專利名稱：一種中繼輔助的多輸入多輸出系統(tǒng)的通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信系統(tǒng)，尤其涉及一種中繼輔助多輸入多輸出無線通信系統(tǒng)的 分布式有限反饋預(yù)編碼方法。
背景技術(shù)：
中繼無線通信系統(tǒng)具有擴(kuò)展小區(qū)的覆蓋面、克服“死區(qū)”效應(yīng)、改善小區(qū)邊界接收 端的信道質(zhì)量、克服陰影效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。中繼通信的思想早在三十多年前就有人提出，該思想 是最簡單的三點(diǎn)式通信，其中包括一個發(fā)射端、一個中繼站和一個接收端，且這三個節(jié)點(diǎn)都 只有一根天線。近年來，研究人員分別從中繼協(xié)議、信息論和具體算法的角度研究中繼通 信，例如針對單輸入單輸出的無線中繼通信系統(tǒng)，有三種傳統(tǒng)的中繼協(xié)議，包括放大轉(zhuǎn)發(fā)、 解碼轉(zhuǎn)發(fā)和壓縮轉(zhuǎn)發(fā)，其中放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)議由于不需要解碼直接轉(zhuǎn)發(fā)信號，處理復(fù)雜度 和功率消耗都很低，所以應(yīng)用最為廣泛。同時，多輸入多輸出通信系統(tǒng)能夠通過利用空間復(fù) 用增益、空間分集增益和陣列增益提高通信的有效性和可靠性。將多輸入多輸出技術(shù)和中 繼技術(shù)相結(jié)合能夠利用二者的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)一步地提高通信性能。
盡管在大多數(shù)場景下，使用譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方式的可再生中繼比放大轉(zhuǎn)發(fā)方式的非 可再生中繼更具優(yōu)勢，但它會產(chǎn)生更高的計(jì)算復(fù)雜度和時延，且存在安全隱患。對于放 大轉(zhuǎn)發(fā)模式的中繼輔助多輸入多輸出通信系統(tǒng)，文獻(xiàn)(0. Munoz-Medina，J. Vidal and A.Agustin,"Linear transceiver design in non-regenerative relays with channel state information, "IEEETrans. Signal Process.，vol. 55, no. 6, pp.2593-2604, June 2007)研究了在中繼站完全已知兩跳信道信息的情況下，中繼站到接收端的最優(yōu)線性收 發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)；研究表明兩跳通信系統(tǒng)的傳輸可以轉(zhuǎn)換為在多個正交子信道上的并行數(shù)據(jù) 流傳輸° 文獻(xiàn)(I. Hammerstrom and A. ffittneben, "Power allocation schemes for ampliy-and-forward MIM0-0FDM relay links，，IEEE Trans. Wireless Commun. , vol.6, no. 8，pp. 2798-2802，Aug. 2007)給出了兩跳通信系統(tǒng)準(zhǔn)最優(yōu)線性收發(fā)機(jī)的聯(lián)合設(shè)計(jì)方案， 仿真結(jié)果顯示其獲得了很好的性能增益，但同時需要高復(fù)雜度的運(yùn)算。
值得注意的是，上述算法均需要完全已知兩跳的信道狀態(tài)信息，這在實(shí)際的頻分 雙工通信系統(tǒng)中并不適用。為了克服這個問題，文獻(xiàn)(B. Khoshnevis，W. Yu and R. Adve, "Grassmannian beamforming for ΜΙΜΟ amplify-and-forward relaying，，IEEE J.Sel. Areas. Commun. vol. 26，no. 8，pp. 1397-1407，Oct. 2008.)提出 了一種適用于放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼 的有限反饋波束成形算法，其采用了 Grassmarmian碼本以降低反饋開銷。但它只適用于 波束成形的情況，并不方便擴(kuò)展到多個子流的預(yù)編碼系統(tǒng)。在各節(jié)點(diǎn)均配置多根天線的情 況下，該算法不能完全獲得多輸入多輸出信道的復(fù)用增益。文獻(xiàn)(Yongming Huang, Luxi Yang,Mats Bengtsson,and Bjorn 0ttersten,"A limited feedback joint precoding for amplify-and-forward relaying" IEEE Trans. Signal Processing, March 2010,58 (3) 1347-1357.)進(jìn)一步提出了一種適用于放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼的有限反饋預(yù)編碼算法，其只需很小 的開銷，就能充分獲得多輸入多輸出信道的空分復(fù)用增益；但它只適用于忽略直達(dá)鏈路的情況。在直達(dá)鏈路較好時，該算法并不能獲得直達(dá)鏈路的傳輸分集增益。 發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種中繼輔助的多輸入 多輸出通信系統(tǒng)的下行鏈路中發(fā)射端和中繼站的分布式有限反饋預(yù)編碼方法，在低復(fù)雜度 和低反饋開銷的前提下獲得更高的頻譜效率。
技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為
—種中繼輔助的多輸入多輸出系統(tǒng)的通信方法，所述通信方法中的中繼輔助的多 輸入多輸出系統(tǒng)包括一個具有M根天線的發(fā)射端、一個具有L根天線的中繼轉(zhuǎn)發(fā)站和一個 具有N根天線的移動接收端，所述中繼輔助的多輸入多輸出系統(tǒng)每次傳輸K路數(shù)據(jù)流，其中 K為M、L、N中的最小值；所述通信方法包括如下步驟
(1)移動接收端獲取全部的信道信息，并據(jù)此制定協(xié)作策略，并將該協(xié)作策略的相 關(guān)信息反饋給中繼轉(zhuǎn)發(fā)站；所述該移動策略的相關(guān)信息可以為協(xié)助策略標(biāo)識，比如“1”表 示需要發(fā)射端的協(xié)作傳輸，“0”表示不需要發(fā)射端的協(xié)作傳輸；
(2)中繼轉(zhuǎn)發(fā)站和移動接收端根據(jù)協(xié)作策略及當(dāng)前信道狀態(tài)分布式地選擇出各自 的最優(yōu)預(yù)編碼矩陣，中繼轉(zhuǎn)發(fā)站將其最優(yōu)預(yù)編碼矩陣的相關(guān)信息反饋給發(fā)射端，移動接收 端將其最優(yōu)預(yù)編碼矩陣的相關(guān)信息反饋給中繼轉(zhuǎn)發(fā)站；
(3)發(fā)射端將需要傳輸?shù)囊宦沸盘栟D(zhuǎn)化為并行的一路以上信號，并將轉(zhuǎn)化后的信 號進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)制和編碼，再乘以中繼轉(zhuǎn)發(fā)站反饋的最優(yōu)預(yù)編碼矩陣后，發(fā)送給中繼轉(zhuǎn)發(fā) 站；
(4)中繼轉(zhuǎn)發(fā)站接收信號，并將接受到的信號乘以移動接收端反饋的最優(yōu)預(yù)編碼 矩陣后，發(fā)送給移動接收端；
(5)移動接收端接收信號，并進(jìn)行處理。
所述步驟(1)中，移動接收端根據(jù)直達(dá)鏈路和兩跳鏈路的信道信息制定協(xié)作策 略，并將該協(xié)作策略的相關(guān)信息反饋給中繼轉(zhuǎn)發(fā)站；比如將代表該協(xié)作策略的信息(Ibit) 反饋給中繼轉(zhuǎn)發(fā)站。
所述通信方法中，首先需要根據(jù)忽略和考慮直達(dá)鏈路時次優(yōu)可達(dá)速率的比值，判 斷移動接收端是否需要利用直達(dá)鏈路的傳輸分集，若判斷結(jié)果為是，即直達(dá)鏈路信道條件 較好時，則步驟(1)中，移動接收端將協(xié)作策略的相關(guān)信息和直達(dá)鏈路的信道信息反饋給 中繼轉(zhuǎn)發(fā)站；步驟(5)中，移動接收端接收的信號包括中繼轉(zhuǎn)發(fā)站發(fā)送的信號和前一時隙 發(fā)送端發(fā)送的直達(dá)鏈路的信號，再這兩個信號進(jìn)行相應(yīng)的合并，以使得移動接收端的信噪 比得到提高，使其充分利用直達(dá)鏈路的分集增益。若判斷結(jié)果為否，則步驟(1)中，移動接 收端僅需將協(xié)作策略的相關(guān)信息反饋給中繼轉(zhuǎn)發(fā)站；步驟(5)中，移動接收端僅需接收中 繼轉(zhuǎn)發(fā)站發(fā)送的信號。
所述移動接收端可以獲取全部的道信息，且能自適應(yīng)的選擇協(xié)作分集策略，并將 標(biāo)識符反饋給中繼轉(zhuǎn)發(fā)站。
所述發(fā)射端和中繼轉(zhuǎn)發(fā)站、中繼轉(zhuǎn)發(fā)站和移動接收端分別需要保存有相同的碼 本，所述碼本中至少包含一個預(yù)編碼矩陣；所述步驟O)中，中繼轉(zhuǎn)發(fā)站和移動接收端根據(jù) 協(xié)作策略、當(dāng)前信道狀態(tài)和碼字選擇算法分布式地選擇出各自的最優(yōu)預(yù)編碼矩陣，并將代5表各自的最優(yōu)預(yù)編碼矩陣的信息反饋給發(fā)射端和中繼轉(zhuǎn)發(fā)站，所述代表各自的最優(yōu)預(yù)編碼 矩陣的信息為各自的最優(yōu)預(yù)編碼矩陣在所述碼本中的索引。
所述碼字選擇算法為考慮直達(dá)鏈路分集增益的碼字選擇算法或者忽略直達(dá)鏈路 的碼字選擇算法。
所述步驟(3)中，發(fā)射端將需要傳輸?shù)囊宦沸盘栟D(zhuǎn)化為并行的K路信號單元。
所述步驟中，中繼轉(zhuǎn)發(fā)站接收發(fā)射端發(fā)送的信號，并將接受到的信號乘以移 動接收端反饋的最優(yōu)預(yù)編碼矩陣進(jìn)行放大后，發(fā)送給移動接收端。
所述步驟(5)中，移動接收端采用最小均方誤差接收機(jī)接收信號，并對接收到的 信號進(jìn)行解碼和處理。
所述步驟O)中，中繼轉(zhuǎn)發(fā)站和移動接收端根據(jù)協(xié)作策略確定碼字選擇算法；再 通過由碼字選擇算法確定的碼字選擇方式和當(dāng)前信道狀態(tài)選擇出各自的最優(yōu)預(yù)編碼矩陣。
移動接收端分別計(jì)算忽略和考慮直達(dá)鏈路兩種不同情況下，兩跳通信系統(tǒng)的次優(yōu)可達(dá)速率；得到兩者的比值^ = ^，其中
權(quán)利要求
1.一種中繼輔助的多輸入多輸出系統(tǒng)的通信方法，其特征在于所述通信方法中的中 繼輔助的多輸入多輸出系統(tǒng)包括一個具有M根天線的發(fā)射端、一個具有L根天線的放大中 繼轉(zhuǎn)發(fā)站和一個具有N根天線的移動接收端，所述中繼輔助的多輸入多輸出系統(tǒng)每次傳輸 K路數(shù)據(jù)流，其中K為M、L、N中的最小值；所述通信方法包括如下步驟(1)移動接收端制定協(xié)作策略，并將該協(xié)作策略的相關(guān)信息反饋給中繼轉(zhuǎn)發(fā)站；(2)中繼轉(zhuǎn)發(fā)站和移動接收端根據(jù)協(xié)作策略及當(dāng)前信道狀態(tài)分布式地選擇出各自的最 優(yōu)預(yù)編碼矩陣，中繼轉(zhuǎn)發(fā)站將其最優(yōu)預(yù)編碼矩陣的相關(guān)信息反饋給發(fā)射端，移動接收端將 其最優(yōu)預(yù)編碼矩陣的相關(guān)信息反饋給中繼轉(zhuǎn)發(fā)站；(3)發(fā)射端將需要傳輸?shù)囊宦沸盘栟D(zhuǎn)化為并行的一路以上信號，并將轉(zhuǎn)化后的信號進(jìn) 行相應(yīng)的調(diào)制和編碼，再乘以中繼轉(zhuǎn)發(fā)站反饋的最優(yōu)預(yù)編碼矩陣后，發(fā)送給中繼轉(zhuǎn)發(fā)站；(4)中繼轉(zhuǎn)發(fā)站接收信號，并將接受到的信號乘以移動接收端反饋的最優(yōu)預(yù)編碼矩陣 后，發(fā)送給移動接收端；(5)移動接收端接收信號，并進(jìn)行處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中繼輔助的多輸入多輸出系統(tǒng)的通信方法，其特征在于所 述步驟(1)中，移動接收端根據(jù)直達(dá)鏈路和兩跳鏈路的信道信息制定協(xié)作策略，并將該協(xié) 作策略的相關(guān)信息反饋給中繼轉(zhuǎn)發(fā)站。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中繼輔助的多輸入多輸出系統(tǒng)的通信方法，其特征在于所 述通信方法中，首先判斷移動接收端是否利用直達(dá)鏈路的傳輸分集，若判斷結(jié)果為是，則步 驟(1)中，移動接收端將協(xié)作策略的相關(guān)信息和直達(dá)鏈路的信道信息反饋給中繼轉(zhuǎn)發(fā)站； 步驟(5)中，移動接收端接收的信號包括中繼轉(zhuǎn)發(fā)站發(fā)送的信號和發(fā)送端發(fā)送的直達(dá)鏈路 的信號；若判斷結(jié)果為否，則步驟(1)中，移動接收端僅需將協(xié)作策略的相關(guān)信息反饋給中 繼轉(zhuǎn)發(fā)站；步驟(5)中，移動接收端僅需接收中繼轉(zhuǎn)發(fā)站發(fā)送的信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中繼輔助的多輸入多輸出系統(tǒng)的通信方法，其特征在于所 述發(fā)射端和中繼轉(zhuǎn)發(fā)站、中繼轉(zhuǎn)發(fā)站和移動接收端分別需要保存有相同的碼本，所述碼本 中至少包含一個預(yù)編碼矩陣；所述步驟O)中，中繼轉(zhuǎn)發(fā)站和移動接收端根據(jù)協(xié)作策略、當(dāng) 前信道狀態(tài)和碼字選擇算法分布式地選擇出各自的最優(yōu)預(yù)編碼矩陣，并將代表各自的最優(yōu) 預(yù)編碼矩陣的信息反饋給發(fā)射端和中繼轉(zhuǎn)發(fā)站，所述代表各自的最優(yōu)預(yù)編碼矩陣的信息為 各自的最優(yōu)預(yù)編碼矩陣在所述碼本中的索引。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的中繼輔助的多輸入多輸出系統(tǒng)的通信方法，其特征在于所 述碼字選擇算法為考慮直達(dá)鏈路分集增益的碼字選擇算法或者忽略直達(dá)鏈路的碼字選擇 算法。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的中繼輔助的多輸入多輸出系統(tǒng)的通信方法，其特征在于所 述步驟O)中，中繼轉(zhuǎn)發(fā)站和移動接收端根據(jù)協(xié)作策略確定碼字選擇算法；再通過由碼字 選擇算法確定的碼字選擇方式和當(dāng)前信道狀態(tài)選擇出各自的最優(yōu)預(yù)編碼矩陣。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中繼輔助的多輸入多輸出系統(tǒng)的通信方法，其特征在于所 述步驟(3)中，發(fā)射端將需要傳輸?shù)囊宦沸盘栟D(zhuǎn)化為并行的K路信號單元。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中繼輔助的多輸入多輸出系統(tǒng)的通信方法，其特征在于所 述步驟中，中繼轉(zhuǎn)發(fā)站接收發(fā)射端發(fā)送的信號，并將接受到的信號乘以移動接收端反 饋的最優(yōu)預(yù)編碼矩陣進(jìn)行放大后，發(fā)送給移動接收端。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中繼輔助的多輸入多輸出系統(tǒng)的通信方法，其特征在于所 述步驟(5)中，移動接收端采用最小均方誤差接收機(jī)接收信號，并對接收到的信號進(jìn)行解 碼和處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種中繼輔助的多輸入多輸出系統(tǒng)的通信方法，所述通信方法中的中繼輔助的多輸入多輸出系統(tǒng)包括一個具有M根天線的發(fā)射端、一個具有L根天線的中繼轉(zhuǎn)發(fā)站和一個具有N根天線的移動接收端，所述中繼輔助的多輸入多輸出系統(tǒng)每次傳輸K路數(shù)據(jù)流，其中K為M、L、N中的最小值；本發(fā)明提供的一種中繼輔助的多輸入多輸出系統(tǒng)的通信方法，可以在低復(fù)雜度和低反饋開銷的前提下，自適應(yīng)的利用直達(dá)鏈路的協(xié)作分集增益顯著提升了接收端頻譜效率；與常見的中繼輔助通信系統(tǒng)有限反饋預(yù)編碼技術(shù)相比，該自適應(yīng)的選擇協(xié)作分集方案是最優(yōu)的。
文檔編號H04L1/00GK102035628SQ201010596838
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月20日
發(fā)明者余輝, 楊綠溪, 黃永明 申請人:東南大學(xué)