基於雙向中繼網絡編碼系統的通信方法
2023-09-22 22:44:50
專利名稱：基於雙向中繼網絡編碼系統的通信方法
技術領域：
本發明涉及無線通信領域，特別涉及了一種基於雙向中繼網絡編碼系統的通信技術。
背景技術：
在傳統的通信系統中部署中繼單元，將一跳的通信過程轉變為兩跳或多跳的網絡通信可以有效提高通信網絡的覆蓋範圍，通信質量和抗毀性能。網絡編碼作為一種新的技術在寬帶無線通信網絡中得到了廣泛的應用。通過網絡編碼，中繼端可以將接收信息進行編碼並發送出去，提高通信網絡的吞吐量和健壯性。
基於雙向中繼的通信系統將單向中繼系統中的四時隙通信過程簡化為兩時隙通信過程。由於單向中繼系統需要在四個時隙內才能完成基站與用戶之間的通信，而在雙向中繼系統中只需要兩個時隙就可以完成基站與用戶之間的通信，因此雙向中繼系統可以獲得更高的系統效率。在第一個時隙內，需要通信的基站與用戶同時同頻向中繼端發送信號，中繼端接收由兩個通信單元發來的信號，對其進行網絡編碼處理，並在第二個時隙內將處理後的信號發送給基站與用戶。由於基站與用戶已知本身發送的信號，故可以在接收信號中消去由於本身發送信號產生的幹擾從而有效獲取另一通信單元發送的信息。
為了提高系統的傳輸能力，應用於雙向中繼的網絡編碼技術成為下一代移動通信中的關鍵技術。目前，基於雙向中繼網絡編碼技術的研究主要包括最優波束形成技術，分布式波束形成技術，聯合最優發送接收技術等。在上述的各種雙向中繼網絡編碼的實現方案中，又因其優化目標的不同而各有差異。另外，由於中繼端的工作模式可以分為直接放大型、解碼放大型、解碼壓縮型等，不同中繼端工作模式的差異也將影響雙向中繼網絡編碼技術的實現。
由於中繼之間信息的交互將佔用額外的資源，因此中繼之間的聯合處理只能採用分布式的信號處理得以實現。工作在直接放大模式下中繼端的最優波束形成技術通常很難給出閉合最優表達式，因此只能通過迭代計算的方式實現。迭代次數的增加必然要求系統具有更高的計算能力。
如何在給定功率的約束下使得工作在直接放大模式下的雙向中繼網絡編碼系統獲得最小的系統平均誤符號率，在目前公開的文獻中，沒有較好的辦法。
發明內容
技術問題本發明各實施方式要解決的主要技術問題是提供一種基於雙向中繼網絡編碼系統的通信方法，使得系統可以在基站與用戶間獲得最小的平均誤符號率。
技術方案本發明的實施方式公開了一種基於雙向中繼網絡編碼系統的通信方法基站與用戶的通信經過中繼端的放大轉發完成，並通過設計最優的中繼處理矩陣獲得最小的平均誤符號率。
基站與用戶間的雙向通信通過中繼端的放大轉發完成；首先，基站和用戶端將要發送的數據經過信源編碼、信源壓縮和信道編碼後由基站或用戶端的發射機佔用同樣的頻率同時發送給多個中繼端；接著，每個中繼端接收由基站和用戶端發送來的數據，並根據信道瞬時狀態信息基於近似最小平均誤符號率準則設計最優信號處理矩陣；然後，每個中繼端都將各自的接收信號與各自的最優信號處理矩陣相乘形成中繼端的發送信號，每個中繼端仍佔用相同的頻率資源由各自的發射機將發送信號同時發送給基站和用戶；最後，基站和用戶接收所有中繼發送的信號並完成信號的檢測。
所述最優信號處理矩陣是在中繼端發送和功率恆定的要求下，使基站與用戶近似平均誤符號率1/(SNRUL+1)+1/(SNRDL+1)在高信噪比下的近似值最小的處理矩陣，其中SNRUL是基站的接收信噪比，SNRDL是用戶的接收信噪比。
所述最優信號處理矩陣是通過求解矩陣
和矩陣
的廣義最小特徵值所對應的特徵空間獲得的；其中，矩陣D1＝diag{g1，g2，…，gK}，D2＝diag{h1，h2，…，hK}，D3＝diag{P1|h1|2+P2|g1|2+1，P1|h2|2+P2|g2|2+1，…，P1|hK|2+P2|gK|2+1}，P1，P2，P3分別是基站，用戶以及中繼端的和發送功率，矩陣he＝(h1g1，h2g2，…，hKgK)T，(h1，h2，…，hK)T是基站與K個中繼之間的信道矩陣，(g1，g2，…，gK)T是用戶與K個中繼之間的信道矩陣。
所述基站與用戶近似平均誤符號率1/(SNRUL+1)+1/(SNRDL+1)在高信噪比下的近似值為1/(SNRUL)+1/(SNRDL)，其中SNRUL是第一通信單元的接收信噪比，SNRDL是第二通信單元的接收信噪比。
有益效果本發明各實施方式與現有技術相比，主要區別及其效果在於 針對工作在直接放大模式下的雙向中繼網絡編碼系統，並以獲取基站與用戶間的最小平均誤符號率為目標。
通過優化計算獲得中繼最優處理矩陣的閉合表達式，避免了迭代求解會造成系統不收斂以及計算複雜度較高的缺點。
中繼最優處理矩陣是通過求解矩陣
和矩陣
的廣義最小特徵值所對應的特徵空間獲得的。其中，矩陣D1＝diag{g1，g2，…，gK}，D2＝diag{h1，h2，…，hK}，D3＝diag{P1|h1|2+P2|g1|2+1，P1|h2|2+P2|g2|2+1，…，P1|hK|2+P2|gK|2+1}，P1，P2，P3分別是基站，用戶以及中繼端的和發送功率，矩陣he＝(h1g1，h2g2，…，hKgK)T，(h1，h2，…，hK)T是基站與K個中繼之間的信道矩陣，(g1，g2，…，gK)T是用戶與K個中繼之間的信道矩陣。
基站和用戶不需要計算中繼最優處理矩陣，只需要通過估計本身信號等效信道增益和發送信號等效信道增益，降低了通信單元的製造成本。
圖1是根據本發明實施方式的基於雙向中繼系統的通信方法流程圖。
圖2是根據本發明較佳實施方式的一個基於雙向中繼系統的模型示意圖。
具體實施例方式 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步地詳細描述。
本發明的實施方式中，基於雙向中繼網絡編碼系統的信號處理方法如圖1所示。
在步驟110中，首先給出雙向中繼系統的平均誤符號率的定義1/(SNRUL+1)+1/(SNRDL+1)，並將此雙向中繼系統的平均誤符號率作為中繼信號處理的優化目標。其中，SNRUL是基站的接收信噪比，SNRDL是用戶的接收信噪比。
給出給定功率條件下獲得最小系統平均誤符號率的中繼最優信號處理矩陣的數學描述，將給定功率條件下獲得最小系統平均誤符號率的中繼最優信號處理矩陣的問題轉化為一個有約束的優化問題的求解。
此後進入步驟120，針對步驟110描述的有約束的優化問題的求解，採用矩陣特徵值分解的方法得到其閉合表達式。
需要說明的是這裡優化的目標不是步驟110中給出的最小系統平均誤符號率，而是最小系統平均誤符號率在高信噪比下的近似1/(SNRUL)+1/(SNRDL)，其中SNRUL是基站的接收信噪比，SNRDL是用戶的接收信噪比。
此後進入步驟130，將兩個矩陣最小廣義特徵值對應的特徵向量作為中繼最優處理矩陣的係數。
需要說明的是這裡最優處理矩陣是通過求解矩陣
和矩陣
的廣義最小特徵值所對應的特徵空間獲得的。其中，矩陣D1＝diag{g1，g2，…，gK}，D2＝diag{h1，h2，…，hK}，D3＝diag{P1|h1|2+P2|g1|2+1，P1|h2|2+P2|g2|2+1，…，P1|hK|2+P2|gK|2+1}，P1，P2，P3分別是基站，用戶以及中繼端的和發送功率，矩陣he＝(h1g1，h2g2，…，hKgK)T，(h1，h2，…，hK)T是基站與K個中繼之間的信道矩陣，(g1，g2，…，gK)T是用戶與K個中繼之間的信道矩陣。
在圖2中，以用戶和基站和K個中繼端為例，圖示了上述流程的一個系統模型。
考慮用戶和基站及K個中繼端均分配單根天線的情況，那麼第k個中繼接收到的信號可以描述為 其中，P1，P2分別是用戶和基站的發送功率；hk，gk分別是用戶和基站與第k個中繼端的信道響應；x1，x2分別是用戶和基站的發送信號。n1k是第k個中繼端的接收噪聲。
假設第k個中繼端的信號處理係數為wk，那麼第k個中繼端將接收到的信號乘以信號處理係數wk後發送出去，用戶和基站的接收信號分別為 其中n21，n22是分別是用戶和基站的接收噪聲。
由於用戶和基站已知其本身的發送信號並可以通過信道估計估計出其本身信號的等效傳輸增益，因此可以將其本身信號從接收信號中消去。那麼從接收信號中分別消去用戶和基站本身信號後的信號可以描述為 對於雙向中繼系統而言，用戶和基站的平均接收信噪比為1/(SNRUL+1)+1/(SNRDL+1)，其中，SNRUL是用戶的接收信噪比，SNRDL是基站的接收信噪比。在高信噪比情況下，用戶和基站的平均接收信噪比可以近似表示為1/(SNRUL)+1/(SNRDL)。因此，給定功率條件下獲得最小系統平均誤符號率的中繼最優信號處理矩陣的數學描述可以近似表示為 其中，P3是所有中繼端的發送和功率。
公式(6)所描述的是一個非凸的優化問題，因此傳統凸優化的分析方法將不再適用。公式(6)中的數學問題可以採用迭代計算的方法來解決，但是，迭代計算除了增加信號處理的複雜度之外還會面臨是否能收斂到最優解的問題。針對上述問題，在本專利所描述的信號處理方法中，採用矩陣分析理論重新描述公式(6)中的數學問題，並用兩個矩陣最小廣義特徵值對應的特徵向量作為中繼最優處理矩陣的係數。
公式(6)用矩陣的形式可以描述為 s.t.wHD3w＝P3 其中，w＝(w1，w2，…，wK)T，D1＝diag{g1，g2，…，gK}，D2＝diag{h1，h2，…，hK}， D3＝diag{P1|h1|2+P2|g1|2+1，…，P1|hK|2+P2|gK|2+1}，P1，P2，P3分別是用戶，基站以及中繼端的和發送功率，矩陣he＝(h1g1，h2g2，…，hKgK)T。
公式(7)描述的數學問題可以用特徵值和特徵空間的分析方法解決，即求解矩陣
和矩陣
的廣義最小特徵值所對應的特徵向量，並將此特徵向量作為中繼處理矩陣的係數。通過求解可以得到最優中繼處理矩陣w＝(w1，w2，…，wK)T係數的閉合表達式 其中，ξ是由功率約束條件wHD3w＝P3決定的功率因子。
並且，通過對最優中繼處理矩陣w＝(w1，w2，…，wK)T係數的求解，可以得到系統最終獲得的平均誤符號率MSE的閉合表達式 需要說明的是，本發明的實施方式中所說的各種單元都是邏輯概念，物理上可以不同的裝置上實現也可以在同一個裝置中實現。這些單元的各稱也是多種多樣的，但只要具有上述功能可以實現本發明的效果，就屬於本發明的保護範圍。
綜上所述，在本發明的各實施方式中，通過中繼協作通信使得雙向中繼網絡編碼系統中繼端信號處理方法的優化設計，使得在用戶和基站間獲得最小的平均誤符號率。
權利要求
1、一種基於雙向中繼網絡編碼系統的通信方法，其特徵在於基站與用戶間的雙向通信通過中繼端的放大轉發完成；首先，基站和用戶端將要發送的數據經過信源編碼、信源壓縮和信道編碼後由基站或用戶端的發射機佔用同樣的頻率同時發送給多個中繼端；接著，每個中繼端接收由基站和用戶端發送來的數據，並根據信道瞬時狀態信息基於近似最小平均誤符號率準則設計最優信號處理矩陣；然後，每個中繼端都將各自的接收信號與各自的最優信號處理矩陣相乘形成中繼端的發送信號，每個中繼端仍佔用相同的頻率資源由各自的發射機將發送信號同時發送給基站和用戶最後，基站和用戶接收所有中繼發送的信號並完成信號的檢測。
2、根據權利要求1所述的基於雙向中繼網絡編碼系統的通信方法，其特徵在於，
所述最優信號處理矩陣是在中繼端發送和功率恆定的要求下，使基站與用戶近似平均誤符號率1/(SNRUL+1)+1/(SNRDL+1)在高信噪比下的近似值最小的處理矩陣，其中SNRUL是基站的接收信噪比，SNRDL是用戶的接收信噪比。
3、根據權利要求2所述的基於雙向中繼網絡編碼系統的通信方法，其特徵在於所述最優信號處理矩陣是通過求解矩陣
和矩陣
的廣義最小特徵值所對應的特徵空間獲得的；其中，矩陣D1＝diag{g1，g2，…，gK}，D2＝diag{h1，h2，…，hK}|，D3＝diog{P1|h1|2+P2|g1|2+1，P1|h2|2+P2|g2|2+1，…，P1|hK|2+P2|gK|2+1}，P1，P2，P3分別是基站，用戶以及中繼端的和發送功率，矩陣he＝(h1g1，h2g2，…，hKgK)T，(h1，h2，…，hK)T是基站與K個中繼之間的信道矩陣，(g1，g2，…，gK)T是用戶與K個中繼之間的信道矩陣。
4、根據權利要求2所述的基於雙向中繼網絡編碼系統的通信方法，其特徵在於所述基站與用戶近似平均誤符號率1/(SNRUL+1)+1/(SNRDL+1)在高信噪比下的近似值為1/(SNRUL)+1/(SNRDL)，其中SNRUL是第一通信單元的接收信噪比，SNRDL是第二通信單元的接收信噪比。
全文摘要
本發明涉及一種基於雙向中繼網絡編碼系統的通信方法，通過中繼協作通信使得雙向中繼網絡編碼系統可以在用戶和基站間獲得最小的平均誤符號率。本發明中，用戶和基站的通信分兩個時隙完成；在第一個時隙內，中繼同時同頻接收由用戶和基站發送的信息，根據當前信道信息設計最優處理矩陣；在第二個時隙內，中繼將接收到的信號乘以經過最優設計的處理矩陣後同時同頻發送給用戶和基站；用戶和基站分別從接收信號中消去本身發送信號的分量得到基站和用戶需要傳輸的信息。
文檔編號H04B1/707GK101505171SQ20091002582
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月10日 優先權日2009年3月10日
發明者楊綠溪, 菲 俞, 李春國 申請人:東南大學