专利名称：无线中继器辅助多用户接入系统的联合多用户发送方法
技术领域：
本发明是一种应用于无线通信系统的多用户接入的方法，属于无线通信中的多用户通信 技术领域。
背景技术：
无线中继可以充分利用空间资源可以提高系统的频谱效率。采用无线中继组网的基本思 路是在原有基站(BS)与用户终端(UE)之间引入一些无线中继节点(RS),从而改善整个 无线网络电波分布的均匀性，使得小区边缘处的频谱利用率和功率利用率得到较大程度的提 高。传统的无线中继器仅仅用来转发单个用户的信息。为了支持多用户，通常采用时分或频 分的方式。如图1所示，UE1、 UE2禾卩RS关联。为了支持多用户，传统的无线中继器采用如 下的时分发送方法在第一个时隙，UE1广播，RS和BS接收，第二个时隙，RS把接收的信 号转发到BS,在第三个时隙，UE2广播，RS禾BBS接收，第四个时隙，RS把接收的信号转 发到BS。当然，也可以采用频分的方式发送在第一个时隙，UE1占用频带l广播，UE2占 用频带2广播，RS和BS接收，第二个时隙，RS把接收的信号分别在不同频段上转发到BS。 这种两种方法实现起来较简单，但是系统总的频谱利用率不高。文献[Y. Chen, S. Kishore， and J. Li， "Wireless diversity through network coding", in Proceedings of IEEE Wireless Communications and Networking Conference, 2006， Vol.3， pp. 1681-1686.]将XOR网络编码应用于无线中继器辅 助的多用户接入系统，从而提高系统的分集能力，但是该方法的性能改善有限。本发明提出 在无线中继器采用联合多用户发送方法，从而提高充分挖掘无线中继器所带来的空间资源， 从而提高系统总的频谱效率。提出的方法与XOR网络编码进行了对比，结果表明，提出的方 法远好于XOR网络编码，并且系统频谱利用率高于传统的中继辅助多用户系统。
发明内容
技术问题本发明的目的是为无线中继器辅助的多用户无线通信系统提供一种无线中继 器辅助多用户接入系统的联合多用户发送方法，该方法可以提高蜂窝无线通信系统中上行多 个用户接入的总频谱利用率。
技术方案无线中继器辅助的多用户无线通信系统由多个用户终端、 一个无线中继器和 一个接收设备构成。本发明所提供的无线中继器系统的联合多用户发送方法具体包括如下步 骤
a. 多个用户通过各自的发送信道发送信号，无线中继器和接收设备接收信号；
b. 无线中继器对多个用户的信号进行如下处理对接收信号进行线性叠加后放大；对多 个用户的信号进行检测，如果检测成功则将多个用户的信号进行多用户联合编码和数字调制;
C.无线中继器把处理后的信号发送到接收设备。
所述多个用户各自的发送信道是时分多址接入中的不同时隙，或是频分多址接入中的不同频带和码分多址接入中的不同码道，或是上述时隙、频带和码道的组合。
所述多个用户各自的发送信道是时分多址接入中的相同的时隙和频带，或是频分多址接 入中相同的时隙和频带，或是码分多址接入中相同的码道，或是上述时隙、频带和码道的组合。
对多个用户的信号进行检测，如果检测成功则将多个用户的信号进行多用户联合编码和 数字调制的方法包括将每个用户的信号进行数字调制，然后对所有用户的调制符号进行线 性叠加，或将多个用户的信号经过并串转换后进行联合的数字调制，或将多个用户的信号经 过并串转换、进行纠错编码和交织，最后进行数字调制。
所述的数字调制的方法包括相移键控调制和正交幅度调制。
所述的纠错编码方法包括巻积编码、Turbo编码、里德-索罗门编码、线性分组码和低密 度奇偶校验码。
有益效果本发明的主要优点在于，无线中继器对多个用户的汇聚信号进行联合编码， 从而将多个并行流转化为单个流，从而发送到接收设备，这样提高了无线中继器转发的效率， 从而提高整个系统的频谱利用率。
本发明提出的无线中继器辅助多用户接入系统的联合多用户发送方法，可以应用于蜂窝 移动通信系统的上行接入。用户可以采用码分多址接入、时分多址接入、频分多址接入，也 可以采用结合正交频分复用的交织多址接入。
图1是无线中继器辅助的多用户无线通信系统的基本构成示意图。
图2是表示根据本发明实施例的W用户接入和无线中继器站的接收和发送方法示意图。
图3表示多用户联合编码实施例1。
图4表示多用户联合编码实施例2。
图5表示多用户联合编码实施例3。
图6表示多用户联合编码实施例4。
图7给出了正交多址接入时，各种方案的总频谱利用率(bit/s/Hz)对比。 图8给出了非正交多址接入时，各种方案的总频谱利用率(bit/s/Hz)对比。
具体实施例方式
通过阅读和理解下面参考附图对本发明优选实施例所做的详细描述，将使本发明的这些 和其它目的、特征和优点变得显而易见。下面描述中，接收设备以基站为例，但是所发明的 方法并不仅限于基站，也可以是其它类型的终端。其中
图1是无线中继器辅助的多用户无线通信系统的基本构成它包括一个BS， 一个RS,若 干个用户终端，图中以两用户为例。
图2是表示根据本发明实施例的W用户接入和无线中继器站的接收和发送方法示意图。 发送端由W个用户终端构成，无线中继器首先对接收的信号进行模数转换，然后进入放大转 发或译码转发模式。在放大转发模式，对接收信号放大后进行数模转换后发送出去。在译码 转发模式，先根据接收信号利用多用户检测器检测出用户的信息，然后进行联合多用户发送， 然后进行数模转换后发送出去。图3表示多用户联合编码实施例1，首先进行与用户发送端相同的操作即每个用户进行 纠错编码，然后进行交织。接下来对多个用户的交织后的信息进行模W加法，然后进行数字 调制，最后经过数模转换后发送出去。
图4表示多用户联合编码实施例2，即对多个用户的交织后的并行信息流进行联合数字调 制，最后经过数模转换后发送出去。
图5表示多用户联合编码实施例3，即对每个用户的交织后的信息进行数字调制，然后分 别乘以一个复数因子，然后叠加在一起，最后经过数模转换后发送出去。
图6表示多用户联合编码实施例4，即对多个用户的信息进行联合纠错编码，然后对编码 后的比特进行数字调制，最后经过数模转换后发送出去。
该方法包括如下步骤
a. 多个用户通过各自的发送信道发送信号，无线中继器和接收设备接收信号；.
b. 无线中继器对多个用户的信号进行如下处理对接收信号进行线性叠加后放大；对多 个用户的信号进行检测，如果检测成功则将多个用户的信号进行多用户联合编码和数字调制；
c.无线中继器把处理后的信号发送到接收设备。
下面参照附图对本发明实施例的无线中继器辅助多用户接入系统的联合多用户的发送方 法进行详细说明。
作为本发明的一个实施例，首先考虑两用户的情形。图1给出了两用户的情况下本发明 的应用场景它包括一个BS, —个RS,两个处于严格同步的用户终端。
首先我们给出采用放大转发(AF)无线中继器时的实施方式。我们考虑两种多用户接入 方式正交多址接入和非正交多址接入。
当采用正交多址接入时，例如频分多址接入、正交频分多址接入或时分多址接入，用户 采用不同的信道(时隙或频带)发送信号到RS和BS。 RS和BS的接收信号可以表示为，
其中，^表示UE1的发送符号，/^叫表示UE1到RS的信道增益，"m,表示UE1与RS之 间的噪声，假设噪声方差为l, ;^s马表示UEl到RS的接收信号；^表示UE2的发送符号， /Jrs化表示UE2到RS的信道增益， s,2表示UE2与RS之间的噪声,假设噪声方差为1, ;;RSU2 表示UE2到RS的接收信号；/ bSUi表示UE1到BS的信道增益，WBS,表示UE1与BS之间 的噪声，假设噪声方差为1 ， yBSU|表示UE1到BS的接收信号；表示UE2到BS的信 道增益，《bS>2表示UE2与BS之间的噪声，假设噪声方差为1 ， jvBS,U2表示UE2到BS的接 收信号。 '2
当RS接收到所有用户的信号后，进行线性叠加，然后进行放大发送到BS。 BS接收到的
信号^BSjis可以表示为，
其中，or为放大因子，/2bs,m表示RS到BS的信道増益，"m,m表示RS与BS之间的噪声， 将(公式3)(公式4)和(公式5)合写成矩阵矢量的形式，
(公式1) (公式2) (公式3) (公式4)
(公式5)<formula>formula see original document page 6</formula> (公式6)
BS可以采用各种多用户检测的方法得到各用户的发送信号。
当两个用户采用非正交接入方式，例如占用相同的时频资源，在RS和BS的接收信号_yRS
和3^s,u表示为，
<formula>formula see original document page 6</formula> (公式7)
<formula>formula see original document page 6</formula> (公式8)
将RS的接收信号放大后转发到BS，那么BS收到的RS的发送信号为，
<formula>formula see original document page 6</formula> (公式9)
将(公式8)和(公式9)合并成矩阵形式可以表示为，
<formula>formula see original document page 6</formula> (公式10)
BS可以采用各种多用户检测的方法得到各用户的发送信号。
当RS具有译码转发(DF)的功能时，无论多个用户采用正交接入还是非正交接入，下 面均假设RS能够成功译码各用户的信息。RS对各用户的信息进行与发送端相同的编码、交 织，然后进行多用户联合编码和调制。这里的多用户联合编码和调制起到了多源合并的作用。 下面给出了几种典型的多用户联合编码和调制的实施例。
实施例1:异或(XOR)方式。XOR方式由文献[Y. Chen, S. Kishore， and J. Li, "Wireless diversity through network coding", in Proceedings of IEEE Wireless Communications and Networking Conference, 2006, Vol.3， pp. 1681-1686.]提出，它的思想是对多个用户编码后的并 行信息经过迦罗华域的加法运算后进行符号调制，如图3所示。 一个简单的实例是，对两个 用户的编码比特进行XOR运算后进行调制。这是即为传统的线性网络编码。该实施例将作为 一种对比基准，来衡量提出的发明的优越性。
实施例2:多用户联合调制。采用多用户联合调制的思想是对多个用户编码后的并行信 息进行联合的符号映射，如图4所示。 一个简单的实例是，将多个用户的编码比特进行联合 高阶调制。
实施例3:对每个用户调制后的符号进行线性叠加。其基本思想是每个用户经过编码、 交织和调制后，乘以一个复数因子，将它们叠加后发送，如图5所示。
实施例4:联合多用户纠错编码，如图5所示。其基本思想是把多个用户的信息比特经 过并串转换，然后进行纠错编码，然后进过调制后发送出去。这里的纠错编码可以是任意纠
错编码，例如巻积码、Turbo码、线性分组码和低密度奇偶校验码(LDPC)等。 下面分别介绍各种实例的接收方案。
这里我们考虑BS采用Turbo接收机。如果对复杂度要求较高，可以仅进行一次译码，即 为非迭代接收机。我们以两用户非正交接入为例，给出针对上述四种方案BS的检测和译码方 法。但是，给出的该方法可以推广到多个用户以及正交接入的情况。
实施例l的接收方法采用XOR时，BS的最大似然软输入软输出检测。(公式8)式表示BS接收到的两用户的信号，而BS接收到的RS的信号可以表示为，
<formula>formula see original document page 7</formula>(公式11 )
这里假设A为^和A所对应的两个用户比特信息经过XOR运算后的新的调制符号，并假设 加性高斯噪声的方差为1。那么根据(公式8)和(公式ll)，采用最大似然检测时，可以得
到发送用户的比特软信息为，
<formula>formula see original document page 7</formula>
(公式12)
其中，</ =
《 </，
是表示[A s2f所对应的比特矢量，它们按照用户1到用户2顺序排放，
《和A分别是s,和^对应的比特矢量。a(《)表示把比特矢量映射成调制符号，这里假设用 户1和用户2采用相同的调制方式。而"(rf)则表示比特矢量d在采用XOR线性网络编码时 对应的调制符号，rfw表示矢量rf删掉第)t个比特对应的矢量。r表示比特矢量rf所对应的
先验信息，用对数似然比表示。/^表示矢量r删掉第;t个比特对应的矢量。如果不需要译码 反馈迭代，则可将r置为零矢量。
检测输出的比特似然比可以供每个用户的译码器所使用，译码反馈的外敷信息可供(公
式12)式使用，从而完成Turbo迭代。
实施例2的接收方法采用多用户联合调制时，BS的最大似然联合检测与实例1类似， 仅仅是(公式12)式中，/ (rf)为矢量rf所对应的高阶调制符号。
实施例3的接收方法BS接收到的RS的信号可以表示为，<formula>formula see original document page 7</formula> (公式13)
其中，A和^为复数因子。将(公式8)和(公式13)合并成矩阵形式可以表示为，
收发之间的数学关系类似两发两收的MIMO， BS可采用如下最大似然软输入软输 出检测，
<formula>formula see original document page 7</formula>
(公式14)
<formula>formula see original document page 7</formula>
(公式15)
实施例4的接收方法采用联合多用户纠错编码时，可采用如图8所示的接收方法。首 先，从多个用户发送送的信号在BS进行多用户检测，可以恢复多用户联合纠错编码的信息位， 而从RS发送的校验位信息的判决可以在BS通过解调后得到。两者输入到软输入软输出联合 多用户译码器，输出的信息比特的软信息再输入到每个用户的译码器进行译码。如果采用 Turbo接收的方式，可将单用户译码器的反馈软信息传递给多用户检测器，从而完成Turbo迭代。
在实际实现中，RS的多用户检测是针对(公式7)式进行的，它可以通过下式来实现，
+!S^I卜b幼—&叫"(《)一 ~叫")「 — (2 —0'[:} (公式16)
为了体现本发明的实际应用效果，我们给出使用本发明后系统的性能的仿真。仿真的条 件是系统的配置为一个BS， 一个RS，两个用户，均采用单根天线。用户1和用户2的极 坐标分别为(1,W12)和(1,-W12)。 RS的位置为(0.5,0)， BS在小区中心。假设指数衰减因子为 3.7，不考虑阴影衰落。仿真时，设定小区边界处的信噪比，根据此可以计算出用户到RS，用 户到BS，以及RS到BS的路径损耗。系统平台的仿真参数如下信道模型采用M. 1225移动环 境A信道，载频2GHz，车速60公里每小时，系统带宽20MHz，传输方案为正交频分复用，子 载波间隔为15kHz，采样频率为30. 72MHz，快速傅立叶变换的大小为2048，每个用户的资源 块为24x7，每个资源块子载波个数为12,基本调制方式为QPSK， Turbo码码率为1/2,生成 多项式为[l 0 11: 1 1 0 l]，译码采用对数的最大后验概率译码，信道估计为理想信道估 计。
采用两个用户采用正交接入时，以传统译码转发无线中继器(四个时隙或频带)和DF无 线中继器实施例1为基本参考点，对比以下几种方案本发明给出的AF无线中继器多用户联 合发送方法、DF无线中继器实施例2、 DF无线中继器实施例3和DF无线中继器实施例4。实 施例1中，两个用户的编码比特进行异或运算后进行QPSK调制，实施例2中，两个用户的编 码比特进行联合16QAM调制，实施例3中，两个用户的编码比特分别进行QPSK调制，然后进 行叠加，叠加系数为，exp(^pi/4)和1，实施例4中两用户的编码比特进行1/2的纠错编码 然后经过16QAM调制。在仿真中，当RS译码失败时，采用本发明的放大转发的方式。图7给 出上述几种方案的系统总频谱利用率对比。可以看出，在信噪比大于-ldB后，本发明的总频 谱利用率均髙于传统无线中继器方案和文献已有的X0R方案。采用两个用户采用非正交接入 时，仍以传统译码转发无线中继器和DF无线中继器实施例1为基本参考点，对比本发明的几 种方案。从图8可以明显看出，在信噪比大于-ldB后，本发明的总频谱利用率是传统无线中 继器的一倍，提高非常明显。
权利要求
1、一种无线中继器辅助多用户接入系统的联合多用户发送方法，其特征在于该方法包括如下步骤a. 多个用户通过各自的发送信道发送信号，无线中继器和接收设备接收信号；b. 无线中继器对多个用户的信号进行如下处理对接收信号进行线性叠加后放大；对多个用户的信号进行检测，如果检测成功则将多个用户的信号进行多用户联合编码和数字调制；c. 无线中继器把处理后的信号发送到接收设备。
2、 根据权利要求1所述的无线中继器辅助多用户接入系统的联合多用户发送方法，其特 征在于所述多个用户各自的发送信道是时分多址接入中的不同时隙，或是频分多址接入中的 不同频带和码分多址接入中的不同码道，或是上述时隙、频带和码道的组合。
3、 根据权利要求l所述的无线中继器辅助多用户接入系统的联合多用户发送方法，其特 征在于所述多个用户各自的发送信道是时分多址接入中的相同的时隙和频带，或是频分多址 接入中相同的时隙和频带，或是码分多址接入中相同的码道，或是上述时隙、频带和码道的 组合。
4、 根据权利要求1所述的无线中继器辅助多用户接入系统的联合多用户发送方法，其特 征在于对多个用户的信号进行检测，如果检测成功则将多个用户的信号进行多用户联合编码 和数字调制的方法包括将每个用户的信号进行数字调制，然后对所有用户的调制符号进行 线性叠加，或将多个用户的信号经过并串转换后进行联合的数字调制，或将多个用户的信号 经过并串转换、进行纠错编码和交织，最后进行数字调制。
5、 根据权利要求4所述的无线中继器辅助多用户接入系统的联合多用户发送方法，其特 征在于所述的数字调制的方法包括相移键控调制和正交幅度调制。
6、 根据权利要求4所述的无线中继器辅助多用户接入系统的联合多用户发送方法，其特 征在于所述的纠错编码方法包括巻积编码、Turbo编码、里德-索罗门编码、线性分组码和低 密度奇偶校验码。
全文摘要
无线中继器辅助多用户接入系统的联合多用户发送方法可以提高蜂窝无线通信系统中上行多个用户接入的频谱利用率。系统由多个用户终端、一个无线中继器和一个接收设备构成。该发送方法要求首先，多个用户通过各自的信道发送，无线中继器和接收设备处于接收状态；无线中继器对多个用户的信号进行信号处理后发送到接收设备。无线中继器的联合多用户发送方法包括两种第一种是对多个用户的接收信号进行线性叠加后放大转发到接收设备；第二种是无线中继器对多个用户的信息进行检测，如果检测成功则将多个用户的信息进行多用户联合编码和调制，然后发送到接收设备。
文档编号H04B1/707GK101414865SQ20081023436
公开日2009年4月22日 申请日期2008年11月12日 优先权日2008年11月12日
发明者尤肖虎, 王东明, 王江舟, 王闻今, 高西奇 申请人:东南大学