专利名称：具有双向信道的多天线中继站的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于经由多天线中继站中继信号的方法、系统、网络装 置和计算机程序产品。
背景技术：
无线联网构成未来信息技术应用的重要部分。近来，已经提出在无 线发射机和接收机处使用多天线作为无线信道上的高速率多媒体传输 的使能技术。
对于从无线多跳网络(例如，蜂窝网络、无线自组网络、无线局域
网(WLAN)无线广播和/或宽带网络等)的发射节点(例如，终端装置、 基站、接入点等)到接收节点(例如，终端装置、基站、接入点等)的 传输，能够利用中继站来为最终用户中继消息。使用中继站的动机可在 于在蜂窝网络中，就确保可靠通信所需的传输功率而言，基站和靠近 小区边界的用户之间的直接传输可能非常昂贵，或者现有的射频(RF) 技术在用户端一般可以适应仅仅一个或两个天线，这表明当前的无线系 统不能充分从有前途的时空技术受益。通过使用中继站(其可适应多个 天线)中继消息，信道被有效地转变为中继信道。另一实例是在自组网 络中利用中继节点用于合作通信，其中靠近有效(active)发射机和接 收机的节点可以将数据分组从发射机中继到接收机。
图1示出例如在R. Pabst、 B. HWalke、 D.C. Schultz、 P. Herhold、 S. Mukherjee、 H. Viswanathan、 M. Lott、 W. Zirwas、 M. Dohler、 H. Aghvami、 D. D. Falconer和G. P. Fettweis的"Relay - Based Deployment Concepts for Wireless and Mobile Broadband Radio ，， , IEEE Communications Magazine,第80 - 89页，2004年9月中所描述的两跳 中继情况的示意性框图。根据图1,两个节点S110、 S220可以经由中 间中继站(RS) 12相互通信，如果假定这两个节点10、 14在单跳H1 上的直接通信是不可能的话(例如由于屏蔽或有限的发射功率)。通常， RS 12在第一跳H2上从第一节点Sl 10接收信号并且在第二跳H3上重 发定址到第二节点S2 14的信号。
4对于该两跳中继的情况存在两个重要的概念方文大-转发(AF)和解码-转发(DF)，如在例如J. N. Laneman、 D. N. C. Tse和G. W. Wornell的"Cooperative Diversity in Wireless Networks: Efficient Protocols andOutage Behavior" , IEEE Transactions on Information Theory,巻50,号12，第3062 -3080页，2004年12月中所描述的那样。在AF中，在RS12处接收的信号仅仅被RS 12放大并且重发，而在DF中，接收的信号:故RS12解码、重新编码并且重发。
假定RS 12仅仅可以在正交信道资源上接收和发射，那么在AF中继中需要的资源例如相比于两个节点之间的直接通信来说:故加倍，即，虽然两跳中继目的在于提高语效率，但是存在着折衷谱效率在概念上以因子1/2降低是固有的。
已经提出几种提议来补偿该两跳中继的概念上的缺点。所有这些协议的共同之处在于不可能改进源和目的地之间的单个两跳连接的镨效率，但能改进不同两跳连接的整体镨效率。在H. Shi、 T. Asai和H.Yoshino的"A Relay Node Division Duplex Relaying Approach for MIMORelay Networks" ， Proc. of IEEE 17th Symposium on Personal, Indoor andMobile Radio Communications,赫尔辛基，芬兰，2006年9月中，考虑了若干具有多个RS的两跳连接。这些RS^皮分成两个组。当第一组RS接收信号时，第二组RS在相同的信道资源上发射信号，反之亦然。这些协议显著地提高了网络的镨效率。
在B. Rankov和A. Wittneben的"Spectral Efficient Signaling for Half-duplex Relay Channels" , Proc. Asilomar Conference on Signals, Systemsand Computers, Pacific Grove, 2005年11月和B. Rankov和A. Wittneben的"Achievable Rate Regions for the Two - way Relay Channel" ， Proc.IEEE Int. Symposium on Information Theory (ISIT),西雅图，美国，2006年7月中引入两个另外的协议。第一个协议净皮称作"双通道中继"，第二个协议被称作"双向中继，，。合作协议"双向中继"的原理是基于在R. Ahlswede、 N. Cai、 S. R. Li和Yeung R. W.的"Network InformationFlow" , IEEE Transactions on Information Theory,巻46,号4,第1204-1216页，2000年7月中提出的网络编码构架，其中来自多节点计算机网络中的不同源的数据分组在中间网络节点处净皮联合地编码，从而节省了网络资源。对于双向中继，两个节点在第一信道资源上同时向RS发射，RS接收两个信号的叠加。在第二信道资源上，RS重发该叠加。由于无线信道的广播特性，两个节点均接收该叠加并且可以通过减去它们自己已知的信号来检测来自另一个节点的期望信号。可以表明通过双向中继协议显著地提高了两跳中继的谞效率。
然而，为了设计充分接收滤波器，该双向继电器网络的两个节点需要有关它们自己到RS的链路的信道状态信息(CSI)以及有关从另一个节点到RS的链路的CSI。交换这些CSI需要高的信号传输消耗。
发明内容
因此本发明的目的是提供增强的双向中继概念，借此能够降低信号传输负栽。
通过如权利要求1所述的的方法、如权利要求7所述的中继装置和如权利要求12所述的通信系统来实现该目的。
另外，通过包括代码手段的计算机程序产品实现上述目的，所述代码手段用于当在计算装置上运行时产生上述方法的步骤。
因此，所提出的多天线双向中继的概念能够被容易地结合到传统的两跳中继网络中而在发射和接收节点(例如，基站和移动终端)处无需任何变化。只有多个天线必须安装在中继站装置处并且不要求任何额外的站点。对于两跳中继来说谱效率以因子1/2的典型的降低得以避免，因为能够同时处理上行和下行链路。发射与接收处理能够局限于中继站装置，并且不再需要发射端和接收端之间的信道状态信息或其他信道相关的信息的信号传输。
分开的双向传输信号可以在经由所述至少两个天线元件的重传之前被重新布置。在可选实例中，该重新布置可以通过使用中继映射矩阵来执行。此外，双向传输信号可以在中继装置处基于信道信息而被分开并处理。该信道信息可以例如根据在中继装置处执行的信道估计而导出。
在中继装置处使用的至少两个天线元件的数目可以选择为至少两倍于在经由中继装置通信的网络单元处所使用的天线元件的数目。在从属权利要求中限定进一步的有利修改或改进。
现在将基于实施例并参考附图来描述本发明，在附图中图1示出无线网络中的两跳中继情况的示意性框图；图2示出根据实施例的双向中继网络的示意性框图；图3示出根据实施例的中继信号处理的示意流程图；和图4示出根据实施例的中继装置的示意性框具体实施例方式
现在将基于多天线RS装置更详细地描述实施例，所述多天线RS装置可以是任何类型的装置、部件、电路、才莫块等等，并且其可被适配为与任何种类的网络节点进行通信，所述网络节点诸如无线接入装置、蜂窝基站装置、蜂窝电话、手持式计算机、多媒体装置、集成芯片等。根据实施例的设备能够应用于任何允许在无线介质上接收传输信号的无线通信网络中。
更具体地说，根据实施例的多天线RS装置可以是基于MIMO的装置，其具有至少两个能够用于接收(Rx)的天线和至少两个能够用于发射(Tx)的天线。在所谓的MIMO (多输入多输出)系统中，天线阵列被用来增强带宽效率。MIMO系统为单个信道提供多个输入和多个输出，并且从而能够利用空间分集和空间多工(spatial multiplexing)。有关MIMO系统的其他信息可以从IEEE规范802.11n、 802.16-2004和802.16e以及涉及其他标准的802.20和802.22收集。具体地说，MIMO系统已经被引入像例如WiMAX (微波存取全球互通)的无线电系统中，并且当前在用于WCDMA (宽带码分多址)的3GPP以及诸如LTE (长期演进)或3.9G的3GPPE-UTRAN (增强通用移动电信系统(UMTS)陆地无线电接入网络)中被标准化。
基于反馈自发射节点的部分或完整的信道状态信息(CSI) ， RS装置可以执行适当的时空处理，诸如多用户调度、功率和调制适配、射束成形和时空编码。CSI可以包括信道方向信息(CDI)和信道质量信息(CQI),能够用于确定射束成形方向和功率分配。
在本实施例中，双向中继方法被扩展为具有多个天线从而导致多输入多输出(MIMO)双向中继协议或概念的节点和RS装置。
在下面，基于图2给出根据实施例的MIMO双向中继概念的描述，所述MIMO双向中继概念用于例如由于屏蔽情况而不能直接交换信息
7但可以经由中间RS装置12交换信息的两个节点S1 10和S2 14之间的通信。节点S1 10和S2 14配有分别包括Mi个天线和M2个天线的天线装置。
对于根椐实施例的所提出的MIMO双向中继协议，能够根据以下等式配置两个节点Sl 10和S2 14的天线装置。Mi=M2=M
并且假设RS装置12包括天线总数为如下的天线装置MRS > Mi+M2=2M
即，RS装置12处的天线的数目最少分别是节点S1 10和S2 14处的天线数目的两倍。
在图2的实例中，黑色圆形图案20均表示单个天线。因此，所述网络是针对这样的示例性情况来描述的在该情况中，M-l并且MRS=2。系数hij(i-l, 2且j-l， 2)描述不同天线元件之间的信道系数。
第一信号x!应该从第一节点Sl 10发射到第二节点S2 14,并且第二信号X2应该从第二节点S2 14发射到第一节点S1 10。在第一跳上，两个节点Sl 10和S2 14同时向RS装置12发射。因为双向中继信道中的RS装置12包括发射机以及接收机，所以，如果信道信息(例如CSI)可用则能够在RS装置12处应用收发滤波器。
图3示出根据实施例的RS装置12处的信号处理的示意流程图。
在第一步骤SIOI中，RS装置12通过接收处理将接收自节点Sl 10和S2 12的信号xl和x2分开。然后，在第二步骤S102中，RS装置12重新布置分开的信号xl和x2以便为第一节点Sl 10提供期望信号x2以及为第二节点S2 14提供期望信号xl。这能够通过简单的RS映射矩阵来完成。最后，在第三步骤S103中，RS装置12还在重发到节点S1 10和S2 14之前应用发射处理。从而，接收处理以及特别是减去自己的信号在节点Sl 10和S2 14处变得不必要了 。
如上面所提到的那样，在B. Rankov和A. Wittneben的"SpectralEfficient Signaling for Half - duplex Relay Channels" ， in Proc. AsilomarConference on Signals, Systems and Computers, Pacific Grove， 2005年11月中提到的传统的双向中继协议的主要缺点在于节点Sl 10和S2 14均需要有关它们自己到RS装置12的链路的CSI信息以及有关从相应的另一节点到RS装置12的链路的CSI信息。交换该CSI信息需要高的信号传输消耗。与该信号传输消耗相比，例如通过评估时分双工(TDD)系统中的RS装置12处的信道来获得RS装置12处的CSH言息相对来说更容易。如果CSI信息在RS装置12处可用，则该CSI信息能够用于在引入到根据实施例的RS装置12的相应收发滤波器中的RS装置12处的
接收和发射处理。
图4示出根据实施例的RS装置12的示意性框图。RS装置包括两个发射与接收天线20,它们连接到相应的第一和第二收发机(TRX)单元121和122。当然，这两个天线也都可以连接到能够处理两个传输和接收流的单个TRX单元。此外，这两个TRX单元连接到收发滤波器130 ，该收发滤波器130被布置为基于由信号处理级140提供的控制信息50来应用预定的发射与接收处理。收发滤波器130 (其也可以被配置为用于两个TRX支路的两个分开的收发滤波器)进一步连接到信号处理级140，信号处理级140负责接收机相关的中继处理，诸如对经由收发滤波器130接收的信号的解调制、解扰、解码等至少之一，并且负责发射机相关的中继处理，诸如对要经由收发滤波器130发射的信号的调制、扰频、编码、射束成形、用户选择等至少之一。该中继处理自然是取决于所实施的中继概念(其可以是AF或DF或任何其它适当的概念)的。信号处理级26可以被配置来执行如参考图3所迷的处理步骤，其中控制信息50可以根据可以在RS装置12处被评估的信道信息(例如CSI)而导出。当应用该信道信息时，在RS装置12处的标量放大系数能够适合于与在RS装置12处对于未知CSI的常数放大系数相比显著地改进性能的当前信道状态。
通过RS装置12处的收发滤波器130，信号处理消耗完全从第一节点Sl和第二节点S2移到RS装置12,并且在第一节点Sl和第二节点S2处不需要另外的CSI，这显著地降低了网络中对CSI的信号传输开销。
在线性系统中，收发滤波器130可以被配置为接收滤波器、RS映射矩阵和发射滤波器的倍增(multiplication),其中两个滤波器都能够独立地被确定。所述滤波器能够根据用于发射与接收处理的任何已知的优化标准来开发，例如，分别根据零强制(ZF)和最小均方(MMSE)标准，如在例如M. Meurer、P. W. Baier和W. Qiu的"Receiver Orientationversus Transmitter Orientation in Linear MIMO Transmission Systems",EURASIP Journal on Applied Signal Processing,巻9，第119i - 1198页，
92004年8月，或在M. Joham的"Optimization of Linear and Nonlinear Transmit Signal Processing"，博士论文，Lehrstuhl fbr Netzwerktheorie und Signalverarbeitung，Technische Universitat Ml)nchen, 2004年4月中所述。 对于低信噪比(SNR)至中等的信噪比(SNR),该MMSE滤波器比 ZF滤波器提供更好的误码率(BER)性能。对于高SNR, ZF滤波器的 BER收敛于MMSE滤波器的BER。
对于ZF标准，收发滤波器130的ZF接收滤波器部分可以设计成使 得对于数据矢量的估计矢量的均方误差最小化。同样地，收发滤波器130 的ZF发射滤波器部分也可以被设计成使得对于发射矢量的估计矢量的 均方误差最小化。另外，应该满足ZF限制(即，在接收机处估计值等 于没有噪声的传输值)和发射功率限制。因为导出的接收和发射滤波器 需要相同的信道系数，因此对于节省在RS装置12处的处理消耗来说也 存在高的可能性。
同样地，对于MMSE标准，收发滤波器130的MMSE接收滤波器 部分可以祐:设计成使得对于数据矢量的估计矢量的均方误差最小化，另 外，应该满足在第一节点S1 10和第二节点S2 14处的发射功率限制。 收发滤波器130的MMSE发射滤波器部分可以被设计成使得对于发射 矢量的估计矢量的均方误差最小化。类似于ZF滤波器，因为发射和接 收滤波器需要相同的信道系数，所以对于节省RS装置12处的处理消耗 来说，存在高的可能性。
如果没有应用发射或接收射束成形，则不需要利用天线阵列增益。 然而，对于ZF和MMSE收发滤波器型，可以在RS装置12处利用天线 阵列增益，这导致BER的显著增加。对于所述两个链路上信道质量不 同的情况，如果在RS装置12处两个不同的数据流被分配不同的功率， 那么BER甚至可能增加。这可以通过相对功率分布系数P (0<卩<1) 来建模，其中P =1对应将所有功率分配给专用于第二节点S2 14的数据 流，P-O对应将所有功率分配给专用于笫一节点Sl 10的数据流。从而， 对于p-0.5，在RS处两个数据流被分配相等的功率，如果这两个链路 具有相同的平均信道质量(即，SNR1=SNR2),那么这将导致最大的 BER。如果所述信道具有不同的SNR，则可以通过在第一跳后向已经具 有更高的可靠性的数据流引入更多的功率而使BER增大。
在图4的实例中，第一节点S1 10将第一信号xl朝向RS装置12发射。同时，笫二节点S2 14将笫二信号x2朝向RS装置12发射。RS 装置12经由它的TRX单元121和122接收两个信号xl和x2,并通过 在收发器滤波器130处应用的接收处理来分开信号xl和x2。然后，例 如通过在收发滤波器130处提供的映射矩阵来重新布置分开的信号xl 和x2，以便为第一节点S1 10提供期望信号x2，，为第二节点S2 14提 供期望信号xl，。最后，收发滤波器130在将期望信号xl，和x2，经由TRX 单元121和122重发到节点S1 10和S2 14之前还应用发射处理。
更具体地说，在RS装置12处，在收发滤波器130的线性接收滤波 器部分处理所接收的信号以获得评估信号，该评估信号包括对信号xl 的评估和对信号x2的评估。在下一时隙之后，第一节点S1 IO将接收信 号x2的评估，第二节点S2 14将接收信号xl的评估。因此，在将信号 提供给收发滤波器130的发射滤波器部分之前，评估信号在下面的映射
矩阵中#:处理
_m 0Mxm_
其中OMXM是M行M列的零矩阵，lM是单位矩阵。应当注意的是，
映射矩阵Gmap确保RS装置12在第一节点S1 10的方向上发射评估或 期望信号x2，，在笫二节点S2 14的方向上发射评估或期望信号x1，。最 后，处理过的信号被提供给收发滤波器130的发射滤波器部分，从而使 用整体收发滤波器产生下一时隙的期望信号xl'和x2'。
如果空间滤波仅仅应用在RS装置12处，那么在第一节点Sl 10和 第二节点S2 14处仅仅能够提供标量接收滤波器部分。
收发滤波器130的这些功能可以用处理单元来实现，所述处理单元 可以是任何具有控制单元的处理器或计算装置，所述控制单元基于存储 在存储器中的控制程序的软件例程来执行控制。从存储器取出程序代码 指令并装栽到处理单元(其可以例如配置信号处理级140中)的控制单 元，以便执行结合图4和图3的流程图所述的上述功能的处理步骤。这 些处理步骤可以基于输入数据而被执行并且可以生成输出数据，其中输 入数据可以与接收的双向信号xl和x2对应，输出数据可以与期望信号 xl'和x2'对应。
所提出的MIMO双向中继的概念能够被容易地结合到传统的两跳 中继网络中，其中第一节点S1 10和第二节点S2 14可以分别是基站(BS)和移动终端(MT)。只有多个天线必须安装在RS装置12处，而不要 求任何额外的站点。对于两跳中继来说由此能够避免镨效率的典型的以 1/2因子的降低，因为能够同时处理上行和下行链路。发射与接收处理 能够局限于RS装置12，并且不需要BS和MT之间的CSI或其它信道 相关的信息的信号传输。对于具有M个天线的BS，如果RS装置12配 有2M个天线，那么MIMO双向中继也可以-支扩展为与M个MT的同 时通信。此外，用于多个节点和具有多个天线的RS装置的MIMO双向 中继对于所应用的中继概念来说是透明(transparent)的，即，它能够 应用于AF中继以及DF中继。
总结来说，已经描述了用于在多跳网络中中继信号的方法、系统、 中继装置和计算机程序产品，其中经由至少两个天线元件20在中继装 置12处接收双向传输信号，并且其中所接收的双向传输信号在中继装 置12处被分开并且经受发射处理。由此，发射与接收处理能够局限于 该中继装置，并且能够降低发射端和接收端之间的信号传输负载。
应当注意，本发明不限于上述实施例。所提出的双向中继概念能够 应用于任何无线网络结构，诸如蜂窝网络、自组网络、WLAN或宽带和 /或广播网。中继站或装置可以包括多于两个的天线或天线元件。从而， 实施例可以在所附权利要求的范围内改变。
权利要求
1.一种用于在多跳网络中中继信号的方法，其中经由至少两个天线元件(20)在中继装置(12)处接收双向传输信号，并且其中所接收的所述双向传输信号在所述中继装置(12)处被分开并且经受发射处理。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所分开的所述双向传输信号可 以在经由所述至少两个天线元件(20)重传之前被重新布置。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中所述重新布置是通过使用中继 映射矩阵而执行的。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中所述双向传输信号在所述中继 装置(12)处基于信道信息而被分开和处理。
5. 根椐权利要求4所述的方法，其中所述信道信息是由在所述中继 装置(12)处执行的信道评估而导出的。
6. 根据前述权利要求的任一项所述的方法，其中在所述中继装置 (12)处所使用的所述至少两个天线元件(20)的数目是在经由所述中继装置(12)通信的网络单元(10、 14)处所使用的天线元件的数目的 两倍。
7. —种用于在多跳网络中中继信号的中继装置，所述网络装置包括a. 至少两个用于从所述多跳网络接收双向传输信号的天线元件 (20),和b. 至少一个用于将所接收的所述双向传输信号分开并且使所分开的 所述双向传输信号经受发射处理的收发滤波器单元(130)。
8. 根据权利要求7所述的中继装置，其中所述至少一个收发滤波器 单元(130)被配置为在经由所述至少两个天线元件(20)重传之前重 新布置所分开的所述双向传输信号。
9. 根据权利要求8所述的中继装置，其中所述至少一个收发滤波器 单元(130)被配置为通过使用中继映射矩阵来重新布置所分开的所述 双向传输信号。
10. 根据权利要求9所述的中继装置，其中所述至少一个收发滤波器 单元(130)被配置为基于信道信息分开和处理所述双向传输信号。
11. 根据权利要求IO所述的中继装置，其中所述中继装置被配置为 通过执行信道评估来导出所述信道信息。
12. —种通信系统，包括根据权利要求7的至少一个中继装置和多个 用于经由所述至少一个中继装置(12)进行通信的网络单元(10、 14)。
13. 根据权利要求12所述的通信系统，其中在所述中继装置(12) 处提供的所述至少两个天线元件(20)的数目是在所述网络单元(10、 14)处提供的天线元件的数目的两倍。
14.—种计算机程序产品，包括用于当在计算装置上运行时产生权利 要求1的方法的步骤的代码手段。
全文摘要
本发明涉及用于在多跳网络中中继信号的方法、系统、中继装置和计算机程序产品，其中经由至少两个天线元件(20)在中继装置(12)处接收双向传输信号，并且其中所接收的双向传输信号在中继装置(12)处被分开并且经受发射处理。由此，发射与接收处理能够局限于该中继装置，并且能够降低发射端和接收端之间的信号传输负载。
文档编号H04W16/26GK101632252SQ200780051688
公开日2010年1月20日 申请日期2007年12月3日 优先权日2006年12月22日
发明者T·M·昂格尔 申请人:诺基亚西门子通信有限责任两合公司