CN102546127A - Mimo中继系统中的信息处理方法 - Google Patents

Abstract

一种MIMO中继系统中的信息处理方法，步骤为：源节点1、2分别向中继节点和目的节点1、2发射训练序列，中继进行信道估计处理，得到源节点1、2和中继之间的估计信道，目的节点1、2进行信道估计处理，得到源节点1、2和目的节点1、2之间的估计信道；中继向目的节点1、2发送训练序列，目的节点1、2进行信道估计处理，得到中继和目的节点1、2之间的估计信道；中继根据估计得到的信道，应用迭代算法计算中继处理矩阵及节点的接收矩阵；源节点分别向中继和目的节点发射信号；中继对信号进行线性处理，并转发给目的节点；目的节点进行合并处理。本发明考虑了直传链路，能有效地改善系统的均方误差和比特误码率性能。

Description

MIMO中继系统中的信息处理方法

技术领域

本发明涉及无线通信的MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)和中继技术领域，具体涉及一种基于直传链路，系统均方误差和比特误码率性能良好的MIMO中继系统中的信息处理方法。

背景技术

移动通信系统中的中继技术，能够有效地扩大网络覆盖范围，提高系统的容量，已被3GPPLTE-A标准所采纳。目前，中继方式主要有放大转发(AF)和解码转发(DF)两种方式。其中，AF方式由于实现简单，复杂度低而得到广泛的研究应用。当中继安装多天线时，结合MIMO技术能进一步改善了系统的性能。在MIMO系统中，为了充分利用MIMO技术带来的系统增益，需要根据信道状态信息(CSI)来设计发射端的信号处理技术。

经对现有文献检索发现，P.Ubaidulla，A.Chockalingam“Relay PrecoderOptimization In MIMO-relay Networks With Imperfect CSI”IEEE Transactions On SignalProcessing，2011(“基于非完整CSI下的MIMO中继系统中的最优中继预编码设计)，该文献的模型由多对单天线的源节点-目的节点，多天线的中继节点组成，并在非完整CSI情况下，联合设计了中继节点发送机和目的节点接收机。该方案分别考虑估计误差和量化误差两种情况下的非完整信道状态信息(CSI)，基于最小均方误差(MMSE)等准则下的中继发送机和目的节点接收机的联合设计，有效的改善了系统的性能。但是，该方案没有考虑直传路径，而直传链路能够为系统带来分集增益而不应该被忽略。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，对于上述文献的模型进行简化，在完整信道状态信息(CSI)情况下，提供一种基于直传路径的MIMO中继系统中的信息处理方法。在本发明的AF MIMO中继系统中，根据MMSE(Minimum Mean Squared Error，最小均方误差)准则，设计了中继节点和目的节点的联合信息处理方案，该方案充分考虑了直传路径，能有效改善系统的均方误差和比特误码率性能。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步，源节点1向中继节点和目的节点1发射训练序列

中继根据接收到的信号

进行信道估计处理，得到源节点1和中继节点之间的估计信道

目的节点1根据接收到的信号

进行信道估计处理，得到源节点1和目的节点1之间的估计信道h₀₁(h₀₁∈C^1*1)。

其中N是中继的天线数，T_τ是序列的长度，C^M×N表示M×N的复矩阵空间。

第二步，源节点2向中继节点和目的节点2发射训练序列

中继根据接收到的信号

进行信道估计处理，得到源节点2和中继节点之间的估计信道h₁₂(h₁₂∈C^N*1)；目的节点2根据接收到的信号

进行信道估计处理，得到源节点2和目的节点2之间的估计信道h₀₂(h₀₂∈C^1*1)。

其中N是中继的天线数，T_τ是序列的长度，C^M×N表示M×N的复矩阵空间。

第三步，中继向目的节点1，2发送训练序列

目的节点1根据接收到的信号

进行信道估计处理，得到中继和目的节点1之间的估计信道目的节点2根据接收到的信号

进行信道估计处理，得到中继和目的节点2之间的估计信道

其中

表示h₁的共轭转置，

表示h₂的共轭转置。

第四步，中继根据已知的信道，应用迭代算法计算中继处理矩阵W，以及目的节点1和目的节点2的接收向量

和

其中，迭代算法进一步包括以下步骤：

(1)初始化，

设置当前迭代次数n＝1；

上述式子中：I_N表示N×N的单位矩阵，N是中继天线数，P_r是中继发射功率；

(2)计算

和

$f_1={(H_2{R}_s{H}_2^H+R{\mathrm{\η}}_2)}^{-1}{H}_2{\mathrm{Pa}}_1$

$f_2={(H_3{R}_s{H}_3^H+{\mathrm{R\η}}_3)}^{-1}{H}_3{\mathrm{Pa}}_2$

式中：a₁＝[1 0]^T，a₂＝[0 1]^T；

H₁＝[h₁₁ h₁₂]， $H_2=\left[\begin{array}{c}{h}_{1d}^H\\ h_1^H{\mathrm{WH}}_1\end{array}\right],$ $H_3=\left[\begin{array}{c}{h}_{2d}^H\\ h_2^H{\mathrm{WH}}_1\end{array}\right];$

$h_{1d}^H=\left[\begin{array}{cc}{h}_{01}& 0\end{array}\right],$ $h_{2d}^H=\left[\begin{array}{cc}0& h_{02}\end{array}\right];$

h₀₁表示源节点1到目的节点1的直传信道，h₀₂表示源节点2到目的节点2的直传信道；

表示中继到目的节点1的信道，

表示中继到目的节点2的信道，

P_s为源端发射总功率；

${\mathrm{R\η}}_2=E\{n_2*n_2^H\},$ ${\mathrm{R\η}}_3=E\{n_3*n_3^H\},$ R_s＝P*P^H；

$n_2=\left[\begin{array}{c}{n}_{01}\\ h_1^H{\mathrm{Wn}}_1+n_{21}\end{array}\right],$ $n_3=\left[\begin{array}{c}{n}_{02}\\ h_2^H{\mathrm{Wn}}_1+n_{22}\end{array}\right];$

n₀₁(n₀₁∈C^1*1)表示从源节点1到目的节点1的接收噪声，n₀₂(n₀₂∈C^1*1)表示从源节点1到目的节点1的接收噪声，n₁(n₁∈C^N*1)表示中继的接收噪声，n₂₁(n₂₁∈C^1*1)表示从中继到目的节点1的接收噪声，n₂₂(n₂₂∈C^1*1)表示从中继到目的节点2的接收噪声。

(3)计算W

$W={(F_2^H{F}_2+\mathrm{\λ}{I}_N)}^{-1}(F_2^H{\mathrm{PH}}_1^H-F_2^H{F}_1\mathrm{Rs}{H}_1^H){(H_1{\mathrm{RsH}}_1^H+{\mathrm{\σ}}_2^2{I}_N)}^{-1}$

式中：

H₁(H₁∈C^N*2)是两个源节点到中继的信道；

$f_1^H=[f_1{\left(1\right)}^H,f_1{\left(2\right)}^H],$ $f_2^H=[f_2{\left(1\right)}^H,f_2{\left(2\right)}^H];$

$F_1=\left[\begin{array}{c}{f}_1{\left(1\right)}^H{h}_{1d}^H\\ f_2{\left(1\right)}^H{h}_{2d}^H\end{array}\right],$ $F_2=\left[\begin{array}{c}{f}_1{\left(2\right)}^H{h}_1^H\\ f_2{\left(2\right)}^H{h}_2^H\end{array}\right];$

λ满足 $\mathrm{\λ}\left(\mathrm{Tr}(W(H_1\mathrm{Rs}{H}_1^H+{\mathrm{\δ}}_2^2{I}_N)W^H-P_r)\right)=0$ 且 $\mathrm{Tr}\left(W(H_1{\mathrm{RsH}}_1^H+{\mathrm{\δ}}_2^2{I}_N)W^H\right)\≤P_r;$

是中继接收噪声的协方差矩阵；

上标(·)^H表示矩阵的共轭转置，上标(·)^-1表示矩阵的逆，Tr(·)表示矩阵的迹。

(4)n＝n+1，如果n≤N_max，重复(2)(3)；否则退出算法。

其中：N_max为最大迭代次数。

第五步，源节点1同时向中继和目的节点1发送信号s₁，源节点2同时向中继和目的节点2发送信号s₂，此时中继接收信号为y_r，目的节点1接收信号为y₀₁，目的节点2接收信号为y₀₂。

其中：源节点和目的节点都是单天线，中继节点是多天线N，源节点的发射总功率P_s。

第六步，中继对于接收到的信号y_r进行线性处理，即乘以一个预编码矩阵W，得到新的发射信号具体为：

${\stackrel{\‾}{y}}_r={\mathrm{Wy}}_r$

第七步，中继把处理后的信号

广播出去，目的节点1接收信号为y₁₁，目的节点2接收信号为y₁₂。

其中中继发射功率为P_r。

第八步，在目的节点1包含两个信号y₀₁，y₁₁，采用接收机

对两个信号进行合并处理，得到信号y₁。

这里的合并处理是：

$y_1=f_1^H*\left[\begin{array}{c}{y}_{01}\\ y_{11}\end{array}\right]$

第九步，在目的节点2包含两个信号y₀₂，y₁₂，采用接收机

对两个信号进行处理，得到信号y₂。

这里的合并处理是：

$y_2=f_2^H*\left[\begin{array}{c}{y}_{02}\\ y_{12}\end{array}\right]$

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在设计中继和目的节点的信号处理方案时，考虑了直传链路，直传链路能够为MIMO中继系统带来分集增益，因此本发明能够有效地改善实际系统的均方误差和比特误码率性能。

附图说明

图1为本发明实施例的考虑直传信道的MIMO中继系统结构示意图；

图2为本发明实施例的均方误差性能图；

图3为本发明实施例的误码率性能图。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，该实施例以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了具体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实例。

实施例中，源节点1和源节点2的天线数均为1，中继的天线数N＝2。待传输的符号为随机生成的QPSK调制符号，源节发射信号的总功率为P_s。源节点和中继间的信道，源节点和目的节点间的信道都为瑞利(Rayleigh)平坦衰落。源节点和目的节点的接收噪声，源节点和中继之间的接收噪声，中继节点和目的节点的接收噪声均为零均值复高斯白噪声，其协方差矩阵分别为

定义第一个时隙直传链路，源节点到中继和第二个时隙中继到目的节点的信噪比分别为

其中，P_s为源节点的发射总功率。

本发明提供一种MIMO中继系统中的信息处理方法，包括以下步骤：

第一步，源节点1向中继节点和目的节点1发射训练序列中继根据接收到的信号

进行信道估计处理，得到源节点1和中继节点之间的估计信道h₁₁(h₁₁∈C^N*1)；目的节点1根据接收到的信号

进行信道估计处理，得到源节点1和目的节点1之间的估计信道h₀₁(h₀₁∈C^1*1)。

其中N是中继的天线数，T_τ是序列的长度，C^M×N表示M×N的复矩阵空间。

第二步，源节点2向中继节点和目的节点2发射训练序列

中继根据接收到的信号

进行信道估计处理，得到源节点2和中继节点之间的估计信道h₁₂(h₁₂∈C^N*1)；目的节点2根据接收到的信号

进行信道估计处理，得到源节点2和目的节点2之间的估计信道h₀₂(h₀₂∈C^1*1)。

第三步，中继向目的节点1，2发送训练序列

目的节点1根据接收到的信号

进行信道估计处理，得到中继和目的节点1之间的估计信道

目的节点2根据接收到的信号进行信道估计处理，得到中继和目的节点2之间的估计信道

其中

表示h₁的共轭转置，

表示h₂的共轭转置。

第四步，中继根据已知的信道，应用迭代算法计算中继处理矩阵W，以及目的节点1和目的节点2的接收向量

和

该步骤中，迭代算法进一步包括以下步骤：

(1)初始化，

设置当前迭代次数n＝1；

上述式子中：I_N表示N×N的单位矩阵，N是中继天线数，P_r是中继发射功率；

(2)计算

和

$f_1={(H_2{R}_s{H}_2^H+R{\mathrm{\η}}_2)}^{-1}{H}_2{\mathrm{Pa}}_1$

$f_2={(H_3{R}_s{H}_3^H+{\mathrm{R\η}}_3)}^{-1}{H}_3{\mathrm{Pa}}_2$

式中：a₁＝[1 0]^T，a₂＝[0 1]^T；

H₁＝[h₁₁ h₁₂]， $H_2=\left[\begin{array}{c}{h}_{1d}^H\\ h_1^H{\mathrm{WH}}_1\end{array}\right],$ $H_3=\left[\begin{array}{c}{h}_{2d}^H\\ h_2^H{\mathrm{WH}}_1\end{array}\right];$

$h_{1d}^H=\left[\begin{array}{cc}{h}_{01}& 0\end{array}\right],$ $h_{2d}^H=\left[\begin{array}{cc}0& h_{02}\end{array}\right];$

h₀₁表示源节点1到目的节点1的直传信道，h₀₂表示源节点2到目的节点2的直传信道；

表示中继到目的节点1的信道，

表示中继到目的节点2的信道，

P_s为源端发射总功率；

${\mathrm{R\η}}_2=E\{n_2*n_2^H\},$ ${\mathrm{R\η}}_3=E\{n_3*n_3^H\},$ R_s＝P*P^H；

$n_2=\left[\begin{array}{c}{n}_{01}\\ h_1^H{\mathrm{Wn}}_1+n_{21}\end{array}\right],$ $n_3=\left[\begin{array}{c}{n}_{02}\\ h_2^H{\mathrm{Wn}}_1+n_{22}\end{array}\right];$

n₀₁(n₀₁∈C^1*1)表示从源节点1到目的节点1的接收噪声，n₀₂(n₀₂∈C^1*1)表示从源节点1到目的节点1的接收噪声，n₁(n₁∈C^N*1)表示中继的接收噪声，n₂₁(n₂₁∈C^1*1)表示从中继到目的节点1的接收噪声，n₂₂(n₂₂∈C^1*1)表示从中继到目的节点2的接收噪声。

(4)计算W

$W={(F_2^H{F}_2+\mathrm{\λ}{I}_N)}^{-1}(F_2^H{\mathrm{PH}}_1^H-F_2^H{F}_1\mathrm{Rs}{H}_1^H){(H_1{\mathrm{RsH}}_1^H+{\mathrm{\σ}}_2^2{I}_N)}^{-1}$

式中：

H₁(H₁∈C^N*2)是两个源节点到中继的信道；

$f_1^H=[f_1{\left(1\right)}^H,f_1{\left(2\right)}^H],$ $f_2^H=[f_2{\left(1\right)}^H,f_2{\left(2\right)}^H];$

$F_1=\left[\begin{array}{c}{f}_1{\left(1\right)}^H{h}_{1d}^H\\ f_2{\left(1\right)}^H{h}_{2d}^H\end{array}\right],$ $F_2=\left[\begin{array}{c}{f}_1{\left(2\right)}^H{h}_1^H\\ f_2{\left(2\right)}^H{h}_2^H\end{array}\right];$

λ满足 $\mathrm{\λ}\left(\mathrm{Tr}(W(H_1\mathrm{Rs}{H}_1^H+{\mathrm{\δ}}_2^2{I}_N)W^H-P_r)\right)=0$ 且 $\mathrm{Tr}\left(W(H_1{\mathrm{RsH}}_1^H+{\mathrm{\δ}}_2^2{I}_N)W^H\right)\≤P_r;$

是中继接收噪声的协方差矩阵；

上标(·)^H表示矩阵的共轭转置，上标(·)^-1表示矩阵的逆，Tr(·)表示矩阵的迹。

(4)n＝n+1，如果n≤N_max，重复(2)(3)；否则退出算法。

其中：N_max为最大迭代次数。

第五步，源节点1同时向中继和目的节点1发送信号s₁，源节点2同时向中继和目的节点2发送信号s₂，此时中继接收信号为y_r，目的节点1接收信号为y₀₁，目的节点2接收信号为y₀₂。

其中：源节点和目的节点都是单天线，中继节点是多天线N，源节点的发射总功率为P_s。

第六步，中继对于接收到的信号y_r进行线性处理，即乘以一个预编码矩阵W，得到新的发射信号

具体为：

${\stackrel{\‾}{y}}_r={\mathrm{Wy}}_r$

第七步，中继把处理后的信号

进行广播，目的节点1接收信号为y₁₁，目的节点2接收信号为y₁₂。

其中中继发射功率为P_r。

第八步，在目的节点1包含两个信号y₀₁，y₁₁，采用接收机对两个信号进行合并处理，得到信号y₁。

这里的合并处理是：

$y_1=f_1^H*\left[\begin{array}{c}{y}_{01}\\ y_{11}\end{array}\right]$

第九步，在目的节点2包含两个信号y₀₂，y₁₂，采用接收机对两个信号进行处理，得到信号y₂。

这里的合并处理是：

$y_2=f_2^H*\left[\begin{array}{c}{y}_{02}\\ y_{12}\end{array}\right]$

请参阅图1，基于上述的方法，在本发明的实施例中，考虑直传信道的MIMO中继系统包括源节点S1、源节点S2、中继、目的节点D1和目的节点D2，源节点S1、S2以及目的节点D1、D2均与中继通过信道通信连接，且源节点S1与目的节点D1之间，以及源节点S2与目的节点D2之间信道连接。其中，源节点S1和源节点S2的天线数均为1，中继的天线数N＝2。

如图2所示，其为本发明的均方误差性能图，源节点1和源节点2的天线数均为1，中继天线数N＝2，所有信道的特性都服从瑞利平坦衰落。中继和所有用户的接收噪声均为零均值复高斯白噪声，一共随机生成了10000次信道，在每次信道实现中，每个数据子流都发送1000个QPSK信号，把本发明提出的方案分为四种情况：

(1)SNR1＝SNR2＝SNR3；

(2)SNR1＝SNR2＝SNR3+3；

(3)SNR1＝SNR2＝SNR3+7；

(4)SNR1＝SNR2＝SNR3+10；

然后与文献Wei.Guan and Hanwen.Luo，Joint MMSE Transceiver Design inNon_Regenerative MIMO relay Systems [J]IEEE Commun.Letter，2008.7中不考虑直传链路的中继和目的节点联合处理的方案相比较，且文献中源节点的发射信号和本发明方案相同。从图中可以看到，本发明方案有效地改善了系统的均方误差性能，并且随着信噪比增大，这种性能优势也更加明显。

如图3所示，其为本发明的误码率性能图，从图中可以看到，本发明方案有效地改善了系统的比特误码率性能，并且随着信噪比增大，这种性能优势也更加明显。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种MIMO中继系统中的信息处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，源节点1向中继节点和目的节点1发射训练序列 

中继根据接收到的信号 

进行信道估计处理，得到源节点1和中继节点之间的估计信道h₁₁(h₁₁∈C^N*1)；目的节点1根据接收到的信号 

进行信道估计处理，得到源节点1和目的节点1之间的估计信道h₀₁(h₀₁∈C^1*1)；

其中N是中继的天线数，T_τ是序列的长度，C^M×N表示M×N的复矩阵空间；

第二步，源节点2向中继节点和目的节点2发射训练序列 

中继根据接收到的信号 

进行信道估计处理，得到源节点2和中继节点之间的估计信道h₁₂(h₁₂∈C^N*1)；目的节点2根据接收到的信号 

进行信道估计处理，得到源节点2和目的节点2之间的估计信道h₀₂(h₀₂∈C^1*1)；

其中N是中继的天线数，T_τ是序列的长度，C^M×N表示M×N的复矩阵空间；

第三步，中继向目的节点1，2发送训练序列x_r(x_r∈C^N*Tτ)，目的节点1根据接收到的信号 

进行信道估计处理，得到中继和目的节点1之间的估计信道 

目的节点2根据接收到的信号 

进行信道估计处理，得到中继和目的节点2之间的估计信道 

其中 

表示h₁的共轭转置， 

表示h₂的共轭转置；

第四步，中继根据已知的信道，应用迭代算法计算中继处理矩阵W，以及目的节点1和目的节点2的接收向量 

和 

第五步，源节点1同时向中继和目的节点1发送信号s₁，源节点2同时向中继和目的节点2发送信号s₂，此时中继接收信号为y_r，目的节点1接收信号为y₀₁，目的节点2接收信号为y₀₂；

第六步，中继对于接收到的信号y_r进行线性处理，即乘以一个预编码矩阵W，得到新的发射信号 

第七步，中继把处理后的信号 

广播出去，目的节点1接收信号为y₁₁，目的节点2接收信号为y₁₂； 

第八步，在目的节点1包含两个信号y₀₁，y₁₁，采用接收机 

对两个信号进行合并处理，得到信号y₁；

第九步，在目的节点2包含两个信号y₀₂，y₁₂，采用接收机 

对两个信号进行处理，得到信号y₂。

2.根据权利要求1所述的MIMO中继系统中的信息处理方法，其特征在于，第四步中所述的迭代算法进一步包括以下步骤：

(1)初始化， 

设置当前迭代次数n＝1。

上述式子中：I_N表示N×N的单位矩阵，N是中继天线数，P_r是中继发射功率。

(2)计算 

和 

式中：a₁＝[1 0]^T，a₂＝[0 1]^T；

H₁＝[h₁₁ h₁₂]，

h₀₁表示源节点1到目的节点1的信道，h₀₂表示源节点2到目的节点2的信道；

表示中继到目的节点1的信道， 

表示中继到目的节点2的信道， 

Ps源端发射总功率；

R_s＝P*P^H；

n₀₁(n₀₁∈C^1*1)表示从源节点1到目的节点1的接收噪声，n₀₂(n₀₂∈C^1*1)表示从源节点2到目的节点2的接收噪声，n₁(n₁∈C^N*1)表示中继的接收噪声，n₂₁(n₂₁∈C^1*1)表示从中继到目的节点1的接收噪声，n₂₂(n₂₂∈C^1*1)表示从中继到目的节点2的接收噪声。    (3)计算W

式中： 

H₁(H₁∈C^N*2)是两个源节点到中继的信道；

λ满足

且

是中继接收噪声的协方差矩阵；

上标(·)^H表示矩阵的共轭转置，上标(·)^-1表示矩阵的逆，Tr(·)表示矩阵的迹。

(4)n＝n+1，如果n≤N_max，重复(2)(3)；否则退出算法。

其中：N_max为最大迭代次数。

3.根据权利要求1所述的MIMO中继系统中的信息处理方法，其特征在于，第六步中所说的中继对于接收到的信号y_r的线性处理是指：

y_r＝Wy_r。

4.根据权利要求1所述的MIMO中继系统中的信息处理方法，其特征在于，第八步所述的目的节点1的合并处理是指：

。

5.根据权利要求1所述的MIMO中继系统中的信息处理方法，其特征在于，第九步所述的目的节点2的合并处理是指：

。

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