CN103716278B - 中继通信系统中的分层传输 - Google Patents

中继通信系统中的分层传输 Download PDF

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Abstract

本发明提供了中继通信系统中分层传输的方法。基站根据本基站至用户设备以及本基站至中继节点的信道质量,确定第一调制方式,在第一时隙,基站以第一调制方式对第一符号进行调制后进行广播;在第二时隙,中继节点对来自基站的经第一调制方式调制后的第一符号进行解调解码,以获得第一符号中的基本层比特和增强层比特,然后以第三调制方式对第一符号中的增强层比特进行调制后发送至用户设备,与此同时,基站以第二调制方式对第二符号进行调制后发送至用户设备。对于用户设备侧,在第一时隙,用户设备解调解码出第一符号中的基本层比特;在第二时隙,分别解调解码出第一符号中的增强层比特和第二符号。通过本发明的方案能获得较好的信道容量性能。

Description

中继通信系统中的分层传输
技术领域
本申请涉及通信系统,尤其涉及中继通信系统中的分层传输。
背景技术
在LTE-A中,中继已成为一个重要的特性以用于满足LTE-A需求。基站和中继节点间的合作传输在某些场景下能够提供性能增益。对于合作层2中继,使用解码转发(decode-and-forward,DF)方案解码来自基站的数据并将解码后的数据转发给用户设备以获得空间分集增益。当基站至中继节点、基站至用户设备以及中继节点至用户设备的信道由于路径损耗、阴影和缓慢平坦衰减等效应而互不相同时,该解码转发方案并非是有效及最优的。
图1为传统的DF传输方案的示意图。图中示出了基站10、中继节点11和用户设备12。在第一阶段(也即,第一时隙),数据包x(b1b2b3b4)从基站10被传送至中继节点11,与此同时,该数据包也被用户设备12接收作为增强的信号用于中继合并。在第二阶段(也即,第二时隙),中继节点11解调解码该数据包并再次对该数据包进行编码调制,具有相同调制方式的新形成的数据包由中继节点11发送至用户设备12。在用户设备12的接收机端,使用最大比值合并(maximal ratio combining,MRC)收集所有期望信号并对其进行解调解码。
然而,在实际应用中,基站10至中继节点11以及中继节点11至用户设备12的信道质量通常要优于基站10至用户设备12的信道质量。传统的DF传输方案由于未考虑这些信道质量的差异,因此未能达到最优的信道容量。
发明内容
基于上述考量,本发明提出了一种中继通信系统中分层传输的方案。
根据本发明的一个方面,提出了一种在中继通信系统的基站中用于分层传输的方法,所述中继通信系统包括所述基站、中继节点和用户设备,其中,所述方法包括以下步骤:a.根据所述基站至所述用户设备的信道质量以及所述基站至所述中继节点的信道质量,确定第一调制方式;b.在第一时隙,以所述第一调制方式对第一符号进行调制,并广播经所述第一调制方式调制后的所述第一符号;c.在第二时隙,以第二调制方式对第二符号进行调制,并将经所述第二调制方式调制后的所述第二符号发送至所述用户设备;其中,所述第二调制方式的调制阶数低于所述第一调制方式的调制阶数。
在一个例子中,所述第一调制方式为16QAM调制,所述第二调制方式为QPSK调制。
根据本发明的另一方面,提出了一种在中继通信系统的中继节点中用于分层传输的方法,所述中继通信系统包括基站、所述中继节点和用户设备,其中,所述方法包括以下步骤:A.在第一时隙,接收来自所述基站的经第一调制方式调制后的第一符号;B.对所述经第一调制方式调制后的第一符号进行解调解码,以获得所述第一符号中的基本层比特和增强层比特,并且以第三调制方式对所述第一符号中的所述增强层比特进行调制;C.在第二时隙,将经所述第三调制方式调制后的所述增强层比特发送至所述用户设备;其中,所述第三调制方式的调制阶数低于所述第一调制方式的调制阶段。
在一个例子中,所述第一调制方式为16QAM调制,所述第三调制方式为QPSK调制。
根据本发明的又一方面,提出了一种在中继通信系统的用户设备中用于分层传输的方法,所述中继通信系统包括基站、中继节点和所述用户设备,其中,所述方法包括以下步骤:i.在第一时隙,接收来自所述基站的经第一调制方式调制后的第一符号;ii.对所述经经第一调制方式调制后的第一符号进行解调解码,以获得所述第一符号中的基本层比特;iii.在第二时隙,接收来自所述中继节点的经第三调制方式调制后的所述第一符号中的增强层比特以及来自所述基站的经第二调制方式调制后的第二符号;iv.从所述经第三调制方式调制后的所述第一符号中的增强层比特和所述经第二调制方式调制后的第二符号的叠加信号中,分别解调解码出所述第一符号中的所述增强层比特和所述第二符号;其中,所述第二调制方式和所述第三调制方式的调制阶数低于所述第一调制方式的调制阶数。
根据本发明的又一个方面,提出了一种在中继通信系统的基站中用于分层传输的装置,所述中继通信系统包括所述基站、中继节点和用户设备,其中,所述装置包括:确定模块,用于根据所述基站至所述用户设备的信道质量以及所述基站至所述中继节点的信道质量,确定第一调制方式;第一调制模块,用于在第一时隙,以所述第一调制方式对第一符号进行调制,并广播经所述第一调制方式调制后的所述第一符号;以及第二调制模块,用于在第二时隙,以第二调制方式对第二符号进行调制,并将经所述第二调制方式调制后的所述第二符号发送至所述用户设备;其中,所述第二调制方式的调制阶数低于所述第一调制方式的调制阶数。
根据本发明的又一个方面,提出了一种在中继通信系统的中继节点中用于分层传输的装置,所述中继通信系统包括基站、所述中继节点和用户设备,其中,所述装置包括:第一接收模块,用于在第一时隙,接收来自所述基站的经第一调制方式调制后的第一符号;第一解调解码模块,用于对所述经第一调制方式调制后的第一符号进行解调解码,以获得所述第一符号中的基本层比特和增强层比特;第三调制模块,用于以第三调制方式对所述第一符号中的所述增强层比特进行调制;发送模块,用于在第二时隙,将经所述第三调制方式调制后的所述增强层比特发送至所述用户设备;其中,所述第三调制方式的调制阶数低于所述第一调制方式的调制阶段。
根据本发明的又一个方面,提出了一种在中继通信系统的用户设设备中用于分层传输的装置,所述中继通信系统包括基站、中继节点和所述用户设备,其中,所述装置包括:第二接收模块,用于在第一时隙,接收来自所述基站的经第一调制方式调制后的第一符号;第二解调解码模块,用于对所述经第一调制方式调制后的第一符号进行解调解码,以获得所述第一符号中的基本层比特;第三接收模块,用于在第二时隙,接收来自所述中继节点的经第三调制方式调制后的所述第一符号中的增强层比特以及来自所述基站的经第二调制方式调制后的第二符号;以及第三解调解码模块,用于从所述经第三调制方式调制后的所述第一符号中的增强层比特和所述经第二调制方式调制后的第二符号的叠加信号中,分别解调解码出所述第一符号中的所述增强层比特和所述第二符号;其中,所述第二调制方式和所述第三调制方式的调制阶数低于所述第一调制方式的调制阶数。
在下行合作传输中使用本发明的分层传输策略,能够获得较好的信道容量性能。
本发明的各个方面将通过下文中的具体实施例的说明而更加清晰。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的上述及其他特征将会更加清晰:
图1示出了传统的DF传输方案的示意图;以及
图2示出了根据本发明的分层传输方案的示意图;
图3示出了QAM调制星座图;
图4示出了本发明的分层传输方案与传统的DF传输方案的平均信道容量性能图;
图5示出了本发明的分层传输方案与传统的DF传输方案的信道容量的累积分布函数图。
附图中相同或者相似的附图标识表示相同或者相似的部件。
具体实施方式
以下结合附图对发明的各实施例进行详细描述。
图2为根据本发明的分层传输方案的示意图。图中示出了基站20、中继节点21和用户设备22。其中,上半幅图为在第一时隙基站20至中继节点21以及基站20至用户设备22的下行传输(以实线示出);下半幅图为在第二时隙中继节点21至用户设备22以及基站20至用户设备22的下行传输(以虚线示出)。假设基站20至中继节点21的信道质量以及中继节点21至用户设备22的信道质量优于基站20至用户设备22的信道质量。
以下将以第一调制方式为16QAM调制,第二调制方式为QPSK调制以及第三调制方式为QPSK调制为例并结合图2对本发明的分层传输方案进行描述。本领域技术可以理解,第一调制方式并不限于16QAM,该第一调制方式主要基于基站20至中继节点21的信道质量以及基站20至用户设备22的信道质量来确定,例如,其也可以是64QAM等高阶调制;相应的,第二调制方式和第三调制方式也可以是例如BPSK调制等。
参照图2,在第一时隙,基站20对第一符号进行16QAM调制,并将经16QAM调制后的第一符号x1(b1b2b3b4)进行广播。在本实施例中,以第一符号包括4个比特b1,b2,b3,b4为例,本领域技术人员可以理解,在其他实施例中,一个符号也可由任意适当个数的比特表示。
在该第一时隙,中继节点21接收来自基站20的经16QAM调制后的第一符号。
然后,中继节点21对该经16QAM调制后的第一符号进行解调解码,以获得该第一符号中的基本层比特b1,b2和增强层比特b3,b4,接着,中继节点21对第一符号中的增强层比特进行QPSK调制。
在第二时隙,中继节点21将经QPSK调制后的增加层比特xe(b3b4)发送至用户设备22。本领域技术人员可以理解,由于用户设备22接收到来自基站20的经16QAM调制后的第一符号后,能够从中解调解码出基本层比特b1,b2,因此,此处中继节点21只需发送经QPSK调制后的增强层比特xe(b3b4)至用户设备22即可。
同时,在该第二时隙,基站20对第二符号(也即,区别于第一符号的一个新符号)进行QPSK调制,并将经QPSK调制后的第二符号x2发送至用户设备22。
对于用户设备22的接收机,其通过两层解调来分别获得比特b1,b2,b3,b4
在第一时隙,用户设备22接收来自基站20的经16QAM调制后的第一符号,并对该经16QAM调制后的第一符号进行解调解码,以获得第一符号中的基本层比特xb(b1b2)。有利的,用户设备22同时也可以获得第一符号中的增强层比特的软信息。
参照图3,比特b1,b2可经由象限来区分,而比特b3,b4在一个象限内区分。比特b1,b2的欧几里得距离(Euclidean distance)大于比特b3,b4欧几里得距离。由于基站20至用户设备22的信道质量较差,因此,用户设备22仅能解调出第一符号中的基本层比特,而无法解调出第一符号中的增强层比特。
在第二时隙,用户设备22接收来自中继节点21的经QPSK调制后的第一符号中的增强层比特xe(b3b4)以及来自基站20的经QPSK调制后的第二符号x2,并从两者的叠加信号中分别解调解码出第一符号中的增强层比特xe(b3b4)和第二符号x2
在一个例子中,用户设备22的接收机可使用串行干扰消除(successiveinterference cancellation,SIC)来分别获得第一符号中的增强层比特xe(b3b4)和第二符号x2
具体的,在第二时隙,用户设备22所接收到的叠加信号如下式所示
r=hrdxe+hsdx2+n
其中,hrd表示中继节点21至用户设备22的复信道系数,hsd表示基站20至用户设备22的复信道系数。
如上所假设的,||hrd||>||hsd||,因此,用户设备22将来自基站20的第二符号x2作为高斯干扰,从叠加信号中解调出第一符号中的增强层比特,并获得第一符号中的增强层比特的软信息。
然后,用户设备22将在第一时隙获得的第一符号中的增强层比特的软信息和在该第二时隙获得的第一符号中的增强层比特的软信息进行合并,并基于合并后的软信息对解调后的第一符号中的增强比特进行解码,以获得第一符号中的增强层比特xe(b3b4)。
当用户设备22解调解码出第一符号中的增强层比特xe(b3b4),其从叠加信号中减去该信号,如下式所示
r′=r-hrdxe=hsdx2+n
然后,用户设备22解调解码出来自基站20的第二符号x2。由于仅存在背景高斯噪声,因此,可达到单用户吞吐量的上限值。
在本发明的分层传输方案中,由于在第二时隙有额外的符号(也即,第二符号x2)被从基站20发送至用户设备22,因此,相比于传统的DF传输方案,本发明的分层传输方案可以提高谱效率。
以下将分别分析本发明的分层传输方案与传统的DF传输方案的信道容量。
(1)传统的DF传输方案
在传统的DF传输方案中,中继节点对来自源节点的数据包进行解码并在第二时隙(也即,第二阶段)使用与第一时隙(也即,第一阶段)中采用的调制/码本相同的调制/码本重新传输该数据包。由于使用了相同的传输格式,用户设备能够对在第一时隙从基站接收到的信号与在第二时隙从中继节点接收到的信号进行最大比值合并。对于重复编码的DF传输方案,所能获得的信道容量如下所示
C DF = 1 2 min { log ( 1 + | h sr | 2 σ 2 ) , log ( 1 + | h sd | 2 + | h rd | 2 σ 2 ) }
CDF随着衰减随机变量的变化而变化。其中,hsd,hsr,hrd分别表示基站至用户设备、基站至中继节点和中继节点至用户设备之间的链路的复信道系数(complex channelcoefficient),n表示复加性高斯噪声CN(0,σ2)。CDF中的第一项表示中继节点能够可靠地解码来自基站的数据的最大速率,而第二项表示在基站和中继节点是重复传输的情形下用户设备能够可靠地解码数据的最大速率。为了保证中继节点和用户设备能够正确解码整个码字,需要取两个可获得的信道容量的最小值。
(2)本发明的分层传输方案
根据图3示出的星座图,16QAM符号x1能够被表达为两个QPSK符号
x 1 = α x b + 1 - α x e
其中,α=4/5。
用户设备在两个阶段(也即,第一阶段和第二阶段)接收到的信号分别如以下两式所示
y ue , 1 = h sd ( α x b + 1 - α x e ) + n
yue,2=hrdxe+hsdx2+n
当用户设备试图解码xb时,用户设备的接收机将xe识别为干扰。因此,xb的每个瞬时可获得的信道容量如下式所示
C x b = log ( 1 + α | h sd | 2 ( 1 - α ) | h sd | 2 + σ 2 )
如果使用串行干扰消除来解码xe,那么先解调解码xb并将其从yue,1中去除。然后,从矢量中解调解码得到xe。当用户设备试图解码yue,2中的xe时,用户设备的接收机将x2识别为干扰。用户设备对和yue,2中的信号xe进行最大比值合并,xe的瞬时接收到的SNR如下式所示
r x e = ( 1 - α ) | h sd | 2 σ 2 + | h rd | 2 | h sd | 2 + σ 2
因此,xe的可获得的信道容量如下式所示
C x e = min { ( log ( 1 + | h sr | 2 σ 2 ) , log ( 1 + r x e ) }
接着,获取x2的可获得的容量。如果使用串行干扰消除来解码x2,那么先解调解码xe并将其从yue,2中去除。然后,从矢量中解调解码得到x2。因此,x2的可获得的信道容量如下式所示
C x 2 = log ( 1 + | h sd | 2 σ 2 )
因此,本发明的分层传输方案的可获得的总信道容量为 C LT , DF = 1 2 ( C x b + C x 2 + C x e ) .
以下通过信道容量仿真示出本发明的层传输方案的优势。
假设所有链路均为瑞利(Rayleigh)信道,基站至用户设备的信道质量劣于基站至中继节点以及中继节点至用户设备的信道质量,而基站至中继节点的信道质量优于中继节点至用户设备的信道质量,也即,γSR=γSD+20dB,γRD=γSD+10dB。
图4示出了本发明的分层传输方案与传统的DF传输方案的平均信道容量性能图;图5示出了在γSD=10dB的情形下本发明的分层传输方案与传统的DF传输方案的信道容量的累积分布函数(cumulative distribution function,CDF)。由图4和图5可以看出,本发明的分层传输方案的性能优于传统的DF传输方案。
对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外,明显的,“包括”一词不排除其他元件或步骤,在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一,第二等词语用来表示名称,而并不表示任何特定的顺序。

Claims (12)

1.一种在中继通信系统的基站中用于分层传输的方法,所述中继通信系统包括所述基站、中继节点和用户设备,其中,所述方法包括以下步骤:
a.根据所述基站至所述用户设备的信道质量以及所述基站至所述中继节点的信道质量,确定第一调制方式;
b.在第一时隙,以所述第一调制方式对第一符号进行调制,并广播经所述第一调制方式调制后的所述第一符号;
c.在第二时隙,以第二调制方式对第二符号进行调制,并将经所述第二调制方式调制后的所述第二符号发送至所述用户设备;
其中,所述第二调制方式的调制阶数低于所述第一调制方式的调制阶数。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第一调制方式为16QAM调制,所述第二调制方式为QPSK调制。
3.一种在中继通信系统的中继节点中用于分层传输的方法,所述中继通信系统包括基站、所述中继节点和用户设备,其中,所述方法包括以下步骤:
A.在第一时隙,接收来自所述基站的经第一调制方式调制后的第一符号;
B.对所述经第一调制方式调制后的第一符号进行解调解码,以获得所述第一符号中的基本层比特和增强层比特,并以第三调制方式对所述第一符号中的所述增强层比特进行调制;
C.在所述基站把经第二调制方式调制后的第二符号发送至所述用户设备的第二时隙,将经所述第三调制方式调制后的所述增强层比特发送至所述用户设备;
其中,所述第三调制方式的调制阶数低于所述第一调制方式的调制阶段。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述第一调制方式为16QAM调制,所述第三调制方式为QPSK调制。
5.一种在中继通信系统的用户设备中用于分层传输的方法,所述中继通信系统包括基站、中继节点和所述用户设备,其中,所述方法包括以下步骤:
i.在第一时隙,接收来自所述基站的经第一调制方式调制后的第一符号;
ii.对所述经第一调制方式调制后的第一符号进行解调解码,以获得所述第一符号中的基本层比特;
iii.在第二时隙,接收来自所述中继节点的经第三调制方式调制后的所述第一符号中的增强层比特以及来自所述基站的经第二调制方式调制后的第二符号;
iv.从所述经第三调制方式调制后的所述第一符号中的增强层比特和所述经第二调制方式调制后的第二符号的叠加信号中,分别解调解码出所述第一符号中的所述增强层比特和所述第二符号;
其中,所述第二调制方式和所述第三调制方式的调制阶数低于所述第一调制方式的调制阶数。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述步骤i之后,步骤iii之前还包括以下步骤:
ii’.对所述经第一调制方式调制后的第一符号进行解调,以获得所述第一符号中的所述增强层比特的软信息。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述用户设备为基于干扰消除的用户设备,所述步骤iv包括以下步骤:
iv1.从所述经第三调制方式调制后的所述第一符号中的增强层比特和所述经第二调制方式调制后的第二符号的叠加信号中,解调出所述第一符号中的所述增强层比特,并获得所述第一符号中的所述增强层比特的软信息;
iv2.将所述步骤iv1中获得的所述第一符号中的所述增强层比特的软信息与所述步骤ii’中获得的所述第一符号中的所述增强层比特的软信息进行合并;
iv3.基于合并后的软信息,对解调后的所述第一符号中的所述增强层比特进行解码,以获得所述第一符号中的所述增强层比特;
iv4.从所述叠加信号中去除所述第一符号中的所述增强层比特,并解调解码出所述第二符号。
8.一种在中继通信系统的基站中用于分层传输的装置,所述中继通信系统包括所述基站、中继节点和用户设备,其中,所述装置包括:
确定模块,用于根据所述基站至所述用户设备的信道质量以及所述基站至所述中继节点的信道质量,确定第一调制方式;
第一调制模块,用于在第一时隙,以所述第一调制方式对第一符号进行调制,并广播经所述第一调制方式调制后的所述第一符号;
第二调制模块,用于在第二时隙,以第二调制方式对第二符号进行调制,并将经所述第二调制方式调制后的所述第二符号发送至所述用户设备;
其中,所述第二调制方式的调制阶数低于所述第一调制方式的调制阶数。
9.一种在中继通信系统的中继节点中用于分层传输的装置,所述中继通信系统包括基站、所述中继节点和用户设备,其中,所述装置包括:
第一接收模块,用于在第一时隙,接收来自所述基站的经第一调制方式调制后的第一符号;
第一解调解码模块,用于对所述经第一调制方式调制后的第一符号进行解调解码,以获得所述第一符号中的基本层比特和增强层比特;
第三调制模块,用于以第三调制方式对所述第一符号中的所述增强层比特进行调制;
发送模块,用于在所述基站把经第二调制方式调制后的第二符号发送至所述用户设备的第二时隙,将经所述第三调制方式调制后的所述增强层比特发送至所述用户设备;
其中,所述第三调制方式的调制阶数低于所述第一调制方式的调制阶段。
10.一种在中继通信系统的用户设备中用于分层传输的装置,所述中继通信系统包括基站、中继节点和所述用户设备,其中,所述装置包括:
第二接收模块,用于在第一时隙,接收来自所述基站的经第一调制方式调制后的第一符号;
第二解调解码模块,用于对所述经第一调制方式调制后的第一符号进行解调解码,以获得所述第一符号中的基本层比特;
第三接收模块,用于在第二时隙,接收来自所述中继节点的经第三调制方式调制后的所述第一符号中的增强层比特以及来自所述基站的经第二调制方式调制后的第二符号;
第三解调解码模块,用于从所述经第三调制方式调制后的所述第一符号中的增强层比特和所述经第二调制方式调制后的第二符号的叠加信号中,分别解调解码出所述第一符号中的所述增强层比特和所述第二符号;
其中,所述第二调制方式和所述第三调制方式的调制阶数低于所述第一调制方式的调制阶数。
11.根据权利要求10所述的装置,其特征在于,所述第二解调解码装置还用于:对所述经第一调制方式调制后的第一符号进行解调,以获得所述第一符号中的所述增强层比特的软信息。
12.根据权利要求11所述的装置,其特征在于,所述用户设备为基于干扰消除的用户设备,所述第三解调解码模块包括:
解调模块,用于从所述经第三调制方式调制后的所述第一符号中的增强层比特和所述经第二调制方式调制后的第二符号的叠加信号中,解调出所述第一符号中的所述增强层比特,并获得所述第一符号中的所述增强层比特的软信息;
合并模块,用于将在所述第一时隙获得的所述第一符号中的所述增强层比特的软信息与在所述第二时隙获得的所述第一符号中的所述增强层比特的软信息进行合并;
解码模块,用于基于合并后的软信息,对解调后的所述第一符号中的所述增强层比特进行解码,以获得所述第一符号中的所述增强层比特;
第四解调解码模块,用于从所述叠加信号中去除所述第一符号中的所述增强层比特,并解调解码出所述第二符号。
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