一種中繼輔助的多輸入多輸出系統的通信方法
2023-04-25 21:01:31
專利名稱：一種中繼輔助的多輸入多輸出系統的通信方法
技術領域：
本發明涉及無線通信系統，尤其涉及一種中繼輔助多輸入多輸出無線通信系統的 分布式有限反饋預編碼方法。
背景技術：
中繼無線通信系統具有擴展小區的覆蓋面、克服「死區」效應、改善小區邊界接收 端的信道質量、克服陰影效應等優點。中繼通信的思想早在三十多年前就有人提出，該思想 是最簡單的三點式通信，其中包括一個發射端、一個中繼站和一個接收端，且這三個節點都 只有一根天線。近年來，研究人員分別從中繼協議、資訊理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，有三種傳統的中繼協議，包括放大轉發、 解碼轉發和壓縮轉發，其中放大轉發中繼協議由於不需要解碼直接轉發信號，處理複雜度 和功率消耗都很低，所以應用最為廣泛。同時，多輸入多輸出通信系統能夠通過利用空間復 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和中 繼技術相結合能夠利用二者的優點進一步地提高通信性能。
儘管在大多數場景下，使用解碼轉發方式的可再生中繼比放大轉發方式的非 可再生中繼更具優勢，但它會產生更高的計算複雜度和時延，且存在安全隱患。對於放 大轉發模式的中繼輔助多輸入多輸出通信系統，文獻(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線性收 發機設計；研究表明兩跳通信系統的傳輸可以轉換為在多個正交子信道上的並行數據 流傳輸° 文獻(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準最優線性收發機的聯合設計方案， 仿真結果顯示其獲得了很好的性能增益，但同時需要高複雜度的運算。
值得注意的是，上述算法均需要完全已知兩跳的信道狀態信息，這在實際的頻分 雙工通信系統中並不適用。為了克服這個問題，文獻(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 了一種適用於放大轉發中繼 的有限反饋波束成形算法，其採用了 Grassmarmian碼本以降低反饋開銷。但它只適用於 波束成形的情況，並不方便擴展到多個子流的預編碼系統。在各節點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用增益。文獻(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.)進一步提出了一種適用於放大轉發中繼的有限反饋預編碼算法，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用增益；但它只適用於忽略直達鏈路的情況。在直達鏈路較好時，該算法並不能獲得直達鏈路的傳輸分集增益。 發明內容
發明目的為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種中繼輔助的多輸入 多輸出通信系統的下行鏈路中發射端和中繼站的分布式有限反饋預編碼方法，在低複雜度 和低反饋開銷的前提下獲得更高的頻譜效率。
技術方案為實現上述目的，本發明採用的技術方案為
—種中繼輔助的多輸入多輸出系統的通信方法，所述通信方法中的中繼輔助的多 輸入多輸出系統包括一個具有M根天線的發射端、一個具有L根天線的中繼轉發站和一個 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每次傳輸K路數據流，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，並據此制定協作策略，並將該協作策略的相 關信息反饋給中繼轉發站；所述該移動策略的相關信息可以為協助策略標識，比如「1」表 示需要發射端的協作傳輸，「0」表示不需要發射端的協作傳輸；
(2)中繼轉發站和移動接收端根據協作策略及當前信道狀態分布式地選擇出各自 的最優預編碼矩陣，中繼轉發站將其最優預編碼矩陣的相關信息反饋給發射端，移動接收 端將其最優預編碼矩陣的相關信息反饋給中繼轉發站；
(3)發射端將需要傳輸的一路信號轉化為並行的一路以上信號，並將轉化後的信 號進行相應的調製和編碼，再乘以中繼轉發站反饋的最優預編碼矩陣後，發送給中繼轉發 站；
(4)中繼轉發站接收信號，並將接受到的信號乘以移動接收端反饋的最優預編碼 矩陣後，發送給移動接收端；
(5)移動接收端接收信號，並進行處理。
所述步驟(1)中，移動接收端根據直達鏈路和兩跳鏈路的信道信息制定協作策 略，並將該協作策略的相關信息反饋給中繼轉發站；比如將代表該協作策略的信息(Ibit) 反饋給中繼轉發站。
所述通信方法中，首先需要根據忽略和考慮直達鏈路時次優可達速率的比值，判 斷移動接收端是否需要利用直達鏈路的傳輸分集，若判斷結果為是，即直達鏈路信道條件 較好時，則步驟(1)中，移動接收端將協作策略的相關信息和直達鏈路的信道信息反饋給 中繼轉發站；步驟(5)中，移動接收端接收的信號包括中繼轉發站發送的信號和前一時隙 發送端發送的直達鏈路的信號，再這兩個信號進行相應的合併，以使得移動接收端的信噪 比得到提高，使其充分利用直達鏈路的分集增益。若判斷結果為否，則步驟(1)中，移動接 收端僅需將協作策略的相關信息反饋給中繼轉發站；步驟(5)中，移動接收端僅需接收中 繼轉發站發送的信號。
所述移動接收端可以獲取全部的道信息，且能自適應的選擇協作分集策略，並將 標識符反饋給中繼轉發站。
所述發射端和中繼轉發站、中繼轉發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編碼矩陣；所述步驟O)中，中繼轉發站和移動接收端根據 協作策略、當前信道狀態和碼字選擇算法分布式地選擇出各自的最優預編碼矩陣，並將代5表各自的最優預編碼矩陣的信息反饋給發射端和中繼轉發站，所述代表各自的最優預編碼 矩陣的信息為各自的最優預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鏈路分集增益的碼字選擇算法或者忽略直達鏈路 的碼字選擇算法。
所述步驟(3)中，發射端將需要傳輸的一路信號轉化為並行的K路信號單元。
所述步驟中，中繼轉發站接收發射端發送的信號，並將接受到的信號乘以移 動接收端反饋的最優預編碼矩陣進行放大後，發送給移動接收端。
所述步驟(5)中，移動接收端採用最小均方誤差接收機接收信號，並對接收到的 信號進行解碼和處理。
所述步驟O)中，中繼轉發站和移動接收端根據協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前信道狀態選擇出各自的最優預編碼矩陣。
移動接收端分別計算忽略和考慮直達鏈路兩種不同情況下，兩跳通信系統的次優可達速率；得到兩者的比值^ = ^，其中
權利要求
1.一種中繼輔助的多輸入多輸出系統的通信方法，其特徵在於所述通信方法中的中 繼輔助的多輸入多輸出系統包括一個具有M根天線的發射端、一個具有L根天線的放大中 繼轉發站和一個具有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每次傳輸 K路數據流，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)移動接收端制定協作策略，並將該協作策略的相關信息反饋給中繼轉發站；(2)中繼轉發站和移動接收端根據協作策略及當前信道狀態分布式地選擇出各自的最 優預編碼矩陣，中繼轉發站將其最優預編碼矩陣的相關信息反饋給發射端，移動接收端將 其最優預編碼矩陣的相關信息反饋給中繼轉發站；(3)發射端將需要傳輸的一路信號轉化為並行的一路以上信號，並將轉化後的信號進 行相應的調製和編碼，再乘以中繼轉發站反饋的最優預編碼矩陣後，發送給中繼轉發站；(4)中繼轉發站接收信號，並將接受到的信號乘以移動接收端反饋的最優預編碼矩陣 後，發送給移動接收端；(5)移動接收端接收信號，並進行處理。
2.根據權利要求1所述的中繼輔助的多輸入多輸出系統的通信方法，其特徵在於所 述步驟(1)中，移動接收端根據直達鏈路和兩跳鏈路的信道信息制定協作策略，並將該協 作策略的相關信息反饋給中繼轉發站。
3.根據權利要求1所述的中繼輔助的多輸入多輸出系統的通信方法，其特徵在於所 述通信方法中，首先判斷移動接收端是否利用直達鏈路的傳輸分集，若判斷結果為是，則步 驟(1)中，移動接收端將協作策略的相關信息和直達鏈路的信道信息反饋給中繼轉發站； 步驟(5)中，移動接收端接收的信號包括中繼轉發站發送的信號和發送端發送的直達鏈路 的信號；若判斷結果為否，則步驟(1)中，移動接收端僅需將協作策略的相關信息反饋給中 繼轉發站；步驟(5)中，移動接收端僅需接收中繼轉發站發送的信號。
4.根據權利要求1所述的中繼輔助的多輸入多輸出系統的通信方法，其特徵在於所 述發射端和中繼轉發站、中繼轉發站和移動接收端分別需要保存有相同的碼本，所述碼本 中至少包含一個預編碼矩陣；所述步驟O)中，中繼轉發站和移動接收端根據協作策略、當 前信道狀態和碼字選擇算法分布式地選擇出各自的最優預編碼矩陣，並將代表各自的最優 預編碼矩陣的信息反饋給發射端和中繼轉發站，所述代表各自的最優預編碼矩陣的信息為 各自的最優預編碼矩陣在所述碼本中的索引。
5.根據權利要求4所述的中繼輔助的多輸入多輸出系統的通信方法，其特徵在於所 述碼字選擇算法為考慮直達鏈路分集增益的碼字選擇算法或者忽略直達鏈路的碼字選擇 算法。
6.根據權利要求5所述的中繼輔助的多輸入多輸出系統的通信方法，其特徵在於所 述步驟O)中，中繼轉發站和移動接收端根據協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前信道狀態選擇出各自的最優預編碼矩陣。
7.根據權利要求1所述的中繼輔助的多輸入多輸出系統的通信方法，其特徵在於所 述步驟(3)中，發射端將需要傳輸的一路信號轉化為並行的K路信號單元。
8.根據權利要求1所述的中繼輔助的多輸入多輸出系統的通信方法，其特徵在於所 述步驟中，中繼轉發站接收發射端發送的信號，並將接受到的信號乘以移動接收端反 饋的最優預編碼矩陣進行放大後，發送給移動接收端。
9.根據權利要求1所述的中繼輔助的多輸入多輸出系統的通信方法，其特徵在於所 述步驟(5)中，移動接收端採用最小均方誤差接收機接收信號，並對接收到的信號進行解 碼和處理。
全文摘要
本發明公開了一種中繼輔助的多輸入多輸出系統的通信方法，所述通信方法中的中繼輔助的多輸入多輸出系統包括一個具有M根天線的發射端、一個具有L根天線的中繼轉發站和一個具有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每次傳輸K路數據流，其中K為M、L、N中的最小值；本發明提供的一種中繼輔助的多輸入多輸出系統的通信方法，可以在低複雜度和低反饋開銷的前提下，自適應的利用直達鏈路的協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有限反饋預編碼技術相比，該自適應的選擇協作分集方案是最優的。
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 優先權日2010年12月20日
發明者餘輝, 楊綠溪, 黃永明 申請人:東南大學