寬帶無線接入的中轉系統及其方法

2023-10-09 20:52:54

專利名稱：寬帶無線接入的中轉系統及其方法
技術領域：
本發明涉及寬帶無線接入系統，特別涉及寬帶無線接入的中轉系統和方法。
背景技術：
最近幾年來寬帶無線接入技術引起了人們的廣泛關注，相對於其它寬帶接入技術，寬帶無線接入系統投資少，建設周期短，提供業務快，具有很多優點。國際電氣電子工程師協會(Institute of Electrical and ElectronicEngineers，簡稱「IEEE」)委員會為此專門制定了IEEE802.16標準，提出寬帶無線接入解決方案，但是必須確保視距傳輸，對於人口密集的城市，由於存在高樓、樹木等許多障礙物，導致覆蓋範圍非常受限，所以在後來制定的IEEE802.16a標準中，又提出了一種基於無線接網(Mesh)技術的寬帶無線接入解決方案，無線Mesh網絡實際上是一種高容量高速率的多點對多點網絡，它是一種新型的可以解決「最後一公裡」瓶頸問題的分布式網絡。Mesh網絡不同於傳統的無線網絡，因為其中的每個用戶節點都是骨幹網絡的一部分，可以轉發其它用戶節點的信息，並且隨著網絡節點的增加，網絡的覆蓋範圍以及靈活性也會隨之增加。
全球微波接入互操作性(World Interoperability for Microwave Access，簡稱「WiMAX」)是一項新興的無線通信技術，能提供面向網際網路的高速連接，是一項基於802.16標準的寬帶無線接入城域網技術。WiMAX的無線信號傳輸距離最遠可達50公裡。它用於將802.11a無線接入熱點連接到網際網路，也可連結公司與家庭等環境至有線骨幹線路。它可作為線纜和用戶數據線的無線擴展技術，從而實現無線寬帶接入。
802.16技術優勢在於設備的互用性使運營商能從多個設備製造商處購買WiMAX設備；穩定的基於標準的平臺將激發各層、網絡管理、天線等技術的創新，從而改善運營費用的問題；更遠距離下的更好的頻譜效率；新增扇區簡易，靈活的信道規劃使容量達到最大化，並且允許運營商根據用戶的發展為基礎來逐漸升級擴大網絡；靈活的信道帶寬規劃適應需要執照的頻段的頻率分配情況，及不需要執照的頻段的頻率分配情況；從單個用戶到數以百計的用戶，媒體接入層協議保持高效的分配機制；各種先進技術改善非視距性能；出眾的系統增益提供更強的遠距離穿透阻擋物能力。
無線接入網是由網絡管理系統(Network Management System，簡稱「NMS」)、基站控制器(Base Station Contriller，簡稱「BSC」)、基站(BaseStation，簡稱「BS」)和用戶站(Subscriber Station，簡稱「SS」)組成。基於Mesh技術的寬帶無線接入網絡結構中，所有的BS和SS都稱為節點。BS和其它主幹網絡相連，實現寬帶接入；SS節點既可以實現本地用戶的寬帶接入，又可以轉發其它節點的數據，把這些數據傳送到目的節點，作用類似於一個中轉節點。在Mesh網絡中，SS之間也可以直接通信，並且BS和SS之間可以通過其它的SS間接通信。與一個節點直接相連的節點稱為這個節點的鄰居節點，它們之間的距離稱為「一跳」。網絡中的每個節點都具備路由選擇功能，每個節點只和鄰近節點進行通信，因此是一種自組織和自管理的網絡。實際上，Mesh網絡更像是Internet本身的一種無線版本，分組數據從一個路由到另一個路由進行傳遞直到到達其目的地，這些特點使Mesh網絡與傳統的蜂窩通信網絡和固定通信網絡有著顯著區別。
對於基於Mesh結構的寬帶無線接入網絡來說，用戶數增加時，由於每個用戶站可以作為一個中轉節點，潛在地增加了網絡的覆蓋範圍。對運營商來說，採用無線Mesh網絡具有以下優點網絡覆蓋範圍增大、頻譜利用率提高、系統容量增加；Mesh網絡結構特有的多路由選擇特性提高了網絡的柔韌性和可用性，當某條路徑出現錯誤時，可以選擇其它的路徑；網絡具有可伸縮性、易擴容、初期建設費用低、投資成本大約是PMP網絡的15％；投資風險相對較小，在較短時間內即可收回成本獲得盈利。總之，這種技術比起傳統的點對多點來具有諸如節能、自動配置和易擴容等很多優勢，很多公司已經開始將該技術用於寬帶網絡接入，並且相關的無線路由器等產品也已開始商用。
多輸入多輸出(Multi Input Multi Output，簡稱「MIMO」)和空分復用(Space Division Multiplex，簡稱「SDM」)是當前發展的前沿通信技術之一。理論上已經證明，採用多個發射天線能把無線信道分割成多個並行的窄帶信道，具有提高信道比特傳輸率的潛能，且研究結果顯示，信道容量隨天線數量增加而線性增大。與接收分集和智能天線相比，MIMO系統不但能夠提供分集增益和陣行增益，而且可以採用空間復用的方式提高系統容量。
貝爾實驗室分層空時結構(Bell LAboratory Space-Time architecture，簡稱「BLAST」)是無線通信中採用空間復用技術提高帶寬有效性的一種途徑。BLAST系統利用多個天線在同一頻段同時發送並行的數據流，利用豐富的多徑傳播不同的數據流，並可在接收機進行分離，從而取得空間分集。它的原理是多個發射機採用相同的調製方式，多個接收機也採用相同的解調方式。BLAST把單個用戶的數據流分割成多個子流，並利用多個天線同時發送這些並行子流，所有子流在同樣的頻帶內發送，因此頻譜使用效率很高。所需數據有多個副本進入信道(發射天線)，同時有多個輸出(接收天線)。在接收機端，多個天線挑選出發送來的多個數據子流及其散射副本，每個接收天線「看得見」疊加在一起的所有發送來的數據子流，利用複雜的信號處理技術，通過這些子信道的差異能分離數據子流並進行檢測。
由於無論發射機還是接收機的天線數都是有限的，因此增加分集增益和提高發射速率是一對矛盾。空時碼(Space Time Code，簡稱「STC」)和空頻碼(Space Frequency Code，簡稱「SFC」)能較好地解決這一矛盾。
空時碼利用了多天線系統所能提供的空間分集，其性能取決於系統的天線數和信號在空間和時間上的編碼，最有代表性的如空時分組碼和空時網格碼。這些碼的設計都假設了非多徑信道條件，屬於窄帶碼，最大可獲得的分集增益等於發射天線數和接收天線數的乘積。在寬帶多徑信道條件下，空時碼的性能不是最佳的，因為它只利用了空間分集，而未能利用多徑提供的信道頻率分集。在研究了多徑環境下，基於正交頻分復用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplex，簡稱「OFDM」)的多天線系統的編碼問題，提出了空頻碼的概念，這些碼潛在能實現的分集增益是發射天線數、接收天線數和信道衝擊響應長度(信道多徑數)的乘積。
從衰落信道的相干時間和相干帶寬來看，空時碼要求在跨越幾個OFDM字符的一個碼塊周期內信道衰落時間響應保持近似不變，即相干時間越大越好；而空頻碼要求跨越幾個子載波的一個碼塊的信道衰落頻率響應保持近似不變，即相干帶寬越大越好。從約束條件上看，空時碼在平坦衰落信道中具有較好性能，而空頻碼在快衰落信道中具有較好性能。但實際上，發射機是無法預知信道狀態信息的，為此可以整合空時碼和空頻碼的優勢，採用空時頻碼(Space Time Frequency Code，簡稱「STFC」)方案，在空間域、時間域和頻率域上聯合考慮，從而實現了多天線衰落信道下的最大分集增益。
對於STFC、SFC和STC，又可以分為分組碼(Block Code，簡稱「BC」)和網格碼(Trellis Code，簡稱「TC」)。
空時碼主要針對平坦衰落信道，而在實際高速數據傳輸系統中信道特性通常為頻率選擇性衰落。正交頻分復用(OFDM)技術能把頻率選擇性衰落信道劃分為多個並行的相關的平坦衰落信道，因而各載波上呈現非頻率選擇性衰落。802.16將空時碼與正交頻分復用技術組合運用。
IEEE 802.16為第一個寬帶無線接入標準，主要有兩個版本802.16標準的寬帶固定無線接入版本，「802.16-2004」和802.16標準的寬帶移動無線接入版本，「802.16e」。802.16-2004僅定義了兩種網元，BS和SS；802.16e也僅定義了兩種網元，BS和移動用戶站(Mobile SS，簡稱「MSS」)。目前802.1 6多跳中轉研究組(Multihop Relay SG)僅提出了WiMAX中轉節點(Relay Station，簡稱「RS」)的概念，其中一個重要的作用是作為BS與SS/MSS間的中轉，增加用戶站的吞吐量。
基於中轉的無線接入系統必須要解決的是源節點到各個中轉節點及從各個中轉節點到目的節點的復用問題，通常只能採用兩種現有技術頻分復用，BS與SS/MSS間的各個中轉節點分別佔用不同的頻段；時分復用，BS與SS/MSS間的各個中轉節點使用相同的頻段，但佔用不同的時間段。依據頻分復用的技術缺點是頻譜需求較寬，頻譜為運營商稀缺的資源，頻譜資源浪費較大。反過來依據時分復用的技術缺點頻譜需求少，但對於用戶站來說，由於各個中轉節點必須分時工作，降低了各個中轉節點的平均數據通信速率，用戶站的吞吐量增加有限甚至可能反而降低。
在實際應用中，上述方案存在以下問題造成這種情況的主要原因在於，多個中轉節點採用頻分復用或時分復用等傳統通信技術。

發明內容
有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種寬帶無線接入的中轉系統及其方法，使得頻譜資源利用率、無線信道容量和數據通信速率得到提高，鏈路可靠性和穩定性得到改善，抗幹擾和抗噪聲的性能得到增強。
為實現上述目的，本發明提供了一種寬帶無線接入的中轉系統，包含源節點、中轉節點、目的節點，其中，
所述中轉節點通過多輸入多輸出技術將來自源節點的無線通信數據轉發至目的節點；所述源節點用於指示所述中轉節點進行多輸入多輸出通信；所述目的節點用於接收並解碼來自所述中轉節點的無線通信數據。
其中，包含至少兩個所述中轉節點，組成互助中轉節點組，每個中轉節點包含至少一個發射天線、一個接收天線，所有中轉節點的天線組成多輸入多輸出通信的天線組。
此外在所述系統中，源節點用於直接將數據廣播給所述中轉節點；所述中轉節點包含分布式多輸入多輸出編碼單元，所述中轉節點的接收機用於接收來自源節點的數據，各中轉節點的發射機用於將經過分布式多輸入多輸出編碼後的數據的對應部分發送給目的節點；目的節點用對應的解碼技術獲得通信數據。
此外在所述系統中，源節點用於對數據進行對應的多輸入多輸出編碼，並根據不同的互助中轉節點及不同互助中轉節點的不同發射天線，將多輸入多輸出編碼的不同編碼部分在各正交子信道上發送給對應中轉節點；各中轉節點的接收機用於接收對應子信道上來自源節點的數據；所有中轉節點的發射機用於將各自接收到的數據在同一子信道上並行發送給目的節點；目的節點用對應的解碼技術獲得通信數據。
此外在所述系統中，包含至少兩個所述中轉節點，組成至少兩級互助中轉節點組，每個中轉節點包含至少一個發射天線、一個接收天線；任意一級互助中轉節點組所包含的中轉節點的天線組成多輸入多輸出通信的天線組。
此外在所述系統中，源節點用於直接將數據廣播給第一級互助中轉節點組；第一級互助中轉節點組所包含中轉節點包含分布式多輸入多輸出編碼單元，其接收機用於接收來自源節點的數據，並由其分布式多輸入多輸出編碼單元進行編碼，其發射機用於將經過分布式多輸入多輸出編碼後的數據轉發給第二級互助中轉節點組；第二級至最後一級互助中轉節點組中的任意一級所包含中轉節點均包含分布式多輸入多輸出編碼單元和多輸入多輸出解碼單元，其接收機用於接收來自上一級互助中轉節點組的數據，並由其多輸入多輸出解碼單元進行解碼，再由其分布式多輸入多輸出編碼單元進行編碼，其發射機用於將經過分布式多輸入多輸出編碼後的數據的對應部分發送給下一級互助中轉節點組或目的節點；目的節點用對應的解碼技術獲得通信數據。
此外在所述系統中，源節點用於對數據進行對應的多輸入多輸出編碼，並根據第一級不同的互助中轉節點及第一級不同互助中轉節點的不同發射天線，將多輸入多輸出編碼的不同編碼部分在各正交子信道上發送給第一級互助中轉節點組所包含的對應中轉節點；第一級互助中轉節點組所包含中轉節點的接收機用於在對應子信道上接收來自源節點的數據，其發射機用於將接收到的數據在同一子信道上並行發送給第二級互助中轉節點組；第二級至最後一級互助中轉節點組中的任意一級所包含中轉節點均包含分布式多輸入多輸出編碼單元和多輸入多輸出解碼單元，其接收機用於在同一子信道上接收來自上一級互助中轉節點組的數據，並由其多輸入多輸出解碼單元進行解碼，再由其分布式多輸入多輸出編碼單元進行編碼，其發射機用於將經過分布式多輸入多輸出編碼後的數據的對應部分在同一子信道上並行發送給下一級互助中轉節點組或目的節點；
目的節點用對應的解碼技術獲得通信數據。
此外在所述系統中，所述子信道為正交頻分復用子信道、時分子信道、碼分子信道中的任意一種。
此外在所述系統中，所述中轉節點所包含的所述分布式多輸入多輸出編碼單元和所述多輸入多輸出解碼單元採用空時、空頻、空時頻或者分層空間復用編碼和解碼技術中的任意一種。
此外在所述系統中，所述源節點、中轉節點、目的節點的發射機均採用正交頻分復用調製技術，接收機均採用正交頻分復用解調技術。
此外在所述系統中，所述中轉節點的接收機包含至少一組正交頻分復用解調器、符號解映射單元、信道解碼單元、接收天線。
此外在所述系統中，具有多輸入多輸出解碼功能的中轉節點的接收機包含至少一組正交頻分復用解調器、符號解映射單元、信道解碼單元、空時/空頻/空時頻/空間復用解碼單元、接收天線；其中，上述單元按接收信號流向依次按以下任意一種順序排列接收天線、正交頻分復用解調器、符號解映射單元、信道解碼單元、空時/空頻/空時頻/空間復用解碼單元；接收天線、正交頻分復用解調器、符號解映射單元、空時/空頻/空時頻/空間復用解碼單元、信道解碼單元；接收天線、正交頻分復用解調器、空時/空頻/空時頻/空間復用解碼單元、符號解映射單元、信道解碼單元；或者，接收天線、空時/空頻/空時頻/空間復用解碼單元、正交頻分復用解調器、符號解映射單元、信道解碼單元。
此外在所述系統中，具有分布式多輸入多輸出編碼功能的中轉節點的發射機包含至少一組正交頻分復用調製器、符號映射單元、信道編碼單元、分布式空時/空頻/空時頻/空間復用編碼單元、發射天線；其中，上述單元按發射信號流向依次按以下任意一種順序排列分布式空時/空頻/空時頻/空間復用編碼單元、信道編碼單元、符號映射單元、正交頻分復用調製器、發射天線；信道編碼單元、分布式空時/空頻/空時頻/空間復用編碼單元、符號映射單元、正交頻分復用調製器、發射天線；信道編碼單元、符號映射單元、分布式空時/空頻/空時頻/空間復用編碼單元、正交頻分復用調製器、發射天線；或者，信道編碼單元、符號映射單元、正交頻分復用調製器、分布式空時/空頻/空時頻/空間復用編碼單元、發射天線。
本發明還提供了一種寬帶無線接入的中轉方法，包含步驟，源節點將無線通信數據發送給所有中轉節點；所有中轉節點用多輸入多輸出技術將來自源節點的無線通信數據轉發至目的節點；所述目的節點接收並解碼來自所述中轉節點的無線通信數據。
其中，至少兩個所述中轉節點組成互助中轉節點組，每個中轉節點包含至少一個發射天線、一個接收天線，所有中轉節點的天線組成多輸入多輸出通信的天線組。
此外在所述方法中，還包含步驟，源節點直接將數據廣播給所述中轉節點；所述中轉節點接收來自源節點的數據，並進行分布式多輸入多輸出編碼，然後各中轉節點將其對應部分發送給目的節點。
此外在所述方法中，還包含步驟，
源節點對數據進行對應的多輸入多輸出編碼，並根據不同的互助中轉節點及不同互助中轉節點的不同發射天線，將多輸入多輸出編碼的不同編碼部分在各正交子信道上發送給對應中轉節點；各中轉節點接收對應子信道上來自源節點的數據；所有中轉節點將各自接收到的數據在同一子信道上並行發送給目的節點。
此外在所述方法中，至少兩個所述中轉節點組成至少兩級互助中轉節點組，每個中轉節點包含至少一個發射天線、一個接收天線；任意一級互助中轉節點組所包含的中轉節點的天線組成多輸入多輸出通信的天線組。
此外在所述方法中，還包含步驟，源節點直接將數據廣播給第一級互助中轉節點組；第一級互助中轉節點組接收來自源節點的數據，並進行分布式多輸入多輸出編碼，再轉發給第二級互助中轉節點組；第二級至最後一級互助中轉節點組中的任意一級互助中轉節點組接收機來自上一級互助中轉節點組的數據，先進行多輸入多輸出解碼，再進行分布式多輸入多輸出編碼，然後將編碼後數據的對應部分發送給下一級互助中轉節點組或目的節點。
此外在所述方法中，源節點對數據進行對應的多輸入多輸出編碼，並根據不同的第一級互助中轉節點及不同第一級互助中轉節的不同發射天線，將多輸入多輸出編碼的不同編碼部分在各正交子信道上發送給第一級互助中轉節點組所包含的對應中轉節點；第一級互助中轉節點組所包含中轉節點在對應子信道上接收來自源節點的數據，並將接收到的數據在同一子信道上並行發送給第二級互助中轉節點組；
第二級至最後一級互助中轉節點組中的任意一級互助中轉節點組在同一子信道上接收來自上一級互助中轉節點組的數據，並進行多輸入多輸出解碼，再進行分布式多輸入多輸出編碼，然後將經過分布式多輸入多輸出編碼後的數據的對應部分在同一子信道上並行發送給下一級互助中轉節點組或目的節點。
此外在所述方法中，所述子信道為正交頻分復用子信道、時分子信道、碼分子信道中的任意一種。
此外在所述方法中，所述多輸入多輸出解碼過程、分布式多輸入多輸出編碼過程分別採用空時、空頻、空時頻或者分層空間復用編碼和解碼技術中的任意一種。
通過比較可以發現，本發明的技術方案與現有技術的主要區別在於，首先利用OFDM技術將頻率選擇性信道變成平坦衰落信道，從而能通過利用一組中轉節點的所有天線構成多天線的MIMO系統，從而實現了空分復用等先進技術；中轉節點內部的系統結構可以實現一組互助中轉節點的分布式MIMO編解碼傳輸系統(其中第一層中轉節點也可以只進行分布式MIMO編碼)，可以採用空時/空頻/空時頻/空間復用編碼方法，充分利用空分復用的優點；單級或多級中轉節點組的上下級之間的多天線收發系統實現了多跳中轉的MIMO傳輸。
這種技術方案上的區別，帶來了較為明顯的有益效果，即在互助中轉節點組和目的節點間使用多個天線進行數據傳輸的分布式多輸入多輸出(MIMO)技術，通過空間復用(SDM)，如同在原有頻段上建立了多個互不幹擾、並行的子信道，避免不同中轉節點都要申請不同的頻段，可以在不增加帶寬和天線發送功率的情況下，成倍地提高頻譜利用率，進而成倍地提高無線信道容量、系統容量和數據通信速率。
採用MIMO構成多路信道可以在一定程度上對抗信道衰落，因為多個信道同時處於深衰落的可能性較小，從而改善鏈路可靠性。
空時碼、空頻碼、空時頻碼技術將編碼技術和天線陣技術結合在一起，實現了空間分集、時間分集和頻率分集，提高了系統的抗衰落(特別是抗頻率選擇性衰落)性能，且能通過發射分集增益和接收分集增益提供高速率、實現高質量的數據傳輸。與不使用混合空間技術的編碼系統相比，混合空間編碼可以在不犧牲帶寬的情況下獲得較高的編碼增益，進而提高了抗幹擾和抗噪聲的能力。
當中轉節點和用戶站都只用單發射和接收天線時，系統最簡單，成本最低，卻能應用通常必須單機多天線才能做到的MIMO技術，非常適合於用戶站做為中轉節點的應用場景。


圖1是根據本發明的第一實施方式的單跳互助中轉系統結構示意圖；圖2是根據本發明的第三實施方式的單跳互助中轉系統OFDM子信道實現原理示意圖；圖3是根據本發明的第三實施方式的單跳互助中轉系統時分子信道實現原理示意圖；圖4是根據本發明的第三實施方式的單跳互助中轉系統碼分子信道實現原理示意圖；圖5是根據本發明的第四實施方式的多跳互助中轉系統結構示意圖；圖6是根據本發明的第六實施方式的多跳互助中轉系統OFDM子信道實現原理示意圖；
圖7是根據本發明的第六實施方式的多跳互助中轉系統時分子信道實現原理示意圖；圖8是根據本發明的第六實施方式的多跳互助中轉系統碼分子信道實現原理示意圖；圖9是根據本發明的第八實施方式的中轉節點接收機結構示意圖；圖10是根據本發明的第八實施方式的無MIMO接收功能的中轉節點接收機結構示意圖；圖11是根據本發明的第九實施方式的中轉節點發射機結構示意圖；圖12是根據本發明的第十實施方式的簡單中轉系統結構示意圖。
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。
本發明利用中轉無線接入系統中多個中轉節點的多個天線組成一個互助組，聯合實現分布式MIMO技術和空間編解碼技術(例如，分層空間復用碼、空時碼、空頻碼或空時頻碼的組合)，從而可以在現有設備條件的基礎上充分利用MIMO等空分技術的優點用到寬帶無線接入這樣一個前沿的領域中。通過使用MIMO的空分技術實現多個中轉節點接入同一個目的節點的技術，支持用戶站通過多個並行中轉節點或多跳並行中轉節點以同頻同時接入同一個基站，既能解決現有技術的頻譜需求較寬的問題，又能解決用戶站的吞吐量增加有限甚至可能反而降低的問題。
本發明通過在每個中轉節點設置分布式MIMO編解碼單元(其中第一層中轉節點可以只設置分布式MIMO編碼單元)，實現一個互助中轉節點組的MIMO通信。並在所有網元通信中採用OFDM收發技術，使得頻率選擇性快衰落信道變成並行的平坦衰落信道，使得MIMO技術得以實際應用。另外，在多跳中轉系統中上下級互助中轉節點組之間的MIMO通信將該系統推廣到多跳中轉的情況，在任意一級MIMO通信中，各個中轉節點的信道可以通過直接法和子信道劃分兩種方式實現，其中子信道劃分又可以按照OFDM子信道、時分子信道、碼分子信道等方式實施。最後，本文給出了一個簡單的實施方式以說明實際應用情況。
本發明的基本創新在於將MIMO技術實施在多個中轉節點的多個天線上。基於此，又可以分為單跳和多跳兩種系統，這兩種系統沒有本質區別。每種系統又可以按上下級通信方式分為直接法和子信道法等，對於每種情況均採用OFDM通信技術，因此每個中轉節點及源節點目的節點的收發機都實現了OFDM技術，另外還包括前述分布式MIMO編解碼單元及其他功能單元。
本發明的第一實施例是單跳互助中轉系統模型，如圖1所示。包含源節點、一組中轉節點構成的互助中轉節點組、目的節點等節點。源節點和目的節點間的通信由多個中轉節點作並行互助中轉。中轉節點用MIMO技術將來自源節點的無線通信數據轉發至目的節點。
每個中轉節點包含至少一個發射天線、一個接收天線，所有中轉節點包含分布式MIMO編解碼單元，所有中轉節點的天線組成MIMO通信的天線組。如圖所示，中轉節點1、中轉節點2、...、中轉節點N構成一個互助中轉節點組；一個互助中轉節點組和一個目的節點構成一個分布式MIMO系統；即互助中轉節點i(i＝1，...，N)的Ti個發射天線作為MIMO信道的Ti個輸入，則MIMO信道共有T＝(T1+T2+...+Ti+...+TN)個輸入，目的節點的R個接收天線接收MIMO信道的R個輸出。
本發明的第一實施例的基於分布式MIMO技術的源節點和目的節點間進行通信方法，有三個步驟源節點將無線通信數據發送給所有中轉節點；所有中轉節點用MIMO技術將來自源節點的無線通信數據轉發至目的節點；目的節點接收並解碼來自中轉節點的無線通信數據。也可以分為兩個階段廣播階段和中轉階段。廣播階段就是指從源節點將要傳輸的無線通信數據發給每個互助中轉節點的步驟；中轉階段就是互助中轉節點組用MIMO技術轉發給目的節點的步驟。
在本發明的第二實施例在第一實施例的基礎上，採用直接法實現上述的兩個階段，廣播階段源節點直接將數據廣播給中轉節點；中轉階段中轉節點接收來自源節點的數據，並進行分布式空時、空頻、空時頻或者分層空間復用編碼，然後各中轉節點將其對應部分發送給目的節點。
在廣播階段源節點向互助中轉節點組中的每個中轉節點廣播相同的信息序列S。
在中轉階段互助中轉節點1...N對接收到的相同信息序列S，分別進行分布式的空時編碼(或空頻編碼、或空時頻編碼、或分層空間復用編碼)；互助中轉節點i(i＝1，...，N)形成矩陣C中的第(T1+T2+...+Ti-1+1)行到第(T1+T2+...+Ti)行共Ti行編碼符號，其中T0＝0，互助中轉節點組分布式編碼的結果是形成一個統一的空時編碼(或空頻編碼、或空時頻編碼、或分層空間復用編碼)符號矩陣CC=c11c12c1Sc21c22c2SMMOMcm1cm2cmS]]>其中，矩陣的行數為m＝T(由互助中轉節點組的發射天線數決定)，矩陣的列數s則取決於具體的編碼方法；然後，編碼符號矩陣的T行符號從互助中轉節點組的T＝(T1+T2十...+Ti+...+TN)個發射天線，通過T×R MIMO信道，分別發送給目的節點。
最後，目的節點對接收到的信號，進行空時/空頻/空時頻/空間復用解碼，得到信號序列S。
事實上，廣播階段上述各個中轉節點之間的通信會相互重疊，因此也可以通過各自佔用子信道的方法取代直接廣播法。
本發明的第三實施例在第一實施例的基礎上，源節點對數據進行空時、空頻、空時頻或者分層空間復用編碼，並在各子信道上發送給對應中轉節點；各中轉節點接收對應子信道上來自源節點的數據，並進行分布式空時、空頻、空時頻或者分層空間復用編碼；所有中轉節點將各自編碼後的數據在同一子信道上並行發送給目的節點。這裡各個子信道解決了多個中轉節點的重疊衝突問題，但是在並行互助MIMO通信僅使用了一個子信道，因此沒有降低MIMO的系統容量和速率。
這裡提到的子信道可以是現行的多種方式，比如OFDM子信道、時分復用的子信道、碼分復用的子信道，下面具體給出這三種子信道實施的技術細節。
圖2示出了OFDM子信道方法的實現原理，假設OFDM信道按子載波組i(i＝1，...，N)的不同，分成正交的1...N個OFDM子信道(subchannel)，OFDM子信道i(i＝1，...，N)分配給源節點至互助中轉節點i(i＝1，...，N)的通信通道。
在廣播階段，首先，源節點對信源信號序列S，進行空時/空頻/空時頻/空間復用編碼，形成空時/空頻/空時頻/空間復用編碼符號矩陣C；源節點通過OFDM子信道i(i＝1，...，N)，發送矩陣C中的第(T1+T2+...+Ti-1+1)行到第(T1+T2+...+Ti)行共Ti行的空間編碼符號，至互助中轉節點i。其中，T0＝0。
在中轉階段，互助中轉節點組每個節點都可以佔用整個OFDM信道，以提高傳輸數據率；互助中轉節點組通過T個發射天線，分別將空間編碼符號矩陣C的各行空間編碼符號，同時發送至目的節點。即，互助中轉節點1通過T1個發射天線，分別將矩陣C中的第1行到第T1行共T1行的空間編碼符號，同時發送至目的節點；互助中轉節點2通過T2個發射天線，分別將矩陣C中的第(T1+1)行到第(T1+T2)行共T2行的空間編碼符號，同時發送至目的節點；以此類推，互助中轉節點i通過Ti個發射天線，分別將矩陣C中的第(T1+T2+...+Ti-1+1)行到第(T1+T2+...+Ti)行共Ti行的空間編碼符號，同時發送至目的節點；互助中轉節點N通過TN個發射天線，分別將矩陣C中的第(T1+T2+...+TN-1+1)行到第(T1+T2+...+TN)行共TN行的空間編碼符號，同時發送至目的節點。
最後，目的節點對接收到的信號，進行空時/空頻/空時頻/空間復用解碼，得到信號序列S。
圖4示出了時分子信道方法的實現原理，假設通信信道按時隙i(i＝1，...，N)的不同，分成正交的1...N個時分子信道，時分子信道i(i＝1，...，N)分配給源節點至互助中轉節點i(i＝1，...，N)的通信通道。
在廣播階段，首先，源節點對信源信號序列S，進行空時/空頻/空時頻/空間復用編碼，形成空時/空頻/空時頻/空間復用編碼符號矩陣C；源節點通過時分子信道i(i＝1，...，N)，發送矩陣C中的第(T1+T2+...+Ti-1+1)行到第(T1+T2+...+Ti)行共Ti行的空間編碼符號，至互助中轉節點i。其中，T0＝0。
在中轉階段，互助中轉節點組每個節點都可以佔用時分子信道0，以提高傳輸數據率；互助中轉節點組通過T個發射天線，分別將空間編碼符號矩陣C的各行空間編碼符號，在時分子信道1發送至目的節點。即，互助中轉節點1通過T1個發射天線，分別將矩陣C中的第1行到第T1行共T1行的空間編碼符號，在時分子信道1發送至目的節點；互助中轉節點2通過T2個發射天線，分別將矩陣C中的第(T1+1)行到第(T1+T2)行共T2行的空間編碼符號，在時分子信道1發送至目的節點；以此類推，互助中轉節點i通過Ti個發射天線，分別將矩陣C中的第(T1+T2+...+Ti-1+1)行到第(T1+T2+...+Ti)行共Ti行的空間編碼符號，在時分子信道1發送至目的節點；互助中轉節點N通過TN個發射天線，分別將矩陣C中的第(T1+T2+...+TN-1+1)行到第(T1+T2+...+TN)行共TN行的空間編碼符號，在時分子信道1發送至目的節點。
最後，目的節點對接收到的信號，進行空時/空頻/空時頻/空間復用解碼，得到信號序列S。
圖5示出了碼分子信道方法的實現原理，假設通信信道按擴頻碼i(i＝1，...，N)的不同，分成正交的1...N個擴頻子信道，擴頻碼i(i＝1，...，N)分配給源節點至互助中轉節點i(i＝1，...，N)的通信通道。
在廣播階段，首先，源節點對信源信號序列S，進行空時/空頻/空時頻/空間復用編碼，形成空時/空頻/空時頻/空間復用編碼符號矩陣C；源節點按擴頻碼i(i＝1，...，N)擴頻，發送矩陣C中的第(T1+T2+...+Ti-1+1)行到第(T1+T2+...+Ti)行共Ti行的空間編碼符號，至互助中轉節點i。其中，T0＝0。
在中轉階段，互助中轉節點組每個節點都可以採用同一擴頻碼(如擴頻碼0)擴頻，以提高傳輸數據率；互助中轉節點組通過T個發射天線，分別將空間編碼符號矩陣C的各行空間編碼符號，按同一擴頻碼(如擴頻碼1)，同時發送至目的節點。即，互助中轉節點1通過T1個發射天線，分別將矩陣C中的第1行到第T1行共T1行的空間編碼符號，按同一擴頻碼(如擴頻碼0)擴頻，同時發送至目的節點；互助中轉節點2通過T2個發射天線，分別將矩陣C中的第(T1+1)行到第(T1+T2)行共T2行的空間編碼符號，按同一擴頻碼(如擴頻碼0)擴頻，同時發送至目的節點；以此類推，互助中轉節點i通過Ti個發射天線，分別將矩陣C中的第(T1+T2+...+Ti-1+1)行到第(T1+T2+...+Ti)行共Ti行的空間編碼符號，按同一擴頻碼(如擴頻碼0)擴頻，同時發送至目的節點；互助中轉節點N通過TN個發射天線，分別將矩陣C中的第(T1+T2+...+TN-1+1)行到第(T1+T2+...+TN)行共TN行的空間編碼符號，同一擴頻碼(如擴頻碼0)擴頻，同時發送至目的節點。
最後，目的節點對接收到的信號，進行空時/空頻/空時頻/空間復用解碼，得到信號序列S。
當然上述單跳互助中轉系統可以輕鬆推廣到多跳的情況，本發明的第四實施例就是類似第一實施例的一個多跳互助中轉系統，該系統包含多個中轉節點組成多級互助中轉節點組，每個中轉節點包含多個收發天線；任意一級互助中轉節點組所包含的中轉節點包含分布式MIMO編解碼單元，任意一級互助中轉節點組所包含的中轉節點的天線組成MIMO通信的天線組。
圖5示出了該多跳互助中轉系統模型，源節點和目的節點間的通信由多級互助中轉節點組，每級互助中轉節點組由多個中轉節點作並行互助中轉。如圖6，中轉節點1、中轉節點2、...、中轉節點Mk構成一個互助中轉節點組；每級互助中轉節點組和下一級互助中轉節點組中的一個中轉節點都能構成一個分布式MIMO系統；對於最後一級互助中轉節點組則和一個目的節點構成一個分布式MIMO系統；每k級互助中轉節點i的Tk，i個發射天線作為相應MIMO信道的Tk，i個輸入，則相應的MIMO信道共有Tk＝(Tk，1+Tk，2+...+Tk，i+...+Tk，Mk)個輸1入，下一級(即第k+1級)互助中轉節點j的R(k+1)，j個(或目的節點的R個)接收天線接收MIMO信道的、R(k+1)，j(或R)個輸出。
同理，對應的實現方法也推廣到多跳的情況。本發明的第四實施例的基於分布式MIMO技術的源節點和目的節點間進行通信方法，與單跳不同的是任意一級互助中轉節點組所包含的中轉節點包含分布式MIMO編解碼單元；任意一級互助中轉節點組所包含的中轉節點的天線組成MIMO通信的天線組；任意一級都從上一級接收，通過解碼編碼後在發給下一級。同樣也有廣播階段和多個中轉階段，中轉階段的數目也和中轉節點組的數目相同，即為廣播階段、中轉階段1、...、中轉階段N。
同理廣播階段和中轉階段具體也分為直接法和子信道法幾種方案，本發明的第五實施例在第四實施例的基礎上，採用直接法實現上述的幾個階段。
在廣播階段源節點向第1級互助中轉節點組中的每個中轉節點廣播相同的信息序列S。
中轉階段1第1級互助中轉節點1...M1對接收到的相同信息序列S，分別進行分布式的空時編碼(或空頻編碼、或空時頻編碼、或分層空間復用編碼)，第1級互助中轉節點i形成矩陣C中的第(T1，1+T1，2十...+T1，i-1+1)行到第(T1，1+T1，2+...+T1，i)行共T1，i行編碼符號，第1級互助中轉節點組分布式編碼的結果是形成一個統一的空時編碼(或空頻編碼、或空時頻編碼、或分層空間復用編碼)符號矩陣C1，其中矩陣的行數為T1(由第1級互助中轉節點組的發射天線數決定)，矩陣的列數則取決於具體的編碼方法；然後，編碼符號矩陣的T1行符號從T1＝(T1，1十T1，2+...+T1，i+...+T1，M1)個發射天線，通過MIMO信道發送至第2級互助中轉節點j。
中轉階段2第2級互助中轉節點1...M2分別進行分布式的空時解碼(或空頻解碼、或空時頻解碼、或分層空間復用解碼)；然後第2級互助中轉節點1...M2對接收到的相同信息序列S，分別進行空時編碼(或空頻編碼、或空時頻編碼、或分層空間復用編碼)，第2級互助中轉節點組分布式編碼的結果是形成一個統一的空時編碼(或空頻編碼、或空時頻編碼、或分層空間復用編碼)符號矩陣C2，其中矩陣的行數為T2(由第2級互助中轉節點組的發射天線數決定)，矩陣的列數則取決於具體的編碼方法；然後，編碼符號矩陣的T2行符號從T2＝(T2，1+T2，2+...+T2，i+...+T2，M2)個發射天線，通過MIMO信道分別發送第3級互助中轉節點j。
依此類推，中轉階段k第k級互助中轉節點1...Mk分別進行分布式的空時解碼(或空頻解碼、或空時頻解碼、或分層空間復用解碼)，每個第k級互助中轉節點都將得到源節點通過第k-1級互助中轉節點組中轉的信息序列S；然後第k級互助中轉節點1...Mk對接收到的相同信息序列S，分別進行空時編碼(或空頻編碼、或空時頻編碼、或分層空間復用編碼)，第k級互助中轉節點組分布式編碼的結果是形成一個統一的空時編碼(或空頻編碼、或空時頻編碼、或分層空間復用編碼)符號矩陣Ck，其中矩陣的行數為Tk(由第k級互助中轉節點組的發射天線數決定)，矩陣的列數則取決於具體的編碼方法；然後，編碼符號矩陣的Tk行符號從Tk＝(Tk，1+Tk，2+...+Tk，i+...+Tk，Mk)個發射天線，通過MIMO信道分別發送第k+1級互助中轉節點j。
最後一級，中轉階段N第N級(最後一級)互助中轉節點1...Mn分別進行分布式的空時解碼(或空頻解碼、或空時頻解碼、或分層空間復用解碼)，每個第N級互助中轉節點都將得到源節點通過第N-1級互助中轉節點組中轉的信息序列S；然後第N級互助中轉節點1...Mn對接收到的相同信息序列S，分別進行空時編碼(或空頻編碼、或空時頻編碼、或分層空間復用編碼)，第N級互助中轉節點組分布式編碼的結果是形成一個統一的空時編碼(或空頻編碼、或空時頻編碼、或分層空間復用編碼)符號矩陣Cn，其中矩陣的行數為Tn(由第N級互助中轉節點組的發射天線數決定)，矩陣的列數則取決於具體的編碼方法；然後，編碼符號矩陣的Tn行符號從Tn＝(Tn，1+Tn，2+...+Tn，i+...+Tn，Mn)個發射天線，通過MIMO信道分別發送給目的節點。
最後，目的節點對接收到的信號，進行空時/空頻/空時頻/空間復用解碼，得到信號序列S。
本發明的第六實施例在第四實施例的基礎上，採用子信道法實現上述的幾個階段。
源節點對數據進行空時、空頻、空時頻或者分層空間復用編碼，並在各子信道上發送給第一級互助中轉節點組所包含的對應中轉節點；任意一級互助中轉節點組接收對應子信道上來自源節點或上一級互助中轉節點組的數據並進行解碼，然後進行分布式空時、空頻、空時頻或者分層空間復用編碼；任意一級互助中轉節點組的各中轉節點將編碼後數據的對應部分在對應子信道上發送給下一級互助中轉節點組或目的節點；其中最後一級互助中轉節點組包含的各中轉節點將編碼後數據的對應部分在同一子信道上並行發送給目的節點。
同樣可以有OFDM子信道、時分子信道、碼分子信道三種情況的實現。
圖6為多跳系統OFDM子信道實現方式示意圖，假設OFDM信道按子載波組i(i＝1，...，N)的不同，分成正交的1...N個OFDM子信道(subchannel)，OFDM子信道i(i＝1，...，N)分配給源節點至第1級互助中轉節點i(i＝1，...，N)的通信通道。
在廣播階段，首先，源節點對信源信號序列S進行空時/空頻/空時頻/空間復用編碼，形成空時/空頻/空時頻/空間復用編碼符號矩陣C1；源節點通過OFDM子信道i(i＝1，...，N)，發送矩陣C1中的第(T1，1+T1，2+...+T1，i-1+1)行到第(T1，1+T1，2+...+T1，i)行共T1，i行的空間編碼符號，至第1級互助中轉節點i。其中，T1，0＝0。
中轉階段1第1級互助中轉節點組每個節點都可以佔用整個OFDM信道或者佔用同一個子信道，以提高傳輸數據率；第1級互助中轉節點組通過T1個發射天線，分別將空間編碼符號矩陣C1的各行空間編碼符號，發送至第2級互助中轉節點j；中轉階段2-N第2-N級互助中轉節點組每個節點都可以佔用整個OFDM信道，或者佔用同一個子信道。
圖7為多跳系統時分子信道原理圖。假設通信信道按時隙i(i＝1，...，N)的不同，分成正交的1...N個時分子信道，時分子信道i(i＝1，...，N)分配給源節點至第1級互助中轉節點i(i＝1，...，N)的通信通道。
在廣播階段，首先，源節點對信源信號序列S進行空時/空頻/空時頻/空間復用編碼，形成空時/空頻/空時頻/空間復用編碼符號矩陣C1；源節點通過時分子信道i(i＝1，...，N)，發送矩陣C1中的第(T1，1+T1，2+...+T1，i-1+1)行到第(T1，1+T1，2+...+T1，i)行共T1，i行的空間編碼符號，至第1級互助中轉節點i。其中，T1，0＝0。
在中轉階段，第1級互助中轉節點組每個節點都可以佔用時分子信道1，以提高傳輸數據率；第1級互助中轉節點組通過T1個發射天線，分別將空間編碼符號矩陣C1的各行空間編碼符號，在時分子信道1發送至目的節點；中轉階段2-N第k(k＝2，...，N)級互助中轉節點組每個節點都可以佔用時分子信道k(k＝2，...，N)。
圖8為多跳系統碼分子信道原理圖。假設通信信道按擴頻碼i(i＝1，...，N)的不同，分成正交的1...N個擴頻子信道，擴頻碼i(i＝1，...，N)分配給源節點至第1級互助中轉節點i(i＝1，...，N)的通信通道。
在廣播階段，首先，源節點對信源信號序列S進行空時/空頻/空時頻/空間復用編碼，形成空時/空頻/空時頻/空間復用編碼符號矩陣C1；源節點按擴頻碼i(i＝1，...，N)擴頻，發送矩陣C1中的第(T1，1+T1，2+...+T1，i-1+1)行到第(T1，1+T1，2+...+T1，i)行共T1，i行的空間編碼符號，至第1級互助中轉節點i。其中，T1，0＝0。
在中轉階段，第1級互助中轉節點組每個節點都可以採用同一擴頻碼(如擴頻碼0)擴頻，以提高傳輸數據率；第1級互助中轉節點組通過T1個發射天線，分別將空間編碼符號矩陣C1的各行空間編碼符號，按同一擴頻碼(如擴頻碼1)，同時發送至目的節點；中轉階段2-N第k(k＝2，...，N)級互助中轉節點組每個節點都可以採用同一擴頻碼(如擴頻碼k(k＝2，...，N))擴頻。
下面闡述每個中轉節點內部的實現方式及其構成。本發明的第七實施例在上述實施例的基礎上，採用OFDM技術，因此所有站點源節點、中轉節點、目的節點的發射機均採用OFDM調製技術，接收機均採用OFDM解調技術。空時碼主要針對平坦衰落信道，而在實際高速數據傳輸系統中信道特性通常為頻率選擇性衰落。正交頻分復用(OFDM)技術能把頻率選擇性衰落信道劃分為多個並行的相關的平坦衰落信道，因而各載波上呈現非頻率選擇性衰落。802.16將空時碼與正交頻分復用技術組合運用。
在上述實施例中，接收和發送步驟基本上都需要進行MIMO分布式編解碼，注意到僅在直接法的第一級或第一跳互助中轉節點組中，接收時不需要進行MIMO解碼，因為這時源節點僅僅是直接進行廣播。除此之外，所有中轉節點的發射機部分、其他級或其他實現方式的接收機部分，均需要使用MIMO分布式編解碼單元。
因此，本發明第八實施例在第七實施例的基礎上，中轉節點的接收機部分都包含接收天線、OFDM解調器、符號解映射單元、信道解碼單元、空時/空頻/空時頻/空間復用解碼單元。其中空分解碼單元是將來自多個接收天線的多路信號解碼合併為一路的關節，因此位於該單元之前的單元均是每個支路都有對應的單元，而位於該單元之後的則只有一個單元。
對於第i個中轉節點對應有Ti個發射/接收天線，互助中轉節點組有T＝(T1+T2+...+Ti+...+TM)個發射天線，互助中轉節點組共同形成空時/空頻/空時頻/空間復用符號矩陣C，其中矩陣的行數為T，則互助中轉節點i對來自/去往OFDM接收/發射機的信號進行分布式空時/空頻/空時頻/空間復用編解碼，形成矩陣C中的第(T1+T2+...+Ti-1+1)行到第(T1+T2+...+Ti)行共Ti行編碼符號，這就是分布式空分MIMO編解碼原理。
根據空分解碼單元所處的位置不同，可以有四種方案，即按信號流向如下排列
接收天線、OFDM解調器、符號解映射單元、信道解碼單元、空時/空頻/空時頻/空間復用解碼單元，空分解碼單元在最後，因此稱為信源比特級接收機；接收天線、OFDM解調器、符號解映射單元、空時/空頻/空時頻/空間復用解碼單元、信道解碼單元，空分解碼單元在信道解碼之前，因此稱為信道比特級接收機；接收天線、OFDM解調器、空時/空頻/空時頻/空間復用解碼單元、符號解映射單元、信道解碼單元，空分解碼單元在信道解碼和符號解映射之前，因此稱為信源符號級接收機；或者，接收天線、空時/空頻/空時頻/空間復用解碼單元、OFDM解調器、符號解映射單元、信道解碼單元，空分解碼單元在最前面，因此稱為信道符號級接收機。
比特級解碼器的解碼最小單位為比特，而符號級解碼器的解碼最小單位為符號。比如第三種情況，解碼最小單位可以為經正交幅度調製(QuadratureAmplitude Modulation，簡稱「QAM」)符號解映射之前的符號；第四種情況中編碼最小單位可以為經OFDM解調之前的OFDM符號。上述四種情況的接收機結構示意圖在圖9種給出。
不過前面已經提到，並不是所有情況下都需要進行空分解碼的，上述情況適用於源節點採用空時編碼(或空頻編碼、或空時頻編碼、或分層空間復用編碼)技術的單跳互助中轉系統的中轉站(或多跳互助中轉系統的第1級中轉站)，或者多跳互助中轉系統的非第1級中轉站。而源節點不採用空時編碼(或空頻編碼、或空時頻編碼、或分層空間復用編碼)技術的單跳互助中轉系統的中轉站(或多跳互助中轉系統的第1級中轉站)，則不需要上述結構中的空分解碼單元，即僅有接收天線、OFDM解調器、符號解映射單元、信道解碼單元，因此也沒有四種不同的排列順序，而且也只有一路信號，對比圖9容易給出其結構如圖10。
同理，對於發射機，僅僅是信號流向不同，大致結構基本相同，本發明第九實施例在第七實施例的基礎上，中轉節點的發射機部分都包含發射天線、OFDM調製器、符號映射單元、信道編碼單元、空時/空頻/空時頻/空間復用編碼單元。同樣空分編碼單元是一路信號分為多路的地方，因此位於該單元之後的單元均是每個支路都有對應的單元，而位於該單元之前的則只有一個單元。
根據空分編碼單元所處的位置不同，可以有四種方案，即按信號流向如下排列空時/空頻/空時頻/空間復用編碼單元、信道編碼單元、符號映射單元、OFDM調製器、發射天線，空分編碼單元在最後，因此稱為信源比特級發射機；信道編碼單元、空時/空頻/空時頻/空間復用編碼單元、符號映射單元、OFDM調製器、發射天線，空分編碼單元在信道編碼之前，因此稱為信道比特級發射機；信道編碼單元、符號映射單元、空時/空頻/空時頻/空間復用編碼單元、OFDM調製器、發射天線，空分編碼單元在信道編碼和符號映射之前，因此稱為信源符號級發射機；或者，信道編碼單元、符號映射單元、OFDM調製器、空時/空頻/空時頻/空間復用編碼單元、發射天線，空分編碼單元在最前面，因此稱為信道符號級發射機。
上述四種情況的發射機結構示意圖在圖11中給出。
最後，給出一個簡單的兩個中轉節點的單跳中轉系統實施例，本發明的十實施例的系統模型如圖12所示。假設基站和用戶站間有兩個中轉站1和2構成互助中轉節點組，其中hsj為基站到中轉站j(j＝1，2)的多徑衰落信道時域響應；hjd為中轉站j(j＝1，2)到用戶站的多徑衰落信道時域響應。
兩個互助中轉站發射機各有1根發射天線，相距至少為λ/2(λ為波長)，即發送信號在不同路徑中傳播的過程應能夠被近似認為是相互獨立的衰減過程，在用戶站接收端有1根接收天線，這種方案用戶站接收機的空時解碼器需要多輸入單輸出(Multi Input Single Output，簡稱「MISO」)的信道估計，MISO在廣義上也屬於一種特殊的MIMO技術。
由基站向中轉站發射成對的OFDM符號為si(i＝1，2)，在中轉站j(j＝1，2)接收到的成對的OFDM符號為r1j和r2jr11＝hs1s1+n11r21＝hs1s2+n21r12＝hs2s1+n12r22＝hs2s2+n22其中，n1j和n2j為基站到中轉站j(j＝1，2)通信信道的加性白噪聲。
假設互助中轉節點組按如下空時矩陣C進行空時編碼，即中轉站1分布式空時編碼結果為矩陣C的第1行，中轉站2分布式空時編碼結果為矩陣C的第2行。在時刻t，中轉站1發射r11，中轉站2發射-r*22；在時刻t+1，中轉站1發射r21，中轉站2發射r*12。
C=c1c2-c2*c1*=r11r21-r22*r12*]]>則用戶站接收到的成對的OFDM符號為r1=h1dr11-h2dr22*+n1]]>r2=h1dr21+h2dr12*+n2]]>即
r1r2*=HS1S2*+N1N2*]]>其中，(*)表示復共軛，nj為中轉站j(j＝1，2)到用戶站通信信道的加性白噪聲，H=H1-H2H2*H1*]]>H1＝hs1h1dH2=Hs2*h2d]]>N1=h1dn11+h2dn22*+n1]]>N2=h1dn21+h2dn12*+n2]]>由此經過信道估計，用戶站就可以正確接收來自源站經過中轉的信號。可見，在理論上，經過本發明的OFDM、MIMO、中轉技術，在現有設備的基礎上能夠實現高容量、高可靠性、高速率的中轉無線接入系統。
熟悉本領域的技術人員可以理解，上述實施例的描述中為了具體生動的描述技術細節，引用實際應用中的某些特殊例子、參數、設置及解決方案，但在其他實際應用場景下，可以採用各種可行代替方案，這不影響本發明的實質和範圍。
權利要求
1.一種寬帶無線接入的中轉系統，其特徵在於，包含源節點、中轉節點、目的節點，其中，所述中轉節點通過多輸入多輸出技術將來自源節點的無線通信數據轉發至目的節點；所述源節點用於指示所述中轉節點進行多輸入多輸出通信；所述目的節點用於接收並解碼來自所述中轉節點的無線通信數據。
2.根據權利要求1所述的寬帶無線接入的中轉系統，其特徵在於，包含至少兩個所述中轉節點，組成互助中轉節點組，每個中轉節點包含至少一個發射天線、一個接收天線，所有中轉節點的天線組成多輸入多輸出通信的天線組。
3.根據權利要求2所述的寬帶無線接入的中轉系統，其特徵在於，源節點用於直接將數據廣播給所述中轉節點；所述中轉節點包含分布式多輸入多輸出編碼單元，所述中轉節點的接收機用於接收來自源節點的數據，各中轉節點的發射機用於將經過分布式多輸入多輸出編碼後的數據的對應部分發送給目的節點；目的節點用對應的解碼技術獲得通信數據。
4.根據權利要求2所述的寬帶無線接入的中轉系統，其特徵在於，源節點用於對數據進行對應的多輸入多輸出編碼，並根據不同的互助中轉節點及不同互助中轉節點的不同發射天線，將多輸入多輸出編碼的不同編碼部分在各正交子信道上發送給對應中轉節點；各中轉節點的接收機用於接收對應子信道上來自源節點的數據；所有中轉節點的發射機用於將各自接收到的數據在同一子信道上並行發送給目的節點；目的節點用對應的解碼技術獲得通信數據。
5.根據權利要求1所述的寬帶無線接入的中轉系統，其特徵在於，包含至少兩個所述中轉節點，組成至少兩級互助中轉節點組，每個中轉節點包含至少一個發射天線、一個接收天線；任意一級互助中轉節點組所包含的中轉節點的天線組成多輸入多輸出通信的天線組。
6.根據權利要求5所述的寬帶無線接入的中轉系統，其特徵在於，源節點用於直接將數據廣播給第一級互助中轉節點組；第一級互助中轉節點組所包含中轉節點包含分布式多輸入多輸出編碼單元，其接收機用於接收來自源節點的數據，並由其分布式多輸入多輸出編碼單元進行編碼，其發射機用於將經過分布式多輸入多輸出編碼後的數據轉發給第二級互助中轉節點組；第二級至最後一級互助中轉節點組中的任意一級所包含中轉節點均包含分布式多輸入多輸出編碼單元和多輸入多輸出解碼單元，其接收機用於接收來自上一級互助中轉節點組的數據，並由其多輸入多輸出解碼單元進行解碼，再由其分布式多輸入多輸出編碼單元進行編碼，其發射機用於將經過分布式多輸入多輸出編碼後的數據的對應部分發送給下一級互助中轉節點組或目的節點；目的節點用對應的解碼技術獲得通信數據。
7.根據權利要求5所述的寬帶無線接入的中轉系統，其特徵在於，源節點用於對數據進行對應的多輸入多輸出編碼，並根據第一級不同的互助中轉節點及第一級不同互助中轉節點的不同發射天線，將多輸入多輸出編碼的不同編碼部分在各正交子信道上發送給第一級互助中轉節點組所包含的對應中轉節點；第一級互助中轉節點組所包含中轉節點的接收機用於在對應子信道上接收來自源節點的數據，其發射機用於將接收到的數據在同一子信道上並行發送給第二級互助中轉節點組；第二級至最後一級互助中轉節點組中的任意一級所包含中轉節點均包含分布式多輸入多輸出編碼單元和多輸入多輸出解碼單元，其接收機用於在同一子信道上接收來自上一級互助中轉節點組的數據，並由其多輸入多輸出解碼單元進行解碼，再由其分布式多輸入多輸出編碼單元進行編碼，其發射機用於將經過分布式多輸入多輸出編碼後的數據的對應部分在同一子信道上並行發送給下一級互助中轉節點組或目的節點；目的節點用對應的解碼技術獲得通信數據。
8.根據權利要求4或7所述的寬帶無線接入的中轉系統，其特徵在於，所述子信道為正交頻分復用子信道、時分子信道、碼分子信道中的任意一種。
9.根據權利要求1-7任意一項所述的寬帶無線接入的中轉系統，其特徵在於，所述中轉節點所包含的所述分布式多輸入多輸出編碼單元和所述多輸入多輸出解碼單元採用空時、空頻、空時頻或者分層空間復用編碼和解碼技術中的任意一種。
10.根據權利要求9所述的寬帶無線接入的中轉系統，其特徵在於，所述源節點、中轉節點、目的節點的發射機均採用正交頻分復用調製技術，接收機均採用正交頻分復用解調技術。
11.根據權利要求3所述的寬帶無線接入的中轉系統，其特徵在於，所述中轉節點的接收機包含至少一組正交頻分復用解調器、符號解映射單元、信道解碼單元、接收天線。
12.根據權利要求10所述的寬帶無線接入的中轉系統，其特徵在於，具有多輸入多輸出解碼功能的中轉節點的接收機包含至少一組正交頻分復用解調器、符號解映射單元、信道解碼單元、空時/空頻/空時頻/空間復用解碼單元、接收天線；其中，上述單元按接收信號流向依次按以下任意一種順序排列接收天線、正交頻分復用解調器、符號解映射單元、信道解碼單元、空時/空頻/空時頻/空間復用解碼單元；接收天線、正交頻分復用解調器、符號解映射單元、空時/空頻/空時頻/空間復用解碼單元、信道解碼單元；接收天線、正交頻分復用解調器、空時/空頻/空時頻/空間復用解碼單元、符號解映射單元、信道解碼單元；或者，接收天線、空時/空頻/空時頻/空間復用解碼單元、正交頻分復用解調器、符號解映射單元、信道解碼單元。
13.根據權利要求10所述的寬帶無線接入的中轉系統，其特徵在於，具有分布式多輸入多輸出編碼功能的中轉節點的發射機包含至少一組正交頻分復用調製器、符號映射單元、信道編碼單元、分布式空時/空頻/空時頻/空間復用編碼單元、發射天線；其中，上述單元按發射信號流向依次按以下任意一種順序排列分布式空時/空頻/空時頻/空間復用編碼單元、信道編碼單元、符號映射單元、正交頻分復用調製器、發射天線；信道編碼單元、分布式空時/空頻/空時頻/空間復用編碼單元、符號映射單元、正交頻分復用調製器、發射天線；信道編碼單元、符號映射單元、分布式空時/空頻/空時頻/空間復用編碼單元、正交頻分復用調製器、發射天線；或者，信道編碼單元、符號映射單元、正交頻分復用調製器、分布式空時/空頻/空時頻/空間復用編碼單元、發射天線。
14.一種寬帶無線接入的中轉方法，其特徵在於，包含步驟，源節點將無線通信數據發送給所有中轉節點；所有中轉節點用多輸入多輸出技術將來自源節點的無線通信數據轉發至目的節點；所述目的節點接收並解碼來自所述中轉節點的無線通信數據。
15.根據權利要求14所述的寬帶無線接入的中轉方法，其特徵在於，至少兩個所述中轉節點組成互助中轉節點組，每個中轉節點包含至少一個發射天線、一個接收天線，所有中轉節點的天線組成多輸入多輸出通信的天線組。
16.根據權利要求15所述的寬帶無線接入的中轉方法，其特徵在於，還包含步驟，源節點直接將數據廣播給所述中轉節點；所述中轉節點接收來自源節點的數據，並進行分布式多輸入多輸出編碼，然後各中轉節點將其對應部分發送給目的節點。
17.根據權利要求15所述的寬帶無線接入的中轉方法，其特徵在於，還包含步驟，源節點對數據進行對應的多輸入多輸出編碼，並根據不同的互助中轉節點及不同互助中轉節點的不同發射天線，將多輸入多輸出編碼的不同編碼部分在各正交子信道上發送給對應中轉節點；各中轉節點接收對應子信道上來自源節點的數據；所有中轉節點將各自接收到的數據在同一子信道上並行發送給目的節點。
18.根據權利要求14所述的寬帶無線接入的中轉方法，其特徵在於，至少兩個所述中轉節點組成至少兩級互助中轉節點組，每個中轉節點包含至少一個發射天線、一個接收天線；任意一級互助中轉節點組所包含的中轉節點的天線組成多輸入多輸出通信的天線組。
19.根據權利要求18所述的寬帶無線接入的中轉方法，其特徵在於，還包含步驟，源節點直接將數據廣播給第一級互助中轉節點組；第一級互助中轉節點組接收來自源節點的數據，並進行分布式多輸入多輸出編碼，再轉發給第二級互助中轉節點組；第二級至最後一級互助中轉節點組中的任意一級互助中轉節點組接收機來自上一級互助中轉節點組的數據，先進行多輸入多輸出解碼，再進行分布式多輸入多輸出編碼，然後將編碼後數據的對應部分發送給下一級互助中轉節點組或目的節點。
20.根據權利要求18所述的寬帶無線接入的中轉方法，其特徵在於，源節點對數據進行對應的多輸入多輸出編碼，並根據不同的第一級互助中轉節點及不同第一級互助中轉節的不同發射天線，將多輸入多輸出編碼的不同編碼部分在各正交子信道上發送給第一級互助中轉節點組所包含的對應中轉節點；第一級互助中轉節點組所包含中轉節點在對應子信道上接收來自源節點的數據，並將接收到的數據在同一子信道上並行發送給第二級互助中轉節點組；第二級至最後一級互助中轉節點組中的任意一級互助中轉節點組在同一子信道上接收來自上一級互助中轉節點組的數據，並進行多輸入多輸出解碼，再進行分布式多輸入多輸出編碼，然後將經過分布式多輸入多輸出編碼後的數據的對應部分在同一子信道上並行發送給下一級互助中轉節點組或目的節點。
21.根據權利要求17或20所述的寬帶無線接入的中轉方法，其特徵在於，所述子信道為正交頻分復用子信道、時分子信道、碼分子信道中的任意一種。
22.根據權利要求14-20中任意一項所述的寬帶無線接入的中轉方法，其特徵在於，所述多輸入多輸出解碼過程、分布式多輸入多輸出編碼過程分別採用空時、空頻、空時頻或者分層空間復用編碼和解碼技術中的任意一種。
全文摘要
本發明涉及寬帶無線接入系統，公開了一種寬帶無線接入的中轉系統及其方法，使得頻譜資源利用率、無線信道容量和數據通信速率得到提高，鏈路可靠性和穩定性得到改善，抗幹擾和抗噪聲的性能得到增強。本發明中，首先利用OFDM技術將頻率選擇性信道變成平坦衰落信道，從而能通過利用一組中轉節點的所有天線構成多天線的MIMO系統；中轉節點內部的系統結構可以實現一組互助中轉節點的分布式MIMO編解碼傳輸系統，可以採用空時/空頻/空時頻/空間復用編碼方法，充分利用空分復用的優點；單級或多級中轉節點組的上下級之間的多天線收發系統實現了多跳中轉的MIMO傳輸。
文檔編號H04B7/02GK1996785SQ20061000528
公開日2007年7月11日 申請日期2006年1月6日 優先權日2006年1月6日
發明者鄭若濱 申請人:華為技術有限公司