CN101848018B - 实现中继传输的方法及中继器、中继系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开一种实现中继传输的方法及中继器、中继系统，涉及通信技术领域，用以降低两跳中继系统中实现中继传输时的误码率。本发明实施例提供的实现中继传输的方法，包括：在中继传输过程中，根据预先设定的发送端和中继端的功率分配矩阵初始值或者预先设定的发送端和中继端的预处理矩阵初始值，以及最小均方误差准则确定所述发送端的预处理矩阵F、中继端的预处理矩阵W和接收端的译码矩阵G；将所述发送端的预处理矩阵F反馈给发送端，将所述接收端的译码矩阵G反馈给接收端。本发明实施例提供的实现中继传输的方法及中继器、中继系统适用于对误码性能要求较高的中继系统。

Description

实现中继传输的方法及中继器、中继系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种实现中继传输的方法及中继器、中继系统。 

背景技术

无线通信网络始终需要考虑以最低成本的布局设计来支持盲点地区或热点地区的通信，提供更好的覆盖率或系统吞吐率。基于中继端的多跳Relay(中继)通信方式，以其灵活的布放和较低的成本为这类问题提供了很好的解决方案。 

在再生和非再生中继系统中，结合MIMO(Multi-Input Multi-Output，多输入多输出)与Relay技术优点的MIMO Relay技术成为了下一代无线关键技术的研究热点。特别在非再生中继系统中，更好地利用多天线的预编码技术以及功率分配还可以实现系统性能的最佳提升。 

现有技术中存在一种基于容量最大化准则的对系统性能进行提升的方法，该方法根据非再生中继系统中两跳链路的信道信息，联合设计发射端和中继端的预编码矩阵以及功率分配参数；该方法能联合考虑发射端与中继端设计对系统性能的影响。 

在实现上述两跳中继系统的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：增益较小的某些子信道上传输的信息流误码率较高，不能保证两跳中继系统的误码性能。 

发明内容

本发明的实施例提供一种实现中继传输的方法及中继器、中继系统，用以降低两跳中继系统中实现中继传输时的误码率。 

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案： 

一种实现中继传输的方法，包括： 

在中继传输过程中，根据预先设定的发送端和中继端的功率分配矩阵初始值或者预先设定的发送端和中继端的预处理矩阵初始值，以及最小均方误差准 则确定所述发送端的预处理矩阵F、中继端的预处理矩阵W和接收端的译码矩阵G； 

将所述发送端的预处理矩阵F反馈给发送端，将所述接收端的译码矩阵G反馈给接收端。 

一种中继器，包括： 

确定单元，用于在中继传输过程中，根据预先设定的发送端和中继端的功率分配矩阵初始值或者预先设定的发送端和中继端的预处理矩阵初始值，以及最小均方误差准则确定所述发送端的预处理矩阵F、中继端的预处理矩阵W和接收端的译码矩阵G； 

反馈单元，用于将所述发送端的预处理矩阵F反馈给发送端，并将所述接收端的译码矩阵G反馈给接收端。 

一种中继系统，包括发送端、中继端和接收端；其中， 

所述中继端，用于在中继传输过程中，根据预先设定的发送端和中继端的功率分配矩阵初始值或者预先设定的发送端和中继端的预处理矩阵初始值，以及最小均方误差准则确定所述发送端的预处理矩阵F、中继端的预处理矩阵W和接收端的译码矩阵G；然后将所述发送端的预处理矩阵F反馈给发送端，并将所述接收端的译码矩阵G反馈给接收端； 

所述发送端，用于接收所述中继端反馈的所述预处理矩阵F，并利用所述预处理矩阵F对需要发送的信号进行预处理； 

所述接收端，用于接收所述中继端反馈的所述译码矩阵G，并直接利用所述译码矩阵G对接收到的信号进行译码。 

本发明实施例提供的实现中继传输的方法及中继器、中继系统，在中继系统的中继端结合预先设定的发送端和中继端的功率分配矩阵初始值或者预先设定的预处理矩阵初始值、及最小均方误差准则来确定发送端和中继端的预处理矩阵F和W以及接收端的译码矩阵G，使得本发明实施例提供的实现中继传输的方法及中继器、中继系统不仅实现了基于发射端、中继端和接收端的联合优化设计从而更好地提高系统性能，而且基于最小均方误差准则的优化设计使两跳中继系统中实现中继传输时的误码率达到最小。 

附图说明

图1为本发明实施例中两跳非再生中继系统的示意图； 

图2为本发明实施例一提供的实现中继传输的方法流程图； 

图3为本发明实施例二提供的实现中继传输的方法流程图； 

图4为本发明实施例三提供的实现中继传输的方法流程图； 

图5为本发明实施例四提供的中继器的结构示意图； 

图6为本发明实施例五提供的中继器的结构示意图； 

图7为本发明实施例六提供的中继系统的结构示意图。 

具体实施方式

如图1所示，为两跳非再生中继系统的示意图；其中，中继端可以进行基带信号处理，但不进行译码处理。信号s经过发射端预处理矩阵F处理后，经过发射端与中继端之间的中继链路信道(其信道信息为H₁)到达中继端，中继端接收到的信号y_R为 

y_R＝H₁Fs+n₁                       (1) 

信号y_R经中继端预处理矩阵W处理后，经过中继端与接收端之间的接入链路信道(其信道信息为H₂)到达接收端，接收端接收到的信号y为 

y＝H₂W(H₁Fs+n₁)+n₂                (2) 

其中，n₁和n₂分别为中继端和接收端的加性噪声，而且n₁和n₂的方差分别为σ₁ ²和σ₂ ²。 

为了降低两跳中继系统中实现中继传输时的误码率，本发明的实施例提供了一种实现中继传输的方法及中继器、中继系统。下面结合附图对本发明实施例提供的实现中继传输的方法及中继器、中继系统进行详细描述。 

实施例一： 

如图2所示，本发明实施例提供的实现中继传输的方法，包括以下步骤： 

步骤201、在中继传输过程中，根据预先设定的发送端功率分配矩阵Φ_F的初始值Φ_F1和中继端功率分配矩阵Φ_W的初始值Φ_W1、或者预先设定的发送端预处理矩阵F的初始值F₁和中继端预处理矩阵W的初始值W₁，以及最小均方误差准则确定所述发送端的预处理矩阵F、中继端的预处理矩阵W和接收端的译码矩阵G。 

在本发明实施例中，所述预处理矩阵为预编码矩阵和功率分配矩阵的乘积；其中，所述预编码矩阵由中继系统的信道信息进行奇异值分解得到。所述中继系统的信道信息，即两跳链路的信道信息H₁和H₂可以是由中继端通过信道估计的方法获取到，即：由两跳中继系统的发送端和接收端分别发送导频信号给中继端，然后由中继端根据发送端发送的导频信号估计出发送端和中继端之间中继链路信道的信道信息H₁，根据接收端发送的导频信号估计出中继端和接收端之间接入链路信道的信道信息H₂；当然，还可以是由接收端进行信道估计，然后中继端直接从接收端获取到两跳链路的信道信息H₁和H₂。 

在本发明实施例中，预先设定的发送端功率分配矩阵Φ_F的初始值Φ_F1和中继端功率分配矩阵Φ_W的初始值Φ_W1均为常量对角阵，即矩阵中对角线上的元素均为常数值，其他元素均为0；预先设定的发送端的预处理矩阵F的初始值F₁和中继端的预处理矩阵W的初始值W₁均为常量矩阵，即矩阵中的每个元素均为常数值。而且，所述预处理包括预编码和功率分配；这里，将需要对信号进行的预编码操作和功率分配操作综合考虑，从而简化了参数的设计过程，同时降低了引入误差的概率。 

步骤202、将所述发送端的预处理矩阵F反馈给发送端，将所述接收端的译码矩阵G反馈给接收端。 

本发明实施例提供的实现中继传输的方法，在中继系统的中继端结合由中继端预先设定的发送端和中继端的功率分配矩阵初始值或者由中继端预先设定的发送端和中继端的预处理矩阵初始值，及最小均方误差准则来确定发送端的预处理矩阵F、中继端的预处理矩阵W和接收端的译码矩阵G；本发明实施例提供的实现中继传输的方法不仅实现了基于发射端、中继端和接收端的联合优化设计从而更好地提高系统性能，而且基于最小均方误差准则的优化设计使两跳中继系统中实现中继传输时的误码率达到最小。 

实施例二： 

为了确保两跳中继系统的误码性能，本发明实施例提供了一种基于MMSE (Minimum Mean Square Error，最小均方误差)准则的联合设计方法，来设计发射端的预处理矩阵F、中继端的预处理矩阵W以及接收端的译码矩阵G，使系统的均方误差达到最小。 

根据图1所示的两跳中继系统以及公式(2)中接收端接收到的信号，可以得到接收端译码后的输出信号为 

$\hat{s}=G[H_{2}W(H_1\mathrm{Fs}+n_1)+n_2]={\mathrm{GH}}_{2}W{H}_1\mathrm{Fs}+{\mathrm{GH}}_{2}W{n}_1+{\mathrm{Gn}}_2---\left(3\right)$

对应地，两跳中继系统的均方误差mse为 

$=E\left\{\mathrm{Tr}\right[({\mathrm{GH}}_{2}W{H}_1\mathrm{Fs}+G{H}_{2}W{n}_2+G{n}_2){(G{H}_{2}W{H}_1\mathrm{Fs}+G{H}_{2}W{n}_2+G{n}_2)}^{*}\left]\right\}$

$=\mathrm{Tr}(G{H}_{2}W{H}_{1}F{F}^{*}{H}_1^{*}{W}^{*}{H}_2^{*}{G}^{*}+{\mathrm{\σ}}_1^{2}G{H}_{2}W{W}^{*}{H}_2^{*}{G}^{*}+{\mathrm{\σ}}_2^{2}G{G}^{*}+R_s-F^{*}{H}_2^{*}{W}^{*}{H}_2^{*}{G}^{*}-G{H}_{2}W{H}_{1}F)---\left(4\right)$

其中，Tr表示矩阵的求迹运算，R_s表示发射信号向量的方差阵。 

要使mse最小化，需要通过对预处理矩阵F和W以及译码矩阵G分别求导，并使之归零来实现；具体如公式(5)所示： 

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂\mathrm{mse}}{\∂F}=0\\ \frac{\∂\mathrm{mse}}{\∂W}=0\\ \frac{\∂\mathrm{mse}}{\∂G}=0\end{array}\right.---\left(5\right)$

假设已知中继链路和接入链路的信道信息H₁和H₂，对H₁和H₂分别进行SVD(Singular Value Decomposition，奇异值分解)分解得 

$\left\{\begin{array}{c}{H}_1=U_1{\mathrm{\Σ}}_1{V}_1^{*}\\ H_2=U_2{\mathrm{\Σ}}_2{V}_2^{*}\end{array}\right.---\left(6\right)$

设定矩阵F、W和G分别为 

$\left\{\begin{array}{c}F=V_1{\mathrm{\Φ}}_F\\ W=V_2{\mathrm{\Φ}}_W{U}_1^{*}\\ G={\mathrm{\Φ}}_G{U}_2^{*}\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中，V₁、V₂、U₁ ^*及U₂ ^*为预编码相关矩阵；Φ_F和Φ_W分别为发射端和中继端的功率分配矩阵，Φ_G为接收端的译码权重矩阵，且Φ_F、Φ_W和Φ_G均为对角阵。 

将设定的矩阵F、W和G分别代入式(3)和(4)，并整理得到： 

$\hat{s}={\mathrm{\Σ}}_1{\mathrm{\Σ}}_2{\mathrm{\Φ}}_W{\mathrm{\Φ}}_F{\mathrm{\Φ}}_{G}s+{\mathrm{\Σ}}_2{\mathrm{\Φ}}_W{\mathrm{\Φ}}_G{U}_1^{*}{n}_1+{\mathrm{\Φ}}_G{U}_2^{*}{n}_2---\left(8\right)$

$\mathrm{mse}=\mathrm{Tr}({\mathrm{\Σ}}_1^2{\mathrm{\Σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_W^2{\mathrm{\Φ}}_F^2{\mathrm{\Φ}}_G^2+{\mathrm{\σ}}_1^2{\mathrm{\Σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_W^2{\mathrm{\Φ}}_G^2+{\mathrm{\σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_G^2+I-2{\mathrm{\Σ}}_1{\mathrm{\Σ}}_2{\mathrm{\Φ}}_W{\mathrm{\Φ}}_F{\mathrm{\Φ}}_G)---\left(9\right)$

结合公式(5)和(9)，可得 

$\frac{\∂\mathrm{mse}}{{\∂\mathrm{\Φ}}_G}={2\mathrm{\Σ}}_1^2{\mathrm{\Σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_W^2{\mathrm{\Φ}}_F^2{\mathrm{\Φ}}_{G}2{\mathrm{\σ}}_1^2{\mathrm{\Σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_W^2{\mathrm{\Φ}}_G+2{\mathrm{\σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_G-2{\mathrm{\Σ}}_1{\mathrm{\Σ}}_2{\mathrm{\Φ}}_W{\mathrm{\Φ}}_F=0---\left(10\right)$

$\⇒{\mathrm{\Φ}}_G={({\mathrm{\Σ}}_1^2{\mathrm{\Σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_W^2{\mathrm{\Φ}}_F^2+{\mathrm{\σ}}_1^2{\mathrm{\Σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_W^2+{\mathrm{\σ}}_2^2)}^{-1}{\mathrm{\Σ}}_1{\mathrm{\Σ}}_2{\mathrm{\Φ}}_W{\mathrm{\Φ}}_F$

$\frac{\∂\mathrm{mse}}{{\∂\mathrm{\Φ}}_W}=2{\mathrm{\Σ}}_1^2{\mathrm{\Σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_F^2{\mathrm{\Φ}}_G^2{\mathrm{\Φ}}_W+2{\mathrm{\σ}}_1^2{\mathrm{\Σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_G^2{\mathrm{\Φ}}_W-2{\mathrm{\Σ}}_1{\mathrm{\Σ}}_2{\mathrm{\Φ}}_G{\mathrm{\Φ}}_F=0---\left(11\right)$

$\⇒{\mathrm{\Φ}}_W={({\mathrm{\Σ}}_1^2{\mathrm{\Σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_F^2{\mathrm{\Φ}}_G^2+{\mathrm{\σ}}_1^2{\mathrm{\Σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_G^2)}^{-1}{\mathrm{\Σ}}_1{\mathrm{\Σ}}_2{\mathrm{\Φ}}_G{\mathrm{\Φ}}_F$

$\frac{\∂\mathrm{mse}}{{\∂\mathrm{\Φ}}_F}=2{\mathrm{\Σ}}_1^2{\mathrm{\Σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_W^2{\mathrm{\Φ}}_G^2{\mathrm{\Φ}}_F-2{\mathrm{\Σ}}_1{\mathrm{\Σ}}_2{\mathrm{\Φ}}_G{\mathrm{\Φ}}_W=0---\left(12\right)$

$\⇒{\mathrm{\Φ}}_F={\left({\mathrm{\Σ}}_1^2{\mathrm{\Σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_W^2{\mathrm{\Φ}}_G^2\right)}^{-1}{\mathrm{\Σ}}_1{\mathrm{\Σ}}_2{\mathrm{\Φ}}_G{\mathrm{\Φ}}_W$

而且，通过公式(10)、(11)和(12)获得的Φ_F、Φ_W和Φ_G必须要满足发射端与中继端的总功率P_BS与P_RS的约束条件 

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Tr}[{\mathrm{\Φ}}_W^2{\mathrm{\Φ}}_F^2{\mathrm{\Σ}}_1^2+{\mathrm{\σ}}_1^2{\mathrm{\Φ}}_W^2]\≤P_{\mathrm{RS}}\\ \mathrm{Tr}\left[{\mathrm{\Φ}}_F^2\right]\≤P_{\mathrm{BS}}\end{array}\right.---\left(13\right)$

由上可知，上述公式(10)至(13)是确定Φ_F、Φ_W和Φ_G的必要条件；也就是说，要设计发射端的预处理矩阵F、中继端的预处理矩阵W以及接收端的译码矩阵G，必须要根据上述公式(10)至(13)来实现，具体实现过程如下： 

如图3所示，本发明实施例提供的实现中继传输的方法，具体包括以下步 骤： 

步骤301、接收发送端和接收端分别发送的导频信号，通过信道估计算法估计出两跳链路的信道信息H₁和H₂。 

为两跳中继系统设计理想的预处理矩阵，即预编码及功率分配矩阵，需要先估计出两跳中继系统中中继链路的信道信息H₁和接入链路的信道信息H₂。由于两跳中继系统结构的特殊性，对两跳链路的信道信息进行估计需要通过发送两次导频信号来完成。 

参照图1所示的两跳非再生中继系统，如果发射端发送的导频信号为s₀，而且在不进行任何预处理的情况下，中继端接收到的信号为 

y′＝H₁s₀+n₁                                         (14) 

由于在信道估计过程中，相对于已知的导频信号s₀的y′也是已知的，因此可以由中继端根据公式(14)推算出信道信息H₁。 

进一步，接收端向中继端发送导频信号s₀′，在不进行任何预处理的情况下，中继端接收到的信号为 

y″＝H₂s′₀+n₂                                      (15) 

由于在信道估计过程中，相对于已知的导频信号s₀′的y″也是已知的，因此可以由中继端根据公式(15)推算出信道信息H₂。 

由于H₁和H₂都是由中继端独立估计得到的，相互之间不存在干扰，因此较现有技术中由接收端对信道信息进行估计的算法更为准确且实现更为方便。 

除了本发明实施例中提供的在中继端进行信道估计得到两跳链路的信道信息H₁和H₂之外，还可以是由接收端进行信道估计，然后中继端直接从接收端获取到两跳链路的信道信息H₁和H₂。 

步骤302、设定发送端的预处理矩阵F的功率分配矩阵初始值Φ_F1，以及中继端的预处理矩阵W的功率分配矩阵初始值Φ_W1。 

预处理矩阵为预编码矩阵和功率分配矩阵的乘积；在本发明实施例中，发送端的预处理矩阵F的功率分配矩阵初始值Φ_F1、以及中继端的预处理矩阵W的功率分配矩阵初始值Φ_W1都是根据等功率分配原则确定，当然还可以是根据现有技术中的其他功率分配原则来确定。 

步骤303、将设定的发送端和中继端的预处理矩阵F和W的功率分配矩阵初始值Φ_F1和Φ_W1代入公式(10)，计算得到接收端的译码矩阵G的译码权重矩阵初始值Φ_G1。 

步骤304、以Φ_F1、Φ_W1和Φ_G1作为初始值，结合公式(10)、(11)及(12)，在公式(13)的限制下对Φ_F、Φ_W和Φ_G进行迭代，直至得到的Φ_Fk、Φ_Wk和Φ_Gk满足条件 

|mse_k-mse_k-1|＜δ                          (16) 

时，此时的Φ_Fk、Φ_Wk和Φ_Gk即为发送端预处理矩阵的功率分配矩阵Φ_F、中继端预处理矩阵的功率分配矩阵Φ_W和接收端的译码权重矩阵Φ_G的最终值；其中，δ是预先设定的门限值，可选为mse_IWF/10，式中mse_IWF为发送端和中继端采用逆灌水(Inverse Water-filling)算法获得的最小均方误差值。 

在本发明实施例中，对Φ_F、Φ_W和Φ_G进行迭代的具体过程为： 

将Φ_W(k-1)和Φ_G(k-1)代入公式(12)，计算得到Φ_Fk；将Φ_G(k-1)和Φ_Fk代入公式(11)，计算得到Φ_Wk；将Φ_Fk和Φ_Wk代入公式(10)，计算得到Φ_Gk；其中，k≥2； 

例如，在k＝2时，将Φ_W1和Φ_G1代入公式(12)，计算得到Φ_F2；将Φ_G1和Φ_F2代入公式(11)，计算得到Φ_W2；将Φ_F2和Φ_W2代入公式(10)，计算得到Φ_G2；在k＝3、4、5......时，依此类推。 

在本发明实施例中，在公式(13)的限制下对Φ_F、Φ_W和Φ_G进行迭代，具体为： 

将迭代过程中得到的Φ_Fn、Φ_Wn和Φ_Gn(1≤n≤k)代入公式，判断公式(13)是否成立； 

如果公式(13)成立，则继续进行Φ_F、Φ_W和Φ_G的迭代运算； 

如果公式(13)不成立，则返回步骤302，重新设定新的发送端预处理矩阵F的功率分配矩阵初始值Φ_F1和中继端预处理矩阵W的功率分配矩阵初始值Φ_W1。 

步骤305、将得到的Φ_Fk、Φ_Wk和Φ_Gk代入公式(7)计算得到F、W和G。 

步骤306、将计算得到的发送端预处理矩阵F反馈给发送端，将计算得到的 接收端译码矩阵G反馈给接收端。 

本发明实施例提供的实现中继传输的方法，由中继系统的中继端进行信道估计以获取信道信息，较以往由接收端进行信道估计获取到的信道信息更准确而且实现也更方便；在中继端结合两跳链路的信道信息以及由中继端设定的预处理矩阵的功率分配矩阵初始值，并根据最小均方误差准则来确定发送端和中继端的预处理矩阵F和W以及接收端的译码矩阵G；本发明实施例提供的实现中继传输的方法不仅实现了基于发射端、中继端和接收端的联合优化设计从而更好地提高系统性能，而且基于最小均方误差准则的优化设计使两跳中继系统中实现中继传输时的误码率达到最小。 

实施例三： 

除了可以利用中继系统发送端和中继端的功率分配矩阵初始值及公式(10)至(12)来确定发送端预处理矩阵F、中继端预处理矩阵W和接收端译码矩阵G之外，还可以直接利用发送端和中继端的预处理矩阵初始值来计算能得到发送端预处理矩阵F、中继端预处理矩阵W和接收端译码矩阵G；此时，需要现对公式(5)进行展开，得到 

$\frac{\∂\mathrm{mse}}{\∂G}2G{H}_{2}W{H}_{1}F{F}^{*}{H}_1^{*}{W}^{*}{H}_2^{*}+2{\mathrm{\σ}}_1^{2}G{H}_{2}W{W}^{*}{H}_2^{*}+2{\mathrm{\σ}}_2^{2}G-2F^{*}{H}_1^{*}{W}^{*}{H}_2^{*}=0$

$\⇒G={(H_{2}W{H}_{1}F{F}^{*}{H}_1^{*}{W}^{*}{H}_2^{*}+{\mathrm{\σ}}_1^2{H}_{2}W{W}^{*}{H}_2^{*}+{\mathrm{\σ}}_2^{2}I)}^{-1}{F}^{*}{H}_1^{*}{W}^{*}{H}_2^{*}---\left(17\right)$

$\frac{\∂\mathrm{mse}}{\∂W}=2H_2^{*}{G}^{*}G{H}_{2}W{H}_{1}F{F}^{*}{H}_1^{*}+2{\mathrm{\σ}}_1^2{H}_2^{*}{G}^{*}G{H}_{2}W-2H_2^{*}{G}^{*}{F}^{*}{H}_1^{*}=0$

$\⇒W={\left(H_2^{*}{G}^{*}G{H}_2\right)}^{-1}{H}_2^{*}{G}^{*}{F}^{*}{H}_1^{*}{(H_{1}F{F}^{*}{H}_1^{*}+{\mathrm{\σ}}_1^{2}I)}^{-1}---\left(18\right)$

$\frac{\∂\mathrm{mse}}{\∂F}=2H_1^{*}{W}^{*}{H}_2^{*}{G}^{*}G{H}_{2}W{H}_{1}F-2H_1^{*}{W}^{*}{H}_2^{*}{G}^{*}=0$

$\⇒F={\left(H_1^{*}{W}^{*}{H}_2^{*}{G}^{*}G{H}_{2}W{H}_1\right)}^{-1}{H}_1^{*}{W}^{*}{H}_2^{*}{G}^{*}---\left(19\right)$

如图4所示，本发明实施例提供的实现中继传输的方法，具体包括以下步骤： 

步骤401、设定发送端的预处理矩阵F的初始值F₁，以及中继端的预处理矩阵W的初始值W₁。 

在本发明实施例中，发送端的预处理矩阵F以公式(6)中获取到的V₁作 为初始值，即F₁＝V₁；中继端的预处理矩阵W以公式(6)中获取到的V₂和U₁ ^*的乘积作为初始值，即W₁＝V₂U₁ ^*。 

步骤402、将设定的F₁和W₁代入公式(17)，计算得到接收端的译码矩阵G的初始值G₁。 

步骤403、以F₁、W₁和G₁作为初始值，结合公式(17)、(18)及(19)，在总功率条件的限制下对Φ_F、Φ_W和Φ_G进行迭代，直至得到的F_k、F_k和F_k满足公式(16)的判断条件时迭代完成，此时的F_k、W_k和G_k即为发送端预处理矩阵F、中继端预处理矩阵W和接收端的译码矩阵G的最终值；其中，δ是预先设定的门限值，可选为mse_IWF/10，式中mse_IWF为发送端和中继端采用逆灌水(Inverse Water-filling)算法获得的最小均方误差值。 

步骤404、将计算得到的发送端预处理矩阵F反馈给发送端，将计算得到的接收端译码矩阵G反馈给接收端。 

本发明实施例提供的实现中继传输的方法，根据最小均方误差准则来确定发送端和中继端的预处理矩阵F和W以及接收端的译码矩阵G；不仅实现了基于发射端、中继端和接收端的联合优化设计从而更好地提高系统性能，而且基于最小均方误差准则的优化设计使两跳中继系统中实现中继传输时的误码率达到最小。 

就上述实施例二和实施例三比较而言，由于实施例二中应用的功率分配矩阵为对角阵，其在进行矩阵运算的过程中计算起来比实施例三中的预处理矩阵要简便得多，因此，实施例二所提供的方案为本发明实施例中的优选方案。 

实施例四： 

如图5所示，本发明实施例提供的中继器，包括确定单元51和反馈单元52；其中， 

确定单元51，用于在中继传输过程中，根据预先设定的发送端和中继端的功率分配矩阵初始值或者预先设定的发送端和中继端的预处理矩阵初始值，以及最小均方误差准则确定所述发送端的预处理矩阵F、中继端的预处理矩阵W 和接收端的译码矩阵G； 

反馈单元52，用于将所述发送端的预处理矩阵F反馈给发送端，并将所述接收端的译码矩阵G反馈给接收端。 

本发明实施例提供的中继系统的中继器，可以根据预先设定的发送端和中继端的功率分配矩阵初始值或者预先设定的发送端和中继端的预处理矩阵初始值，及最小均方误差准则确定发送端和中继端的预处理矩阵F和W以及接收端的译码矩阵G，不仅可以实现基于发射端、中继端和接收端的系统联合优化设计从而更好地提高系统性能，而且基于最小均方误差准则的优化设计使两跳中继系统中实现中继传输时的误码率达到最小。 

实施例五： 

如图6所示，本发明实施例提供的中继器，包括确定单元61和反馈单元62；其中， 

确定单元61在中继传输过程中，根据预先设定的发送端和中继端的功率分配矩阵初始值或者预先设定的发送端和中继端的功率分配矩阵初始值，以及MMSE准则确定发送端的预处理矩阵F、中继端的预处理矩阵W和接收端的译码矩阵G；然后，反馈单元62，用于将确定单元61确定的发送端的预处理矩阵F反馈给发送端，并将接收端的译码矩阵G反馈给接收端； 

其中，预处理矩阵为预编码矩阵和功率分配矩阵的乘积；其中，所述预编码矩阵由中继系统的信道信息进行奇异值分解得到。所述中继系统的信道信息，即两跳中继系统中中继链路的信道信息H₁和接入链路的信道信息H₂可以由中继端直接通过信道估计来获得，也可以由接收端通过信道估计获取后发送给中继端；在本发明实施例中，中继链路的信道信息H₁和接入链路的信道信息H₂优选地由中继端来获取，这样可减小系统误差且实现更方便。 

具体地，在利用预先设定的发送端和中继端的功率分配矩阵初始值确定发送端的预处理矩阵F、中继端的预处理矩阵W和接收端的译码矩阵G的时候，本发明实施例中的确定单元61进一步包括： 

迭代模块611，用于将发送端的功率分配矩阵初始值Φ_F1和中继端的功率分配矩阵初始值Φ_W1代入以下公式 

${\mathrm{\Φ}}_G={({\mathrm{\Σ}}_1^2{\mathrm{\Σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_W^2{\mathrm{\Φ}}_F^2+{\mathrm{\σ}}_1^2{\mathrm{\Σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_W^2+{\mathrm{\σ}}_2^2)}^{-1}{\mathrm{\Σ}}_1{\mathrm{\Σ}}_2{\mathrm{\Φ}}_W{\mathrm{\Φ}}_F$

${\mathrm{\Φ}}_W={({\mathrm{\Σ}}_1^2{\mathrm{\Σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_F^2{\mathrm{\Φ}}_G^2+{\mathrm{\σ}}_1^2{\mathrm{\Σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_G^2)}^{-1}{\mathrm{\Σ}}_1{\mathrm{\Σ}}_2{\mathrm{\Φ}}_G{\mathrm{\Φ}}_F$

${\mathrm{\Φ}}_F={\left({\mathrm{\Σ}}_1^2{\mathrm{\Σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_W^2{\mathrm{\Φ}}_G^2\right)}^{-1}{\mathrm{\Σ}}_1{\mathrm{\Σ}}_2{\mathrm{\Φ}}_G{\mathrm{\Φ}}_W$

并在总功率条件的约束下进行迭代，直至mse_k与mse_k-1之间的绝对差值小于预设门限值，得到发送端的功率分配矩阵Φ_F、中继端的功率分配矩阵Φ_W及接收端的译码权重矩阵Φ_G； 

其中，mse为中继系统的均方误差，k≥2；上述预设门限值优选地设为mse_IWF/10，其中mse_IWF为中继系统采用逆灌水算法获得的最小均方误差值。 

计算模块612，用于结合所述预编码矩阵，计算出所述发送端的预处理矩阵F、中继端的预处理矩阵W和接收端的译码矩阵G。 

在利用预先设定的发送端和中继端的功率分配矩阵初始值确定发送端的预处理矩阵F、中继端的预处理矩阵W和接收端的译码矩阵G的时候，上述迭代模块611，还用于将发送端的预处理矩阵初始值F₁和中继端的预处理矩阵初始值W₁代入以下公式 

$G={(H_{2}W{H}_{1}F{F}^{*}{H}_1^{*}{W}^{*}{H}_2^{*}+{\mathrm{\σ}}_1^2{H}_{2}W{W}^{*}{H}_2^{*}+{\mathrm{\σ}}_2^{2}I)}^{-1}{F}^{*}{H}_1^{*}{W}^{*}{H}_2^{*}$

$W={\left(H_2^{*}{G}^{*}G{H}_2\right)}^{-1}{H}_2^{*}{G}^{*}{F}^{*}{H}_1^{*}{(H_{1}F{F}^{*}{H}_1^{*}+{\mathrm{\σ}}_1^{2}I)}^{-1}$

$F={\left(H_1^{*}{W}^{*}{H}_2^{*}{G}^{*}G{H}_{2}W{H}_1\right)}^{-1}{H}_1^{*}{W}^{*}{H}_2^{*}{G}^{*}$

并在总功率条件的约束下进行迭代，直至mse_k与mse_k-1之间的绝对差值小于预设门限值，得到发送端的预处理矩阵F、中继端的预处理矩阵W及接收端的译码矩阵G；其中，mse为中继系统的均方误差，k≥2；此时，上述预设门限值同样优选地设为mse_IWF/10； 

而且，在利用预先设定的发送端和中继端的功率分配矩阵初始值确定发送端的预处理矩阵F、中继端的预处理矩阵W和接收端的译码矩阵G的情况下，不再需要计算模块612。 

本发明实施例提供的中继系统的中继器，可以进行信道估计以获取信道信 息，较以往由接收端进行信道估计获取到的信道信息更准确而且实现也更方便；在中继端结合两跳链路的信道信息以及由中继端设定的预处理矩阵的功率分配矩阵初始值，并根据最小均方误差准则来确定发送端和中继端的预处理矩阵F和W以及接收端的译码矩阵G；本发明实施例提供的中继系统的中继器不仅可以实现基于发射端、中继端和接收端的系统联合优化设计从而更好地提高系统性能，而且基于最小均方误差准则的优化设计使两跳中继系统中实现中继传输时的误码率达到最小。 

实施例六： 

如图7所示，本发明实施例提供的中继系统，包括发送端71、中继端72和接收端73；其中， 

中继端72，用于在中继传输过程中，根据预先设定的所述发送端71和中继端72的功率分配矩阵初始值、或者所述发送端71和中继端72的预处理矩阵初始值，以及最小均方误差准则确定所述发送端的预处理矩阵F、中继端的预处理矩阵W和接收端的译码矩阵G，然后将所述发送端的预处理矩阵F反馈给发送端71，并将所述接收端的译码矩阵G反馈给接收端73； 

所述发送端71，用于接收所述中继端72反馈的预处理矩阵F，并利用所述预处理矩阵F对需要发送的信号进行预处理； 

所述接收端73，用于接收所述中继端72反馈的译码矩阵G，并直接利用所述译码矩阵G对接收到的信号进行译码。 

本发明实施例提供的中继系统，可以在中继端进行信道估计以获取信道信息，较以往由接收端进行信道估计获取到的信道信息更准确而且实现也更方便；在中继端结合两跳链路的信道信息以及由中继端设定的预处理矩阵的功率分配矩阵初始值，并根据最小均方误差准则来确定发送端和中继端的预处理矩阵F和W以及接收端的译码矩阵G；本发明实施例提供的中继系统不仅可以实现基于发射端、中继端和接收端的系统联合优化设计从而更好地提高系统性能，而且基于最小均方误差准则的优化设计使两跳中继系统中实现中继传输时的误码率达到最小。 

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可 以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。 

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。 

Claims (9)

1.一种实现中继传输的方法，其特征在于，包括：

在中继传输过程中，将发送端的功率分配矩阵初始值Φ_F1和中继端的功率分配矩阵初始值Φ_W1代入以下公式

${\mathrm{\Φ}}_G={({\mathrm{\Σ}}_1^2{\mathrm{\Σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_W^2{\mathrm{\Φ}}_F^2+{\mathrm{\σ}}_1^2{\mathrm{\Σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_W^2+{\mathrm{\σ}}_2^2)}^{-1}{\mathrm{\Σ}}_1{\mathrm{\Σ}}_2{\mathrm{\Φ}}_W{\mathrm{\Φ}}_F$

${\mathrm{\Φ}}_W={({\mathrm{\Σ}}_1^2{\mathrm{\Σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_F^2{\mathrm{\Φ}}_G^2+{\mathrm{\σ}}_1^2{\mathrm{\Σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_G^2)}^{-1}{\mathrm{\Σ}}_1{\mathrm{\Σ}}_2{\mathrm{\Φ}}_G{\mathrm{\Φ}}_F$

${\mathrm{\Φ}}_F={\left({\mathrm{\Σ}}_1^2{\mathrm{\Σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_W^2{\mathrm{\Φ}}_G^2\right)}^{-1}{\mathrm{\Σ}}_1{\mathrm{\Σ}}_2{\mathrm{\Φ}}_G{\mathrm{\Φ}}_W$

并在总功率条件的约束下进行迭代，直至mse_k与mse_k-1之间的绝对差值小于预设门限值，得到发送端的功率分配矩阵Φ_F、中继端的功率分配矩阵Φ_W及接收端的译码权重矩阵Φ_G，其中，

为中继端的加性噪声方差，

为接收端的加性噪声方差，mse为中继系统的均方误差，k≥2；

对发射端与中继端之间的中继链路的信道信息H₁和中继端与接收端之间的接入链路的信道信息H₂分别进行奇异值分解得：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_1=U_1{\mathrm{\Σ}}_1{V}_1^{*}\\ H_2=U_2{\mathrm{\Σ}}_2{V}_2^{*}\end{array}\right.;$

根据所述奇异值分解得到的V₁ ^*、V₂ ^*、U₁及U₂，结合发送端的功率分配矩阵Φ_F、中继端的功率分配矩阵Φ_W及接收端的译码权重矩阵Φ_G，根据下式，

$\left\{\begin{array}{c}F=V_1{\mathrm{\Φ}}_F\\ W=V_2{\mathrm{\Φ}}_W{U}_1^{*}\\ G={\mathrm{\Φ}}_G{U}_2^{*}\end{array}\right.$

计算出所述发送端的预处理矩阵F、中继端的预处理矩阵W和接收端的译码矩阵G；

将所述发送端的预处理矩阵F反馈给发送端，将所述接收端的译码矩阵G反馈给接收端。

2.根据权利要求1所述的实现中继传输的方法，其特征在于，所述预设门限值为mse_IWF/10，其中mse_IWF为中继系统采用逆灌水算法获得的最小均方误差值。

3.一种实现中继传输的方法，其特征在于，包括：

在中继传输过程中，将发送端的预处理矩阵初始值F₁和中继端的预处理矩阵初始值W₁代入以下公式

$G={(H_2{\mathrm{WH}}_{1}F{F}^{*}{H}_1^{*}{W}^{*}{H}_2^{*}+{\mathrm{\σ}}_1^2{H}_2{\mathrm{WW}}^{*}{H}_2^{*}+{\mathrm{\σ}}_2^{2}I)}^{-1}{F}^{*}{H}_1^{*}{W}^{*}{H}_2^{*}$

$W={\left(H_2^{*}{G}^{*}{\mathrm{GH}}_2\right)}^{-1}{H}_2^{*}{G}^{*}{F}^{*}{H}_1^{*}{(H_1{\mathrm{FF}}^{*}{H}_1^{*}+{\mathrm{\σ}}_1^{2}I)}^{-1}$

$F={\left(H_1^{*}{W}^{*}{H}_2^{*}{G}^{*}G{H}_{2}W{H}_1\right)}^{-1}{H}_1^{*}{W}^{*}{H}_2^{*}{G}^{*}$

并在总功率条件的约束下进行迭代，直至mse_k与mse_k-1之间的绝对差值小于预设门限值，得到发送端的预处理矩阵F、中继端的预处理矩阵W及接收端的译码矩阵G；其中，H₁为发射端与中继端之间的中继链路的信道信息，H₂为中继端与接收端之间的接入链路的信道信息，

为中继端的加性噪声方差，

为接收端的加性噪声方差，mse为中继系统的均方误差，k≥2。

4.根据权利要求3所述的实现中继传输的方法，其特征在于，所述预设门限值为mse_IWF/10，其中mse_IWF为中继系统采用逆灌水算法获得的最小均方误差值。

5.一种中继器，其特征在于，包括：确定单元和反馈单元，所述确定单元包括迭代模块、奇异值分解模块和计算模块；

所述迭代模块，用于在中继传输过程中，将发送端的功率分配矩阵初始值Φ_F1和中继端的功率分配矩阵初始值Φ_W1代入以下公式

${\mathrm{\Φ}}_G={({\mathrm{\Σ}}_1^2{\mathrm{\Σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_W^2{\mathrm{\Φ}}_F^2+{\mathrm{\σ}}_1^2{\mathrm{\Σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_W^2+{\mathrm{\σ}}_2^2)}^{-1}{\mathrm{\Σ}}_1{\mathrm{\Σ}}_2{\mathrm{\Φ}}_W{\mathrm{\Φ}}_F$

${\mathrm{\Φ}}_W={({\mathrm{\Σ}}_1^2{\mathrm{\Σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_F^2{\mathrm{\Φ}}_G^2+{\mathrm{\σ}}_1^2{\mathrm{\Σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_G^2)}^{-1}{\mathrm{\Σ}}_1{\mathrm{\Σ}}_2{\mathrm{\Φ}}_G{\mathrm{\Φ}}_F$

${\mathrm{\Φ}}_F={\left({\mathrm{\Σ}}_1^2{\mathrm{\Σ}}_2^2{\mathrm{\Φ}}_W^2{\mathrm{\Φ}}_G^2\right)}^{-1}{\mathrm{\Σ}}_1{\mathrm{\Σ}}_2{\mathrm{\Φ}}_G{\mathrm{\Φ}}_W$

并在总功率条件的约束下进行迭代，直至mse_k与mse_k-1之间的绝对差值小于预设门限值，得到发送端的功率分配矩阵Φ_F、中继端的功率分配矩阵Φ_W及接收端的译码权重矩阵Φ_G；其中，

为中继端的加性噪声方差，

为接收端的加性噪声方差，mse为中继系统的均方误差，k≥2；

所述奇异值分解模块，用于对发射端与中继端之间的中继链路的信道信息H₁和中继端与接收端之间的接入链路的信道信息H₂分别进行奇异值分解得：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_1=U_1{\mathrm{\Σ}}_1{V}_1^{*}\\ H_2=U_2{\mathrm{\Σ}}_2{V}_2^{*}\end{array}\right.;$

所述计算模块，用于根据所述奇异值分解得到的V₁ ^*、V₂ ^*、U₁及U₂，结合发送端的功率分配矩阵Φ_F、中继端的功率分配矩阵Φ_W及接收端的译码权重矩阵Φ_G，根据下式，

$\left\{\begin{array}{c}F=V_1{\mathrm{\Φ}}_F\\ W=V_2{\mathrm{\Φ}}_W{U}_1^{*}\\ G={\mathrm{\Φ}}_G{U}_2^{*}\end{array}\right.$

计算出所述发送端的预处理矩阵F、中继端的预处理矩阵W和接收端的译码矩阵G；

所述反馈单元，用于将所述发送端的预处理矩阵F反馈给发送端，并将所述接收端的译码矩阵G反馈给接收端。

6.根据权利要求5所述的中继器，其特征在于，所述预设门限值为mse_IWF/10，其中mse_IWF为中继系统采用逆灌水算法获得的最小均方误差值。

7.一种中继器，其特征在于，包括：确定单元和反馈单元，所述确定单元包括迭代模块；

所述迭代模块，用于在中继传输过程中，将发送端的预处理矩阵初始值F₁和中继端的预处理矩阵初始值W₁代入以下公式

$G={(H_2{\mathrm{WH}}_{1}F{F}^{*}{H}_1^{*}{W}^{*}{H}_2^{*}+{\mathrm{\σ}}_1^2{H}_2{\mathrm{WW}}^{*}{H}_2^{*}+{\mathrm{\σ}}_2^{2}I)}^{-1}{F}^{*}{H}_1^{*}{W}^{*}{H}_2^{*}$

$W={\left(H_2^{*}{G}^{*}{\mathrm{GH}}_2\right)}^{-1}{H}_2^{*}{G}^{*}{F}^{*}{H}_1^{*}{(H_1{\mathrm{FF}}^{*}{H}_1^{*}+{\mathrm{\σ}}_1^{2}I)}^{-1}$

$F={\left(H_1^{*}{W}^{*}{H}_2^{*}{G}^{*}G{H}_{2}W{H}_1\right)}^{-1}{H}_1^{*}{W}^{*}{H}_2^{*}{G}^{*}$

并在总功率条件的约束下进行迭代，直至mse_k与mse_k-1之间的绝对差值小于预设门限值，得到发送端的预处理矩阵F、中继端的预处理矩阵W及接收端的译码矩阵G；其中，H₁为发射端与中继端之间的中继链路的信道信息，H₂为中继端与接收端之间的接入链路的信道信息，

为中继端的加性噪声方差，为接收端的加性噪声方差，mse为中继系统的均方误差，k≥2；

所述反馈单元，用于将所述发送端的预处理矩阵F反馈给发送端，并将所述接收端的译码矩阵G反馈给接收端。

8.根据权利要求7所述的中继器，其特征在于，所述预设门限值为mse_IWF/10，其中mse_IWF为中继系统采用逆灌水算法获得的最小均方误差值。

9.一种中继系统，包括发送端、中继端和接收端，其特征在于，

所述中继端，设置有权利要求5或7所述的中继器；所述中继端通过所述中继器的反馈单元将所述发送端的预处理矩阵F反馈给发送端，并将所述接收端的译码矩阵G反馈给接收端；

所述发送端，用于接收所述中继端反馈的所述预处理矩阵F，并利用所述预处理矩阵F对需要发送的信号进行预处理；

所述接收端，用于接收所述中继端反馈的所述译码矩阵G，并直接利用所述译码矩阵G对接收到的信号进行译码。

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