专利名称：Mimo中继广播系统的信息处理方法
技术领域：
本发明涉及的是一种无线通信技术领域的方法，具体是一种MIMCKMultiple-Inpu tMultiple-Output，多输入多输出)中继广播系统的信息处理方法。
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覆盖范围、提高系统容量， 已被3GPP(3rd Generation Partnership Pro ject，第3代移动通信合作伙伴项目) LTE-A(Long TermEvolution-Advanced，长期演进-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 (Amplify-and-Forward,放大 _ 转发)等，其 中AF方式由于实现简单、复杂度低而得到了广泛的研究。此外，基站和中继可以安装多个 天线，结合MIMO技术进一步改善系统性能。为了充分发挥MIMO技术的分集、空间复用等优 点，需要进一步设计中继系统的信号处理方法。为了设计高效的处理方法，系统必须掌握信 道状态信息，而实际中信道是通过训练和估计得到的，因此总是存在误差，对系统性能造成 影响。经对现有文献检索发现，C.B. Chae，T. Tang, R. W. Heath, Jr, and S. Cho，"ΜΙΜΟ relayingwith linear processing for multiuser transmission in fixed relay networks,，，IEEE Trans. SignalProcess.，vol. 56，no. 2，pp. 727-738，Feb. 2008 ( “固定中 继网络中多用户通信ΜΙΜΟ中继线性处理技术，”IEEE信号处理期刊，第56卷，第2期，页码 727-738,2008. 2)，该文中基站和中继分别采用迫零脏纸编码和线性处理，并优化功率分配 以最大化系统的速率和，但是该技术复杂度高，并且没有考虑信道估计误差的影响。X^WMRM' R. Zhang, C. C. Chai, and Y. C. Liang, "Joint beamforming and powercontrol for multiantenna relay broadcast channel with QoS constraints,，，IEEE Trans. SignalProcess. , vol. 57, no. 2, pp. 726-737, Feb. 2009 ( “多天 线中继广播信道中满足服务质量要求的联合波束成形和功率控制，”IEEE信号处理期刊，第 57卷，第2期，页码726-737，2009. 2)，该文联合优化波束成形和功率分配，以满足不同用 户的服务质量要求，但是该技术没有给出毕式解，计算复杂度高，并且没有考虑信道估计误 差的影响，使得误差很大。经检索还发现，G.Li, Y. Wang, Τ. ffu, and J. Huang, "Joint linear filter design inmulti-user non-regenerative ΜΙΜΟ-relay systems," IEEE International Conference onCommunications, 2009 ( “多用户非再生ΜΙΜΟ中继系统中联合线性滤波器设 计，，，IEEE国际通信会议，2009)，该文联合设计基站和中继的信号处理，以最小化检测信号 的均方误差，但是该技术没有考虑信道估计误差的影响，因此系统的均方误差和比特误码 率性能很差。
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MIMO中继广播系统的信息处理方法。本发明根据MMSE (Minimum Mean Squared Error，最小均方误差)准则，设计 了线性信号处理方法，该方法充分考虑了信道估计误差，能有效改善系统的均方误差和比 特误码率性能。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤第一步，基站向中继发射训练序列S1,中继根据接收到的信号X1进行后向信道估 计处理，得到 基站与中继间的估计信道S1和信道估计误差方差A2所述的后向信道估计处理，是 其中M是基站天线数，P τ1是训练序列S1的信噪比，S1GCmx7^Jti是基站发射 的训练序列的长度，X1E CW1是中继接收到的信号，N是中继的天线数，Im是MXM的单位矩 阵。第二步，中继向用户发射训练序列S2，用户k根据接收到的信号X2k进行前向信道 估计处理，得到中继与用户k间的估计信道S2i和信道估计误差方差A2。所述的前向信道估计处理，是 其中N是中继天线数，P τ2是训练序列S2的信噪比，S2ECvx7^，Ττ2是中继发射 的训练序列的长度，X2^ 是用户k接收到的信号，IN是NXN的单位矩阵，M是基站天线 数。第三步，基站对待发射信号χ进行预处理，得到预处理后的信号S，并将该信号S发 射给中继。所述的预处理，是 其中x= [X1,…xK]T，Xk为基站待传输给用户k的符号，满足Ε{χχη} = α Ik, α e R+，Ik为KXK的单位矩阵，P是预处理矩阵。第四步，中继对接收到的信号L进行线性处理，得到信号§ ,并将信号§发送给用 户。所述的线性处理，是 其中 In表示NXN的单位矩阵，上标卜广表示共轭转置，tr(-)表示矩阵的迹， M是基站天线数，N是中继天线数，K是用户数，S1^Cvxm是基站与中继间的估计信道，
H2= [h2a,-,h2^]H且H2ite Cvxl是中继与用户k间的估计信道P e Cmxk为基站的预处
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理矩阵，Rs为基站发射信号的互相关矩阵，即Rs = α ΡΗΡ, α e ^，Ps是基站发射功率，已是 中继发射功率，巧2和《分别为中继和用户的接收噪声功率，A2是基站和中继间的信道估计 误差方差，P22是中继与用户间的信道估计误差方差。第五步，用户k对接收信号yk进行检测处理，得到信号毛。所述的检测处理，是Xk = β\其中: In表示NXN的单位矩阵，上标卜广表示共轭转置，tr(-)表示矩阵的迹， M是基站天线数，N是中继天线数，K是用户数，S1^Cvxm是基站与中继间的估计信道，
S2 =[&,··■,且Cjvxl是中继与用户k间的估计信道 2 ，P e Cmxk为基站的预处
理矩阵，Rs为基站发射信号的互相关矩阵，即Rs = α ΡΗΡ, α e ^，Ps是基站发射功率，已是 中继发射功率，巧2和《分别为中继和用户的接收噪声功率，A2是基站和中继间的信道估计 误差方差，厂22是中继与用户间的信道估计误差方差。与现有技术相比，本发明的有益效果是给出了中继信号处理矩阵的精确表达式， 可以十分方便地得到中继信号处理矩阵，使得信息处理的复杂度大大降低，信息处理时间 缩短；并且考虑了信道估计误差，能有效地改善系统的均方误差和比特误码率性能。
图1是实施例的均方误差性能比较示意图；图2是实施例的误码率性能比较示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的方法进一步描述本实施例在以本发明技术方案为前提 下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述 的实施例。
实施例本实施例中基站天线数M = 4，中继天线数N = 4，用户数K = 4，待传输给用户的 符号为随机生成的QPSK调制符号，后向和前向信道都为瑞利(Rayleigh)平坦衰落，中继
和所有用户的接收噪声均为零均值单位方差复高斯白噪声
，后向信道的信噪比
且 SNRl = 25dB，前向信道的信噪比^V^sZ^A^2),且
25dB，基站的发射功率为忍中继的发射功率为忍=57W 2(MiT22) 本实施例包括以下步骤第一步，基站向中继发射训练序列S1,中继根据接收到的信号X1进行后向信道估 计处理，得到基站与中继间的估计信道S1和信道估计误差方差A2 所述的后向信道估计处理，是 其中M是基站天线数，P τ1是训练序列S1的信噪比，SieCM%，TTi是基站发射 的训练序列的长度，X1E CW1是中继接收到的信号，N是中继的天线数，Im是MXM的单位矩 阵。本实施例中训练序列长度Ττ = 4，训练序列的信噪比P τ1 = {49，199,999}，得到 估计信道为 该估计处理造成的信道估计误差方差为 第二步，中继向用户发射训练序列S2，用户k根据接收到的信号x2k进行前向信道 估计处理，得到中继与用户k间的估计信道S2i和信道估计误差方差A2。所述的前向信道估计处理，是 其中N是中继天线数，P τ2是训练序列S2的信噪比，S2ECvx7^，Ττ2是中继发射 的训练序列的长度，X2^ 是用户k接收到的信号，IN是NXN的单位矩阵，M是基站天线 数。本实施例中训练序列长度Ττ = 4，训练序列的信噪比P τ2 = {49，199,999}，得到估计信道为 该估计处理造成的信道估计误差方差为 第三步，基站对待发射信号χ进行预处理，得到预处理后的信号S，并将该信号s发 射给中继。所述的预处理，是 其中
为基站待传输给用户k的符号，满足
为KXK的单位矩阵，P是预处理矩阵。本实施例中发射信号满足
,基站预处理矩阵 第四步，中继对接收到的信号L进行线性处理，得到信号§ ,并将信号§发送给用 户。所述的线性处理，是 其中 In表示NXN的单位矩阵，上标(*广表示共轭转置，tr(-)表示矩阵的迹， M是基站天线数，N是中继天线数，K是用户数，
是基站与中继间的估计信道，
且Cjvxl是中继与用户k间的估计信道
为基站的预处
理矩阵，Rs为基站发射信号的互相关矩阵，即
是基站发射功率，已是 中继发射功率，
分别为中继和用户的接收噪声功率，A2是基站和中继间的信道估计 误差方差，A2是中继与用户间的信道估计误差方差。第五步，用户k对接收信号yk进行检测处理，得到信号毛。所述的检测处理，是 其中 In表示NXN的单位矩阵，上标(*广表示共轭转置，tr(-)表示矩阵的迹， M是基站天线数，N是中继天线数，K是用户数，S1^Cvxm是基站与中继间的估计信道，
H2 =[h2,,,··■,h2^]H且^ C·是中继与用户k间的估计信道L P e Cmxk为基站的预处
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理矩阵，Rs为基站发射信号的互相关矩阵，即Rs = α ΡΗΡ, α e ^，Ps是基站发射功率，已是 中继发射功率，巧2和《分别为中继和用户的接收噪声功率，A2是基站和中继间的信道估计 误差方差，A2是中继与用户间的信道估计误差方差。图1是本实施例的均方误差性能比较示意图，其中基站天线数M = 4，中继天线 数N = 4，用户数K = 4，后向信道信噪比SNRl = 25dB，前向信道信噪比SNR2 = 0 25dB， 信道估计误差的方差为A2 =Pl ={0.02,0.005,0.001}，氏和^的每一项元素分别根据CN(0，
1)和CN(0，1)分布独立生成，一共随机生成了 10000次信道，每次信道实现中，向每个用 户传输 1000 个 QPSK 符号。把本实施例与文献 G. Li，Y. Wang，Τ. Wu, and J. Huang, "Joint linear filterdesign in multi-user non-regenerative ΜΙΜΟ-relay systems," IEEE International Conferenceon Communications，2009 ( “多用户非再生 MIMO 中继系统中联 合线性滤波器设计，” IEEE国际通信会议，2009)中不考虑信道估计误差的中继信号处理方
案相比较，其中基站预处理矩阵都为P = V^I4从图1中可以看到，本实施例有效地改善
了系统的均方误差性能，并且随着信噪比增大，这种性能优势也更加明显。图2是本实施例的误码率性能比较示意图，其中基站天线数M = 4，中继天线数 N = 4，用户数K = 4，后向信道信噪比SNRl = 25dB，前向信道信噪比SNR2 = 0 25dB，信 道估计误差的方差为A2 =Pl ={0.02,0.005,0.001} , Ηι和^的每一项元素分别根据CN(0，
1)和CN(0，1)分布独立生成，一共随机生成了 10000次信道，每次信道实现中，向每个用 户传输 1000 个 QPSK 符号。把本实施例与文献 G. Li，Y. Wang，Τ. Wu, and J. Huang, "Joint linear filterdesign in multi-user non-regenerative ΜΙΜΟ-relay systems," IEEE International Conferenceon Communications，2009 ( “多用户非再生 MIMO 中继系统中联 合线性滤波器设计，” IEEE国际通信会议，2009)中不考虑信道估计误差的中继信号处理方
案相比较，其中基站预处理矩阵都为P = V^I4从图2中可以看到，本实施例有效地改善
了系统的比特误码率性能，并且随着信噪比增大，这种性能优势也更加明显。
权利要求
一种MIMO中继广播系统的信息处理方法，其特征在于，包括以下步骤第一步，基站向中继发射训练序列S1，中继根据接收到的信号X1进行后向信道估计处理，得到基站与中继间的估计信道和信道估计误差方差第二步，中继向用户发射训练序列S2，用户k根据接收到的信号X2k进行前向信道估计处理，得到中继与用户k间的估计信道和信道估计误差方差第三步，基站对待发射信号x进行预处理，得到预处理后的信号s，并将该信号s发射给中继；第四步，中继对接收到的信号yr进行线性处理，得到信号并将信号发送给用户；第五步，用户k对接收信号yk进行检测处理，得到信号FDA0000022318790000011.tif,FDA0000022318790000012.tif,FDA0000022318790000013.tif,FDA0000022318790000014.tif,FDA0000022318790000015.tif,FDA0000022318790000016.tif,FDA0000022318790000017.tif
2.根据权利要求1所述的MIMO中继广播系统的信息处理方法，其特征是，第一步中所 述的后向信道估计处理，是 其中Μ是基站天线数，ρ τ1是训练序列S1的信噪比，S- ，Ττ 是基站发射的训 练序列的长度，X1E Ca^是中继接收到的信号，N是中继的天线数，Im是MXM的单位矩阵。
3.根据权利要求1所述的MIMO中继广播系统的信息处理方法，其特征是，第二步中所 述的前向信道估计处理，是 其中Ν是中继天线数，P τ2是训练序列S2的信噪比，S2ECvx7^，Ττ2是中继发射的训 练序列的长度，x2i e Clx7^是用户k接收到的信号，In是NXN的单位矩阵，M是基站天线数。
4.根据权利要求1所述的MIMO中继广播系统的信息处理方法，其特征是，第三步中所 述的预处理，是 ,其中x= [Xl，…xk]T，xk为基站待传输给用户k的符号，满足Ε{χχη} = α Ικ, α e R+， Ik为KXK的单位矩阵，P是预处理矩阵。
5.根据权利要求1所述的MIMO中继广播系统的信息处理方法，其特征是，第四步中所 述的线性处理，是 其中G=BQ, In表示NXN的单位矩阵，上标(*广表示共轭转置，tr(-)表示矩阵的迹，M是 基站天线数，N是中继天线数，K是用户数，S1E Cjvxm是基站与中继间的估计信道，S2 =[&,··■,且Cjvxl是中继与用户k间的估计信道 2 ，P e Cmxk为基站的预处理矩阵，Rs为基站发射信号的互相关矩阵，即Rs = α ΡΗΡ, α e ^，Ps是基站发射功率，已是 中继发射功率，σ#Πσ22分别为中继和用户的接收噪声功率，A2是基站和中继间的信道估计 误差方差，A2是中继与用户间的信道估计误差方差。
6.根据权利要求1所述的MIMO中继广播系统的信息处理方法，其特征是，第五步中所 述的检测处理，是xk= β1yk 其中 In表示NXN的单位矩阵，上标(*广表示共轭转置，tr(-)表示矩阵的迹，M是 基站天线数，N是中继天线数，K是用户数，S1E Cvxm是基站与中继间的估计信道，H2 =[h2,,,··■,h2^]H且^ C·是中继与用户k间的估计信道L P e Cmxk为基站的预处 理矩阵，Rs为基站发射信号的互相关矩阵，即Rs = α ΡΗΡ, α e ^，Ps是基站发射功率，已是 中继发射功率，巧2和《分别为中继和用户的接收噪声功率，A2是基站和中继间的信道估计 误差方差，厂22是中继与用户间的信道估计误差方差。
全文摘要
一种无线通信技术领域的MIMO中继广播系统的信息处理方法，包括以下步骤基站向中继发射训练序列，中继进行后向信道估计处理，得到基站与中继间的估计信道和信道估计误差方差；中继向用户发射训练序列，用户进行前向信道估计处理，得到中继与用户间的估计信道和信道估计误差方差；基站对待发射信号进行预处理，并将预处理后的信号发射给中继；中继对接收到的信号进行线性处理，得到线性处理后的信号发送给用户；用户对接收信号进行检测处理，得到基站传输给用户的信息。本发明给出了中继信号处理矩阵的精确表达式，大大降低了信息处理复杂度，处理时间缩短；并且考虑了信道估计误差，能有效地改善系统的均方误差和比特误码率性能。
文档编号H04L25/03GK101848070SQ201010199529
公开日2010年9月29日 申请日期2010年6月13日 优先权日2010年6月13日
发明者俞晖, 刘伟, 吴幼龙, 罗汉文, 邹俊 申请人:上海交通大学