CN107359924A - 一种用于蜂窝中继系统的全双工中继传输方法 - Google Patents

一种用于蜂窝中继系统的全双工中继传输方法 Download PDF

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施炯
邵鹏飞
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Abstract

本发明涉及一种用于蜂窝中继系统的全双工中继传输方法,包括：在任意一个时隙n,n＝1,2...,基站BS和K个移动终端发送信号给中继站RS，中继站接收到叠加信号，同时还对前一时隙接收到的叠加信号进行解码和重新编码后广播给基站BS和K个移动终端，基站BS利用迫零均衡矩阵进行线性检测来估计K个移动终端的发送信号，K个移动终端直接估计基站的发送信号，基站可以根据得到估计值和自己的发送信号，采用异或运算来得到移动终端的发送信号，K个移动终端根据得到估计值和自己的发送信号，采用异或运算来得到基站的发送信号，在存在自干扰的情况下，能够实现在蜂窝中继系统中使用全双工中继传输方法，并且所述全双工中继传输方法能够使系统的传输速率比传统半双工速率要高。

Description

一种用于蜂窝中继系统的全双工中继传输方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其是涉及一种用于蜂窝中继系统的全双工中继传输方法。
背景技术
在蜂窝移动通信系统中,当基站和移动终端距离较远时，由于传播路径损耗较大,移动终端发射功率会大幅增加,并且传输误码率会显著增加,从而导致较低的数据传输速率。通过在基站和移动终端中间部署中继站进行信号的转发,可以降低移动终端功率消耗，降低误码率。这种无线中继技术由于其较高的传输效率,在近年来得到了业界广泛关注。
图1给出了一个典型的蜂窝中继系统，其中基站BS在中继站RS的帮助下和K个移动终端MS1,MS2,...MSK,进行双向通信。现有的方案中，普遍采用了这种半双工中继传输模式，图1所示，这种半双工中继模式需要2个时隙才能完成一次信息的传输，在第一个时隙，基站和所有K个移动终端同时发送信号给中继站，中继站接收信号；在第二个时隙，中继站将接收到的信号进行一定处理后转发给基站和移动终端。
全双工无线通信近年来得到了广泛的关注，与传统半双工通信相比，全双工终端可以在发送信号的同时接收信号，从而大大提高的信号传输的效率。不过由于全双工无线通信存在自干扰，所以目前现有的全双工技术方法仅局限地用在单用户单向中继系统和两用户双向中继系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种在存在自干扰的情况下，能够用于蜂窝中继系统中的全双工中继传输方法，所述全双工中继传输方法能够使系统传输速率比传统半双工速率要高。
本发明所采用的技术方案是，一种用于蜂窝中继系统的全双工中继传输方法,蜂窝中继系统中基站BS部署NB根天线，中继站BS部署NR根天线，每个移动终端各部署一根天线，基站的发射功率为PB，中继站发射功率为PR，每个移动终端发射功率为PU，所述全双工中继传输方法为：
(1)、在任意一个时隙n,n＝1,2...,基站BS和K个移动终端MS1,MS2,...MSK发送信号给中继站RS，中继站接收到来自基站BS和K个移动终端MS1,MS2,...MSK的叠加信号；
(2)、中继站在接收步骤(1)中的叠加信号的同时，中继站还对前一时隙接收到的叠加信号进行解码和重新编码后广播给基站BS和K个移动终端MS1,MS2,...MSK；
(3)、基站BS和K个移动终端MS1,MS2,...MSK接收到步骤(2)中继站广播出来的信号，基站BS利用迫零均衡矩阵进行线性检测来估计K个移动终端的发送信号，并得到一个估计值，K个移动终端直接根据接收到的广播信号来估计基站的发送信号，得到一个估计值；
(4)、基站可以根据步骤(3)中得到估计值和自己的发送信号，采用异或运算来最终得到移动终端的发送信号，K个移动终端可以根据步骤(3)中得到估计值和自己的发送信号，采用异或运算来最终得到基站的发送信号。
步骤(1)中，基站需要发送K个数据给K个移动终端，定义基站需要发送给第k个移动终端的数据符号为SB,k,k＝1,2,...,K,基站发送给K个移动终端的信号可以用K×1的数据符号向量来表示，即sB(n)＝[sB,1(n),...,sB,K(n)]T,则基站的发送信号可以表示为：xB(n)＝FBsB(n),其中FB为基站的发射预编码矩阵，所采用如下的预编码矩阵为：其中IK表示K×K的单位矩阵，表示K×(NB-K)的零矩阵。
步骤(1)中，定义第k个移动终端的发送信号为其中sU,k(n)表示第k个移动终端的单位能量的数据符号，则可以得出中继站接收到的叠加信号可以表示为其中HBR表示从基站到中继站的信道矩阵，HUR表示从K个移动终端到中继站的信道矩阵，HRR表示全双工中继站的自干扰信道矩阵，xU(n)＝[xU,1(n),xU,2(n),...,xU,K(n)]T表示所有K个移动终端的发送信号向量，表示中继站的全双工自干扰信号，zR(n)表示中继站的高斯白噪声。
步骤(2)中，中继站将第(n-1)个时隙接收到的信号解码后再重新编码得到信号sR(n-1)，然后发送给基站和移动终端，中继站的发送信号可以表示为其中HRU表示从中继站到K个移动终端的信道矩阵,(·)+表示求伪逆，αR是中继站的功率放大系数，其值取为其中tr(·)表示求迹运算。
步骤(3)中，基站接收到的中继站的信号可以表示为：
其中HRB表示从中继站到基站的信道矩阵，HBB表示基站的自干扰信道矩阵，表示基站全双工自干扰信号，zB(n)表示基站的高斯白噪声。
步骤(3)中，为了检测来自K个移动终端的信号，基站利用迫零均衡矩阵进行线性检测来估计所有移动终端的发送信号，该信号估计可以用下列表达式来描述：
即基站根据此表达式来估计中继站第(n-1)个时隙的信号sR(n-1)，基站对sR(n-1)的估计值为其中迫零均衡矩阵为：
步骤(4)中，基站可以根据估计值和自己的发送信号，采用异或运算估计到移动终端的发送信号，所述估计到的移动终端的发送信号为：其中表示异或运算。
步骤(3)中，第k个移动终端接收到中继站的发送信号可以表示为：
其中hk,k表示第k个移动终端的自干扰信道系数，hi,k表示第i个移动终端到第k个移动终端的信道系数i≠k，表示第k个移动终端全双工自干扰信号，该全双工干扰信号会对信号的接收造成影响，zU,k表示高斯白噪声,第k个移动终端可以根据接收信号yU,k(n)来估计基站的发送信号，第k个移动终端的估计值为
步骤(4)中，第k个移动终端根据估计值和自己的发送信号，采用异或运算来估计基站的发送信号，即其中表示异或运算。
本发明的有益效果是：在存在自干扰的情况下，能够实现在蜂窝中继系统中使用全双工中继传输方法，并且所述全双工中继传输方法能够使系统的传输速率比传统半双工速率要高。
附图说明
图1为背景技术中描述的基于两个时隙的蜂窝半双工中继传输示意图；
图2为本发明一种用于蜂窝中继系统的全双工中继传输方法的传输示意图；
图3为本发明一种用于蜂窝中继系统的全双工中继传输方法的速率性能仿真图。
具体实施方式
以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。
本发明涉及一种用于蜂窝中继系统的全双工中继传输方法,如图2所示，蜂窝中继系统中基站BS部署NB根天线，中继站BS部署NR根天线，每个移动终端各部署一根天线，基站的发射功率为PB，中继站发射功率为PR，每个移动终端发射功率为PU，所述全双工中继传输方法为：
(1)、在任意一个时隙n,n＝1,2...,，基站BS和K个移动终端MS1,MS2,...MSK发送信号给中继站RS，中继站接收到来自基站BS和K个移动终端MS1,MS2,...MSK的叠加信号；
(2)、中继站在接收步骤(1)中的叠加信号的同时，中继站还对前一时隙接收到的叠加信号进行解码和重新编码后广播给基站BS和K个移动终端MS1,MS2,...MSK；
(3)、基站BS和K个移动终端MS1,MS2,...MSK接收到步骤(2)中继站广播出来的信号，基站BS和K个移动终端分别利用迫零均衡矩阵进行线性检测来估计对方的发送信号，并分别得到一个估计值；
(4)、基站可以根据步骤(3)中得到估计值和自己的发送信号，采用异或运算来最终得到移动终端的发送信号，K个移动终端可以根据步骤(3)中得到估计值和自己的发送信号，采用异或运算来最终得到基站的发送信号。
步骤(1)中，基站需要发送K个数据给K个移动终端，定义基站需要发送给第k个移动终端的数据符号为SB,k,k＝1,2,...,K,基站发送给K个移动终端的信号可以用K×1的数据符号向量来表示，即sB(n)＝[sB,1(n),...,sB,K(n)]T,则基站的发送信号可以表示为：xB(n)＝FBsB(n),其中FB为基站的发射预编码矩阵，所采用如下的预编码矩阵为：其中IK表示K×K的单位矩阵，表示K×(NB-K)的零矩阵。
步骤(1)中，定义第k个移动终端的发送信号为其中sU,k(n)表示第k个移动终端的单位能量的数据符号，则可以得出中继站接收到的叠加信号可以表示为其中HBR表示从基站到中继站的信道矩阵，HUR表示从K个移动终端到中继站的信道矩阵，HRR表示全双工中继站的自干扰信道矩阵，xU(n)＝[xU,1(n),xU,2(n),...,xU,K(n)]T表示所有K个移动终端的发送信号向量，表示中继站的全双工自干扰信号，zR(n)表示中继站的高斯白噪声。
步骤(2)中，中继站将第(n-1)个时隙接收到的信号解码后再重新编码得到信号sR(n-1)，然后发送给基站和移动终端，中继站的发送信号可以表示为其中HRU表示从中继站到K个移动终端的信道矩阵,(·)+表示求伪逆，αR是中继站的功率放大系数，其值取为其中tr(·)表示求迹运算。
步骤(3)中，基站接收到的中继站的信号可以表示为：
其中HRB表示从中继站到基站的信道矩阵，HBB表示基站的自干扰信道矩阵，表示基站全双工自干扰信号，zB(n)表示基站的高斯白噪声。
步骤(3)中，为了检测来自K个移动终端的信号，基站利用迫零均衡矩阵进行线性检测来估计所有移动终端的发送信号，该信号估计可以用下列表达式来描述：
即基站根据此表达式来估计中继站第(n-1)个时隙的信号sR(n-1)，基站对sR(n-1)的估计值,其中迫零均衡矩阵为：
步骤(4)中，基站可以根据估计值和自己的发送信号，采用异或运算估计到移动终端的发送信号，所述估计到的移动终端的发送信号为：其中表示异或运算。
步骤(3)中，第k个移动终端接收到中继站的发送信号可以表示为：
其中hk,k表示第k个移动终端的自干扰信道系数，hi,k表示第i个移动终端到第k个移动终端的信道系数i≠k，表示第k个移动终端全双工自干扰信号，该全双工干扰信号会对信号的接收造成影响，zU,k表示高斯白噪声,第k个移动终端可以根据接收信号yU,k(n)来估计基站的发送信号，第k个移动终端的估计值为
步骤(4)中，第k个移动终端根据估计值和自己的发送信号，采用异或运算来估计基站的发送信号，即其中表示异或运算。
如图3所示，在不同中继站天线数目下的速率性能仿真图，其中基站部署300根天线，基站、中继站和移动终端发射功率分别为20dBm、20dBm和0dBm。

Claims (10)

1.一种用于蜂窝中继系统的全双工中继传输方法,蜂窝中继系统中基站BS部署NB根天线，中继站BS部署NR根天线，每个移动终端各部署一根天线，基站的发射功率为PB，中继站发射功率为PR，每个移动终端发射功率为PU，其特征在于，所述全双工中继传输方法的步骤为：
(1)、在任意一个时隙n,n＝1,2...,基站BS和K个移动终端MS1,MS2,...MSK发送信号给中继站RS，中继站接收到来自基站BS和K个移动终端MS1,MS2,...MSK的叠加信号；
(2)、中继站在接收步骤(1)中的叠加信号的同时，中继站还对前一时隙接收到的叠加信号进行解码和重新编码后广播给基站BS和K个移动终端MS1,MS2,...MSK；
(3)、基站BS和K个移动终端MS1,MS2,...MSK接收到步骤(2)中继站广播出来的信号，基站BS利用迫零均衡矩阵进行线性检测来估计K个移动终端的发送信号，并得到一个估计值，K个移动终端直接根据接收到的广播信号来估计基站的发送信号，得到一个估计值；
(4)、基站可以根据步骤(3)中得到估计值和自己的发送信号，采用异或运算来最终得到移动终端的发送信号，K个移动终端可以根据步骤(3)中得到估计值和自己的发送信号，采用异或运算来最终得到基站的发送信号。
2.根据权利要求1所述的一种用于蜂窝中继系统的全双工中继传输方法,其特征在于：步骤(1)中，基站需要发送K个数据给K个移动终端，定义基站需要发送给第k个移动终端的数据符号为SB,k,k＝1,2,...,K,基站发送给K个移动终端的信号可以用K×1的数据符号向量来表示，即sB(n)＝[sB,1(n),...,sB,K(n)]T,则基站的发送信号可以表示为：xB(n)＝FBsB(n),其中FB为基站的发射预编码矩阵，所采用如下的预编码矩阵为：其中IK表示K×K的单位矩阵，表示K×(NB-K)的零矩阵。
3.根据权利要求2所述的一种用于蜂窝中继系统的全双工中继传输方法,其特征在于：步骤(1)中，定义第k个移动终端的发送信号为其中sU,k(n)表示第k个移动终端的单位能量的数据符号，则可以得出中继站接收到的叠加信号可以表示为其中HBR表示从基站到中继站的信道矩阵，HUR表示从K个移动终端到中继站的信道矩阵，HRR表示全双工中继站的自干扰信道矩阵，xU(n)＝[xU,1(n),xU,2(n),...,xU,K(n)]T表示所有K个移动终端的发送信号向量，表示中继站的全双工自干扰信号，zR(n)表示中继站的高斯白噪声。
4.根据权利要求1所述的一种用于蜂窝中继系统的全双工中继传输方法,其特征在于：步骤(2)中，中继站将第(n-1)个时隙接收到的信号解码后再重新编码得到信号sR(n-1)，然后发送给基站和移动终端，中继站的发送信号可以表示为其中HRU表示从中继站到K个移动终端的信道矩阵,(·)+表示求伪逆，αR是中继站的功率放大系数，其值取为其中tr(·)表示求迹运算。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种用于蜂窝中继系统的全双工中继传输方法,其特征在于：步骤(3)中，基站接收到的中继站的信号可以表示为：
其中HRB表示从中继站到基站的信道矩阵，HBB表示基站的自干扰信道矩阵，表示基站全双工自干扰信号，zB(n)表示基站的高斯白噪声。
6.根据权利要求5所述的一种用于蜂窝中继系统的全双工中继传输方法,其特征在于：步骤(3)中，为了检测来自K个移动终端的信号，基站利用迫零均衡矩阵进行线性检测来估计所有移动终端的发送信号，该信号估计可以用下列表达式来描述：
即基站根据此表达式来估计中继站第(n-1)个时隙的信号sR(n-1)，基站对sR(n-1)的估计值为其中迫零均衡矩阵为：
7.根据权利要求6所述的一种用于蜂窝中继系统的全双工中继传输方法,其特征在于：步骤(4)中，基站可以根据估计值和自己的发送信号，采用异或运算估计到移动终端的发送信号，所述估计到的移动终端的发送信号为：其中表示异或运算。
8.根据权利要求1或2或3或4所述的一种用于蜂窝中继系统的全双工中继传输方法,其特征在于：步骤(3)中，第k个移动终端接收到中继站的发送信号可以表示为：
其中hk,k表示第k个移动终端的自干扰信道系数，hi,k表示第i个移动终端到第k个移动终端的信道系数i≠k，表示第k个移动终端全双工自干扰信号，该全双工干扰信号会对信号的接收造成影响，zU,k表示高斯白噪声,第k个移动终端可以根据接收信号yU,k(n)来估计基站的发送信号，第k个移动终端的估计值为
9.根据权利要求5所述的一种用于蜂窝中继系统的全双工中继传输方法,其特征在于：步骤(4)中，第k个移动终端根据估计值和自己的发送信号，采用异或运算来估计基站的发送信号，即其中表示异或运算。
10.根据权利要求9所述的一种用于蜂窝中继系统的全双工中继传输方法,其特征在于：步骤(4)中，第k个移动终端可以估计值和自己的发送信号，采用异或运算来估计基站的发送信号，即其中表示异或运算。
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