专利名称：双向中继系统中中继端鲁棒性信号处理方法
技术领域：
本发明涉及的是ー种无线通信领域的方法，具体是ー种多用户双向中继系统中的中继端鲁棒性信号处理方法。
背景技术：
移动通信系统中的中继技术，能够有效地扩大网络的覆盖范围、提高系统容量，已被 3GPP (3rd Generation Partnership Project,第三代移动通信合作伙伴项目)LTE—A(Long Term Evolation-Advanced,长期演进一高级)标准所采纳。目前中继方式主要有DF(Decode-and-Forward,解码转发)、AF (AmpIify-and-Forward,放大转发)等。其中 AF 方式由于实现简单、低复杂度而得到了广泛的应用。传统的中继系统要实现两用户之间的信息互传，需要4个时隙。而双向中继系统实现两用户之间信息互传只需要2个时隙，因此，采用双向中继系统可以提高一倍的系统容量。但是传统的信号处理方法都假设中继能够获得完美的前向信道和后向信道信息，这在实际系统中是不现实的。实际系统中，中继能得到完美的后向信道信息，而前向信道信息则需要通过用户反馈得到，且用户用于反馈信道信息的比特数是有限的，因此，量化误差不可避免。在此情况下，研究如何设计鲁棒性信号处理方法显得十分必要。经对现有文献检索发现，RonghongMo Yong Huat Chew, “MMSE-BasedJoint Source and Relay Precoding Design for AmpIify-and-Forward MIMO RelayNetworks, ” ( “AF MIMO中继系统中基于丽SE准则的联合源端和中继编码设计”)IEEETrans. Wireless Commun. , vol. 8, no. 9, pp. 4668 - 4676, 2009,该文章假设基站和中继都能获得完美的前向信道和后向信道信息，并进行了相关的信号处理方法的设计，但这在实际中很难实现。又经检索发现，BinZhang, Zhiqiang He, Kai Niu, Li Zhang, “Robust LinearBeamforming for MIMO Relay Broadcast Channel With Limited Feedback,，，( “多输入多输出中继广播信道下有限反馈鲁棒性波束成型设计”)IEEE Signal ProcessingLetters, vol. 17，no. 2，2010，该文章中假设基站和中继能够获得完美的后向信道信息，而前向信道信息需要通过用户反馈得到。用户用于反馈信道信息的比特数是有限的，因此，基站和中继只能获得带有量化误差的信道信息。在此假设下，该文章实现了中继端的线性信号处理方法设计。经检索还发现，JunZou, Ming Ding, “Robust Joint Linear Precoding forAF MIMO Relay Broadcast Systems With Limited Feedback, ” ( “放大转发多输入多输出中继广播信道下有限反馈鲁棒性预编码联合设计”)IEICE Trans. Commun.，vol.E94-B, no. 3，2011，该文章中假设基站和中继能够获得完美的后向信道信息和经过量化的前向信道信息。并在此假设下，该文章实现了基站端和中继端的鲁棒性联合信号处理方法设计。但是以次模型实现两用户之间交互信息需要4个时隙，而如果采用双向中继系统，则只需要2个时隙，因而可以提高一倍的呑吐量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供ー种多用户双向中继系统中的中继端鲁棒性信号处理方法。本发明根据MMSE(Minimum Mean Squared Error,最小均方误差)准则，在考虑信道量化误差的前提下，设计中继端信号处理方法。该方法充分考虑了信道量化误差对系统性能的影响，并设计出了能减小信道量化误差对系统性能影响的信号处理方法，能有效改善系统的比特误码率性能。本发明所述的通信系统结构包括2K个单天线收发机(既是发射机也是接收机)和I个多天线双向中继，每个收发机都主要由一个调制器、一个解调器和ー个存储器组成，每个双向中继主要由一个调制器、一个解调器和ー个预编码线性处理器组成，工作方式为半双エ放大转发中继。其中每两个收发机配对通过中继节点交換信息，记k和石为ー对想要相互通信的收发机对，共有K对收发机对。本发明描述了ー种多对用户双向中继无线通信方法，一个完整的通信过程在两个 时隙内完成，在第一个时隙，所有收发机同时向中继发送信号；在第二个时隙，中继将处理后的信号广播至多个收发机。根据本发明的ー个方面，提供ー种多用户双向中继系统中的中继端鲁棒性信号处理方法，所述多用户双向中继系统中包含2K个源端收发机以及I个中继节点，所述方法包括以下步骤第一歩，所有源端收发机向中继节点分别发射训练序列，中继节点根据收到的信号进行信道估计，得到源端收发机到中继节点的信道；第二步，中继同时向所有源端收发机发射训练序列，源端收发机根据接收到的信号进行信道估计，得到中继和源端收发机间的信道；第三步，所有源端收发机将估计得到的信道信息进行量化，并将量化后的信道信息反馈给中继；第四步，中继根据所有源端收发机到中继的信道信息和中继到所有源端收发机的量化信道信息设计中继端预编码矩阵；第五步，所有源端收发机对预发射信号进行预处理，得到发射信号并将该信号发射给中继节点；第六步，中继节点对接收到的信号进行线性处理，得到中继的发射信号，并将其广播给所有源端收发机；第七步，所有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，所述第一歩中的信道估计处理方法为所有2K个源端收发机向中继节点发射训练序列，其中源端收发机k发送的发射训练序列为Sk，中继节点接收到的从源端收发机k发射的训练序列序号为Xk，源端收发机k到中继节点的信道hk由下式得到\= I—^(- + SX)-1
VPtk Pxk其中，P τ1 是训练序列Sk的信噪比，!\,是源端收发机k发射的训练序列的长度，Xk是中继节点接收到的发送自源端收发机k的训练序列信号，Nr是中继节点的天线数，上标(·)H表示矩阵的共轭转置。
优选地，所述第二步中的信道估计处理方法为中继节点向所有2K个源端收发机发射训练序列叉，源端收发机k接收到的从中继节点发射的训练序列序号为1,，中继节点到源端收发机k间的信道gk由下式得到 gk = 'βπ子I'. + SHrlS XfPr其中A是训练序列5的信噪比,歹,fT是中继节点发射的训练序列的长度，为大小为NrXNr的単位矩阵，Nr是中继节点的天线数，上标(·)H表示矩阵的共轭转置。优选地，所述第三步中的信道量化方法为源端收发机k首先将估计出的中继节
点到源端收发机的信道信息gk归ー化，得到归ー化后的信道信息あ=gk/\\gk\\ ;然后根据最
小距离准=MgmaxfellsIA"+得到量化后的信道信息；其中□ k为包含2B个队维単位 向量的随机码本，B为信道量化比特数，队是中继节点的天线数，上标(·)H表示矩阵的共轭转置，c为码本ロ k中的某一向量。优选地，所述第四步中的中继端预编码矩阵为Fr = matO:k +mNJ-lvec{指^·札}}其中 I =σ;丑PRR严f+(7 .， Rrk=Nr(l-5)gkHgk+NrSlNr,K = σ;ΗΡΡΗΗΒ + σ%Γ ’ Rr =严妒，δ = 2——'., ω =E [cos θ k]Ε[| |gk| I]兑力第k个对角线元素为0，其他对角线元素为I的2KX2K维对角矩阵，P为第k个对角线元素为的2KX2K维对角矩阵, -为第f个元素为1，其他元素为O的2K维行向量，Θ k为瓦与毛之间的夹角，Pk为源端收发机k的发射功率，Pr为中继的发射功率，ぴf为发射信号能量,OV2为中继端噪声功车σ力源端收发机噪声功率， 为Kronecker运算，vec( ·)为矩阵化向量运算，mat ( ·)为vec ( ·)的逆运算，(·)τ为转置运算，B为信道量化比特数，4,'为大小为队X队的单位矩阵，队是中继节点的天线数，上标(·)Η表示矩阵的共轭转置，gk为中继节点到源端收发机k的信道信息，H为所有源端收发机到中继节点的信道信息，Eレ]表示求期望运算，λ为拉格朗日乘子，可通过二分法求得，且其收敛条件为使Fr满足Tr (FrRxFr) =Pr，其中Tr ( ·)为取迹运算。优选地，所述第五步中的源端发射机k的预处理方法是sk = pkxk其中A =^PkIo2x, Xk是源端收发机k需要发送的经过调制后的信号，Sk是经过预
编码处理后的信号，Pk为源端收发机k的发射功率，A2为发射信号能量。优选地，所述第六步中中继端的线性处理方法是yr=Frxr其中\为中继节点接收到的信号向量，yr为中继节点发送出去的信号向量，Fr为中继端预编码矩阵。优选地，所述第七步中源端接收机k的检测处理方法是xk=rk-gkFrhkPkxk
其中rk为源端接收机k接收到的信号向量，％为源端接收机k估计的调制信号，gk为中继节点到源端收发机的信道信息，Fr为中继端预编码矩阵，hk为源端收发机k到中继
节点的信道，Xk是源端收发机k需要发送的经过调制后的信号，Λ=ν^_/σχ2 Pk为源端收
发机k的发射功率，σ〗为发射信号能量。与现有技术相比，本发明的有益效果是采用了双向中继的信息传输模式，能较大地提高信道容量，并且在设计中继端预编码矩阵的时候考虑了信道量化误差带来的影响，有效地改善了系统的比特误码率性能。
图I是本发明实施例误码率性能比较示意图一。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的方法进ー步描述本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方案和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。在本实施例中，无线通信系统包括4个单天线源端收发机以及ー个4天线中继，SPK=2,队=4。在本实施例中，第I源端收发机和第2源端收发机组成ー个源端收发机对，第3源端收发机和第4源端收发机组成ー个源端收发机对。待互相传输的符号为随机生成的BPSK调制符号，其功率为σ=1。所有信道均为瑞丽(Rayleigh)平坦衰落，中继和所有接收端的接收噪声均为零均值单位方差的复高斯白噪声，σ〗=σ； =1。所有源端收发机的发射功率相同，即P1=P2=P3=P4=Ps,中继端发射功率为P,。定义第一个时隙的信噪比为.Wii1 = Ps σ ，第二个时隙的信噪比为ΧΛ7こ=/>丨NlXJ1n。本实施例包括以下步骤第一歩，第I源端收发机向中继节点发射训练序列S1,中继节点根据接收到的信号X1进行信道估计，得到第I源端收发机和中继间的信道hi。同时第2源端收发机向中继节点发射训练序列S2,中继节点根据接收到的信号X2进行信道估计，得到第2源端收发机和中继间的信道h2。第3源端收发机向中继节点发射训练序列S3,中继节点根据接收到的信号X3进行信道估计，得到第3源端收发机和中继节点间的信道h3。同时第4源端收发机向中继节点发射训练序列S2,中继节点根据接收到的信号X4进行信道估计，得到第4源端收发机和中继节点间的信道h4。所述的信道估计处理，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分别是是训练序列S1, S2, S3, S4的信噪比,S1 eClx'S2 GClxr-,S3GClx^,S4 E Clxr-，Ττ1，Ττ2，Ττ3，Ττ4分别是第 1、2、3、4源端收发机发射的训练序列长度，上标(·)H表示矩阵的共轭转置。本实施例中训练序列长度T τ ^Tt2=Tt3=Tt4=I训练序列的信噪比为P τ1=ρ τ2=ρ τ 3= P τ4= {49, 199, 999}。第二歩，中继同时向第1、2、3、4源端收发机发射训练序列歹，第I源端收发机根据接收到的信号足进行信道估计，得到中继节点和第I源端收发机间的信道gl，第2源端收发机根据接收到的信号足进行信道估计，得到中继节点和第2源端收发机间的信道g2，第3源端收发机根据接收到的信号U!行信道估计，得到中继节点和第3源端收发机间的信道g3，第4源端收发机根据接收到的信号足进行信道估计，得到中继节点和第4源端收发机间的信道g4o所述的信道估计处理，是
权利要求
1.一种多用户双向中继系统中的中继端鲁棒性信号处理方法，其特征在于，所述多用户双向中继系统中包含2K个源端收发机以及I个中继节点，所述方法包括以下步骤 第一步，所有源端收发机向中继节点分别发射训练序列，中继节点根据收到的信号进行信道估计，得到源端收发机到中继节点的信道； 第二步，中继节点同时向所有源端收发机发射训练序列，源端收发机根据接收到的信号进行信道估计，得到中继节点和源端收发机间的信道； 第三步，所有源端收发机将估计得到的信道信息进行量化，并将量化后的信道信息反馈给中继节点； 第四步，中继节点根据所有源端收发机到中继节点的信道信息和中继节点到所有源端收发机的量化信道确定中继端预编码矩阵； 第五步，所有源端收发机对预发射信号进行预处理，得到发射信号并将该信号发射给中继节点； 第六步，中继节点对接收到的信号进行线性处理，得到中继的发射信号，并将其广播给所有源端收发机； 第七步，所有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.根据权利要求I所述的多用户双向中继系统中的中继端鲁棒性信号处理方法，其特征是，所述第一步中的信道估计处理方法为所有2K个源端收发机向中继节点发射训练序列，其中源端收发机k发送的发射训练序列为Sk，中继节点接收到的从源端收发机k发射的训练序列序号为Xk，源端收发机k到中继节点的信道hk由下式得到 , 其中，P Tk是训练序列Sk的信噪比，Si GCtur^，TTk是源端收发机k发射的训练序列的长度，Xk是中继节点接收到的发送自源端收发机k的训练序列信号，Nr是中继节点的天线数，上标( )H表示矩阵的共轭转置。
3.根据权利要求I所述的多用户双向中继系统中的中继端鲁棒性信号处理方法，其特征是，所述第二步中的信道估计处理方法为中继节点向所有2K个源端收发机发射训练序列5，源端收发机k接收到的从中继节点发射的训练序列序号为足，中继节点到源端收发机k间的信道gk由下式得到 其中 是训练序列歹的信噪比，歹6 CxA尤是中继节点发射的训练序列的长度h力大小为队父队的单位矩阵，Nr是中继节点的天线数，上标( )H表示矩阵的共轭转置。
4.根据权利要求I所述的多用户双向中继系统中的中继端鲁棒性信号处理方法，其特征是，所述第三步中的信道量化方法为源端收发机k首先将估计出的中继节点到源端收发机的信道信息gk归一化，得到归一化后的信道信息& = A /|k|| ;然后根据最小距离准则L =argmaxf |g/c|，得到量化后的信道信息；其中口 k为包含2B个N,维单位向量的随机码本，B为信道量化比特数，Nr是中继节点的天线数，上标( )H表示矩阵的共轭转置，c为码本口 k中的某一向量。
5.根据权利要求I所述的多用户双向中继系统中的中继端鲁棒性信号处理方法，其特征是，所述第四步中的中继端预编码矩阵为 其中E[| |gk| 1], 为第k个对角线元素为0，其他对角线元素为I的2KX2K维对角矩阵，P为第k个对角线元素为彳#/<的2KX2K维对角矩阵，—为第f个元素为1，其他元素为0的2K维行向量，0 k为&与么之间的夹角，Pk为源端收发机k的发射功率，己为中继节点的发射功率,Cr为发射信号能量，of为中继端噪声功率，ct 2为源端收发机噪声功率，⑧为Kronecker运算，vec( )为矩阵化向量运算，mat ( )为vec ( )的逆运算，( )T为转置运算，B为信道量化比特数, '为大小为队X队的单位矩阵，队是中继节点的天线数，上标(*)H表示矩阵的共轭转置，gk为中继节点到源端收发机k的信道信息，H为所有源端收发机到中继节点的信道信息，E[_]表示求期望运算，A为拉格朗日乘子，可通过二分法求得，且其收敛条件为使Fr满足Tr (FrRxFr) =Pr，其中Tr ( )为取迹运算。
6.根据权利要求I所述的多用户双向中继系统中的中继端鲁棒性信号处理方法，其特征是，所述第五步中的源端发射机k的预处理方法是 Sk = PkXk 其中A Xk是源端收发机k需要发送的经过调制后的信号，Sk是经过预编码处理后的信号，Pk为源端收发机k的发射功率，Cri2为发射信号能量。
7.根据权利要求I所述的多用户双向中继系统中的中继端鲁棒性信号处理方法，其特征是，所述第六步中中继端的线性处理方法是 其中&为中继节点接收到的信号向量，Yr为中继节点发送出去的信号向量，Fr为中继端预编码矩阵。
8.根据权利要求I所述的多用户双向中继系统中的中继端鲁棒性信号处理方法，其特征是，所述第七步中源端接收机k的检测处理方法是 其中rk为源端接收机k接收到的信号向量，^为源端接收机k估计的调制信号，gk为中继节点到源端收发机k的信道信息，Fr为中继端预编码矩阵，hk为源端收发机k到中继节点的信道，Xk是源端收发机k需要发送的经过调制后的信号 为源端收发机k的发射功率，A2为发射信号能量。
全文摘要
本发明提供一种多用户双向中继系统中的中继端鲁棒性信号处理方法，包括源端向中继发射训练序列，中继进行信道估计处理，得到源端与中继间的估计信道；中继向源端发射训练序列，源端进行信道估计处理，得到中继与用户间的估计信道；源端首先将估计出的中继到用户的信道进行量化，再将量化后的信道反馈给中继，中继根据用户到中继的信道信息和中继到用户的量化信道信息进行中继鲁棒性预编码设计；源端对发射信号进行预处理后发射给中继；中继对接收到的信号进行预处理后广播给源端；源端对接收到的信号进行检测处理，得到相互之间需要传输的信息。本发明能较大地提高信道容量，有效地改善了系统的比特误码率性能。
文档编号H04L25/03GK102811188SQ20121026504
公开日2012年12月5日 申请日期2012年7月27日 优先权日2012年7月27日
发明者钱成, 黄剑, 秦佳美, 俞晖, 罗汉文 申请人:上海交通大学