本申請(qǐng)要求seyedarvinayoughi等人于2014年9月29日遞交的發(fā)明名稱為“采用協(xié)作中繼進(jìn)行聯(lián)合最優(yōu)mimo傳輸和壓縮來(lái)降低干擾”的第62/057122號(hào)美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)案的在先申請(qǐng)優(yōu)先權(quán)，該在先申請(qǐng)的內(nèi)容以引入的方式并入本文。

本發(fā)明涉及組網(wǎng)和無(wú)線通信，尤其在特定實(shí)施例中，涉及一種采用協(xié)作中繼進(jìn)行聯(lián)合多輸入多輸出(multipleinputmultipleoutput，簡(jiǎn)稱mimo)傳輸和壓縮來(lái)降低干擾的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

在mimo系統(tǒng)中，通過(guò)多根收發(fā)天線增加無(wú)線鏈路的容量以利用在各個(gè)方向的多徑傳播?；净蛴脩艚K端可以通過(guò)多徑傳播同時(shí)在相同的無(wú)線信道上發(fā)送和/或接收一個(gè)以上數(shù)據(jù)信號(hào)。所述用戶終端是能夠與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)線傳輸?shù)娜魏斡脩艋蛞苿?dòng)設(shè)備，如智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦或傳感器設(shè)備。當(dāng)前和演進(jìn)中的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，包括mimo系統(tǒng)，面臨的挑戰(zhàn)之一是向遠(yuǎn)端或小區(qū)邊緣用戶提供高速率下行傳輸。位于小區(qū)邊緣的用戶終端不僅必須對(duì)來(lái)自自己基站的較弱直接信號(hào)負(fù)責(zé)，也必須對(duì)來(lái)自鄰基站的強(qiáng)干擾負(fù)責(zé)。然而，例如，當(dāng)終端之間的距離足夠接近時(shí)，現(xiàn)代的用戶終端能夠建立高容量帶外設(shè)備到設(shè)備鏈路(如使用wifi、藍(lán)牙或其他無(wú)線鏈路技術(shù))。所述用戶終端的物理接近也表示多個(gè)終端上的干擾是高度相關(guān)的。這使利用設(shè)備到設(shè)備通信來(lái)實(shí)現(xiàn)干擾降低和信號(hào)增強(qiáng)變得可能。需要一種能夠利用設(shè)備到設(shè)備通信來(lái)降低mimo傳輸干擾以及增強(qiáng)接收信號(hào)的方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)另一實(shí)施例，一種用于通過(guò)設(shè)備到設(shè)備通信接收多輸入多輸出(multipleinputmultipleoutput，簡(jiǎn)稱mimo)傳輸和中繼信道的方法包括：在目的終端從基站接收用于mimo傳輸?shù)膫鬏斝盘?hào)，其中根據(jù)傳輸協(xié)方差對(duì)所述傳輸信號(hào)進(jìn)行波束成形，所述傳輸協(xié)方差是對(duì)所述傳輸協(xié)方差以及用于壓縮和中繼從中繼終端到所述目的終端的所述傳輸信號(hào)的量化噪聲協(xié)方差進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化得到的，其中根據(jù)已知信道狀態(tài)信息以及傳輸和中繼信道的噪聲與干擾統(tǒng)計(jì)對(duì)所述傳輸協(xié)方差和所述量化噪聲協(xié)方差進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。所述方法還包括：在所述目的終端通過(guò)所述設(shè)備到設(shè)備通信從所述中繼終端接收壓縮用于mimo傳輸?shù)乃鰝鬏斝盘?hào)得到的中繼信號(hào)，其中所述中繼信號(hào)是根據(jù)所述量化噪聲協(xié)方差量化壓縮的。所述目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)所述接收到的傳輸信號(hào)和中繼信號(hào)的相關(guān)噪聲去除所述接收到的傳輸信號(hào)和中繼信號(hào)上的任何干擾。

根據(jù)另一實(shí)施例，一種用于通過(guò)設(shè)備到設(shè)備通信建立mimo傳輸和中繼信道的方法包括：在網(wǎng)絡(luò)控制器初始化傳輸協(xié)方差，其中所述傳輸協(xié)方差用于將從基站到目的終端和中繼終端的mimo傳輸?shù)膫鬏斝盘?hào)進(jìn)行波束成形；并初始化量化噪聲協(xié)方差，其中所述量化噪聲協(xié)方差用于將從所述中繼終端到所述目的終端的中繼信號(hào)進(jìn)行壓縮，其中根據(jù)已知信道狀態(tài)信息以及傳輸和中繼信道的噪聲與干擾統(tǒng)計(jì)對(duì)所述傳輸協(xié)方差和所述量化噪聲協(xié)方差進(jìn)行初始化。所述方法還包括：根據(jù)所述中繼終端和所述目的終端之間的中繼鏈路上的容量約束以及所述基站的傳輸信號(hào)功率約束使用迭代算法對(duì)所述傳輸協(xié)方差和所述量化噪聲協(xié)方差進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。

根據(jù)另一實(shí)施例，一種用于通過(guò)設(shè)備到設(shè)備通信接收mimo傳輸和中繼信道的終端包括：與存儲(chǔ)器耦合的處理器；非瞬時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，用于存儲(chǔ)所述處理器執(zhí)行的程序，其中所述程序包括指令，用于：從基站接收用于mimo傳輸?shù)膫鬏斝盘?hào)，其中根據(jù)傳輸協(xié)方差對(duì)所述傳輸信號(hào)進(jìn)行波束成形，所述傳輸協(xié)方差是對(duì)所述傳輸協(xié)方差以及用于壓縮和中繼從中繼終端到所述終端的所述傳輸信號(hào)的量化噪聲協(xié)方差進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化得到的，其中根據(jù)已知信道狀態(tài)信息以及傳輸和中繼信道的噪聲與干擾統(tǒng)計(jì)對(duì)所述傳輸協(xié)方差和所述量化噪聲協(xié)方差進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。所述程序還包括指令，用于：通過(guò)所述設(shè)備到設(shè)備通信從所述中繼終端接收壓縮用于mimo傳輸?shù)乃鰝鬏斝盘?hào)得到的中繼信號(hào)，其中所述中繼信號(hào)是根據(jù)所述量化噪聲協(xié)方差量化壓縮的。根據(jù)所述程序，所述終端還用于根據(jù)所述接收到的傳輸信號(hào)和中繼信號(hào)的相關(guān)噪聲去除所述接收到的傳輸信號(hào)和中繼信號(hào)上的任何干擾。

根據(jù)又一實(shí)施例，一種用于通過(guò)設(shè)備到設(shè)備通信建立mimo傳輸和中繼信道的網(wǎng)絡(luò)控制器包括：與存儲(chǔ)器耦合的處理器；非瞬時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，用于存儲(chǔ)所述處理器執(zhí)行的程序，其中所述程序包括指令，用于：初始化傳輸協(xié)方差，其中所述傳輸協(xié)方差用于將從基站到目的終端和中繼終端的mimo傳輸?shù)膫鬏斝盘?hào)進(jìn)行波束成形；并初始化量化噪聲協(xié)方差，其中所述量化噪聲協(xié)方差用于將從所述中繼終端到所述目的終端的中繼信號(hào)進(jìn)行壓縮，其中根據(jù)已知信道狀態(tài)信息以及傳輸和中繼信道的噪聲與干擾統(tǒng)計(jì)對(duì)所述傳輸協(xié)方差和所述量化噪聲協(xié)方差進(jìn)行初始化。所述程序包括指令，用于：根據(jù)所述中繼終端和所述目的終端之間的中繼鏈路上的容量約束以及所述基站的傳輸信號(hào)功率約束使用迭代算法對(duì)所述傳輸協(xié)方差和所述量化噪聲協(xié)方差進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。

上述寬泛地概括了本發(fā)明實(shí)施例的特征，以便能夠更好理解以下本發(fā)明的詳細(xì)描述。下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的其他特征和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行說(shuō)明，其也構(gòu)成了本發(fā)明權(quán)利要求的主題。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，所公開(kāi)的概念和特定實(shí)施例易被用作修改或設(shè)計(jì)其他實(shí)現(xiàn)與本發(fā)明相同的目的的結(jié)構(gòu)或過(guò)程的基礎(chǔ)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，這種等同構(gòu)造不脫離所附權(quán)利要求書(shū)所闡述的本發(fā)明的精神和范圍。

附圖說(shuō)明

為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在參考下文結(jié)合附圖進(jìn)行的描述，其中：

圖1示出一種無(wú)線mimo蜂窩系統(tǒng)的實(shí)施例；

圖2示出一種進(jìn)行聯(lián)合傳輸以及量化噪聲協(xié)方差優(yōu)化的方法的另一實(shí)施例；

圖3示出一種通過(guò)聯(lián)合傳輸和量化噪聲協(xié)方差優(yōu)化進(jìn)行聯(lián)合mimo傳輸?shù)膲嚎s和轉(zhuǎn)發(fā)中繼方案的方法的實(shí)施例；

圖4示出一種通過(guò)聯(lián)合傳輸和量化噪聲協(xié)方差優(yōu)化進(jìn)行聯(lián)合mimo傳輸?shù)膲嚎s和轉(zhuǎn)發(fā)中繼方案的方法的另一實(shí)施例；

圖5示出不同優(yōu)化算法的仿真結(jié)果的圖表；

圖6示出不同優(yōu)化算法的另一仿真結(jié)果的圖表；

圖7示出不同優(yōu)化算法的又一仿真結(jié)果的圖表；

圖8示出用于實(shí)現(xiàn)各實(shí)施例的計(jì)算平臺(tái)的實(shí)施例的方框圖。

除非另有指示，否則不同圖中的對(duì)應(yīng)標(biāo)號(hào)和符號(hào)通常指代對(duì)應(yīng)部分。繪制各圖是為了清楚地說(shuō)明實(shí)施例的相關(guān)方面，因此未必是按比例繪制的。

具體實(shí)施方式

下文將詳細(xì)論述當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例的制作和使用。然而，應(yīng)了解，本發(fā)明提供可在各種具體上下文中體現(xiàn)的許多適用的發(fā)明性概念。所論述的具體實(shí)施例僅僅說(shuō)明用以實(shí)施和使用本發(fā)明的具體方式，而不限制本發(fā)明的范圍。

提供了在mimo系統(tǒng)的下行無(wú)線通信中實(shí)現(xiàn)干擾降低和信號(hào)增強(qiáng)的系統(tǒng)和方法實(shí)施例。通過(guò)設(shè)備到設(shè)備通信的mimo多天線聯(lián)合接收方案用于跨協(xié)作用戶終端增強(qiáng)目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)以及降低干擾，如小區(qū)外干擾(來(lái)自多個(gè)小區(qū)或基站)。因此，遠(yuǎn)端或小區(qū)邊緣用戶的下行傳輸可以得到明顯改善。所述協(xié)作終端包括用于從基站接收信號(hào)的目的終端，以及對(duì)通過(guò)設(shè)備到設(shè)備通信從所述基站到所述目的終端的信號(hào)進(jìn)行壓縮和轉(zhuǎn)發(fā)的中繼終端。所述壓縮是根據(jù)中繼鏈路的有限容量通過(guò)量化所述信號(hào)實(shí)現(xiàn)的。依照天線池化技術(shù)，使用所述目的和中繼終端的多天線來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)自所述基站的傳輸信號(hào)的聯(lián)合接收。所述中繼鏈路允許兩個(gè)用戶有效地將他們的天線組成天線池。這可以增大接收器的規(guī)模，因此可以實(shí)現(xiàn)所述基站的額外自由度傳輸。天線池化也可以實(shí)現(xiàn)跨多個(gè)用戶終端的聯(lián)合干擾抑制，因此直接傳輸將有更大的無(wú)干擾規(guī)模。

假設(shè)兩個(gè)協(xié)作終端之間足夠接近，則認(rèn)為所述中繼終端和所述目的終端上的噪聲高度相關(guān)。當(dāng)從所述源(基站)接收信號(hào)并從所述中繼終端接收壓縮信號(hào)時(shí)，可以利用這種相關(guān)性來(lái)提高所述目的終端上的信噪比。可以利用噪聲相關(guān)性來(lái)去除所述目的終端上的信號(hào)干擾并提高信噪比。通過(guò)高斯統(tǒng)計(jì)(高斯噪聲)來(lái)表示有噪聲的傳輸信號(hào)和中繼量化噪聲?？梢詢?yōu)化所述源(基站)上的傳輸波束成形和所述中繼終端上的信號(hào)量化來(lái)降低干擾，并通過(guò)對(duì)傳輸協(xié)方差矩陣(對(duì)于所述傳輸信號(hào))和中繼量化噪聲協(xié)方差矩陣(對(duì)于所述中繼終端上的量化噪聲)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化來(lái)改善所述目的終端上的信號(hào)接收。

在一實(shí)施例中，所述傳輸協(xié)方差和所述中繼量化噪聲協(xié)方差的聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題可以通過(guò)先固定所述傳輸協(xié)方差矩陣并求解閉合數(shù)學(xué)形式中的所述中繼量化協(xié)方差矩陣得到解決。然后通過(guò)固定第一個(gè)固定步驟中的所述量化噪聲協(xié)方差矩陣來(lái)求所述傳輸協(xié)方差矩陣。這兩個(gè)步驟可以重復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)交替這兩個(gè)步驟的迭代優(yōu)化直到達(dá)成所述傳輸和量化噪聲協(xié)方差矩陣的最佳方案。如上所述，該方案中假設(shè)了所述中繼和目的終端之間的噪聲相關(guān)性來(lái)利用設(shè)備到設(shè)備的協(xié)作鏈路。該方案可以通過(guò)跨多天線中繼和目的終端的聯(lián)合接收和干擾抑制來(lái)優(yōu)化所述中繼鏈路并極大提高吞吐量?？紤]到在所述目的和中繼終端上有相關(guān)噪聲的mimo中繼信道，所述可交替優(yōu)化方法包括對(duì)兩個(gè)協(xié)方差矩陣進(jìn)行同時(shí)對(duì)角化。

根據(jù)本發(fā)明的示例，公開(kāi)了一種用于通過(guò)設(shè)備到設(shè)備通信建立mimo傳輸和中繼信道的方法。所述方法包括從基站向目的終端和中繼終端發(fā)送用于所述mimo傳輸?shù)膫鬏斝盘?hào)。根據(jù)傳輸協(xié)方差對(duì)所述傳輸信號(hào)進(jìn)行波束成形，其中所述傳輸協(xié)方差是對(duì)所述傳輸協(xié)方差以及用于壓縮和中繼通過(guò)設(shè)備到設(shè)備通信從中繼終端到所述目的終端的所述傳輸信號(hào)的量化噪聲協(xié)方差進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化得到的。根據(jù)已知信道狀態(tài)信息以及傳輸和中繼信道的噪聲與干擾統(tǒng)計(jì)對(duì)所述傳輸協(xié)方差和所述量化噪聲協(xié)方差進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。所述方法還包括從網(wǎng)絡(luò)控制器接收所述傳輸協(xié)方差，其中所述網(wǎng)絡(luò)控制器用于根據(jù)已知信道狀態(tài)信息以及傳輸和中繼信道的噪聲與干擾統(tǒng)計(jì)對(duì)所述傳輸協(xié)方差和所述量化噪聲協(xié)方差進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。

根據(jù)本發(fā)明的另一示例，公開(kāi)了一種用于通過(guò)設(shè)備到設(shè)備通信建立mimo傳輸和中繼信道的網(wǎng)絡(luò)組件。所述網(wǎng)絡(luò)組件包括處理器，用于向目的終端和中繼終端發(fā)送用于mimo傳輸?shù)膫鬏斝盘?hào)。根據(jù)傳輸協(xié)方差對(duì)所述傳輸信號(hào)進(jìn)行波束成形，其中所述傳輸協(xié)方差是對(duì)所述傳輸協(xié)方差以及用于壓縮和中繼通過(guò)設(shè)備到設(shè)備通信從中繼終端到所述目的終端的所述傳輸信號(hào)的量化噪聲協(xié)方差進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化得到的。根據(jù)已知信道狀態(tài)信息以及傳輸和中繼信道的噪聲與干擾統(tǒng)計(jì)對(duì)所述傳輸協(xié)方差和所述量化噪聲協(xié)方差進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。所述網(wǎng)絡(luò)組件是基站。所述網(wǎng)絡(luò)組件還用于從網(wǎng)絡(luò)控制器接收所述傳輸協(xié)方差，其中所述網(wǎng)絡(luò)控制器用于根據(jù)已知信道狀態(tài)信息以及傳輸和中繼信道的噪聲與干擾統(tǒng)計(jì)對(duì)所述傳輸協(xié)方差和所述量化噪聲協(xié)方差進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。

根據(jù)本發(fā)明另一示例，公開(kāi)了一種用于通過(guò)設(shè)備到設(shè)備通信支持mimo傳輸和中繼信道的方法。所述方法包括：通過(guò)設(shè)備到設(shè)備通信從中繼設(shè)備向目的終端發(fā)送中繼信號(hào)，其中所述中繼信號(hào)是通過(guò)壓縮來(lái)自基站的mimo傳輸?shù)膫鬏斝盘?hào)得到的。根據(jù)量化噪聲協(xié)方差對(duì)所述中繼信號(hào)進(jìn)行量化壓縮，其中所述量化噪聲協(xié)方差是對(duì)傳輸協(xié)方差和所述量化噪聲協(xié)方差進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化得到的。根據(jù)已知信道狀態(tài)信息以及傳輸和中繼信道的噪聲與干擾統(tǒng)計(jì)對(duì)所述傳輸協(xié)方差和所述量化噪聲協(xié)方差進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。所述方法還包括從網(wǎng)絡(luò)控制器接收所述量化噪聲協(xié)方差，其中所述網(wǎng)絡(luò)控制器用于根據(jù)已知信道狀態(tài)信息以及傳輸和中繼信道的噪聲與干擾統(tǒng)計(jì)對(duì)所述傳輸協(xié)方差和所述量化噪聲協(xié)方差進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。

根據(jù)本發(fā)明另一示例，公開(kāi)了一種用于通過(guò)設(shè)備到設(shè)備通信支持mimo傳輸和中繼信道的終端。所述終端包括處理器，用于通過(guò)所述設(shè)備到設(shè)備通信向目的終端發(fā)送中繼信號(hào)，其中所述中繼信號(hào)是通過(guò)壓縮來(lái)自基站的mimo傳輸?shù)膫鬏斝盘?hào)得到的。根據(jù)量化噪聲協(xié)方差對(duì)所述中繼信號(hào)進(jìn)行量化壓縮，其中所述量化噪聲協(xié)方差是對(duì)傳輸協(xié)方差和所述量化噪聲協(xié)方差進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化得到的。根據(jù)已知信道狀態(tài)信息以及傳輸和中繼信道的噪聲與干擾統(tǒng)計(jì)對(duì)所述傳輸協(xié)方差和所述量化噪聲協(xié)方差進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。所述終端是中繼終端，用于對(duì)從所述基站到所述目的終端的所述傳輸信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)、壓縮和中繼。所述終端還用于從網(wǎng)絡(luò)控制器接收所述量化噪聲協(xié)方差，其中所述網(wǎng)絡(luò)控制器用于根據(jù)已知信道狀態(tài)信息以及傳輸和中繼信道的噪聲與干擾統(tǒng)計(jì)對(duì)所述傳輸協(xié)方差和所述量化噪聲協(xié)方差進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提供的一種無(wú)線mimo蜂窩系統(tǒng)100。所述系統(tǒng)100包括任何數(shù)量的基站110和用戶終端120。例如，示出兩個(gè)小區(qū)邊緣用戶終端120。中繼用戶終端120與目的用戶終端120協(xié)作，通過(guò)所述兩個(gè)用戶終端120之間的中繼鏈路中繼來(lái)自基站110的信息。所述中繼鏈路可以有不同于所述用戶終端120和所述基站110之間直接鏈路的頻段。所述兩個(gè)用戶終端120從鄰基站110接收干擾源，得到所述中繼和目的用戶終端120上噪聲的相關(guān)程度。

在數(shù)學(xué)上，所述通信場(chǎng)景中考慮了包含固定容量c0比特/信道利用的帶外中繼-目的鏈路的高斯mimo中繼信道。所述源(基站110)、中繼(用戶終端120)以及目的(用戶終端120)分別有s、r和d根天線。假定t是所有結(jié)合的干擾基站110的天線總數(shù)。所述中繼和目的終端上接收到的信號(hào)分別為：

yr＝hsrx+nr和(1)

yd＝hsdx+nd(2)

其中由于共同的干擾源，所述中繼和目的終端上的高斯噪聲是相互關(guān)聯(lián)的，即分別為：

nr＝htrxt+n1和(3)

nd＝htdxt+n2。(4)

矩陣hsr∈c^r×s和hsd∈c^d×s分別是源-中繼信道矩陣和源-目的信道矩陣。矩陣htr∈c^r×t和htd∈c^d×t分別是干擾-中繼信道矩陣和干擾-目的信道矩陣。噪聲函數(shù)n1～cn(0r×1,σ²ir)和n2～cn(0d×1,σ²id)分別是所述中繼和目的終端上的加性背景噪聲和獨(dú)立背景噪聲。向量x∈c^s×1是功率約束p下來(lái)自所述源基站的傳輸向量。向量xt∈c^t×1是含的干擾信號(hào)，假設(shè)是高斯信號(hào)且獨(dú)立于其他信號(hào)。

所述中繼用戶終端120實(shí)現(xiàn)壓縮和轉(zhuǎn)發(fā)策略，其中所述中繼量化了自己的觀察結(jié)果(即含來(lái)自所述源基站的噪聲的傳輸信號(hào))，并通過(guò)所述中繼鏈路將所述量化指標(biāo)發(fā)送至所述目的終端。所述量化過(guò)程可能涉及wyner-ziv編碼，其解釋了由于所述信號(hào)和所述相關(guān)噪聲使得所述目的終端接收到的信號(hào)與中繼觀察結(jié)果互相關(guān)。壓縮和轉(zhuǎn)發(fā)的可達(dá)速率是：

s.t.i(yr；yr|yd)≤c0和

其中表示共軛轉(zhuǎn)置。

假設(shè)所述含源基站上噪聲的傳輸信號(hào)有高斯分布，如x～cn(0s×1,sx)。所述中繼上的高斯量化噪聲可以建模為：

其中，q～cn(0r×1,sq)。此時(shí)，聯(lián)合傳輸和壓縮優(yōu)化的問(wèn)題為：

maxfo(sx,sq)

s.t.fc(sx,sq)≤c0和

sx≥0，sq≥0,tr(sx)≤p。(7)

目標(biāo)函數(shù)表示為：

所述約束表示為：

是總信道矩陣。所述干擾協(xié)方差矩陣表示為：

以上優(yōu)化問(wèn)題的解決方案確定了所述源(基站)上的優(yōu)化傳輸波束成形以及所述中繼上的信號(hào)量化，以降低干擾并改善所述目的終端上的信號(hào)接收。在所述中繼上的鏈路容量約束和終端信號(hào)的傳輸功率約束下，所述優(yōu)化發(fā)現(xiàn)所述源基站的最優(yōu)傳輸信號(hào)向量和所述中繼上的最優(yōu)量化中繼信道向量。所述優(yōu)化問(wèn)題可以在了解信道狀態(tài)信息以及噪聲與干擾統(tǒng)計(jì)情況下在集中位置得到解決。由于所述目標(biāo)函數(shù)和所述約束在sx中是凹的且在sq中是凸的，該問(wèn)題并不是凸優(yōu)化問(wèn)題。采用迭代優(yōu)化方法來(lái)找到所述優(yōu)化問(wèn)題的拉格朗日的最佳條件。為解決該問(wèn)題，使用迭代優(yōu)化方法可最大化所述拉格朗日。所述優(yōu)化問(wèn)題的拉格朗日可以表示為：

l(sx,sq,μ)＝fo(sx,sq)-μ(fc(sx,sq)-c0)。(11)

解決該問(wèn)題的所述總優(yōu)化方法是為固定拉格朗日對(duì)偶變量μ找到最大化拉格朗日的最優(yōu)具體地，對(duì)于固定變量μ，首先為最優(yōu)解決以下優(yōu)化問(wèn)題：

隨后，在外環(huán)中發(fā)現(xiàn)使得以下公式成立的最優(yōu)值μ^*：

在一些實(shí)施例中，最優(yōu)μ^*是在0與1之間。當(dāng)μ＝0時(shí)(例如，當(dāng)所述目標(biāo)是在沒(méi)有中繼鏈路容量約束情況下最大化總速率)，所述最優(yōu)是零矩陣，使得當(dāng)μ≥1，所述總目標(biāo)是使得中繼鏈路速率與所述可達(dá)速率比值超出1:1，所述最優(yōu)可以是無(wú)窮大，使得所述拉格朗日最大化問(wèn)題通過(guò)使用固定的μ∈(0,1)求解。查找所述最優(yōu)μ^*的外環(huán)是一維求根問(wèn)題，可以使用如二分等數(shù)值方法得到解決。

等式(12)中的所述拉格朗日最大化問(wèn)題可以使用迭代坐標(biāo)上升方法得到解決。所述解決方法是為固定sx找到最大化l(sx,sq,μ)的最優(yōu)sq，然后為固定sq找到最優(yōu)化l(sx,sq,μ)的最優(yōu)sx，并在這兩個(gè)步驟間進(jìn)行迭代。對(duì)于固定μ∈(0,1)，可以解決sx和sq個(gè)體優(yōu)化達(dá)到最佳。所述迭代優(yōu)化過(guò)程提供了拉格朗日目標(biāo)的非遞減順序，使得迭代過(guò)程聚合。聚合點(diǎn)是平穩(wěn)點(diǎn)。以下表1總結(jié)了實(shí)現(xiàn)聯(lián)合傳輸和量化的解決算法。以下還進(jìn)一步描述了為固定sx優(yōu)化sq以及為固定sq優(yōu)化sx的算法細(xì)節(jié)。

表1：聯(lián)合輸入和量化算法

圖2是一種以上算法提供的用于聯(lián)合傳輸和量化協(xié)方差優(yōu)化的方法200的實(shí)施例的流程圖。所述方法200可以由網(wǎng)絡(luò)控制器執(zhí)行，所述網(wǎng)絡(luò)控制器用于對(duì)來(lái)自所述源(基站)的傳輸波束成形信號(hào)和從所述中繼終端到所述目的終端的壓縮信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。所述網(wǎng)絡(luò)控制器可以位于所述傳輸基站或網(wǎng)絡(luò)中單獨(dú)的實(shí)體。在步驟210，將含高斯噪聲的所述源基站的傳輸協(xié)方差初始化至某個(gè)合適的值。所述傳輸協(xié)方差決定了所述源基站波束成形的傳輸向量。這是表1中算法的步驟1。在步驟220，為聯(lián)合傳輸協(xié)方差和中繼量化噪聲協(xié)方差的拉格朗日函數(shù)的優(yōu)化變量(拉格朗日乘數(shù))μ選擇合適的值。這是以上算法中的步驟3。所述量化噪聲協(xié)方差決定了所述中繼終端接收并中繼到所述目的終端的信號(hào)的量化。在步驟230，得到所在中繼上的所述量化噪聲協(xié)方差，并固定所述傳輸協(xié)方差。這在所述算法的步驟5中示出。在步驟240，得到最佳傳輸協(xié)方差，并固定所述得到的量化噪聲協(xié)方差。在決策步驟245中，所述方法檢查是否所述傳輸協(xié)方差和量化噪聲協(xié)方差的值已經(jīng)聚合。如果所述值已聚合，則所述方法200進(jìn)入步驟250。否則，所述方法返回步驟230。這在所述算法的步驟6中示出。在步驟250，通過(guò)平分和最后計(jì)算出的所述協(xié)方差矩陣的值更新所述優(yōu)化變量μ的值。在決策步驟260，所述方法根據(jù)量化檢查所述中繼鏈路上的速率是否滿足所述中繼鏈路上的固定容量。如果所述量化信號(hào)速率滿足所述中繼鏈路上的容量，則所述方法200結(jié)束。否則，所述方法返回步驟220。使用得到的所述優(yōu)化傳輸協(xié)方差和量化噪聲協(xié)方差分別確定所述源基站的最佳傳輸信號(hào)波束成形和從所述中繼到所述目的終端的量化信號(hào)，以降低干擾并改善在用于mimo傳輸?shù)哪康慕K端接收來(lái)自源基站的信號(hào)。

為固定sx優(yōu)化sq，采用閉合解來(lái)找到使給定的的拉格朗日最大化的sq，即最優(yōu)方法是使

該方法使為了尋找所述問(wèn)題的平穩(wěn)點(diǎn)。一種使閉合解有可能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)是同余下的同時(shí)對(duì)角化。對(duì)于優(yōu)化sq，當(dāng)sx固定時(shí)，公式(8)和(9)中的目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)可以重新寫(xiě)為：

和(15)

現(xiàn)在等式(14)中的拉格朗日寫(xiě)為：

其中使用schur的補(bǔ)充公式和得到條件協(xié)方差和其中(.)⁺表示摩爾－彭若斯廣義逆。

目標(biāo)是基于sq最大化等式(17)。約束條件sq≥0是多余的，因?yàn)樵谟蛑幸呀?jīng)是隱式的(例如，如果|sq|＝0，則所述中繼鏈路速率無(wú)窮大)。最大化等式(18)中主要步驟是和的同時(shí)對(duì)角化。該方案基于輔助定理，其中存在非奇異矩陣c∈c^r×r使得和其中λ是對(duì)角矩陣。對(duì)角元素λi叫做廣義特征值。此外，對(duì)于i＝1,…,r，λi∈(0,1]。作為證明，和都是正定矩陣。假定是柯列斯基分解?？紤]特征分解同時(shí)滿足和此外，由于c是非奇異的，意味著λ≥ir。對(duì)于普通的相關(guān)噪聲情況，以上同時(shí)對(duì)角化用于解決矩陣優(yōu)化問(wèn)題以實(shí)現(xiàn)標(biāo)量?jī)?yōu)化。

為解決mimo傳輸問(wèn)題達(dá)到標(biāo)量并且解決接下來(lái)的標(biāo)量量化噪聲優(yōu)化問(wèn)題，等式(17)中的拉格朗日可以寫(xiě)為：

其中(a)隨著變量變化而變化，c是以上的輔助定理，(b)中的∑q隨著特征分解改變。當(dāng)u＝ir時(shí)等式(b)成立。因此，不會(huì)損失最優(yōu)性來(lái)限制使其對(duì)角。

假定是∑q的對(duì)角元素?？紤]以下變量變化：

其中且ci≥0。ci可解釋為是指定給壓縮cyr的第i個(gè)元素的變量的一部分。使用等式(19)，所述拉格朗日可以寫(xiě)為：

當(dāng)λi≥1時(shí)，可以檢查到等式(20)在ci中是凹的。最佳ci由以下等式給出：

最佳由以下等式給出：

最佳sq由給出。

為固定sq優(yōu)化sx，以下優(yōu)化問(wèn)題：

可以使用凸優(yōu)化中采用的方式解決，其中對(duì)于固定如果μ∈(0,1)，則等式(11)中拉格朗日是sx的凹函數(shù)。為了證實(shí)所述凸性，當(dāng)時(shí)，需要注意的是等式(11)中的拉格朗日可以寫(xiě)為sx(對(duì)于固定)的函數(shù)。對(duì)于μ∈(0,1)，所述公式是對(duì)數(shù)取行列式優(yōu)化問(wèn)題，其是凸的且可以通過(guò)使用matlab的cvx等數(shù)值軟件包解決。

圖3是一種通過(guò)聯(lián)合傳輸和量化噪聲協(xié)方差優(yōu)化進(jìn)行聯(lián)合mimo傳輸?shù)膲嚎s和轉(zhuǎn)發(fā)中繼方案的方法300的實(shí)施例的流程圖。在步驟310，根據(jù)已知信道狀態(tài)信息以及傳輸和中繼信道的噪聲與干擾統(tǒng)計(jì)對(duì)用于基站到目的終端上的mimo波束成形的傳輸協(xié)方差矩陣、函數(shù)或值以及用于壓縮從中繼終端到所述目的終端的中繼信號(hào)的量化噪聲協(xié)方差矩陣、函數(shù)或值進(jìn)行初始化。在步驟320，采用迭代算法和中繼鏈路容量和傳輸信號(hào)功率約束對(duì)所述傳輸協(xié)方差和所述量化噪聲協(xié)方差進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。所述方案包括最大化有最優(yōu)拉格朗日變量的兩個(gè)協(xié)方差矩陣的拉格朗日函數(shù)。所述優(yōu)化可以使用所述方法200或表1中的算法解決?？梢栽谒鼍W(wǎng)絡(luò)控制器或基站上執(zhí)行步驟310和320。在步驟330，根據(jù)所述最優(yōu)傳輸協(xié)方差對(duì)從所述基站到所述目的終端的傳輸信號(hào)進(jìn)行波束成形。這個(gè)步驟可以在所述基站或所述網(wǎng)絡(luò)控制器上執(zhí)行。例如，所述網(wǎng)絡(luò)控制器可以將所述最優(yōu)傳輸協(xié)方差發(fā)送到所述基站。在步驟340，根據(jù)所述最優(yōu)量化噪聲協(xié)方差對(duì)從所述中繼終端到所述目的終端的中繼信號(hào)進(jìn)行壓縮或量化。這個(gè)步驟可以在所述中繼終端上執(zhí)行。例如，所述網(wǎng)絡(luò)控制器可以將所述優(yōu)化量化噪聲協(xié)方差發(fā)送至所述中繼終端。

圖4是一種通過(guò)聯(lián)合傳輸和量化噪聲協(xié)方差優(yōu)化進(jìn)行聯(lián)合mimo傳輸?shù)膲嚎s和轉(zhuǎn)發(fā)中繼方案的方法400的另一實(shí)施例的流程圖。所述方法可以由目的終端執(zhí)行，其中所述目的終端從基站接收傳輸信號(hào)并從中繼終端接收壓縮的中繼信號(hào)。在步驟410，從所述基站接收用于mimo傳輸?shù)膫鬏斝盘?hào)。根據(jù)聯(lián)合優(yōu)化傳輸協(xié)方差得到的傳輸協(xié)方差矩陣、函數(shù)或值以及量化噪聲協(xié)方差矩陣、函數(shù)或值對(duì)所述傳輸信號(hào)進(jìn)行波束成形。使用所述量化噪聲協(xié)方差對(duì)從所述中繼終端到所述目的終端的傳輸信號(hào)進(jìn)行壓縮和中繼。在步驟420，從所述中繼終端接收所述壓縮的中繼信號(hào)。所述中繼終端從所述基站接收所述傳輸信號(hào)然后根據(jù)所述量化噪聲協(xié)方差量化所述信號(hào)來(lái)建立所述中繼信號(hào)。在步驟430，根據(jù)所述接收到的傳輸信號(hào)和傳輸信號(hào)的相關(guān)噪聲去除所述接收到的傳輸信號(hào)和中繼信號(hào)上的任何干擾。

進(jìn)行仿真研究來(lái)證實(shí)以上描述的用于設(shè)備到設(shè)備鏈路的所述壓縮和轉(zhuǎn)發(fā)中繼方案的有效性，以增強(qiáng)下行無(wú)線蜂窩環(huán)境中小區(qū)邊緣吞吐量。所述方案采用聯(lián)合輸入和以上的量化協(xié)方差優(yōu)化，如使用方法200。微微小區(qū)部署被認(rèn)為是以最大功率1瓦特/10兆赫(mhz)向離開(kāi)100米(m)的用戶傳輸?shù)奈⑽⒒尽｀徑牡诙脩羰菆D1示出的中繼。假設(shè)背景噪聲功率頻譜密度是-170分貝-毫瓦特/赫茲(dbm/hz)。使用路徑損耗指數(shù)為3.76和8分貝(db)的信道模型陰影。

作為參考，mimo中繼信道的容量的割集上限是：

割集范圍的評(píng)估涉及解決優(yōu)化問(wèn)題。對(duì)于高斯mimo中繼信道，等式(37)的最大化問(wèn)題中的最優(yōu)輸入分布是多元高斯。對(duì)輸入?yún)f(xié)方差矩陣的優(yōu)化是凸優(yōu)化問(wèn)題，其可以通過(guò)使用如cvx等標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化包解決。

圖5是展示用于增強(qiáng)基站和用戶之間直接通信的天線池化效果的圖表。所述圖表示出使用中繼鏈路提高總傳輸速率的場(chǎng)景，其中所述傳輸基站有兩根天線(s＝3)，中繼和目的終端各有兩根天線(r＝2和d＝2)，且沒(méi)有小區(qū)間干擾(t＝0)。在這種場(chǎng)景中，由于總傳輸自由度受到所述目的終端天線數(shù)的限制，所述天線池化的優(yōu)勢(shì)在于增加直接信號(hào)維度。因此，來(lái)自所述中繼的池化天線可以顯著提高總吞吐量。如圖5所示，在c0＝100兆比特/秒(mbps)下，最優(yōu)壓縮和轉(zhuǎn)發(fā)中繼方案中提高的吞吐量大約為95mbps，對(duì)于每個(gè)中繼比特在直接傳輸速率方面實(shí)現(xiàn)了大約1:1的提高。在c0＝250mbps情況下實(shí)現(xiàn)的最大可能提高大約是165mbps。如果c0取較小值，所述最優(yōu)壓縮和轉(zhuǎn)發(fā)方案中可達(dá)速率幾乎滿足割集范圍。

所述圖表還展示了在總可達(dá)速率下最優(yōu)化輸入?yún)f(xié)方差矩陣的效果。作為輸入?yún)f(xié)方差的次優(yōu)選擇，若不考慮中繼的影響，在將所述傳輸協(xié)方差設(shè)置為源-目的和源-中繼-目的點(diǎn)到點(diǎn)信道的注水協(xié)方差情況中，繪制所述可達(dá)速率。對(duì)于該固定的輸入?yún)f(xié)方差矩陣，最優(yōu)化所述量化噪聲協(xié)方差。根據(jù)c0的值，嚴(yán)格說(shuō)來(lái)其中的各個(gè)協(xié)方差可以是次優(yōu)的。對(duì)于c0取較小值，將優(yōu)化源-目的信道的輸入?yún)f(xié)方差設(shè)置為接近最優(yōu)。然而，隨著c0增加，該sx可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能。對(duì)于c0取較大值，將優(yōu)化源-中繼-目的信道的輸入?yún)f(xié)方差設(shè)置為接近最優(yōu)，但是當(dāng)c0取低值時(shí)，存在差距。

圖6是展示與上述場(chǎng)景類(lèi)似設(shè)置的結(jié)果的圖表，除了所述傳輸基站現(xiàn)有有兩根天線，所述中繼和目的各有三根天線，且也沒(méi)有干擾(即s＝2、r＝3、d＝3和t＝0)。在這種場(chǎng)景中，中繼并沒(méi)有顯著增加總吞吐量，因?yàn)樗隹傋杂啥仁艿交咎炀€數(shù)而不是所述目的設(shè)備天線數(shù)的約束。此時(shí)，當(dāng)c0＝100mbps，吞吐量提供了僅大約17mbps。

圖7是展示與圖6場(chǎng)景相同設(shè)置的結(jié)果的圖表。然而，圖7的場(chǎng)景還考慮了另外四個(gè)干擾單天線微微基站，如圖1所示(即s＝2、r＝3、d＝3和t＝4)。所述干擾基站置于離中心基站六角網(wǎng)格200m遠(yuǎn)的位置。由于干擾，沒(méi)有中繼(即c0＝0)的吞吐量現(xiàn)在大大降低，但是所述中繼鏈路的最大利用可以大幅度提高所述吞吐量。這是因?yàn)樗龉餐^(qū)間干擾使得所述中繼和目的終端上的噪聲高度相關(guān)。通過(guò)使用所述中繼鏈路利用該噪聲相關(guān)性，所述目的終端可以有效地將三根中繼天線與自己已有的三根天線聯(lián)合，以形成2×6總mimo信道(即s＝2和r+d＝6)。這使得四級(jí)干擾(即t＝4)被徹底消除，形成有效的2×2無(wú)干擾總信道。如圖7圖表所示，在大約c0＝100mbps情況下，所述壓縮和轉(zhuǎn)發(fā)中繼鏈路的優(yōu)化利用提高的吞吐量大約是85mbps。在c0較小時(shí)，對(duì)于每個(gè)中繼比特在直接傳輸速率方面中繼實(shí)現(xiàn)了大約1:1的提高。值得注意的是，圖7中c0較大下的總吞吐量接近圖5和圖6中c0＝0場(chǎng)景下的可達(dá)速率，說(shuō)明了優(yōu)化壓縮和轉(zhuǎn)發(fā)中繼的近完整的干擾抑制能力。

圖6和圖7也表明了優(yōu)化所述量化噪聲協(xié)方差矩陣的重要性。為便于比較，也示出了簡(jiǎn)單的次優(yōu)sq的可達(dá)速率，其中sq＝qir，對(duì)于從表1中的聯(lián)合輸入和量化算法得到的最優(yōu)sx，將q設(shè)置為滿足等式的中繼速率約束。sq結(jié)果的簡(jiǎn)單選擇得到了如圖6和圖7所示的次優(yōu)性能。

圖8為可用于實(shí)施各種實(shí)施例的處理系統(tǒng)800的方框圖。例如，所述系統(tǒng)可以是網(wǎng)絡(luò)實(shí)體或組件的一部分，如基站、用戶終端或任何用于實(shí)現(xiàn)此處描述的對(duì)于壓縮和轉(zhuǎn)發(fā)中繼的優(yōu)化技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)控制器。特定裝置可利用所有所示的組件或所述組件的僅一子集，且裝置之間的集成程度可能不同。此外，設(shè)備可以包括組件的多個(gè)實(shí)例，例如多個(gè)處理單元、處理器、存儲(chǔ)器、發(fā)射器、接收器等。處理系統(tǒng)800可以包括配備一個(gè)或多個(gè)輸入/輸出設(shè)備，例如揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)、鼠標(biāo)、觸摸屏、按鍵、鍵盤(pán)、打印機(jī)、顯示器等的處理單元801。處理單元801可包括中央處理器(cpu)810、存儲(chǔ)器820、大容量存儲(chǔ)設(shè)備830、視頻適配器840，以及連接到總線的i/o接口860。所述總線可以為任何類(lèi)型的若干總線架構(gòu)中的一個(gè)或多個(gè)，包括存儲(chǔ)總線或者存儲(chǔ)控制器、外設(shè)總線等等。

所述cpu810可包括任何類(lèi)型的電子數(shù)據(jù)處理器。存儲(chǔ)器820可包括任意類(lèi)型的系統(tǒng)存儲(chǔ)器，例如靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(staticrandomaccessmemory，簡(jiǎn)稱sram)、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(dynamicrandomaccessmemory，簡(jiǎn)稱dram)、同步dram(synchronousdram，簡(jiǎn)稱sdram)、只讀存儲(chǔ)器(read-onlymemory，簡(jiǎn)稱rom)或其組合等等。在實(shí)施例中，存儲(chǔ)器820可包括在開(kāi)機(jī)時(shí)使用的rom以及在執(zhí)行程序時(shí)使用的存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的dram。在實(shí)施例中，存儲(chǔ)器820是非瞬時(shí)的。大容量存儲(chǔ)設(shè)備830可包括任意類(lèi)型的存儲(chǔ)設(shè)備，其用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、程序和其它信息，并使這些數(shù)據(jù)、程序和其它信息通過(guò)總線訪問(wèn)。大容量存儲(chǔ)設(shè)備830可包括如下項(xiàng)中的一種或多種：固態(tài)磁盤(pán)、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等等。

視頻適配器840以及i/o接口860提供接口以將外部輸入以及輸出裝置耦合到處理單元上。如圖所示，輸入輸出設(shè)備的示例包括耦合至視頻適配器840的顯示器890和耦合至i/o接口870的鼠標(biāo)/鍵盤(pán)/打印機(jī)860的任意組合。其它設(shè)備可以耦合至處理單元801，可以利用附加的或更少的接口卡。舉例來(lái)說(shuō)，串行接口卡(未圖示)可以用于為打印機(jī)提供串行接口。

處理單元801還包括一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口850，網(wǎng)絡(luò)接口850可包括以太網(wǎng)電纜等有線鏈路，和/或到接入節(jié)點(diǎn)或者一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)880的無(wú)線鏈路。網(wǎng)絡(luò)接口850允許處理單元801通過(guò)網(wǎng)絡(luò)880與遠(yuǎn)程單元通信。例如，網(wǎng)絡(luò)接口850可以通過(guò)一個(gè)或多個(gè)發(fā)射器/發(fā)射天線以及一個(gè)或多個(gè)接收器/接收天線提供無(wú)線通信。在一實(shí)施例中，處理單元801耦合到局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)上以用于數(shù)據(jù)處理以及與遠(yuǎn)程裝置通信，所述遠(yuǎn)程裝置例如其它處理單元、因特網(wǎng)、遠(yuǎn)程存儲(chǔ)設(shè)施等。

雖然本發(fā)明中已提供若干實(shí)施例，但應(yīng)理解，在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，本發(fā)明所公開(kāi)的系統(tǒng)和方法可以以許多其他特定形式來(lái)體現(xiàn)。本發(fā)明的實(shí)例應(yīng)被視為說(shuō)明性而非限制性的，且本發(fā)明并不限于本文本所給出的細(xì)節(jié)。例如，各種元件或組件可以在另一系統(tǒng)中組合或合并，或者某些特征可以省略或不實(shí)施。

此外，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，各種實(shí)施例中描述和說(shuō)明為離散或單獨(dú)的技術(shù)、系統(tǒng)、子系統(tǒng)和方法可以與其它系統(tǒng)、模塊、技術(shù)或方法進(jìn)行組合或合并。展示或論述為彼此耦合或直接耦合或通信的其它項(xiàng)也可以采用電方式、機(jī)械方式或其它方式通過(guò)某一接口、設(shè)備或中間組件間接地耦合或通信。其他變化、替代和改變的示例可以由本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本文精神和所公開(kāi)的范圍的情況下確定。