专利名称：基于中继协作的广播信道中的联合信源中继的预编码方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，具体是一种基于中继协作传输的下行广播信道中的联合信源与中继节点的线性预编码方法。
背景技术：
随着通信技术的不断发展，人们对传输速率、传输可靠性、资源利用率以及通信安全等性能要求越来越高。van der Meulen等人于1971年提出了三终端中继协作通信的概念，其核心思想是允许中继节点对来自信源端的信息经过简单放大或者是压缩编码或者是解码再编码后再虚传给信宿，目的是帮助信源传输信息给信宿。但是，到了上世纪八十年代，有关协作中继系统的研究逐渐减少，直到本世纪初才再次引起研究者的广泛关注。因为中继协作通信，可以对抗多径衰落，是提高通信质量的重要手段之一。在中继网络中，信源向信宿发送消息，中继节点也同时接收到这个消息，并将其转发给信宿(或者是经过一定处理之后再进行转发)。最后信宿再利用收到的所有消息，进行解码。在这样的传输模型下，中继节点对信源-信宿之间的通信起到了一定的协助作用，等同于在不需要配置多天线的条件下，提供了一定的空间分集，提高了通信质量。但是单信源单中继单信宿的协作通信方式与现在的蜂窝网络中的拓扑结构不太相符。单个多天线信源(基站)和单个多天线中继站同时服务于多个单天线移动用户的情形，是一种最为实用的协作通信模式。通过一定预编码策略，可以抑制由于同信道传输所造成的干扰给不同用户造成的解码困难问题。显然，这种做法能让一个多天线基站和一个多天线中继同时服务于多个单天线移动用户。Chan-Byoung Chae等人于2008年发表在IEEETrans.Sig.Proc.上的文章 “ΜΙΜΟ Relaying With Linear Processing for MultiuserTransmission in Fixed Relay Networks”,较早考虑了一个基站通过一个中继站同时服用于多个用户的模型。Rui Zhang等人于2009年在IEEE Trans.Sig.Proc.上发表的“Joint Beamforming and Power Control for Mult1-antenna Relay Broadcast Channelwith QoS Constraints” 一文,给出来一种能满足QoS服务的预编码算法。Wei Xu等人于2011 年在 IEEETrans.Commun.上发表的“Joint Precoding Optimization for MultiuserMult1-Antenna Relaying Downlinks Using Quadratic Programming，，一文，给出一种基于二次优化的预编码算法。这就为一个基站通过一个中继站同时服务多个移动用户的研究奠定了理论基础。但是，以上的研究都只是考虑了基站到中继站再到移动用户之间的链路信息，并没有考虑基站到移动用户之间的直接链路信息。2004年3GPP的多伦多会议，提出了著名的LTE (Long Term Evolution)项目。这是3G与4G技术之间的一个过渡，是3.9G的全球标准。它改进并增强了 3G的空中接入技术，采用OFDM和MMO作为其无线网络演进的唯一标准，在20MHz频谱带宽下能够提供下行326Mbit/s与上行86Mbit/s的峰值速率，改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟。Type-1I中继是LTE项目中关于中继的一种重要的提案，该类中继没有小区ID，其应用目的是提供对主eNB信号的分集，或者和主eNB —起进行协作传送，以增加小区容量。Type-1I中继与Type-1中继在理论研究上的最大区别在于，在Type-1I中继场景中，信源(eNB)与信宿(UE)之间存在着直接的通信链路。因此，按照这样的网络拓扑结构，利用直接链路信息进行预编码的方案在多信源Type-1I中继场景中的应用便顺理成章。而目前对于信源(eNB)预编码的研究都是基于Type-1模型，直接链路的信道信息比没有得到有效的利用。是否能利用直接链路的信息进行相关的预编码设计，来提升这个系统的性能，在这方面并没有相关的研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术忽略信源到信宿群的直接链路的不足，信源根据信源到信宿群之间的直接信道信息、信源到中继节点之间的信道信息、以及中继节点到信宿群之间的信道信息和各自的功率控制以及权衡因子，初始化信源与中继节点的编码矩阵，然后生成信宿 群的接收矩阵。在此基础上，假设中继节点处理矩阵和信宿群接收矩阵不变，根据最优化方法去优化信源矩阵；然后假设信源预编码矩阵和信宿群接收矩阵不变，优化中继节点处理矩阵，再假定信源编码矩阵与中继节点的处理矩阵不变更新信宿群的接收矩阵，迭代上述过程直至收敛为止，从而获得最优的信源预编码矩阵和中继节点的收发处理矩阵。本方法创新地综合权衡了信源到信宿群之间的直接链路信息与信源进过中继节点到信宿群之间的中继链路信息，以求系统容量最大化，提供了一种基于中继协作传输的下行广播信道中联合信源与中继节点的线性预编码方法。根据本发明的一个方面，提供一种基于中继协作传输的下行广播信道中的联合信源与中继节点的线性预编码方法，包括以下步骤:步骤1:信源BS根据已获得的信源自身到信宿群MU1, MU2,…，MUk之间的信道信息、信源与中继节点之间信道信息Ha、中继节点与信宿群之间的信道信息I H2r,…，H&、信源的发射功率Ps、中继节点的发射功率已、信源的天线个数Ms、中继节点的天线个数Mp信宿个数K、各个信宿的天线个数Nk个数、以及归一化后的噪声的估计方差1，初始化信源端的
初始线性预编码矩阵P = = [IP2,、中继节点初始处理矩阵F = P I，并根据初
始线性预编码矩阵P和中继节点初始处理矩阵F推算出的各个信宿接收矩阵K, A2,…，Ak,其中:I为单位矩阵A为第i个用户的预编码矩阵；P为功率控制因子，满足中继节点的功率控制方程其中，Tr(A)表示求矩阵A的迹；
—「H 1、、
At =IfHf (HtPPffH^GiGfr,其中，^ =LairFHiJ,代式 GfrGf+，
diag (a, b)表示对角元素为a, b的对角矩阵；信源自身到信宿群MU1, MU2,…，!《队之间的信道信息包括信源与信宿群之间的直接信道信息Hlb，H2b,…，HKb ；步骤2:假设固定中继节点初始处理矩阵F、以及各个信宿接收矩阵A1, A2,…，Ακ，优化信源BS的初始线性预编码矩阵P ；步骤3:假设固定信源BS的初始线性预编码矩阵P、以及各个信宿接收矩阵A1, A2,…，Ak,优化中继节点初始处理矩阵F ；
步骤4:假设固定信源BS的初始线性预编码矩阵P、以及中继节点初始处理矩阵F，优化各个信宿接收矩阵A1, A2,…，Ak ；步骤5:迭代所述步骤2至步骤4直至收敛为止，得到最优的中继节点初始处理矩阵F、最优的信源初始线性预编码矩阵P，然后，信源BS把获得的最优的中继节点初始处理矩阵F传输给中继节点，并把获得的最优的信源初始线性预编码矩阵P以及最优的中继节点初始处理矩阵F —起广播给各个信宿，至此，编码过程结束，开始进行数据信息传输。优选地，所述步骤2，具体为:假设固定中继节点初始处理矩阵F、以及各个信宿接收矩阵A1, A2,…，Ακ，优化信源BS的初始线性预编码矩阵P = [P1,…，Pk…，PJ，其中的第k个Pk为关于功率控制因子λ的函数:
权利要求
1.一种基于中继协作的广播信道中的联合信源中继的预编码方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:信源BS根据已获得的信源自身到信宿群MU1, MU2,…，MUk之间的信道信息、信源与中继节点之间信道信息H,b、中继节点与信宿群之间的信道信息H1,, H2r,…，、信源的发射功率？3、中继节点的发射功率Pm信源的天线个数Ms、中继节点的天线个数凡、信宿个数K、各个信宿的天线个数Nk个数、以及归一化后的噪声的估计方差1，初始化信源端的初始线性预编码矩阵
2.根据权利要求1所述的基于中继协作的广播信道中的联合信源中继的预编码方法，其特征在于，所述步骤2，具体为:假设固定中继节点初始处理矩阵F、以及各个信宿接收矩阵A1, A2,…，Ak,优化信源BS的初始线性预编码矩阵P = [P1,…，Pk…，PJ，其中的第k个Pk为关于功率控制因子λ的函数:
3.根据权利要求2所述的基于中继协作的广播信道中的联合信源中继的预编码方法，其特征在于，所述步骤3，具体为:假设固定信源BS的初始线性预编码矩阵P、以及各个信宿接收矩阵A1, A2，…，Ak，优化中继节点初始处理矩阵F，其中F为关于功率控制因子μ的函数:
全文摘要
本发明公开了一种基于中继协作的广播信道中联合预编码方法，包括信源的预编码、中继处理以及信宿的接收方法。首先，信源初始化信源预编码矩阵和中继处理矩阵，然后信源根据前面两个初始矩阵建立各个信宿的接收矩阵；然后，假定中继矩阵和信宿群的接收矩阵不变,优化信源预编码矩阵；接着，假定已优化的信源预编码矩阵和各个信宿接收矩阵不变，优化中继处理矩阵；同理，假定已优化的信源和中继矩阵不变，优化各个信宿的接收矩阵；迭代上述过程直至收敛。最后信源把中继处理矩阵传输给中继并把信源的预编码矩阵和中继处理矩阵广播给信宿群。本方法创新地利用了信源到信宿群的直接链路以及信源-中继-信宿群之间的中继链路以提高系统的总容量。
文档编号H04W52/42GK103095412SQ20131001197
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月11日 优先权日2013年1月11日
发明者万海斌, 陈文 申请人:上海交通大学