專利名稱：雙向中繼系統(tǒng)中中繼端魯棒性信號處理方法
技術(shù)領域：
本發(fā)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(tǒng)中的中繼端魯棒性信號處理方法。
背景技術(shù)：
移動通信系統(tǒng)中的中繼技術(shù)，能夠有效地擴大網(wǎng)絡的覆蓋范圍、提高系統(tǒng)容量，已被 3GPP (3rd Generation Partnership Project,第三代移動通信合作伙伴項目)LTE—A(Long Term Evolation-Advanced,長期演進一高級)標準所采納。目前中繼方式主要有DF(Decode-and-Forward,解碼轉(zhuǎn)發(fā))、AF (AmpIify-and-Forward,放大轉(zhuǎn)發(fā))等。其中 AF 方式由于實現(xiàn)簡單、低復雜度而得到了廣泛的應用。傳統(tǒng)的中繼系統(tǒng)要實現(xiàn)兩用戶之間的信息互傳，需要4個時隙。而雙向中繼系統(tǒng)實現(xiàn)兩用戶之間信息互傳只需要2個時隙，因此，采用雙向中繼系統(tǒng)可以提高一倍的系統(tǒng)容量。但是傳統(tǒng)的信號處理方法都假設中繼能夠獲得完美的前向信道和后向信道信息，這在實際系統(tǒng)中是不現(xiàn)實的。實際系統(tǒng)中，中繼能得到完美的后向信道信息，而前向信道信息則需要通過用戶反饋得到，且用戶用于反饋信道信息的比特數(shù)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(jīng)對現(xiàn)有文獻檢索發(fā)現(xiàn)，RonghongMo Yong Huat Chew, “MMSE-BasedJoint Source and Relay Precoding Design for AmpIify-and-Forward MIMO RelayNetworks, ” ( “AF MIMO中繼系統(tǒng)中基于麗SE準則的聯(lián)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后向信道信息，并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(xiàn)。又經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，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后向信道信息，而前向信道信息需要通過用戶反饋得到。用戶用于反饋信道信息的比特數(shù)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(xiàn)了中繼端的線性信號處理方法設計。經(jīng)檢索還發(fā)現(xiàn)，JunZou, Ming Ding, “Robust Joint Linear Precoding forAF MIMO Relay Broadcast Systems With Limited Feedback, ” ( “放大轉(zhuǎn)發(fā)多輸入多輸出中繼廣播信道下有限反饋魯棒性預編碼聯(lián)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后向信道信息和經(jīng)過量化的前向信道信息。并在此假設下，該文章實現(xiàn)了基站端和中繼端的魯棒性聯(lián)合信號處理方法設計。但是以次模型實現(xiàn)兩用戶之間交互信息需要4個時隙，而如果采用雙向中繼系統(tǒng)，則只需要2個時隙，因而可以提高一倍的呑吐量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供ー種多用戶雙向中繼系統(tǒng)中的中繼端魯棒性信號處理方法。本發(fā)明根據(jù)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(tǒng)性能的影響，并設計出了能減小信道量化誤差對系統(tǒng)性能影響的信號處理方法，能有效改善系統(tǒng)的比特誤碼率性能。本發(fā)明所述的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括2K個單天線收發(fā)機(既是發(fā)射機也是接收機)和I個多天線雙向中繼，每個收發(fā)機都主要由一個調(diào)制器、一個解調(diào)器和ー個存儲器組成，每個雙向中繼主要由一個調(diào)制器、一個解調(diào)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(zhuǎn)發(fā)中繼。其中每兩個收發(fā)機配對通過中繼節(jié)點交換信息，記k和石為ー對想要相互通信的收發(fā)機對，共有K對收發(fā)機對。本發(fā)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(nèi)完成，在第一個時隙，所有收發(fā)機同時向中繼發(fā)送信號；在第二個時隙，中繼將處理后的信號廣播至多個收發(fā)機。根據(jù)本發(fā)明的ー個方面，提供ー種多用戶雙向中繼系統(tǒng)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(tǒng)中包含2K個源端收發(fā)機以及I個中繼節(jié)點，所述方法包括以下步驟第一歩，所有源端收發(fā)機向中繼節(jié)點分別發(fā)射訓練序列，中繼節(jié)點根據(jù)收到的信號進行信道估計，得到源端收發(fā)機到中繼節(jié)點的信道；第二步，中繼同時向所有源端收發(fā)機發(fā)射訓練序列，源端收發(fā)機根據(jù)接收到的信號進行信道估計，得到中繼和源端收發(fā)機間的信道；第三步，所有源端收發(fā)機將估計得到的信道信息進行量化，并將量化后的信道信息反饋給中繼；第四步，中繼根據(jù)所有源端收發(fā)機到中繼的信道信息和中繼到所有源端收發(fā)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(fā)機對預發(fā)射信號進行預處理，得到發(fā)射信號并將該信號發(fā)射給中繼節(jié)點；第六步，中繼節(jié)點對接收到的信號進行線性處理，得到中繼的發(fā)射信號，并將其廣播給所有源端收發(fā)機；第七步，所有源端收發(fā)機對接收到的信號進行檢測處理，得到估計的發(fā)射信號。優(yōu)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(fā)機向中繼節(jié)點發(fā)射訓練序列，其中源端收發(fā)機k發(fā)送的發(fā)射訓練序列為Sk，中繼節(jié)點接收到的從源端收發(fā)機k發(fā)射的訓練序列序號為Xk，源端收發(fā)機k到中繼節(jié)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(fā)機k發(fā)射的訓練序列的長度，Xk是中繼節(jié)點接收到的發(fā)送自源端收發(fā)機k的訓練序列信號，Nr是中繼節(jié)點的天線數(shù)，上標(·)H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置。
優(yōu)選地，所述第二步中的信道估計處理方法為中繼節(jié)點向所有2K個源端收發(fā)機發(fā)射訓練序列叉，源端收發(fā)機k接收到的從中繼節(jié)點發(fā)射的訓練序列序號為1,，中繼節(jié)點到源端收發(fā)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(jié)點發(fā)射的訓練序列的長度，為大小為NrXNr的単位矩陣，Nr是中繼節(jié)點的天線數(shù)，上標(·)H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置。優(yōu)選地，所述第三步中的信道量化方法為源端收發(fā)機k首先將估計出的中繼節(jié)
點到源端收發(fā)機的信道信息gk歸ー化，得到歸ー化后的信道信息あ=gk/\\gk\\ ;然后根據(jù)最
小距離準=MgmaxfellsIA"+得到量化后的信道信息；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(shù)，隊是中繼節(jié)點的天線數(shù)，上標(·)H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置，c為碼本ロ k中的某一向量。優(yōu)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;丑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(fā)機k的發(fā)射功率，Pr為中繼的發(fā)射功率，ぴf為發(fā)射信號能量,OV2為中繼端噪聲功車σ力源端收發(fā)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(zhuǎn)置運算，B為信道量化比特數(shù)，4,'為大小為隊X隊的單位矩陣，隊是中繼節(jié)點的天線數(shù)，上標(·)Η表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置，gk為中繼節(jié)點到源端收發(fā)機k的信道信息，H為所有源端收發(fā)機到中繼節(jié)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(yōu)選地，所述第五步中的源端發(fā)射機k的預處理方法是sk = pkxk其中A =^PkIo2x, Xk是源端收發(fā)機k需要發(fā)送的經(jīng)過調(diào)制后的信號，Sk是經(jīng)過預
編碼處理后的信號，Pk為源端收發(fā)機k的發(fā)射功率，A2為發(fā)射信號能量。優(yōu)選地，所述第六步中中繼端的線性處理方法是yr=Frxr其中\(zhòng)為中繼節(jié)點接收到的信號向量，yr為中繼節(jié)點發(fā)送出去的信號向量，F(xiàn)r為中繼端預編碼矩陣。優(yōu)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(diào)制信號，gk為中繼節(jié)點到源端收發(fā)機的信道信息，F(xiàn)r為中繼端預編碼矩陣，hk為源端收發(fā)機k到中繼
節(jié)點的信道，Xk是源端收發(fā)機k需要發(fā)送的經(jīng)過調(diào)制后的信號，Λ=ν^_/σχ2 Pk為源端收
發(fā)機k的發(fā)射功率，σ〗為發(fā)射信號能量。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是采用了雙向中繼的信息傳輸模式，能較大地提高信道容量，并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(tǒng)的比特誤碼率性能。


圖I是本發(fā)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(jié)合附圖對本發(fā)明的方法進ー步描述本實施例以本發(fā)明技術(shù)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(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。在本實施例中，無線通信系統(tǒng)包括4個單天線源端收發(fā)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(fā)機和第2源端收發(fā)機組成ー個源端收發(fā)機對，第3源端收發(fā)機和第4源端收發(fā)機組成ー個源端收發(fā)機對。待互相傳輸?shù)姆枮殡S機生成的BPSK調(diào)制符號，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(fā)機的發(fā)射功率相同，即P1=P2=P3=P4=Ps,中繼端發(fā)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(fā)機向中繼節(jié)點發(fā)射訓練序列S1,中繼節(jié)點根據(jù)接收到的信號X1進行信道估計，得到第I源端收發(fā)機和中繼間的信道hi。同時第2源端收發(fā)機向中繼節(jié)點發(fā)射訓練序列S2,中繼節(jié)點根據(jù)接收到的信號X2進行信道估計，得到第2源端收發(fā)機和中繼間的信道h2。第3源端收發(fā)機向中繼節(jié)點發(fā)射訓練序列S3,中繼節(jié)點根據(jù)接收到的信號X3進行信道估計，得到第3源端收發(fā)機和中繼節(jié)點間的信道h3。同時第4源端收發(fā)機向中繼節(jié)點發(fā)射訓練序列S2,中繼節(jié)點根據(jù)接收到的信號X4進行信道估計，得到第4源端收發(fā)機和中繼節(jié)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(fā)機發(fā)射的訓練序列長度，上標(·)H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)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(fā)機發(fā)射訓練序列歹，第I源端收發(fā)機根據(jù)接收到的信號足進行信道估計，得到中繼節(jié)點和第I源端收發(fā)機間的信道gl，第2源端收發(fā)機根據(jù)接收到的信號足進行信道估計，得到中繼節(jié)點和第2源端收發(fā)機間的信道g2，第3源端收發(fā)機根據(jù)接收到的信號U!行信道估計，得到中繼節(jié)點和第3源端收發(fā)機間的信道g3，第4源端收發(fā)機根據(jù)接收到的信號足進行信道估計，得到中繼節(jié)點和第4源端收發(fā)機間的信道g4o所述的信道估計處理，是
權(quán)利要求
1.一種多用戶雙向中繼系統(tǒng)中的中繼端魯棒性信號處理方法，其特征在于，所述多用戶雙向中繼系統(tǒng)中包含2K個源端收發(fā)機以及I個中繼節(jié)點，所述方法包括以下步驟 第一步，所有源端收發(fā)機向中繼節(jié)點分別發(fā)射訓練序列，中繼節(jié)點根據(jù)收到的信號進行信道估計，得到源端收發(fā)機到中繼節(jié)點的信道； 第二步，中繼節(jié)點同時向所有源端收發(fā)機發(fā)射訓練序列，源端收發(fā)機根據(jù)接收到的信號進行信道估計，得到中繼節(jié)點和源端收發(fā)機間的信道； 第三步，所有源端收發(fā)機將估計得到的信道信息進行量化，并將量化后的信道信息反饋給中繼節(jié)點； 第四步，中繼節(jié)點根據(jù)所有源端收發(fā)機到中繼節(jié)點的信道信息和中繼節(jié)點到所有源端收發(fā)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(fā)機對預發(fā)射信號進行預處理，得到發(fā)射信號并將該信號發(fā)射給中繼節(jié)點； 第六步，中繼節(jié)點對接收到的信號進行線性處理，得到中繼的發(fā)射信號，并將其廣播給所有源端收發(fā)機； 第七步，所有源端收發(fā)機對接收到的信號進行檢測處理，得到估計的發(fā)射信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多用戶雙向中繼系統(tǒng)中的中繼端魯棒性信號處理方法，其特征是，所述第一步中的信道估計處理方法為所有2K個源端收發(fā)機向中繼節(jié)點發(fā)射訓練序列，其中源端收發(fā)機k發(fā)送的發(fā)射訓練序列為Sk，中繼節(jié)點接收到的從源端收發(fā)機k發(fā)射的訓練序列序號為Xk，源端收發(fā)機k到中繼節(jié)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(fā)機k發(fā)射的訓練序列的長度，Xk是中繼節(jié)點接收到的發(fā)送自源端收發(fā)機k的訓練序列信號，Nr是中繼節(jié)點的天線數(shù)，上標( )H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多用戶雙向中繼系統(tǒng)中的中繼端魯棒性信號處理方法，其特征是，所述第二步中的信道估計處理方法為中繼節(jié)點向所有2K個源端收發(fā)機發(fā)射訓練序列5，源端收發(fā)機k接收到的從中繼節(jié)點發(fā)射的訓練序列序號為足，中繼節(jié)點到源端收發(fā)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(jié)點發(fā)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(jié)點的天線數(shù)，上標( )H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多用戶雙向中繼系統(tǒng)中的中繼端魯棒性信號處理方法，其特征是，所述第三步中的信道量化方法為源端收發(fā)機k首先將估計出的中繼節(jié)點到源端收發(fā)機的信道信息gk歸一化，得到歸一化后的信道信息& = A /|k|| ;然后根據(jù)最小距離準則L =argmaxf |g/c|，得到量化后的信道信息；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(shù)，Nr是中繼節(jié)點的天線數(shù)，上標( )H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置，c為碼本口 k中的某一向量。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多用戶雙向中繼系統(tǒng)中的中繼端魯棒性信號處理方法，其特征是，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&與么之間的夾角，Pk為源端收發(fā)機k的發(fā)射功率，己為中繼節(jié)點的發(fā)射功率,Cr為發(fā)射信號能量，of為中繼端噪聲功率，ct 2為源端收發(fā)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(zhuǎn)置運算，B為信道量化比特數(shù), '為大小為隊X隊的單位矩陣，隊是中繼節(jié)點的天線數(shù)，上標(*)H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置，gk為中繼節(jié)點到源端收發(fā)機k的信道信息，H為所有源端收發(fā)機到中繼節(jié)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(jù)權(quán)利要求I所述的多用戶雙向中繼系統(tǒng)中的中繼端魯棒性信號處理方法，其特征是，所述第五步中的源端發(fā)射機k的預處理方法是 Sk = PkXk 其中A Xk是源端收發(fā)機k需要發(fā)送的經(jīng)過調(diào)制后的信號，Sk是經(jīng)過預編碼處理后的信號，Pk為源端收發(fā)機k的發(fā)射功率，Cri2為發(fā)射信號能量。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多用戶雙向中繼系統(tǒng)中的中繼端魯棒性信號處理方法，其特征是，所述第六步中中繼端的線性處理方法是 其中&為中繼節(jié)點接收到的信號向量，Yr為中繼節(jié)點發(fā)送出去的信號向量，F(xiàn)r為中繼端預編碼矩陣。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多用戶雙向中繼系統(tǒng)中的中繼端魯棒性信號處理方法，其特征是，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(diào)制信號，gk為中繼節(jié)點到源端收發(fā)機k的信道信息，F(xiàn)r為中繼端預編碼矩陣，hk為源端收發(fā)機k到中繼節(jié)點的信道，Xk是源端收發(fā)機k需要發(fā)送的經(jīng)過調(diào)制后的信號 為源端收發(fā)機k的發(fā)射功率，A2為發(fā)射信號能量。
全文摘要
本發(fā)明提供一種多用戶雙向中繼系統(tǒng)中的中繼端魯棒性信號處理方法，包括源端向中繼發(fā)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(fā)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，再將量化后的信道反饋給中繼，中繼根據(jù)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(fā)射信號進行預處理后發(fā)射給中繼；中繼對接收到的信號進行預處理后廣播給源端；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?shù)男畔ⅰ１景l(fā)明能較大地提高信道容量，有效地改善了系統(tǒng)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(yōu)先權(quán)日2012年7月27日
發(fā)明者錢成, 黃劍, 秦佳美, 俞暉, 羅漢文 申請人:上海交通大學