专利名称：双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法
技术领域：
本发明涉及的是一种无线通信领域的方法，具体是一种双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法。
背景技术：
中继系统应用于无线通信系统可以提高系统的性能，已经在第四代无线通信标准中得到了广泛的应用。如3GPP(3rd Generation Partnership Project,第三代移动通信合作伙伴项目)LTE-A (Long Term Evolation-Advanced,增强型长期演进)系统中引入无线中继技术来减小无线链路的空间损耗，增大信噪比，从而提高边缘用户信道容量。这样拉近了天线和终端用户的距离，可以改善终端的链路质量，从而提高系统的频谱效率和用户数据率。由于设备的复杂度较低，基于模拟网络编码的中继系统具有较多的应用和研究，取得了较好的系统性能提升。通过在中继节点上安装多天线，可以进一步利用MIMO (Multiple-Input Multiple-Output,多输入多输出)相关技术(如分集、复用技术)增强系统的传输性能。中继系统取得的增益取决于中继节点上采取的信号处理策略，根据中继节点信号处理方式的不同可以将中继节点分为解码转发中继(decode-and-forward relay)和放大转发中继(amplified-and-forword relay)等。对于解码转发中继，中继节点对接收到的比特序列进行解码，然后重新译码进行转发，有一个信号重建的过程。而对于放大转发中继节点，中继节点不对信号进行译码的操作，只是将接收到的信号进行一定的线性处理得到需要发送的信号。放大转发中继节点在放大处理的时候会将有用信号和干扰噪声信号同时进行线性处理，没有对干扰噪声进行抑制，在放大信号的同时也放大了噪声，得到的系统性能较差。而解码转发中继节点对信号译码之后能够抑制中继节点的噪声以及其他信号的干扰，得到较好的系统性能，但由于译码的系统实现复杂度比较高、延时较大。由于实现相对简单，放大转发中继节点在实际系统中得到了广泛的应用。本发明中采用放大转发型中继节点用于无线信号的传输。根据传统的中继协议，一次信息交互过程需要耗费4个时隙完成源A —中继、源B—中继、中继一源A、中继一源B。通过采用双向中继系统可以将信息交互过程缩短到2个时隙内完成接收时隙和发送时隙。这样会大大增加系统的频谱利用效率，提高系统的容量。当两个远距离用户需要交换信息时，信号需要以多跳的形式通过多个中继进行传输以达到理想的系统性能，此时需要进一步对每一个中继节点设计信号处理方法。经对现有文献检索发现，RuiWang Meixia Tao, “Joint Source and RelayPrecoding Designs for MIMO Two-Way Relay Systems,，，IEEE ICC, 2011 ( “MIM0 双向中继系统中的联合源端和中继预编码设计”，IEEE国际通信会议，2011)，该文章研究了仅通过一个中继节点进行双向信号的传输过程，联合设计源端和中继的信号处理，以最小化检测信号的均方误差。经检索还发现，YueRong,“Optimality of Diagonalization of Multi-Hop ΜΙΜΟRelays”, IEEE Trans on wireless communications, Dec. 2009 ( “多跳 MIMO 中继系统中对角化优化设计”，IEEE无线通讯会刊，2009十二月)，该文章研究了信号在长距离传输情况下，通过多个中继节点实现多跳通信，针对该系统采用对角化的方法设计各中继端的信号处理方法。综上所述，现有技术对解决用户通过若干中继节点，以多跳的方式进行无线信息交互场景下的信号处理方法并没有进行研究，而上述的两篇文章只是此场景的一部分。当两个远距离用户需要进行信息交互时，该场景就显得非常必要。如何在该场景下设计一种性能较好的各中继端信号处理的方法具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法。本发明根据MMSE (Minimum Mean Squared Error,最小均方误差)准贝U，联合设计了各个中继端和用户接收端线性信号处理方法，有效改善了系统的比特误码 率性能。本发明所述的通信系统结构包括2个多天线源端收发机(既是发射机也是接收机)，2个多天线普通中继节点和I个多天线双向中继节点，每个源端收发机都主要由一个调制器、一个解调器、一个存储器和一个自干扰消除器组成，普通中继节点和双向中继节点均主要由一个调制器、一个解调器和一个预编码线性处理器组成，工作方式为半双工放大转发中继。所有中继节点在后台有一个中央处理器用于信号处理。本发明描述了一种双向多跳无线通信方法，一个完整的通信过程在四个时隙内完成，在第一个时隙，两个源端收发机同时向普通中继节点发送信号；在第二个时隙，两个普通中继节点将处理后的信号同时发送至双向中继节点；在第三个时隙，双向中继节点将处理后的信号广播至两个普通中继节点；在第四个时隙，两个普通中继节点将处理后的信号同时发送至两个源端收发机。本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤第一步，第一源端收发机K1和第二源端收发机K2向对应的普通中继节点分别发射训练序列，所述对应的普通中继节点根据收到的信号进行信道估计，得到第一源端收发机以及第二源端收发机到所述对应的普通中继节点的信道，其中，与第一源端收发机对应的普通中继节点为第一普通中继节点R1，与第二源端收发机对应的普通中继节点为第二普通中继节点R2 ；第二步，第一普通中继节点和第二普通中继节点同时向双向中继节点发射训练序列，双向中继节点根据接收到的信号进行信道估计，得到第一普通中继节点和双向中继节点间的信道、以及第二普通中继节点和双向中继节点间的信道；第三步，双向中继节点同时向第一普通中继节点和第二普通中继节点发射训练序列，第一普通中继节点和第二普通中继节点根据接收到的信号进行信道估计，得到回跳时双向中继节点和第一普通中继节点间的信道、以及双向中继节点和第二普通中继节点间的信道；
第四步，第一普通中继节点和第二普通中继节点同时向对应的源端收发机发射训练序列，所述对应的源端收发机根据接收到的信号进行信道估计，得到回跳时第一普通中继节点和第二普通中继节点和所述对应的源端收发机之间的信道，其中，与第一普通中继节点对应的源端收发机为第一源端收发机，与第二普通中继节点对应的源端收发机为第二源端收发机；第五步，第一源端收发机和第二源端收发机将估计得到的信道信息反馈给对应的普通中继节点；所有中继节点将所有的信道信息传输给中央处理器；中央处理器可以是一个与所有中继相连的单独设备，也可以是集成在某一个中继节点内的。中央处理器根据所有的信道信息迭代计算普通中继预编码矩阵Fk，k=l, 2，3，4，双向中继预编码矩阵Fr以及第一源端收发机和第二源端收发机的接受均衡矩阵Wi, i=l, 2 ；第六步，中央处理器将计算得到的普通中继预编码矩阵、双向中继预编码矩阵以 及接受均衡矩阵传输给所有中继节点，然后中继节点反馈接受均衡矩阵到相应的源端收发 机，同时将源端收发机所对应的信道信息反馈给相应的源端收发机；第七步，第一源端收发机和第二源端收发机直接将调制后的信号发射至所述对应的普通中继节点；第八步，第一普通中继节点和第二普通中继节点对接收到的信号进行线性处理，得到普通中继节点的发射信号，并将其发送至双向中继节点；第九步，双向中继节点对接收到的信号进行线性处理，得到双向中继节点的发射信号，并将其广播至第一普通中继节点和第二普工中继节点；第十步，第一普通中继节点和第二普通中继节点对接收到的信号进行线性处理，得到回跳时普通中继节点的发射信号，并将其发送至所述对应的源端收发机；第十一步，第一源端收发机和第二源端收发机对接收到的信号进行检测处理，得到估计的发射信号。优选地，所述第一步中的信道估计处理方法为第一源端收发机和第二源端收发机向对应的普通中继节点发射训练序列，其中第一源端收发机和第二源端收发机分别发送的发射训练序列SSpS2，第一普通中继节点和第二普通中继节点分别接收到的从对应的源端收发机发射的训练序列序号为，第一源端收发机到第一普通中继节点的信道H1、以及第二源端收发机到第二普通中继节点的信道G1分别由下两式得到
权利要求
1.一种双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤 第一步，第一源端收发机K1和第二源端收发机K2向对应的普通中继节点分别发射训练序列，所述对应的普通中继节点根据收到的信号进行信道估计，得到第一源端收发机以及第二源端收发机到所述对应的普通中继节点的信道，其中，与第一源端收发机对应的普通中继节点为第一普通中继节点R1,与第二源端收发机对应的普通中继节点为第二普通中继节点R2 ； 第二步，第一普通中继节点和第二普通中继节点同时向双向中继节点发射训练序列，双向中继节点根据接收到的信号进行信道估计，得到第一普通中继节点和双向中继节点间的信道、以及第二普通中继节点和双向中继节点间的信道； 第三步，双向中继节点同时向第一普通中继节点和第二普通中继节点发射训练序列，第一普通中继节点和第二普通中继节点根据接收到的信号进行信道估计，得到回跳时双向中继节点和第一普通中继节点间的信道、以及双向中继节点和第二普通中继节点间的信道； 第四步，第一普通中继节点和第二普通中继节点同时向对应的源端收发机发射训练序列，所述对应的源端收发机根据接收到的信号进行信道估计，得到回跳时第一普通中继节点和第二普通中继节点和所述对应的源端收发机之间的信道，其中，与第一普通中继节点对应的源端收发机为第一源端收发机，与第二普通中继节点对应的源端收发机为第二源端收发机； 第五步，第一源端收发机和第二源端收发机将估计得到的信道信息反馈给对应的普通中继节点；所有中继节点将所有的信道信息传输给中央处理器；中央处理器根据所有的信道信息迭代计算普通中继预编码矩阵Fk，k=l, 2，3，4，双向中继预编码矩阵Fr以及第一源端收发机和第二源端收发机的接受均衡矩阵Wi, i = 1,2； 第六步，中央处理器将计算得到的普通中继预编码矩阵、双向中继预编码矩阵以及接受均衡矩阵传输给所有中继节点，然后中继节点反馈接受均衡矩阵到相应的源端收发机，同时将源端收发机所对应的信道信息反馈给相应的源端收发机； 第七步，第一源端收发机和第二源端收发机直接将调制后的信号发射至所述对应的普通中继节点； 第八步，第一普通中继节点和第二普通中继节点对接收到的信号进行线性处理，得到普通中继节点的发射信号，并将其发送至双向中继节点； 第九步，双向中继节点对接收到的信号进行线性处理，得到双向中继节点的发射信号，并将其广播至第一普通中继节点和第二普工中继节点； 第十步，第一普通中继节点和第二普通中继节点对接收到的信号进行线性处理，得到回跳时普通中继节点的发射信号，并将其发送至所述对应的源端收发机； 第十一步，第一源端收发机和第二源端收发机对接收到的信号进行检测处理，得到估计的发射信号。
2.根据权利书要求I所述的双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法，其特征是，所述第一步中的信道估计处理方法为第一源端收发机和第二源端收发机向对应的普通中继节点发射训练序列，其中第一源端收发机和第二源端收发机分别发送的发射训练序列为Sp S2，第一普通中继节点和第二普通中继节点分别接收到的从对应的源端收发机发射的训练序列序号为1 、XRl，第一源端收发机到第一普通中继节点的信道H1、以及第二源端收发机到第二普通中继节点的信道G1分别由下两式得到H1 = j—XR Sf (—Im + SlSf) 1 I PslPslG1 = I—^ Sf (—Im + S2Sf ) 1 \ Ps2 - Ps2 其中M是源端收发机的天线数，pSi是训练序列Si的信噪比，s,，XR，C々'，rSi是源端收发机Ki发射的训练序列的长度，Ni是普通中继节点Ri的天线数，Im为大小为MXM的单位矩阵，上标( )H表示矩阵的共轭转置，其中i=l，2。
3.根据权利书要求I所述的双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法，其特征是，所述第二步中的信道估计处理方法为第一普通中继节点和第二普通中继节点分别向双向中继节点R。发射训练序列，其中普通中继节点Ri发送的发射训练序列为*^，双向中继节点接收到的从普通中继节点Ri发射的训练序列序号为第一普通中继节点到双向中继间的信道H2、第二普通中继节点到双向中继间的信道G2分别由下两式得到 H2 =~lIa- + S RiS')1 \ Pr1Pm1 G- I Y Qh( T I V Cf^ViIp -I O n \A xrp kj jy J 仏2 卜 3 PR: 2 2 2 其中/ 是训练序列\的信噪比GCa-x^，&是普通中继节点Ri发射的训练序列的长度，Ni是普通中继节点Ri的天线数，队是双向中继节点R。的天线数，上标( )H表示矩阵的共轭转置，其中i = 1，2。
4.根据权利书要求I所述的双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法，其特征是，所述第三步中的信道估计处理方法为双向中继节点分别向第一普通中继节点和第二普通中继节点发射训练序列，其中双向中继节点R。向普通中继节点Ri发送的发射训练序列为 ，普通中继节点Ri接收到的从双向中继节点R。发射的训练序列序号为Xr双向中继节点到第一普通中继节点间的信道H3、双向中继节点到第二普通中继节点间的信道G3分别由下两式得到 H3 VrRc I Prc IG3mgV —2 其中/v.是训练序列的信噪比，erV/A，！一C'、[是双向中继节点R。发射的训练序列的长度，Ni是普通中继节点Ri的天线数，Nr是双向中继节点R。的天线数，上标( )H表示矩阵的共轭转置，其中i = 1，2。
5.根据权利书要求I所述的双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法，其特征是，所述第四步中的信道估计处理方法为第一普通中继节点和第二普通中继节点向对应的源端收发机分别发射训练序列，其中普通中继节点Ri向源端收发机Ki发送的发射训练序列为，源端收发机Ki接收到的从普通中继节点Ri发射的训练序列序号为，第一普通中继节点到第一源端收发机间的信道H4、第二普通中继节点到第二源端收发机间的信道G4分别由下两式得到
6.根据权利书要求I所述的双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法，其特征是，所述第五步中中央处理器通过迭代方法求出所有普通中继预编码矩阵Fk，k=l, 2，3，4，双向中继预编码矩阵^以及第一源端收发机和第二源端收发机的接受均衡矩阵Wi, i = I, 2，所述迭代方法的实现方法是 迭代一假设所有普通中继预编码矩阵Fk，k=l, 2, 3，4以及双向中继预编码矩阵^已知，计算第一源端收发机和第二源端收发机的接受均衡矩阵Wi, i = 1，2。其计算方法如下
7.根据权利书要求I所述的双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法，其特征是， 所述第六步中中央处理器将计算得到的矩阵FbF^Wi (k=l，2，3，4，i = 1，2)传输给各个中继节点，普通中继节点Ri将均衡矩阵Wi反馈给源端收发机Ki,同时将信道信息H1反馈给第一源端收发机K1，将信道信息G1反馈给第二源端收发机K2。
8.根据权利书要求I所述的双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法，其特征是，所述第七步中的源端收发机将经过m-QAM调制后的信号A=、 s,]直接发送给普通中继节点，其中L为源端i发射信号的流数。
9.根据权利书要求I所述的双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法，其特征是，所述第八步中普通中继节点的线性处理方法是 Yi=FiXi 其中Xi为普通中继节点Ri接收到的信号向量，Ii为普通中继节点Ri发送出去的信号向量。
10.根据权利书要求I所述的双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法，其特征是，所述第九步中双向中继节点的线性处理方法是 yr=Frxr 其中&为双向中继节点R。接收到的信号向量，^为中继节点R。发送出去的信号向量。
11.根据权利书要求I所述的双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法，其特征是，所述第十步中，在信号回跳时普通中继节点的线性处理方法是 Yj = FjXj 其中\为信号回跳时普通中继节点Rp接收到的信号向量，&为信号回跳时普通中继节点Rj_2发送出去的信号向量，j=3, 4。
12.根据权利书要求I所述的双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法，其特征是，所述第i^一步中源端接收机Ki的检测处理方法是 見=W1兄， 其中&为源端接收机Ki检测到的信号，ysi表示源端接收机Ki经过自干扰消除后接收到的信号。
全文摘要
本发明提供双向多跳中继系统中的中继端信号处理方法，包括通过发射训练序列，得到源端、普通中继节点与双向中继节点相互间的估计信道；源端将估计出信道信息反馈给普通中继节点，所有中继节点将信道信息传输给中央处理器，中央处理器迭代计算普通中继预编码，双向中继预编码和源端接收均衡矩阵；中央处理器将计算出的预编码以及均衡矩阵传输给所有中继节点；源端对发射信号进行调制处理后发射至普通中继；普通中继节点发射信号至双向中继节点；双向中继节点广播信号至普通中继节点；普通中继节点发射信号至源端；源端对接收到的信号进行检测处理。本发明采用双向多跳中继的信息传输模式，提高了信道容量，改善了系统的比特误码率性能。
文档编号H04B7/08GK102769486SQ20121025598
公开日2012年11月7日 申请日期2012年7月23日 优先权日2012年7月23日
发明者俞晖, 秦佳美, 罗汉文, 钱成, 黄剑 申请人:上海交通大学