專利名稱：多用戶發(fā)送分集及中繼方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及多用戶發(fā)送分集與中繼的方法和系統(tǒng)，更具體地講，涉及多用戶多信道的無線通信系統(tǒng)中，在信號匯聚發(fā)送點聯(lián)合編碼以實現(xiàn)發(fā)送分集與中繼的方法和系統(tǒng)，從而提高無線通信系統(tǒng)的有效性和可靠性。
背景技術(shù)：
在無線移動通信系統(tǒng)中，從移動站或基站經(jīng)天線發(fā)射的信號通過無線移動信道，經(jīng)過復雜的傳播環(huán)境到達接收端的接收天線。由于傳播環(huán)境的作用，接收天線接收到的信號是各反射、衍射和散射分量以及信道噪聲的復合，因而會產(chǎn)生嚴重的失真。另外，在移動信道中，由于移動站的運動或信道環(huán)境的改變會使信道特性隨時間變化，接收到的信號由于多普勒效應而會產(chǎn)生更為嚴重的失真。這樣，無線移動信道實際上是一個時變頻率選擇性衰落信道。在這種情況下，使用無線移動信道實現(xiàn)高速多媒體業(yè)務接入無疑面臨巨大的挑戰(zhàn)。此外，除了多徑傳播和時變特性外，無線移動信道的路徑損耗隨傳輸距離的增長而呈指數(shù)地增長。
人們通常使用無線中繼以及分集的方法來對抗無線信道的信號衰落。對于無線蜂窩通信網(wǎng)、無線自組織網(wǎng)以及無線傳感網(wǎng)絡，在網(wǎng)絡的作用范圍內(nèi)設置一定數(shù)量的無線中繼站可以顯著提高網(wǎng)絡吞吐量或者傳輸可靠性。研究表明，網(wǎng)絡內(nèi)用戶之間互相協(xié)作中繼也可以達到提高網(wǎng)絡吞吐量或傳輸可靠性的目的。Aria Nosratinna，Todd E.Hunter和AhmadrezaHedayat發(fā)表的題為“Coopertive communication in wireless networks”的文章對此做了說明(具體內(nèi)容參見IEEE Communications magazine，Oct.2005，pp.74-80)。
圖1A和1B分別示出了在兩個用戶之間通過中繼實現(xiàn)雙工通信的順序示意圖。如圖1A所示，參加雙向通信的兩個用戶分別用編號U0和U1表示。首先，用戶U0將要發(fā)送的數(shù)據(jù)符號S0通過無線信道發(fā)送出去，中繼站R接受并檢測出該信號后，使用一個中繼信道將該符號轉(zhuǎn)發(fā)到接收用戶U1。然后，用戶U1發(fā)送數(shù)據(jù)符號S1，中繼站檢測并轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)符號S1到用戶U0。這樣，如果采用時分方式，完成一次雙向數(shù)據(jù)傳送共需要4個時隙。對于采用頻分和碼分方式的系統(tǒng)，則分別需要4個頻帶和4個碼道。
圖2示出了傳統(tǒng)的無線中繼的方框圖。其中用戶U0和用戶U1分別通過源發(fā)送信道1和2發(fā)送相應數(shù)據(jù)符號S0和S1。中繼站中的單用戶檢測器3，4分別接收用戶U0和用戶U1發(fā)送的數(shù)據(jù)符號S0和S1，并通過中繼信道5和6分別轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)符號S0和S1到接收端。在實際的無線移動通信系統(tǒng)中，可以采用時分、頻分、碼分方式以及這些方式的組合。為了簡單起見，以下不再區(qū)分時隙、頻帶和碼道而統(tǒng)稱為信道。Peter Larsson(比得.拉爾森)等人發(fā)表的題為“Coded b-directional relaying”的文章(具體內(nèi)容參見The 5th Scandianvian WS on wireless AD-hoc networks(AdHoc’05)，Stockholm，Sweden，May 2005)對傳統(tǒng)的中繼方式進行了改進。圖1B及圖3示出了這種被稱為編碼雙向中繼系統(tǒng)。
在圖1B所示的順序示意圖中，用戶U0和用戶U1分別發(fā)送各自需要傳送的信號S0和S1到中繼站，中繼站檢測出兩個信號S0和S1，并將信號S0和S1疊加在一起，然后使用一個中繼信道轉(zhuǎn)發(fā)出去。由于無線信道本身的廣播特性，相應的接收端用戶U0和用戶U1都能夠接收到該疊加信號。另外，由于用戶U0和用戶U1都準確地知道自己所發(fā)送的信號，接收端從復合信號減去自己發(fā)送的信號就能夠提取出對方傳送給自己的信號。圖3示出了采用拉爾森等人的方法的無線中繼的方框圖。其中用戶U0和用戶U1分別通過源發(fā)送信道1和2發(fā)送相應數(shù)據(jù)符號S0和S1。中繼站中的單用戶檢測器3，4分別接收用戶U0和用戶U1發(fā)送的數(shù)據(jù)符號S0和S1，并在模二加法器5中對接收的數(shù)據(jù)符號S0和S1進行相加得到復合信號，然后通過一個中繼信道6轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)符號S0和S1到相應的接收端。接收端從接收的復合信號減去自己發(fā)送的信號就能夠提取出對方傳送給自己的信號。在圖1中，S0和S1代表定義于有限域的信息，圖中兩個符號的加法為定義于有限域GF(q)中的加法，q為調(diào)制階數(shù)。
可以看出，用拉爾森等人的方法完成雙向通信僅需要3個信道。如果不考慮由于傳輸差錯帶來的流量損失，拉爾森等人的方法與傳統(tǒng)方法相比，其帶寬效率提高了1/3。換句話說，在相同的傳輸帶寬條件下，其網(wǎng)絡吞吐量提高了1/3。
在實際的無線系統(tǒng)中，有時對系統(tǒng)的傳輸可靠性的要求要高于對系統(tǒng)的傳輸有效性的要求。在無線通信應用中，經(jīng)常用來提高傳輸可靠性的方法就是采用分集技術(shù)。已經(jīng)研究出了包括多天線系統(tǒng)在內(nèi)的多種分集技術(shù)。多天線系統(tǒng)可以有效地提高無線通信系統(tǒng)的有效性和可靠性，但該方法需要為發(fā)送機和接收機配置更多的天線，增加了硬件成本，同時也不利于移動設備的小型化和微型化。
另外，在多用戶多信道無線通信系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的發(fā)送和中繼方式為每個用戶單獨分配信道，各用戶使用各自獨立的信道傳送其信號，難以對抗信道衰落，因而其傳輸可靠性較差；拉而森等人的編碼雙向中繼方法在中繼站對兩個用戶發(fā)送的信號采用模二加的方法疊加在一起，使用一個中繼信道傳輸，與傳統(tǒng)的中繼相比，每兩個用戶可以少使用一個信道，提高了傳輸?shù)挠行浴Ｈ欢?，拉爾森等人的中繼方法沒有考慮傳輸?shù)目煽啃浴?br>
發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種無線通信系統(tǒng)中的多用戶發(fā)送分集及發(fā)送分集中繼的方法和系統(tǒng)，將多個用戶發(fā)送的信號匯聚在信號匯聚點，并對多用戶信號進行線性變換，然后將經(jīng)變換的信號送入多個信道進行傳送。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種無線通信系統(tǒng)中的多通信終端發(fā)送分集及發(fā)送分集中繼方法，包括步驟所述多個通信終端使用各自的源發(fā)送信道發(fā)送信號；信號匯聚點接收經(jīng)過所述多個通信終端發(fā)送的信號，對所述多個通信終端發(fā)送的信號進行線性變換，使用多個信道轉(zhuǎn)發(fā)經(jīng)過線性變換的信號，所述多個信道中的每一個信道轉(zhuǎn)發(fā)多個通信終端發(fā)送的信號的一個線性組合；和在接收端對信號匯聚點轉(zhuǎn)發(fā)的信號進行解調(diào)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種無線通信系統(tǒng)中的多通信終端發(fā)送分集及發(fā)送分集中繼系統(tǒng)，包括多個發(fā)送端，使用各自的源發(fā)送信道發(fā)送信號；中繼站，用于接收經(jīng)過所述多個通信終端發(fā)送的信號，對所述多個通信終端發(fā)送的信號進行線性變換，并轉(zhuǎn)發(fā)經(jīng)過線性變換的信號；和多個接收端，對中繼站轉(zhuǎn)發(fā)的信號進行解調(diào)。
本發(fā)明將多用戶信號在信號匯聚發(fā)送站點聯(lián)合編碼，然后采用多個發(fā)送信道發(fā)送聯(lián)合編碼的信號。由于信號匯聚站點的每個發(fā)送信道的信號都包含了多個用戶信號，因而實現(xiàn)了發(fā)送分集，可以有效地提高無線衰落信道的傳輸可靠性。同時，通過選擇用戶數(shù)量以及信號匯聚發(fā)送站點的發(fā)送信道數(shù)量，可以靈活地改變系統(tǒng)的帶寬效率，保證傳輸有效性。這樣，本發(fā)明的發(fā)送分集和發(fā)送分集中繼兼顧了傳輸有效性和可靠性兩個方面。同時，在接收端，本發(fā)明的發(fā)送分集和發(fā)送分集中繼可以采用格型解碼方法對接收信號進行最大似然檢測，因而解調(diào)復雜度低。


通過閱讀和理解下面參考附圖對本發(fā)明優(yōu)選實施例所做的詳細描述，將使本發(fā)明的這些和其它目的、特征、和優(yōu)點變得顯而易見。其中圖1A和1B分別示出了現(xiàn)有技術(shù)中在兩個用戶之間通過中繼實現(xiàn)雙工通信的順序示意圖；圖2示出了傳統(tǒng)的無線中繼的方框圖；圖3示出了現(xiàn)有技術(shù)中采用拉爾森等人的方法的無線中繼的方框圖；圖4是表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用戶發(fā)送分集中繼過程的示意圖，其中給出了在兩個用戶的情況下的發(fā)送分集中繼的過程；圖5是表示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例在N個用戶、N個源發(fā)送信道、N個中繼信道的發(fā)送分集中繼過程的示意圖；圖6是表示根據(jù)本發(fā)明的再一個實施例在N個用戶、N個源發(fā)送信道、M個中繼信道的發(fā)送分集中繼過程的示意圖；圖7是表示根據(jù)本發(fā)明實施例的N用戶、N源發(fā)送信道、M中繼信道的發(fā)送分集中繼系統(tǒng)的方框圖；圖8是表示根據(jù)本發(fā)明實施例采用格型解碼算法的流程圖；圖9是表示根據(jù)本發(fā)明采用QPSK和16QAM作為實例的發(fā)送信號星座示意圖及格雷映射；
圖10和圖11分別示出了本發(fā)明的多用戶發(fā)送分集中繼與傳統(tǒng)中繼方法在使用QPSK調(diào)制和16QAM調(diào)制的情況下的比特差錯性能的比較示意圖；圖12示出了拉爾森編碼雙向中繼在使用QPSK調(diào)制與本發(fā)明的兩用戶發(fā)送分集中繼在使用8PSK調(diào)制時，不同帶寬效率情況下的比特差錯率性能比較示意圖；圖13示出了拉爾森編碼雙向中繼與本發(fā)明的多用戶發(fā)送分集中繼在相同帶寬效率情況下的比特差錯率性能比較示意圖；和圖14示出了無線蜂窩系統(tǒng)的下行方向基站使用和不使用多用戶發(fā)送分集時比特差錯性能比較示意圖。
具體實施例方式
下面參照附圖對作為本發(fā)明實施例的無線通信系統(tǒng)中的多用戶發(fā)送分集及發(fā)送分集中繼的方法和系統(tǒng)進行詳細說明，在描述過程中省略了對于本發(fā)明來說是不必要的細節(jié)和功能，以防止對本發(fā)明的理解造成混淆。
作為本發(fā)明的一個實施例，首先考慮無線通信系統(tǒng)中的2個用戶通過一個中繼站實現(xiàn)雙向通信的情況。圖4給出了在兩個用戶的情況下，本實施例的發(fā)送分集中繼過程的示意圖。
為了提高無線通信系統(tǒng)的傳輸可靠性，可以考慮使用4個信道。與傳統(tǒng)方法不同的是，中繼站不是使用兩個中繼信道獨立地發(fā)送兩個用戶的信號，而是對兩個信號進行線性組合，每一個信道傳送一個線性組合結(jié)果。具體地說，如圖4所示，第0號中繼信道傳送兩個用戶U0和U1發(fā)送的信號S0和S1的和(S0+S1)，第1號中繼信道傳送兩個用戶U0和U1發(fā)送的信號S0和S1的差(S0-S1)。應該指出，此處的加減法定義在復數(shù)域，而拉爾森等人的方法使用的是有限域運算。就是說，在圖4所示的過程中，S0和S1代表定義于有限域GF(q)的信息，x0和x1分別表示S0和S1經(jīng)q進制星座映射后的復數(shù)信號點?，F(xiàn)在每一個接入信道都包含了兩個用戶的信號，因而實現(xiàn)了發(fā)送分集。
然而，本發(fā)明不限于兩個用戶，而是可以直接推廣到N個用戶。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，可以首先考慮N個用戶，N個源端發(fā)送信道和N個中繼信道的情況。N個用戶共使用2N個信道，平均每個用戶使用2個信道。在兩個用戶的情況下，在中繼站對兩個用戶發(fā)送的信號分別計算二者發(fā)送的信號之和以及二者發(fā)送的信號之差。實際上，可以將這種計算看作是2點傅立葉變換或者2點哈達瑪變換?？梢岳斫猓谕ㄐ畔到y(tǒng)中有N個用戶進行通信時，在N＞2的情況下，可以采用N點傅立葉變換或者N點哈達瑪變換。當N＞2時，N點哈達瑪變換只有當N為4的整數(shù)倍時才能使用，而傅立葉變換對于任何自然數(shù)N都可以采用并且正交。因此可以使用傅立葉變換作為發(fā)送分集矩陣。也就是說，中繼站檢測出N個信源發(fā)送的信號符號后，使用傅立葉矩陣對這N點信號符號進行線性變換，將得到的N個結(jié)果送入N個中繼信道發(fā)送。此時，發(fā)送到每一個接入信道的信號都是N個用戶的信號符號的線性組合，包含了多個用戶的信號，因而實現(xiàn)了發(fā)送分集。N用戶、N源發(fā)送信道、N中繼信道的發(fā)送分集中繼如圖5所示。在圖5中，zi是x0，x1，...，xN-1線性組合的結(jié)果，其中xj是用戶發(fā)送的信號sj經(jīng)q進制星座映射后的復數(shù)信號點i，j＝0，1，...，N-1。
在實際的無線通信應用中，有時需要兼顧傳輸?shù)挠行院涂煽啃詢蓚€方面。此時，可以采用如圖6所示的N用戶、N源發(fā)送信道、M中繼信道發(fā)送分集方式。該系統(tǒng)的方框圖如圖7所示(將在后面描述)。當N＜M時，采用圖5的方法進行編碼，但只發(fā)送圖5所示的前M個線性組合結(jié)果。如果N＞M，可以取星座映射后的復數(shù)信號點x0，x1，...，xN-1及其共額，然后使用一個2N階的線性變換矩陣對其進行線性變換(在此，假設M小于或等于2N)。然后，將經(jīng)變換得到的序列中的前M個元素對應送入M個中繼信道進行發(fā)送。由于總的信道數(shù)量為(M+N)，平均每個用戶使用的信道數(shù)為(M+N)/N。這說明改變N和M的值可以靈活地配置系統(tǒng)的帶寬效率。同時，由于每一個信道傳送的信號都包含多個用戶的信號，因而實現(xiàn)了發(fā)送分集，并且保證了信號傳輸?shù)目煽啃浴?br> 圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的多用戶發(fā)送分集與發(fā)送分集中繼系統(tǒng)的方框圖。該系統(tǒng)包括作為發(fā)送端的多個用戶U1，U2，...，Un，中繼站71，和作為接收端的多個用戶U1，U2，...，Un。中繼站71中包括單用戶檢測器711，712，...，71n，以及多用戶聯(lián)合編碼器72。作為例子，發(fā)送端和接收端可以是諸如蜂窩電話，個人數(shù)字助理(PDA)，便攜式計算機之類的移動通信終端。另外，在用戶終端(移動通信終端)U1，U2，...，Un中包含解調(diào)器731，732，...，73n。作為實例，可以采用格型碼解調(diào)器。應該指出，本發(fā)明不限于此，也可以采用其它類型的解調(diào)器。
下面描述本發(fā)明實施例的用戶發(fā)送分集與發(fā)送分集中繼系統(tǒng)的操作。作為發(fā)送端的多個用戶U1，U2，...，Un通過源發(fā)送信道1，2，...，N發(fā)送各自的信號到中繼站71。中繼站71中的單用戶檢測器711，712，...，71n分別檢測出多個用戶U1，U2，...，Un通過源發(fā)送信道1，2，...，N發(fā)送的信號。此后，將檢測出的用戶信號提供給多用戶聯(lián)合編碼器72，多用戶聯(lián)合編碼器72采用傅立葉矩陣對這N點信號符號進行線性變換，將得到的N個結(jié)果送入M個中繼信道發(fā)送。此時，發(fā)送到每一個接入信道的信號都是N個用戶的信號符號的線性組合，包含了多個用戶的信號，因而實現(xiàn)了發(fā)送分集。應該指出，在本實施例中采用傅立葉矩陣對這N點信號符號進行線性變換。然而，本發(fā)明不限于此，也可以采用其它線性變換方法，例如，哈達瑪變換。在多用戶聯(lián)合編碼器72的處理中，當中繼信道的數(shù)量M＜N時，zi是x0，x1，...，xN-1線性組合的結(jié)果。當M＞N，zi是x0，x1，...，xN-1及其共額的線性組合的結(jié)果。xj是sj經(jīng)q進制星座映射后的復數(shù)信號點i＝0，1，...，N-1，j＝0，1，...，M-1。然后，將經(jīng)變換得到的序列中的前M個元素對應送入M個中繼信道進行發(fā)送。由于總的信道數(shù)量為(M+N)，平均每個用戶使用的信道數(shù)為(M+N)/N。接收端U1，U2，...，Un中的格型碼解調(diào)器731，732，...，73n對接收到的發(fā)送分集中繼信號進行解調(diào)，并最終恢復出發(fā)送端發(fā)送的原始信號。
E.Viterbo和J.Boutros發(fā)表的題為“A universal lattice code decoder forfading channel”的文章(具體內(nèi)容可以參見IEEE Trans.Inform.Theory，vol.45，July 1999，PP.1639-1642)；O.Damen，A.Chkeif和J.C.Belfiore發(fā)表的題為“Lattice code decoder for space-time codes”的文章(具體內(nèi)容可以參見IEEE Communication Letters，vol.4(5)，May 2001，pp.161-163)；A.M.Chan和I.Lee發(fā)表的題為“A new reduced-complexity sphere decoder for multipleantenna systems”的文章(具體內(nèi)容可以參見In ICC02，vol.1，，May 2002，pp.460-464)；以及X.Li和X.Cui發(fā)表的題為“Application of lattice codedecoder to SC-CP for short block length”的文章(具體內(nèi)容可以參見IEEElectronics letters，vol.40(15)，July 2004，pp.954-955)對格型碼作了描述。為了防止對本發(fā)明的理解造成混淆，在此省略了對其進行描述。
多用戶發(fā)送分集適用于一個移動終端使用多個信道與多個移動終端進行通信的情況。典型的例子是蜂窩系統(tǒng)中的基站通過N個獨立的無線信道與M個移動終端進行通信(可以設M＜N)。考慮下行通信，基站將N個用戶信號首先進行N點線性變換，然后使用將變換后的前M個信號使用M個信道發(fā)送出去。這就實現(xiàn)了多用戶直接發(fā)送分集。
實際上，在多用戶無線通信系統(tǒng)中，只要存在若干用戶信號匯聚于某一點的情況，即，存在信號匯聚發(fā)送站點，都可以應用本發(fā)明的發(fā)送分集方法來提高傳輸可靠性。
使用多用戶發(fā)送分集，接收信號是多個用戶信號經(jīng)線性變換編碼矩陣以及信道矩陣作用后的結(jié)果，每一個接收信道得到的都是多用戶復合信號。為了得到最優(yōu)的檢測性能，可以使用最大似然檢測方法。當用戶數(shù)量和調(diào)制階數(shù)都很小時，可直接窮舉所有可能發(fā)送的信號序列來進行最大似然檢測。但當用戶數(shù)量或調(diào)制階數(shù)較高時，窮舉法的復雜度太高，在實際系統(tǒng)中是不可能接受的。因此，作為本發(fā)明的一個實例，提出了多用戶發(fā)送分集信號在接收端可以表示為格型碼的形式，從而可以應用格型解碼算法對發(fā)送分集信號進行最大似然檢測。因此，可以將發(fā)送分集和發(fā)送分集中繼轉(zhuǎn)換成格型碼算法來進行處理?？梢岳斫?，本發(fā)明不限于此，也可以采用其它解碼算法。
為了更好地理解本發(fā)明，下面描述本發(fā)明的多用戶發(fā)送分集與發(fā)送分集中繼及其格型碼數(shù)學表示。
可以考慮多個用戶終端直接通信或通過中繼完成通信的無線系統(tǒng)。在此，不需要考慮多用戶組中的哪兩個用戶或哪幾個用戶進行通信，因為該項工作可以交給上層完成。可以設N個用戶終端發(fā)送的信號匯聚于某一站點，然后由該匯聚點傳送到目的用戶終端。對于一個用戶終端與多個用戶終端直接通信的系統(tǒng)，以無線蜂窩系統(tǒng)中的基站與多個移動站之間的通信為例，可以將源端用戶，也就是基站作為用戶匯聚點。對于多個用戶通過中繼站轉(zhuǎn)發(fā)的系統(tǒng)，中繼站可以作為用戶信號的匯聚點。由于匯聚點向多個用戶終端發(fā)送信號的方式相同，下面將以中繼方式為例進行描述?？梢岳斫?，本發(fā)明不限于此。
為了不失一般性，可以假設N個用戶終端通過中繼站使用N個源發(fā)送信道和N個中繼信道進行通信，如圖5所示。首先，每個用戶終端使用一個獨立的源發(fā)送信道將信號傳送給中繼站。中繼站檢測出N個信源發(fā)來的信號再加以轉(zhuǎn)發(fā)。由于每一個用戶使用一個源發(fā)送信道，在中繼站使用單用戶檢測器獨立地檢測每一個用戶終端的信號，該檢測方法簡單且復雜度低。因此下面將描述中繼站信號發(fā)送以及最終接收站的信號檢測。
可以設中繼站檢測出的N個用戶發(fā)來的信號矢量為xs＝[x0，x1，…，xN-1]T，其中xi(i＝0，1，…，N-1)為檢測到的第i個用戶信號。其中上標T表示矩陣轉(zhuǎn)置。不同的用戶可以使用不同的調(diào)制方式，也可以使用不同的發(fā)送功率。為了簡單起見而又不失一般性，在此可以推導假定所有用戶終端使用相同的調(diào)制方式和發(fā)送功率。為實現(xiàn)發(fā)送分集，在中繼站使用下面的公式(1)給出的矩陣對用戶發(fā)送的信號xs＝[x0，x1，…，xN-1]T進行線性變換。
其中W滿足WHW＝WWH＝I為線性變換矩陣?？梢允褂肗階哈達瑪矩陣或者傅立葉變換矩陣。例如采用傅立葉變換陣時，可以得到Wu,v=1Nexp(-2πuvj/N)]]>(u，v＝0，1，…，N-1)。為了不失一般性，可以假設用戶U0對收信號進行檢測。設用戶U0觀察到第i個中繼信道的路徑損耗為Hi(i＝0，1，…，N-1)并假定接收者已準確估計出信道信息。于是，用戶U0接收到的信號矢量可以用下面的公式(2)表示。
式中v＝[v0，v1，…，vN-1]T為接收信號矢量，n＝[n0，n1，…，nN-1]T代表高斯噪聲矢量，其中ni，(i＝0，…，N-1)是分布為ni～CN(0，N0)的獨立復高斯噪聲。應該指出，用戶終端U0完全知道自己所發(fā)送的信號，將該已知信號從接收信號中消除，可以得到下面的公式(3)。
在上面的公式(3)中，為了簡化起見，可以令y＝[y0，y1，…yN-1]T，表示用戶終端U0所接收到的其它終端的信號及噪聲，x＝[x1，…，xN-1]T以及H＝[HiWi，j](i，j＝0，1，…，N-1)，重寫式(3)得到由下面的公式(4)表示的接收信號。
y＝H·x+n(4)對于復矢量或復矩陣z，可以引入記號z＝zI+jzQ，其中zI和zQ分別代表其實部和虛部。這樣，式(4)可進一步表示成公式(5)。
yITyQT=xITxQTHITHQT-HQTHIT+nITnQT---(5)]]>在此，可以令r=yITyQT,]]>u=xITxQT,]]>η=nITnQT]]>以及A=HITHQT-HQTHIT,]]>于是可以將公式(5)表示為下面的公式(6)。
r＝u·A+η(6)這樣，多用戶發(fā)送分集信號在接收端就表示成了標準的格型碼形式。在上面的表達式(6)中，A相當于一個2(N-1)×2N的格碼生成矩陣，u相當于格碼的1×2(N-1)座標矢量。于是，在接收機端可以采用格型解碼算法對多用戶發(fā)送分集信號進行最大似然檢測。
下面對格型解碼的算法進行描述。在此，以上述2(N-1)×2N階生成矩陣的格型碼問題為例來說明格型解碼算法。
可以設L1＝2N，L2＝2N-2。從而將尋找多用戶發(fā)送分集接收信號的極大似然序列的問題實際上轉(zhuǎn)化為這樣一個問題，即，在所有可能的發(fā)送序列中，選取矢量u而使||r一u·A||極小。在此，符號||·||表示歐幾里德(Euclidean)泛數(shù)。即轉(zhuǎn)化成公式(7)表示的問題argminu||r-u·A||---(7)]]>為了簡化起見，可以設ω＝r-u·A。由于已經(jīng)準確地知道了矩陣A，因此，可以設r＝ρ·A，而ρ=[ρ1,ρ2,···,ρL2]=r·A+.]]>在此，上標+表示求矩陣的偽逆。取ξ＝p-u則有ω＝ξ·A。這樣，極小化||r-u·A||就可以等效為極小化||ω||2。||ω||2可以被表示成公式(8)。
||ω||2＝(ξ·A)(ξ·A)T＝ξ(AAT)ξT(8)可以令G＝AAT。由于G為對稱正定矩陣，因此可以使用Cholesky分解將其分解為G＝RTR，公式(8)中的R可以表示成如下面的公式(9)給出的上三角矩陣。
這樣，||ω||2就可表成如下面的公式(10)給出的形式， 可以預先給定常數(shù)C，于是將該過程作為是尋找使||ω||2≤C的矢量ξ。也就是尋找ξ，使下面的不等式(11)成立。
Σi=1L2(riiξi+Σj=i+1L2rijξj)2≤C---(11)]]>為了使不等式(11)成立，則有下面的公式(12)Σi=sL2(riiξi+Σj=i+1L2rijξj)2≤C---(12)]]>對s＝L2，L2-1，…，1都應該成立。于是，可以設qii=rii2,]]>i＝L2，L2-1，…，qij＝rij/rij，i＝L2，L2-1，…，1，j＝i+1，i+2，…L2。應用這些符號重寫公式(12)式，可以得到下面的不等式(13)，
Σi=sL2qii(ξi+Σj=i+1L2qijξj)2≤C,s=1,2,···,L2---(13)]]>可以從s＝L2開始進行反向迭代。取s＝L2，從不等式(13)解出uL2分量的范圍，用公式(14)表示。
不等式(14)中的符號 和 分別表示對a向正無窮和負無窮方向的取整運算。對于滿足不等式(14)的每一個uL2，可以得出不等式(15)表示的對應uL2-1的范圍。
如果已經(jīng)取定uL2，uL2-1，…，ui+1，則取s＝i，應用不等式(13)得到下面表達式(16)。
i＝L2，L2-1，…，1(16)可以設置Si=Si(ξi+1,···,ξL2)=ρi+Σt=i+1L2qitξt.]]>另外，可以設置Ti-1=Ti-1(ξi,···,ξL2)=C-Σt=iL2qtt(ξt+Σj=t+1L2qtjξj)2=Ti-qii(Si-ui)2.]]>當i＝1時，得到的矢量u=[uL2,uL2-1,···,u1]]]>應為超球‖ω‖2≤C內(nèi)的一個點。另外，下面的表達式(17)d^2=C-T1+q11(S1-u1)2---(17)]]>表示點u與實際接收信號點在超球‖ω‖2≤C內(nèi)的距離。如果該距離小于C，則使用 更新C的值，再次進行迭代。當找不到一個新的u使‖ω‖2≤C時則停止迭代，同時將上次得到的滿足‖ω‖2≤C的矢量u作為檢測器輸出。
根據(jù)上述推導過程，圖8給出格型解碼算法的流程圖。在圖8中，γ表示矢量u的分量ui，(i＝1，2，…，L2)的取值集合。例如，如果使用QPSK和16QAM星座，γ分別為{-1，1)和{-3，-1，1，3)(如圖9所示)。另外，length(Li，Ui，γ)表示在下界Li和上界Ui之間從集合γ能夠取到的元素個數(shù)，enum(Li，Ui，γ)表示列舉出所有這些元素，sort(yi，Si)表示將yi元素對Si求距離，并將這些元素按距離從小到大排序。注意參數(shù)L1＝2N，L2＝2N-2。解碼算法如下所述。首先，在步驟S801，根據(jù)接收到的信號以及本終端發(fā)送的信號和信道參數(shù)以及發(fā)送編碼矩陣計算出矢量r，格碼生成矩陣A，并設置初始球半徑 (由于阿爾伯特.錢(A.M.Chan)的工作，本算法的收斂性不依賴于初始值的選取，收斂速度也基本與初始值沒有關系，因此只要所選取的初始球內(nèi)有信號點就可以了)。根據(jù)發(fā)送信號星座確定出信號集合γ。將所確定出的r、A、C和γ作為解碼算法的輸入。此后，在步驟S802，計算出對稱正定矩陣G＝A·AT，并使用Cholesky分解將矩陣G分解為G＝R·RT，其中R為上三角矩陣。根據(jù)矩陣R的元素計算qii，i＝L2，L2-1，…，1以及qij，i＝L2，L2-1，…，1，j＝i+1，i+2，…，L2。計算矩陣A的偽逆A+，并據(jù)此得到ρ＝A+·r。接下來，在步驟S803，將初始球半徑C賦給迭代過程需要使用的距離度量d2以及后向迭代參量TL2和SL2。采用計數(shù)值i記錄后向迭代步位置。在步驟S804，設置。迭代開始時計數(shù)值為L2。然后，在步驟S805，該迭代計數(shù)值隨著迭代的進行將由步驟S814修改。對于第i＝L2，首先根據(jù)前面第(14)式計算接收點可能取值的上限和下限UL2及LL2，根據(jù)信號取值集合γ算出能夠取到的信號點數(shù)NL2并將這些信號點枚舉出來以得到枚舉矢量yL2，然后按照這些信號點與SL2的距離從小到大排序，得到矢量zL2。對于第i步迭代，用xi作為第i步信號點計數(shù)器，記錄已經(jīng)試探過的信號點數(shù)。例如對于第L2步，可能的信號點數(shù)量為NL2，因此最多可能試探的信號點數(shù)量為NL2。在步驟S806，信號點計數(shù)器xi加1，指向第i步將要試探的信號點。在步驟S807，檢測是否已經(jīng)對第i步的所有信號點都進行了試探。如果xi＞Ni，說明已經(jīng)全部試探，表明從第i步到第i-1沒有可以通行的路徑。此時轉(zhuǎn)向步驟S808，并在步驟S808檢測計數(shù)器i，如果該計數(shù)值為L2，說明在當前球半徑 下，所搜索的球中不包含任何信號點。在這種情況下，轉(zhuǎn)到步驟S810，將上次走通并記錄得到的信號點 球度量參數(shù) 輸出并終止程序。如果步驟S808發(fā)現(xiàn)計數(shù)值i小于L2，則轉(zhuǎn)向步驟S809，計數(shù)器i加1，回退一步，轉(zhuǎn)向S806開始試探上一步尚未試探過的信號點。在步驟S807，如果xi＜＝Ni，則轉(zhuǎn)向步驟S811進行第xi信號點的試探。在步驟S811，檢測計數(shù)器i。如果i＝1，說明已經(jīng)成功試探出一條路徑。此時轉(zhuǎn)向步驟S815，計算該路徑度量(該路徑對應信號點到接收點的距離)。在步驟S816判斷新得到的度量是否比已有記錄度量小。如果新度量更小，說明新得到的信號點優(yōu)于記錄的信號點。此時轉(zhuǎn)到步驟S817，采用新信號點度量更新度量d2及其它參數(shù)，然后轉(zhuǎn)到步驟S806進行下一輪迭代。如果步驟S816判斷新得到的度量值比記錄的記錄度量更大，拋棄該信號點，流程轉(zhuǎn)向步驟S806試探本步的下一信號點。在步驟S811，如果i＞1成立，說明程序還處于中間步，此時轉(zhuǎn)向步驟S812。在步驟S812計算出迭代參數(shù)Ti-1和ξi，然后在步驟S812計算Si-1，并在步驟S814修改計數(shù)器i，然后轉(zhuǎn)向步驟S805開始新一輪迭代。
圖10至圖14分別示出了根據(jù)本發(fā)明的多用戶發(fā)送分集及發(fā)送分集中繼與傳統(tǒng)發(fā)送和傳統(tǒng)中繼，以及與拉爾森編碼雙向中繼的比特差錯性能比較結(jié)果。在對比中所使用的信道為瑞利衰落信道，對不同用戶、不同信道、不同信源符號分組，其信道獨立隨機變化，即所使用的信道為快衰落信道。在給出的實例中，當存在中繼站時，每一個發(fā)送符號能量平均分配到信源站和中繼站。所有用戶使用的調(diào)制方式相同。在信號匯聚點，發(fā)送分集方式使用傅立葉變換矩陣對多用戶信號進行編碼，以達到發(fā)送分集的目的。對于中繼方法，中繼站接收信源站發(fā)來的信號然后再轉(zhuǎn)發(fā)。對于多用戶發(fā)送分集，最終的接收用戶使用格型解碼方法對信號進行最大似然檢測。
圖10和圖11分別示出了本發(fā)明的多用戶發(fā)送分集中繼與傳統(tǒng)中繼方式在使用QPSK調(diào)制時的比特差錯性能比較結(jié)果。其中圖10表示的是在每信道帶寬為1赫茲，則帶寬效率為1比特/秒/赫茲的情況下的比較結(jié)果。圖11表示的是在16QAM調(diào)制，帶寬效率為2比特/秒/赫茲情況下的比較結(jié)果?？梢钥闯觯忍夭铄e率性能隨聯(lián)合編碼的用戶數(shù)增加而提高，當用戶數(shù)很大時，對QPSK和16QAM，多用戶發(fā)送分集均可提供約3分貝的性能增益(圖中用16個用戶作為無窮用戶數(shù)的參考)。當用戶數(shù)比較小的時候，增加用戶數(shù)量可以較為明顯地改善比特差錯性能。但當用戶數(shù)較大時，增加用戶數(shù)就不會帶來明顯的性能改善了。例如，對于QPSK，2個用戶聯(lián)合分集發(fā)送可提供2.1dB增益，6個用戶時提供2.6dB增益。對于16QAM，2個用戶聯(lián)合分集發(fā)送可提供1.7dB增益，6個用戶時提供2.1dB增益。實際應用時，可以根據(jù)性能和復雜度要求，對聯(lián)合分集發(fā)送的用戶數(shù)進行適當選取，而不需要設置得太大。
圖12示出了拉爾森編碼雙向中繼在使用QPSK調(diào)制(帶寬效率1.33比特/秒/赫茲)以及2個用戶發(fā)送分集中繼在使用8PSK調(diào)制(帶寬效率1.5比特/秒/赫茲)時，不同帶寬效率時的比特差錯率性能的比較結(jié)果。從圖12可以看出，二者的比特差錯率性能基本相同。因為2個用戶發(fā)送分集中繼的帶寬效率高于拉爾森中繼的帶寬效率，所以，去除由于傳送差錯帶來的流量損失，2個用戶發(fā)送分集中繼實現(xiàn)了更高的網(wǎng)絡凈吞吐量。
圖13示出了拉爾森編碼雙向中繼在使用8PSK調(diào)制以及2個用戶發(fā)送分集中繼在使用16QAM調(diào)制，帶寬效率相同，均為2比特/秒/赫茲時比特差錯率性能的比較結(jié)果。從圖13可以看到，根據(jù)本發(fā)明的方案，2個用戶發(fā)送分集中繼的比特差錯率性能優(yōu)于拉爾森中繼的性能。例如，在比特差錯率為10-4時，2個用戶發(fā)送分集中繼優(yōu)于拉爾森中繼約1.7dB。同樣，去除由于傳送差錯帶來的流量損失，2個用戶發(fā)送分集中繼實現(xiàn)了更高的網(wǎng)絡凈吞吐量。
圖14示出了一個用戶與多個用戶直接通信，例如無線蜂窩通信系統(tǒng)中的基站與多個移動站之間通信，使用和不使用多用戶發(fā)送分集時，應用QPSK調(diào)制(帶寬效率2比特/秒/赫茲)時的比特差錯性能比較結(jié)果。從圖14可以看出，本發(fā)明的多用戶發(fā)送分集明顯優(yōu)于不分集時的比特差錯性能。增加聯(lián)合編碼的用戶數(shù)對改善性能的作用比較明顯。同時，還可以看到，多用戶發(fā)送分集對性能的改善比存在中繼時的改善要明顯得多。這是因為對于多用戶中繼系統(tǒng)，從信源站到中繼站的傳送會引起傳輸差錯，該差錯在很大程度上會限制發(fā)送分集對性能的改善。這說明在實際多用戶發(fā)送分集中繼系統(tǒng)中，提高首段傳輸性能對提高整個系統(tǒng)的傳輸性能是至關重要的。提高首段傳輸性能的方法很多，例如使用適當?shù)男诺谰幋a、為源站分配比中繼站更多的功率等。
本發(fā)明將多用戶信號在信號匯聚發(fā)送站點聯(lián)合編碼，然后采用多個發(fā)送信道發(fā)送聯(lián)合編碼的信號，另外，本發(fā)明的發(fā)送分集和發(fā)送分集中繼兼顧了傳輸有效性和可靠性。同時，在接收端，本發(fā)明的發(fā)送分集和發(fā)送分集中繼可以采用諸如格型解碼之類的方法對接收信號進行最大似然檢測，因而解調(diào)復雜度低。
至此已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了描述。本領域技術(shù)人員應該理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進行各種其它的改變、替換和添加。因此，本發(fā)明的范圍不應該被理解為被局限于上述特定實施例，而應由所附權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.一種無線通信系統(tǒng)中的多通信終端發(fā)送分集及發(fā)送分集中繼方法，包括步驟所述多個通信終端使用各自的源發(fā)送信道發(fā)送信號；信號匯聚點接收經(jīng)過所述多個通信終端發(fā)送的信號，對所述多個通信終端發(fā)送的信號進行線性變換，使用多個信道轉(zhuǎn)發(fā)經(jīng)過線性變換的信號，所述多個信道中的每一個信道轉(zhuǎn)發(fā)多個通信終端發(fā)送的信號的一個線性組合；和在接收端對信號匯聚點轉(zhuǎn)發(fā)的信號進行解調(diào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中對所述多個通信終端發(fā)送的信號進行線性變換的步驟包括采用傅立葉變換對所接收的信號進行變換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中對所述多個通信終端發(fā)送的信號進行線性變換的步驟包括采用哈達瑪變換對所接收的信號進行變換。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在接收端對信號匯聚點轉(zhuǎn)發(fā)的信號進行解調(diào)的步驟包括使用格型解碼方法對接收的信號進行最大似然檢測的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述信號匯聚點是中繼站。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述信號匯聚點是基站。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在具有N個獨立的源發(fā)送信道和M個所述信道，且M＜N的情況下，所述信號匯聚點對通過N個源發(fā)送信道接收的信號進行線性變換，然后通過所述M個信道轉(zhuǎn)發(fā)變換后的前M個信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所使用的信道包括時分系統(tǒng)的時隙。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所使用的信道包括碼分系統(tǒng)的碼道。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所使用的信道包括頻分系統(tǒng)的頻帶。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所使用的信道包括時分系統(tǒng)的時隙，碼分系統(tǒng)的碼道，和頻分系統(tǒng)的頻帶的組合。
12.一種無線通信系統(tǒng)中的多通信終端發(fā)送分集及發(fā)送分集中繼系統(tǒng)，包括多個發(fā)送端，使用各自的源發(fā)送信道發(fā)送信號；中繼站，用于接收經(jīng)過所述多個通信終端發(fā)送的信號，對所述多個通信終端發(fā)送的信號進行線性變換，并轉(zhuǎn)發(fā)經(jīng)過線性變換的信號；和多個接收端，對中繼站轉(zhuǎn)發(fā)的信號進行解調(diào)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述中繼站還包括多用戶聯(lián)合編碼裝置，用于對所述多個通信終端發(fā)送的信號進行線性變換，并使用所述多個信道中的每一個信道轉(zhuǎn)發(fā)多個通信終端發(fā)送的信號的一個線性組合。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述多用戶聯(lián)合編碼裝置采用傅立葉變換對所接收的信號進行變換。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述多用戶聯(lián)合編碼裝置采用哈達瑪變換對所接收的信號進行變換。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述接收端包括格型碼解調(diào)器，用于對接收的變換信號進行格型解碼運算以便對多用戶發(fā)送分集信號進行最大似然檢測。
全文摘要
一種無線通信系統(tǒng)中的多通信終端發(fā)送分集及發(fā)送分集中繼方法，包括步驟所述多個通信終端使用各自的源發(fā)送信道發(fā)送信號；信號匯聚點接收經(jīng)過所述多個通信終端發(fā)送的信號，對所述多個通信終端發(fā)送的信號進行線性變換，使用多個信道轉(zhuǎn)發(fā)經(jīng)過線性變換的信號，所述多個信道中的每一個信道轉(zhuǎn)發(fā)多個通信終端發(fā)送的信號的一個線性組合；和在接收端對信號匯聚點轉(zhuǎn)發(fā)的信號進行解調(diào)。
文檔編號H04B7/02GK101083497SQ20061008998
公開日2007年12月5日 申請日期2006年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月30日
發(fā)明者李祥明, 李安新, 王明曙, 加山英俊 申請人:株式會社Ntt都科摩