专利名称：协作分集系统波束成型方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信领域， 具体而言，涉及一种协作分集系统波束成型方法及装置。
背景技术：
在下一代的宽带无线通信网络中，解决无线通信网络中如何在当前的无线通信系统中的带宽下支持更大的带宽成为提高小区间用户终端吞吐量及用户终端平均吞吐量的一个关键因素并面临严峻的挑战。在无线通信中，发射分集是抗多径衰落的有效技术。然而，由于功率，体积，费用以及硬件复杂度等限制，无线终端可能只采用单天线。因此，协作分集技术应运而生，其主要思想是让多个单天线终端组成一个虚拟的多天线阵列，以获得发射分集。当两个无线终端互相协作时，一个终端先侦听对方的传输，然后在不同的正交子信道上(时间，频率，码字或空间)重传接收信号或根据接收信号计算的冗余信息。当两用户协作时，从基站的角度，系统等效于一个多址接入信道。为了在基站端分离出每个用户的信息，可以采用不同的多址接入协议(不同的正交子信道划分方法)，诸如，CDMA (Code-Division Multiple Access，码分多址)协议、TDMA(Time-Division Multiple Access,时分多址)协议、 FDMA(Frequency-Division Multiple Access，频分多址)协议等。但是，总的来说目前的协作分集系统容量不高，同时存在各种问题(1)协作分集系统中每个用户只能从PSK调制系统的正交和同相分量上发送信息，因此只能采用BPSK调制。(2)协作分集系统中基站(BS)和用户端(UE)上天线数量受限。(3)协作分集系统中中继协议单一。(4)协作分集系统中传统AF (Amplify-And-Forward,放大并转发)协议、 DF (Decode-And-Forward,角军码并转发)协议、SDF (Selection Decode and Forward,选择角军码并转发)协议会导致系统性能降低。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种协作分集系统波束成型方法及装置，以至少解决上述问题之一。根据本发明的一个方面，提供了一种协作分集系统波束成型方法，包括将一个 TDMA帧划分为三个子帧，两个用户端共享一个子帧进行信息传输；根据中继协议确定一个 TDMA帧的三个子帧接收和发送的信号；根据等效信道模型对不同子帧接收到的信号联合进行处理确定最终的接收和发送信号；根据最终的接收和发送信号完成用户端的协作分集系统波束成形。中继协议包括以下至少之一 AF协议、DF协议、SDF协议、利用基站反馈信息的SDF 协议，其中，利用基站反馈信息的SDF协议包括如果两协作用户端互相译码正确，则在第三子帧内互相发送伙伴信息；如果一个用户端译码正确，另一个译码错误，则译码正确的用户端在第三子帧内发送伙伴信息，译码错误的用户端保持静默；如果两个用户端均译码错误，则均在第三子帧内重发自己的信息。等效信道模型包括虚拟MIMO (Multiple Input Multiple Output，多输入多输出)系统。当中继协议为利用基站反馈信息的SDF协议时，根据最终的接收和发送信号完成用户端的协作分集系统波束成形包括根据用户信道条件确定协作分集条件；根据 MMSE (Minimum Mean Square Error，最小均方差)准则获得波束成形的代价函数；根据代价函数获得波束成形权值最优维纳解；根据确定的协作分集条件、波束成形权值最优维纳解及最终的接收和发送信号完成用户端的协作分集系统波束成形。协作分集条件包括以下之一第一用户端和第二用户端互相译码正确，在第三子帧，所述第一用户端发送X2，第二用户端发送X1,此时、=X1，毛=X2 ；第一用户端译码正确但第二用户端译码错误，在第三子帧，第一用户端发送X2，第二用户端保持静默；第二用户端译码正确但第一用户端译码错误，在第三子帧，第二用户端发送X1，第一用户端保持静默；第一用户端和第二用户端均译码失败，在第三子帧，第一用户端和第二用户端分别重发自己的信息X1和X2,此时、=X2 'X2 = X1 ；其中，X1为第一用户端在第一子帧第η个符号间隔内发送的信号，X2为第二用户端在第二子帧第η个符号间隔内发送的信号，毛和无为第一用户端和第二用户端在第三子帧分别发送的伙伴信息的估计值。根据本发明的另一方面，提供了一种协作分集系统波束成型装置，包括子帧划分模块，用于将一个TDMA帧划分为三个子帧，使两个用户端共享一个子帧进行信息传输；信号确定模块，用于根据中继协议确定一个TDMA帧的三个子帧接收和发送的信号；联合处理模块，用于根据等效信道模型对不同时隙接收到的信号联合进行处理确定最终的接收和发送信号；波束成形模块，用于根据最终的接收和发送信号完成用户端的协作分集系统波束成形。中继协议包括以下至少之一 AF协议、DF协议、SDF协议、利用基站反馈信息的SDF 协议，其中，利用基站反馈信息的SDF协议包括如果两协作用户端互相译码正确，则在第三子帧内互相发送伙伴信息；如果一个用户端译码正确，另一个译码错误，则译码正确的用户端在第三子帧内发送伙伴信息，译码错误的用户端保持静默；如果两个用户端均译码错误，则均在第三子帧内重发自己的信息。等效信道模型包括虚拟MIMO (Multiple Input Multiple Output，多输入多输出)系统。波束成形模块包括分集条件确定单元，用于在中继协议为利用基站反馈信息的 SDF协议时，根据用户信道条件确定协作分集条件；代价函数确定单元，用于根据MMSE准则获得波束成形的代价函数；最优维纳解确定单元，用于根据代价函数获得波束成形权值最优维纳解；波束成形单元，用于根据确定的协作分集条件、波束成形权值最优维纳解及最终的接收和发送信号完成用户端的协作分集系统波束成形。
协作分集条件包括以下之一第一用户端和第二用户端互相译码正确，在第三子帧，所述第一用户端发送X2，第二用户端发送X1，此时Λ =X1 J2=X2 ；第一用户端译码正确但第二用户端译码错误，在第三子帧，第一用户端发送X2，第二用户端保持静默；第二用户端译码正确但第一用户端译码错误，在第三子帧，第二用户端发送X1，第一用户端保持静默；第一用户端和第二用户端均译码失败，在第三子帧，第一用户端和第二用户端分别重发自己的信息X1和X2,此时、=X2 'X2=X1 ；其中，X1为第一用户端在第一子帧第η个符号间隔内发送的信号，X2为第二用户端在第二子帧第η个符号间隔内发送的信号，毛和无为第一用户端和第二用户端在第三子帧分别发送的伙伴信息的估计值。通过本发明，采用将一个TDMA帧划分为三个子帧，由两个用户端共享一个子帧进行信息传输，并通过相应的中继协议和等效信道模型最终完成协作分集系统波束成形的方案，解决了现有协作分集系统容量不高的问题，进而达到了提高系统容量效果。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中图1是根据本发明实施例的协作分集系统波束成型方法的流程图；图2是根据本发明实例的协作分集系统波束成形方法两用户协作分集系统示意图；图3是根据本发明实例的协作分集系统波束成形方法两用户协作架构中的TDMA 帧与现有TDMA帧的结构示意图；图4是根据本发明实例的协作分集系统波束成形的原理结构框图；图5是根据本发明实例的协作分集系统波束成形方法的流程图；图6是根据本发明实例的协作分集系统波束成形方法不同用户间信道下Ul的BER 性能曲线(AF)；图7是根据本发明实例的协作分集系统波束成形方法不同用户间信道下Ul的BER 性能曲线(SDF)；图8是根据本发明实施例的协作分集系统波束成型装置的结构框图。
具体实施例方式下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。图1是根据本发明实施例的协作分集系统波束成型方法的流程图。如图1所示， 根据本发明实施例的协作分集系统波束成型方法包括步骤S102，将一个TDMA帧划分为三个子帧，两个用户端共享一个子帧进行信息传输；步骤S104，根据中继协议确定一个TDMA帧的三个子帧接收和发送的信号；步骤S106，根据等效信道模型对不同子帧接收到的信号联合进行处理确定最终的接收和发送信号；步骤S108，根据最终的接收和发送信号完成用户端的协作分集系统波束成形。 本事实例提出了一种新的TDMA机制，在本实施例中，一个TDMA帧被划分为三个子帧。为有效利用系统资源，第一用户端(Ul)和第二用户端(U2)共享了同一子帧。由于此时中继传输能共享时间和带宽资源，所以这种划分方法带宽效率更高。对每一用户而言，信道自由度从1/2增加到了 2/3，这样能大大提高用户的信道容量。从基站的角度来看，能节省时间资源供更多的用户进行协作，从而提高了系统容量。在上述新的TDMA机制中，现有的中继协议都可继续应用，但是为了克服现有中继协议会使系统性能降低的问题，本优选实施例提出一种新的中继协议。优选地，上述中继协议可以包括以下至少之一 AF协议、DF协议、SDF协议、利用基站反馈信息的SDF协议，其中，利用基站反馈信息的SDF协议包括
如果两协作用户端互相译码正确，则在第三子帧内互相发送伙伴信息；如果一个用户端译码正确，另一个译码错误，则译码正确的用户端在第三子帧内发送伙伴信息，译码错误的用户端保持静默；如果两个用户端均译码错误，则均在第三子帧内重发自己的信息。利用基站端反馈信息的SDF协议会根据基站端反馈的不同进行不同的处理如果两协作用户互相译码正确，它们在第三时隙内发送伙伴信息；如果一个用户译码正确，另一个译码错误，前者会在第三时隙内发送伙伴信息，但后者会保持静默；如果两个用户均译码错误，为更好地利用信道带宽，基站将通过反馈信道通知两个用户重发自己的信息，该反馈信息可通过一比特来实现。上述新型SDF协议，在用户间信道较差时，不会为协作带来性能损耗，因为当两用户均译码失败时，基站会分别通知两用户重发自己的信息。优选地，上述等效信道模型可以包括虚拟MIMO系统。不同的中继协议对应的等效信道模型会有所区别，但是多数协作分集系统都可以等效为虚拟的MIMO系统，因此在选用信道模型时，优先选用虚拟MIMO系统。但采用上述利用基站反馈信息的SDF协议作为中继协议时，后续的处理需要相应的进行改变，本优选实施例中举例说明。优选地，当中继协议为所述利用基站反馈信息的 SDF协议时，步骤S108可以进一步包括以下处理(1)根据用户信道条件确定协作分集条件；(2)根据MMSE (Minimum Mean Square Error，最小均方差)准则获得波束成形的代价函数；(3)根据代价函数获得波束成形权值最优维纳解；(4)根据确定的协作分集条件、波束成形权值最优维纳解及最终的接收和发送信号完成用户端的协作分集系统波束成形。当采用上述利用基站反馈信息的SDF协议作为中继协议时，对应的协作分集条件就不是唯一的了，在进行协作分集系统波束成形时，首先要确定相应的协作分集条件，然后再获得代价函数，生成最优维纳解，最终完成协作分集系统波束成形。优选地，上述协作分集条件可以为以下之一第一用户端和第二用户端互相译码正确，在第三子帧，第一用户端发送x2，第二用户端发送X1，此时，戈=A毛=X2.第一用户端译码正确但第二用户端译码错误，在第三子帧，第一用户端发送X2，第二用户端保持静默；第二用户端译码正确但第一用户端译码错误，在第三子帧，第二用户端发送X1，第一用户端保持静默；第一用户端和第二用户端均译码失败，在第三子帧，第一用户端和第二用户端分别重发自己的信息X1和X2，此时，乓=Χ2，毛=xI .
其中，X1为第一用户端在第一子帧第η个符号间隔内发送的信号，X2为第二用户端在第二子帧第η个符号间隔内发送的信号，毛和戈为第一用户端和第二用户端在第三子帧分别发送的伙伴信息的估计值。本优选实施例给出了一种优选地协作分集条件，涵盖了所有可能发生的情况。下面结合实例对上述优选实施例进行详细说明。本实例的两用户分集协作系统结构如图2所示，本实例采用上述实施例提出的新 TDMA机制。如图3所示，假定一个TDMA帧占用N个符号间隔，传统的基于TDMA的架构及其相应的发送和接收方式如图2中(a)所示。在此TDMA机制中，一个完整的TDMA帧被划分为四个子帧第一个子帧属于Ul的信息，第二个子帧属于U2的中继信息，在随后的两个子帧中，Ul和U2的角色进行了互换。上述新的TDMA机制如图2中(b)所示，此时一个TDMA 帧被划分为三个子帧。与传统机制不同的是，Ul和U2共享了同一子帧。由于此时中继传输能共享时间和带宽资源，这种划分方法带宽效率更高。对每一用户而言，信道自由度从1/2 增加到了 2/3，这样能大大提高用户的信道容量。从基站的角度来看，能节省时间资源供更多的用户进行协作，从而提高了系统容量。进一步地，在本实例中，每个用户可采用任意调制方式；由配置两根或多根天线的基站提供接收分集，应用波束成形等多天线信号处理技术；采用AF和DF及其变形等各种中继协议，包括上述的新型SDF协议果两协作用户互相译码正确，它们在第三时隙内发送伙伴的信息；如果一个用户译码正确，另一个译码错误，前者会在第三时隙内发送伙伴信息， 但后者会保持静默；如果两个用户均译码错误，为更好地利用信道带宽，基站将通过反馈信道通知两个用户重发自己的信息，该反馈信息可通过一比特来实现。现在我们分析基站采用两根天线，中继采用AF和上述新型SDF协议时，协作系统的低通等效、时间离散信道模型。假定所有信道都是频率平坦衰落和准静态的，即信道衰落在一个TDMA帧内保持不变。所有信道互相独立。系统是完全同步的。基站知道完全的信道状态信息CSI (Channel State Information,信道状态信息)，但用户不知道。为方便描述，在下面的表达式中，均省略了时间变量η。使用的标号说明如下ri(j)，i e {l，2，d}，j e {1,2,3}表示用户或基站在时隙j内的接收信号，Iii(j) 为相应的加性噪声和干扰；rd,i(j)，i e {l，2}，je {1,2,3}表示基站的第i根天线在时隙 j内的接收信号，nd,i(j)为相应的噪声和干扰；hik(j)，i，k e {1,2}, j e {1,2,3}为用户i 至IJk在时隙j内的信道衰落系数；hid,k(j)，i，ke {1,2}, j e {1,2,3}为用户i到基站的天线k在时隙j内的信道衰落系数。在统计意义上，hik(j)和hid,k(j)是均值为0，独立的， 圆对称复高斯随机变量；叫(」)和Iida (j)也是均值为0，独立的，圆对称复高斯随机变量，且方差均为N。。在第一时隙，Ul发送信号，U2和基站接收信号。假定Ul在第η个符号间隔内发送 X1,则U2和基站接收的信号分别为
权利要求
1.一种协作分集系统波束成型方法，其特征在于，包括将一个时分多址TDMA帧划分为三个子帧，两个用户端共享一个子帧进行信息传输；根据中继协议确定一个TDMA帧的三个子帧接收和发送的信号；根据等效信道模型对不同子帧接收到的信号联合进行处理确定最终的接收和发送信号；根据所述最终的接收和发送信号完成用户端的协作分集系统波束成形。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中继协议包括以下至少之一放大并转发AF协议、解码并转发DF协议、选择解码并转发SDF协议、利用基站反馈信息的SDF协议，其中，所述利用基站反馈信息的SDF协议包括如果两协作用户端互相译码正确，则在第三子帧内互相发送伙伴信息；如果一个用户端译码正确，另一个译码错误，则译码正确的用户端在第三子帧内发送伙伴信息，译码错误的用户端保持静默；如果两个用户端均译码错误，则均在第三子帧内重发自己的信息。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述等效信道模型包括虚拟多入多出 MIMO系统。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述中继协议为所述利用基站反馈信息的SDF协议时，根据所述最终的接收和发送信号完成用户端的协作分集系统波束成形包括根据用户信道条件确定协作分集条件； 根据最小均方差MMSE准则获得波束成形的代价函数； 根据所述代价函数获得波束成形权值最优维纳解；根据确定的协作分集条件、所述波束成形权值最优维纳解及所述最终的接收和发送信号完成用户端的协作分集系统波束成形。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述协作分集条件包括以下之一 第一用户端和第二用户端互相译码正确，在第三子帧，所述第一用户端发送χ2，所述第二用户端发送X1，此时，无=X1，毛=X2 ;所述第一用户端译码正确但所述第二用户端译码错误，在第三子帧，所述第一用户端发送X2，所述第二用户端保持静默；所述第二用户端译码正确但所述第一用户端译码错误，在第三子帧，所述第二用户端发送X1，所述第一用户端保持静默；所述第一用户端和所述第二用户端均译码失败，在第三子帧，所述第一用户端和所述第二用户端分别重发自己的信息X1和X2，此时，无=X2 'X2 = X1 ；其中，X1为所述第一用户端在第一子帧第η个符号间隔内发送的信号，X2为所述第二用户端在第二子帧第η个符号间隔内发送的信号，毛和戈为所述第一用户端和所述第二用户端在第三子帧分别发送的伙伴信息的估计值。
6.一种协作分集系统波束成型装置，其特征在于，包括子帧划分模块，用于将一个时分多址TDMA帧划分为三个子帧，使两个用户端共享一个子帧进行信息传输；信号确定模块，用于根据中继协议确定一个TDMA帧的三个子帧接收和发送的信号；联合处理模块，用于根据等效信道模型对不同时隙接收到的信号联合进行处理确定最终的接收和发送信号；波束成形模块，用于根据所述最终的接收和发送信号完成用户端的协作分集系统波束成形。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述中继协议包括以下至少之一放大并转发AF协议、解码并转发DF协议、选择解码并转发SDF协议、利用基站反馈信息的SDF协议，其中，所述利用基站反馈信息的SDF协议包括如果两协作用户端互相译码正确，则在第三子帧内互相发送伙伴信息；如果一个用户端译码正确，另一个译码错误，则译码正确的用户端在第三子帧内发送伙伴信息，译码错误的用户端保持静默；如果两个用户端均译码错误，则均在第三子帧内重发自己的信息。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述等效信道模型包括虚拟多入多出 MIMO系统。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述波束成形模块包括分集条件确定单元，用于在所述中继协议为所述利用基站反馈信息的SDF协议时，根据用户信道条件确定协作分集条件；代价函数确定单元，用于根据最小均方差MMSE准则获得波束成形的代价函数； 最优维纳解确定单元，用于根据所述代价函数获得波束成形权值最优维纳解； 波束成形单元，用于根据确定的协作分集条件、所述波束成形权值最优维纳解及所述最终的接收和发送信号完成用户端的协作分集系统波束成形。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述协作分集条件包括以下之一 第一用户端和第二用户端互相译码正确，在第三子帧，所述第一用户端发送χ2，所述第二用户端发送X1，此时Λ = X1，毛=X2 ；所述第一用户端译码正确但所述第二用户端译码错误，在第三子帧，所述第一用户端发送X2，所述第二用户端保持静默；所述第二用户端译码正确但所述第一用户端译码错误，在第三子帧，所述第二用户端发送X1，所述第一用户端保持静默；所述第一用户端和所述第二用户端均译码失败，在第三子帧，所述第一用户端和所述第二用户端分别重发自己的信息X1和X2，此时Λ = X2 'X2 = X1 ；其中，X1为所述第一用户端在第一子帧第η个符号间隔内发送的信号，X2为所述第二用户端在第二子帧第η个符号间隔内发送的信号，毛和戈为所述第一用户端和所述第二用户端在第三子帧分别发送的伙伴信息的估计值。
全文摘要
本发明公开了一种协作分集系统波束成型方法及装置，上述方法包括将一个TDMA帧划分为三个子帧，两个用户端共享一个子帧进行信息传输；根据中继协议确定一个TDMA帧的三个子帧接收和发送的信号；根据等效信道模型对不同子帧接收到的信号联合进行处理确定最终的接收和发送信号；根据最终的接收和发送信号完成用户端的协作分集系统波束成形。通过本发明提供的技术方案，解决了现有协作分集系统容量不高的问题，进而达到了提高系统容量效果。
文档编号H04L1/06GK102263582SQ201110205550
公开日2011年11月30日 申请日期2011年7月21日 优先权日2011年7月21日
发明者卢忱, 魏巍 申请人:中兴通讯股份有限公司