CN101572653B - 一种双向中继方法、基站、移动终端及中继站 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向中继方法、基站、移动终端及中继站，其中方法包括：调整使来自基站和移动终端的接收信号的星座在中继站具有相同的旋转角度和相同的最小信号点间距后，同时将各自的待发送数据符号发送给中继站；中继站接收第一数据符号；中继站选择与基站和移动终端实际适用的调制方式组合相对应的第一星座后，并获取所述第一星座上与所述第一数据符号最接近的第一坐标点；中继站广播第一坐标点对应的调制符号；基站和移动终端接收所述调制符号，基于调制符号的估计值和自身发送的数据信息，获取由对方发送的数据。本发明能应用于衰落信道下的高阶调制方式，相对于现有的穷举搜索算法，大大降低了计算降噪估计对的复杂度。

Description

一种双向中继方法、基站、移动终端及中继站

技术领域

本发明涉及无线通信系统中的信息转发中继技术领域，特别是一种双向中继方法、基站、移动终端及中继站，提高中继转发的误码率性能和频谱效率，降低系统信令的开销。

背景技术

未来无线通信系统将采用更高的频段并提供更高的传输速率，因此会引起小区尺寸的减小。如果单纯增加基站的数量，那么将会大大增加网络的铺设和维护成本。因此，为了有效解决小区尺寸减小问题，布设中继站和采用先进的中继技术成为一种经济的解决方案。

在现有的中继方案中，双向中继方案(即基站和移动终端互相交互数据且都通过中继站中继)能够获得极高的频谱效率，因此是一种非常有前途的技术。下面我们主要集中于双向中继方案的讨论，介绍现有的双向中继方案并分析它们存在的问题。

4步译码转发方案(4-step Decode and Forward)，该方案包括以下步骤：

基站将数据发送给中继站，中继站检测并译码基站发送的数据；

移动终端将数据发送给中继站，中继站检测并译码移动终端发送的数据；

中继站将基站的数据转发给移动终端，移动终端检测并获得基站的数据；

中继站将移动终端的数据转发给基站，基站检测并获的移动终端的数据。

上述的4步译码转发方案没有充分利用物理层信号处理的潜力，因此频谱效率较低。需要占用四次信道，来完成一次双向中继。

为了提高系统的频谱效率，出现了3步译码转发方案(3-step Decode andForward)，该方案包括以下步骤：

基站将数据发送给中继站，中继站检测并译码基站的数据；

移动终端将数据发送给中继站，中继站检测并译码移动终端的数据；

中继站将基站的数据和移动终端的数据进行比特级的异或，然后将异或后的数据广播给基站和移动终端。

因为基站和移动终端知道自己发送的数据，所以可以检测中继站广播的数据再与自己发送的数据进行异或，从而恢复对方的数据。

相比于4步译码转发方案，3步译码转发方案提高了系统的频谱效率，但仍没有充分利用物理层信号处理的潜力，其需要占用三次信道，来完成一次双向中继。

为了充分利用物理层信号处理的潜力，出现了2步放大转发方案：(2-stepAmplify and Forward)，其包括如下步骤：

基站和移动终端同时将数据发送给中继站，由于无线信道的广播特性，所以中继站将收到一个叠加的数据包；

中继站将接收到的数据包进行放大并广播给基站和移动终端。

基站和移动终端首先利用缓存中自己发送的数据对接收到的中继站的信号进行干扰消除，然后再检测对方的数据。

2步放大转发方案具有很高的频谱效率，只需要占用二次信道，来完成一次双向中继，但因为中继站进行的是放大转发，所以接收信号中的噪声在中继站会被放大并累积到第二步。因此，会导致第二步基站和移动终端检测时误码率的上升。

为了解决2步放大转发方案中存在的噪音放大的问题，出现了2步译码转发方案(2-step Decode and Forward)，其包括如下步骤：

基站和移动终端同时将数据发送给中继站，由于无线信道的广播特性，中继站将收到一个叠加的数据包，中继站首先检测功率较高的数据包(此时将另一个数据包当作干扰)，其次利用检测的结果进行干扰消除，然后再检测功率较低的数据包；

中继站将检测出的两个数据包进行比特级的异或，然后再将异或后的数据广播给基站和移动终端。

因为基站和移动终端知道自己发送的数据，所以可以检测中继站广播的数据再与自己发送的数据进行异或，从而恢复对方的数据。

2步译码转发方案具有很高的频谱效率，只需要占用二次信道，来完成一次双向中继，且没有噪声的放大问题，但是2步译码转发方案需要基站到中继站的第一信道与移动终端到中继站的第二信道具有非常大的差异，从而在第一步中，中继站才能够正确检测出功率较强的数据包。如果第一信道与第二信道具有相似的信道增益，那么中继站就无法从叠加的数据包中正确解出一个数据包来。因此2步译码转发方案不适用于第一信道与第二信道具有相似的信道增益的情况。

在第一信道与第二信道具有相似信道增益的情况下，为了消除噪声的放大和积累问题，从而提高系统的误码率性能和频谱效率，出现了降噪转发方案(Denoise and Forward)，其包括如下步骤：

基站和移动终端同时将数据发送给中继站。由于无线信道的广播特性，中继站将收到一个叠加的数据包；

中继站估计基站和移动站到中继站的信道响应h_BR和h_MR；

中继站根据h_BR和h_MR的值，产生一个星座及星座中的坐标点与调制符号之间的对应关系；

中继站根据接收到的每一个符号r_RS，获取第一星座中与接收到的符号最接近的第一坐标点

其中

表示估计出的基站发送的数据符号，

表示估计出的移动终端发送的数据符号。具体的计算方法为：

$({\hat{x}}_1,{\hat{x}}_2)=\underset{x_1\∈X,x_2\∈X}{\arg \min }{|r_{\mathrm{RS}}-h_{\mathrm{BR}}{x}_1-h_{\mathrm{MR}}{x}_2|}^2$

其中，X表示调制星座。即中继站穷举搜索所有可能的发送符号组合，从中选取一个与接收信号r_RS欧式距离最小的符号组合。中继站根据坐标点与调制符号之间的对应关系获取与第一坐标点

对应的调制符号d_m。d_m取值为传统的调制星座符号；

中继站将所有的调制符号组合成一个新的数据包；

中继站将产生的新数据包广播给基站和移动终端，同时将h_BR传送给移动终端，h_MR传送给基站；

基站/移动终端检测中继站的广播信号，并根据接收到的h_MR/h_BR，在基站/移动终端处重新产生星座及星座中的坐标点与调制符号之间的对应关系，然后基站/移动终端根据检测出的中继站的广播信号以及缓存的自己发送的数据，查询星座中的坐标点与调制符号之间的对应关系，从而恢复移动终端/基站的数据。

然而，上述的降噪转发方案不能应用于衰落信道下的高阶调制方式。

因为对于衰落信道，信道对基站和移动终端的数据符号有随机的相位旋转和幅度衰减，基站和移动终端的星座在中继站可能以任何的角度和功率叠加，且基站符号所受的相位旋转和幅度衰减与移动终端符号所受的相位旋转和幅度衰减是独立的。

由于上述原因的存在，星座中的坐标点与调制符号之间的对应关系有无穷多个，因此对应关系不是固定的，需要根据信道h_MR和h_BR的情况动态产生。因此，没有办法将对应关系预先存储在中继站、基站和移动终端的存储器。

因此目前降噪转发方案仅能够用于加性白噪声高斯信道和衰落信道下基站与移动终端均适用BPSK调制的情况(因为BPSK只有两个坐标点，所以降噪映射表是固定)。然而对于衰落信道下，高阶调制方式(如基站和移动终端均适用16QAM)和调制方式的组合(如基站适用16QAM，移动终端适用BPSK)，由于不能实时根据h_MR和h_BR产生坐标点与调制符号之间的对应关系，所以降噪转发方案不能够用于这些情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种双向中继方法及设备，使降噪转发方案能应用于衰落信道下的高阶调制方式。

为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种双向中继方法，包括：

步骤A，对基站和/或移动终端各自的待发送数据符号进行相位旋转和发送功率调整，使来自基站和移动终端的接收信号的星座在中继站具有相同的旋转角度和相同的最小信号点间距后，基站和移动终端使用各自预定的调制方式同时将各自的待发送数据符号发送给中继站；

步骤B，中继站接收所述基站和所述移动终端各自发送的数据符号叠加形成的第一数据符号；

步骤C，中继站根据预先保存的星座与基站和移动终端的调制方式组合之间的对应关系，选择与基站和移动终端实际适用的调制方式组合相对应的第一星座后，并获取所述第一星座上与所述第一数据符号最接近的第一坐标点；

步骤D，中继站根据第一星座的坐标点与调制符号之间的对应关系，广播所述第一坐标点对应的调制符号；

步骤E，基站和移动终端分别接收所述调制符号，基于所述调制符号的估计值和自身发送的数据信息，获取由对方发送的数据。

上述的方法，其中，所述预定的调制方式和发送功率调整根据如下步骤得到：

基站根据基站和移动终端到中继站的信道响应h_BR和h_MR计算当基站和移动终端分别采用最大发送功率P_BS和P_MS时所能适用的调制阶数；

如果基站和移动终端所能适用的调制方式相同，则降低发送功率与信道衰减乘积较大一方的发送功率，使得双方的发送功率与信道衰减乘积相等，得到预定的调制方式和发送功率；

如果基站和移动终端所能适用的调制方式不同，则调整基站和/或移动终端的发射功率，使P_BS|h_BR|²＝P_MS|h_MR|²+Δ，得到预定的调制方式和发送功率，P_BS|h_BR|²和P_MS|h_MR|²分别大于对应的调制阶数功率门限；

其中，所述Δ的取值与调制方式相关。

上述的方法，其中，所述步骤C中所述获取所述第一星座上与所述第一数据符号最接近的第一坐标点具体为：中继站计算所述第一星座中距离接收信号r_RS欧式距离最近的坐标点，并将其作为所述第一星座上的所述第一坐标点，包括如下步骤：

首先，将x₂当作干扰，计算信号x₁的估计值

其次，利用

进行干扰消除，去除接收信号中x₁的影响；

最后，利用干扰消除后的信号

计算信号x₂的估计值

所得

即为第一星座上的第一坐标点；

上述x₁为基站和移动终端发送的到达中继站的信号中接收功率较大的信号，所述x₂为接收功率较小的信号。

上述的方法，其中，所述步骤C中采用基于格型的搜索算法获取所述第一星座上的所述第一坐标点。

上述的方法，其中，所述预先保存的星座与基站和移动终端的调制方式组合之间的对应关系以及星座中坐标点与调制符号之间的对应关系根据下述步骤生成：

选择基站和移动终端中调制阶数较大的星座；

让调制阶数较小的星座以相同的旋转角度叠加到调制阶数较大星座的坐标点上；

叠加后的各个坐标点，调制阶数较大的坐标点的序号和调制阶数较小的坐标点的序号相对应；

建立坐标点与调制符号的对应关系：在基站或者移动终端发送的任意信号与所述调制符号的关系中，能够唯一决定对方发送的信号。

为了实现上述目的，本发明实施例还提供了一种基站，基于降噪转发方法，与移动终端通过中继站进行中继数据传输，包括：

相位旋转模块，基于基站到中继站的信道信息以及移动终端到中继站的信道信息，调整待发送数据符号的相位，使得在中继站来自基站和移动终端的接收信号的星座具有相同的旋转角度；

调制方式和功率设定模块，用于决定基站适用的第一调制方式和第一发送功率，并决定移动终端适用的第二调制方式和第二发送功率，使得在中继站来自基站和移动终端的接收信号的星座具有相同的最小信号点间距；和

发送模块，用于基于第一调制方式和第一发送功率发送所述待发送数据符号。

上述的基站，其中，所述调制方式和功率设定模块具体包括：

第一单元，用于根据基站和移动终端到中继站的信道响应h_BR和h_MR计算当基站和移动终端分别采用最大发送功率P_BS和P_MS时所能适用的调制阶数；

第二单元，用于在基站和移动终端所能适用的调制方式相同时，降低发送功率与信道衰减乘积较大一方的发送功率，使得双方的发送功率与信道衰减乘积相等，得到预定的调制方式和发送功率；

第三单元，用于在基站和移动终端所能适用的调制方式不同时，调整基站和/或移动终端的发射功率，使P_BS|h_BR|²＝P_MS|h_MR|²+Δ，得到预定的调制方式和发送功率，P_BS|h_BR|²和P_MS|h_MR|²分别大于对应的调制阶数功率门限，所述Δ的取值与调制方式相关。

上述的基站，其中，还包括：

第一数据获取模块，用于根据中继站广播的调制符号的估计值和自身发送的数据信息，获取由移动终端发送的数据。

为了实现上述目的，本发明实施例还提供了一种移动终端，基于降噪转发方法，通过中继站与基站进行中继数据传输，其中：

在中继站，基站和移动终端的星座具有相同的旋转角度；

所述移动终端包括：

发送模块，用于基于第二调制方式和第二发送功率发送待发送数据符号；

基于第二调制方式和第二发送功率，在中继站来自基站和移动终端的信号的星座具有相同的最小信号点间距。

上述的移动终端，其中，还包括：

相位旋转模块，用于对所述待发送数据符号进行相位旋转，使得在中继站来自基站和移动终端的接收信号的星座具有相同的旋转角度。

上述的移动终端，其中，还包括：

第二数据获取模块，用于根据中继站广播的调制符号的估计值和自身发送的数据信息，获取由基站发送的数据。

为了实现上述目的，本发明实施例还提供了一种中继站，基于降噪转发方法，实现基站与移动终端之间的数据中继传输，其中，包括：

接收模块，用于接收基站和所述移动终端各自发送的数据符号叠加得到第一数据符号，基站的星座和移动终端的星座在所述中继站具有相同的旋转角度；

选择模块，用于根据预先保存的星座与基站和移动终端的调制方式组合之间的对应关系，选择与基站和移动终端实际适用的调制方式组合相对应的第一星座；

搜索模块，用于利用搜索算法获取所述第一星座上与所述第一数据符号最接近的第一坐标点；

广播模块，用于根据坐标点与调制符号之间的对应关系，广播与所述第一坐标点对应的调制符号。

上述的中继站，其中，所述搜索算法为格型搜索算法或带干扰消除的两级搜索算法。

本发明实施例具有以下有益效果：

1、通过进行相位旋转和功率调整，使得基站和移动终端的星座在中继站具有相同的旋转角度和相同的最小信号点间距，因此，对于每种基站和移动终端的调制星座组合仅需要一种星座及该星座中坐标点与调制符号之间的对应关系，由于调制方式是有限的，所以星座的数目也是有限的，这些有限多个星座及该星座中坐标点与调制符号之间的对应关系可以先手工计算好，然后再存储在中继站、基站和移动终端存储器中，进而使得降噪转发方案能应用于衰落信道下的高阶调制方式；

2、由于通过进行相位旋转和功率调整，使得基站和移动终端的星座在中继站具有相同的旋转角度和相同的最小信号点间距，因此，在获取第一坐标点时可采用带干扰消除的两级搜索算法或格型搜索算法，相对于现有的穷举搜索算法，大大降低了计算第一坐标点的复杂度；

3、衰落信道和高阶调制方式下，当信道响应满足特定关系时，星座中坐标点与调制符号之间的对应关系是不存在的，因此，降噪转发方案是失效的，而在本发明的具体实施例中，由于通过进行相位旋转和功率调整，使得基站和移动终端的星座在中继站具有相同的旋转角度和相同的最小信号点间距，在任何情况下都能应用本发明具体实施例的方法和装置；

4、在本发明的具体实施例中，由于星座以及星座坐标点与调制符号之间的对应关系已经预先存储在基站、移动终端和中继站中，基站和移动终端根据二者采用的调制方式选择对应的星座以及星座坐标点与调制符号之间的对应关系即可，因此，中继站不用再向移动终端发送信道估计信息，降低了信令开销。

附图说明

图1为本发明实施例的双向中继方法的流程示意图；

图2为基站、移动终端的星座在经过信道相位旋转后，在中继站的示意图；

图3为基站和移动终端都适用16QAM调制时，进行功率调整的示意图；

图4为基站适用64QAM，移动终端都适用16QAM调制方式时进行功率调整的示意图；

图5为适用功率调整的星座的效果示意图；

图6为无相位旋转时，带干扰消除的两级搜索和穷举搜索的示意图；

图7为具有相位旋转时，带干扰消除的两级搜索和穷举搜索的示意图；

图8为基站适用16QAM调制方式、移动终端适用QPSK调制方式时的星座及星座中坐标点与调制符号的对应关系；

图9为基站和移动终端适用64QAM调制方式时的星座及星座中坐标点与调制符号的对应关系；

图10～图14为本发明实施例的仿真结果示意图。

具体实施方式

本发明实施例的双向中继方法及设备中，通过相位旋转使得基站和移动终端的星座在经过信道的相位旋转后，在中继站具有相同的旋转角度，从而取消信道旋转对星座设计的影响，破坏星座坐标点与调制符号之间的对应关系不存在的条件，并使得低复杂度的搜索算法成为可能。

如图1所示，本发明实施例的双向中继方法包括：

步骤11，基站和/或移动终端对要发送的数据符号进行相位旋转，基站和移动终端的星座在经过信道的相位旋转后，在中继站具有相同的旋转角度；

步骤12，基站按照基站到中继站的第一信道和移动终端到中继站的第二信道的信道情况，确定基站和移动终端需要适用的调制方式和发送功率，并将此信息广播给中继站和无线终端；

步骤13，基站和移动终端根据步骤12中确定的调制方式和发送功率同时将数据发送给中继站，由于无线信道的广播特性，中继站将收到一个叠加的数据包；

步骤14，中继站估计基站到中继站的第一信道的信道响应h_BR和移动终端到中继站的第二信道的信道响应h_MR；

步骤15，中继站根据预先保存的星座与基站和移动终端的调制方式组合之间的对应关系，选择与基站和移动终端实际适用的调制方式组合相对应的第一星座后，中继站根据h_BR和h_MR值，对接收到每一个符号r_RS，采用带干扰消除的两级搜索算法或格型搜索算法在第一星座中搜索与所述第一数据符号最接近的第一坐标点

步骤16，中继站根据第一星座的坐标点与调制符号之间的对应关系，获取与所述第一坐标点对应的第一调制符号；

步骤17，中继站将所有的调制符号组合成一个新的数据包，并将其广播给基站和移动终端；

步骤18，基站/移动终端检测中继站的广播信号，并根据基站/移动终端的调制方式信息选择适当的预先存储的星座，并根据星座中坐标点与调制符号之间的对应关系，以及缓存的自己发送的数据信息恢复出移动终端/基站的数据。

下面对各个步骤进行进一步详细描述。

步骤11中，基站和/或移动终端对要发送的数据符号进行相位旋转，基站和移动终端的星座在经过信道的相位旋转后，在中继站具有相同的旋转角度；

在本发明的具体实施例中，可以通过如下方式实现，其相位旋转准则如下所示：

其中，

表示基站需要进行的相位旋转角度，

表示基站到中继站的第一信道对基站发送信号的相位旋转角度，表示移动终端需要进行的相位旋转角度，

表示移动终端到中继站的第二信道对移动终端发送信号的相位旋转角度。

在上述的相位旋转准则下可以有多种实现方式，下面进行详细描述。

实现方式一：

实现方式一的情况下，基站和移动终端分别按照自己到中继站的信道响应各自独立的进行相位旋转。

实现方式二：

实现方式二的情况下，基站按照自己和移动终端到中继站的第二信道的信道响应进行相位旋转，而移动终端不进行相位旋转的操作。这种方案的好处在于将具体的补偿操作移到了基站端进行，可以降低移动终端的复杂度和功耗。

当然，也可以由移动终端按照自己和基站到中继站的第一信道的信道响应进行相位旋转，而基站不进行任何相位旋转的操作。

当然，还可以采用其他的相位旋转方式，只需要满足相位旋转准则即可。

相位旋转的效果如图2所示。从图2可以看出，在相位旋转后，基站和移动终端的星座在经过不同的信道旋转后，在中继站具有同样的旋转角度。

在步骤12中，基站按照基站到中继站的第一信道和移动终端到中继站的第二信道的信道情况，确定基站和移动终端需要采用的调制方式和发送功率，通过功率调整，使得基站和移动终端的调制星座在经过信道衰减后能对齐在同一个格型上，即，使得中继站接收到的基站的调制星座和移动终端的调制星座具有相同的最小信号点间距。

下面对其具体实现进行详细说明。

基站首先根据h_BR和h_MR计算当采用最大发送功率P_BS，P_MS时，基站和移动终端所能适用的调制阶数。

基站根据基站和移动终端所适用的调制阶数的情况，分别进行不同的功率调整处理，其处理如下所述：

如果基站和移动终端适用的调制方式相同，则降低发送功率与信道衰减乘积较大一方的发送功率，使得双方发送功率与信道衰减乘积相等，举例如下：

如果P_BS|h_BR|²＞P_MS|h_MR|²，那么降低P_BS，使得P_BS|h_BR|²＝P_MS|h_MR|²；

如果P_MS|h_MR|²＞P_BS|h_BR|²，那么降低P_MS，使得P_BS|h_BR|²＝P_MS|h_MR|²。

图3给出了当基站和移动终端都适用16QAM调制方式时，进行功率调整的一个例子。在此例子中，基站将自己的发送功率降低，使得降低后的功率满足：P_BS|h_BR|²＝P_MS|h_MR|²。

如果基站和移动终端适用的调制方式不同，则要综合调整P_BS和P_MS，使得功率调整后满足约束P_BS|h_BR|²＝P_MS|h_MR|²+Δ，同时P_BS|h_BR|²和P_MS|h_MR|²大于对应的调制阶数门限。其中Δ的取值与所适用的调制方式有关系，具体的取值见下表。

64QAM

-16.23dB

-13.22dB

-6.23dB

0dB

上表中Δ的取值根据一定算法计算得到，下面以基站适用64QAM、移动终端适用16QAM的方式对Δ的计算进行详细说明。

对于Es＝1时，各种调制方式的信号点间距如下表所示：

为了使基站和移动终端的星座到达中继站后有同样的信号点间距，应满足如下关系：

P_BS|h_BR|²d_BS＝P_MS|h_MR|²d_MS

其中，d_BS表示基站适用的调制方式的信号点间距，d_MS表示移动终端适用得调制方式的信号点间距。

基站适用64QAM、移动终端适用16QAM时，上式变为：

$P_{\mathrm{BS}}{\left|h_{\mathrm{BR}}\right|}^2\sqrt{2/21}=P_{\mathrm{MS}}{\left|h_{\mathrm{MR}}\right|}^2\sqrt{2/5}$

即：

$P_{\mathrm{BS}}{\left|h_{\mathrm{BR}}\right|}^2=P_{\mathrm{MS}}{\left|h_{\mathrm{MR}}\right|}^2\sqrt{21/5}$

两边取对数变为dB值为：

$20\log \left(P_{\mathrm{BS}}{\left|h_{\mathrm{BR}}\right|}^2\right)=20\log \left(P_{\mathrm{MS}}{\left|h_{\mathrm{MR}}\right|}^2\right)+20\log \left(\sqrt{21/5}\right)$

即：

$P_{\mathrm{BS}}{\left|h_{\mathrm{BR}}\right|}^2\left(\mathrm{dB}\right)=P_{\mathrm{MS}}{\left|h_{\mathrm{MR}}\right|}^2\left(\mathrm{dB}\right)+20\log \left(\sqrt{21/5}\right)$

$\≈P_{\mathrm{MS}}{\left|h_{\mathrm{MR}}\right|}^2\left(\mathrm{dB}\right)+6.23\left(\mathrm{dB}\right)$

所以，当基站适用64QAM、移动终端适用16QAM时，Δ取值6.23dB，适用同样的方法可以计算出其他调制方式组合时Δ的取值，在此不再赘述。

图4给出了当基站适用64QAM、移动终端适用16QAM调制方式时，进行功率调整的一个例子。

在此例子中，Δ取值为6.23dB。功率调整的结果为：降低移动终端的发送功率使得P_BS|h_BR|²＝P_MS|h_MR|²+6.23dB，同时保证P_BS|h_BR|²在64QAM调制门限之上，P_MS|h_MR|²在16QAM调制门限之上。

图5给出了功率调制后的效果示意图，如图5所示，其中图5中左上方的星座图为64QAM，Es＝1的基站星座图，而图5中右上方的星座图为16QAM，Es＝1的移动终端星座图，图5中下方为功率调整后，中继站接收到的基站的调制星座和移动终端的调制星座，二者具有相同的最小信号点间距。

通过上述的步骤后，基站将调制方式信息和功率调整信息广播给中继站和移动终端。

在步骤15中，可以采用带干扰消除的两级搜索算法或格型搜索算法产生第一坐标点

下面分别进行详细说明。

采用带干扰消除的两级搜索算法时，如下：

${\hat{x}}_1=\underset{x_1\∈X}{\arg \min }{|r_{\mathrm{RS}}-h_1{x}_1|}^2$

${\hat{r}}_{\mathrm{RS}}=r_{\mathrm{RS}}-h_1{\hat{x}}_1$

${\hat{x}}_2=\underset{x_2\∈X}{\arg \min }{|{\hat{r}}_{\mathrm{RS}}-h_2{x}_2|}^2$

其中：

x₁表示基站与移动终端到达中继站信号中功率较大的信号，即如果基站到达中继站的信号功率比移动终端到达中继站的信号功率大的话，那么x₁就表示基站的信号；反之如果移动终端到达中继站的信号功率比基站到达中继站的信号功率大的话，那么x₁就表示移动终端的信号；

x₂则表示另外一个信号；

h₁表示传输信号x₁的那个信道的信道响应；

h₂表示传送信号x₂的那个信道的信道响应。

首先，中继站按照 ${\hat{x}}_1=\underset{x_1\∈X}{\arg \min }{|r_{\mathrm{RS}}-h_1{x}_1|}^2$ 对功率较强的信号x₁进行估计，即在信号功率较大的那个信号采用的星座中，搜索所有x₁可能取值的坐标点，找出距离接收信号r_RS欧式距离最近的那个坐标点，在搜索过程中，将x₂当做干扰；

其次，中继站利用估计出的信号

按照 ${\hat{r}}_{\mathrm{RS}}=r_{\mathrm{RS}}-h_1{\hat{x}}_1$ 进行干扰消除，去除接收信号中x₁的影响；

然后，再对功率较弱的信号x₂进行估计，即在信号功率较小的那个信号采用的星座中，搜索所有x₂可能取值的坐标点，找出距离干扰消除后的信号欧式距离最近的那个坐标点。

在原始的降噪转发方案中，进行的是 $({\hat{x}}_1,{\hat{x}}_2)=\underset{x_1\∈X,x_2\∈X}{\arg \min }{|r_{\mathrm{RS}}-h_{\mathrm{BR}}{x}_1-h_{\mathrm{MR}}{x}_2|}^2$ 所示的对符号组合进行的搜索。当基站和移动终端都适用16QAM时，为降噪一个接收符号，中继站需要搜索16²＝256个可能的符号组合；当基站和移动终端适用64QAM调制方式时，中继站需要搜索64²＝4096个可能的符号组合。

然而，在带干扰消除的两级搜索中，是分别对两个符号进行的搜索。例如，在基站和移动终端都适用16QAM调制方式时，带干扰消除的两级搜索只需要搜索16+16＝32个符号，而在基站和中继站都适用64QAM调制方式时，带干扰消除的两级搜索只需要搜索64+64＝128符号，远远小于原始的降噪转发方案中穷举搜索的计算复杂度。

因此，带干扰消除的两级搜索能够大大降低搜索的计算复杂度。

需要指出的是如果不进行步骤11中所示的相位旋转的话，采用带干扰消除的两级搜索会带来性能的损失。

如图6所示，假设接收到的信号r_RS处于如图所示位置，那么可以看出，如果进行穷举搜索的话，将找到距r_RS欧式距离最小的坐标点(2，0)；

而如果采用带干扰消除的两级搜索的话，首先会找到距r_RS欧式距离最小的符号x₁＝3，进行干扰消除后，进行二级搜索，会找到坐标点(3，2)。因为(3，2)并非到r_RS欧式距离最小的坐标点，所以没有相位旋转的话，带干扰消除的两级搜索会引起性能的损失。

由于在本方案中采用了相位旋转，使得基站和移动终端的调制星座在中继站有相同的旋转角度，从而使得带干扰消除的两级搜索具有和穷举搜索一样的性能。如图7所示，假设接收到的信号r_RS处于如图所示位置，那么可以看出，如果进行穷举搜索的话，将找到距r_RS欧式距离最小的坐标点(3，1)；而如果采用带干扰消除的两级搜索的话，首先会找到距r_RS欧式距离最小的符号x₁＝3，进行干扰消除后，进行二级搜索，会找到坐标点(3，1)。

因此在进行了所提出的相位旋转后，带干扰消除的两级搜索总是会找到和穷举搜索相同的坐标点，不会引起性能的损失。

此外，因为相位旋转和功率调整使得基站和移动终端的星座可以在中继站对齐于同一格型上，所以除了带干扰消除的两级搜索算法外，还可以采用基于格型的低复杂度搜索算法，如球型译码算法等。

具体的进行如下所示的变形：

$({\hat{x}}_1,{\hat{x}}_2)=\underset{x_1\∈X,x_2\∈X}{\arg \min }{|r_{\mathrm{RS}}-h_1{x}_1-h_2{x}_2|}^2$

$=\underset{x_1\∈X,x_2\∈X}{\arg \min }{|r_{\mathrm{RS}}-h_2({\mathrm{Kx}}_1+x_2)|}^2$

$=\underset{y\∈\mathrm{lattice}}{\arg \min }{|r_{\mathrm{RS}}-h_{2}y|}^2$

其中，K＝h₁/h₂。由于功率调整和相位旋转，符号y＝Kx₁+x₂位于一个格型之上，因此可以采用格型搜索算法来进行搜索，格型搜索算法的计算复杂度约为O(2^6)，远小于穷举搜索的复杂度。

在步骤16和18中，中继站、基站和移动终端需要使用预先存储的星座以及星座坐标点与调制符号之间的对应关系。在原始的降噪转发方案中，由于没有相位旋转和功率调制，基站和移动终端的星座在中继站可能以任何的角度和功率叠加，所以存在无穷多种可能的情况，需要有无穷多个星座及星座坐标点与调制符号之间的对应关系，因此，没有办法其预先存储在中继站、基站和移动终端的存储器。

本发明具体实施例的方法和装置中，在所提方案中，由于采用了相位旋转，使得基站和移动终端的星座到达中继站后具有相同的相位旋转，同时由于采用了功率调制，使得中继站接收到的基站信号功率和移动终端信号功率具有特定的关系，所以大大降低了星座以及星座中坐标点和调制符号对应关系的数目。

在本发明的具体实施例中，只需要保证星座以及星座中坐标点和调制符号对应关系的数目有限就可以了。

因为，对于每种基站和移动终端的调制星座组合仅需要一个星座以及一个星座中坐标点和调制符号对应关系。由于调制方式是有限的，所以星座和星座中坐标点和调制符号对应关系也是有限的。这些有限多个星座和星座中坐标点和调制符号对应关系可以先手工计算好，然后再存储在中继站、基站和移动终端的存储器中。

具体的对于指定的调制星座组合对应的星座及星座中坐标点和调制符号对应关系的设计方法包括如下步骤：

首先，选择基站和移动终端中调制阶数较大的星座(如果两个星座调制阶数相同，则可任意选取一个)；

其次，让调制阶数较小的星座以相同的旋转角度叠加到调制阶数较大星座的每个坐标点上；

再次，标记每个叠加后的坐标点，即取调制阶数较大的坐标点的序号放在先、调制阶数较小的坐标点的序号放在后的序号组合，建立对应关系；

最后，按照下面3式所示的约束，将叠加后的坐标点分成不同的组，每个组共享同一个调制符号，使得在基站或者移动终端发送的任意信号与所述调制符号的关系中，能够唯一决定对方发送的信号。

D：X²→X

$D(x_1,x_2)=D(x_1^{\′},x_2)\⇒x_1=x_1^{\′}$

$D(x_1,x_2)=D(x_1,x_2^{\′})\⇒x_2{=x}_2^{\′}$

例如当基站适用16QAM调制方式、移动终端适用QPSK调制方式时的星座及星座中坐标点与调制符号的对应关系如图8所示。

例如当基站适用16QAM调制方式、移动终端适用16QAM调制方式时的星座及星座中坐标点与调制符号的对应关系如图9所示。

本发明实施例还进一步提供了基站、移动终端和中继站。

本发明实施例的基站，基于降噪转发方法，与移动终端通过中继站进行中继数据传输，在所述中继站，所述基站的星座和所述移动终端的星座具有相同的旋转角度，所述基站包括：

调制方式和功率设定模块，用于决定基站适用的第一调制方式和第一发送功率，并决定移动终端适用的第二调制方式和第二发送功率，使得在中继站来自基站和移动终端的接收信号的星座具有相同的最小信号点间距；

基于所述确定的调制方式和发送功率，所述基站的调制星座和所述移动终端的调制星座在所述中继站具有相同的最小信号点间距；

发送模块，用于基于第一调制方式和第一发送功率发送所述数据符号。

同时，该基站还包括：

相位旋转模块，基于基站到中继站的信道信息以及移动终端到中继站的信道信息，调整待发送数据符号的相位，使得在中继站来自基站和移动终端的接收信号的星座具有相同的旋转角度；。

本发明实施例的移动终端，基于降噪转发方法，与基站通过中继站进行中继数据传输，所述基站的星座和所述移动终端的星座具有相同的旋转角度，其中移动终端包括：

发送模块，用于基于第二调制方式和第二发送功率发送所述数据符号；

基于第二调制方式和第二发送功率，所述基站的调制星座和所述移动终端的调制星座在所述中继站具有相同的最小信号点间距。

本发明实施例的移动终端还包括：

相位旋转模块，用于对所述待发送数据符号进行相位旋转，使得在中继站来自基站和移动终端的接收信号的星座具有相同的旋转角度。

本发明实施例的中继站，包括：

接收模块，用于接收基站和所述移动终端各自发送的数据符号叠加得到的第一数据符号，所述基站的星座和所述移动终端的星座在所述中继站具有相同的旋转角度；

选择模块，用于根据预先保存的星座与基站和移动终端的调制方式组合之间的对应关系，选择与基站和移动终端实际适用的调制方式组合相对应的第一星座；

搜索模块，用于利用搜索算法获取所述第一星座上与所述第一数据符号最接近的第一坐标点；

广播模块，用于根据坐标点与调制符号之间的对应关系，广播与所述第一坐标点对应的调制符号。

本发明的中继站，基于降噪转发方法，实现基站与移动终端之间的数据中继传输，在所述中继站，所述基站的星座和所述移动终端的星座具有相同的旋转角度。

为了验证所提算法的有效性，对所提出的降噪转发方案进行了仿真并与现有方案进行了比较。

仿真条件如下所示：

信道，基站到中继站信道和移动终端到中继站信道均为瑞利(Rayleigh)块衰落信道，即信道响应在每个帧上保持不变，在不同帧上随机变化；

数据包长度，168个调制符号；

信道估计错误的模型，在仿真中考虑了两种情况，一种为理想的信道估计，即不存在信道估计误差；另一种信道估计误差建模为高斯随机变量，其方差随信噪比而变化，具体的方差在不同信噪比下的取值参考文献，Michele morelliand umberto mengali，″A Comparison of pilot-aided channel estimation methodsfor OFDM systems″，IEEE Trans.on signal processing，vol.49，no.12，pp：3065-3073，Dec.2001.。

调度方式，由基站中心调度，即基站决定基站到中继站和移动终端到中继站的调制方式，然后基站通过广播方式通知中继站和移动终端。

信道信息，基站知道h_BR和h_MR，中继站知道h_BR和h_MR，移动终端仅知道h_MR。

噪声模型，n_BS，n_RS，n_MS为相互独立的高斯随机变量。噪声方差σ_BS ²，σ_RS ²，σ_MS ²按照移动终端到中继站的信噪比进行设置。

由于原始的降噪转发方案并不能用于衰落信道下的高阶调制方式，所以采用2步放大转发方案进行仿真比较。

同时为了验证所提低复杂度搜索算法的有效性，仿真了穷举搜索方案的性能作为对比。

当基站和中继站均适用QPSK调制方式，图10和图11分别给出了存在信道误差估计和不存在信道误差估计时各种中继转发方案的误帧率性能。

图10和图11中，带有“○”的线条为2步放大转发方案的仿真线条，带有“□”的线条为降噪转发结合低复杂度搜索的仿真线条，而带有“+”的线条为降噪转发结合穷举搜索的仿真线条。

从图10和图11中可以看出：

本发明实施例的方法比2步放大转发方案具有更好的误帧率性能，具有约2～3dB的性能增益，这是因为本发明实施例的方法在中继站进行了降噪处理，去除了噪声的影响，而2步放大转发方案在中继站对噪声进行了放大，所以所提的算法有更好的性能。

同时，本发明实施例中的低复杂度的搜索算法具有和穷举搜索算法几乎相同的性能，这主要得益于所提的相位旋转算法。由于相位旋转使得基站和中继站的星座在中继叠加时具有了相同的相位旋转，所以带干扰消除的两级搜索算法取得了和穷举搜索相同的性能。

不管是否存在信道估计误差的影响，本发明实施例的方法均能获得比2步放大转发方案更好的误帧率性能，对于信道估计误差非常的鲁棒。

当基站和中继站均适用QPSK调制方式，图12和图13分别给出了存在信道误差估计和不存在信道误差估计时各种中继转发方案的频谱效率性能。

图12和图13中，带有“○”的线条为2步放大转发方案的仿真线条，带有“□”的线条为降噪转发结合低复杂度搜索的仿真线条，而带有“+”的线条为降噪转发结合穷举搜索的仿真线条。

从图12和图13中可以看出：

本发明实施例的方法比2步放大转发方案具有更高的频谱效率，这是因为所提方案的误帧率比2步放大转发方案低，所以传到接收端的有效数据比2步放大转发方案要多，故对频谱的有效利用比2步放大转发方案高。

本发明实施例的低复杂度的搜索算法具有和穷举搜索算法几乎相同的频谱效率；

本发明实施例的方法不管是否存在信道估计误差的影响，均能获得比2步放大转发方案更好的频谱效率，对于信道估计误差非常的鲁棒。

当基站和中继站均适用16QAM调制方式时，图14给出了存在信道误差估计时各种中继转发方案的误帧率性能。

图14中，带有“○”的线条为2步放大转发方案的仿真线条，带有“□”的线条为降噪转发结合低复杂度搜索的仿真线条，而带有“+”的线条为降噪转发结合穷举搜索的仿真线条。

从图14中可以看出：

本发明实施例的方法比2步放大转发方案具有更高的频谱效率，这是因为所提方案的误帧率比2步放大转发方案低，所以传到接收端的有效数据比2步放大转发方案要多，故对频谱的有效利用比2步放大转发方案高。

本发明实施例的低复杂度的搜索算法具有和穷举搜索算法几乎相同的频谱效率；

本发明实施例的方法不管是否存在信道估计误差的影响，均能获得比2步放大转发方案更好的频谱效率，对于信道估计误差非常的鲁棒。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种双向中继方法，其特征在于，包括：

步骤A，对基站和/或移动终端各自的待发送数据符号进行相位旋转和发送功率调整，使来自基站和移动终端的接收信号的星座在中继站具有相同的旋转角度和相同的最小信号点间距后，基站和移动终端使用各自预定的调制方式同时将各自的待发送数据符号发送给中继站；

步骤B，中继站接收所述基站和所述移动终端各自发送的数据符号叠加形成的第一数据符号；

步骤C，中继站根据预先保存的星座与基站和移动终端的调制方式组合之间的对应关系，选择与基站和移动终端实际适用的调制方式组合相对应的第一星座后，并获取所述第一星座上与所述第一数据符号最接近的第一坐标点；

步骤D，中继站根据第一星座的坐标点与调制符号之间的对应关系，广播所述第一坐标点对应的调制符号；

步骤E，基站和移动终端分别接收所述调制符号，基于所述调制符号的估计值和自身发送的数据信息，获取由对方发送的数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定的调制方式和发送功率调整根据如下步骤得到：

基站根据基站和移动终端到中继站的信道响应h_BR和h_MR计算当基站和移动终端分别采用最大发送功率P_BS和P_MS时所能适用的调制阶数；

如果基站和移动终端所能适用的调制方式相同，则降低发送功率与信道衰减乘积较大一方的发送功率，使得双方的发送功率与信道衰减乘积相等，得到预定的调制方式和发送功率；

如果基站和移动终端所能适用的调制方式不同，则调整基站和/或移动终端的发射功率，使P_BS|h_BR|²＝P_MS|h_MR|²+Δ，得到预定的调制方式和发送功率，P_BS|h_BR|²和P_MS|h_MR|²分别大于对应的调制阶数功率门限；

其中，所述Δ的取值与调制方式相关。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C中所述获取所述第一星座上与所述第一数据符号最接近的第一坐标点具体为：中继站计算所述第一星座中距离接收信号r_RS欧式距离最近的坐标点，并将其作为所述第一星座上的所述第一坐标点，包括如下步骤：

首先，将x₂当作干扰，计算信号x₁的估计值

其次，利用

进行干扰消除，去除接收信号中x₁的影响；

最后，利用干扰消除后的信号

计算信号x₂的估计值

所得

即为第一星座上的第一坐标点；

上述x₁为基站和移动终端发送的到达中继站的信号中接收功率较大的信号，所述x₂为接收功率较小的信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C中采用基于格型的搜索算法获取所述第一星座上的所述第一坐标点。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预先保存的星座与基站和移动终端的调制方式组合之间的对应关系以及星座中坐标点与调制符号之间的对应关系根据下述步骤生成：

选择基站和移动终端中调制阶数较大的星座；

让调制阶数较小的星座以相同的旋转角度叠加到调制阶数较大星座的坐标点上；

叠加后的各个坐标点，调制阶数较大的坐标点的序号和调制阶数较小的坐标点的序号相对应；

建立坐标点与调制符号的对应关系：在基站或者移动终端发送的任意信号与所述调制符号的关系中，能够唯一决定对方发送的信号。

6.一种基站，基于降噪转发方法，与移动终端通过中继站进行中继数据传输，其特征在于，包括：

相位旋转模块，基于基站到中继站的信道信息以及移动终端到中继站的信道信息，调整待发送数据符号的相位，使得在中继站来自基站和移动终端的接收信号的星座具有相同的旋转角度；

调制方式和功率设定模块，用于决定基站适用的第一调制方式和第一发送功率，并决定移动终端适用的第二调制方式和第二发送功率，使得在中继站来自基站和移动终端的接收信号的星座具有相同的最小信号点间距；和

发送模块，用于基于第一调制方式和第一发送功率发送所述待发送数据符号。

7.根据权利要求6所述的基站，其特征在于，所述调制方式和功率设定模块具体包括：

第一单元，用于根据基站和移动终端到中继站的信道响应h_BR和h_MR计算当基站和移动终端分别采用最大发送功率P_BS和P_MS时所能适用的调制阶数；

第二单元，用于在基站和移动终端所能适用的调制方式相同时，降低发送功率与信道衰减乘积较大一方的发送功率，使得双方的发送功率与信道衰减乘积相等，得到预定的调制方式和发送功率；

第三单元，用于在基站和移动终端所能适用的调制方式不同时，调整基站和/或移动终端的发射功率，使P_BS|h_BR|²＝P_MS|h_ME|²+Δ，得到预定的调制方式和发送功率，P_BS|h_BR|²和P_MS|h_MR|²分别大于对应的调制阶数功率门限，所述Δ的取值与调制方式相关。

8.根据权利要求6所述的基站，其特征在于，还包括：

第一数据获取模块，用于根据中继站广播的调制符号的估计值和自身发送的数据信息，获取由移动终端发送的数据。

9.一种移动终端，基于降噪转发方法，通过中继站与基站进行中继数据传输，其特征在于：

在中继站，基站和移动终端的星座具有相同的旋转角度；

所述移动终端包括：

发送模块，用于基于第二调制方式和第二发送功率发送待发送数据符号；

基于第二调制方式和第二发送功率，在中继站来自基站和移动终端的信号的星座具有相同的最小信号点间距。

10.根据权利要求9所述的移动终端，其特征在于，还包括：

相位旋转模块，用于对所述待发送数据符号进行相位旋转，使得在中继站来自基站和移动终端的接收信号的星座具有相同的旋转角度。

11.根据权利要求9所述的移动终端，其特征在于，还包括：

第二数据获取模块，用于根据中继站广播的调制符号的估计值和自身发送的数据信息，获取由基站发送的数据。

12.一种中继站，基于降噪转发方法，实现基站与移动终端之间的数据中继传输，其特征在于，包括：

接收模块，用于接收基站和所述移动终端各自发送的数据符号叠加得到的第一数据符号，所述基站的星座和所述移动终端的星座在所述中继站具有相同的旋转角度；所述基站的星座和所述移动终端的星座在所述中继站具有相同的最小信号点间距；

选择模块，用于根据预先保存的星座与基站和移动终端的调制方式组合之间的对应关系，选择与基站和移动终端实际适用的调制方式组合相对应的第一星座；

搜索模块，用于利用搜索算法获取所述第一星座上与所述第一数据符号最接近的第一坐标点；

广播模块，用于根据坐标点与调制符号之间的对应关系，广播与所述第一坐标点对应的调制符号。

13.根据权利要求12所述的中继站，其特征在于，所述搜索算法为格型搜索算法或带干扰消除的两级搜索算法。

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