CN104144009B - 基于分层调制技术的无线中继混合协同传输方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分层调制技术的无线中继混合协同传输方法及系统，涉及无线通信技术领域。该方法包括：一组中继设备接收第一基站发送的第一信号和第二基站在同频带上同时发送的第二信号；一组中继设备中L个中继设备采用解码转发方式将第一信号发送聚合基站，N‑L个中继设备采用放大转发方式将第一信号和所述第二信号的叠加信号发送聚合基站；聚合基站接收一组中继传输的信号，并对其进行串行干扰消除和合并解码。该方法通过分层调制技术将解码转发及放大转发两种协同转发方案结合在一起，使得在传统解码转发方案中无用的、未能成功解码的信号也能通过放大转发的方式为数据传输提供帮助，从而最大化提高基站与聚合基站之间的数据吞吐量。

Description

基于分层调制技术的无线中继混合协同传输方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于分层调制技术的无线中继混合协同传输方法及系统。

背景技术

随着智能手机的普及和移动多媒体技术的迅速发展，基站如宏蜂窝基站、smallcell基站(pico基站、femto基站)和WiFi AP等设备可能接收到来自多个用户的海量数据信息，而在很多情况下数据源基站与核心网之间并没有有线光纤互连，而是要通过无线设备进行数据传输，例如在临时搭建的热点场所如体育场、剧场等中，small cell基站接收到用户的海量数据后，需要通过无线回程链路将用户的海量数据传输给聚合基站，从而进一步通过聚合基站所连接的有线光纤将用户数据传输给核心网。由于源基站到聚合基站的无线回程链路的信道容量有限，频谱资源极度短缺，因此，如何利用现有的无线通信技术如协同通信、分层调制、广播组播等来有效提高源基站到聚合基站的无线回程链路的信道容量，从而将源基站侧的海量用户数据迅速传送到核心网，成为我们迫切需要解决的问题。

现有的多中继协同传输方案并没有最大化的利用频谱资源，以最优单中继协同转发为例，通常选择源节点→中继i和中继i→目标节点两跳中的较差信道增益构成集合并从中选择最大值，选择该最大值所对应的中继为协作中继，即选中中继的下标为(假设系统中共有N个中继可能参与协同转发)。在最优单中继协同转发方案中，只有单个中继参与协同转发和提供帮助，该方案只有较好的多用户分集增益而没有组播增益，因此该方案并没有最高效的利用频谱资源；另外，多中继协同通信的另一个常用传输方案是源节点选择所有中继参与协同转发，源节点的发射速率将受限于其与第一跳的最差信道中继间的信道容量，该方案只有较好的组播增益而没有多用户分集增益，因此该方案也没有最高效的利用频谱资源。现有的多中继协同转发方案要么都采用解码转发，要么都采用放大转发，要么自适应的分时采用两种常见协同转发方案中的一种，而很少见到不同部分的协同中继同时采用解码转发和放大转发的，更没有利用分层调制技术将这两种协同转发方案结合在一起以最大化的提高传输链路的信道容量。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于分层调制技术的无线中继混合协同传输方法及系统，实现了提高数据吞吐量的目的。

第一方面，本发明提供一种基于分层调制技术的无线中继混合协同传输方法，该方法包括：

一组中继设备接收第一基站发送的第一信号和第二基站在同频带上同时发送的第二信号；

所述一组中继设备中的L个中继设备采用解码转发方式将所述第一信号发送聚合基站，所述一组中继设备中的N-L个中继设备采用放大转发方式将所述第一信号和所述第二信号的叠加信号发送聚合基站，所述L个中继设备与第一基站的距离小于L个中继设备与第二基站的距离；

所述聚合基站接收所述一组中继传输的信号，并对所述一组中继传输的信号进行串行干扰消除和合并解码。

可选的，所述一组中继为N个中继，第一信号为X₁，第二信号为X₂，

L个中继设备接收的信号为X₁，在解码时将信号X₂视为干扰；

N-L个中继设备接收的信号为所述第一信号X₁和所述第二信号X₂的叠加信号X₃。

可选的，所述叠加信号X₃为：

X₃＝h_srix₁+g_srix₂

其中，h_sri为第一基站与中继之间的信道增益；g_sri为第二基站与中继之间的信道增益；i∈{L+1,…,N}。

可选的，所述N-L个中继放大转发所述第一基站和第二基站发送的叠加信号X₃后的信号X₄为：

X₄＝β(h_srix₁+g_srix₂)

其中，β为放大转发的系数，i∈{L+1,…,N}。

可选的，所述聚合基站接收所述L个中继解码转发的信号X₁和N-L个中继放大转发的叠加信号X₄，并对接收的信号进行串行干扰消除和合并解码。

可选的，所述聚合基站对对所述一组中继传输的信号进行串行干扰消除和合并解码具体为：

所述聚合基站对接收的信号X₁进行解码，在解码时将信号X₂视为干扰；

对所述信号X₁解码完成后，将信号X₁从总的接收信号中减去，则所述聚合基站得到无干扰的信号X₂。

可选的，所述第一基站与所述一组中继设备之间为无线连接，第二基站与所述一组中继设备之间为无线连接。

可选的，所述L个中继设备和N-L个中继设备不重复使用。

第二方面，本发明还提供了一种基于分层调制技术的无线中继混合协同传输系统，该系统包括：第一基站、第二基站、一组中继设备、聚合基站；

所述第一基站，用于向所述一组中继设备发送第一信号；

所述第二基站，用于向所述一组中继设备发送第二信号；

所述一组中继设备，用于将所述一组中继设备中的L个中继设备采用解码转发方式将所述第一信号发送聚合基站，所述一组中继设备中的N-L个中继设备采用放大转发方式将所述第一信号和所述第二信号的叠加信号发送聚合基站；

所述聚合基站，用于接收所述一组中继传输的信号，并对所述一组中继传输的信号进行串行干扰消除和合并解码。

由上述技术方案可知，本发明提出了一种基于分层调制技术的无线中继混合协同传输方法及系统，通过本发明的上述技术方案具有如下优点：该方法及系统通过分层调制技术采用解码转发及放大转发两种协同转发方案结合在一起，使得在传统解码转发方案中无用的，未能成功解码的信号也能通过放大转发的方式为数据传输提供帮助，从而最大化的提高基站与聚合基站之间的数据吞吐量。

附图说明

图1为本发明一实施例提到的分层调制系统示意图；

图2为本发明一实施例提到的中继转发基站数据给目标节点结构示意图；

图3为本发明一实施例提供的基于分层调制技术的无线中继混合协同传输方法流程图；

图4为本发明一实施例提供的基于分层调制技术的无线中继混合协同传输示意图；

图5为本发明一实施例的方法与直接传输、最优单中继机会传输以及多中继协同传输方法的频谱效率比较的仿真结果示意图；

具体实施方式

下面结合附图，对发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本实施例提供了一种基于分层调制技术的无线中继混合协同传输方法及系统，本方法及系统可用于多个数据源通过多中继到目标设备的数据传输，例如多个无线通信小区数据源基站通过多中继到用户的传输链路，或者多个无线通信小区数据源基站通过多中继到聚合基站进入核心网的无线回程链路中，可有效提高传输的频谱效率。本文中设计的设备均以无线通信小区数据源基站、无线中继和无线聚合基站为例，实际上不限于此，可以是任何具有发送和接收功能的信息设备。第一基站为微基站，所述聚合基站为宏基站。

首先，先简单分层调制技术，如图1所示，分层调制技术的原理如下：假设有功率为P的基站与两个用户，其中用户1距离基站较远，用户2距离基站较近，因此用户2与基站间的信道质量较好，用户1与基站间的信道质量较差。基站将消息x₁和消息x₂经分别调制后的模拟信号叠加并发送，即发送信号为x＝x₁+x₂，其中分配给信号x₁的发射功率P₁较大，分配给信号x₂的发射功率P₂较小，P＝P₁+P₂。在用户1解码时，用户1首先解码强信号x₁，此时将弱信号x₂视为干扰，在基站端合理的发射功率设置可以保证用户1对强信号x₁的成功解码。在用户1成功解码出消息x₁后，用户1重建信号x₁并将其从总的接收信号中减去，从而得到无干扰的弱信号x₂。由于用户1与基站间的信道质量较差，因此用户1可能无法继续解码出消息x₂。同样，在用户2解码时，用户2首先解码强信号x₁，由于信道质量差的用户1能够成功解码消息x₁，因此信道质量好的用户2也必定能够成功解码消息x₁。在用户2成功解码出消息x₁后，用户2重建信号x₁并将其从总的接收信号中减去，从而得到无干扰的弱信号x₂。由于用户2与基站间的信道质量较好，因此用户2能够继续解码出消息x₂。综上所述，当基站将信号x₁和信号x₂叠加并发送后，距离基站较远的信道质量差的用户1只能成功解码出消息x₁，而距离基站较近的信道质量好的用户2能够成功解码出消息x₁和消息x₂。

下面将介绍中继协同通信技术，如图2所示，中继距离源节点较近，目标节点距离源节点较远。由于有限的发射功率和带宽，以及随时间变化的信道质量，有时源节点发送的信号不能直接被目标节点解码。作为该问题的一种解决方案，中继可以帮助源节点转发数据给目标节点，即如果源节点→目标节点之间的信道质量较差而源节点→中继和中继→目标节点之间的信道质量较好，则源节点也可以通过源节点→中继→目标节点的无线路径传输数据。目标节点可以对源节点和中继发送来的信号进行合并解码。常见的中继协同通信方案有放大转发(AF,Amplify-and-Forward)、解码转发(DF,Decode-and-Forward)等。放大转发(AF)是中继直接放大并转发从源节点接收到的信号，也就是说，中继只是一个简单的放大器，它对输入的信号只进行线性放大处理；中继接收并放大来自源节点的带有噪声的信号，并将已放大的带有噪声的源节点信号发送给目标节点。目标节点对源节点和中继发送来的信号进行合并解码。解码转发(DF)是中继先对接收到的源节点信号进行解码，并按照原来的编码方式或新的编码方式将编码后的再生符号信息转发给目标节点，目标节点对多个中继发送来的信号进行合并解码。

最后介绍机会组播技术，本实施例具有组播增益和多用户分集增益，可高效的利用频谱资源。在组播传输中，如果源节点的发射速率根据组播组中最差信道用户的信道状况来选择，即传统广播传输，则组播组中的所有用户都能够接收到数据，但是发射速率将很低；相反，如果发射速率根据组播组中最优信道用户的信道状况来选择，如机会单播传输，则发射速率将很高，但是组播组中将只有一个用户能够接收到数据。机会组播调度的核心思想是在无线组播系统中，数据源信号的发射速率根据某一中间信道条件的用户而定，例如在每次发射中保证有比例为p(0≤p≤100％，如设为50％)的用户能够接收到组播消息。在机会组播方式下，源信号的发射速率会远大于传统广播方式下的发射速率，同时每次信号发射中有比例为p的用户能够接收到组播消息，即同时实现了多用户分集增益和组播增益，极大的提高了频谱效率。

如图3所示，图3为本发明一实施例提供的基于分层调制技术的无线中继混合协同传输方法流程图，其具体步骤如下：

S1、一组中继设备接收第一基站发送的第一信号和第二基站在同频带上同时发送的第二信号；

S2、所述一组中继设备中的L个中继设备采用解码转发方式将所述第一信号发送聚合基站，所述一组中继设备中的N-L个中继设备采用放大转发方式将所述第一信号和所述第二信号的叠加信号发送聚合基站，所述L个中继设备与第一基站的距离小于L个中继设备与第二基站的距离；

所述一组中继为N个中继，第一信号为X₁，第二信号为X₂，L个中继设备接收的信号为X₁；N-L个中继设备接收的信号为所述第一信号X₁和所述第二信号X₂的叠加信号X₃。

所述叠加信号X₃为：

X₃＝h_srix₁+g_srix₂

其中，h_sri为第一基站与中继之间的信道增益；g_sri为第二基站与中继之间的信道增益；i∈{L+1,…,N}。

所述N-L个中继放大转发所述第一基站和第二基站发送的叠加信号X₃后的信号X₄为：

X₄＝β(h_srix₁+g_srix₂)

其中，β为放大转发的系数，i∈{L+1,…,N}。

S3、所述聚合基站接收所述一组中继传输的信号，并对所述一组中继传输的信号进行串行干扰消除和合并解码。

该方法通过分层调制技术将解码转发及放大转发两种协同转发方案结合在一起，使得在传统解码转发方案中无用的、未能成功解码的信号也能通过放大转发的方式为数据传输提供帮助，从而最大化的提高基站与聚合基站之间的数据吞吐量。

举例来说，在前述的步骤中，结合图4具体说明如下：在发送端即源基站、中继和接收端即聚合基站的实现过程。首先，在数据发送端，假设源基站S_i(i∈{1,2})已知其与所有的2N个中继设备以及其各自与聚合基站d_i(i∈{1,2})之间的信道增益，每个中继组i(i∈{1,2})中的N个中继设备都已知其与聚合基站d_i(i∈{1,2})之间的信道增益。本发明实施例以中继组1进行具体说明，源基站S_i(i∈{1,2})首先将N个中继的信道增益进行排序，使得|h_sr1|²≥|h_sr2|²≥L≥|h_srN|²。

假设small sell基站S₁在第一传输时隙内以功率P和速率R₁向中继发送数据X₁进行基于机会组播的数据传输，和small sell基站S₁同频的另外一个small sell基站S₂同时以功率P和速率R₂向中继发送数据X₂，假设基站S₁和S₂与聚合基站d之间没有直传链路，共有N(N为大于1的整数)个中继以解码转发或放大转发的方式帮助转发基站信号。

对于组1中的中继{R_S1,…,R_SL}，由于基站S₁距离L个中继较近，其中L≤N，基站S₂距离L个中继较远，因此在L各中继处X₁的信号较强，X₂的信号较弱，则使得在信号X₂被视为干扰的情况下L个中继{R_S1,…,R_SL}可以成功解码信号X₁。这样基站S₁对信号X₁的发射速率会远大于传统广播方式下的发射速率，同时在第一个传输时隙中，共有L个中继能够成功解码信号X₁，同时实现了多用户分集增益和组播增益，有效提高了发射速率和传输速率。同时，在第一个传输时隙中，N-L个中继{R_S(L+1),…,R_SN}无法解码信号X₁，这N-L个中继{R_S(L+1),…,R_SN}将收到X₁和X₂在空中叠加的信号X₃＝h_srix₁+g_srix₂，其中，h_sri为第一基站与中继之间的信道增益；g_sri为第二基站与中继之间的信道增益；i∈{L+1,…,N}。

基于上述中继协同通信技术，本发明实施例采用放大转发(AF,Amplify-and-Forward)和解码转发(DF,Decode-and-Forward)的方式进行信号的传输，具体为：L个中继解码转发所述第一基站发送的信号X₁；N-L个中继放大转发所述第一基站和第二基站发送的叠加信号X₃后的叠加信号为X₄。

在第二个传输时隙中，将在第一个传输时隙中已经成功解码信号X₁的L个中继{R_S1,…,R_SL}分别以功率P转发信号X₁，在第一传输时隙中无法解码信号X₁的N-L个中继{R_S(L+1),…,R_SN}分别以功率P放大转发X₁和X₂在空中叠加的信号X₃后的叠加信号X₄＝β(h_srix₁+g_srix₂)，其中，β为放大转发的系数，i∈{L+1,…,N}。

聚合基站d₁对其在第一传输时隙和第二传输时隙内接收到的X₁和X₂进行SIC(Successive Interference Cancellation，串行干扰消除)和合并解码，具体为：聚合基站d₁在第一个传输时隙时，接收基站S₁和S₂发送的信号X₁和X₂，对信号X₁和X₂只是存储而不对其进行解码，聚合基站d₁在第二个传输时隙时，首先对信号X₁进行解码，在解码时将信号X₂视为干扰；在成功解码信号X₁后，将信号X₁从总的接收信号中减去，则聚合基站d可以得到无干扰的信号X₂。由于在第二个时隙中信号X₁的总发射功率较大，信号X₂的总发射功率较小，因此能够保证聚合基站d₁对信号X₁和X₂的成功解码。

第二方面，本发明还提供了一种基于分层调制技术的无线中继混合协同传输系统，该系统包括：第一基站、第二基站、一组中继设备、聚合基站；

所述第一基站，用于向所述一组中继设备发送第一信号；

所述第二基站，用于向所述一组中继设备发送第二信号；

所述一组中继设备，用于将所述一组中继设备中的L个中继设备采用解码转发方式将所述第一信号发送聚合基站，所述一组中继设备中的N-L个中继设备采用放大转发方式将所述第一信号和所述第二信号的叠加信号发送聚合基站；

所述聚合基站，用于接收所述一组中继传输的信号，并对所述一组中继传输的信号进行串行干扰消除和合并解码。

图5为示出了本发明实施例的方法与直接传输、最优单中继机会传输以及多中继协同传输方法的频谱效率比较的仿真结果示意图，从图5中可以明显看出，本方法多中继解码转发和放大转发即多中继(DF+AF)的性能表现明显优于直接传输、最优单中继机会传输方法，以及多中继解码转发即多中继(DF)传输方法，在相同的信噪比条件下，本方法下的源基站与聚合基站间的平均吞吐量将明显高于直接传输、最优单中继机会传输方法，以及多中继解码转发的传输方法下的平均吞吐量，而且这种平均吞吐量的差异随着信噪比的增大而增大。

以上所述仅是本发明优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于分层调制技术的无线中继混合协同传输方法，其特征在于，该方法包括：

一组中继设备接收第一基站发送的第一信号和第二基站在同频带上同时发送的第二信号；

所述一组中继设备中的L个中继设备采用解码转发方式将所述第一信号发送聚合基站，所述一组中继设备中的N-L个中继设备采用放大转发方式将所述第一信号和所述第二信号的叠加信号发送聚合基站，所述L个中继设备与第一基站的距离小于L个中继设备与第二基站的距离；

所述聚合基站接收所述一组中继设备传输的信号，并对所述一组中继设备传输的信号进行串行干扰消除和合并解码。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述一组中继设备为N个中继设备，第一信号为X₁，第二信号为X₂，

L个中继设备接收的信号为X₁，在解码时将信号X₂视为干扰；

N-L个中继设备接收的信号为所述第一信号X₁和所述第二信号X₂的叠加信号X₃。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述叠加信号X₃为：

X₃＝h_srix₁+g_srix₂

其中，h_sri为第一基站与中继设备之间的信道增益；g_sri为第二基站与中继设备之间的信道增益；i∈{L+1,…,N}。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述N-L个中继设备放大转发所述第一基站和第二基站发送的叠加信号X₃后的信号X₄为：

X₄＝β(h_srix₁+g_srix₂)

其中，β为放大转发的系数，i∈{L+1,…,N}。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚合基站接收所述L个中继设备解码转发的信号X₁和N-L个中继设备放大转发的叠加信号X₄，并对接收的信号进行串行干扰消除和合并解码。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚合基站对对所述一组中继设备传输的信号进行串行干扰消除和合并解码具体为：

所述聚合基站对接收的信号X₁进行解码，在解码时将信号X₂视为干扰；

对所述信号X₁解码完成后，将信号X₁从总的接收信号中减去，则所述聚合基站得到无干扰的信号X₂。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一基站与所述一组中继设备之间为无线连接，第二基站与所述一组中继设备之间为无线连接。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述L个中继设备和N-L个中继设备不重复使用。

9.一种基于分层调制技术的无线中继混合协同传输系统，其特征在于，该系统包括：第一基站、第二基站、一组中继设备、聚合基站；

所述第一基站，用于向所述一组中继设备发送第一信号；

所述第二基站，用于向所述一组中继设备发送第二信号；

所述一组中继设备，用于将所述一组中继设备中的L个中继设备采用解码转发方式将所述第一信号发送聚合基站，所述一组中继设备中的N-L个中继设备采用放大转发方式将所述第一信号和所述第二信号的叠加信号发送聚合基站，所述L个中继设备与第一基站的距离小于L个中继设备与第二基站的距离；

所述聚合基站，用于接收所述一组中继设备传输的信号，并对所述一组中继设备传输的信号进行串行干扰消除和合并解码。