CN102545982A - 基于中继协作传输的下行广播信道中的线性预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于中继协作传输的下行广播信道中的线性预编码方法，包括信源的预编码算法，中继节点的处理算法和信宿的接收算法。首先，信源根据信源到信宿群的直接信道信息建立一个预编码矩阵，然后信源把预编码矩阵发送给中继节点，中继节点根据收到的发自信源的预编码矩阵和信源到中继节点的信道信息，以及中继节点到信宿群的信道信息建立一个处理矩阵，处理矩阵包括一个接收矩阵和一个发射矩阵，各个信宿采用最大比合并算法处理接收来自信源和中继节点的信号。其次，在设计信源预编码矩阵和中继处理矩阵时，指出了原有设计策略的不足，创新地充分利用了信源到信宿群的直接链路以提高整个系统的总容量。

Description

基于中继协作传输的下行广播信道中的线性预编码方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体是一种基于中继协作传输的下行广播信道中的线性预编码方法。

背景技术

随着通信技术的不断发展，人们对传输速率、传输可靠性、资源利用率以及通信安全等性能要求越来越高。van der Meulen等人于1971年提出了三终端中继协作通信的概念，其核心思想是允许中继节点对来自信源端的信息经过简单放大或者是压缩编码或者是解码再编码后再虚传给信宿，目的是帮助信源传输信息给信宿。但是，到了上世纪八十年代，有关协作中继系统的研究逐渐减少，直到本世纪初才再次引起研究者的广泛关注。因为中继协作通信，可以对抗多径衰落，提高通信质量的重要手段之一。在中继网络中，信源向信宿发送消息，中继节点也同时接收到这个消息，并将其转发给信宿(或者是经过一定处理之后再进行转发)。最后信宿再利用收到的所有消息，进行解码。在这样的传输模型下，中继节点对信源-信宿之间的通信起到了一定的协助作用，等同于在不需要配置多天线的条件下，提供了一定的空间分集，提高了通信质量。

但是单信源单中继单信宿的协作通信方式与现在的蜂窝网络中的拓扑结构不太相符。单个多天线信源(基站)和单个多天线中继站同时服务于多个单天线移动用户的情形，是一种最为实用的协作通信模式。通过一定预编码策略，可以抑制由于同信道传输所造成的干扰给不同用户造成的解码困难问题。显然，这种做法能让一个多天线基站和一个多天线中继同时服务于多个单天线移动用户。Chan-Byoung Chae等人于2008年发表在IEEE Trans.Sig.Proc.上的文章“MIMO Relaying With Linear Processing for MultiuserTransmission in Fixed Relay Networks”，较早考虑了一个基站通过一个中继站同时服用于多个用户的模型。Rui Zhang等人于2009年在IEEE Trans.Sig.Proc.上发表的“JointBeamforming and Power Control for Multi-antenna Relay Broadcast Channel with QoSConstraints”一文，给出来一种能满足QoS服务的预编码算法。Wei Xu等人于2011年在IEEE Trans.Commun.上发表的“Joint Precoding Optimization for Multiuser Multi-AntennaRelaying Downlinks Using Quad ratic Programming”一文，给出一种基于二次优化的预编码算法。这就为一个基站通过一个中继站同时服务多个移动用户的研究奠定了理论基础。但是，以上的研究都只是考虑了基站到中继站再到移动用户之间的链路信息，并没有考虑基站到移动用户之间的直接链路信息。

2004年3GPP的多伦多会议，提出了著名的LTE(Long Term Evolution)项目。这是3G与4G技术之间的一个过渡，是3.9G的全球标准。它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准，在20MHz频谱带宽下能够提供下行

326Mbit/s与上行86Mbit/s的峰值速率，改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟。Type-II中继是LTE项目中关于中继的一种重要的提案，该类中继没有小区ID，其应用目的是提供对主eNB信号的分集，或者和主eNB一起进行协作传送，以增加小区容量。Type-II中继与Type-I中继在理论研究上的最大区别在于，在Type-II中继场景中，信源(eNB)与信宿(UE)之间存在着直接的通信链路。因此，按照这样的网络拓扑结构，利用直接链路信息进行预编码的方案在多信源Type-II中继场景中的应用便顺理成章。而目前对于信源(eNB)预编码的研究都是基于Type-I模型，直接链路的信道信息比没有得到有效的利用。是否能利用直接链路的信息进行相关的预编码设计，来提升这个系统的性能，在这方面并没有相关的研究。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术忽略信源到信宿群的直接链路的不足，信源根据信源到信宿群的信道信息建立一个预编码矩阵，然后信源把预编码矩阵发送给中继节点，中继节点根据收到的发自信源的预编码矩阵和信源到中继节点的信道信息以及中继节点到信宿群的信道信息建立一个接收矩阵和一个发射矩阵，各个信宿采用最大比合并算法处理接收来自信源和中继节点的信号信息。在设计信源预编码矩阵和中继接收发射编码矩阵时，创新地充分利用了信源到信宿群的直接链路以提高整个系统的总容量，提供了一种基于中继协作传输的下行广播信道中的线性预编码方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于中继协作传输的下行广播信道中的线性预编码方法，包括以下步骤：

步骤1：信源S根据已获得的信源自身到信宿群D₁、D₂、…D_k之间的信道信息矩阵

H_SD，信源的发射功率P_s，信源的天线个数K_s，信宿的个数K，以及噪声的估计方差σ²，设计一个线性预编码矩阵F；

步骤2：信源S把设计好的线性预编码矩阵F广播给中继节点；

步骤3：中继R接收到F后，结合已获得的信源S到中继R之间的信道信息矩阵H_SR，和已获得的中继R到信宿群D₁、D₂、…D_k之间的信道信息矩阵H_RD，和中继节点的发射功率P_r，中继R的天线个数K_r，以及噪声的估计方差σ²，设计一个处理矩阵G，其中处理矩阵G由一个接收矩阵G_R和一个发射矩阵G_T组成。编码过程结束，开始进行消息的传输；

步骤4：各个信宿采用最大比合并算法处理接收来自信源和中继节点的信号信息；

其中，H_SD，H_SR和H_RD是编码设计前已经获得的信道信息，信源S是在同一频率，同一时间段内同时与信宿群D₁、D₂、…D_k通信，信宿的个数K小于等于中继R的天线个数K_r，同时信宿的个数K小于等于信源S的天线个数K_s。

所述编码矩阵F的设计函数如下：

其中，

代表H_SD的共轭转置，

或α＝0代表编码矩阵F中的优化参数，I代表单位矩阵。

所述在信源S端，设计编码矩阵F时优先考虑H_SD。

所述处理矩阵G的设计函数如下：

G＝G_TG_R，

其中，

其中，

代表H_RD的共轭转置，

代表G的共轭转置，

代表F的共轭转置，

或者γ＝0，

或者β＝0，\代表右除，I代表单位矩阵。

所述在中继R端，设计处理矩阵G时，同时考虑F，H_SR和H_RD。

本发明的工作原理如下：

包括直接链路的预编码机制：以往的预编码机制，都仅仅是考虑信源-中继-信宿群之间的信道信息，而信源-信宿群之间的直接链路信息被忽略，从而造成直接链路容量的损失。本发明提出信源首先根据信源-信宿群之间的直接链路信息设计预编码矩阵，然后把预编码矩阵传输给中继节点，中继节点收到信源发送过来的预编码矩阵后，在信源的预编码矩阵的基础上，设计中继节点自己的处理矩阵。策略上，优先利用了信源到信宿群之间的直接链路信息。

附图说明

图1为1-1-K中继广播网络抽象图。

图2为1-1-K中继广播网络的具体实施范例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如附图1所示，本实施例的应用场景为“1-1-K”中继广播网络，即网络中包含有1个多天线信源节点，1个多天线中继节点和K个单天线信宿。

如附图2所示，本实施例采用该图所示信道模型。1个信源(S)用Base Station(基站)表示，中继节点R用Relay Station(中继站)表示，信宿群D1、D2、…Dk用User_1，User_2，…User_K(用户)表示。其中基站有K_s个天线，中继站有K_r个天线，K个用户且每个用户只有一个天线。我们进一步假设K_s＝K_r＝K。这个完整的信号传输过程分两个正交信道，可以是时分正交信道，或者是频分正交信道。假设在同一次传输中，两个短暂正交信道保持不变。在信号传输之前进行预编码设计。每次按以下步骤进行：

步骤1：信源S根据已获得的信源自身到信宿群D₁、D₂、…D_k之间的信道信息矩阵H_SD，信源的发射功率P_s，信源的天线个数K_s，信宿的个数K，以及噪声的估计方差σ²，设计一个线性预编码矩阵F；

步骤2：信源S把设计好的线性预编码矩阵F广播给中继节点；

步骤3：中继R接收到F后，结合已获得的信源S到中继R之间的信道信息矩阵H_SR，和已获得的中继R到信宿群D₁、D₂、…D_k之间的信道信息矩阵H_RD，和中继节点的发射功率P_r，中继R的天线个数K_r，以及噪声的估计方差σ²，设计一个处理矩阵G，其中处理矩阵G由一个接收矩阵G_R和一个发射矩阵G_T组成，编码过程结束，开始进行消息的传输；

步骤4：各个信宿采用最大比合并算法处理接收来自信源和中继节点的信号信息；

其中，H_SD，H_SR和H_RD是编码设计前已经获得的信道信息，信源S是在同一频率，同一时间段内同时与信宿群D₁、D₂、…D_k通信，信宿的个数K小于等于中继R的天线个数K_r，同时信宿的个数K小于等于信源S的天线个数K_s。

具体为：

步骤1：信道估计。基站估计基站到用户群之间的信道信息，得到直接链路的信道信息矩阵H_SD。中继站估计基站到中继站之间的信道信息矩阵和中继站到用户群之间的信道信息矩阵，从而得到H_SD和H_RD。

基站根据H_SD，基站的发射功率P_s，用户的个数K，以及噪声的估计方差σ²，设计一个线性预编码矩阵F。编码矩阵F的设计函数如下：

其中，

代表H_SD的共轭转置，

或α＝0代表编码矩阵F中的优化参数，I代表单位矩阵。

步骤2：基站把设计好的线性预编码矩阵F广播出去。

步骤3：中继站接收到F后，结合H_SR和H_RD，和中继站的发射功率P_r，用户的个数K，以及噪声方差σ²，设计一个处理矩阵G。其中，处理矩阵G包括一个接收矩阵G_R和一个发射矩阵G_T，处理矩阵G的设计函数如下：G＝G_TG_R，其中，

代表H_RD的共轭转置，

代表G的共轭转置，

代表F的共轭转置，

或者γ＝0，

或者β＝0，\代表右除。I代表单位矩阵。

编码过程结束，开始进行数据信息的传输。

步骤4：在第一正交信道内，基站把已经经过调制的要传输给用户的数据d＝[d₁，d₂，…，d_K]^T乘与一个预编码矩阵F后广播出去。其中，A^T表示是矩阵A的转置操作，d_i是要传输给第i个用户的已调制数据(i＝1，2，…，K)。

中继站把在第一正交信道内接收到的数据信号和噪声乘与一个处理矩阵G后，在第二个正交信道内广播给用户。

各个用户用最大比合并法处理在第一正交信道内和第二正交信道内接收到的数据后，进行解密操作。一次传输通信过程结束。

本实施例中，设定了两个正交信道，在第一正交信道内，基站把中继站当做旁听协助者，用户群才是基站要关注的传输通信对象。在第二个正交信道内，中继站把接收到的数据结果处理后转发给用户。本发明提出的预编码方案，基站优先考虑基站到用户的直接链路信息，相比较原有的方案，充分利用了基站到用户之间的直接链路，所以容量有较大的提高，特别是当中继站靠近基站时。

Claims (5)

1.一种基于中继协作传输的下行广播信道中的线性预编码方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：信源S根据已获得的信源自身到信宿群D₁、D₂、…D_k之间的信道信息矩阵H_SD，信源的发射功率P_s，信源的天线个数K_s，信宿的个数K，以及噪声的估计方差σ²，设计一个线性预编码矩阵F；

步骤2：信源S把设计好的线性预编码矩阵F广播给中继节点；

步骤3：中继R接收到F后，结合已获得的信源S到中继R之间的信道信息矩阵H_SR，和已获得的中继R到信宿群D₁、D₂、…D_k之间的信道信息矩阵H_RD，和中继节点的发射功率P_r，中继R的天线个数K_r，以及噪声的估计方差σ²，设计一个处理矩阵G，其中处理矩阵G由一个接收矩阵G_R和一个发射矩阵G_T组成，编码过程结束，开始进行消息的传输；

步骤4：各个信宿采用最大比合并算法处理接收来自信源和中继节点的信号信息；

其中，H_SD，H_SR和H_RD是编码设计前已经获得的信道信息，信源S是在同一频率，同一时间段内同时与信宿群D₁、D₂、…D_k通信，信宿的个数K小于等于中继R的天线个数K_r，同时信宿的个数K小于等于信源S的天线个数K_s。

2.根据权利要求1所述的基于中继协作传输的下行广播信道中的线性预编码方法，其特征在于，所述编码矩阵F的设计函数如下：

其中，

代表H_SD的共轭转置，

或α＝0代表编码矩阵F中的优化参数，I代表单位矩阵。

3.根据权利要求2所述的基于中继协作传输的下行广播信道中的线性预编码方法，其特征在于，所述在信源S端，设计编码矩阵F时优先考虑H_SD。

4.根据权利要求1所述的基于中继协作传输的下行广播信道中的线性预编码方法，其特征在于，所述处理矩阵G的设计函数如下：

G＝G_TG_R，

其中，

其中，

代表H_RD的共轭转置，

代表G的共轭转置，代表F的共轭转置，

或者γ＝0，

或者β＝0，\代表右除，I代表单位矩阵。

5.根据权利要求4所述的基于中继协作传输的下行广播信道中的线性预编码方法，其特征在于，所述在中继R端，设计处理矩阵G时，同时考虑F，H_SR和H_RD。

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