CN101764678A - 基于空间映射的中继方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于无线接入系统的基于空间映射的中继节点装置和方法，该中继节点装置设有：后向和前向的两个滤波单元、控制单元、信道状态信息获取及存储单元和空间映射单元。中继传输方法是：后向和前向滤波单元根据两个信道当前状态信息分别生成接收滤波矩阵和发射预处理矩阵后，都将其传送给空间映射单元；后向滤波单元根据该接收滤波矩阵对上一跳节点发送信号进行滤波，将生成的N个第一信号传送给空间映射单元；空间映射单元则用其生成的空间映射矩阵将接收的N个第一信号映射为对应的N个第二信号后，传送到前向滤波单元；前向滤波单元根据发射预处理矩阵对N个第二信号进行发射预处理后，放大转发到下一跳节点。本发明能够改善系统传输性能。

Description

基于空间映射的中继方法和装置

技术领域

本发明涉及一种无线通信系统的中继传输技术，确切地说，涉及一种基于空间映射的中继方法和装置，属于无线通信技术领域。

背景技术

随着各种移动新技术的应用，全球移动通信的用户数量和移动数据的业务量都在迅速增长，这种增长在带来收益的同时，也带来一些必须解决的新问题：增加系统容量和提高频谱资源利用率。因此，如何利用有限的频谱资源为更多的用户提供更全面的服务，就成为现阶段业内科技人员关注的重要问题之一。

传统蜂窝系统的频谱资源缺乏，小区边缘用户的需求经常得不到满足，数据传输速率小。下面介绍两项能用于解决现阶段面临的问题的相关技术。

Relay技术：为解决移动通信系统面临的上述问题，采用中继(Relay)技术的宽带无线接入迅速成为无线通信领域的研究热点。在蜂窝小区中，应用Relay技术可以提高基站和位于小区边缘的终端之间的链路性能，在热点(adhoc)场景下，Relay技术的应用可以拓宽通信范围。得益于分布式天线增益和分集增益，Relay技术可以使源节点和目标节点之间的容量呈对数型增长。因此，中继技术不仅能够提高系统容量，扩大小区覆盖范围，而且成本低，灵活性好，因此，如何把中继技术应用于IMT-Advanced系统已成为新的研究热点。

MIMO技术：下一代无线通信系统要为用户提供传输速率更高和质量更好的服务，必须大幅提高系统容量，因此有限的无线频谱资源迫使下一代无线通信技术必须极大地提高频谱利用率。多输入多输出(MIMO)天线技术能够适应未来无线通信技术的发展要求，近年来得到迅猛发展。MIMO技术是在发射端和接收端分别使用多个天线发送信号和接收信号的无线通信技术。目前的理论已经证明：MIMO技术通过收发两端使用多个天线，可以抑制信道衰落，大幅度提高信道的容量、覆盖范围和频谱利用率，从而极大地提高无线通信系统的传输性能和信道容量。

参见图1，介绍与本发明最为接近的现有技术-多天线中继系统。上一跳节点S与中继结点R之间为第一信道，中继节点R到下一跳节点D之间为第二信道。两个信道都服从瑞利单径分布。中继节点设有后向滤波单元和前向滤波单元。这两个滤波单元可以分别应用各自的滤波方式，使系统的整体传输性能变得更好。

但是，这种中继系统的不足之处是：没有对通信系统的整体传输性能进行优化。因此，如何对其进行改进就成为业内科技人员关注的新焦点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于无线通信系统的基于空间映射中继的传输方法和装置，本发明是根据中继系统中的两个信道的实时状态信息，并结合中继节点的前向滤波单元和后向滤波单元的相关信息，采用相应法则在后向滤波单元和前向滤波单元之间生成预设的空间映射矩阵，以提升系统的整体传输性能。

为了达到上述目的，本发明提供了一种用于无线接入系统的基于空间映射的中继节点装置，设有：后向滤波单元和前向滤波单元；其特征在于，该装置还设有：控制单元、信道状态信息获取及存储单元和空间映射单元，其中，

控制单元，作为该装置的控制中心，用于接收上一跳节点发送的是否采用线性预编码的信令，藉此控制后向滤波单元是否启用预编码接收；并控制后向滤波单元和前向滤波单元各自采用的滤波方式，以及向空间映射单元发送触发信号；

空间映射单元，根据控制单元的触发信号分别从信道状态信息获取及储存单元、后向滤波单元和前向滤波单元得到的信道状态信息、接收滤波矩阵和发射预处理矩阵，生成空间映射矩阵，使得来自后向滤波单元的N个第一信号经由该空间映射矩阵被映射为对应的N个第二信号，再发送给前向滤波单元；该N个第二信号是该空间映射矩阵和N个第一信号的乘积，N为上一跳节点发送的数据流个数；

信道状态信息获取及存储单元，用于动态获取、周期更新并分别存储上一跳节点与中继节点之间的第一信道的当前状态信息和中继节点与下一跳节点之间的第二信道的当前状态信息，并将该两个信道的当前状态信息分别传送给后向滤波单元、前向滤波单元和空间映射单元。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种采用本发明基于空间映射的中继节点装置的中继传输方法，其特征在于，包括下列操作步骤：

(1)中继节点各单元执行初始化操作，准备接收上一跳节点的发送信号；

(2)后向和前向滤波单元根据两个信道的当前状态信息分别生成接收滤波矩阵和发射预处理矩阵，并将其传送给空间映射单元；后向滤波单元根据该接收滤波矩阵对上一跳节点的发送信号进行滤波，并将生成的N个第一信号传送给空间映射单元；

(3)空间映射单元根据上述信息生成空间映射矩阵，并利用该空间映射矩阵将接收的N个第一信号映射为对应的N个第二信号后，传送到前向滤波单元；

(4)前向滤波单元根据发射预处理矩阵对N个第二信号进行发射预处理后，放大转发到下一跳节点。

本发明的创新优点是在设有前向和后向两个滤波单元的中继节点装置中，再增设空间映射单元、控制单元和信道状态信息获取及存储单元，藉由所述各个单元的配合，使得系统传输性能获得整体改善和提升。

本发明的中继节点能够根据信道状态变化，实时调整后向滤波单元的接收滤波矩阵和前向滤波单元的发射预处理矩阵，并根据两个信道的当前状态、接收滤波矩阵和发射预处理矩阵生成空间映射矩阵；其中，根据发射预处理矩阵的状态能够生成两种空间映射矩阵。而且，中继节点能够对接收信号的变化进行自适应的调整，利用空间映射矩阵建立起接收滤波处理后的多个并行信号与发射预处理前的多个并行信号之间的动态映射关系，从而有效解决了放大转发模式下的噪声放大问题，提升多天线中继系统可靠性和有效性。

附图说明

图1是本发明信号中继传输方法应用场景：多天线中继系统结构示意图。

图2是本发明基于空间映射的中继节点装置结构示意图。

图3是本发明基于空间映射的中继传输方法操作步骤流程图。

图4是本发明中继传输方法中的信号传递顺序示意图。

图5是上一跳节点进行线性预编码操作时的无线通信中继系统的结构示意图。

图6是本发明第一实施例(当 $G_2^H{G}_2\≠I_N$ 时)的系统中断概率试验结果数据比较图。

图7是本发明第一实施例(当 $G_2^H{G}_2\≠I_N$ 时)的系统信道容量试验结果数据比较图。

图8是本发明第一实施例(当 $G_2^H{G}_2=I_N$ 时)的系统中断概率试验结果数据比较图。

图9是本发明第一实施例(当 $G_2^H{G}_2=I_N$ 时)的系统信道容量试验结果数据比较图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

参见图2，介绍本发明用于无线接入系统的基于空间映射的中继节点装置的结构组成，该装置设有：后向滤波单元、前向滤波单元、控制单元、信道状态信息获取及存储单元和空间映射单元，其中，

后向滤波单元，用于接收控制单元发送的是否启用预编码接收的信令，若上一跳节点使用预编码，则先利用第一信道矩阵和信道预编码矩阵的乘积生成等效第一信道矩阵，再依据该等效第一信道矩阵和控制单元设定的滤波方式生成接收滤波矩阵；若上一跳节点未使用预编码，则直接利用第一信道矩阵和控制单元设定的滤波方式生成接收滤波矩阵；然后，将该接收滤波矩阵传送给空间映射单元，并按照该接收滤波矩阵对其接收的上一跳节点发送信号进行滤波，生成N个第一信号后，将该N个第一信号传送给空间映射单元。

前向滤波单元，用于根据第二信道矩阵和控制单元设定的滤波方式生成发射预处理矩阵，并将该发射预处理矩阵返回空间映射单元，以及采用该发射预处理矩阵对其接收的来自空间映射单元的N个第二信号进行发射预处理，然后放大转发到下一跳节点。

控制单元，作为该装置的控制中心，用于接收上一跳节点发送的是否采用线性预编码的信令，藉此控制后向滤波单元是否启用预编码接收；并控制后向滤波单元和前向滤波单元各自采用的滤波方式，以及向空间映射单元发送触发信号。

空间映射单元，根据控制单元的触发信号分别从信道状态信息获取及储存单元、后向滤波单元和前向滤波单元得到的信道状态信息、接收滤波矩阵和发射预处理矩阵，生成空间映射矩阵，使得来自后向滤波单元的N个第一信号经由该空间映射矩阵被映射为对应的N个第二信号，再发送给前向滤波单元；该N个第二信号是该空间映射矩阵和N个第一信号的乘积，N为上一跳节点发送的数据流个数。

信道状态信息获取及存储单元，用于动态获取、周期更新并分别存储上一跳节点与中继节点之间的第一信道的当前状态信息和中继节点与下一跳节点之间的第二信道的当前状态信息，并将该两个信道的当前状态信息分别传送给后向滤波单元、前向滤波单元和空间映射单元；该两个信道状态信息的获取方式本发明不作限定。

参见图3，介绍本发明采用基于空间映射的中继节点装置的中继传输方法，该方法包括下列操作步骤：

步骤1、中继节点各单元执行初始化操作，准备接收上一跳节点的发送信号。该步骤的具体操作内容如下：

(11)控制单元接收到上一跳节点发送的是否启用预编码接收的信令，判定上一跳节点使用预编码时，告知后向滤波单元对接收的上一跳节点发送信号进行预编码接收；否则，告知后向滤波单元对接收的上一跳节点发送信号不执行预编码接收；

(12)控制单元控制后向滤波单元和前向滤波单元分别采用各自的滤波方式，并向空间映射单元发送触发信号；

(13)信道状态信息获取及存储单元分别获取和存储上一跳节点和中继节点之间的第一信道的当前状态信息和中继节点和下一跳节点之间的第二信道的当前状态信息。

步骤2、后向和前向滤波单元根据两个信道的当前状态信息分别生成接收滤波矩阵和发射预处理矩阵，并将其传送给空间映射单元；后向滤波单元根据该接收滤波矩阵对上一跳节点的发送信号进行滤波，并将生成的N个第一信号传送给空间映射单元。该步骤的具体操作内容如下：

(21)后向滤波单元接收到启用预编码接收的信令时，根据来自信道状态信息获取及储存单元的第一信道的当前状态信息生成第一信道矩阵，由第一信道矩阵和预编码矩阵的乘积生成等效第一信道矩阵，再依据该等效第一信道矩阵和控制单元设定的滤波方式生成接收滤波矩阵，对上一跳节点的发送信号进行接收滤波处理：将该接收滤波矩阵与其接收的信号相乘得到N个第一信号，再将该N个第一信号传送给空间映射单元；N为上一跳节点发送的数据流个数；或

(22)后向滤波单元没有接收到预编码接收的信令时，根据来自信道状态信息获取及储存单元的第一信道的当前状态信息生成第一信道矩阵，再依据该第一信道矩阵和控制单元设定的滤波方式生成接收滤波矩阵，对上一跳节点的发送信号进行接收滤波处理：将该接收滤波矩阵与其接收的信号相乘得到N个第一信号，再将该N个第一信号传送给空间映射单元；

(23)后向滤波单元将该接收滤波矩阵发送给空间映射单元；

(24)前向滤波单元根据信道状态信息获取及储存单元的第二信道当前状态信息生成第二信道矩阵，再由该第二信道矩阵和控制单元设定的滤波方式生成发射预处理矩阵后，将该发射预处理矩阵传送给空间映射单元。

步骤3、空间映射单元根据上述信息生成空间映射矩阵，并利用该空间映射矩阵将接收的N个第一信号映射为对应的N个第二信号后，传送到前向滤波单元。该步骤的具体操作内容如下：

(31)空间映射单元接收到控制单元的触发信号，从信道状态信息获取及储存单元中提取当前信道状态信息，并分别由第一信道的当前状态信息生成第一信道矩阵和由第二信道的当前状态信息生成第二信道矩阵；

(32)空间映射单元接收到分别来自后向滤波单元的接收滤波矩阵和前向滤波单元的发射预处理矩阵；

(33)空间映射单元根据上述信息生成空间映射矩阵，并采用该空间映射矩阵和N个第一信号的乘积作为映射得到的N个第二信号；其中，根据发射预处理矩阵G₂的状态，空间映射单元有两种生成空间映射矩阵的方式：

第一种是发射预处理矩阵G₂及其共轭转置矩阵的乘积 $G_2^H{G}_2\≠I_N,$ I_N为N×N的单位阵时，生成空间映射矩阵的过程为：

先获取G₂G₂ ^H矩阵的左奇异矢量，并按照对应奇异值大小降序排列生成第一变换矩阵；再获取G₁(H₁H₁ ^H+σ²I_M)G₁ ^H矩阵的左奇异矢量，并按照对应奇异值大小降序排列生成第二变换矩阵，式中，I_M为M×M的单位阵，且M为中继节点的天线数，G₁是后向滤波单元的接收滤波矩阵，H₁是第一信道矩阵或等效第一信道矩阵，H₁ ^H是H₁的共轭转置矩阵，σ²是中继节点的接收噪声功率；然后，由该第一变换矩阵、反对角线单位阵和该第二变换矩阵的共轭转置矩阵进行矩阵相乘，得到所需求的当前映射矩阵： $P_{R,\mathrm{opt}}=U_A{I}_p{U}_B^H,$ 式中，U_A是第一变换矩阵，I_p是N×N的反对角线单位阵，U_B是第二变换矩阵，U_B ^H是U_B的共轭转置矩阵；

第二种是发射预处理矩阵G₂及其共轭转置矩阵的乘积 $G_2^H{G}_2=I_N,$ I_N为N×N的单位阵时，生成空间映射矩阵的过程为：

先获取(G₂ ^H·G₂)^-1·G₂ ^H·H₂ ^H·(H₂·H₂ ^H)^-1·(H₂·H₂ ^H)^-1·H₂·G₂·(G₂ ^H·G₂)^-1矩阵的左奇异矢量，并按照对应奇异值大小降序排列生成第一变换矩阵，式中，G₂ ^H和H₂ ^H是发射预处理矩阵G₂和第二信道矩阵H₂的共轭转置矩阵，(G₂ ^H·G₂)^-1和(H₂·H₂ ^H)^-1分别是(G₂ ^H·G₂)和(H₂·H₂ ^H)的逆矩阵；再获取该(G₁·G₁ ^H)^-1·G₁·H₁·(H₁ ^H·H₁)^-1·(H₁ ^H·H₁)^-1·H₁ ^H·G₁ ^H·(G₁·G₁ ^H)^-1矩阵的左奇异矢量，并按照对应奇异值大小降序排列生成第二变换矩阵，式中，G₁ ^H和H₁ ^H分别是接收滤波矩阵G₁和第一信道矩阵H₁的共轭转置矩阵，(G₁·G₁ ^H)^-1和(H₁ ^H·H₁)^-1分别是(G₁·G₁ ^H)和(H₁ ^H·H₁)的逆矩阵；然后，由该第一变换矩阵、反对角线单位阵和该第二变换矩阵的共轭转置矩阵进行矩阵相乘，得到所需求的当前映射矩阵： $P_{R,\mathrm{opt}}=U_Y{I}_p{U}_X^H,$ 式中，U_Y是第一变换矩阵，I_p是N×N的反对角线单位阵，U_X是第二变换矩阵，U_X ^H是U_X的共轭转置矩阵。

(34)空间映射单元将生成的该N个第二信号送到前向滤波单元。

步骤4、前向滤波单元根据发射预处理矩阵对N个第二信号进行发射预处理后，放大转发到下一跳节点。

参见图4，介绍采用本发明方法的信号传递顺序。上一跳节点S的发射信号X_S，经过第一信道H₁和后向滤波单元的接收滤波矩阵G₁后，生成的信号为X_R，1。中继节点R的空间映射单元对该多个并行信号X_R，1进行映射得到对应的信号X_R，2，并将其作为前向滤波单元的输入信号，经由前向滤波单元的发射预处理矩阵G₂后，再进行功率归一化的放大转发，经过第二信道H₂，到达下一跳节点D的接收信号为Y_D。在图4中，P_R表示信号X_R，1与信号X_R，2之间的动态映射关系。

本发明已经进行了多次实施试验，下面先以中继节点的双向滤波单元采用MMSE滤波方式为第一实施例，详细描述本发明实现信号映射方法的试验情况。

当中继节点R的上一跳节点未采用线性预编码、双向滤波单元采用MMSE中继传输方式时，中继节点R将接收到的滤波处理后的N个并行的第一信号X_R，1映射为对应的N个并行的第二信号X_R，2的具体方法为：

分别由中继节点与上一跳节点之间的第一信道的当前状态信息和中继节点与下一跳节点之间的第二信道的当前状态信息生成第一信道矩阵和第二信道矩阵，后向滤波单元和前向滤波单元分别基于MMSE滤波方式生成接收滤波矩阵G₁和发射预处理矩阵G₂。

如果该发射预处理矩阵G₂及其共轭转置矩阵G₂ ^H的乘积矩阵不是单位阵(即 $G_2^H{G}_2\≠I$ )时，先获取该G₂G₂ ^H矩阵的左奇异矢量，并按照对应奇异值大小降序排列生成第一变换矩阵；再获取G₁(H₁H₁ ^H+σ²I_M)G₁ ^H矩阵的左奇异矢量，并按照对应奇异值大小降序排列生成第二变换矩阵。式中，I_M为M×M的单位阵，且M为中继节点的天线数，H₁是第一信道矩阵或等效第一信道矩阵，H₁ ^H是H₁的共轭转置矩阵，σ²是中继节点的接收噪声功率；然后，由该第一变换矩阵、反对角线单位阵和第二变换矩阵的共轭转置矩阵进行矩阵相乘，就得到所需求的当前映射矩阵。

如果该发射预处理矩阵G₂及其共轭转置矩阵G₂ ^H的乘积矩阵是单位阵(即 $G_2^H{G}_2=I$ )时，先获取(G₂ ^H·G₂)^-1·G₂ ^H·H₂ ^H·(H₂·H₂ ^H)^-1·(H₂·H₂ ^H)^-1·H₂·G₂·(G₂ ^H·G₂)^-1矩阵的左奇异矢量，并按照对应奇异值大小降序排列生成第一变换矩阵，式中，G₂ ^H和H₂ ^H分别是发射预处理矩阵G₂和第二信道矩阵H₂的共轭转置矩阵，(G₂ ^H·G₂)^-1和(H₂·H₂ ^H)^-1分别是(G₂ ^H·G₂)和(H₂·H₂ ^H)的逆矩阵，(H₂·H₂ ^H)^-1是(H₂·H₂ ^H)的逆矩阵；再获取该(G₁·G₁ ^H)^-1·G₁·H₁·(H₁ ^H·H₁)^-1·(H₁ ^H·H₁)^-1·H₁ ^H·G₁ ^H·(G₁·G₁ ^H)^-1矩阵的左奇异矢量，并按照对应奇异值大小降序排列生成第二变换矩阵，式中，G₁ ^H和H₁ ^H分别是接收滤波矩阵G₁和第一信道矩阵H₁的共轭转置矩阵，(G₁·G¹ _H)^-1和(H₁ ^H·H₁)分别是(G₁·G₁ ^H)和(H₁ ^H·H₁)的逆矩阵；然后，由该第一变换矩阵、反对角线单位阵和该第二变换矩阵的共轭转置矩阵进行矩阵相乘，得到所需求的当前映射矩阵： $P_{R,\mathrm{opt}}=U_Y{I}_p{U}_X^H,$ 式中，U_Y是第一变换矩阵，I_p是N×N的反对角线单位阵，U_X是第二变换矩阵，U_X ^H是U_X的共轭转置矩阵。

空间映射单元将空间映射矩阵与N个第一信号相乘，就映射得到对应的N个第二信号。

因此，上一跳节点S与中继节点R之间的第一信道H₁的信道数量为N_S×N_R，本发明中继节点的信道状态信息获取及存储单元动态获取每个时刻的第一信道H₁的当前状态信息，将每个时刻的第一信道H₁的对应状态信息用矩阵方式表示，就得到第一信道矩阵。

例如：设置第一信道矩阵的行数为中继节点R对应的接收天线数N_R，列数为上一跳节点S对应的发射天线数N_S，第一信道矩阵的第一行、第二行和第N_R行从左至右的各元素分别为：A(1，1)、A(1，2)、......、A(1，N_S)，

                        A(2，1)、A(2，2)、......、A(2，N_S)，

                        A(N_R，1)、A(N_R，2)、......、A(N_R，N_S)；

其中：A(1，1)是上一跳节点S的第一根发射天线到中继节点R的第一根接收天线的对应信道状态信息；A(1，2)是上一跳节点S的第二根发射天线到中继节点R的第一根接收天线的对应信道状态信息；以此类推，则A(1，N_S)是上一跳节点S的第N_S根发射天线到中继节点R的第一根接收天线的对应信道状态信息。A(2，1)是上一跳节点S的第一根发射天线到中继节点R的第二根接收天线的对应信道的状态信息，A(2，2)是上一跳节点S的第二根发射天线到中继节点R的第二根接收天线的对应信道的状态信息，A(2，N_S)是上一跳节点S的第N_S根发射天线到中继节点R的第二根接收天线的对应信道的状态信息；......，A(N_R，1)是上一跳节点S的第一根发射天线到中继节点R的第N_R根接收天线的对应信道的状态信息，A(N_R，2)是上一跳节点S的第二根发射天线到中继节点R的第N_R根接收天线的对应信道的状态信息，A(N_R，N_S)是上一跳节点S的第N_S根发射天线到中继节点R的第N_R根接收天线的对应信道的状态信息。

采用上述方法，就可以得到由中继节点R和下一跳节点D之间的各个第二信道的对应信道状态信息构成第二信道矩阵。

下面参见图5所示的上一跳节点S进行线性预编码操作时的系统，介绍本发明中继节点的上一跳节点S采用预编码技术时实现信号映射方法的第二实施例试验情况，此时的双向滤波单元仍采用MMSE滤波方式。

上一跳节点S经预编码操作的发送信号X_S＝Fd_S式中，d_S是预编码操作前的发送信号，F为预编码矩阵。此时，图5中的第一信道为矩阵 ${\tilde{H}}_1=H_{1}F.$

因上一跳节点采用线性预编码(当上一跳节点S的天线数大于发送的数据流数时，上一跳节点S采用线性预编码技术将待发送数据流映射至发送天线)，该上一跳节点将采用线性预编码操作信令通知其下一跳中继节点。后向滤波单元作出相应的预编码接收。不失一般性，中继节点接收到控制单元的触发信号后，将接收滤波处理后的N个并行的第一信号X_R，1映射为对应的N个并行的第二信号X_R，2，具体过程为：

由第一信道的当前状态信息生成第一信道矩阵，再由该第一信道矩阵和线性预编码所采用的预编码矩阵相乘而得到等效第一信道矩阵(这是与第一实施例的区别所在)，再由第二信道的当前状态信息生成第二信道矩阵H₂。后向滤波单元基于等效第一信道矩阵和MMSE滤波方式生成接收滤波矩阵G₁，前向滤波单元基于MMSE滤波方式生成发射预处理矩阵G₂。

如果该发射预处理矩阵G₂及其共轭转置矩阵G₂ ^H的乘积矩阵不是单位阵(即 $G_2^H{G}_2\≠I$ )时，先获取G₂G₂ ^H矩阵的左奇异矢量，并按照对应奇异值大小降序排列生成第一变换矩阵；再获取

矩阵的所有左奇异矢量，并按照对应奇异值大小降序排列生成第二变换矩阵，式中，I_M为M×M的单位阵，且M为中继节点的天线数，

是等效第一信道矩阵，

是的共轭转置矩阵，σ²是中继节点的接收噪声功率；然后，由该第一变换矩阵、反对角线单位阵和第二变换矩阵的共轭转置矩阵进行矩阵相乘，就得到所需求的当前映射矩阵。

如果该发射预处理矩阵G₂及其共轭转置矩阵G₂ ^H的乘积矩阵是单位阵(即 $G_2^H{G}_2=I$ )时，先获取(G₂ ^H·G₂)^-1·G₂ ^H·H₂ ^H·(H₂·H₂ ^H)^-1·(H₂·H₂ ^H)^-1·H₂·G₂·(G₂ ^H·G₂)^-1矩阵的左奇异矢量，并按照对应奇异值大小降序排列生成第一变换矩阵，式中，G₂ ^H和H₂ ^H分别是发射预处理矩阵G₂和第二信道矩阵H₂的共轭转置矩阵，(G₂ ^H·G₂)^-1和(H₂·H₂ ^H)^-1分别是(G₂ ^H·G₂)和(H₂·H₂ ^H)的逆矩阵；再获取该矩阵 ${(G_1\·G_1^H)}^{-1}\·G_1\·{\tilde{H}}_1\·{({\tilde{H}}_1^H\·{\tilde{H}}_1)}^{-1}\·{({\tilde{H}}_1^H\·{\tilde{H}}_1)}^{-1}\·{\tilde{H}}_1^H\·G_1^H\·{(G_1\·G_1^H)}^{-1}$ 的左奇异矢量，并按照对应奇异值大小降序排列生成第二变换矩阵，式中，G₁ ^H和

分别是接收滤波矩阵G₁和等效第一信道矩阵的共轭转置矩阵，(G₁·G₁ ^H)^-1和

分别是(G₁·G₁ ^H)和

的逆矩阵；然后，由该第一变换矩阵、反对角线单位阵和该第二变换矩阵的共轭转置矩阵进行矩阵相乘，得到所需求的当前映射矩阵： $P_{R,\mathrm{opt}}=U_Y{I}_p{U}_X^H,$ 式中，U_Y是第一变换矩阵，I_p是N×N的反对角线单位阵，U_X是第二变换矩阵，U_X ^H是U_X的共轭转置矩阵。

空间映射单元再将空间映射矩阵与N个第一信号相乘，就映射得到对应的N个第二信号。

下面具体申请人对本发明方法进行多次实施试验的情况：

参见图6和图7，介绍本发明第一实施例(当 $G_2^H{G}_2\≠I$ 时)的实施例的仿真结果：在瑞利单径信道条件下，在上一跳节点、中继节点和下一跳节点的天线数都为4时，且上一跳节点到中继节点之间的第一信道的信噪比SNR和中继节点到下一跳节点之间的第二信道的SNR相等时，本发明使用自适应空间信道映射技术，传输中断概率的增益为0.7dB(参见图6)。系统信道容量的增益为1dB(参见图7)。

参见图8和图9，介绍本发明第一实施例(当 $G_2^H{G}_2=I$ 时)的空间映射方案的实施例仿真结果：在瑞利单径的信道条件下，在上一跳节点、中继节点和下一跳节点的天线数都为4时，且上一跳节点到中继节点之间第一信道的SNR和中继节点到下一跳节点之间的第二信道的SNR相等时，本发明使用空间映射方案技术时，可获知：加入本发明空间映射方法的系统的中断概率性能比没有加入空间映射矩阵的中断概率性能改进很多(参见图8)，且系统容量也比没有加入空间映射矩阵的系统容量提高很多(参见图9)。

上面四种仿真结果都说明了：采用本发明装置和方法后，系统性能得到了改善。上述各实施例都是以中继节点采用MMSE滤波方式，在第一信号和第二信号之间建立映射的。在其它中继传输方式下，为有效降低中继节点在下一跳待转发信号中的噪声功率，同样可以根据中继节点与其上一跳节点及下一跳节点之间的各信道的当前状态信息，相应确定各自的映射关系。

采用本发明方法，需要动态获知中继节点分别与上一跳节点及下一跳节点之间的各信道的当前状态信息。获取信道状态信息的方式可以采用现有各种技术，本发明对此不作限定。例如，对中继节点与上一跳节点之间的各个第一信道，可以由中继节点通过接收上一跳节点的发送信号后，进行信道估计，确定出相应信道的当前状态信息，并更新本地存储的对应信道的当前状态信息。对中继节点与下一跳节点之间的各个第二信道，可以通过获取用户设备的反馈或利用时分双工系统的信道互易性，确定出相应信道的当前状态信息，并更新本地存储的对应的第二信道的当前状态信息。

综上所述，本发明的实施试验是成功的，实现了发明目的采用本发明中继节点进行发射预处理前的信号，是由中继节点对接收信号进行接收滤波处理后的多个并行信号，根据与中继节点相关的上一跳及下一跳的相应信道的当前信道状态进行变化后得到的。由于信道状态处于动态变化中，因此，本发明对接收信号的变化是要跟随信道状态变化进行自适应调整，建立起接收滤波处理后的多个并行信号与发射预处理前的多个并行信号之间的动态映射关系，从而有效解决AF转发模式下噪声放大问题，提升多天线中继系统可靠性和有效性。

Claims (8)

1.一种用于无线接入系统的基于空间映射的中继节点装置，设有：后向滤波单元和前向滤波单元；其特征在于，该装置还设有：控制单元、信道状态信息获取及存储单元和空间映射单元，其中，

控制单元，作为该装置的控制中心，用于接收上一跳节点发送的是否采用线性预编码的信令，藉此控制后向滤波单元是否启用预编码接收；并控制后向滤波单元和前向滤波单元各自采用的滤波方式，以及向空间映射单元发送触发信号；

空间映射单元，根据控制单元的触发信号分别从信道状态信息获取及储存单元、后向滤波单元和前向滤波单元得到的信道状态信息、接收滤波矩阵和发射预处理矩阵，生成空间映射矩阵，使得来自后向滤波单元的N个第一信号经由该空间映射矩阵被映射为对应的N个第二信号，再发送给前向滤波单元；该N个第二信号是该空间映射矩阵和N个第一信号的乘积，N为上一跳节点发送的数据流个数；

信道状态信息获取及存储单元，用于动态获取、周期更新并分别存储上一跳节点与中继节点之间的第一信道的当前状态信息和中继节点与下一跳节点之间的第二信道的当前状态信息，并将该两个信道的当前状态信息分别传送给后向滤波单元、前向滤波单元和空间映射单元。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述后向滤波单元的功能是：接收控制单元发送的是否启用预编码接收的信令，若上一跳节点使用预编码，则先利用第一信道矩阵和信道预编码矩阵的乘积生成等效第一信道矩阵，再依据等效第一信道矩阵和控制单元设定的滤波方式生成接收滤波矩阵；若上一跳节点未使用预编码，则直接利用第一信道矩阵和控制单元设定的滤波方式生成接收滤波矩阵；然后，将该接收滤波矩阵传送给空间映射单元，并按照该接收滤波矩阵对其接收的上一跳节点发送信号进行滤波，生成N个第一信号后，将该N个第一信号传送给空间映射单元。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述前向滤波单元的功能是：由第二信道矩阵和控制单元设定的滤波方式生成发射预处理矩阵，并将该发射预处理矩阵返回空间映射单元，以及采用该发射预处理矩阵对其接收的来自空间映射单元的N个第二信号进行发射预处理，然后放大转发到下一跳节点。

4.一种采用权利要求1所述的基于空间映射的中继节点装置的中继传输方法，其特征在于，包括下列操作步骤：

(1)中继节点各单元执行初始化操作，准备接收上一跳节点的发送信号；

(2)后向和前向滤波单元根据两个信道的当前状态信息分别生成接收滤波矩阵和发射预处理矩阵，并将其传送给空间映射单元；后向滤波单元根据该接收滤波矩阵对上一跳节点的发送信号进行滤波，并将生成的N个第一信号传送给空间映射单元；

(3)空间映射单元根据上述信息生成空间映射矩阵，并利用该空间映射矩阵将接收的N个第一信号映射为对应的N个第二信号后，传送到前向滤波单元；

(4)前向滤波单元根据发射预处理矩阵对N个第二信号进行发射预处理后，放大转发到下一跳节点。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)进一步包括下列操作内容：

(11)控制单元接收到上一跳节点发送的是否启用预编码接收的信令，判定上一跳节点使用预编码时，告知后向滤波单元对接收的上一跳节点发送信号进行预编码接收；否则，告知后向滤波单元对接收的上一跳节点发送信号不执行预编码接收；

(12)控制单元控制后向滤波单元和前向滤波单元分别采用各自的滤波方式，并向空间映射单元发送触发信号；

(13)信道状态信息获取及存储单元分别获取和存储上一跳节点和中继节点之间的第一信道的当前状态信息和中继节点和下一跳节点之间的第二信道的当前状态信息。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)进一步包括下列操作内容：

(21)后向滤波单元接收到启用预编码接收的信令时，根据来自信道状态信息获取及储存单元的第一信道的当前状态信息生成第一信道矩阵，由第一信道矩阵和预编码矩阵的乘积生成等效第一信道矩阵，再依据该等效第一信道矩阵和控制单元设定的滤波方式生成接收滤波矩阵，对上一跳节点的发送信号进行接收滤波处理：将该接收滤波矩阵与其接收的信号相乘得到N个第一信号，再将该N个第一信号传送给空间映射单元；N为上一跳节点发送的数据流个数；或

(22)后向滤波单元没有接收到预编码接收的信令时，根据来自信道状态信息获取及储存单元的第一信道的当前状态信息生成第一信道矩阵，再依据该第一信道矩阵和控制单元设定的滤波方式生成接收滤波矩阵，对上一跳节点的发送信号进行接收滤波处理：将该接收滤波矩阵与其接收的信号相乘得到N个第一信号，再将该N个第一信号传送给空间映射单元；

(23)后向滤波单元将该接收滤波矩阵发送给空间映射单元；

(24)前向滤波单元根据信道状态信息获取及储存单元的第二信道当前状态信息生成第二信道矩阵，再由该第二信道矩阵和控制单元设定的滤波方式生成发射预处理矩阵后，将该发射预处理矩阵传送给空间映射单元。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)进一步包括下列操作内容：

(31)空间映射单元接收到控制单元的触发信号，从信道状态信息获取及储存单元中提取当前信道状态信息，并分别由第一信道的当前状态信息生成第一信道矩阵和由第二信道的当前状态信息生成第二信道矩阵；

(32)空间映射单元接收到分别来自后向滤波单元的接收滤波矩阵和前向滤波单元的发射预处理矩阵；

(33)空间映射单元根据上述信息生成空间映射矩阵，并采用该空间映射矩阵和N个第一信号的乘积作为映射得到的N个第二信号；

(34)空间映射单元将生成的该N个第二信号送到前向滤波单元。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤(33)中，根据发射预处理矩阵G₂的状态，空间映射单元有两种生成空间映射矩阵的方式：

(331)当 $G_2^H{G}_2\≠I_N$ ，式中，G₂ ^H是发射预处理矩阵G₂的共轭转置矩阵，I_N为N×N的单位阵时，生成空间映射矩阵的过程为：

先获取G₂G₂ ^H矩阵的左奇异矢量，并按照对应奇异值大小降序排列生成第一变换矩阵；再获取G₁(H₁H₁ ^H+σ²I_M)G₁ ^H矩阵的左奇异矢量，并按照对应奇异值大小降序排列生成第二变换矩阵，式中，I_M为M×M的单位阵，M为中继节点的天线数，G₁是后向滤波单元的接收滤波矩阵，H₁是第一信道矩阵或等效第一信道矩阵，H₁ ^H是H₁的共轭转置矩阵，σ²是中继节点的接收噪声功率；然后，由所述第一变换矩阵、反对角线单位阵和所述第二变换矩阵的共轭转置矩阵进行矩阵相乘，得到所需求的当前映射矩阵： $P_{R,\mathrm{opt}}=U_A{I}_p{U}_B^H,$ 式中，U_A是第一变换矩阵，I_p是N×N的反对角线单位阵，U_B是第二变换矩阵，U_B ^H是U_B的共轭转置矩阵；或

(332)当 $G_2^H{G}_2=I_N,$ I_N为N×N的单位阵时，生成空间映射矩阵的过程为：

先获取(G₂ ^H·G₂)^-1·G₂ ^H·H₂ ^H·(H₂·H₂ ^H)^-1·(H₂·H₂ ^H)^-1·H₂·G₂·(G₂ ^H·G₂)^-1矩阵的左奇异矢量，并按照对应奇异值大小降序排列生成第一变换矩阵，式中，G₂ ^H和H₂ ^H分别是发射预处理矩阵G₂和第二信道矩阵H₂的共轭转置矩阵，(G₂ ^H·G₂)^-1和(H₂·H₂ ^H)^-1分别是(G₂ ^H·G₂)和(H₂·H₂ ^H)的逆矩阵；再获取所述矩阵(G₁·G₁ ^H)^-1·G₁·H₁·(H₁ ^H·H₁)^-1·(H₁ ^H·H₁)^-1·H₁ ^H·G₁ ^H·(G₁·G₁ ^H)^-1的左奇异矢量，并按照对应奇异值大小降序排列生成第二变换矩阵，式中，G₁ ^H和H₁ ^H分别是接收滤波矩阵G₁和第一信道矩阵H₁的共轭转置矩阵，(G₁·G₁ ^H)^-1和(H₁ ^H·H₁)^-1分别是(G₁·G₁ ^H)和(H₁ ^H·H₁)的逆矩阵；然后，由所述第一变换矩阵、反对角线单位阵和所述第二变换矩阵的共轭转置矩阵进行矩阵相乘，得到所需求的当前映射矩阵： $P_{R,\mathrm{opt}}=U_Y{I}_p{U}_X^H,$ 式中，U_Y是第一变换矩阵，I_p是N×N的反对角线单位阵，U_X是第二变换矩阵，U_X ^H是U_X的共轭转置矩阵。

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