CN102394682B - 多用户多输入多输出协同中继系统信息处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用户多输入多输出协同中继系统信息处理方法，其步骤为：(1)调制发送信息；(2)获取用户端预编码矩阵；(3)中继端译码转发；(4)天线选择；(5)获取中继端预编码矩阵；(6)用户解码。本发明方法采用了信号空间对齐、零空间抑制和网络编码方法来完成多用户多输入多输出和协同中继传输，允许通信系统中的多个用户借助于一个共同中继而无需通过基站来进行同时通信，可以实现多向协同中继，提高网络传输速率，扩大系统容量区域，最大限度地获取多用户多输入多输出中继通信系统的和速率和自由度。

Description

多用户多输入多输出协同中继系统信息处理方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信多天线技术领域的多用户多输入多输出协同中继系统信息处理方法。该方法可以实现多向协同中继通信，使通信系统可以利用中继而无需通过基站来完成多点的协同通信。本发明可以提高网络传输速率，提高无线通信系统的和速率和自由度。

背景技术

多用户多输入多输出技术是指通信系统中的各个节点的数据发送和接收都采用多根天线，能够有效降低系统误码率，扩大系统容量区域。协同中继技术将接收到的多路信息进行联合处理来完成多个节点的同时通信，可以提高无线传输的频谱效率。这两种技术都可以提高无线通信系统的性能，通过采用相关技术将两者结合起来，实现多用户借助于一个共同中继来完成协同通信。现有的实现多用户多输入多输出的技术方案主要是采用预编码方法来消除用户间的干扰，完成多用户的协同通信。

中兴通讯股份有限公司申请的专利“多点协同传输中的多用户复用预编码的实现方法和系统”(专利申请号200910237455.4，公布号CN102055562A)。该专利申请主要提出了一种多点协同传输中的多用户复用预编码的实现方法，该方法包括：在进行多点协同传输时，采用多小区、多用户配对的联合预编码，实现多用户多输入多输出。该专利申请存在的不足是：要完成多点的协同通信需要由主控基站时刻来进行联合资源调度，在通信场景稍微恶劣的条件下，使用户的通信质量下降。

协同中继技术作为一种先进的无线传输模式，它将接收到的多路信息进行联合处理，能够扩展覆盖范围，增强无线传输性能，提高无线传输的频谱效率。现有的协同中继技术主要是基于网络编码的双向协同中继技术。

北京邮电大学申请的专利“一种网络编码传输方法”(专利申请号201010533192.4，公布号CN101997647A)。该专利申请主要是提出了一种网络编码的协同中继传输方法，其步骤是：中继站接收多个用户对的发送信息，得到中继接收信息；中继站根据用户配对情况得到多个网络编码信息；中继站将不同用户对的网络编码信息进行叠加，得到中继转发信息并向用户节点广播发送。通过网络编码传输方法同时传输多个用户对的发送信息，并将不同用户对的发送信息投影到信号空间不同的矢量方向上来消除用户对之间的干扰。该专利申请存在的不足是：该方法采用基于网络编码的双向协同中继技术，在同一时刻只能实现多用户中继通信系统中用户对的通信，即点到点的通信，不能实现多向协同中继，不允许多用户中继通信系统中点到多点的同时通信，使网络传输速率较低，系统所获得的和速率和自由度有限。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种多用户多输入多输出协同中继系统信息处理方法，允许通信系统中的多个用户借助于一个共同中继而无需通过基站来完成同时通信，可以实现多向协同中继，最大限度地获取多用户多输入多输出中继通信系统的和速率和自由度。

本发明实现的基本思路是，在多址接入时隙采用信号空间对齐，获得用户预编码矩阵；中继接收和信号并进行网络编码；在广播发送时隙采用接收天线选择和零空间抑制，获得中继预编码矩阵，消除用户间的干扰信号；用户接收信号并进行网络解码得到所需的信息。

为实现上述目的，本发明实现步骤如下：

(1)调制发送信息

在多址接入时隙对各个用户端给其它所有用户传输的独立待发送信息进行调制，得到调制信号。

(2)获取用户端预编码矩阵

2a)采用信号空间对齐技术，将调制后的待发送信息中需要进行交换的两路信息对齐到同一个信号子空间，得到预编码矢量集合；

2b)将对应于每个用户待发送信息的矢量集合并排组成与该用户对应的预编码矩阵；

2c)对每个用户调制后的待发送信息采用与该用户对应的预编码矩阵进行加权；

2d)将所有用户加权后的待发送信息同时发送出去。

(3)中继端译码转发

3a)中继端对接收的用户发送信号采用最小均方误差方法进行正确检测译码；

3b)对译码后的信号进行网络编码，得到中继待发送信号；

3c)对中继待发送信号进行调制，得到调制信号。

(4)天线选择

在广播发送时隙，对已知的下行链路信道矩阵采用基于最大范数的快速天线选择算法进行天线选择，从每个用户的原有天线数目中选择出比用户数目少1的天线数目，得到有效下行链路信道矩阵。

(5)获取中继端预编码矩阵

采用零空间抑制技术，抑制中继待发送信号中相对于各个用户无用的信号，得到预编码矢量集合，并排组成预编码矩阵；将调制后的中继待发送信号经过预编码矩阵加权后发送出去。

(6)用户解码

6a)用户端对接收的中继发送信号采用最小均方误差方法进行检测译码；

6b)对译码后的信号进行解调和网络解码，得到用户所需的接收信息。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一、由于本发明采用了信号空间对齐技术和零空间抑制技术，克服了现有技术需要由主控基站时刻进行联合资源调度来完成多点协同通信的问题，实现了仅借助于中继来完成多用户多输入多输出的协同通信，充分利用了信号空间，抑制了干扰信号，有效地降低系统误码率，扩大了系统容量区域，提高了无线通信系统的可靠性。

第二、由于本发明采用了网络编码方法和信号空间对齐技术，克服了现在技术只能进行双向协同中继的问题，实现了多向协同中继，允许点到多点同时进行通信，提高了无线通信系统的和速率和自由度。

第三、本发明可应用在无线自组织网络和基站集中管理控制下的用户-中继-用户直接进行数据交换的传输模式中。

附图说明

附图1为本发明系统模型示意图；

附图2为本发明的流程图；

附图3为本发明仿真效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

参照图1，本发明的系统模型示意图中共有K个用户和一个中继，每个用户的天线数目为M，中继的天线数目为N。整个通信过程分为两个时隙，第一个时隙为多址接入时隙，第二个时隙为广播发送时隙。在多址接入时隙，用户i给其它所有用户的待发送独立信息并行排列，组成信息矢量为w_i，用户i到中继的上行链路信道矩阵为H^[r，i]；在广播发送时隙，用户经天线选择之后的接收天线数目为K-1，中继到用户j的有效下行链路信道矩阵为用户j的接收信息矢量为接收信息矢量中的各个分量依次为其它用户发给用户j的信息。本实施例中用户数目K＝4，用户的天线数目M＝4，中继的天线数目N＝7。

参照附图2对本发明实现的步骤进行具体描述。

步骤1，调制发送信息。

在多址接入时隙对各个用户端给其它所有用户传输的独立待发送信息进行调制，得到调制信号，调制方法采用二进制相位调制。各个用户端给其它所有用户传输独立待发送信息的要求是用户天线数目大于等于待发送信息的路数。

本发明实施例中，用户天线数目4大于等于独立待发送信息的路数3，每个用户可以给其它所有用户传输独立信息。

步骤2，获取用户端预编码矩阵。

采用信号空间对齐技术，将调制后的待发送信息中需要进行交换的两路信息对齐到同一个信号子空间，得到预编码矢量集合。信号空间对齐技术实现的条件是，中继天线数目小于进行信号空间对齐的两个用户的天线总数。信号空间对齐技术的实现需要准确的信道状态信息。将对应于每个用户待发送信息的矢量集合并排组成与该用户对应的预编码矩阵，对每个用户调制后的待发送信息采用与该用户对应的预编码矩阵进行加权，将所有用户加权后的待发送信息同时发送出去。

本发明实施例中信号空间对齐的具体实现方式按照下列公式进行：

span(H^[r，i]v^[j，i])＝span(H^[r，j]v^[i，j])(i≠j)

其中，span(·)表示由矩阵列矢量所张成的空间，H^[r，i]为第i个用户到中继的上行链路信道矩阵，r表示中继，i＝1，2，3，4，v^[j，i]表示用户i发送给用户j的信息所对应的预编码矢量，j＝1，2，3，4。

每个用户的天线数目为4，中继的天线数目7小于进行信号空间对齐的两个用户的天线总数8，可以实现信号空间对齐。总用户数目为4，每个用户发送3路独立的信息，进进两两信号空间对齐，需要对齐6次，获得12个预编码矢量。每个用户发送的每一路独立信息都有一个相对应的预编码矢量，同一个用户的预编码矢量集合并排组成与该用户相对应的预编码矩阵。

步骤3，中继端译码转发。

中继端对接收的用户发送信号采用最小均方误差方法进行正确检测译码。正确检测译码的要求是中继天线数大于等于接收的独立信号路数。对译码后的信号进行网络编码，得到中继待发送信号，网络编码可采用基于取模或异或运算的编码映射。对中继待发送信号进行调制，得到调制信号，调制方法采用二进制相位调制。

本发明实施例中网络编码采用基于异或运算的编码映射，用户发送的12路独立的信号经两两信号空间对齐后，中继端接收到6路独立的信号，中继天线数7大于接收到独立信号路数6，中继可以对接收到的信号进行正确检测译码。

步骤4，天线选择。

在广播发送时隙，对已知的下行链路信道矩阵采用基于最大范数的快速天线选择算法进行天线选择，从每个用户的原有天线数目中选择出比用户数目少1的天线数目，得到有效下行链路信道矩阵。该步骤的目的是为了便于实现零空间抑制技术。本发明实施例中进行天线选择，从每个用户的原有的4根天线中选择出3根天线来接收信号。

步骤5，获取中继端预编码矩阵。

采用零空间抑制技术，抑制中继待发送信号中相对于各个用户无用的信号，得到预编码矢量集合，并排组成预编码矩阵。零空间抑制技术实现的条件是，中继天线数大于进行零空间抑制的用户端的接收天线总数。将调制后的中继待发送信号经过预编码矩阵加权后发送出去。零空间抑制技术的实现需要准确的信道状态信息。

本发明实施例中，零空间抑制技术的具体实现方式按下按照下列公式进行：

$v^{[1,r]}\⋐\{\mathrm{null}\left({\hat{H}}^{[3,r]}\right)\∩\mathrm{null}\left({\hat{H}}^{[4,r]}\right)\}$

$v^{[2,r]}\⋐\{\mathrm{null}\left({\hat{H}}^{[2,r]}\right)\∩\mathrm{null}\left({\hat{H}}^{[4,r]}\right)\}$

$v^{[3,r]}\⋐\{\mathrm{null}\left({\hat{H}}^{[2,r]}\right)\∩\mathrm{null}\left({\hat{H}}^{[3,r]}\right)\}$

$v^{[4,r]}\⋐\{\mathrm{null}\left({\hat{H}}^{[1,r]}\right)\∩\mathrm{null}\left({\hat{H}}^{[4,r]}\right)\}$

$v^{[5,r]}\⋐\{\mathrm{null}\left({\hat{H}}^{[1,r]}\right)\∩\mathrm{null}\left({\hat{H}}^{[3,r]}\right)\}$

$v^{[6,r]}\⋐\{\mathrm{null}\left({\hat{H}}^{[1,r]}\right)\∩\mathrm{null}\left({\hat{H}}^{[2,r]}\right)\}$

其中，v^[i，r]表示对应于中继发送的第i路信息的预编码矢量，i＝1，2，3，4，5，6，r表示中继，表示矢量位于矩阵列矢量所张成的空间中，null(·)表示矩阵的零空间，为中继到第j个用户的有效下行链路信道矩阵，j＝1，2，3，4，∩表示两个空间的交叉子空间。

每次进行零空间抑制的用户数为2，每个用户的接收天线是3，每次进行零空间抑制的用户端的接收天线总数6，中继天线数7大于6，可以实现零空间抑制得到中继预编码矩阵。中继待发送的独立信号路数为6，每一路独立的信号有一个对应的预编码矢量，这6个预编码矢量并排组成中继端的预编码矩阵。

步骤6，用户解码。

用户端对接收的中继发送信号采用最小均方误差方法进行检测译码，对译码后的信号进行解调和网络解码，得到用户所需的接收信息。解调采用与调制相对应的解调方式，网络解码采用与网络编码相对应的解码方式。

本发明实施例中解调采用与二进制相位调制相对应的解调方式，网络解码采用与基于异或运算的编码映射相对应的网络解码方式。

下面结合本发明仿真效果图做进一步描述。

附图3是用户数目K＝4，用户天线数目M＝4，用户中继数目N＝7时本发明的系统和速率仿真图。图中曲线A为现有采用双向协同中继技术的多用户中继通信系统的系统和速率曲线，曲线B为本发明的系统和速率曲线。从仿真图可以看出，采用本发明方法的系统和速率要高于现有技术方案的和速率。系统和速率曲线的斜率为系统的自由度，因此可以看出采用本发明方法的系统自由度也要高于现有技术方案的系统自由度。因此从仿真图中可以看出，本发明方法的系统和速率和自由度要优于现有采用双向协同中继技术方案的系统和速率和自由度。

Claims (5)

1.一种多用户多输入多输出协同中继系统信息处理方法，包括步骤如下：

(1)调制发送信息

在多址接入时隙对各个用户端给其它所有用户传输的独立待发送信息进行二进制相位调制，得到调制信号；

(2)获取用户端预编码矩阵

2a)采用信号空间对齐技术，将调制后的待发送信息中需要进行交换的两路信息对齐到同一个信号子空间，得到预编码矢量集合；

2b)将对应于每个用户待发送信息的矢量集合并排组成与该用户对应的预编码矩阵；

2c)对每个用户调制后的待发送信息采用与该用户对应的预编码矩阵进行加权；

2d)将所有用户加权后的待发送信息同时发送出去；

(3)中继端译码转发

3a)中继端对接收的用户发送信号采用最小均方误差方法进行检测译码；

3b)对译码后的信号进行网络编码，得到中继待发送信号；

3c)对中继待发送信号进行二进制相位调制，得到调制信号；

(4)天线选择

在广播发送时隙，对已知的下行链路信道矩阵采用基于最大范数的快速天线选择算法进行天线选择，从每个用户的原有天线数目中选择出比用户数目少1的天线数目，得到有效下行链路信道矩阵；

(5)获取中继端预编码矩阵

当中继天线数大于进行零空间抑制的用户端的接收天线总数时，采用零空间抑制技术，抑制中继待发送信号中相对于各个用户无用的信号，得到预编码矢量集合，并排组成预编码矩阵；将调制后的中继待发送信号经过预编码矩阵加权后发送出去；

(6)用户解码

6a)用户端对接收的中继发送信号采用最小均方误差方法进行正确检测译码；

6b)对译码后的信号进行二进制相位解调和与网络编码对应的网络解码，得到用户所需的接收信息。

2.根据权利要求1所述的多用户多输入多输出协同中继系统信息处理方法，其特征在于，步骤(1)中所述传输独立待发送信息的要求是，用户天线数目大于等于待发送信息的路数。

3.根据权利要求1所述的多用户多输入多输出协同中继系统信息处理方法，其特征在于，步骤2a)中所述信号空间对齐技术实现的条件是，中继天线数目小于进行信号空间对齐的两个用户的天线总数。

4.根据权利要求1所述的多用户多输入多输出协同中继系统信息处理方法，其特征在于，步骤3a)中所述正确检测译码的要求是，中继天线数大于等于接收的独立信号路数。

5.根据权利要求1所述的多用户多输入多输出协同中继系统信息处理方法，其特征在于，步骤3b)中所述的网络编码可采用基于取模或异或运算的编码映射。