專利名稱：基于雙向中繼網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)的通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，特別涉及了一種基于雙向中繼網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)的通信技術(shù)。

背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)中部署中繼單元，將一跳的通信過程轉(zhuǎn)變?yōu)閮商蚨嗵木W(wǎng)絡(luò)通信可以有效提高通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，通信質(zhì)量和抗毀性能。網(wǎng)絡(luò)編碼作為一種新的技術(shù)在寬帶無線通信網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用。通過網(wǎng)絡(luò)編碼，中繼端可以將接收信息進(jìn)行編碼并發(fā)送出去，提高通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和健壯性。
基于雙向中繼的通信系統(tǒng)將單向中繼系統(tǒng)中的四時(shí)隙通信過程簡(jiǎn)化為兩時(shí)隙通信過程。由于單向中繼系統(tǒng)需要在四個(gè)時(shí)隙內(nèi)才能完成基站與用戶之間的通信，而在雙向中繼系統(tǒng)中只需要兩個(gè)時(shí)隙就可以完成基站與用戶之間的通信，因此雙向中繼系統(tǒng)可以獲得更高的系統(tǒng)效率。在第一個(gè)時(shí)隙內(nèi)，需要通信的基站與用戶同時(shí)同頻向中繼端發(fā)送信號(hào)，中繼端接收由兩個(gè)通信單元發(fā)來的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼處理，并在第二個(gè)時(shí)隙內(nèi)將處理后的信號(hào)發(fā)送給基站與用戶。由于基站與用戶已知本身發(fā)送的信號(hào)，故可以在接收信號(hào)中消去由于本身發(fā)送信號(hào)產(chǎn)生的干擾從而有效獲取另一通信單元發(fā)送的信息。
為了提高系統(tǒng)的傳輸能力，應(yīng)用于雙向中繼的網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)成為下一代移動(dòng)通信中的關(guān)鍵技術(shù)。目前，基于雙向中繼網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的研究主要包括最優(yōu)波束形成技術(shù)，分布式波束形成技術(shù)，聯(lián)合最優(yōu)發(fā)送接收技術(shù)等。在上述的各種雙向中繼網(wǎng)絡(luò)編碼的實(shí)現(xiàn)方案中，又因其優(yōu)化目標(biāo)的不同而各有差異。另外，由于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(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。
由于中繼之間信息的交互將占用額外的資源，因此中繼之間的聯(lián)合處理只能采用分布式的信號(hào)處理得以實(shí)現(xiàn)。工作在直接放大模式下中繼端的最優(yōu)波束形成技術(shù)通常很難給出閉合最優(yōu)表達(dá)式，因此只能通過迭代計(jì)算的方式實(shí)現(xiàn)。迭代次數(shù)的增加必然要求系統(tǒng)具有更高的計(jì)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(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)獲得最小的系統(tǒng)平均誤符號(hào)率，在目前公開的文獻(xiàn)中，沒有較好的辦法。


發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明各實(shí)施方式要解決的主要技術(shù)問題是提供一種基于雙向中繼網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)的通信方法，使得系統(tǒng)可以在基站與用戶間獲得最小的平均誤符號(hào)率。
技術(shù)方案本發(fā)明的實(shí)施方式公開了一種基于雙向中繼網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)的通信方法基站與用戶的通信經(jīng)過中繼端的放大轉(zhuǎn)發(fā)完成，并通過設(shè)計(jì)最優(yōu)的中繼處理矩陣獲得最小的平均誤符號(hào)率。
基站與用戶間的雙向通信通過中繼端的放大轉(zhuǎn)發(fā)完成；首先，基站和用戶端將要發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過信源編碼、信源壓縮和信道編碼后由基站或用戶端的發(fā)射機(jī)占用同樣的頻率同時(shí)發(fā)送給多個(gè)中繼端；接著，每個(gè)中繼端接收由基站和用戶端發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并根據(jù)信道瞬時(shí)狀態(tài)信息基于近似最小平均誤符號(hào)率準(zhǔn)則設(shè)計(jì)最優(yōu)信號(hào)處理矩陣；然后，每個(gè)中繼端都將各自的接收信號(hào)與各自的最優(yōu)信號(hào)處理矩陣相乘形成中繼端的發(fā)送信號(hào)，每個(gè)中繼端仍占用相同的頻率資源由各自的發(fā)射機(jī)將發(fā)送信號(hào)同時(shí)發(fā)送給基站和用戶；最后，基站和用戶接收所有中繼發(fā)送的信號(hào)并完成信號(hào)的檢測(cè)。
所述最優(yōu)信號(hào)處理矩陣是在中繼端發(fā)送和功率恒定的要求下，使基站與用戶近似平均誤符號(hào)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(yōu)信號(hào)處理矩陣是通過求解矩陣

和矩陣

的廣義最小特征值所對(duì)應(yīng)的特征空間獲得的；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(fā)送功率，矩陣he＝(h1g1，h2g2，…，hKgK)T，(h1，h2，…，hK)T是基站與K個(gè)中繼之間的信道矩陣，(g1，g2，…，gK)T是用戶與K個(gè)中繼之間的信道矩陣。
所述基站與用戶近似平均誤符號(hào)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(fā)明各實(shí)施方式與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要區(qū)別及其效果在于 針對(duì)工作在直接放大模式下的雙向中繼網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)，并以獲取基站與用戶間的最小平均誤符號(hào)率為目標(biāo)。
通過優(yōu)化計(jì)算獲得中繼最優(yōu)處理矩陣的閉合表達(dá)式，避免了迭代求解會(huì)造成系統(tǒng)不收斂以及計(jì)算復(fù)雜度較高的缺點(diǎn)。
中繼最優(yōu)處理矩陣是通過求解矩陣

和矩陣

的廣義最小特征值所對(duì)應(yīng)的特征空間獲得的。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(fā)送功率，矩陣he＝(h1g1，h2g2，…，hKgK)T，(h1，h2，…，hK)T是基站與K個(gè)中繼之間的信道矩陣，(g1，g2，…，gK)T是用戶與K個(gè)中繼之間的信道矩陣。
基站和用戶不需要計(jì)算中繼最優(yōu)處理矩陣，只需要通過估計(jì)本身信號(hào)等效信道增益和發(fā)送信號(hào)等效信道增益，降低了通信單元的制造成本。



圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的基于雙向中繼系統(tǒng)的通信方法流程圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施方式的一個(gè)基于雙向中繼系統(tǒng)的模型示意圖。

具體實(shí)施例方式 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
本發(fā)明的實(shí)施方式中，基于雙向中繼網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)的信號(hào)處理方法如圖1所示。
在步驟110中，首先給出雙向中繼系統(tǒng)的平均誤符號(hào)率的定義1/(SNRUL+1)+1/(SNRDL+1)，并將此雙向中繼系統(tǒng)的平均誤符號(hào)率作為中繼信號(hào)處理的優(yōu)化目標(biāo)。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(tǒng)平均誤符號(hào)率的中繼最優(yōu)信號(hào)處理矩陣的數(shù)學(xué)描述，將給定功率條件下獲得最小系統(tǒng)平均誤符號(hào)率的中繼最優(yōu)信號(hào)處理矩陣的問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)有約束的優(yōu)化問題的求解。
此后進(jìn)入步驟120，針對(duì)步驟110描述的有約束的優(yōu)化問題的求解，采用矩陣特征值分解的方法得到其閉合表達(dá)式。
需要說明的是這里優(yōu)化的目標(biāo)不是步驟110中給出的最小系統(tǒng)平均誤符號(hào)率，而是最小系統(tǒng)平均誤符號(hào)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。
此后進(jìn)入步驟130，將兩個(gè)矩陣最小廣義特征值對(duì)應(yīng)的特征向量作為中繼最優(yōu)處理矩陣的系數(shù)。
需要說明的是這里最優(yōu)處理矩陣是通過求解矩陣

和矩陣

的廣義最小特征值所對(duì)應(yīng)的特征空間獲得的。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(fā)送功率，矩陣he＝(h1g1，h2g2，…，hKgK)T，(h1，h2，…，hK)T是基站與K個(gè)中繼之間的信道矩陣，(g1，g2，…，gK)T是用戶與K個(gè)中繼之間的信道矩陣。
在圖2中，以用戶和基站和K個(gè)中繼端為例，圖示了上述流程的一個(gè)系統(tǒng)模型。
考慮用戶和基站及K個(gè)中繼端均分配單根天線的情況，那么第k個(gè)中繼接收到的信號(hào)可以描述為 其中，P1，P2分別是用戶和基站的發(fā)送功率；hk，gk分別是用戶和基站與第k個(gè)中繼端的信道響應(yīng)；x1，x2分別是用戶和基站的發(fā)送信號(hào)。n1k是第k個(gè)中繼端的接收噪聲。
假設(shè)第k個(gè)中繼端的信號(hào)處理系數(shù)為wk，那么第k個(gè)中繼端將接收到的信號(hào)乘以信號(hào)處理系數(shù)wk后發(fā)送出去，用戶和基站的接收信號(hào)分別為 其中n21，n22是分別是用戶和基站的接收噪聲。
由于用戶和基站已知其本身的發(fā)送信號(hào)并可以通過信道估計(jì)估計(jì)出其本身信號(hào)的等效傳輸增益，因此可以將其本身信號(hào)從接收信號(hào)中消去。那么從接收信號(hào)中分別消去用戶和基站本身信號(hào)后的信號(hào)可以描述為 對(duì)于雙向中繼系統(tǒng)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(tǒng)平均誤符號(hào)率的中繼最優(yōu)信號(hào)處理矩陣的數(shù)學(xué)描述可以近似表示為 其中，P3是所有中繼端的發(fā)送和功率。
公式(6)所描述的是一個(gè)非凸的優(yōu)化問題，因此傳統(tǒng)凸優(yōu)化的分析方法將不再適用。公式(6)中的數(shù)學(xué)問題可以采用迭代計(jì)算的方法來解決，但是，迭代計(jì)算除了增加信號(hào)處理的復(fù)雜度之外還會(huì)面臨是否能收斂到最優(yōu)解的問題。針對(duì)上述問題，在本專利所描述的信號(hào)處理方法中，采用矩陣分析理論重新描述公式(6)中的數(shù)學(xué)問題，并用兩個(gè)矩陣最小廣義特征值對(duì)應(yīng)的特征向量作為中繼最優(yōu)處理矩陣的系數(shù)。
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(fā)送功率，矩陣he＝(h1g1，h2g2，…，hKgK)T。
公式(7)描述的數(shù)學(xué)問題可以用特征值和特征空間的分析方法解決，即求解矩陣

和矩陣

的廣義最小特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量，并將此特征向量作為中繼處理矩陣的系數(shù)。通過求解可以得到最優(yōu)中繼處理矩陣w＝(w1，w2，…，wK)T系數(shù)的閉合表達(dá)式 其中，ξ是由功率約束條件wHD3w＝P3決定的功率因子。
并且，通過對(duì)最優(yōu)中繼處理矩陣w＝(w1，w2，…，wK)T系數(shù)的求解，可以得到系統(tǒng)最終獲得的平均誤符號(hào)率MSE的閉合表達(dá)式 需要說明的是，本發(fā)明的實(shí)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(shí)現(xiàn)也可以在同一個(gè)裝置中實(shí)現(xiàn)。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(shí)現(xiàn)本發(fā)明的效果，就屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
綜上所述，在本發(fā)明的各實(shí)施方式中，通過中繼協(xié)作通信使得雙向中繼網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)中繼端信號(hào)處理方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得在用戶和基站間獲得最小的平均誤符號(hào)率。
權(quán)利要求
1、一種基于雙向中繼網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)的通信方法，其特征在于基站與用戶間的雙向通信通過中繼端的放大轉(zhuǎn)發(fā)完成；首先，基站和用戶端將要發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過信源編碼、信源壓縮和信道編碼后由基站或用戶端的發(fā)射機(jī)占用同樣的頻率同時(shí)發(fā)送給多個(gè)中繼端；接著，每個(gè)中繼端接收由基站和用戶端發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并根據(jù)信道瞬時(shí)狀態(tài)信息基于近似最小平均誤符號(hào)率準(zhǔn)則設(shè)計(jì)最優(yōu)信號(hào)處理矩陣；然后，每個(gè)中繼端都將各自的接收信號(hào)與各自的最優(yōu)信號(hào)處理矩陣相乘形成中繼端的發(fā)送信號(hào)，每個(gè)中繼端仍占用相同的頻率資源由各自的發(fā)射機(jī)將發(fā)送信號(hào)同時(shí)發(fā)送給基站和用戶最后，基站和用戶接收所有中繼發(fā)送的信號(hào)并完成信號(hào)的檢測(cè)。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙向中繼網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)的通信方法，其特征在于，
所述最優(yōu)信號(hào)處理矩陣是在中繼端發(fā)送和功率恒定的要求下，使基站與用戶近似平均誤符號(hào)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(jù)權(quán)利要求2所述的基于雙向中繼網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)的通信方法，其特征在于所述最優(yōu)信號(hào)處理矩陣是通過求解矩陣
和矩陣
的廣義最小特征值所對(duì)應(yīng)的特征空間獲得的；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(fā)送功率，矩陣he＝(h1g1，h2g2，…，hKgK)T，(h1，h2，…，hK)T是基站與K個(gè)中繼之間的信道矩陣，(g1，g2，…，gK)T是用戶與K個(gè)中繼之間的信道矩陣。
4、根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于雙向中繼網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)的通信方法，其特征在于所述基站與用戶近似平均誤符號(hào)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(fā)明涉及一種基于雙向中繼網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)的通信方法，通過中繼協(xié)作通信使得雙向中繼網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)可以在用戶和基站間獲得最小的平均誤符號(hào)率。本發(fā)明中，用戶和基站的通信分兩個(gè)時(shí)隙完成；在第一個(gè)時(shí)隙內(nèi)，中繼同時(shí)同頻接收由用戶和基站發(fā)送的信息，根據(jù)當(dāng)前信道信息設(shè)計(jì)最優(yōu)處理矩陣；在第二個(gè)時(shí)隙內(nèi)，中繼將接收到的信號(hào)乘以經(jīng)過最優(yōu)設(shè)計(jì)的處理矩陣后同時(shí)同頻發(fā)送給用戶和基站；用戶和基站分別從接收信號(hào)中消去本身發(fā)送信號(hào)的分量得到基站和用戶需要傳輸?shù)男畔ⅰ?br> 文檔編號(hào)H04B1/707GK101505171SQ20091002582
公開日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2009年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月10日
發(fā)明者楊綠溪, 菲 俞, 李春國(guó) 申請(qǐng)人:東南大學(xué)