CN102237921B - 一种适用于蜂窝系统双向中继信道的物理层网络编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于蜂窝系统双向中继信道的物理层网络编码设计方法，特征是基站对发送的信号进行预编码后发送给中继节点，用户也分别同时发送各自的信息给中继端；中继节点接收基站与用户发送的信息并进行物理层网络编码混合，对物理层网络编码后的信号进行预编码，使得用户收到的信号不受其他用户干扰，然后转发；用户和基站分别接收中继节点转发的信号，并分别消除各自接收信号中的干扰信号，进行解调。与现有的时分复用双向中继物理层网络编码技术方法相比，本发明使得完成上下行通信传输所需的时隙大幅度减少，支持更多的用户参与通信，提高了每一用户的中断概率和整个系统的遍历容量。

Description

一种适用于蜂窝系统双向中继信道的物理层网络编码方法

技术领域

本发明属于无线通信中的协同通信技术领域，具体涉及适用于蜂窝系统双向中继信道的物理层网络编码方法。

背景技术

在传统通信系统中铺设中继节点并采用先进的中继方案，不仅可以有效提高通信网络的覆盖范围和可靠性，还避免了采用高频段提高传输速率而导致小区尺寸减小问题。

双向中继通信是目前多点协作通信研究的热点之一。《国际电子电气工程师协会-通信汇刊》(IEEE Transactions on Wireless Communications,vol.9,No.2:764-777,2010)提出的一种双向中继网络编码方案，采取2源节点通过中继节点相互交换信息，中继节点采用网络编码技术对双向接入信号进行处理，这种双向中继网络编码方案可以有效的减少通信时隙，提高通信系统的遍历容量和可靠性。在多用户小区上下行通信系统中，现有时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)和频分多址(FDMA)技术，其中TDMA双向中继网络编码方案采取基站在不同时隙与不同用户通过中继节点相互交换信息，相比于未使用双向中继网络编码的纯TDMA方法，通信所需的时隙减少了一半。然而，TDMA模式下的双向中继网络编码方案需要给每一用户分配一个时隙，仍需要多个时隙才能完成上下行通信。在现有技术中至今未见有较好解决在用户终端配有多根天线情况下如何进行双向中继网络编码并提高网络的遍历容量或和速率问题的方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种适用于蜂窝系统双向中继信道的物理层网络编码方法，以减少TDMA双向中继网络编码方案传输所需的时隙，通过应用物理层网络编码和预编码来联合设计上下行通信传输，使原来需2M时隙完成的上下行传输在2时隙内完成且用户收到的信号不受其他用户信号干扰，从而降低系统中断概率并提高系统遍历容量。

本发明适用于蜂窝系统双向中继信道的物理层网络编码方法，设在一个移动蜂窝系统中有一个基站、一个中继和M个用户，基站和中继各装备n_T根天线，第m个用户配有根天线，m＝1,...,M；用户总天线数目

满足n_T≥n_R；基站和用户之间没有直通链路，基站通过中继端广播其要发送的信号给用户们，信号共分为M小块，每一小块传送的对象对应M个用户中的一个用户，且M个用户通过中继端分别发送各自的信息给基站；其特征在于具体操作步骤如下：

在第1时隙，基站发送预编码后的符号Ps，其中 $s={\left[\begin{array}{ccccc}{s}_1^T& \·\·\·& s_m^T& \·\·\·& s_M^T\end{array}\right]}^T$ 为基站发送的n_T×1维信号向量，s_m为基站发送给第m个用户的

维单位信号向量，P为基站采取的n_T×n_T维预编码矩阵；同时第m个用户发送其信息s'_m给基站，s'_m为

单位维向量；

在第2时隙，中继端采用物理层网络编码混合经过衰落信道的基站和用户所发送的信号，并对物理层网络编码混合的信号r进行预编码，然后广播预编码后的信息(Wr)^*给基站和用户，其中W为中继端上的n_T×n_T维预编码矩阵；

基站采取的预编码矩阵为 $P={\left[\begin{array}{ccccc}{P}_1^T& \·\·\·& P_j^T& \·\·\·& P_M^T\end{array}\right]}^T,$ j＝1,...,M， $P_j={\hat{V}}_j^{\left(0\right)}{\stackrel{\‾}{V}}_j^{\left(1\right)}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Λ}}}_j^{1/2};$ 中继采取的预编码矩阵为 $W=\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}{\mathrm{\Λ}}_j^{1/2}{\left(U_j^{\left(1\right)}\right)}^H{\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}\right)}^H;$ 其中，矩阵奇异值分解后的酉矩阵

和功率控制对角矩阵

由下列矩阵块对角化步骤获得：

首先定义第一中间变量矩阵 $G^{\′}=H^{-1}G={\left[\begin{array}{ccc}{G}_1^{\′T}& \·\·\·& G_M^{\′T}\end{array}\right]}^T$ 和第二中间变量矩阵 ${{\tilde{G}}^{\′}}_j{=\left[\begin{array}{cccccc}{G}_1^{\′T}& \·\·\·& G_{j-1}^{\′T}& G_{j+1}^{\′T}& \·\·\·& G_M^{\′T}\end{array}\right]}^T;$

对第二中间变量矩阵进行奇异值分解，则：

${{\tilde{G}}^{\′}}_j={\hat{U}}_j{\widehat{\mathrm{\Σ}}}_j{\left[\begin{array}{cc}{\hat{V}}_j^{\left(1\right)}& {\hat{V}}_j^{\left(0\right)}\end{array}\right]}^H;$

对第三中间变量矩阵

进行奇异值分解，则：

${G^{\′}}_j{\hat{V}}_j^{\left(0\right)}={\stackrel{\‾}{U}}_j\left[\begin{array}{cc}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Σ}}}_j& 0\\ 0& 0\end{array}\right]{\left[\begin{array}{cc}{\stackrel{\‾}{V}}_j^{\left(1\right)}& {\stackrel{\‾}{V}}_j^{\left(0\right)}\end{array}\right]}^H;$

则基站采取的预编码矩阵 $P={\left[\begin{array}{ccccc}{P}_1^T& \·\·\·& P_j^T& \·\·\·& P_M^T\end{array}\right]}^T$ 写成下列形式

$P_j={\hat{V}}_j^{\left(0\right)}{\stackrel{\‾}{V}}_j^{\left(1\right)}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Λ}}}_j^{1/2};$

然后定义第四中间变量矩阵 ${\tilde{H}}_j=\left[\begin{array}{cccccc}{H}_1& \·\·\·& H_{j-1}& H_{j+1}& \·\·\·& H_M\end{array}\right],$ 并对该矩阵进行奇异值分解，则：

${\tilde{H}}_j=\left[\begin{array}{cc}{\tilde{U}}_j^{\left(1\right)}& {\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}\end{array}\right]{\widetilde{\mathrm{\Σ}}}_j{\tilde{V}}_j^H;$

对第五中间变量矩阵

进行奇异值分解，则：

${\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{H}_j=\left[\begin{array}{cc}{U}_j^{\left(1\right)}& U_j^{\left(0\right)}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Σ}}_j& 0\\ 0& 0\end{array}\right]V_j^H;$

则中继采取的预编码矩阵W＝Ω^HΩ写成下列形式：

$W=\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}{\mathrm{\Λ}}_j^{1/2}{\left(U_j^{\left(1\right)}\right)}^H{\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}\right)}^H;$

最后计算基站采取的预编码矩阵 $P={\left[\begin{array}{ccccc}{P}_1^T& \·\·\·& P_j^T& \·\·\·& P_M^T\end{array}\right]}^T$ 中的功率控制矩阵

及中继采取的预编码矩阵W中的功率控制矩阵Λ_j；基站和中继的传输功率控制都为n_T，则基站传输功率

为

$\mathrm{trace}\left\{P_j{P}_j^H\right\}=\mathrm{trace}\left\{{\hat{V}}_j^{\left(0\right)}{\stackrel{\‾}{V}}_j^{\left(1\right)}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Λ}}}_j{\left({\hat{V}}_j^{\left(0\right)}{\stackrel{\‾}{V}}_j^{\left(1\right)}\right)}^H\right\}=n_T\frac{n_{R_j}}{n_R},$

中继传输功率P_relay为

$P_{\mathrm{relay}}=\mathrm{trace}\left\{W({\mathrm{GPP}}^H{G}^H+{\mathrm{HH}}^H+\frac{1}{\mathrm{\ρ}}I)W^H\right\}$

$=\mathrm{trace}\left\{({\mathrm{GPP}}^H{G}^H+{\mathrm{HH}}^H+\frac{1}{\mathrm{\ρ}}I)\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}{\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}\right)}^H\right)}^H\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}{\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}\right)}^H\right){\mathrm{\Λ}}_j\right\}$

，其中trace表示矩阵的迹，ρ表示信噪比；定义基站采取的预编码矩阵P中的功率控制矩阵

和中继采取的预编码矩阵W中的功率控制矩阵j＝1,…,M，在这里不考虑功率分配，则基站采取的预编码矩阵P中的功率控制矩阵的对角元素

中继采取的预编码矩阵W中的功率控制矩阵Λ_j的对角元素

且β₁＝…＝β_M＝β，则第一中间功率控制变量

${\mathrm{\α}}_j=\frac{n_T{n}_{R_j}}{n_R\mathrm{trace}\left\{{\hat{V}}_j^{\left(0\right)}{\stackrel{\‾}{V}}_j^{\left(1\right)}{\left({\hat{V}}_j^{\left(0\right)}{\stackrel{\‾}{V}}_j^{\left(1\right)}\right)}^H\right\}},$

第二中间功率控制变量

$\mathrm{\β}=\frac{n_T}{\mathrm{trace}\left\{({\mathrm{GPP}}^H{G}^H+{\mathrm{HH}}^H+\frac{1}{\mathrm{\ρ}}I)\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}{\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}\right)}^H\right)}^H\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}{\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}\right)}^H\right)\right\}};$

则第m个用户收到的信号为块对齐，即用户需要的有用信号向量s_m和自己发送出去的信号向量s'_m是对齐的，第m个用户收到的信号

$y_m=A_m{s}_m+B_m{s^{\′}}_m+H_m^{H}W{n}_R+n_m,$

其中A_m、B_m是经矩阵块对角化处理而获得的

满秩矩阵，即

第m个用户在知道信道边信息情况下消除干扰信号，即自己发送出去的信号s'_m，得到有用信号：

$y_m=A_m{s}_m+H_m^{H}W{n}_R+n_m;$

然后利用现有的多输入多输出(MIMO)方法对有用信号进行解调；

其他用户和基站采用与上述同样的操作，从而实现蜂窝系统双向中继的上下行通信。

所述利用现有的多输入多输出方法对有用信号进行解调可以选用迫零法或最小均方误差法。

当用户总的天线数n_R大于基站或中继天线数n_T时，可以采取将用户分成若干组，使得每组用户的天线总数小于等于基站或中继天线数，然后采取每组用户在不同时刻通过中继与基站通信。

本发明采取在基站对发送的信号进行预编码后发送给中继节点，用户也分别同时发送各自的信息给中继端；中继节点接收基站与用户发送的信息并进行物理层网络编码混合，对物理层网络编码后的信号进行预编码，使得用户收到的信号不受其他用户干扰，然后转发；用户和基站分别接收中继节点转发的信号，并分别消除各自接收信号中的干扰信号，进行解调。由于本发明在中继端采用物理层网络编码混合来自基站下行和用户上行分别发送的信号，并在基站与中继采用通过利用信号块对齐的思想联合设计得到的预编码，使得用户端收到的信息不受其他用户干扰。与现有的时分复用(TDMA)双向中继物理层网络编码技术方法相比，本发明使得完成上下行通信传输所需的时隙大幅度减少，由原来的2M时隙缩减为2时隙；同时每一用户收到的信息不受其他用户干扰，使得完成上下行通信传输所需的支持更多的用户参与通信，提高了每一用户的中断概率和整个系统的遍历容量。

附图说明

图1为本发明中所采用的蜂窝系统双向中继信道通信模型示意图。

图2为用户数目为2时每用户的中断概率仿真曲线比较图。

图3为用户数目为3时每用户的中断概率仿真曲线比较图。

图4为系统遍历容量仿真曲线比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例1：

本实施例中，基站BS和中继Re各装备n_T根天线，第m个用户Um配有

根天线，m＝1,...,M，

保证设计的预编码矩阵是满秩，半双工方式下传输数据，所有链路和噪声都服从均值为0，方差为1的复高斯分布。双向中继通信分为以下2个过程：过程1，基站BS和M个用户同时向中继Re发送信息；过程2，中继Re向基站BS和M个用户广播转发信息。

图1给出了本实施例中所采用的蜂窝系统双向中继信道通信模型示意图。具体过程如下：

在第1时隙，基站BS发送预编码后的符号Ps，其中 $s={\left[\begin{array}{ccccc}{s}_1^T& \·\·\·& s_m^T& \·\·\·& s_M^T\end{array}\right]}^T$ 为基站BS发给所有用户的n_T×1维信号向量，m＝1,...M，s_m为基站发送给第m个用户Um的

维单位信号向量，P是基站BS采取的n_T×n_T维预编码矩阵。所述预编码矩阵P设计将在后面详述。同时第m个用户Um发送其信息s'_m给基站BS，s'_m为单位维向量；此时中继端Re侦听的信息为

$r=\mathrm{GPs}+\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{H}_m{s^{\′}}_m+n_R,$

其中G为基站BS到中继端Re的n_T×n_T维信道矩阵，H_m为第m个用户Um到中继端Re的

维信道向量，n_R为n_T×1维高斯白噪声向量。

定义M个用户到中继Re的信道矩阵 $H=\left[\begin{array}{ccccc}{H}_1& \·\·\·& H_m& \·\·\·& H_M\end{array}\right]$ 和M个用户发送给中继Re的信号向量 $s^{\′}={\left[\begin{array}{ccccc}{s}_1^{\′T}& \·\·\·& s_m^{\′T}& \·\·\·& s_M^{\′T}\end{array}\right]}^T,$ 因此中继端Re侦听的信息重写为

$r=\mathrm{GPs}+H{s}^{\′}+n_R;$

在第2时隙，中继Re对收到的信息进行预编码，并广播预编码后的信息(Wr)^*给基站和用户，其中W为中继端Re上的n_T×n_T维预编码矩阵。则在第2时隙内基站BS的收到的信息为

$y_{\mathrm{BS}}=G^{H}W(\mathrm{GPs}+H{s}^{\′}+n_R)+n_{\mathrm{BS}},$

及第m个用户Um观察到的信息为

$y_m=H_m^{H}W(\mathrm{GPs}+H{s}^{\′}+n_R)+n_m,$

其中n_BS，n_m分别为基站上BS的n_T×1，第m个用户Um上的

维高斯白噪声向量。

通过联合设计基站BS与中继Re的预编码，使基站BS的预编码矩阵P和中继Re的预编码矩阵W满足条件1

其中A_m、B_m为块对角化后

满秩矩阵。则第m个用户Um，m＝1,...,M收到信号：

$y_m=A_m{s}_m+B_m{s^{\′}}_m+H_m^{H}W{n}_R+n_m,$

第m个用户Um在知道信道边信息情况下消除干扰信号，即自己发送出去的信号，得到有用信号

$y_m=A_m{s}_m+H_m^{H}W{n}_R+n_m;$

然后利用现有的迫零方法对有用信号进行解调，其他用户和基站采用同样操作。

因基站BS的预编码矩阵P和中继Re的预编码矩阵W满足的条件1现没有找到很好的解决方法，下面介绍一种次优的联合设计方法，把条件1进行放宽，由条件1可推出：

其中C_m，D_m为块对角化后

满秩矩阵，W＝Ω^HΩ，

使用矩阵块对角化原理获得P及W＝Ω^HΩ，具体设计步骤如下：

首先定义第一中间变量矩阵 $G^{\′}=H^{-1}G={\left[\begin{array}{ccc}{G}_1^{\′T}& \·\·\·& G_M^{\′T}\end{array}\right]}^T,$ 第二中间变量矩阵 ${{\tilde{G}}^{\′}}_j{=\left[\begin{array}{cccccc}{G}_1^{\′T}& \·\·\·& G_{j-1}^{\′T}& G_{j+1}^{\′T}& \·\·\·& G_M^{\′T}\end{array}\right]}^T;$

对第二中间变量矩阵

进行奇异值分解，则：

${{\tilde{G}}^{\′}}_j={\hat{U}}_j{\widehat{\mathrm{\Σ}}}_j{\left[\begin{array}{cc}{\hat{V}}_j^{\left(1\right)}& {\hat{V}}_j^{\left(0\right)}\end{array}\right]}^H;$

对第三中间变量矩阵进行奇异值分解，则：

${G^{\′}}_j{\hat{V}}_j^{\left(0\right)}={\stackrel{\‾}{U}}_j\left[\begin{array}{cc}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Σ}}}_j& 0\\ 0& 0\end{array}\right]{\left[\begin{array}{cc}{\stackrel{\‾}{V}}_j^{\left(1\right)}& {\stackrel{\‾}{V}}_j^{\left(0\right)}\end{array}\right]}^H;$

则基站BS采用的预编码矩阵 $P={\left[\begin{array}{ccccc}{P}_1^T& \·\·\·& P_j^T& \·\·\·& P_M^T\end{array}\right]}^T$ 中子矩阵写成下列形式

$P_j={\hat{V}}_j^{\left(0\right)}{\stackrel{\‾}{V}}_j^{\left(1\right)}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Λ}}}_j^{1/2};$

然后定义第四中间变量矩阵 ${\tilde{H}}_j=\left[\begin{array}{cccccc}{H}_1& \·\·\·& H_{j-1}& H_{j+1}& \·\·\·& H_M\end{array}\right],$ 并对该矩阵进行奇异值分解，则：

${\tilde{H}}_j=\left[\begin{array}{cc}{\tilde{U}}_j^{\left(1\right)}& {\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}\end{array}\right]{\widetilde{\mathrm{\Σ}}}_j{\tilde{V}}_j^H;$

对第五中间变量矩阵

进行奇异值分解，则：

${\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{H}_j=\left[\begin{array}{cc}{U}_j^{\left(1\right)}& U_j^{\left(0\right)}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Σ}}_j& 0\\ 0& 0\end{array}\right]V_j^H;$

则中继Re采用的预编码矩阵W＝Ω^HΩ写成下列形式

$W=\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}{\mathrm{\Λ}}_j^{1/2}{\left(U_j^{\left(1\right)}\right)}^H{\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}\right)}^H;$

最后计算基站BS采取的预编码矩阵 $P={\left[\begin{array}{ccccc}{P}_1^T& \·\·\·& P_j^T& \·\·\·& P_M^T\end{array}\right]}^T$ 中的功率控制矩阵

及中继Re采取的预编码矩阵W中的功率控制矩阵Λ_j；基站BS的发送功率满足 $\mathrm{trace}\left\{{\mathrm{PP}}^H\right\}\≤n_T,$ 则可推出功率控制条件1： $\mathrm{trace}\left\{P_j{P}_j^H\right\}=n_T\frac{n_{R_j}}{n_R},$ 即

$\mathrm{trace}\left\{P_j{P}_j^H\right\}=\mathrm{trace}\left\{{\hat{V}}_j^{\left(0\right)}{\stackrel{\‾}{V}}_j^{\left(1\right)}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Λ}}}_j{\left({\hat{V}}_j^{\left(0\right)}{\stackrel{\‾}{V}}_j^{\left(1\right)}\right)}^H\right\}=n_T\frac{n_{R_j}}{n_R},$

中继Re传输功率满足发送功率限制条件2：

可得到：

$P_{\mathrm{relay}}=\mathrm{trace}\left\{W({\mathrm{GPP}}^H{G}^H+{\mathrm{HH}}^H+\frac{1}{\mathrm{\ρ}}I)W^H\right\}$

$=\mathrm{trace}\left\{({\mathrm{GPP}}^H{G}^H+{\mathrm{HH}}^H+\frac{1}{\mathrm{\ρ}}I)\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}{\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}\right)}^H\right)}^H\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}{\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}\right)}^H\right){\mathrm{\Λ}}_j\right\}$

，其中trace表示矩阵的迹，ρ表示信噪比，定义基站BS采取的预编码矩阵P中的功率控制矩阵

和中继Re采取的预编码矩阵W中的功率控制矩阵

j＝1,…,M，在这不考虑功率分配，则基站BS采取的预编码矩阵P中的功率控制矩阵

的对角元素

中继Re采取的预编码矩阵W中的功率控制矩阵Λ_j的对角元素

且β₁＝…＝β_M＝β，则由功率控制条件1得到第一中间功率控制变量

${\mathrm{\α}}_j=\frac{n_T{n}_{R_j}}{n_R\mathrm{trace}\left\{{\hat{V}}_j^{\left(0\right)}{\stackrel{\‾}{V}}_j^{\left(1\right)}{\left({\hat{V}}_j^{\left(0\right)}{\stackrel{\‾}{V}}_j^{\left(1\right)}\right)}^H\right\}},$

由功率控制条件2得到第二中间功率控制变量

$\mathrm{\β}=\frac{n_T}{\mathrm{trace}\left\{({\mathrm{GPP}}^H{G}^H+{\mathrm{HH}}^H+\frac{1}{\mathrm{\ρ}}I)\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}{\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}\right)}^H\right)}^H\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}{\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}\right)}^H\right)\right\}};$

当用户总的天线数n_R大于基站或中继天线数n_T时，可以采取将用户分成若干组，使得每组用户的天线总数小于等于基站或中继天线数，然后每组用户在不同时刻通过中继与基站通信。

基于图1所示的蜂窝系统双向中继信道通信模型进行仿真。

当站BS和中继Re各配有天线数n_T＝2，用户数目M＝2，第m个用户Um配有天线数

m=1，2时，由于用户1与用户2对称，配有相同天线，信道系数服从同分布，所以两者中断概率曲线相同，故下面可以只对用户1的中断概率作比较。

从图2给出的本发明与TDMA模式下双向中继物理层网络编码方法的用户中断概率曲线比较图中可以看到：图中A1(或A2)和B1(或B2)分别为本发明和TDMA方式在传输速率R=1bit/Hz/s(或R=2bit/Hz/s)时用户1中断概率曲线。由图2可看出，在同样的传输速率情况下，本发明的中断概率好于TDMA模式的中断概率，且随着传输速率R增加，性能差距也随着增加，因此本发明相比TDMA模式能支持更高的传输速率。

当站BS和中继Re各配有天线数n_T＝6，用户数目M＝3，第m个用户Um配有m=1，2，3时，图3给出了本发明与TDMA模式下双向中继物理层网络编码方法的用户中断概率曲线比较图。C1、C2、C3分别为本发明在传输速率R=1.5bit/Hz/s时用户1、2、3的中断概率曲线，D1、D2、D3分别为TDMA模式在传输速率R=1.5bit/Hz/s时用户1、2、3的中断概率曲线。从图3中可以看到，本发明所有用户的中断概率都低于TDMA模式下的中断概率，并且随着用户的天线数增加，同一信噪比下的中断概率大幅度低于TDMA模式的中断概率。

图4给出了本发明与TDMA模式下双向中继物理层网络编码方法的系统遍历容量，即和速率曲线比较图。图中E1和F1分别为本发明和TDMA模式在基站BS和中继Re各配有天线数n_T＝2，用户数目M＝2，第m个用户Um配有天线数

m=1，2情况下的系统和速率曲线；E2和F2分别为本发明和TDMA模式在基站BS和中继Re各配有天线数n_T＝6，用户数目M＝3，第m个用户Um配有

m=1，2，3情况下的系统和速率曲线；从图4可知，随着用户数增加，本发明的系统遍历容量大幅增加，而TDMA模式下的系统遍历容量几乎不变，这是因为，本发明完成双向中继通信所需要的时隙不会随着用户增加而增加，并且每用户收到的信息不受其他用户信号干扰，而TDMA模式下所需的时隙是随着用户数线性增加。由此可知，本发明双向中继物理层网络编码方法能支持更多的用户同时通信。

综合来看，本发明适用于蜂窝系统双向中继信道的物理层网络编码方法完成上下行通信传输所需的时隙大幅度减少，支持更多的用户同时参与通信，本发明编码方法提高了每一用户的中断概率和整个系统的遍历容量。

Claims (3)

1.一种适用于蜂窝系统双向中继信道的物理层网络编码方法，设在一个移动蜂窝系统中有一个基站、一个中继和M个用户，基站和中继各装备n_T根天线，第m个用户配有

根天线，m＝1,...,M；用户总天线数目

满足n_T≥n_R；基站和用户之间没有直通链路，基站通过中继端广播其要发送的信号给用户们，信号共分为M小块，每一小块传送的对象对应M个用户中的一个用户，且M个用户通过中继端分别发送各自的信息给基站；其特征在于具体操作步骤如下：

在第1时隙，基站发送预编码后的符号Ps，其中 $s={\left[\begin{array}{ccccc}{s}_1^T& \·\·\·& s_m^T& \·\·\·& s_M^T\end{array}\right]}^T$ 为基站发送的n_T×1维信号向量，s_m为基站发送给第m个用户的维单位信号向量，P为基站采取的n_T×n_T维预编码矩阵；同时第m个用户发送其单位信息s'_m给基站，s'_m为

维单位向量；

在第2时隙，中继端采用物理层网络编码混合经过衰落信道的基站和用户所发送的信号，并对物理层网络编码混合的信号r进行预编码，然后广播预编码后的信息(Wr)^*给基站和用户，其中W为中继端上的n_T×n_T维预编码矩阵；

基站采取的预编码矩阵为 $P={\left[\begin{array}{ccccc}{P}_1^T& \·\·\·& P_j^T& \·\·\·& P_M^T\end{array}\right]}^T,$ j＝1,...,M， $P_j={\hat{V}}_j^{\left(0\right)}{\stackrel{\‾}{V}}_j^{\left(1\right)}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Λ}}}_j^{1/2};$ 中继采取的预编码矩阵为 $W=\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}{\mathrm{\Λ}}_j^{1/2}{\left(U_j^{\left(1\right)}\right)}^H{\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}\right)}^H;$ 其中，矩阵奇异值分解后的酉矩阵

和功率控制对角矩阵

由下列矩阵块对角化步骤获得：

首先定义第一中间变量矩阵 $G^{\′}=H^{-1}G={\left[\begin{array}{ccc}{G}_1^{\′T}& \·\·\·& G_M^{\′T}\end{array}\right]}^T$ 和第二中间变量矩阵 ${{\tilde{G}}^{\′}}_j{=\left[\begin{array}{cccccc}{G}_1^{\′T}& \·\·\·& G_{j-1}^{\′T}& G_{j+1}^{\′T}& \·\·\·& G_M^{\′T}\end{array}\right]}^T;$

对第二中间变量矩阵

进行奇异值分解，则：

${{\tilde{G}}^{\′}}_j={\hat{U}}_j{\widehat{\mathrm{\Σ}}}_j{\left[\begin{array}{cc}{\hat{V}}_j^{\left(1\right)}& {\hat{V}}_j^{\left(0\right)}\end{array}\right]}^H;$

对第三中间变量矩阵进行奇异值分解，则：

${G^{\′}}_j{\hat{V}}_j^{\left(0\right)}={\stackrel{\‾}{U}}_j\left[\begin{array}{cc}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Σ}}}_j& 0\\ 0& 0\end{array}\right]{\left[\begin{array}{cc}{\stackrel{\‾}{V}}_j^{\left(1\right)}& {\stackrel{\‾}{V}}_j^{\left(0\right)}\end{array}\right]}^H;$

则基站采取的预编码矩阵 $P={\left[\begin{array}{ccccc}{P}_1^T& \·\·\·& P_J^T& \·\·\·& P_M^T\end{array}\right]}^T$ 写成下列形式

$P_j={\hat{v}}_j^{\left(0\right)}{\stackrel{\‾}{v}}_j^{\left(1\right)}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Λ}}}_j^{1/2};$

然后定义第四中间变量矩阵 ${\tilde{H}}_j=\left[\begin{array}{cccccc}{H}_1& \·\·\·& H_{j-1}& H_{j+1}& \·\·\·& H_M\end{array}\right],$ 并对该矩阵进行奇异值分解，则：

${\tilde{H}}_j=\left[\begin{array}{cc}{\tilde{U}}_j^{\left(1\right)}& {\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}\end{array}\right]{\widetilde{\mathrm{\Σ}}}_j{\tilde{V}}_j^H;$

对第五中间变量矩阵

进行奇异值分解，则：

${\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{H}_j=\left[\begin{array}{cc}{U}_j^{\left(1\right)}& U_j^{\left(0\right)}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Σ}}_j& 0\\ 0& 0\end{array}\right]V_j^H;$

则中继采取的预编码矩阵W＝Ω^HΩ写成下列形式：

$W=\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}{\mathrm{\Λ}}_j^{1/2}{\left(U_j^{\left(1\right)}\right)}^H{\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}\right)}^H;$

最后计算基站采取的预编码矩阵 $P={\left[\begin{array}{ccccc}{P}_1^T& \·\·\·& P_j^T& \·\·\·& P_M^T\end{array}\right]}^T$ 中的功率控制矩阵

及中继采取的预编码矩阵W中的功率控制矩阵Λ_j；基站和中继的传输功率控制都为n_T，则基站传输功率

为

$\mathrm{trace}\left\{P_j{P}_j^H\right\}=\mathrm{trace}\left\{{\hat{V}}_j^{\left(0\right)}{\stackrel{\‾}{V}}_j^{\left(1\right)}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Λ}}}_j{\left({\hat{V}}_j^{\left(0\right)}{\stackrel{\‾}{V}}_j^{\left(1\right)}\right)}^H\right\}=n_T\frac{n_{R_j}}{n_R},$

中继传输功率P_relay为

$P_{\mathrm{relay}}=\mathrm{trace}\left\{W({\mathrm{GPP}}^H{G}^H+{\mathrm{HH}}^H+\frac{1}{\mathrm{\ρ}}I)W^H\right\}$

$=\mathrm{trace}\left\{({\mathrm{GPP}}^H{G}^H+{\mathrm{HH}}^H+\frac{1}{\mathrm{\ρ}}I)\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}{\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}\right)}^H\right)}^H\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}{\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}\right)}^H\right){\mathrm{\Λ}}_j\right\}$

，其中trace表示矩阵的迹，ρ表示信噪比；定义基站采取的预编码矩阵P中的功率控制矩阵和中继采取的预编码矩阵W中的功率控制矩阵

j＝1,...,M，在这里不考虑功率分配，则基站采取的预编码矩阵P中的功率控制矩阵

的对角元素

中继采取的预编码矩阵W中的功率控制矩阵Λ_j的对角元素且β₁＝…＝β_M＝β，则第一中间功率控制变量

${\mathrm{\α}}_j=\frac{n_T{n}_{R_j}}{n_R\mathrm{trace}\left\{{\hat{V}}_j^{\left(0\right)}{\stackrel{\‾}{V}}_j^{\left(1\right)}{\left({\hat{V}}_j^{\left(0\right)}{\stackrel{\‾}{V}}_j^{\left(1\right)}\right)}^H\right\}},$

第二中间功率控制变量

$\mathrm{\β}=\frac{n_T}{\mathrm{trace}\left\{({\mathrm{GPP}}^H{G}^H+{\mathrm{HH}}^H+\frac{1}{\mathrm{\ρ}}I)\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}{\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}\right)}^H\right)}^H\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}{\left({\tilde{U}}_j^{\left(0\right)}{U}_j^{\left(1\right)}\right)}^H\right)\right\}};$

则第m个用户收到的信号为块对齐，即用户需要的有用信号向量s_m和自己发送出去的信号向量s'_m是对齐的，第m个用户收到的信号

$y_m=A_m{s}_m+B_m{s^{\′}}_m+H_m^{H}W{n}_R+n_m,$

其中A_m、B_m是经矩阵块对角化处理而获得的

满秩矩阵，即

第m个用户在知道信道边信息情况下消除干扰信号，即自己发送出去的信号s'_m，得到有用信号：

$y_m=A_m{s}_m+H_m^{H}W{n}_R+n_m;$

然后利用现有的多输入多输出方法对有用信号进行解调；

其他用户和基站采用与上述同样的操作，从而实现蜂窝系统双向中继的上下行通信。

2.如权利要求1所述的适用于蜂窝系统双向中继信道的物理层网络编码方法，特征在于所述利用现有的多输入多输出方法对有用信号进行解调选用迫零法或最小均方误差法。

3.如权利要求1所述的适用于蜂窝系统双向中继信道的物理层网络编码方法，特征在于当用户总的天线数n_R大于基站或中继天线数n_T时，采取将用户分成若干组，使得每组用户的天线总数小于等于基站或中继天线数，然后采取每组用户在不同时刻采用如权利要求1所述的方法通过中继与基站通信。

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