蜂窝通信系统中的协作伙伴选择和预编码协作通信方法

摘要

本发明公开了一种蜂窝通信系统中的协作伙伴选择和预编码协作通信方法。其步骤为：1)上行信道质量差的用户终端向基站发送协作通信请求；2)基站为用户终端选择伙伴终端；3)在协作周期的第一帧内，用户终端向基站发送本地数据，基站和伙伴终端同时接收该数据；4)在协作周期的第二帧内，伙伴终端向基站发送本地数据，基站和用户终端同时接收该数据；5)在协作周期的第三帧内，用户终端和伙伴终端利用基站反馈回的预编码矩阵对中继数据进行预处理，并同时向基站发送；6)基站将在不同帧传输时隙内接收的信号进行联合判决，得到发送信号的估计值。本发明具有实现复杂度低，系统资源利用率高的优点，用于蜂窝通信系统中的可靠数据传输。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信领域，特别是涉及一种蜂窝通信系统中的协作伙伴选择和预编码协作通信方法。

背景技术

由于无线信道会受到阴影衰落、多径衰落、干扰等因素的影响，发送信号在信道中传输时会经历严重的衰减和波动。大量研究表明，多天线分集技术可以有效抵抗无线网络中多径衰落的影响，提高网络容量，改善系统性能。然而，在实际的蜂窝通信网络中，用户终端需要保持相对简单并便于携带。由于体积、功率和实现复杂度等限制，在用户终端实现多天线的可行性很低。

未来蜂窝通信系统将致力于发展更高速率、更大动态范围的数据业务，同时需要扩大网络覆盖面积、提高频谱效率并增加系统的鲁棒性。近年来，一种多天线技术的延伸—协作通信技术引起了各界的广泛关注。在蜂窝通信系统中使用“用户协作”策略，可以利用用户终端间有效的天线共享，为用户终端实现一个虚拟的天线阵列，克服用户终端复杂度以及尺寸大小的限制，同时可以克服无线信道的衰落特性，获得分集增益，提高无线网络的覆盖率和容量，更好地保证不同种类业务的服务质量需求，增强无线系统的各项性能指标。协作通信技术是一种低成本高效的无线资源分配解决方案，为多天线技术走向实用化提供了一条新的途径，极有可能成为下一代无线通信网中重要的网络组成构架。

在用户协作分集系统中，以两个用户互相协作向基站发送信息为例，每个用户的信号分两路到达基站：一路是直接从用户发送至基站；另一路是先从用户发送至协作伙伴，再由协作伙伴转发至基站。由于系统中各用户的上行信道质量，用户和用户间的信道质量的差异性，如何在多用户环境下为用户指派一个“好”的协作伙伴，即协作伙伴的选择问题是影响协作分集系统性能的首要因素。其次，在协作用户对形成后，由于用户均有信息向基站发送，如何在有限的系统资源条件下，如频率/时隙/码字等实现多用户信息接入，使得系统的资源利用率、编码增益和分集增益最大化，即用户协作通信方式是协作分集系统中的另一个问题。因此，协作伙伴选择、协作通信方式是用户协作分集系统中重要的研究内容。

针对无线通信系统中的协作伙伴选择问题，2007年Kyu-Sung Hwang等在“IEEEInternational Conference on Wireless Communications and Mobile Computing”(《电气电子工程师协会无线通信和移动计算国际会议》)上发表的“Switch-and-ExamineNode Selection for Efficient Relaying Systems”(《高效中继系统中的切换-检验节点选择方法》)和在“IEEE 66^th Vehicular Technology Conference”(《电气电子工程师协会车辆技术会议》)上发表的“An Efficient Relay Selection Algorithm for CooperativeNetworks”(《协作网络中一种高效的中继选择方法》)中提出了一种“切换和检验中继节点算法”，这种算法先根据达到一定的网络性能所需的链路质量设定信噪比门限，当源—中继和中继—目的端的链路质量均高于设定门限时，选择该中继进行协作传输，直至该链路质量低于设定的门限或用户信息传输结束。2008年Ahmed S.Ibrahim等在“IEEE Trans.on Wireless Communications”(《电气电子工程师协会无线通信汇刊》)(2008年7月第7卷)上发表的“Cooperative Communications withRelay-Selection：When to Cooperate and Whom to Cooperate With？”(《协作通信中的中继选择：何时协作和与谁协作？》)中通过向源端反馈部分信道状态信息，使源端能够决定何时需要与一个中继进行协作，且在协作时选择哪个中继进行服务，即回答“何时协作”和“与谁协作”的问题。然而，上述研究均需要用户自己决定是否需要进行协作传输，而且用户还需实时获取基站和各个中继端之间的信道信噪比，大大增加了用户终端的实现复杂度，不适用于未来蜂窝移动通信系统的发展要求。

当协作用户对形成后，由于每个用户均有信息向基站发送，因此如何在有限的系统资源条件下，如频率/时隙/码字和功率等实现多用户信息接入和系统资源的优化配置，从而降低协作开销、提高系统性能和资源利用效率是重要的研究内容。因此，大量文献研究了在给定协作用户对的条件下，协作通信的实现方式及系统资源的优化配置。

在传统协作分集系统中，典型的基于时分的两用户协作场景为：每个用户将自身可用时隙的一半用来发送本地信息，另一半用来发送伙伴的中继信息。显然，此类协作资源分配方式会导致系统带宽扩展和协作用户的速率损失，导致系统的低资源利用率问题。针对此问题，2005年P.Tarasak等在“IEEE Journal on Selected Areas incommunications”(《国际电气电子工程师协会通信专刊》)(2005年9月第23卷)发表的“Differential modulation for two-user cooperative diversity systems”(《两用户协作分集系统中的差分调制》)中提出了一种基于差分调制的两用户协作通信方法，该方法利用差分空时编码技术，使协作用户能同时转发伙伴的中继信息，大大提高了信道资源利用率。但是其不足在于：差分检测与相干检测相比，存在3dB的性能损失，限制了系统传输性能的进一步提高；用户只能采用二进制移相键控调制，限制了系统传输速率的进一步提高；只研究了基站配置单根天线的情况。2007年V.Mahinthan等在“IEEE Trans.On Wireless Communications”(《国际电气电子工程师协会无线通信汇刊》)(2007年1月第6卷)发表的“A Cooperative Diversity Scheme Based onQuadrature Signaling”(《基于正交信号的协作分集机制》)中提出了一种基于信号正交的重叠调制协作通信方法。该方法利用QPSK调制的同相和正交分量，使每个用户同时发送本地信息和伙伴的中继信息，不会导致协作系统带宽增加，且用户能以极低的复杂度获取伙伴发送的本地信息。但是其不足在于：用户只能采用一维星座调制方式，限制了系统性能的提高；没有考虑如何将信道编码技术与正交调制技术相结合，限制了系统性能的提高；没有考虑基站配置多根天线的情况；没有考虑发射端优化技术，限制了系统性能的提高。

此外，预编码技术是目前国内外多输入多输出MIMO系统中的研究热点，其中基于目的端的有限反馈进行发射端优化的预编码技术更是备受关注，如2007年NengWang等在“IEEE Trans.On vehicular technology”(《国际电气电子工程师协会车载技术汇刊》)(2007年2月第56卷)发表的“Minimum BER Transmit Power Allocation andBeamforming for Two-Input-Multiple-Output Spatial Multiplexing Systems”(《两输入多输出空分复用系统中的最小发射功率分配和波束成形技术》)等。然而，在用户协作分集系统中，如何采用类似的有限反馈预编码设计方法进行发射端优化，现有文献尚未涉及。

综上所述，提出一种低复杂度的协作伙伴选择方法和适用于用户协作传输系统的预编码协作通信方式，尽可能降低用户终端的复杂度，充分利用有限的系统资源，使系统的编码增益和分集增益最大化，提高网络传输可靠性，成为中继传输系统中需要解决的重要问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种蜂窝通信系统中的协作伙伴选择和预编码协作通信方法，以充分利用信道和基站端配置的多天线系统资源，使协作用户终端在不受调制方式限制的条件下采用将预编码和信道编码技术相结合的协作方式，获得最大的空间分集增益和编码增益，从而降低协作开销、提高系统性能和资源利用效率。

为实现上述目的，本发明中的协作伙伴选择方法，包括如下步骤：

步骤1，将上行信道信噪比γ_Ad低于预设门限γ_T的任一用户作为第一用户终端A，并向基站BS发送协作通信请求；

步骤2，基站BS收到第一用户终端A的协作通信请求后，获取第一用户终端A的邻居用户列表，并选择邻居用户列表中的第一个用户作为初始选择的协作伙伴对象；

步骤3，通过基站测量初始选择的协作伙伴对象与第一用户终端A之间的信道信噪比γ_1A，如果γ_1A大于预设门限γ_T，则进一步判断初始选择的协作伙伴对象的上行信道信噪比γ_1d是否大于预设门限γ_T，若是，则选择该用户为伙伴终端；否则，将选择邻居用户列表中的下一个用户，并重复本步骤中的操作；

步骤4，对于邻居用户列表中的任意用户j，如果均不能同时满足所述的终端间信道信噪比γ_jA和上行信道信噪比γ_jd大于预设门限γ_T的条件，则将满足条件的用户作为选择的伙伴终端；

步骤5，将选择的伙伴终端作为第二用户终端B，与第一用户终端A进行协作通信。

为实现上述目的，本发明的预编码协作通信方法，包括如下步骤：

1)在协作周期的第一帧内，第一用户终端A向基站BS发送本地数据s₁，基站BS和第二用户终端B同时接收第一用户终端A所发送的数据，第二用户终端B得到第一用户终端A发送数据的估计值

2)在协作周期的第二帧内，第二用户终端B向基站BS发送本地数据s₂，基站BS和第一用户终端A同时接收第二用户终端B所发送的数据，第一用户终端A得到第二用户终端B发送数据的估计值

3)在协作周期的第三帧内，第二用户终端B将在第一帧内接收的第一用户终端A的估计值通过预编码处理后向基站发送，第一用户终端A将在第二帧内接收的第二用户终端B的估计值通过预编码处理后向基站发送。

4)基站将不同帧传输时隙内接收的第一用户终端A和第二用户终端B的信号合并后采用最大似然ML判决，得到所述本地数据s₁和s₂的估计值。

上述预编码协作通信方法，其中步骤3)所述的预编码处理，按如下步骤进行：

3a)基站构建预编码矩阵；

首先，对用户终端的上行信道传输矩阵H＝[h_1dh_2d]进行估计，其中h_1d，h_2d分别表示第一用户终端A和第二用户终端B至基站的信道矩阵；

接着，将信道传输矩阵H沿第一用户终端A的信道矩阵方向分解为平行分量h_pa＝h_1d[1 a]和正交分量h_or＝h_2d-ah_1d，$a=h_{1d}^H{h}_{2d}/h_{1d}^H{h}_{1d}.$并用该平行分量h_pa和正交分量h_or表示所述s₁和s₂的判决统计信号；

然后，根据最小误码率准则，得到在二进制移相键控BPSK调制下的预编码矩阵F_BPSK；

$F_{\mathrm{BPSK}}=\left(\begin{array}{cc}{(1+{\left|k\right|}^2)}^{-1/2}& {(1+{\left|k\right|}^2)}^{-1/2}j\\ k{(1+{\left|k\right|}^2)}^{-1/2}& k{(1+{\left|k\right|}^2)}^{-1/2}j\end{array}\right)={(1+{\left|k\right|}^2)}^{-1/2}\left(\begin{array}{c}1\\ k\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& j\end{array}\right)$

其中$k=\frac{\rho +\sqrt{{\rho }^2+4{\left|a\right|}^2}}{2a},$$\rho =\frac{{\left|\right|h_{2d}-{\mathrm{ah}}_{1d}\left|\right|}^2}{{\left|\right|h_{1d}\left|\right|}^2}+{\left|a\right|}^2-1;$

3b)基站将预编码矩阵F_BPSK分别反馈给第一用户终端A和第二用户终端B；

3c)第一用户终端A将所述数据s₂与预编码矩阵相乘后发送，第二用户终端B将所述数据s₁与预编码矩阵相乘后发送。

本发明具有如下优点：

1.本发明由于在基站收到用户终端发送的协作通信请求后，主动为该用户终端指派协作伙伴，而不需要用户终端自己选择协作伙伴，因此在提高网络传输可靠性，满足业务服务质量需求的同时，降低了用户终端实现复杂度，且具有较强的实用性。

2.本发明由于一个协作传输周期分三帧完成，允许用户终端和伙伴终端同时向基站发送中继数据，提高了系统传输速率和协作分集系统带宽效率。

3.本发明由于基站对协作用户的信道传输矩阵进行正交分解，基于最小误码率准则设计的预编码矩阵反馈量低，用户终端利用基站反馈的预编码矩阵对中继数据进行优化处理后同时发送，使协作终端获得最大的空间分集增益和编码增益，确保系统的传输质量。

附图说明

图1是本发明的协作通信流程图；

图2是本发明的协作伙伴选择流程图；

图3是现有两用户协作通信系统模型图；

图4是本发明的协作传输帧格式图；

图5是本发明的预编码处理流程图；

图6是本发明将预编码和信道编码相结合时的协作通信过程原理图；

图7是在慢衰落信道条件下，本发明的预编码协作通信方法与直接传输和传统协作通信方法的比较图；

图8是在快衰落信道条件下，本发明的预编码协作通信方法与直接传输和传统协作通信方法的比较图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步描述。

参照图1，本发明的具体步骤如下：

步骤一：上行信道信噪比低于预设门限的用户终端向基站BS发送协作通信请求。

在蜂窝通信系统中，基站BS可测量其覆盖范围内每个用户的上行信道质量，并通过控制信道反馈给用户终端。由于每个用户终端的业务需求不同，可根据误帧率，或误符号率，或误码率，或中断概率性能要求的信噪比γ预设一个门限γ_T，通常情况下γ_T≥γ，并将上行信道信噪比γ_Ad低于预设门限γ_T的任一用户作为第一用户终端A，由该第一用户终端A向基站BS发送协作通信请求。

步骤二：基站BS为第一用户终端A选择伙伴终端。

如图2所示，基站BS收到第一用户终端A的协作通信请求后，获取第一用户终端A周围没有与其它用户进行协作通信的用户终端集合，作为第一用户终端A的邻居用户列表，并选择邻居用户列表中的第一个用户作为初始选择的协作伙伴对象；基站BS通过第一用户终端A与初始选择的协作伙伴对象之间的距离d直接计算两者之间信道的信噪比γ_1A，即γ_1A∝d^-α，其中α为路径损耗指数，2≤α≤6，并比较γ_1A与预设门限γ_T的大小；如果γ_1A大于预设门限γ_T，则进一步判断初始选择的协作伙伴对象的上行信道信噪比γ_1d是否大于预设门限γ_T，若是，则选择该用户为伙伴终端；否则，将选择邻居用户列表中的下一个用户，并重复与初始选择的协作伙伴对象相关的操作；对于邻居用户列表中的任意用户j，如果均不能同时满足所述的终端间信道信噪比γ_jA和上行信道信噪比γ_jd大于预设门限γ_T的条件，则将满足条件的用户作为选择的伙伴终端；将选择的伙伴终端作为第二用户终端B，与第一用户终端A进行协作通信。

第一用户终端A，第二用户终端B和基站组成的两用户协作分集系统如图3所示。其中第一用户终端A和第二用户终端B由于各自的体积、功耗和硬件复杂度等因素的限制，只能配置单天线；基站BS配置多根天线。基站BS采用的多用户接入控制为时分多址接入TDMA，或频分多址接入FDMA，或码分多址接入CDMA，或正交频分多址接入OFDMA。第一用户终端A和第二用户终端B互为伙伴终端，共享彼此的信道和发送功率等资源，形成虚拟的多天线发射机向目的终端发送信息，以获得发射分集增益。

步骤三：第一用户终端A和第二用户终端B互相协作向基站BS发送信息。

图4给出了协作传输帧格式，其中每个协作周期分三帧完成。在协作周期的第一帧内，第一用户终端A向基站BS发送本地数据s₁，基站BS和第二用户终端B同时接收第一用户终端A所发送的数据，第二用户终端B得到第一用户终端A发送数据的估计值；在协作周期的第二帧内，第二用户终端B向基站BS发送本地数据s₂，基站BS和第一用户终端A同时接收第二用户终端B所发送的数据，第一用户终端A得到第二用户终端B发送数据的估计值；在协作周期的第三帧内，第二用户终端B将在第一帧内接收的第一用户终端A的估计值通过预编码处理后向基站发送，第一用户终端A将在第二帧内接收的第二用户终端B的估计值通过预编码处理后向基站发送。

该预编码处理如图5所示，其步骤如下：

3a)基站BS构建预编码矩阵

首先，对用户终端的上行信道传输矩阵H＝[h_1dh_2d]进行估计，其中h_1d，h_2d分别表示第一用户终端A和第二用户终端B的上行信道传输矩阵；

接着，将信道传输矩阵H沿第一用户终端A的信道矩阵方向分解为平行分量h_pa＝h_1d[1 a]和正交分量h_or＝h_2d-ah_1d，$a=h_{1d}^H{h}_{2d}/h_{1d}^H{h}_{1d}.$并用该平行分量h_pa和正交分量h_or表示所述s₁和s₂的判决统计信号；

然后，根据最小误码率准则，得到在二进制移相键控BPSK调制下的预编码矩阵F_BPSK；

$F_{\mathrm{BPSK}}=\left(\begin{array}{cc}{(1+{\left|k\right|}^2)}^{-1/2}& {(1+{\left|k\right|}^2)}^{-1/2}j\\ k{(1+{\left|k\right|}^2)}^{-1/2}& k{(1+{\left|k\right|}^2)}^{-1/2}j\end{array}\right)={(1+{\left|k\right|}^2)}^{-1/2}\left(\begin{array}{c}1\\ k\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& j\end{array}\right)$

其中$k=\frac{\rho +\sqrt{{\rho }^2+4{\left|a\right|}^2}}{2a},$$\rho =\frac{{\left|\right|h_{2d}-{\mathrm{ah}}_{1d}\left|\right|}^2}{{\left|\right|h_{1d}\left|\right|}^2}+{\left|a\right|}^2-1;$

3b)基站将预编码矩阵F_BPSK分别反馈给第一用户终端A和第二用户终端B；

3c)第一用户终端A将所述数据s₂与预编码矩阵相乘后发送，第二用户终端B将所述数据s₁与预编码矩阵相乘后发送。

图6给出了将预编码和信道编码相结合时，用户终端的协作通信过程。用户终端将本地数据依次经过循环冗余校验CRC编码、信道编码和调制后发送。其中所述的信道编码采用低密度校验码LDPC码，或卷积码，或两者的级联方式，并可以通过对这些码进行凿孔，提高编码效率。当用户终端接收伙伴终端的信号时，先经过解调和信道译码，并对译码后的数据进行正确性校验。当对伙伴终端的数据解码校验错误时，用户终端将保持静默；当对伙伴终端的数据解码校验正确时，用户终端将译码后的数据依次经过信道编码，调制和预编码处理后发送。所述的用户终端发送本地数据和中继数据，根据信道状况调整发射功率；所述的对译码后的数据进行正确性检验，是通过CRC校验，或信道编码自身的校验矩阵，或信道编码自身的校验矩阵与CRC校验的级联方式进行；所述的预编码矩阵为有限比特反馈预编码矩阵，由基站根据用户终端传输信道矩阵计算后反馈至用户终端，但不限于本发明给出的这种有限反馈预编码矩阵形式。

步骤四：基站将不同帧传输时隙内接收的用户信号进行联合判决。

假设第一用户终端A在第一帧内发送本地符号s₁，第二用户终端B在第二帧内发送本地符号s₂，且由于伙伴终端选择算法的效用性，第一用户终端A和第二用户终端B在第一帧和第二帧内互相译码正确，因此第一用户终端A在第三帧内发送的中继数据为s₂，第二用户终端B在第三帧内发送的中继数据为s₁。则基站BS在每帧内接收的信号依次为：$r_d^1=h_{1d}^1{s}_1+n_d^1,$$r_d^2=h_{2d}^2{s}_2+n_d^2$和$r_d^3=\mathrm{HFs}+n_d^3=\left(\begin{array}{cc}{h}_{2d}^3& h_{1d}^3\end{array}\right)F\left(\begin{array}{c}{s}_1\\ s_2\end{array}\right)+n_d^3,$其中上标表示时隙，n_d表示接收端的加性噪声，服从均值为0的复高斯分布。因此，在第一帧和第二帧内基站对s₁和s₂的判决统计信号为

$\left(\begin{array}{c}{\tilde{s}}_1^1\\ {\tilde{s}}_2^2\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{\left|\right|h_{1d}\left|\right|}^2& s_1\\ {\left|\right|h_{2d}\left|\right|}^2& s_2\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{n}_1\\ n_2\end{array}\right)$

以用户终端采用BPSK调制信号为例，基站对两用户的上行信道矩阵沿第一用户终端A的方向分解为平行分量和正交分量后，利用最小误码率准则计算出的最优预编码矩阵F_BPSK，可得到第三帧内基站对s₁和s₂的判决统计信号为

$\left(\begin{array}{c}{\tilde{s}}_1^3\\ {\tilde{s}}_2^3\end{array}\right)=\left(\frac{{(1+{\left|k\right|}^2)}^{-1}}{2}\right)\left(\begin{array}{c}{s}_1\\ s_2\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}>n1\prime \\ n_2^{\prime }\end{array}\right)$

基站将不同帧传输时隙内接收的第一用户终端A和第二用户终端B的统计信号联合后采用最大似然ML判决，可得到发送数据s₁和s₂的估计值：

${\hat{s}}_1=\underset{{\hat{s}}_1\in S}{\arg \min }\left(d^2({\tilde{s}}_1^1,{\hat{s}}_1)d^2\right({\tilde{s}}_1^3,{\hat{s}}_1\left)\right)$

本发明的优点可以通过仿真进一步说明：

仿真条件：接收端采用2根天线，帧长500比特，帧数为10⁶。在各种系统中，用户发送每帧的总功率不变。

仿真结果：如图7和图8所示。

图7和图8分别给出了在慢衰落信道和快衰落信道条件下，本发明的预编码协作通信方法与直接传输和传统协作通信方法的比较图。图7和8表明，与直接传输系统相比，本发明所采用的预编码协作通信方法能获得显著的性能增益，如在BER＝10^-4处，增益分别约为6dB和9dB，与传统正交的无干扰协作通信方法相比，本发明所采用的预编码协作通信方法不仅能提高协作效率，而且在BER＝10^-4处也能分别获得约1dB和3dB的性能增益。此外，图7和8还说明，在慢衰落信道条件下，采用预编码协作时用户能获得二阶完全分集增益，而在快衰落信道条件下，用户获得的分集增益大于二阶完全分集增益，达到了最大的空间分集增益。

仿真结果表明，采用本发明能够确保蜂窝通信系统的传输质量。

上述步骤描述了本发明的优选实例，显然本领域技术人员通过参考本发明的优选实例和附图可以对本发明做出各种修改和替换，这些修改和替换都应落入本发明的保护范围之内。