雙向中繼系統中中繼端魯棒性信號處理方法

2023-08-02 06:58:46

專利名稱：雙向中繼系統中中繼端魯棒性信號處理方法
技術領域：
本發明涉及的是ー種無線通信領域的方法，具體是ー種多用戶雙向中繼系統中的中繼端魯棒性信號處理方法。
背景技術：
移動通信系統中的中繼技術，能夠有效地擴大網絡的覆蓋範圍、提高系統容量，已被 3GPP (3rd Generation Partnership Project,第三代移動通信合作夥伴項目)LTE—A(Long Term Evolation-Advanced,長期演進一高級)標準所採納。目前中繼方式主要有DF(Decode-and-Forward,解碼轉發)、AF (AmpIify-and-Forward,放大轉發)等。其中 AF 方式由於實現簡單、低複雜度而得到了廣泛的應用。傳統的中繼系統要實現兩用戶之間的信息互傳，需要4個時隙。而雙向中繼系統實現兩用戶之間信息互傳只需要2個時隙，因此，採用雙向中繼系統可以提高一倍的系統容量。但是傳統的信號處理方法都假設中繼能夠獲得完美的前向信道和後向信道信息，這在實際系統中是不現實的。實際系統中，中繼能得到完美的後向信道信息，而前向信道信息則需要通過用戶反饋得到，且用戶用於反饋信道信息的比特數是有限的，因此，量化誤差不可避免。在此情況下，研究如何設計魯棒性信號處理方法顯得十分必要。經對現有文獻檢索發現，RonghongMo Yong Huat Chew, 「MMSE-BasedJoint Source and Relay Precoding Design for AmpIify-and-Forward MIMO RelayNetworks, 」 ( 「AF MIMO中繼系統中基於麗SE準則的聯合源端和中繼編碼設計」)IEEETrans. Wireless Commun. , vol. 8, no. 9, pp. 4668 - 4676, 2009,該文章假設基站和中繼都能獲得完美的前向信道和後向信道信息，並進行了相關的信號處理方法的設計，但這在實際中很難實現。又經檢索發現，BinZhang, Zhiqiang He, Kai Niu, Li Zhang, 「Robust LinearBeamforming for MIMO Relay Broadcast Channel With Limited Feedback,，，( 「多輸入多輸出中繼廣播信道下有限反饋魯棒性波束成型設計」)IEEE Signal ProcessingLetters, vol. 17，no. 2，2010，該文章中假設基站和中繼能夠獲得完美的後向信道信息，而前向信道信息需要通過用戶反饋得到。用戶用於反饋信道信息的比特數是有限的，因此，基站和中繼只能獲得帶有量化誤差的信道信息。在此假設下，該文章實現了中繼端的線性信號處理方法設計。經檢索還發現，JunZou, Ming Ding, 「Robust Joint Linear Precoding forAF MIMO Relay Broadcast Systems With Limited Feedback, 」 ( 「放大轉發多輸入多輸出中繼廣播信道下有限反饋魯棒性預編碼聯合設計」)IEICE Trans. Commun.，vol.E94-B, no. 3，2011，該文章中假設基站和中繼能夠獲得完美的後向信道信息和經過量化的前向信道信息。並在此假設下，該文章實現了基站端和中繼端的魯棒性聯合信號處理方法設計。但是以次模型實現兩用戶之間交互信息需要4個時隙，而如果採用雙向中繼系統，則只需要2個時隙，因而可以提高一倍的呑吐量。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供ー種多用戶雙向中繼系統中的中繼端魯棒性信號處理方法。本發明根據MMSE(Minimum Mean Squared Error,最小均方誤差)準則，在考慮信道量化誤差的前提下，設計中繼端信號處理方法。該方法充分考慮了信道量化誤差對系統性能的影響，並設計出了能減小信道量化誤差對系統性能影響的信號處理方法，能有效改善系統的比特誤碼率性能。本發明所述的通信系統結構包括2K個單天線收發機(既是發射機也是接收機)和I個多天線雙向中繼，每個收發機都主要由一個調製器、一個解調器和ー個存儲器組成，每個雙向中繼主要由一個調製器、一個解調器和ー個預編碼線性處理器組成，工作方式為半雙エ放大轉發中繼。其中每兩個收發機配對通過中繼節點交換信息，記k和石為ー對想要相互通信的收發機對，共有K對收發機對。本發明描述了ー種多對用戶雙向中繼無線通信方法，一個完整的通信過程在兩個 時隙內完成，在第一個時隙，所有收發機同時向中繼發送信號；在第二個時隙，中繼將處理後的信號廣播至多個收發機。根據本發明的ー個方面，提供ー種多用戶雙向中繼系統中的中繼端魯棒性信號處理方法，所述多用戶雙向中繼系統中包含2K個源端收發機以及I個中繼節點，所述方法包括以下步驟第一歩，所有源端收發機向中繼節點分別發射訓練序列，中繼節點根據收到的信號進行信道估計，得到源端收發機到中繼節點的信道；第二步，中繼同時向所有源端收發機發射訓練序列，源端收發機根據接收到的信號進行信道估計，得到中繼和源端收發機間的信道；第三步，所有源端收發機將估計得到的信道信息進行量化，並將量化後的信道信息反饋給中繼；第四步，中繼根據所有源端收發機到中繼的信道信息和中繼到所有源端收發機的量化信道信息設計中繼端預編碼矩陣；第五步，所有源端收發機對預發射信號進行預處理，得到發射信號並將該信號發射給中繼節點；第六步，中繼節點對接收到的信號進行線性處理，得到中繼的發射信號，並將其廣播給所有源端收發機；第七步，所有源端收發機對接收到的信號進行檢測處理，得到估計的發射信號。優選地，所述第一歩中的信道估計處理方法為所有2K個源端收發機向中繼節點發射訓練序列，其中源端收發機k發送的發射訓練序列為Sk，中繼節點接收到的從源端收發機k發射的訓練序列序號為Xk，源端收發機k到中繼節點的信道hk由下式得到\= I—^(- + SX)-1
VPtk Pxk其中，P τ1 是訓練序列Sk的信噪比，!\,是源端收發機k發射的訓練序列的長度，Xk是中繼節點接收到的發送自源端收發機k的訓練序列信號，Nr是中繼節點的天線數，上標(·)H表示矩陣的共軛轉置。
優選地，所述第二步中的信道估計處理方法為中繼節點向所有2K個源端收發機發射訓練序列叉，源端收發機k接收到的從中繼節點發射的訓練序列序號為1,，中繼節點到源端收發機k間的信道gk由下式得到 gk = 'βπ子I'. + SHrlS XfPr其中A是訓練序列5的信噪比,歹,fT是中繼節點發射的訓練序列的長度，為大小為NrXNr的単位矩陣，Nr是中繼節點的天線數，上標(·)H表示矩陣的共軛轉置。優選地，所述第三步中的信道量化方法為源端收發機k首先將估計出的中繼節
點到源端收發機的信道信息gk歸ー化，得到歸ー化後的信道信息あ=gk/\\gk\\ ;然後根據最
小距離準=MgmaxfellsIA"+得到量化後的信道信息；其中□ k為包含2B個隊維単位 向量的隨機碼本，B為信道量化比特數，隊是中繼節點的天線數，上標(·)H表示矩陣的共軛轉置，c為碼本ロ k中的某一向量。優選地，所述第四步中的中繼端預編碼矩陣為Fr = matO:k +mNJ-lvec{指^·札}}其中 I =σ;醜PRR嚴f+(7 .， Rrk=Nr(l-5)gkHgk+NrSlNr,K = σ;ΗΡΡΗΗΒ + σ%Γ 』 Rr =嚴妒，δ = 2——'., ω =E [cos θ k]Ε[| |gk| I]兌力第k個對角線元素為0，其他對角線元素為I的2KX2K維對角矩陣，P為第k個對角線元素為的2KX2K維對角矩陣, -為第f個元素為1，其他元素為O的2K維行向量，Θ k為瓦與毛之間的夾角，Pk為源端收發機k的發射功率，Pr為中繼的發射功率，ぴf為發射信號能量,OV2為中繼端噪聲功車σ力源端收發機噪聲功率， 為Kronecker運算，vec( ·)為矩陣化向量運算，mat ( ·)為vec ( ·)的逆運算，(·)τ為轉置運算，B為信道量化比特數，4,'為大小為隊X隊的單位矩陣，隊是中繼節點的天線數，上標(·)Η表示矩陣的共軛轉置，gk為中繼節點到源端收發機k的信道信息，H為所有源端收發機到中繼節點的信道信息，Eレ]表示求期望運算，λ為拉格朗日乘子，可通過二分法求得，且其收斂條件為使Fr滿足Tr (FrRxFr) =Pr，其中Tr ( ·)為取跡運算。優選地，所述第五步中的源端發射機k的預處理方法是sk = pkxk其中A =^PkIo2x, Xk是源端收發機k需要發送的經過調製後的信號，Sk是經過預
編碼處理後的信號，Pk為源端收發機k的發射功率，A2為發射信號能量。優選地，所述第六步中中繼端的線性處理方法是yr=Frxr其中\為中繼節點接收到的信號向量，yr為中繼節點發送出去的信號向量，Fr為中繼端預編碼矩陣。優選地，所述第七步中源端接收機k的檢測處理方法是xk=rk-gkFrhkPkxk
其中rk為源端接收機k接收到的信號向量，％為源端接收機k估計的調製信號，gk為中繼節點到源端收發機的信道信息，Fr為中繼端預編碼矩陣，hk為源端收發機k到中繼
節點的信道，Xk是源端收發機k需要發送的經過調製後的信號，Λ=ν^_/σχ2 Pk為源端收
發機k的發射功率，σ〗為發射信號能量。與現有技術相比，本發明的有益效果是採用了雙向中繼的信息傳輸模式，能較大地提高信道容量，並且在設計中繼端預編碼矩陣的時候考慮了信道量化誤差帶來的影響，有效地改善了系統的比特誤碼率性能。


圖I是本發明實施例誤碼率性能比較示意圖一。

具體實施例方式以下結合附圖對本發明的方法進ー步描述本實施例以本發明技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方案和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。在本實施例中，無線通信系統包括4個單天線源端收發機以及ー個4天線中繼，SPK=2,隊=4。在本實施例中，第I源端收發機和第2源端收發機組成ー個源端收發機對，第3源端收發機和第4源端收發機組成ー個源端收發機對。待互相傳輸的符號為隨機生成的BPSK調製符號，其功率為σ=1。所有信道均為瑞麗(Rayleigh)平坦衰落，中繼和所有接收端的接收噪聲均為零均值單位方差的復高斯白噪聲，σ〗=σ； =1。所有源端收發機的發射功率相同，即P1=P2=P3=P4=Ps,中繼端發射功率為P,。定義第一個時隙的信噪比為.Wii1 = Ps σ ，第二個時隙的信噪比為ΧΛ7こ=/>丨NlXJ1n。本實施例包括以下步驟第一歩，第I源端收發機向中繼節點發射訓練序列S1,中繼節點根據接收到的信號X1進行信道估計，得到第I源端收發機和中繼間的信道hi。同時第2源端收發機向中繼節點發射訓練序列S2,中繼節點根據接收到的信號X2進行信道估計，得到第2源端收發機和中繼間的信道h2。第3源端收發機向中繼節點發射訓練序列S3,中繼節點根據接收到的信號X3進行信道估計，得到第3源端收發機和中繼節點間的信道h3。同時第4源端收發機向中繼節點發射訓練序列S2,中繼節點根據接收到的信號X4進行信道估計，得到第4源端收發機和中繼節點間的信道h4。所述的信道估計處理，是\ = 4 -X1Sfc-+SlSfr1 A = Λ —x.sfc—+S2Sfy1
N Pr IPrl Ρτ2Ρτ2\ Λ p-x,5f (—+S^r1 ji, = 4 P-X4Sfc-+S4Sfr1
VPr3 ' Pr3\Ρτ4Ρτ4其中P τ1, P τ2, P τ3, P τ4分別是是訓練序列S1, S2, S3, S4的信噪比,S1 eClx'S2 GClxr-,S3GClx^,S4 E Clxr-，Ττ1，Ττ2，Ττ3，Ττ4分別是第 1、2、3、4源端收發機發射的訓練序列長度，上標(·)H表示矩陣的共軛轉置。本實施例中訓練序列長度T τ ^Tt2=Tt3=Tt4=I訓練序列的信噪比為P τ1=ρ τ2=ρ τ 3= P τ4= {49, 199, 999}。第二歩，中繼同時向第1、2、3、4源端收發機發射訓練序列歹，第I源端收發機根據接收到的信號足進行信道估計，得到中繼節點和第I源端收發機間的信道gl，第2源端收發機根據接收到的信號足進行信道估計，得到中繼節點和第2源端收發機間的信道g2，第3源端收發機根據接收到的信號U!行信道估計，得到中繼節點和第3源端收發機間的信道g3，第4源端收發機根據接收到的信號足進行信道估計，得到中繼節點和第4源端收發機間的信道g4o所述的信道估計處理，是
權利要求
1.一種多用戶雙向中繼系統中的中繼端魯棒性信號處理方法，其特徵在於，所述多用戶雙向中繼系統中包含2K個源端收發機以及I個中繼節點，所述方法包括以下步驟 第一步，所有源端收發機向中繼節點分別發射訓練序列，中繼節點根據收到的信號進行信道估計，得到源端收發機到中繼節點的信道； 第二步，中繼節點同時向所有源端收發機發射訓練序列，源端收發機根據接收到的信號進行信道估計，得到中繼節點和源端收發機間的信道； 第三步，所有源端收發機將估計得到的信道信息進行量化，並將量化後的信道信息反饋給中繼節點； 第四步，中繼節點根據所有源端收發機到中繼節點的信道信息和中繼節點到所有源端收發機的量化信道確定中繼端預編碼矩陣； 第五步，所有源端收發機對預發射信號進行預處理，得到發射信號並將該信號發射給中繼節點； 第六步，中繼節點對接收到的信號進行線性處理，得到中繼的發射信號，並將其廣播給所有源端收發機； 第七步，所有源端收發機對接收到的信號進行檢測處理，得到估計的發射信號。
2.根據權利要求I所述的多用戶雙向中繼系統中的中繼端魯棒性信號處理方法，其特徵是，所述第一步中的信道估計處理方法為所有2K個源端收發機向中繼節點發射訓練序列，其中源端收發機k發送的發射訓練序列為Sk，中繼節點接收到的從源端收發機k發射的訓練序列序號為Xk，源端收發機k到中繼節點的信道hk由下式得到 , 其中，P Tk是訓練序列Sk的信噪比，Si GCtur^，TTk是源端收發機k發射的訓練序列的長度，Xk是中繼節點接收到的發送自源端收發機k的訓練序列信號，Nr是中繼節點的天線數，上標( )H表示矩陣的共軛轉置。
3.根據權利要求I所述的多用戶雙向中繼系統中的中繼端魯棒性信號處理方法，其特徵是，所述第二步中的信道估計處理方法為中繼節點向所有2K個源端收發機發射訓練序列5，源端收發機k接收到的從中繼節點發射的訓練序列序號為足，中繼節點到源端收發機k間的信道gk由下式得到 其中 是訓練序列歹的信噪比，歹6 CxA尤是中繼節點發射的訓練序列的長度h力大小為隊父隊的單位矩陣，Nr是中繼節點的天線數，上標( )H表示矩陣的共軛轉置。
4.根據權利要求I所述的多用戶雙向中繼系統中的中繼端魯棒性信號處理方法，其特徵是，所述第三步中的信道量化方法為源端收發機k首先將估計出的中繼節點到源端收發機的信道信息gk歸一化，得到歸一化後的信道信息& = A /|k|| ;然後根據最小距離準則L =argmaxf |g/c|，得到量化後的信道信息；其中口 k為包含2B個N,維單位向量的隨機碼本，B為信道量化比特數，Nr是中繼節點的天線數，上標( )H表示矩陣的共軛轉置，c為碼本口 k中的某一向量。
5.根據權利要求I所述的多用戶雙向中繼系統中的中繼端魯棒性信號處理方法，其特徵是，所述第四步中的中繼端預編碼矩陣為 其中E[| |gk| 1], 為第k個對角線元素為0，其他對角線元素為I的2KX2K維對角矩陣，P為第k個對角線元素為彳#/<的2KX2K維對角矩陣，—為第f個元素為1，其他元素為0的2K維行向量，0 k為&與麼之間的夾角，Pk為源端收發機k的發射功率，己為中繼節點的發射功率,Cr為發射信號能量，of為中繼端噪聲功率，ct 2為源端收發機噪聲功率，⑧為Kronecker運算，vec( )為矩陣化向量運算，mat ( )為vec ( )的逆運算，( )T為轉置運算，B為信道量化比特數, '為大小為隊X隊的單位矩陣，隊是中繼節點的天線數，上標(*)H表示矩陣的共軛轉置，gk為中繼節點到源端收發機k的信道信息，H為所有源端收發機到中繼節點的信道信息，E[_]表示求期望運算，A為拉格朗日乘子，可通過二分法求得，且其收斂條件為使Fr滿足Tr (FrRxFr) =Pr，其中Tr ( )為取跡運算。
6.根據權利要求I所述的多用戶雙向中繼系統中的中繼端魯棒性信號處理方法，其特徵是，所述第五步中的源端發射機k的預處理方法是 Sk = PkXk 其中A Xk是源端收發機k需要發送的經過調製後的信號，Sk是經過預編碼處理後的信號，Pk為源端收發機k的發射功率，Cri2為發射信號能量。
7.根據權利要求I所述的多用戶雙向中繼系統中的中繼端魯棒性信號處理方法，其特徵是，所述第六步中中繼端的線性處理方法是 其中&為中繼節點接收到的信號向量，Yr為中繼節點發送出去的信號向量，Fr為中繼端預編碼矩陣。
8.根據權利要求I所述的多用戶雙向中繼系統中的中繼端魯棒性信號處理方法，其特徵是，所述第七步中源端接收機k的檢測處理方法是 其中rk為源端接收機k接收到的信號向量，^為源端接收機k估計的調製信號，gk為中繼節點到源端收發機k的信道信息，Fr為中繼端預編碼矩陣，hk為源端收發機k到中繼節點的信道，Xk是源端收發機k需要發送的經過調製後的信號 為源端收發機k的發射功率，A2為發射信號能量。
全文摘要
本發明提供一種多用戶雙向中繼系統中的中繼端魯棒性信號處理方法，包括源端向中繼發射訓練序列，中繼進行信道估計處理，得到源端與中繼間的估計信道；中繼向源端發射訓練序列，源端進行信道估計處理，得到中繼與用戶間的估計信道；源端首先將估計出的中繼到用戶的信道進行量化，再將量化後的信道反饋給中繼，中繼根據用戶到中繼的信道信息和中繼到用戶的量化信道信息進行中繼魯棒性預編碼設計；源端對發射信號進行預處理後發射給中繼；中繼對接收到的信號進行預處理後廣播給源端；源端對接收到的信號進行檢測處理，得到相互之間需要傳輸的信息。本發明能較大地提高信道容量，有效地改善了系統的比特誤碼率性能。
文檔編號H04L25/03GK102811188SQ20121026504
公開日2012年12月5日 申請日期2012年7月27日 優先權日2012年7月27日
發明者錢成, 黃劍, 秦佳美, 俞暉, 羅漢文 申請人:上海交通大學