CN102082632B - 多输入多输出蜂窝通信系统中下行多用户多中继传输方法 - Google Patents

Abstract

一种多输入多输出蜂窝通信系统中下行多用户多中继传输方法。其步骤主要是：A、第一个时隙，基站进行汤姆林森-哈拉希玛预编码，将数据传输给所有中继及基站服务用户。B、基站服务用户检测与中继放大：在第一时隙内，接收到信号的基站服务用户检测出原始的数据信息，中继将接收数据进行直接放大；C、第二个时隙，基站与中继进行基于干扰对齐预编码，基站传输一个新的符号给一个新基站服务用户，而中继则将放大转发的数据进行预编码发送给所有中继服务用户；D、第二个时隙的检测：在第二个时隙接收到数据的基站服务用户与所有中继服务用户检测出发送信号。该法对空分信道的自由度利用充分，频谱利用率高，系统开销低，系统定时亦不敏感。

Description

多输入多输出蜂窝通信系统中下行多用户多中继传输方法

技术领域

本发明涉及多输入多输出(MIMO)通信系统的中继传输方法，尤其涉及多输入多输出蜂窝通信系统中下行多用户多中继传输方法。

背景技术

研究表明，在基于多输入多输出的蜂窝通信系统中，中继技术可以有效降低路径损耗带来的功率资源的浪费，提高边缘用户的接收信噪比，扩大通信覆盖的范围，而多中继技术更能够充分利用系统的空间自由度，为系统提供更高数据速率和频谱效率。中继传输方案分为解码转发(DF)与放大转发(AF)两种，其中，AF中继由于复杂度低和处理速度快等优势，被广泛的应用。

在基于AF多中继通信系统中，基站向不同中继发射数据或者中继向不同用户放大转发数据的时候，不可避免的面临问题是如何消除不同数据流之间的干扰。现有的技术方案中，有一些方案采取频分(FDD)或者时分(TDD)的方式，协调不同的数据在正交的时频信道上进行传输，这些方案没有充分利用MIMO系统的空分信道的特点，对系统资源造成了一定的损失。还有一些方案，将多个中继看成一个虚拟MIMO系统，采用不同中继间协同波束成形的方式来消除用户间的干扰，这些方案，需要中继间交互用户信道信息和数据信息，增加了系统开销，并且对中继发射定时十分的敏感，因此对系统的实现提出了很高的要求。

综上所述，现有的多中继技术在解决多用户干扰、充分利用空分信道以及系统实现复杂度方面仍然存在着一定缺陷，如何在多中继系统中，设计一种合适的能够消除用户之间干扰、充分利用空分信道信息并且适用于现实场景的多中继传输方案具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种多输入多输出蜂窝通信系统中下行多用户多中继传输方法，该方法能完全消除数据流之间的干扰、可充分利用空间信道自由度并能有效控制系统开销和降低系统的定时敏感程度。

本发明实现其发明目的，所采用的技术方案是，一种多输入多输出蜂窝通信系统中下行多用户多中继传输方法，其作法是：

A、汤姆林森-哈拉希玛预编码传输

在每个传输过程的第一个时隙，配备K(K＞N，N≥2)根天线的基站(BS)从每个被利用的中继站(RS_i，i＝1，2，...，N)的K根天线各选择一根天线作为接收天线、并从基站服务用户(MS_m，m＝N+1，N+2，...，K)的L(L≥2)根天线中各选择一根天线作为接收天线，接收天线共K根，将K根接收天线到基站的信道组合成一个完整的信道矩阵H，基站对信道矩阵H进行LQ分解，得到块下三角阵与酉阵的乘积，利用块下三角阵对用户发送的数据进行预删除，预删除后的数据进行取模处理，并通过酉阵对取模后的数据前向滤波得到汤姆林森-哈拉希玛预编码方法的预编码数据，基站再向接收天线发送预编码数据；

B、检测与中继放大

传输过程的第一时隙，基站服务用户(MS_m)将接收到的预编码数据通过信道估计估算出预编码数据中的功率放大因子，并将功率放大因子消除后进行取模计算检测出原始的数据信息；中继站(RS_i)则将其接收到的预编码数据进行直接放大；

C、基站与中继干扰对齐预编码

传输过程的第二个时隙，基站采用基于干扰对齐的线性预编码方式传输一个新的数据，给第一个时隙中未获得服务的基站服务用户(MS_K+1)；而中继站(RS_i)则将放大后的预编码数据再进行基于干扰对齐的线性预编码并发送给中继服务用户MS_i；

D、第二个时隙的检测：传输过程的第二个时隙，在第二个时隙获得服务的基站服务用户MS_K+1直接用接收矩阵检测出发送信号；中继服务用户MS_i则先通过接收矩阵检测出放大的预编码数据，然后通过信道估计估算出预编码数据中的功率放大因子，并将其消除后进行取模计算检测出原始的数据信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、在每个传输过程的第二个时隙中，基站传输一个新的数据给一个新的基站服务用户。与基站在第二时隙中处于空闲状态、并不发送任何信息的现有基于中继的传输方法相比，本发明充分利用了空分信道的自由度，提高了频谱效率。对于当前广泛使用的四天线基站系统，本发明能够提高25％的空间自由度。

2、在第一个时隙采取汤姆林森-哈拉希玛(TH)预编码方式，该预编码方式能完全消除数据流之间的干扰，不需要接收天线间的联合处理，适合在基于AF的中继传输中使用，并且可以通过天线选择技术进一步提高信道增益。

3、第二个时隙基站和中继同时采用基于干扰对齐(IA)的线性预编码方式，在保证无干扰传输的同时不需要各中继以及基站间交换数据信息，减小了系统信道开销与运行的复杂度，并且不需要严格的发射同步，降低了系统的定时敏感程度，适合在实际系统中的应用。

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步地详细说明。

附图说明

图1与图2为本发明方法和传统基于奇异值分解(SVD)传输方法在二中继、五用户四基站天线仿真实验的频谱效率曲线图。其中，图1对应的干扰链路方差θ＝-10dB，图2对应的干扰链路方差θ＝-5dB。

图3为本发明方法和传统的SVD传输方法在三中继、五用户四基站天线仿真实验的频谱效率曲线图。其中，干扰链路方差θ＝-5dB。

图1-图3中，横坐标表示基站发射的信号功率与高斯噪声功率的比值(信噪比，dB)，纵坐标表示系统的频谱效率(bps/Hz)。

具体实施方式

实施例

一种多输入多输出蜂窝通信系统中下行多用户多中继传输方法，其作法是：

A、汤姆林森-哈拉希玛预编码传输

在每个传输过程的第一个时隙，配备K(K＞N，N≥2)根天线的基站(BS)从每个被利用的中继站(RS_i，i＝1，2，...，N)的K根天线各选择一根天线作为接收天线、并从基站服务用户(MS_m，m＝N+1，N+2，...，K)的L(L≥2)根天线中各选择一根天线作为接收天线，接收天线共K根，将K根接收天线到基站的信道组合成一个完整的信道矩阵H，基站对信道矩阵H进行LQ分解，得到块下三角阵与酉阵的乘积，利用块下三角阵对用户发送的数据进行预删除，预删除后的数据进行取模处理，并通过酉阵对取模后的数据前向滤波得到汤姆林森-哈拉希玛预编码方法的预编码数据，基站再向接收天线发送预编码数据；

B、检测与中继放大

传输过程的第一时隙，基站服务用户(MS_m)将接收到的预编码数据通过信道估计估算出预编码数据中的功率放大因子，并将功率放大因子消除后进行取模计算检测出原始的数据信息；中继站(RS_i)则将其接收到的预编码数据进行直接放大；

C、基站与中继干扰对齐预编码

传输过程的第二个时隙，基站采用基于干扰对齐的线性预编码方式传输一个新的数据，给第一个时隙中未获得服务的基站服务用户(MS_K+1)；而中继站(RS_i)则将放大后的预编码数据再进行基于干扰对齐的线性预编码并发送给中继服务用户MS_i；

D、第二个时隙的检测：传输过程的第二个时隙，在第二个时隙获得服务的基站服务用户MS_K+1直接用接收矩阵检测出发送信号；中继服务用户MS_i则先通过接收矩阵检测出放大的预编码数据，然后通过信道估计估算出预编码数据中的功率放大因子，并将其消除后进行取模计算检测出原始的数据信息。

下面详细给出基站配备K 4根天线，一个传输过程中被利用的中继站个数N 2，用户天线数L＝2根的具体操作过程：

步骤A：从中继站RS₁和中继RS₂各自的4根天线中各选择1根天线作为接收天线，其到基站的信道可以用两个向量h_BS→RS1与h_BS→RS2来表示，同时从基站服务用户MS₃和MS₄各自的两根天线中各选择1根天线作为接收天线，其到基站的信道可以用两个向量h_BS→MS3与h_BS→MS4来表示，将以上4个向量组合成一个4×4的MIMO矩阵H，即

$H=\left[\begin{array}{c}{h}_{\mathrm{BS}\→\mathrm{RS}1}\\ h_{\mathrm{BS}\→\mathrm{RS}2}\\ h_{\mathrm{BS}\→\mathrm{MS}3}\\ h_{\mathrm{BS}\→\mathrm{MS}4}\end{array}\right]$

然后，对H进行LQ分解，即H＝LQ^T，得到酉阵Q与块下三角阵L，利用块下三角阵L的因果性对发送符号进行预删除，并通过取模控制输出功率，该过程后第i(i＝1，2，3，4)根接收天线上的数据为：

${\stackrel{\‾}{a}}_i=\mathrm{mod}(a_i-\underset{j=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{l}_{\mathrm{ij}}{\stackrel{\‾}{a}}_j)$

其中l_ij为下三角阵L第i行第j列的元素。

最后，对

进行前向滤波，得到最终的TH预编码数据x：

$x=Q\×\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{a}}_1\\ {\stackrel{\‾}{a}}_2\\ {\stackrel{\‾}{a}}_3\\ {\stackrel{\‾}{a}}_4\end{array}\right]$

并由基站向接收天线发射。

步骤B：

中继(RS_n)与用户MS₃与MS₄在第一个时隙的接收信号可以表示为：

y＝H×x+n

其中y＝[y₁，y₂，y₃，y₄]^T为四个接收符号，n为高斯白噪声向量，用户MS₃与MS₄接收到的为y中的后两个元素，即y₃和y₄。通过信道估计，用户MS₃与MS₄估算信道增强因子l₃₃和l₄₄(即块下三角矩阵L的对角线上的后两个元素)，并利用y₃和y₄，用户MS₃与MS₄恢复出发送符号s₃与s₄。

中继(RS_i)分别对接收到的数据进行放大得到待转发的信号，中继RS_i的放大因子可以表示为：

${\mathrm{\β}}_i=\sqrt{\frac{P_{{\mathrm{RS}}_i}}{l_{\mathrm{ii}}^2{P}_{S_i}+{\mathrm{\σ}}_0^2}}$

其中，

为第i个中继的平均发射功率，

为基站发送的第i个符号s_i的平均功率，为高斯白噪声的功率。

中继i的待转发信号为：

${\hat{y}}_i={\mathrm{\β}}_i\×y_i$

步骤C：

第二个时隙，中继把放大的数据和

转发给用户MS₁～MS₂，基站则发新的数据s₅给MS₅，发送数据经过基于IA的预编码，预编码后的数据为：

$z_1=P_{{\mathrm{RS}}_1}{\hat{y}}_1$

$z_2=P_{{\mathrm{RS}}_2}{\hat{y}}_2$

z₅＝_BSs₅

其中z₁、z₂分别为中继1和中继2的预编码数据，z₅为基站的预编码数据，

均为4×1的预编码矩阵，分别表示中继1、中继2以及基站端的预编码矩阵。为了实现干扰对齐并将干扰在接收端利用迫零的方式消除掉，接收端需要用接收矩阵D₁、D₂、D₅对接收数据进行检测，检测后的数据可以表示为：

${\hat{z}}_i=D_i{z}_i=D_i{H}_{{\mathrm{RS}}_1\→{\mathrm{MS}}_i}{P}_{{\mathrm{RS}}_1}{\mathrm{\β}}_1{y}_1+D_i{H}_{{\mathrm{RS}}_2\→{\mathrm{MS}}_i}{P}_{{\mathrm{RS}}_2}{\mathrm{\β}}_2{y}_2+D_i{H}_{\mathrm{BS}\→{\mathrm{MS}}_i}{P}_{\mathrm{BS}}{s}_5+D_i{n}_i$

其中

为基站到第i个用户的MIMO信道矩阵，

为第j个中继到第i个用户的MIM0信道矩阵。

预编码矩阵与接收矩阵一同设计，设计的过程中需要满足以下的要求和准则：

对于中继服务用户MS₁～MS₂

$D_i{H}_{{\mathrm{RS}}_j\→{\mathrm{MS}}_i}{P}_{{\mathrm{RS}}_j}=0,$ i＝1，2；j＝1，2；j≠i

$D_i{H}_{\mathrm{BS}\→{\mathrm{MS}}_i}{P}_{\mathrm{BS}}=0,$ i＝1，2

$D_i{H}_{{\mathrm{RS}}_i\→{\mathrm{MS}}_i}{P}_{{\mathrm{RS}}_i}\≠0,$ i＝1，2

对于基站用户MS₅

$D_5{H}_{{\mathrm{RS}}_i\→{\mathrm{MS}}_5}{P}_{{\mathrm{RS}}_i}=0,$ i＝1，2

$D_5{H}_{\mathrm{BS}\→{\mathrm{MS}}_5}{P}_{\mathrm{BS}}\≠0$

同时，为了保持信号发射功率不变并且不增大高斯白噪声功率，P_i和D_i必须满足

i＝1，2

i＝1，2，5

步骤D：

用户5直接根据

进行判决得到原始的发送符号s₅，而用户1和用户2则是根据和

先恢复出

和

再根据B中的步骤恢复出原始的数据符号s₁与s₂。

仿真实验

本发明的传输方法的性能可以通过以下仿真实验检验，仿真试验过程中，假设所有的信道均服从独立复高斯分布，其中信号链路为单位方差，而干扰链路的方差则用θ表示，基站与所有中继均配备4根天线，用户配备2根天线。基站与中继采用相同的功率进行数据发送，即

系统信噪比则定义为

其中

为高斯白噪声功率。信噪比设为0-20dB。

1.二中继、五用户仿真实验

在以上实验条件下，二中继、五用户系统的仿真实验，得到的系统频谱效率曲线见图1与图2。其中图1与图2分别为θ＝-10dB和θ＝-5dB的情况。从图1与图2中可以看出，本发明的频谱效率明显优于传统的SVD传输方式的频谱效率，并且当干扰链路的功率增大的时候，传统的SVD传输方式频谱效率明显下降，在信噪比20dB时，频谱效率降低2bps/Hz，而本发明的频谱效率几乎没有改变。可见本发明能有效提高系统的频谱效率，这是因为，在本发明两个时隙的传输中，均实现了无干扰传输。

2.三中继、五用户仿真实验

在以上实验条件下，三中继、五用户系统的仿真实验，得到的频谱效率仿真曲线见图3，其中θ＝-5dB。从图3可以看出，当中继增加的时候，采用本发明时的系统与传统的SVD传输方式相比，优势更加明显，频谱效率在信噪比SNR＝20dB时相对于传统的SVD传输方式提高了一倍。

Claims (1)

1.一种多输入多输出蜂窝通信系统中下行多用户多中继传输方法，其作法是：

A、汤姆林森-哈拉希玛预编码传输

在每个传输过程的第一个时隙，配备K根天线的基站BS从每个被利用的中继站RS_i的K根天线各选择一根天线作为接收天线、并从基站服务用户MS_m的L根天线中各选择一根天线作为接收天线，接收天线共K根，将K根接收天线到基站的信道组合成一个完整的信道矩阵H，基站对信道矩阵H进行LQ分解，得到块下三角阵与酉阵的乘积，利用块下三角阵对用户发送的数据进行预删除，预删除后的数据进行取模处理，并通过酉阵对取模后的数据前向滤波得到汤姆林森-哈拉希玛预编码方法的预编码数据，基站再向接收天线发送预编码数据；其中，K＞N，N≥2，i＝1，2，…，N；m＝N与1，N+2，…，K；L≥2；

B、检测与中继放大

传输过程的第一个时隙，基站服务用户MS_m将接收到的预编码数据通过信道估计估算出预编码数据中的功率放大因子，并将功率放大因子消除后进行取模计算检测出原始的数据信息；中继站RS_i则将其接收到的预编码数据进行直接放大；

C、基站与中继干扰对齐预编码

传输过程的第二个时隙，基站采用基于干扰对齐的线性预编码方式传输一个新的数据，给第一个时隙中未获得服务的基站服务用户MS_K+1；而中继站RS_i则将放大后的预编码数据再进行基于干扰对齐的线性预编码并发送给中继服务用户MS_i；

D、第二个时隙的检测：传输过程的第二个时隙，在第二个时隙获得服务的基站服务用户MS_K+1直接用接收矩阵检测出发送信号；中继服务用户MS_i则先通过接收矩阵检测出放大的预编码数据，然后通过信道估计估算出预编码数据中的功率放大因子，并将其消除后进行取模计算检测出原始的数据信息。

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