CN103379064B - 一种预编码方法、系统及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种预编码方法、系统及装置。该方法包括：分别确定第一信源到信宿、第二信源到信宿、第一信源到中继节点、第二信源到中继节点以及中继节点到信宿的信道状态信息；根据第一信源到信宿、第二信源到信宿、第一信源到中继节点、第二信源到中继节点以及中继节点到信宿的信道状态信息分别确定第一信源、第二信源以及中继节点的预编码矩阵，并分别反馈给第一信源、第二信源以及中继节点；以及第一信源、第二信源以及中继节点分别根据自身的预编码矩阵对待发送的数据进行预编码。通过本发明所述的预编码矩阵设计方法、系统及装置，可以在具有中继节点的网络拓扑下考虑信源和信宿之间的直接链路信息，信源和中继节点以及中继节点和信宿之间的链路信息进行预编码矩阵设计。

Description

一种预编码方法、系统及装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术中的中继协作多天线通信技术，特别涉及一种基于中继协作通信技术的预编码方法、系统及装置。

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，这使得中继协作通信技术成为可以对抗多径衰落，提高通信质量的重要手段之一。

多天线技术和中继协作通信技术的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压缩编码或解码再编码后再传给信宿。最后信宿再利用收到的所有信息，进行解码。在这样的传输模型下，中继节点对信源和信宿之间的通信起到了一定的协助作用，提供了一定的空间分集，提高了通信质量。

但是在单信源单中继单信宿的协作通信方式中，由于中继节点的单工模式，一个完整的数据传输要花费两个正交的信道，这与信源到信宿之间的直接传输只花费一个正交信道相比，这种空间分集特性又降低了频率效率。

2004年第三代合作伙伴项目(3GPP)的多伦多会议，提出了著名的长期演进(LongTerm Evolution，LTE)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，采用正交频分复用(OFDM)和多输入多输出(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。在Type-II中继场景中，信源与信宿之间存在着直接的通信链路。按照这样的网络拓扑结构，考虑直接链路信息和中继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。因此，如何在这样的网络拓扑结构下考虑直接链路信息和中继链路信息进行预编码已成为目前LTE项目需要解决的问题之一。

发明内容

本发明的实施例提供了一种预编码方法、系统及装置，以在具有中继节点的网络拓扑下考虑信源和信宿之间的直接链路信息以及中继链路信息进行预编码矩阵设计。

本发明实施例提出的预编码方法包括：分别确定第一信源到信宿、第二信源到信宿、第一信源到中继节点、第二信源到中继节点以及中继节点到信宿的信道状态信息；根据第一信源到信宿、第二信源到信宿、第一信源到中继节点、第二信源到中继节点以及中继节点到信宿的信道状态信息分别确定第一信源、第二信源以及中继节点的预编码矩阵；将确定的第一信源、第二信源以及中继节点的预编码矩阵分别反馈给第一信源、第二信源以及中继节点；以及第一信源、第二信源以及中继节点分别根据自身的预编码矩阵对待发送的数据进行预编码。

其中，第一信源和第二信源分别为第一移动终端和第二移动终端；所述信宿为基站eNodeB。

上述分别确定第一信源到信宿、第二信源到信宿、第一信源到中继节点、第二信源到中继节点以及中继节点到信宿的信道状态信息包括：eNodeB根据信道的空余情况，分别为第一移动终端、第二移动终端以及中继节点分配参考信号信道，其中，为第一移动终端、第二移动终端以及中继节点所分配的三个参考信号信道是正交的；第一移动终端通过分配给自身的参考信号信道将第一参考信号发送至中继节点和eNodeB；第二移动终端通过分配给自身的参考信号信道将第二参考信号发送至中继节点和eNodeB；中继节点通过所接收的第一参考信号和第二参考信号，分别估计第一移动终端和第二移动终端到中继节点的信道状态信息H_r1和H_r2；中继节点通过自身的参考信号信道将第三参考信号、H_r1和H_r2发送至eNodeB；eNodeB根据所接收的第一参考信号、第二参考信号和第三参考信号分别估计第一移动终端、第二移动终端和中继节点到eNodeB的信道状态信息H_d1、H_d2和H_dr，并根据已估计出的中继节点到eNodeB信宿的信道信息H_dr提取第一移动终端和第二移动终端到中继节点的信道状态信息H_r1和H_r2。

根据第一信源到信宿、第二信源到信宿、第一信源到中继节点、第二信源到中继节点以及中继节点到信宿的信道状态信息分别确定第一信源、第二信源以及中继节点的预编码矩阵包括：以最大化第一信源、第二信源与信宿之间的总吞吐量为优化目标确定第一信源、第二信源以及中继节点的预编码矩阵。

以最大化第一信源、第二信源与信宿之间的总吞吐量为优化目标确定第一信源、第二信源以及中继节点的预编码矩阵包括：

A、预假设信宿节点的解码顺序为：先解第二信源的信号，然后减去第二信源的信号后再解第一信源的信号；

B、初始化中继节点的预编码矩阵G，令其中，p_r为中继节点的发射功率，N_r为中继节点的天线个数，为阶数为N_r的单位矩阵；

C、固定G，求解第一信源的预编码矩阵F₁，使得第一信源与信宿之间的总吞吐量最大；

D、固定G和F₁，求解第二信源的预编码矩阵F₂，使得第二信源与信宿之间的总吞吐量最大；

E、固定F₁和F₂，求解中继节点的预编码矩阵G，使得第一信源、第二信源与信宿之间的总吞吐量最大；

F、判断求得的F₁、F₂和G的值是否已收敛，如果是，则将求得的F₁、F₂和G作为近似最优解；否则，返回C。

上述求解第一信源的预编码矩阵F₁包括：分解得到F₁＝U₁Σ₁，其中， 表示求矩阵X的共轭转置，H_s1表示第一移动终端到信宿之间的信道增益功率，X^-1表示求矩阵X的逆，N_d代表eNodeB的天线个数，I_Nd代表阶数为N_d的单位矩阵，U₁为酉矩阵，Λ₁为非负对角矩阵，Σ₁为第一移动终端功率分配对角矩阵，分配满足以下注水功率分配算法：其中，μ₁满足[x]⁺表示取{0，x}中的较大者，p₁为第一移动终端的发射功率。

求解第二信源的预编码矩阵F₂包括：分解得到F₂＝U₂Σ₂，其中，H_s2表示第二移动终端到信宿之间的信道增益功率；表示求矩阵X的共轭转置，X^-1表示求矩阵X的逆，N_d代表eNodeB的天线个数，I_Nd代表阶数为N_d的单位矩阵，U₂为酉矩阵，Λ₂为非负对角矩阵，Σ₂为第一移动终端功率分配对角矩阵，满足以下注水功率分配算法：其中，μ₂满足[x]⁺表示取{0，x}中的较大者，p₂为第二移动终端的发射功率。

判断求得的F₁、F₂和G的值是否已收敛包括：判断求得的F₁、F₂和G是否满足如下收敛标准：其中，△为预先确定的收敛标准值，Xⁿ和X^n-1(X＝F₁,F₂,G)分别表示前后两次迭代所得矩阵之值，||||为求矩阵F-范数，n为自然数。

本发明实施例提供的通信系统包括：第一信源、第二信源、中继节点以及信宿；其中，所述信宿用于分别确定第一信源到信宿、第二信源到信宿、第一信源到中继节点、第二信源到中继节点以及中继节点到信宿的信道状态信息；根据第一信源到信宿、第二信源到信宿、第一信源到中继节点、第二信源到中继节点以及中继节点到信宿的信道状态信息分别确定第一信源、第二信源以及中继节点的预编码矩阵，将确定的第一信源、第二信源以及中继节点的预编码矩阵分别反馈给第一信源、第二信源以及中继节点；以及所述第一信源、第二信源以及中继节点分别根据自身的预编码矩阵对待发送的数据进行预编码。

其中，信宿为eNodeB，所述第一信源和第二信源分别为第一移动终端和第二移动终端。

本发明实施例提供的eNodeB，包括：

参考信号信道分配单元，用于根据信道的空余情况，分别为第一移动终端、第二移动终端以及中继节点分配参考信号信道，其中，为第一移动终端、第二移动终端以及中继节点所分配的三个参考信号信道是正交的；

第一参考信号接收单元，用于接收第一移动终端、第二移动终端以及中继节点通过各自参考信号信道发送的第一参考信号、第二参考信号以及第三参考信号；

第一信道估计单元，用于根据第一参考信号、第二参考信号和第三参考信号分别估计第一移动终端、第二移动终端和中继节点到eNodeB的信道状态信息H_d1、H_d2和H_dr，并根据已估计出的中继节点到eNodeB信宿的信道信息H_dr提取第一移动终端和第二移动终端到中继节点的信道状态信息H_r1和H_r2；

预编码矩阵设计单元，用于根据第一移动终端到eNodeB、第二移动终端到eNodeB、第一移动终端到中继节点、第二移动终端到中继节点以及中继节点到eNodeB的信道状态信息分别确定第一移动终端、第二移动终端以及中继节点的预编码矩阵；以及

预编码矩阵反馈单元，用于将确定的第一移动终端、第二移动终端以及中继节点的预编码矩阵分别反馈给第一移动终端、第二移动终端以及中继节点。

本发明实施例提供的中继节点包括：

第一参考信号信道接收单元，用于接收基站eNodeB为自身分配的参考信号信道；

第二参考信号接收单元，用于接收第一移动终端和第二移动终端通过各自参考信号信道发送的第一参考信号和第二参考信号；

第二信道估计单元，用于根据第一参考信号和第二参考信号分别估计第一移动终端和第二移动终端到中继节点的信道状态信息H_r1和H_r2；

第一参考信号发送单元，用于通过自身的参考信号信道向eNodeB发送自身的参考信号以及第一移动终端和第二移动终端到中继节点的信道状态信息H_r1和H_r2；以及

第一发送预编码矩阵接收单元，用于接收eNodeB反馈的自身的预编码矩阵，并根据自身的预编码矩阵对待发送的数据进行预编码。

本发明实施例提供的第一移动终端包括：

第二参考信号信道接收单元，用于接收基站eNodeB为自身分配的参考信号信道；其中，所述基站eNodeB进一步为第二移动终端和中继节点分别分配参考信号信道；

第二参考信号发送单元，用于通过自身的参考信号信道向中继节点以及eNodeB发送自身的第一参考信号；其中，所述第二移动终端通过分配给自身的参考信号信道向中继节点和eNodeB发送第二参考信号；所述中继节点通过自身的参考信号信道向eNodeB发送第三参考信号；所述eNodeB根据所接收的第一参考信号、第二参考信号以及第三参考信号分别确定所述第一移动终端、第二移动终端和中继节点到eNodeB的信道状态信息H_d1、H_d2和H_dr，并根据已估计出的中继节点到eNodeB信宿的信道信息H_dr提取第一移动终端和第二移动终端到中继节点的信道状态信息H_r1和H_r2；根据第一移动终端到eNodeB、第二移动终端到eNodeB、第一移动终端到中继节点、第二移动终端到中继节点以及中继节点到eNodeB的信道状态信息分别确定第一移动终端、第二移动终端以及中继节点的预编码矩阵；以及

第二发送预编码矩阵接收单元，用于接收eNodeB反馈的自身的预编码矩阵，并根据自身的预编码矩阵对待发送的数据进行预编码。

本发明实施例所述的预编码方法、系统及装置，可以在具有中继节点的网络拓扑下考虑信源和信宿之间的直接链路信息以及中继链路信息进行预编码矩阵设计。

附图说明

图1为本发明实施例所述的网络拓扑模型示例图；

图2为本发明实施例所述的预编码方法流程图；

图3为本发明实施例所述的确定信道状态信息的方法流程图；

图4为本发明实施例所述的确定预编码矩阵的方法的流程图；

图5为本发明实施例所述的预编码系统结构示意图；

图6为本发明实施例所述的基站eNodeB的内部结构示意图；

图7为本发明实施例所述的中继节点的内部结构示意图；

图8为本发明实施例所述的移动终端的内部结构示意图。

具体实施方式

为了提高频谱效率，克服现有技术中由于中继节点的单工特性造成的频谱效率降低的问题，本发明的实施例假设两个多天线信源通过一个多天线中继节点同时与一个多天线信宿进行通信，同时假设中继节点对所接收的信号进行放大处理然后转发给信宿。

本发明实施例所述的网络拓扑模型的一个示例如图1所示。从图1可以看出，该网络拓扑包括第一信源MSa、第二信源MSb、中继节点RN以及信宿eNodeB，其中，第一信源MSa、第二信源MSb、中继节点RN以及信宿eNodeB均是多天线的。此外，第一信源MSa和第二信源MSb与信宿eNodeB之间均存在着直接的通信链路，这样，一方面，第一信源MSa和第二信源MSb可同时通过中继节点RN与信宿eNodeB进行通信；另一方面，第一信源MSa和第二信源MSb也可同时通过与信宿之间的直接的通信链路将信息直接发送至信宿eNodeB；最后，信宿eNodeB再利用从第一信源MSa、第二信源MSb以及从中继节点RN接收的所有信息进行解码，分别得到来自第一信源MSa和第二信源MSb的信息。在该网络拓扑模型下，由于第一信源、第二信源以及中继节点的各自的发射功率受限，因此，如何在两个信源和中继节点各自天线内部之间进行预编码矩阵的设计以最大化两个信源与信宿之间的总吞吐量是本发明实施例所要解决的主要问题。

为了解决该问题，本发明的实施例提供了一种预编码方法，其实现流程如图2所示，主要包括：

步骤101，分别确定第一信源到信宿、第二信源到信宿、第一信源到中继节点、第二信源到中继节点以及中继节点到信宿的信道状态信息；

步骤102，根据第一信源到信宿、第二信源到信宿、第一信源到中继节点、第二信源到中继节点以及中继节点到信宿的信道状态信息分别确定第一信源、第二信源以及中继节点的预编码矩阵；

步骤103，将确定的第一信源、第二信源以及中继节点的预编码矩阵分别反馈给第一信源、第二信源以及中继节点；以及

步骤104，第一信源、第二信源以及中继节点分别根据自身的预编码矩阵对待发送的数据进行预编码。

至此，上述预编码过程结束，之后，第一移动终端、第二移动终端以及中继节点将开始数据传输。

在本发明的实施例中，上述步骤101至步骤103可以由信宿或者网络中的其他设备完成。

此外，在本发明的实施例中，上述第一信源和第二信源可以分别为第一移动终端和第二移动终端，而信宿可以为基站eNodeB。在这种情况下，上述步骤101至步骤103可以由eNodeB来完成。具体而言，在这种情况下，如图3所示，上述步骤101可以具体包括如下步骤：

步骤201：eNodeB根据信道的空余情况，分别为第一移动终端、第二移动终端以及中继节点分配参考信号信道(reference signal channel)，其中，为第一移动终端、第二移动终端以及中继节点所分配的三个参考信号信道是正交的。

本步骤201中，为第一移动终端、第二移动终端以及中继节点分配参考信号信道的目的在于使eNodeB可以获得第一移动终端和第二移动终端到中继节点的信道状态信息H_r1和H_r2，以及第一移动终端、第二移动终端及中继节点到信宿的信状态道信息H_d1、H_d2和H_dr。

步骤202：第一移动终端通过分配给自身的参考信号信道将第一参考信号发送至中继节点和eNodeB；第二移动终端通过分配给自身的参考信号信道将第二参考信号发送至中继节点和eNodeB。

步骤203：中继节点通过所接收的第一参考信号和第二参考信号，分别估计第一移动终端和第二移动终端到中继节点的信道状态信息H_r1和H_r2。

步骤204：中继节点通过自身的参考信号信道将第三参考信号、H_r1和H_r2发送至eNodeB。

步骤205：eNodeB根据所接收的第一参考信号、第二参考信号和第三参考信号分别估计第一移动终端、第二移动终端和中继节点到eNodeB的信道状态信息H_d1、H_d2和H_dr，并根据已估计出的中继节点到eNodeB信宿的信道信息H_dr提取第一移动终端和第二移动终端到中继节点的信道状态信息H_r1和H_r2。

经过上述步骤201-205，eNodeB即可获得第一移动终端和第二移动终端到中继节点的信道状态信息H_r1和H_r2，以及第一移动终端、第二移动终端及中继节点到信宿的信状态道信息H_d1、H_d2和H_dr。

此外，在本发明的实施例的步骤102中，可以以最大化两个信源与信宿之间的总吞吐量为优化目标来确定第一信源、第二信源以及中继节点的预编码矩阵。在两个信源为第一移动终端和第二移动终端，信宿为基站eNodeB的情况下，在本发明的实施例的步骤102中，可以以最大化第一移动终端、第二移动终端与eNodeB之间的总吞吐量为优化目标来确定第一移动终端、第二移动终端以及中继节点的预编码矩阵。

具体而言，表征上述优化目标的优化目标函数可以通过以下推导过程得到。

首先，假设在第一正交数据信道第一移动终端和第二移动终端同时传输各自的矢量数据信号x₁＝F₁s₁和x₂＝F₂s₂给中继节点和eNodeB，其中，F₁和F₂分别代表第一移动终端和第二移动终端的预编码矩阵；s₁和s₂分别代表第一移动终端、第二移动终端发送的功率已经归一化数据信号；而在第二正交数据信道，中继节点将接收到的混合数据信号乘以一个预编码矩阵G后再转发给eNodeB。需要说明的是，上述第一正交信道和第二正交信道可以是时分正交信道，或者是频分正交信道。并且需假设在同一次数据传输中，第一正交信道和第二正交信道保持不变。在这种假设条件下，eNodeB可以根据在两个正交数据信道中收到的数据信号建立接收数据信号矩阵，其公式如下公式(1)所示：

其中，y1和y2分别代表eNodeB在第一正交数据信道和第二正交数据信道上接收到的数据信号，s₁、s₂分别为第一移动终端、第二移动终端发送的功率已经归一化数据信号，n₁、n₂和n_r分别代表eNodeB在第一正交数据信道和第二数据正交信道上的接收噪声矢量以及中继节点在第一正交数据信道上的接收噪声矢量，其中，所有的噪声分量都认为是独立同分布的白噪声，并且已经归一化为1；N_d代表eNodeB的天线个数；I_Nd代表阶数为N_d的单位矩阵。

为第一移动终端与第二移动终端的最大发射功率控制约束，其中，p₁和p₂分别代表第一移动终端和第二移动终端的发射功率；tr(X)表示求矩阵X的迹,表示求矩阵X的共轭转置。

然后，根据香农(Shannon)信息论原理，可以得到两个信源通过两个正交数据信道传输给信宿的最大总吞吐量如下公式(2)所示：

如此，上述优化目标则可以表述为在第一移动终端、第二移动终端和中继节点的功率控制约条件下，求解使C_sum最大的F₁、F₂和G。也即表征上述优化目标的优化目标函数可以表示为如下算式(3)：

其中，arg＝argument表示逆运算,max＝maximize表示最大值,s.t.＝subject to表示受限于如下条件，N_r、p_r分别为中继节点的天线个数和发射功率；为阶数为N_r的单位矩阵。

通过研究可以发现，由于上述优化目标函数(3)的非凸性，很难直接得到关于F₁、F₂以及G最优闭式解。

如此，在本发明的实施例中给出了一种简化的迭代方法可以得到满足上述优化目标函数的F₁、F₂和G近似最优解。

首先根据信息理论，如果预假定了解码顺序，比如先解码第二移动终端的数据，然后减去第二移动终端的数据后，再解码第一移动终端的数据。第一移动终端和第二移动终端到信宿之间的吞吐量可以用以下等式表示：和其中：N₁和N₂分别是第一移动终端和第二移动终端的天线个数，I_N1、I_N2分别代表为阶数为N₁和N₂的单位矩阵，以及可以把等效为第一移动终端到信宿之间的信道增益功率，等效为第二移动终端到信宿之间的信道增益功率。因此，可以根据C₁和C₂的表达式做以下信源预编码矩阵设计。

该迭代方法的实现步骤如图4所示，主要包括：

步骤300：假定eNodeB先解码第二移动终端的数据，然后减去第二移动终端的数据后，再解码第一移动终端的数据，并初始化其中p_r为中继节点的发射功率，N_r为中继节点的天线个数。

步骤301：分解其中，为酉矩阵(unitarymatrics)，Λ₁为非负对角矩阵。从而得到F₁＝U₁Σ₁，其中，Σ₁为第一移动终端功率分配对角矩阵，分配满足以下注水功率分配算法：其中，μ₁满足[x]⁺表示取{0，x}中的较大者，其中，p₁为第一移动终端的发射功率。

步骤302：基于步骤301已经得到的F₁，分解其中，U₂为酉矩阵，Λ₂为非负对角矩阵。从而得到F₂＝U₂Σ₂，其中，Σ₂为第一移动终端功率分配对角矩阵，满足以下注水功率分配算法：其中，μ₂满足[x]⁺表示取{0，x}中的较大者，其中，p₂为第二移动终端的发射功率。

步骤303：基于步骤301和302得到的F₁和F₂，求G，具体包括以下步骤：

首先，建立以下如公式(4)所示的等价方程：

其中， N_d为eNodeB的天线个数。由于T项与G无关，在假定已知F₁和F₂的前提下，使C_sum最大化的仅以G为变量的方程可以表达如下公式(5)所示：

为了求解这个问题，需要进行以下分解：其中，U_K,U_H和V_H都是酉矩阵，Θ＝diag(θ₁,…,θ_r)为两个非负对角矩阵。

并且把中继节点的发射功率限制条件做进一步等效如下：

其中，α为0到1之间的控制因子，可以通过迭代求得。

在新的功率限制条件下，设定其中，ξ_i可以通过KKT(Karush-Kuhn-Tucker：卡罗需-库恩-塔克)最优化理论求得，其中，μ可由下式确定：

步骤304：判断求得的F₁、F₂以及G的值是否已收敛，如果是，则执行步骤305；否则，返回上述步骤301进行迭代；

本步骤所述判断求得的F₁、F₂和G的值是否收敛具体为判断求得的F₁、F₂和G是否满足如下收敛标准：其中，△为预先确定的收敛标准值，Xⁿ和X^n-1(X＝F₁,F₂,G)分别表示前后两次迭代所得矩阵之值，|| ||为求矩阵F-范数。

步骤305：将求得的F₁、F₂和G作为近似最优解。

如此，通过上述步骤301－305即可得到F₁、F₂和G的近似最优解。

然后，在本发明的实施例的步骤103中，eNodeB在得到F₁、F₂和G的近似最优解之后，分别通过为第一移动终端、第二移动终端以及中继节点分配的正交参考信号信道将得到F₁、F₂和G的近似最优解反馈给第一移动终端、第二移动终端以及中继节点。接下来，在步骤104中，第一移动终端、第二移动终端以及中继节点分别根据接收F₁、F₂和G进行预编码。至此，上述预编码过程结束，第一移动终端、第二移动终端以及中继节点可以按照自身的预编码矩阵发送信号，开始数据传输。

需要说明的是，本领域的技术人员可以理解上述迭代方法也可以应用于任意多天线节点包含两个信源、一个中继以及一个信宿的网络拓扑结构中。也即在已知信源与中继、信源与信宿以及中继与信宿的信道状态信息后，均可以利用上述步骤301至步骤305所述的迭代方法求得第一信源、第二信源以及中继节点的预编码矩阵F₁、F₂和G，使两个信源和信宿之间的总吞吐量最大。

如前所述，本发明实施例提供的预编码方法可以在具有中继节点的网络拓扑下考虑信源和信宿之间的直接链路信息以及中继链路信息进行预编码矩阵设计。另外，由于在本发明的实施例所述的预编码矩阵设计方法中，可以通过两个正交的数据信道同时服务两个移动终端，因此可以达到平均每个正交数据信道服务一个信源用户的目的，因此，对比于传统的单源、单中继及单信宿的模型频率效率可以提高近一倍。此外，本发明实施例所述的预编码矩阵设计方法可以找到使两个信源与信宿之间的总吞吐量最大化的信源、中继节点的近似最优功预编码矩阵。因此，可以在信源和中继节点各自发射功率受限的条件下最大化信源和信宿之间的总吞吐量，对比于功率平均预编码矩阵设计的方法可以获得10％以上的吞吐量增益。

对应上述预编码方法，本发明的实施例提供了一种通信系统，其结构如图5所示，主要包括：第一信源、第二信源、中继节点以及信宿。

其中，信宿用于分别确定第一信源到信宿、第二信源到信宿、第一信源到中继节点、第二信源到中继节点以及中继节点到信宿的信道状态信息；根据第一信源到信宿、第二信源到信宿、第一信源到中继节点、第二信源到中继节点以及中继节点到信宿的信道状态信息分别确定第一信源、第二信源以及中继节点的预编码矩阵，并将确定的第一信源、第二信源以及中继节点的预编码矩阵分别反馈给第一信源、第二信源以及中继节点；所述第一信源、第二信源以及中继节点分别根据自身的预编码矩阵对待发送的数据进行预编码。

其中，上述信宿可以为基站eNodeB，第一信源和第二信源为第一移动终端和第二移动终端。在这种情况下，eNodeB的内部结构可如图6所示，具体包括：

参考信号信道分配单元11，用于根据信道的空余情况，分别为第一移动终端、第二移动终端以及中继节点分配参考信号信道，其中，为第一移动终端、第二移动终端以及中继节点所分配的三个参考信号信道是正交的；

第一参考信号接收单元12，用于接收第一移动终端、第二移动终端以及中继节点通过各自参考信号信道发送的第一参考信号、第二参考信号以及第三参考信号；

第一信道估计单元13，用于根据第一参考信号、第二参考信号和第三参考信号分别估计第一移动终端、第二移动终端和中继节点到eNodeB的信道状态信息H_d1、H_d2和H_dr，并根据已估计出的中继节点到eNodeB信宿的信道信息H_dr提取第一移动终端和第二移动终端到中继节点的信道状态信息H_r1和H_r2；

预编码矩阵设计单元14，用于根据第一移动终端到eNodeB、第二移动终端到eNodeB、第一移动终端到中继节点、第二移动终端到中继节点以及中继节点到eNodeB的信道状态信息分别确定第一移动终端、第二移动终端以及中继节点的预编码矩阵；以及

发送预编码矩阵反馈单元15，用于将确定的第一移动终端、第二移动终端以及中继节点的预编码矩阵分别反馈给第一移动终端、第二移动终端以及中继节点。

需要说明的是，除了eNodeB之外，上述信宿还可以是其他信宿设备，例如无线传感信宿节点等。

在本发明的实施例中，上述预编码矩阵设计单元14可以以最大化两个信源与信宿之间的总吞吐量为优化目标来确定第一移动终端、第二移动终端以及中继节点的预编码矩阵；也可以利用如图4所示的迭代方法确定第一移动终端、第二移动终端以及中继节点的预编码矩阵。

上述中继节点的内部结构可如图7所示，具体包括：

第一参考信号信道接收单元21，用于接收eNodeB为自身分配的参考信号信道；

第二参考信号接收单元22，用于接收第一移动终端和第二移动终端通过各自参考信号信道发送的第一参考信号和第二参考信号；

第二信道估计单元23，用于根据第一参考信号和第二参考信号分别估计第一移动终端和第二移动终端到中继节点的信道状态信息H_r1和H_r2；

第一参考信号发送单元24，用于通过自身的参考信号信道向eNodeB发送自身的参考信号以及第一移动终端和第二移动终端到中继节点的信道状态信息H_r1和H_r2；以及

第一发送预编码矩阵接收单元25，用于接收eNodeB反馈的自身的预编码矩阵，并根据自身的预编码矩阵对待发送的数据进行预编码。

上述第一移动终端和第二移动终端的内部结构基本相同，可如图8所示，具体包括：

第二参考信号信道接收单元31，用于接收eNodeB为自身分配的参考信号信道；

第二参考信号发送单元32，用于通过自身的参考信号信道向中继节点以及eNodeB发送自身的参考信号；以及

第二发送预编码矩阵接收单元33，用于接收eNodeB反馈的自身的预编码矩阵，并根据自身的预编码矩阵对待发送的数据进行预编码。

之后，第一移动终端和第二移动终端即可按照自身的预编码矩阵向eNodeB以及中继节点发送数据，开始数据传输。

如前所述，本发明实施例提供的预编码矩阵设计系统和装置可以在具有中继节点的网络拓扑下考虑信源和信宿之间的直接链路信息以及中继链路信息进行预编码矩阵设计。另外，由于在本发明的实施例所述的预编码矩阵设计系统中，可以通过两个正交的数据信道同时服务两个移动终端，因此可以达到平均每个正交数据信道服务一个信源用户的目的，因此，对比于传统的单源、单中继及单信宿的模型频率效率可以提高近一倍。此外，本发明实施例所述的预编码矩阵设计方法可以找到使两个信源与信宿之间的总吞吐量最大化的信源、中继节点之间的近似最优预编码矩阵，因此，可以在信源和中继节点总发射功率受限的条件下最大化信源和信宿之间的总吞吐量，对比于功率平均分配的预编码矩阵设计方法可以获得10％以上的吞吐量增益。

另外，需要说明的是，通常为了获取比较好的性能，中继节点面向移动终端侧的接收天线是全向天线，而面向eNodeB侧的发射天线是定向天线，也即中继节点接收天线增益一般小于发射天线增益。但是，通过比较可以发现，当两个移动终端距离较近且均距离中继节点较近而距离eNodeB较远的情况下，如果中继节点面向移动终端侧的接收天线采用定向天线，而面向eNodeB侧的发射天线采用全向天线或者也采用定向天线，也即采用具有较高增益的发射天线和接收天线，则将获得更好的性能。基于上述研究，可以进一步对上述实施例所述方法进行一些改进，例如在执行步骤101时，在确定第一信源到信宿、第二信源到信宿、第一信源到中继节点、第二信源到中继节点以及中继节点到信宿的信道状态信息H_r1、H_r2、H_d1、H_d2和H_dr，并确定第一信源第二信源以及中继节点的预编码矩阵之后，还需要转换中继节点的发射和接收天线，替换相同的信道信息，并再次确定第一信源到中继节点、第二信源到中继节点以及中继节点到信宿的信道状态信息H_r1'和H_r2'和H_dr'，并确定在这种情况下第一信源、第二信源以及中继节点的预编码矩阵。然后，再根据吞吐量选择一组性能较好(也即总吞吐量较大)的预编码矩阵反馈给第一信源、第二信源以及中继节点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (13)

1.一种预编码方法，其特征在于，包括：

分别确定第一信源到信宿、第二信源到信宿、第一信源到中继节点、第二信源到中继节点以及中继节点到信宿的信道状态信息；

根据第一信源到信宿、第二信源到信宿、第一信源到中继节点、第二信源到中继节点以及中继节点到信宿的信道状态信息分别确定第一信源、第二信源以及中继节点的预编码矩阵；

将确定的第一信源、第二信源以及中继节点的预编码矩阵分别反馈给第一信源、第二信源以及中继节点；以及

第一信源、第二信源以及中继节点分别根据自身的预编码矩阵对待发送的数据进行预编码。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一信源和第二信源分别为第一移动终端和第二移动终端；所述信宿为基站eNodeB。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述分别确定第一信源到信宿、第二信源到信宿、第一信源到中继节点、第二信源到中继节点以及中继节点到信宿的信道状态信息包括：

eNodeB根据信道的空余情况，分别为第一移动终端、第二移动终端以及中继节点分配参考信号信道，其中，为第一移动终端、第二移动终端以及中继节点所分配的三个参考信号信道是正交的；

第一移动终端通过分配给自身的参考信号信道将第一参考信号发送至中继节点和eNodeB；

第二移动终端通过分配给自身的参考信号信道将第二参考信号发送至中继节点和eNodeB；

中继节点通过所接收的第一参考信号和第二参考信号，分别估计第一移动终端和第二移动终端到中继节点的信道状态信息H_r1和H_r2；

中继节点通过自身的参考信号信道将第三参考信号、H_r1和H_r2发送至eNodeB；

eNodeB根据所接收的第一参考信号、第二参考信号和第三参考信号分别估计第一移动终端、第二移动终端和中继节点到eNodeB的信道状态信息H_d1、H_d2和H_dr，并根据已估计出的中继节点到eNodeB信宿的信道信息H_dr提取第一移动终端和第二移动终端到中继节点的信道状态信息H_r1和H_r2。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据第一信源到信宿、第二信源到信宿、第一信源到中继节点、第二信源到中继节点以及中继节点到信宿的信道状态信息分别确定第一信源、第二信源以及中继节点的预编码矩阵包括：以最大化第一信源、第二信源与信宿之间的总吞吐量为优化目标确定第一信源、第二信源以及中继节点的预编码矩阵。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，以最大化第一信源、第二信源与信宿之间的总吞吐量为优化目标确定第一信源、第二信源以及中继节点的预编码矩阵包括：

A、预假设信宿节点的解码顺序为：先解第二信源的信号，然后减去第二信源的信号后再解第一信源的信号；

B、初始化中继节点的预编码矩阵G，令其中，p_r为中继节点的发射功率，N_r为中继节点的天线个数，为阶数为N_r的单位矩阵；

C、固定G，求解第一信源的预编码矩阵F₁，使得第一信源与信宿之间的总吞吐量最大；

D、固定G和F₁，求解第二信源的预编码矩阵F₂，使得第二信源与信宿之间的总吞吐量最大；

E、固定F₁和F₂，求解中继节点的预编码矩阵G，使得第一信源、第二信源与信宿之间的总吞吐量最大；

F、判断求得的F₁、F₂和G的值是否已收敛，如果是，则将求得的F₁、F₂和G作为近似最优解；否则，返回C。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述求解第一信源的预编码矩阵F₁包括：分解得到F₁＝U₁Σ₁，其中， H_s1表示第一移动终端到信宿之间的信道增益功率，表示求矩阵X的共轭转置，X^-1表示求矩阵X的逆，N_d代表eNodeB的天线个数，I_Nd代表阶数为N_d的单位矩阵，U₁为酉矩阵，Λ₁为非负对角矩阵，Σ₁为第一移动终端功率分配对角矩阵，分配满足以下注水功率分配算法：其中，μ₁满足[x]⁺表示取{0，x}中的较大者，p₁为第一移动终端的发射功率。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述求解第二信源的预编码矩阵F₂包括：分解得到F₂＝U₂Σ₂，其中， H_s2表示第二移动终端到信宿之间的信道增益功率；表示求矩阵X的共轭转置，X^-1表示求矩阵X的逆，N_d代表eNodeB的天线个数，I_Nd代表阶数为N_d的单位矩阵，U₂为酉矩阵，Λ₂为非负对角矩阵，Σ₂为第一移动终端功率分配对角矩阵，满足以下注水功率分配算法：其中，μ₂满足[x]⁺表示取{0，x}中的较大者，p₂为第二移动终端的发射功率。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述判断求得的F₁、F₂和G的值是否已收敛包括：判断求得的F₁、F₂和G是否满足如下收敛标准：其中，△为预先确定的收敛标准值，Xⁿ和X^n-1(X＝F₁,F₂,G)分别表示前后两次迭代所得矩阵之值，‖‖为求矩阵F-范数，n为自然数。

9.一种通信系统，其特征在于，包括：第一信源、第二信源、中继节点以及信宿；其中，

所述信宿用于分别确定第一信源到信宿、第二信源到信宿、第一信源到中继节点、第二信源到中继节点以及中继节点到信宿的信道状态信息；根据第一信源到信宿、第二信源到信宿、第一信源到中继节点、第二信源到中继节点以及中继节点到信宿的信道状态信息分别确定第一信源、第二信源以及中继节点的预编码矩阵，将确定的第一信源、第二信源以及中继节点的预编码矩阵分别反馈给第一信源、第二信源以及中继节点；以及

所述第一信源、第二信源以及中继节点分别根据自身的预编码矩阵对待发送的数据进行预编码。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述信宿为基站eNodeB，所述第一信源和第二信源分别为第一移动终端和第二移动终端。

11.一种基站eNodeB，其特征在于，包括：

参考信号信道分配单元，用于根据信道的空余情况，分别为第一移动终端、第二移动终端以及中继节点分配参考信号信道，其中，为第一移动终端、第二移动终端以及中继节点所分配的三个参考信号信道是正交的；

第一参考信号接收单元，用于接收第一移动终端、第二移动终端以及中继节点通过各自参考信号信道发送的第一参考信号、第二参考信号以及第三参考信号；

第一信道估计单元，用于根据第一参考信号、第二参考信号和第三参考信号分别估计第一移动终端、第二移动终端和中继节点到eNodeB的信道状态信息H_d1、H_d2和H_dr，并根据已估计出的中继节点到eNodeB信宿的信道信息H_dr提取第一移动终端和第二移动终端到中继节点的信道状态信息H_r1和H_r2；

预编码矩阵设计单元，用于根据第一移动终端到eNodeB、第二移动终端到eNodeB、第一移动终端到中继节点、第二移动终端到中继节点以及中继节点到eNodeB的信道状态信息分别确定第一移动终端、第二移动终端以及中继节点的预编码矩阵；以及

预编码矩阵反馈单元，用于将确定的第一移动终端、第二移动终端以及中继节点的预编码矩阵分别反馈给第一移动终端、第二移动终端以及中继节点。

12.一种中继节点，其特征在于，包括：

第一参考信号信道接收单元，用于接收基站eNodeB为自身分配的参考信号信道；

第二参考信号接收单元，用于接收第一移动终端和第二移动终端通过各自参考信号信道发送的第一参考信号和第二参考信号；

第二信道估计单元，用于根据第一参考信号和第二参考信号分别估计第一移动终端和第二移动终端到中继节点的信道状态信息H_r1和H_r2；

第一参考信号发送单元，用于通过自身的参考信号信道向eNodeB发送自身的第三参考信号以及第一移动终端和第二移动终端到中继节点的信道状态信息H_r1和H_r2；其中eNodeB根据所述第一移动终端到所述eNodeB、所述第二移动终端到所述eNodeB、所述第一移动终端到所述中继节点、所述第二移动终端到所述中继节点以及所述中继节点到所述eNodeB的信道状态信息确定所述中继节点的预编码矩阵；以及

第一发送预编码矩阵接收单元，用于接收所述eNodeB反馈的自身的预编码矩阵，并根据自身的预编码矩阵对待发送的数据进行预编码。

13.一种移动终端，所述移动终端为第一移动终端，其特征在于，包括：

第二参考信号信道接收单元，用于接收基站eNodeB为自身分配的参考信号信道；其中，所述基站eNodeB进一步为第二移动终端和中继节点分别分配参考信号信道；

第二参考信号发送单元，用于通过自身的参考信号信道向中继节点以及eNodeB发送自身的第一参考信号；其中，所述第二移动终端通过分配给自身的参考信号信道向中继节点和eNodeB发送第二参考信号；所述中继节点通过自身的参考信号信道向eNodeB发送第三参考信号；所述eNodeB根据所接收的第一参考信号、第二参考信号以及第三参考信号分别确定所述第一移动终端、第二移动终端和中继节点到eNodeB的信道状态信息H_d1、H_d2和H_dr，并根据已估计出的中继节点到eNodeB信宿的信道信息H_dr提取第一移动终端和第二移动终端到中继节点的信道状态信息H_r1和H_r2；根据第一移动终端到eNodeB、第二移动终端到eNodeB、第一移动终端到中继节点、第二移动终端到中继节点以及中继节点到eNodeB的信道状态信息分别确定第一移动终端、第二移动终端以及中继节点的预编码矩阵；以及

第二发送预编码矩阵接收单元，用于接收eNodeB反馈的自身的预编码矩阵，并根据自身的预编码矩阵对待发送的数据进行预编码。