CN102055510B - 上行信号加权处理方法、装置和通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种上行信号加权处理方法、装置和通信系统，方法包括：获取移动台到中继器的第一信道冲击响应和中继器到基站的第二信道冲击响应；根据第一信道冲击响应和第二信道冲击响应，确定中继权值和解调权值；向中继器和基站分别发送中继权值和所述解调权值，以供中继器根据中继权值对中继器接收到的移动台上行信号进行加权处理得到上行中继加权信号，向基站发送上行中继加权信号，以及基站根据解调权值对基站接收到的中继发射信号进行解调加权处理，得到与移动台上行信号相应的上行估计信号。本发明在中继端和基站端分别对上行信号进行优化处理，从而有利于优化网络容量并提高通信质量。

Description

上行信号加权处理方法、装置和通信系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种上行信号加权处理方法、装置和通信系统。

背景技术

下一代网络(Next Generation Network，简称NGN)对频谱有效性和功率有效性提出了更高的要求。中继式移动网络与传统蜂窝网相比，可有效改善网络覆盖质量，为在高频段实现宽带无线接入提供了一种高性价比的解决方案。

中继式移动网络可以由多个中继器组成一个虚拟阵列相互协同工作。在中继式移动网络中，移动台(Mobile Station，简称MS)可在多个中继器的协作下通过基站(Base Station，简称BS)接入无线网络。在中继式移动网络中，现有技术通常是由移动台对其上行发射向量进行优化处理，根据优化处理后的上行发射向量发送上行信号，以满足基站接收各用户信号所需的上行信噪比(Signal to Noise Ratio，简称SINR)。

发明人在实现本发明实施例过程中发现，现有技术没有对中继器的发射信号进行优化处理，以优化网络容量和保证通信质量的技术手段。

发明内容

本发明提供了一种上行信号加权处理方法、装置和通信系统，有利于提高网络容量和改善通信质量。

本发明实施例提供了一种上行信号加权处理方法，包括：

获取移动台到中继器的第一信道冲击响应和中继器到基站的第二信道冲击响应；

根据所述第一信道冲击响应和第二信道冲击响应，确定中继权值和解调权值；

向所述中继器和所述基站分别发送所述中继权值和所述解调权值，以供所述中继器根据所述中继权值对中继器接收到的移动台上行信号进行加权处理得到上行中继加权信号，向所述基站发送所述上行中继加权信号，以及所述基站根据所述解调权值对基站接收到的中继发射信号进行解调加权处理，得到与所述移动台上行信号相应的上行估计信号。

本发明实施例还提供了一种上行信号加权处理装置，包括：

获取模块，用于获取移动台到中继器的第一信道冲击响应和中继器到基站的第二信道冲击响应；

权值确定模块，用于根据所述第一信道冲击响应和第二信道冲击响应，确定中继权值和解调权值；

加权处理模块，用于向所述中继器和所述基站分别发送所述中继权值和所述解调权值，以供所述中继器根据所述中继权值对中继器接收到的移动台上行信号进行加权处理得到上行中继加权信号，向所述基站发送所述上行中继加权信号，以及以供所述基站根据所述解调权值对基站接收到的中继发射信号进行解调加权处理，得到与所述移动台上行信号相应的上行估计信号。

本发明实施例还提供了一种通信系统，包括基站、中继器和移动台，还包括：

上行信号加权处理装置，用于获取移动台到中继器的第一信道冲击响应和中继器到基站的第二信道冲击响应；根据所述第一信道冲击响应和第二信道冲击响应，确定中继权值和解调权值；向所述中继器和所述基站分别发送所述中继权值和所述解调权值；

所述中继器用于根据所述中继权值对中继器接收到的移动台上行信号进行加权处理得到上行中继加权信号，向所述基站发送所述上行中继加权信号；

所述基站用于根据所述解调权值对基站接收到的中继发射信号进行解调加权处理，得到与所述移动台上行信号相应的上行估计信号。

本发明实施例为中继器确定用于对中继器接收的移动台上行信号进行加权处理的中继权值，为基站确定用于对基站接收到的中继发射信号进行解调加权处理的解调权值，即在中继端和基站端分别对上行信号进行优化处理，从而有利于优化网络容量并提高通信质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的上行信号加权处理方法实施例流程图；

图2为本发明提供的中继权值和解调权值确定方法实施例流程图；

图3为本发明实施例应用场景中继式通信系统结构示意图；

图4为本发明一种信噪比与中继器最小发射总功率关系实施例示意图；

图5为本发明另一种信噪比与中继器最小发射总功率关系实施例示意图；

图6为本发明提供的上行信号加权处理装置实施例的结构示意图；

图7为本发明提供的通信系统实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明提供的上行信号加权处理方法实施例流程图。如图1所示，本实施例上行信号加权处理方法包括：

步骤11、获取移动台到中继器的第一信道冲击响应和中继器到基站的第二信道冲击响应。

第一信道冲击响应可由中继器检测获取。中继器到基站的第二信道冲击响应以及基站接收到的中继发射信号均可由基站检测获取，并将获取的第二信道冲击响应和基站接收到的中继发射信号发送给中继器。

步骤12、根据上述第一信道冲击响应和第二信道冲击响应，确定中继权值和解调权值。

中继权值用于中继器对接收到的移动台上行信号进行加权处理，解调权值用于基站对接收到的中继器上行信号进行解调加权处理。中继权值和解调权值可根据实际需要设置更新周期，以更新周期为时间间隔进行动态更新。

步骤13、向中继器和基站分别发送上述中继权值和解调权值，以供中继器根据中继权值对中继器接收到的移动台上行信号进行加权处理得到上行中继加权信号，向基站发送上行中继加权信号，以及以供基站根据解调权值对基站接收到的中继接收信号进行解调加权处理，得到与移动台上行信号相应的上行估计信号。

本实施例上行加权处理方法通过为中继器确定用于对中继器接收的移动台上行信号进行加权处理的中继权值，为基站确定用于对基站接收到的中继发射信号进行解调加权处理的解调权值，即在中继端和基站端对上行信号进行优化处理，从而有利于优化网络容量并提高通信质量。

图2为本发明提供的中继权值和解调权值确定方法实施例流程图。如图2所示，本实施例中继权值和解调权值确定方法包括：

步骤21、确定中继权值迭代初始值以及上行信噪比阈值。

步骤22、根据中继权值迭代初始值、上行信噪比阈值、第一信道冲击响应和第二信道冲击响应，确定解调权值迭代初始值。

步骤23、根据解调权值迭代初始值，确定达到上行信噪比阈值且中继器的发射总功率为最小值时对应的中继权值迭代值。

可选的，本步骤还可根据解调权值迭代初始值，确定达到上行信噪比阈值、中继器的发射总功率为最小值且任一中继器的发射功率小于或等于预设门限值时对应的中继权值迭代值。

步骤24、根据中继权值迭代值、上行信噪比阈值和第二信道冲击响应，确定解调权值迭代值。

步骤25、根据解调权值迭代值，重新确定达到上行信噪比阈值且中继器的发射总功率为最小值时对应的中继权值迭代值；并根据重新确定的中继权值迭代值、上行信噪比阈值和第二信道冲击响应，重新确定解调权值迭代值；重复迭代直至中继器的发射总功率的最小值收敛为某一固定值。

可选的，本步骤还可重新确定的解调权值迭代值，重新确定达到上行信噪比阈值、中继器的发射总功率为最小值且任一所述中继器的发射功率小于或等于预设门限值时对应的中继权值迭代值。由于每个中继器发射功率不可能无限制的增大，受到其物理条件的限制。该方案综合考虑了各中继器发射的总功率和单个中继器发射送的功率，在达到上行信噪比阈值的同时使得各中继器发射总功率最小、且单个中继器发射的功率不超过某个门限值，因此提高了方案的可行性。

步骤26、确定中继器的发射总功率的最小值收敛为某一固定值时对应的中继权值迭代值和解调权值迭代值，分别为中继权值和解调权值。

中继器根据中继权值对其接收到的移动台上行信号进行加权处理得到上行中继加权信号，向基站发送上行中继加权信号和解调权值。基站根据解调权值对上行中继加权信号进行解调加权处理，得到与移动台上行信号相应的上行估计信号。

本实施例通过迭代方法联合确定中继权值和解调权值，根据确定的中继权值和解调权值分别对上行信号进行加权处理，使得基站在移动台发送的上行信号达到预设信噪比阈值时，各中继器发射总功率最小，从而有利于优化网络容量并提高通信质量。如果结合考虑单个中继器发射功率的上界联合确定中继权值和解调权值，还有利于进一步提高方案实现的可靠性。

下面结合具体应用场景，对本发明实施例确定中继权值和解调权值确定方法的理论基础进行说明。

图3为本发明实施例应用场景中继式通信系统结构示意图。如图3所示的中继式通信系统包括：M个单天线的移动台、R个单天线的中继器和N个天线的基站。M个单天线的移动台通过R个单天线的中继器，将信号发送给N个天线的基站，移动台向基站方向发送的信号即为上行信号。

如图3所示的应用场景中，任一中继器接收到的各移动台的上行信号可表示如下：

$x_r=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{r,i}{s}_i+v_r---\left(1\right)$

上述(1)式中，x_r表示第r个中继器接收到的各移动台的上行信号；s_i表示第i(i＝0..M-1)个移动台发给基站的上行信号；f_r，i表示第i个移动台和第r个中继器之间的上行信道冲击响应(即本发明实施例所述的第一信道冲击响应)；v_r是第r个中继器引入的噪声。

则各中继器接收到的各移动台发射的上行信号的矢量可表示如下：

$x=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i{s}_i+v---\left(2\right)$

其中：

x＝[x₁x₂...x_R]^T

v＝[v₁v₂...v_R]

f_i＝[f_1，if_2，i...f_R，i]

各中继器接收到移动台发射的上行信号之后，对接收的上行信号进行加权处理，并向基站发生加权处理后的上行信号。本发明实施例将中继器加权处理后的上行信号称为上行中继加权信号。中继器的上行中继加权信号可表示如下：

t＝W^Hx    (3)

其中：

W＝diag(w₁，w₂，...，w_R)

上述(3)式中，t为各中继器的上行中继加权信号的矢量表达，w_r表示第r个中继器对接收的上行信号进行加权处理的中继权值，W为中继权值的矢量表示。

基站接收到的上行中继加权信号的矢量可表示如下：

y＝Ht+n    (4)

上述(4)式中，y表示基站接收到的中继器发射的上行中继加权信号，t表示各中继器的上行中继加权信号，H表示从中继器到基站的上行信道冲击响应(即本发明实施例所述的第二信道冲击响应)，n表示基站接收上行中继加权信号的天线引入的噪声。

基站解调接收到的上行中继加权信号，解调后得到上行估计信号，该上行估计信号即可认为是移动台的发射信号，具体可表示如下：

$\hat{s}=\mathrm{Gy}=G(H{w}^H(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i{s}_i+v)+n)---\left(5\right)$

上述(5)式中，

表示基站解调后的上行估计信号，G表示线性解调矩阵，y表示基站接收到的中继器发射的上行中继加权信号，H表示从中继器到基站的上行信道冲击响应，n表示基站接收上行中继加权信号时引入的噪声，v表示中继器在发射上行中继加权信号时引入的噪声。

通过对(5)式进行分解可得：

上述(6)式中g_K ^T表示线性调解矩阵G的第k行。通过(6)式分析可知，基站解调后的上行估计信号主要包括三个部分：所需的信号(Desired Signal)、干扰信号(Interference)和有色噪声(Colored noise)。则基站接收到的第k个移动台发射的上行信号的信噪比为：

${\mathrm{SINR}}_k=\frac{P_s^k}{P_i^k+P_n^k}---\left(7\right)$

上述(7)式中，P_s ^k为基站接收到的第k个移动台的信号功率，且P_s ^k可通过下式确定：

$P_s^k=g_k^{T}H{w}^{H}E\left\{f_k{f}_k^H\right\}w{H}^H{g}_k^{*}E\left\{{\left|s_k\right|}^2\right\}$ (8)

$=P_k{g}_k^{T}H{w}^H{R}_f^{k}w{H}^H{g}_k^{*}$

其中，R_f ^k表示第k个移动台到第f个中继器的第一信道冲击响应的自相关矩阵。

P_i ^k为基站接收到的第k个移动台的干扰功率，且P_i ^k可通过下式确定：

$P_i^k=E\left\{\left(g_k^{T}H{w}^H\underset{j=1,j\≠k}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{f}_j{s}_j\right){\left(g_k^{T}H{w}^H\underset{j=1,j\≠k}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{f}_j{s}_j\right)}^H\right\}$ (9)

$=g_k^{T}H{w}^H\left(\underset{j=1,j\≠k}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j{R}_f^j\right)w{H}^H{g}_k^{*}$

P_n ^k为基站接收到的第k个移动台的有色噪声功率，且P_n ^k可通过下式确定：

$P_n^k={\mathrm{\σ}}_v^2{g}_k^{T}H{w}^{H}w{H}^H{g}_k^{*}+{\mathrm{\σ}}_n^2{g}_k^T{g}_k^{*}---\left(10\right)$

如果中继器对接收的上行信号进行加权处理的中继权值w^*是某一固定值，基站接收到的每个移动台发射的上行信号的信噪比可为：

${\mathrm{SINR}}_k=\frac{g_k^{T}A{g}_k^{*}}{g_k^{T}B{g}_k^{*}}---\left(11\right)$

$A=P_{k}H{w}^H{R}_f^{k}w{H}^H$

$B=H{w}^H\left(\underset{j=1,j\≠k}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j{R}_f^j\right)w{H}^H+{\mathrm{\σ}}_v^{2}H{w}^{H}w{H}^H+{\mathrm{\σ}}_n^{2}I$

上述(11)式中，最大的SINR_k等于解调矩阵G的最大特征值，g_k ^*是最大特征值对应的主特征向量，且g_k ^*可由下式确定：

上述(12)式中表示求主特征向量；

w表示中继权值初始值或中继权值迭代值；

Tr(ZD)表示中继器的发射总功率；

R_f ^k表示第k个移动台到第f个中继器的第一信道冲击响应的自相关矩阵，R_f ^j表示第j个移动台到第f个中继器的第一信道冲击响应的自相关矩阵，其中，上角标k或者j表示移动台的序号，1≤k≤M，1≤j≤M，M表示移动台的总数量；下角标f表示中继器的序号，1≤f≤R，R表示中继器的总数量；

P表示移动台的发射功率，下角标k或者j表示移动台的序号；

H表示从中继器到基站的第二信道冲击响应；

σ_v ²表示上行干扰信号功率；

σ_n ²表示上行噪声功率。

对(6)式进行变形，可得：

(一)确定优化条件

本发明实施例中继器对接收的上行信号进行加权处理的中继权值w^*不是固定值，而是需要优化的对象。为了增加网络容量，可在基站接收到任一移动台的上行信号的信噪比满足预设要求时，尽可能降低各中继器的发射总功率，即考虑最小化中继器的总发射功率来求取中继权值w^*，具体的，可满足如下条件：

min_w P_R    (14)

s.t.SINR_k≥γ_k，for k＝1，2，...，M

上述(14)式表示的优化条件一为：使基站接收到任一移动台的上行信号达到信噪比预设值，且使各中继器发射总功率最小化。其中，γ_k表示基站接收到任一移动台的上行信号时的信噪比预设值，下角标k表示移动台的序号且1≤k≤M。P_R表示各中继器的发射总功率，可采用下式确定：

P_R＝E{t^Ht}＝Tr{w^HE(xx^H)w}＝w^HDw    (15)

上述(15)式中，D为自定义对角矩阵，满足下式：

$D\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\mathrm{diag}({\left[R_x\right]}_{\mathrm{1,1}},{\left[R_x\right]}_{\mathrm{2,2}},...,{\left[R_x\right]}_{R,R})$

其中，R_x表示所有移动台到中继器的上行信道冲击响应的自相关矩阵和干扰的能量和，[R_x]_1，1表示R_x的第1行第1列，[R_x]_R，R表示R_x的第R行第R列。具体的，R_x满足下式：

$R_x=\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j{R}_f^j+{\mathrm{\σ}}_v^{2}I---\left(16\right)$

其中R_f ^j表示第j个移动台到第f个中继器之间上行信道响应的自相关矩阵，则SINR_K≥γ_k可表示如下：

$\frac{w^H\mathrm{diag}\left(g_k^{T}H\right)\left(P_j{R}_f^j\right)\mathrm{diag}{\left(g_k^{T}H\right)}^{H}w}{w^H\mathrm{Ew}+{\mathrm{\σ}}_n^2{g}_k^T{g}_k^{*}}\≥{\mathrm{\γ}}_k---\left(17\right)$

其中E满足下式：

$E=\mathrm{diag}\left(g_k^{T}H\right)(\underset{j=1,j\≠k}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j{R}_f^j+{\mathrm{\σ}}_v^{2}I)\mathrm{diag}{\left(g_k^{T}H\right)}^H---\left(18\right)$

根据(15-18)式对(14)式表示的优化条件一进行改写，则可得：

$s.t.w^H{U}_{k}w\≥{\mathrm{\γ}}_k{\mathrm{\σ}}_n^2{g}_k^T{g}_k^{*}$ for k＝1，2，...，M    (19)

(19)式是非凸优化问题，其中U_k满足下式：

$U_k=\mathrm{diag}\left(g_k^{T}H\right)(P_k{R}_f^k-{\mathrm{\γ}}_k\underset{j=1,j\≠k}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j{R}_f^j-{\mathrm{\γ}}_k{\mathrm{\σ}}_v^{2}I)\mathrm{diag}{\left(g_k^{T}H\right)}^H---\left(20\right)$

(二)采用半正定松弛算法求解Z的秩为1时非凸优化问题的全局最优值

本发明实施例可采用半正定松弛(Semidefinite Programming，简称SDP)算法求解非凸优化问题的全局最优值，得到下式：

Z＝ww^H

min_Z Tr(ZD)       (21)

$s.t.\mathrm{Tr}\left(Z{U}_k\right)\≥{\mathrm{\γ}}_k{\mathrm{\σ}}_n^2{g}_k^T{g}_k^{*}$ for k＝1，2，...，M

Z≥0，and rank(Z)＝1

求解(21)式中Z，求解得到的Z对应的w即为所需的中继权值。

在(21)式的基础上进一步放松非凸限制，即去掉Rank(Z)＝1的限制，可得到(22)式：

min_Z Tr(ZD)

$s.t.\mathrm{Tr}\left(Z{U}_k\right)\≥{\mathrm{\γ}}_k{\mathrm{\σ}}_n^2{g}_k^T{g}_k^{*}$ for k＝1，2，...，M    (22)

Z≥0

引入松弛变量β_k量，即可将(22)式表示为标准SDP形式，可得到(23)式：

${\min }_{Z\∈C^{R\×R}}\mathrm{vec}{\left(D\right)}^T\mathrm{vec}\left(z\right)$

$s.t.\mathrm{vec}\left(U_k\right)\mathrm{vec}\left(Z\right)-{\mathrm{\β}}_k={\mathrm{\γ}}_k{\mathrm{\σ}}_n^2{g}_k^T{g}_k^{*}---\left(23\right)$

β_k≥0 for k＝1，2，...，M

Z≥0

采用SDP算法求解Rank(Z)＝1时非凸优化问题的全局最优值。通常情况下(22)式存在Rank(Z)＝1的解，该解对应的w即为所需的中继权值。中继器可根据中继权值对上行接收信号进行加权处理后向基站发送。

如果(23)式不存在Rank(Z)＝1的解，则可采用以下随机化算法确定非凸优化问题的全局次优值。

(三)采用随机化算法求解Z的秩不为1时非凸优化问题的次优值

随机化算法用于在中继器发射功率最小时求取对应的中继权值，其原理是通过单位矢量随机初始化选择的方法进行计算，具体如下：

1、根据(22)式和SDP算法求解Z矩阵Z_opt，将Z_opt进行特征值分解可得：Z_opt＝U∑U^H，确定随机变量w_l＝D^-1/2U∑^-1/2e_l，其中U为Z矩阵的特征向量，∑为Z矩阵的特征值矩阵，w_l是独立随机变量，均匀分布在复平面的单位圆上， ${\left[e_1\right]}_i=e^{j{\mathrm{\θ}}_{1,i}},$ 其中θ_1，i是[0，2π)之间的均匀分布的随机变量。

可以证明 $w_l^{H}D{w}_l=\mathrm{trace}\left(Z_{\mathrm{opt}}\right),$ 即单个中继器的功率以及各中继器的功率之和是固定的，因此e₁的选取对单个中继器的功率以及各中继器的功率不会产生影响。在实际应用过程中，可随机选取某一e₁的值并与该e₁对应的w_l作为独立随机变量的初始值。

2、改变θ_1，i取值，得到w_l集合，判断w_l集合中的每个独立随机变量对应的Z是否满足(22)式，如果不满足，则对不满足(22)式的独立随机变量进行缩放处理(例如：以某一常数相乘等)，如果缩放后的独立随机变量满足(22)式。则将满足限制条件的w_l作为下一随机迭代的候选值。

3、如果w_l集合中存在多个满足限制条件的w_l，则确定满足限制条件的w_l中w_l ^HDw_l取值为最小值的w_l候选值对应的Z作为次优解，该次优解对应的w即为所需的中继权值。

上述优化条件一是以各中继器尽量小的发射总功率，达到尽量大的上行信噪比，即是将各中继器作为一个整体进行考虑。如果在上述优化条件一的基础上，进一步考虑单个中继器的发射功率，具体的，可满足如下条件：

min_w w^H Dw

$s.t.w^H\mathrm{diag}\left(g_k^{T}H\right)(P_k{R}_f^k-{\mathrm{\γ}}_k\underset{j=1,j\≠k}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j{R}_f^j-{\mathrm{\γ}}_k{\mathrm{\σ}}_v^{2}I)\mathrm{diag}{\left(g_k^{T}H\right)}^{H}w\≥{\mathrm{\γ}}_k{\mathrm{\σ}}_n^2{g}_k^T{g}_k^{*}---\left(24\right)$

for k＝1，2，...，M

D_i，i|w_i|²≤P_Ri for i＝1，2，...，R

上述(24)式表示优化条件二：使基站接收到任一移动台的上行信号达到信噪比预设值，且使各中继器发射总功率最小化的同时，任一中继器的发射功率均小于某一预设功率门限值。其中，P_Ri表示单个中继器发射功率的预设门限值，w^HDw表示各中继器的发射总功率。对(24)表示的优化条件二进行改写，则可得：

min_Z Tr(ZD)

$s.t.\mathrm{Tr}\left(Z{U}_k\right)\≥{\mathrm{\γ}}_k{\mathrm{\σ}}_n^2{g}_k^T{g}_k^{*}$ (25)

Z_i，i≤P_Ri/[D]_i，i for i＝1，2，...，R

and Z≥0

上述(25)式是非凸优化问题，采用SDP算法求解非凸优化问题的全局最优值。如果上述(25)式存在Rank(Z)＝1的解，该解相当于中继权值。如果上述(25)式不存在Rank(Z)＝1的解，则采用上述随机算法求取非凸优化问题的全局最优值，该最优解作为中继权值。中继器可根据中继权值对上行接收信号进行加权处理后向基站发送。

基于上述理论基础，下面结合图3所示的应用场景，说明本发明实施例联合确定解调矩阵G和中继权值w方法、以及根据中继器根据中继权值w进行加权发射、基站根据调解矩阵G进行加权解调的实现技术方案。具体的，可包括如下步骤：

步骤41、确定中继权值迭代初始值。

初始化中继器接收到的上行信号波束矢量w＝c×vec(v)，其中， $v_i=e^{j{\mathrm{\θ}}_i},$ θ_i是[0，2π)之间的均匀分布的随机变量，c为常数，其取值等于或稍大于基站接收上行中继信号的天线引入的噪声功率σ_n ²。

步骤42、根据实际网络环境确定上行信号的信噪比阈值SINR_k。

在具体实现过程中，不同移动台的上行信噪比阈值可以相同或不同。下面仅以根据实际网络环境为某个或某些移动台确定相同信噪比阈值SINR_k为例进行说明。

如果基站的接收天线个数N大于中继器的个数R，上行信号的信噪比阈值SINR_k为λ_max，λ_max可采用以下引理确定。

引理：如果在目的端的接收天线个数大于或等于中继器的个数，则在第k个中继器可达到的信噪比的渐进上界为其最大一般化特征值：

${\mathrm{\λ}}_{\max }(P_k{R}_f^k,\underset{j=1,j\≠k}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j{R}_f^j+{\mathrm{\σ}}_v^{2}I)$

其中，R_f ^j表示第j个移动台到第f个中继器之间上行信道的自相关矩阵，P_j表示各中继器接收到第j个移动台发送的上行信号的总功率，σ_v ²表示

可根据实际业务或管理策略等需求，预先为不同移动台设置要求达到的上行信噪比要求值γ_k。在采样上述方法确定实际网络环境中的上行信号的信噪比阈值SINR_k之后，需要根据网络环境中实际可达到的上行信号的信噪比阈值SINR_k验证上行信噪比要求值γ_k是否可行，如果SINR_K≥γ_k上说明设置的上行信噪比要求值γ_k可以达到；否则，说明设置的上行信噪比要求值γ_k在实际网络环境中无法达到，需要减小上行信噪比要求值γ_k，使得减小后的上行信噪比要求值γ_k满足SINR_K≥γ_k。

步骤43、确定解调权值迭代初始值：根据中继权值迭代值以及信噪比阈值SINR_k，因此可根据(12)式计算最大特征值对应的主特征向量g_k ^*，根据g_k ^*即可得到解调矩阵G。

如果是首次执行步骤43，则中继权值的迭代值w即为步骤41确定的中继权值迭代初始值；否则，则本步骤中的中继权值迭代值即为步骤44计算得出中继权值。

步骤44、根据计算得到的解调矩阵G以及(22)式计算各中继器的发射总功率为最小值时对应的中继权值w，或者，根据计算得到的解调矩阵G以及(25)式计算各中继器的发射总功率为最小值且每个中继器的发射功率都小于或等于预设功率门限值时对应的中继权值w。

中继权值w的确定为非凸优化问题，可采用上述SDP算法求解非凸优化问题的全局最优值。求解上述(22)式或(25)式在Rank(Z)＝1时的全局最优值Z值，该全局最优值Z对应的w即为所需的中继权值。如果上述(22)式或(25)式不存在Rank(Z)＝1时的全局最优值，则采用上述随机算法求取非凸优化问题的次优值，该次优解对应的w即为所需的中继权值。

步骤45、交替执行步骤43和步骤44，直至迭代过程中中继器的发射总功率的最小值趋于某一固定值，确定该固定值对应的中继权值w和解调矩阵G，为所需的中继权值和解调矩阵。

如果中继器的发射总功率存在某一下界(即中继器的发射总功率存在最小值)，则每次交替进行步骤43和步骤44迭代之后，中继器的发射总功率就会下降，通过上述算法可确定多次迭代之后中继器的发射总功率收敛为某一固定值，该固定值该固定值对应的中继权值w和解调矩阵G，为所需的中继权值和解调矩阵。

步骤46、中继器根据步骤45中确定的中继权值w对接收的移动台发给基站的上行信号x进行加权处理后得到上行中继加权信号t并向基站发送上行中继加权信号t。本步骤中t与w之间的对应关系满足(3)式。

步骤47、基站接收到的上行中继加权信号为y(t与y之间的关系满足(4)式)，并根据步骤45中确定的解调向量G对基站接收到的上行中继加权信号y进行加权解调，得到上行估计信号

本步骤中t与y之间的关系满足(4)式，G和y之间的关系满足(5)式。

发明人在实现本发明实施例过程中采用模拟仿真的技术手段，对本发明实施例信号的发送和接收方法的实验数据进行仿真分析。图4为本发明一种信噪比与中继器最小发射总功率关系实施例示意图；图5为本发明另一种信噪比与中继器最小发射总功率关系实施例示意图。图4和图5的横坐标表示上行信号的信噪比，纵坐标表示中继器的最小发射总功率，“s2r6n6”表示系统中部署有2个移动台(s)，6个中继器(r)以及具有6个天线(n)的基站，其他数字的表达类似，不再赘述。图4和图5示意出了当系统中部署相同数量的中继器以及具有相同天线数量的基站时，如果要达到相同信噪比，中继器发射上行信号所需的中继器最小发射总功率，随着移动台数量的增加而增加，并且中继器发射上行信号所需的中继器最小发射总功率是收敛的，可见，采用本发明实施例上行信号加权处理方法对上行信号进行加权处理，可有效达到预设上行信噪比要求且使中继器的发射功率最小化，从而有利于优化网络容量并提高通信质量。

图6为本发明提供的上行信号加权处理装置实施例的结构示意图。如图6所示，本实施例上行信号加权处理装置包括：获取模块61、权值确定模块62和加权处理模块63。

获取模块61用于获取移动台到中继器的第一信道冲击响应和中继器到基站的第二信道冲击响应。

权值确定模块62用于根据上述第一信道冲击响应和第二信道冲击响应，确定中继权值和解调权值。

加权处理模块63用于向中继器和基站分别发送上述中继权值和解调权值，以供中继器根据中继权值对中继器接收到的移动台上行信号进行加权处理得到上行中继加权信号，向基站发送上行中继加权信号，以及以供基站根据解调权值对基站接收到的中继发射信号进行解调加权处理，得到与移动台上行信号相应的上行估计信号。

在上述技术方案的基础上，可选的，权值确定模块62可包括：中继权值及信噪比初始化单元621、解调权值初始值确定单元622、迭代单元623和权值确定单元624。

中继权值及信噪比初始化单元621用于确定中继权值迭代初始值以及上行信噪比阈值。

解调权值初始值确定单元622用于根据中继权值迭代初始值、上行信噪比阈值、第一信道冲击响应和第二信道冲击响应，确定解调权值迭代初始值。

迭代单元623用于根据解调权值迭代初始值，确定达到上行信噪比阈值且中继器的发射总功率为最小值时对应的中继权值迭代值；根据中继权值迭代值、上行信噪比阈值和第二信道冲击响应，确定解调权值迭代值；根据解调权值迭代值，重新确定达到上行信噪比阈值且中继器的发射总功率为最小值时对应的中继权值迭代值；并根据重新确定的中继权值迭代值、上行信噪比阈值和第二信道冲击响应，重新确定解调权值迭代值；重复迭代直至中继器的发射总功率的最小值收敛为某一固定值。

权值确定单元624用于确定中继器的发射总功率的最小值收敛为某一固定值时对应的中继权值迭代值和解调权值迭代值，分别为上述中继权值和所述解调权值。

在上述技术方案的基础上，如果在确定中继权值的过程中，也考虑单个中继器发射送的功率的上限以提高方案的可行性，该情形下，可选的，迭代单元623还可用于根据解调权值迭代初始值，确定达到上行信噪比阈值、中继器的发射总功率为最小值且任一所述中继器的发射功率小于或等于预设门限值时对应的中继权值迭代值时对应的中继权值迭代值；根据中继权值迭代值、上行信噪比阈值和第二信道冲击响应，确定解调权值迭代值；根据解调权值迭代值，重新确定达到上行信噪比阈值、中继器的发射总功率为最小值且任一中继器的发射功率小于或等于预设门限值时对应的中继权值迭代值时对应的中继权值迭代值；并根据重新确定的中继权值迭代值、上行信噪比阈值和第二信道冲击响应，重新确定解调权值迭代值；重复迭代直至中继器的发射总功率的最小值收敛为某一固定值。

本实施例上行信号加权处理装置通过为中继器确定用于对中继器接收的移动台上行信号进行加权处理的中继权值，为基站确定用于对基站接收到的中继发射信号进行解调加权处理的解调权值，即在中继端和基站端对上行信号进行优化处理，从而有利于优化网络容量并提高通信质量。本实施例上行信号加权处理装置的表现实体不受限制，例如该上行信号加权处理装置可独立设置，或者，该上行信号加权处理装置还可与中继器或者与基站一体设置，其具体实现上行信号加权处理的机理可参见图1-图5以及本发明上行信号加权处理方法实施例的文字记载，在此不再赘述。

图7为本发明提供的通信系统实施例的结构示意图。如图7所示，本实施例通信系统包括：移动台71、上行信号加权处理装置72、中继器73和基站74。

移动台71用于发送上行信号。

上行信号加权处理装置72用于获取移动台到中继器的第一信道冲击响应和中继器到基站的第二信道冲击响应；根据第一信道冲击响应和第二信道冲击响应，确定中继权值和解调权值；向中继器73和基站74分别发送中继权值和所述解调权值。

中继器73用于根据中继权值对中继器73接收到的移动台上行信号进行加权处理得到上行中继加权信号，向基站74发送上行中继加权信号。

基站74用于根据解调权值对基站接收到的中继发射信号进行解调加权处理，得到与移动台上行信号相应的上行估计信号。

上述技术方案中，上行信号加权处理装置72的表现实体不受限制，可选的，上行信号加权处理装置72可独立设置，或者上行信号加权处理装置72可作为中继器73的一个功能模块，与中继器73一体设置，或者，上行信号加权处理装置72可作为基站74的一个功能模块，与基站74一体设置。有关上行信号加权处理装置72的细化功能结构可参见图6对应实施例的记载，在此不再赘述。

上述技术方案中，通信系统中移动台、中继器和基站的数量根据实际需要部署，可选的，移动台可为单天线移动台，中继器为单天线中继器，基站为多天线基站。通信系统中各节点交互实现上行信号加权处理的机理可参见图1-图3以及本发明上行信号加权处理方法实施例的文字记载，在此不再赘述。

本实施例通信系统中为中继器确定用于对中继器接收的移动台上行信号进行加权处理的中继权值，为基站确定用于对基站接收到的中继发射信号进行解调加权处理的解调权值，在中继端和基站端对上行信号进行优化处理，从而有利于优化网络容量并提高通信质量。本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

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。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种上行信号加权处理方法，其特征在于，包括： 

获取移动台到中继器的第一信道冲击响应和中继器到基站的第二信道冲击响应； 

根据所述第一信道冲击响应和第二信道冲击响应，确定中继权值和解调权值； 

向所述中继器和所述基站分别发送所述中继权值和所述解调权值，以供所述中继器根据所述中继权值对中继器接收到的移动台上行信号进行加权处理得到上行中继加权信号，向所述基站发送所述上行中继加权信号，以及以供所述基站根据所述解调权值对基站接收到的中继加权信号进行解调加权处理，得到与所述移动台上行信号相应的上行估计信号； 

其中，根据所述第一信道冲击响应和第二信道冲击响应，确定中继权值和解调权值，包括： 

确定中继权值迭代初始值以及上行信噪比阈值； 

根据所述中继权值迭代初始值、所述上行信噪比阈值、所述第一信道冲击响应、所述第二信道冲击响应和所述基站接收到的中继发射信号，确定解调权值迭代初始值； 

根据所述解调权值迭代初始值，确定达到所述上行信噪比阈值且所述中继器的发射总功率为最小值时对应的中继权值迭代值； 

根据所述中继权值迭代值、所述上行信噪比阈值和所述第二信道冲击响应，确定解调权值迭代值； 

根据所述解调权值迭代值，重新确定达到所述上行信噪比阈值且所述中继器的发射总功率为最小值时对应的中继权值迭代值；并根据重新确定的所述中继权值迭代值、所述上行信噪比阈值和所述第二信道冲击响应，重新确定所述解调权值迭代值；重复迭代直至所述中继器的发射总功率的最小值收敛为某一固定值； 

确定所述中继器的发射总功率的最小值收敛为某一固定值时对应的中继权值迭代值和解调权值迭代值，分别为所述中继权值和所述解调权值。 

2.根据权利要求1所述的上行信号加权处理方法，其特征在于， 

所述解调权值迭代初始值或者所述解调权值迭代值为：采用以下公式确定的解调权值矩阵最大特征值对应的主特征向量： 

其中， 

所述中继权值迭代值为以下公式中当Rank(Z)=1时的全局最优解： 

min_ZTr(ZD) 

Z≥0 

其中， 

Z=ww^H

D

diag([R_x]_1，1，[R_x]_2，2，...，[R_x]_R，R) 

表示解调权值的矩阵最大特征值对应的主特征向量； 

w表示中继权值初始值或中继权值迭代值； 

Tr(ZD)表示中继器的发射总功率； 

表示第k个移动台到第f个中继器的第一信道冲击响应的自相关矩阵， 

表示第j个移动台到第f个中继器的第一信道冲击响应的自相关矩阵，上角标k或者j表示移动台的序号，1≤k≤M，1≤j≤M且j≠k，M表示移动台的 总数量；下角标f表示中继器的序号，1≤f≤R，R表示中继器的总数量； 

P表示移动台的发射功率，下角标k或者j表示移动台的序号； 

H表示从中继器到基站的第二信道冲击响应； 

R_x表示所有移动台到中继器的第一信道冲击响应的自相关矩阵和干扰的能量和，[R_x]_1,1表示R_x的第1行第1列，[R_x]_R,R表示R_x的第R行第R列； 

表示上行干扰信号功率； 

表示上行噪声功率； 

I是单位阵； 

表示求主特征向量； 

γ_k表示基站接收到任一移动台的上行信号时的信噪比预设值； 

表示线性调解矩阵G的第k行； 

D为自定义对角矩阵。 

3.根据权利要求1所述的上行信号加权处理方法，其特征在于，根据所述解调权值迭代初始值或重新确定的所述解调权值迭代值，确定或重新确定达到所述上行信噪比阈值且所述中继器的发射总功率为最小值时对应的中继权值迭代值，包括： 

根据所述解调权值迭代初始值或重新确定的所述解调权值迭代值，确定或重新确定达到所述上行信噪比阈值、所述中继器的发射总功率为最小值且任一所述中继器的发射功率小于或等于预设门限值时对应的中继权值迭代值。 

4.根据权利要求3所述的上行信号加权处理方法，其特征在于， 

所述解调权值迭代初始值或者所述解调权值迭代值为：采用以下公式确定的解调权值矩阵最大特征值对应的主特征向量： 

其中， 

所述中继权值迭代值为以下公式中当Rank(Z)=1时的全局最优解： 

min_ZTr(ZD) 

Z_i,i≤P_Ri/[D]_i,i i=1,2,...,R且Z≥0 

其中， 

I是单位阵； 

表示求主特征向量； 

γ_k表示基站接收到任一移动台的上行信号时的信噪比预设值； 

表示线性调解矩阵G的第k行； 

D为自定义对角矩阵； 

Z_i,i和[D]_i,i分别表示矩阵Z和D的第i行第i列对应的元素； 

Z=ww^H

D diag([R_x]_1，1，[R_x]_2，2，...，[R_x]_R，R) 

表示解调权值的矩阵最大特征值对应的主特征向量； 

w表示中继权值初始值或中继权值迭代值； 

Tr(ZD)表示中继器的发射总功率； 

表示第k个移动台到第f个中继器的第一信道冲击响应的自相关矩阵，

表示第j个移动台到第f个中继器的第一信道冲击响应的自相关矩阵，上角标k表示移动台的序号，1≤k≤M，1≤j≤M，M表示移动台的总数量；下角标f表示中继器的序号，1≤f≤R，R表示中继器的总数量； 

P表示移动台的发射功率，下角标k或者j表示移动台的序号； 

H表示从中继器到基站的第二信道冲击响应； 

R_x表示所有移动台到中继器的第一信道冲击响应的自相关矩阵和干扰的能量和，[R_x]_1,1表示R_x的第1行第1列，[R_x]_R,R表示R_x的第R行第R列； 

表示上行干扰信号功率； 

表示上行噪声功率； 

P_Ri表示单个中继器发射功率的预设门限值。 

5.一种上行信号加权处理装置，其特征在于，包括： 

获取模块，用于获取移动台到中继器的第一信道冲击响应、中继器到基站的第二信道冲击响应、以及基站接收到的中继发射信号； 

权值确定模块，用于根据所述第一信道冲击响应、第二信道冲击响应和基站接收到的中继发射信号，确定中继权值和解调权值； 

加权处理模块，用于向所述中继器和所述基站分别发送所述中继权值和所述解调权值，以供所述中继器根据所述中继权值对中继器接收到的移动台上行信号进行加权处理得到上行中继加权信号，向所述基站发送所述上行中继加权信号，以及以供所述基站根据所述解调权值对所述上行中继加权信号进行解调加权处理，得到与所述移动台上行信号相应的上行估计信号； 

其中，所述加权处理模块包括： 

中继权值及信噪比初始化单元，用于确定中继权值迭代初始值以及上行信噪比阈值； 

解调权值初始值确定单元，用于根据所述中继权值迭代初始值、所述上行信噪比阈值、所述第一信道冲击响应、所述第二信道冲击响应和所述基站接收到的中继发射信号，确定解调权值迭代初始值； 

迭代单元，用于根据所述解调权值迭代初始值，确定达到所述上行信噪比阈值且所述中继器的发射总功率为最小值时对应的中继权值迭代值；根据 所述中继权值迭代值、所述上行信噪比阈值和所述第二信道冲击响应，确定解调权值迭代值；根据所述解调权值迭代值，重新确定达到所述上行信噪比阈值且所述中继器的发射总功率为最小值时对应的中继权值迭代值；并根据重新确定的所述中继权值迭代值、所述上行信噪比阈值和所述第二信道冲击响应，重新确定所述解调权值迭代值；重复迭代直至所述中继器的发射总功率的最小值收敛为某一固定值； 

权值确定单元，用于确定所述中继器的发射总功率的最小值收敛为某一固定值时对应的中继权值迭代值和解调权值迭代值，分别为所述中继权值和所述解调权值。 

6.根据权利要求5所述的上行信号加权处理装置，其特征在于， 

所述迭代单元还用于根据所述解调权值迭代初始值，确定达到所述上行信噪比阈值、所述中继器的发射总功率为最小值且任一所述中继器的发射功率小于或等于预设门限值时对应的中继权值迭代值；根据所述中继权值迭代值、所述上行信噪比阈值和所述第二信道冲击响应，确定解调权值迭代值；根据所述解调权值迭代值，重新确定达到所述上行信噪比阈值、所述中继器的发射总功率为最小值且任一所述中继器的发射功率小于或等于预设门限值时对应的中继权值迭代值；并根据重新确定的所述中继权值迭代值、所述上行信噪比阈值和所述第二信道冲击响应，重新确定所述解调权值迭代值；重复迭代直至所述中继器的发射总功率的最小值收敛为某一固定值。 

7.根据权利要求5或6所述的上行信号加权处理装置，其特征在于，所述上行信号加权处理装置与所述中继器一体设置，或者，所述上行信号加权处理装置与所述基站一体设置。 

8.一种通信系统，包括基站、中继器和移动台，其特征在于，还包括：如权利要求5或6所述的上行信号加权处理装置，其中， 

所述中继器用于根据所述上行信号加权处理装置发送的中继权值对中继器接收到的移动台上行信号进行加权处理得到上行中继加权信号，向所述基 站发送所述上行中继加权信号； 

所述基站用于根据所述上行信号加权处理装置发送的解调权值对所述上行中继加权信号进行解调加权处理，得到与所述移动台上行信号相应的上行估计信号。 

9.根据权利要求8所述的通信系统，其特征在于，所述上行信号加权处理装置与所述中继器一体设置，或者，所述上行信号加权处理装置与所述基站一体设置。 

10.根据权利要求8或9所述的通信系统，其特征在于，所述移动台为单天线移动台，所述中继器为单天线中继器，所述基站为多天线基站。 

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