的OFDM块X′。

在由一个或多个中继节点执行的中继中，重新传输延迟一个OFDM符号。

根据本发明的发射器适于在利用中继和正交频分复用的通信系统中的无线电节点中使用。发射器包括通过以下操作添加二维循环前缀到OFDMA块表示的循环前缀模块：将OFDM块表示的最后OFDM符号前置添加到OFDM块表示；以及将前置添加的OFDM块的最后几行复制到前置添加OFDM块的顶部，形成增大的OFDM块。

借助于本发明，可能完全利用OFDM技术与协作中继的组合优势，而不会大大增加发射器和接收器的复杂性。这种新颖的方法也不需要可能降低业务容量的任何广泛控制信令。与现有技术不同，只需要一个传输阶段。

根据本发明的2D-CP方法和装置可使实质的数据率增长大约(2M-2)/M，其中，M是块中OFDM符号的数量。例如，如果M＝15，则增益接近93％。

又一个优势是不需要天线特定导频。相反，在频率/时间网格上相同的导频模式将从所有发射天线发射。例如用户设备的接收器了解导频模式，因而可获得信道估计。

还有的又一个优势是增大了整个有效信道的频率和时间选择性。

本发明的实施例在相关权利要求项中定义。结合附图和权利要求书考虑时，从本发明下面的详细说明中将明白本发明的其它目的、优点和新颖特性。

附图说明

在下面的详细说明中，结合附图，更全面地描述了上面概述的本发明特性和优点，图中类似的标号表示所有图中类似的要素，其中：

图1a和1b以示意图方式示出其中可有利地实现本发明的方法和装置，使用协作中继的蜂窝系统；

图2a-f示出用于单跳系统(a-b)、两跳系统(c-d)和利用根据本发明2D-CP的两跳系统(e-f)的传输阶段；

图3是根据本发明的方法流程图；

图4是根据本发明的发射器和接收器的示意图；

图5是根据本发明的方法中利用的增大OFDM块示意图；以及

图6是使用根据本发明的方法，一批OFDM符号如何由BS、RN发射，并且由UE接收的示意图。

具体实施方式

现在将参照图形描述发明实施例。图1概示的网络是可有利地实现本发明的协作中继网络示例。该图示出了无线网络的一个小区105，包括发射通信节点、接入点(AP)110、多个中继节点(RN)115和多个接收通信节点或用户设备(UE)120。接入点一般是无线电基站(BS)，提供到核心网络和从核心网络到无线电接入网络的接入点。用户设备也称为用户终端，包括但不限于例如移动台、配有无线通信部件的膝上型计算机和PDA及配有无线通信部件的运载工具和机器。如图所示，中继节点115安装在天线杆、建筑物、灯柱等上。在可布置视线条件时，可使用固定中继节点，可使用朝向基站的定向天线以便改进SNR(信噪比)或干扰抑制，并且由于一般可利用供电网络，因此可不在发射功率方面严重限制固定中继节点。但是，诸如移动用户终端等移动中继121和122可用作固定中继节点的补充，或者单独使用。用户终端120与基站110在进行通信。如箭头所示，无线电通信基本上同时使用多个路径，其特征在于两跳，即经至少一个中继节点115。从接入点110到至少一个中继节点115的第一部分将称为第一链路，并且从中继节点到用户终端120的第二部分将称为第二链路。另外，在接入点110与用户终端120之间可利用直接通信，在图中通过虚线箭头示出。通信系统可在BS 110与用户设备120之间同时建立和维护许多通信会话，并且在不同通信会话中使用不同的中继节点115集。参与特定通信的中继节点可在会话期间随着用户终端移动或者用户无线电环境由于其它原因更改而更改。

为简明起见，图1a所示的现实蜂窝系统通过图1b所示的系统模型模拟示出，此处的重点是利用任意数量K个中继节点的单对发射器和接收器。采用的注释是BS 110为发射器，UE 120为接收器，但并不限于此。BS 110与UE 120之间的通信可描述为包括两个主要部分：从BS 110到中继节点115：k，k∈{1，2，...，K}，称为第一链路的传输，以及从中继节点115：k到UE 120，称为第二链路的传输。第一链路上的无线电路径特征在于相应的信道脉冲响应l_k，并且第二链路上的无线电路径特征在于相应的信道脉冲响应h_k。

每个无线电节点，即BS 110、RN 115和UE 120均利用一根或多根天线。BS 110在预定期间内发射到K个RN和UE。RN将从第一节点(例如，BS 110)接收的信息延迟一个符号转发到第二节点(例如，UE)。这可通过放大并转发、解码并转发或两者的混合完成。

图2a-f示出在单跳、典型的两跳和2D-CP系统之间的差别。如图2a和2b所示，在单跳系统中，数据信号在两个连续时隙(即，2n和2n+1)中发射到UE。例如，符号x_2n在时隙2n发射，之后是在下一时隙的x_2n+1。相比之下，在两跳系统中，为避免BS 110与RN相互干扰，传输在两个阶段(即，跳)中完成。在第一跳，图2c中的2n时隙期间，BS 110将数据信号x_2n发射到RN。UE也可接收x_2n。在第二跳(2n+1)期间，如图2d所示，RN将相同的数据信号x_2n重新发射到UE。

图2e-f中示出了发明方法的传输方案。信号以包括多个OFDM符号的OFDM块形式发射。循环前缀通过以下方式添加到OFDM块表示：将OFDM块表示的最后OFDM符号前置添加到OFDM块表示，形成增大的OFDM块。该过程将在下面详细描述。不同于典型的两跳系统，传输现在为全双工式。实际上，BS110将在例如2n和2n+1的两个连续阶段期间分别发射两个不同的数据信号x_2n和x_2n+1。如图2e所示，在时隙2n期间，RN将转发在前一时隙2n-1从BS 210接收的数据x_2n-1。在时隙2n+1期间，RN将转发信号数据x_2n(参见图2f)。

图3是根据本发明方法的传输流程图，并且图4所示是适于执行过程的发射器400和接收器460。传输既通过实线箭头所示直接进行，也通过虚线箭头所示经中继节点450进行。OFDM系统中的基本时间频率源单位定义为块。每个块实体包括N个子载波和跨M个OFDM符号的时间窗口，并且B表示块的NxM矩阵。

方法包括以下步骤：

305：发射器400的2D-IFFT模块405执行编码输入数据流块B的逆二维快速傅立叶变换(2D-IFFT)。从2D-IFFT模块405的输出表示为X，并且是块B的表示。

310：循环前缀模块410结合2D-IFFT模块405使变换块X添加2D循环前缀。在图5进一步示出的过程包括以下子步骤：

310：1 将对应于X最后列510的块X的最后OFDM符号前置添加到块X 500，产生列式循环前缀。

310：2 将前置添加块预定数量的最后几行505复制到块X的顶部515，产生行式循环前缀。

行式循环前缀消除了OFDM间符号干扰。类似地，如将描述的一样，列式循环前缀消除从BS和RN的同时数据传输产生的干扰。从循环前缀模块405输出的生成增大块表示为X′。

第二子步骤310：2相当于在现有技术OFDM传输技术中使用循环前缀。适当大小的循环前缀及适当大小的OFDM块取决于无线电信道的特征，并以常规方式确定。适当的大小要视为根据本发明方法和装置已知的输入参数。

315：在选择模块415中，结合循环前缀模块410，对增大的块X′进行包括在每个OFDM符号传输期间选择X′的一个列的线性操作。在第一时刻，选择X′的第一列，在第二时刻，选择X′的第二列。过程重复进行，直至发射了X′的所有列。

320：上变频(conversion)和发射模块420将从选择模块415输出的基带信号转换到RF频带，并从天线421发射。

325：发射信号由至少一个中继节点中继。重新传输延迟一个OFDM符号，即，在X′的一个连续列从发射器400发射的同时，X′的一列重新发射。

330：从发射器400和从中继节点450直接发射的信号由图4所示接收器460接收。每根接收天线465连接到相应的下变频模块470，信号在其中从RF频带下变频到基带。

335：在循环前缀去除模块475中，从下变频模块470提供的信号去除循环前缀。

340：2D FFT模块480对相应的信号应用二维快速傅立叶变换。

345：每个信号通过均衡器模块485结合相应2D FFT模块进行的二维均衡进程而实现均衡。

350：源于每根天线465的信号最终在组合进程中组合，例如，在组合模块490中通过最大比率组合(MRC)过程组合。从组合模块490输出的是B的块估计

。

在步骤325中中继节点执行的中继不需要如接收器和发射器中一样的二维处理，而一维FFT和IFFT分别用于接收和发射便足够。因此，在根据本发明的系统中采用的中继节点可与现有技术中继OFDM系统中的中继节点相同。

图6中进一步示出了根据所述方法的传输进程，其中示出了在BS(发射器)和RN增大的块X′和在UE(接收器)的已接收块

。如图所示，在第一时刻(t＝0)，最后的符号x_M由BS发射，并且信号的噪声形式由UE接收；已接收信号表示为y_o。RN也接收信号x_M，但在随后的时隙内将它转发。在时刻(t＝1)，BS以数据块形式发射第一符号x₁，并且UE将接收来自RN的x_M和来自BS的x₁这两者的线性组合。进程重复进行，直至BS发射了X′中完整的数据序列。

接收器和发射器中根据本发明的装置已相对于模块和方框进行了描述。根据本发明的模块和方框要视为通信系统中发射和/或接收节点的功能部分，并且本身不一定是物体。模块和方框至少在一定程度上优选作为软件代码部件实现，以适于实行根据本发明的方法。术语“包括”确实主要指逻辑结构，并且术语“连接”在本文应理解为功能部分之间的链路，不一定是物理连接。但是，视所选实现而定，某些模块可实现为接收器或发射器中物理上特别的对象。

以下部分将提供和示范申请中使用的术语数学定义：

符号表示：

假设·和分别表示Hadamard和Kronecker积。(.)^T表示移项，并且(.)^H表示Hermitian转置算子。大写字母表示矩阵，小写字母表示向量或标量。

定义：

定义1：F_M表示大小M×M的FFT矩阵。F_M的第(n，m)个要素表示如下，n，m∈{1，2，...，M}：

$F_M(n,m)=\frac{1}{\sqrt{N}}\exp (-\frac{j2\mathrm{\π}(n-1)(m-1)}{N})$

定义2：对于M x 1向量a＝[a(1)，a(2)，...，a(M)]^T，右侧循环矩阵

生成如下：

       (2)

右侧循环矩阵A使用FFT矩阵FM对角化如下：

                        (3)

其中，D(x)表示对角矩阵，x在其主对角线上。

定义3：示为

的大小N×M的矩阵X的二维(2D)FFT可表示为

$\tilde{X}=F_N{\mathrm{XF}}_M---\left(4\right)$

本发明方法和装置用处的说明性示例将参照图2b提供，其中一个BS、K个RN和一个UE在进行通信。BS和RN每个均假设为配有单根发射天线。此外，OFDM符号在被转发到UE前已由RN正确检测到。

根据此假设，在UE的已接收符号y_m是来自BS的发射符号x_m和从RN发射的延迟符号x_m-1的线性组合。y_m可表示为：

$y_m=H_0{x}_{1+{(m-1)}_M}+H_e{x}_{1+{(m-2)}_M}---\left(5\right)$

其中，H₀＝Circ(h₀)是BS发射天线与UE之间的信道矩阵，H_e是从所有K个RN到UE的组合信道矩阵或有效信道矩阵。H_e可表示为： $H_e={\mathrm{\Σ}}_{k=1}^K\mathrm{Circ}\left(h_k\right)=\mathrm{Circ}\left(h_e\right),$ 其中，h_k表示从第k个RN到UE的信道脉冲响应，k∈{1，2，...，K}。h_e是有效信道脉冲响应，并且其FFT可表示为：

${\tilde{h}}_e=\sqrt{N}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}({\tilde{h}}_k\·{\tilde{e}}_{{\mathrm{\δ}}_k})---\left(6\right)$

通过在UE忽略块的第一个已接收符号，来自同一块的M个随后接收符号可以矩形形式表示如下：

        (7)

定义以下项

Y＝[y₁，y₂，...，y_M]，                    (8)

X＝[x₁，x₂，...，x_M]，                    (9)

H＝[h₀，h_e，0，...，0].                  (10)

随后，可看到应用2D-FFT后的已接收信号可表示为：

$\tilde{Y}=\sqrt{\mathrm{NM}}\tilde{H}\·B,---\left(11\right)$

其中，

和

表示信道矩阵H和接收数据块Y的2D-FFT。

在上述实施例中，已在两跳协作型中继情况下设想了本发明。根据本发明的方法和装置也可在例如多跳系统等多个节点参与通信会话的其它系统中得到有利地利用。在典型的多跳系统中，大部分节点是各种类型的用户设备，但系统也可包括固定节点，如接入点。优选是所有节点具有接收和转发数据的能力。

虽然结合目前视为最可行和优选的实施例描述了本发明，但要理解，本发明并不限于公开的实施例，而是要涵盖随附权利要求书精神和范围内包括的不同修改和等同设置。

Claims (17)

1.一种在利用中继和正交频分复用(OFDM)的通信系统中执行通信的方法，其中发射无线电节点(400)、至少一个接收无线电节点(460)和至少一个中继无线电节点(450)参与通信会话，并且信号以包括多个OFDM符号的OFDM块形式发射，其特征在于传输阶段，其中，二维循环前缀通过以下方式添加到OFDM块的表示：

-将与所述OFDM块的表示的最后列对应的所述OFDM块的表示的最后OFDM符号前置添加(310:1)到所述OFDM块的表示；

-在所述前置添加后，将所述OFDM块的前置添加表示的预定数量的最后几行复制(310:2)到所述OFDM块的表示的顶部，形成增大的OFDM块。

2.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

-定义OFDM块B，所述块包括N个子载波，并且跨对应于M个OFDM符号的时间窗口；

-对所述OFDM块B应用(305)二维IFFT，产生变换块X；

-将所述变换块X的最后OFDM符号前置添加(310:1)到所述变换块X；

-在所述变换块X所述前置添加后，将所述前置添加的变换块X的最后几行复制(310:2)到所述变换块X的顶部，形成增大的OFDM块X′。

3.如权利要求2所述的方法，还包括以下步骤：

-在每个OFDM符号传输期间，选择(315)所述增大块X′的一列，其中在第一时刻，选择X′的所述第一列，并且在第二时刻，选择X′的第二列；

-将所述信号从基带上变频到RF频带，并且发射(320)所述信号，其中所述选择、上变频和发射重复进行，直至所述增大块X′的所有列已发射。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述发射信号被中继，并且在所述中继节点，重新传输延迟一个OFDM符号。

5.如权利要求4所述的方法，还包括接收阶段，其中在收到所述信号时，形成所述块B的估计，并且至少一个已接收OFDM符号是所述块B两个随后OFDM符号的线性组合。

6.如权利要求1至5任一项所述的方法，其中所述通信系统利用协作中继。

7.如权利要求1至5任一项所述的方法，其中所述通信系统利用多跳中继。

8.如权利要求1至7任一项所述的方法，其中所述中继是再生式。

9.如权利要求1至8任一项所述的方法，其中行数根据无线电信道特征确定。

10.一种适于在利用中继和正交频分复用(OFDM)的通信系统中的无线电节点中使用的发射器，其特征在于循环前缀模块(410)，所述模块适于通过将OFDM块表示末尾的预定列前置添加到所述OFDM块的表示，并将所述前置添加OFDM块预定数量的最后几行复制到所述OFDM块的表示的顶部，形成增大的OFDM块，从而添加二维循环前缀到所述OFDM块的表示。

11.如权利要求10所述的发射器，还包括2D-IFFT，适于对OFDM块B应用二维IFFT，所述OFDM包括N个子载波，并跨对应于M个OFDM符号的时间窗口，产生输出X，以及其中所述循环前缀模块(410)适于将变换块X的最后OFDM符号前置添加到变换块X，并且在所述前置添加后，将所述前置添加的变换块X最后几行复制到所述变换块X的顶部，形成增大的OFDM块X′。

12.如权利要求11所述的发射器，还包括选择模块(415)和上变频与发射模块(420)，所述选择模块(415)适于在第一时刻选择增大块X′的一列，并在第二时刻，选择X′的随后第二列，以及将选择列转发到所述上变频与发射模块(420)。

13.一种包括如权利要求10至12任一项所述发射器的无线电基站。

14.一种包括如权利要求10至12任一项所述发射器的用户设备。

15.一种适于在利用中继和正交频分复用(OFDM)的通信系统中使用的接收无线电节点，其特征在于从OFDMA块的已接收表示中去除二维循环前缀的部件。

16.如权利要求15所述的接收无线电节点，其中为每个天线流提供了用于去除二维循环前缀的模块。

17.如权利要求15所述的接收无线电节点，还包括用于将多个信号组合为常用信号的模块，所述组合模块在循环前缀去除模块之后提供。

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