技术领域

本发明涉及移动通信领域， 更具体地， 涉及一种在多跳中继系统中利用基 于波束成形的协同复用来传送数据分组的方法 和发送端设备， 其中协同复用技术 通过利用波束成形技术降低了同信道干扰， 且在不会牺牲链路鲁棒性作为代价的 情况下获得了分集和复用的最佳折中， 增加了数据速率。 背景技术

中继技术是一种针对由先进 LTE (长期演进） 所提出的高频谱效率需求提高 容量和扩展覆盖区域的关键技术。 通过在 eNB (基站） 和 /或中继节点 （RN ) 中引 入协同中继技术， 例如协同调度和联合处理， 能够进一步提高系统性能。

当前的工作主要强调中继系统的协同分集增益 ， 其中中继节点帮助发射源 以分布式的方式来利用慢衰落信道的空间分集 ， 从而可以提高链路质量， 但忽略 了其可能会带来的复用增益。 然而， 在半双工中继网络 （其广泛用于先进 LTE ) 中， 由于中继节点需要额外的传输时隙， 因此难以获得复用增益， 特别是当发射 源仅配置有一根天线时。

在多跳中继网络中， 一种广泛采用的现有技术方案是针对协同中继 的分布 式空间频率块编码 （SFBC ) 和分布式空间复用 （SM ) , 因为不需要反馈信道状态 信息 （CSI )， 可以有效地提高性能， 而没有额外的信令开销。 图 1示出了协同中 继的图示，其中 eNB和 RN可以协同地为用户终端（UE )提供服务。当 eNB和 RN以 SFBC 格式来传输时， 即， 在相邻的子载波中， eNB传输 [s ₂ s,] , 而 RN 传输 [s,' - ₅ ] , 则可以实现阵列增益和协同接收分集增益， 从而提高了链路的传输质量。 当 eNB 传输 s,， 而 RN同时传输 s ₂ , 则提取协同复用增益。 但是， 现有技术方案都无法同 时获得分集增益和复用增益。

另一现有方案是使用频率复用技术， 即， 在非协同中继系统中， 为了增加 中继系统的吞吐量， 当存在由 eNB所服务的多个 RN, 并且每一个 RN为不同的用户 服务， 则多个 RN可以使用相同的频率来向不同的用户传送不� ��的信号， 如图 2所 示。 图 2示出了两个 RN和两个用户的场景。 由于频率重用的使用， 可以显著地提 高频率效率。 然而， 当多个 RN之间的距离较短或 RN的发射功率较大时， 由于频率 重用所导致的多个 RN之间的干扰是不可避免的， 因此， 性能反而会恶化。 当然 可以使用一定比例的频率重用来减轻干扰， 并且获得频率效率和性能之间的折 中， 但是吞吐量增益会受到限制。

因此， 需要提出一种基于波束成形的协同复用方案， 能够改进具有多天线 的中继系统的吞吐量， 并且获得通过复用的速率增益与分布式结构相 关的分集增 益之间的折中。 发明内容

为了克服现有技术的缺陷提出了本发明。 因此， 本发明的目的是提出一种 在多跳中继系统中利用基于波束成形的协同复 用来传送数据分组的方法和发送 端设备， 其中通过协同复用获得了分集和复用的最佳折 中且在不会牺牲链路鲁棒 性作为代价的情况下增加了数据速率， 并且利用波束成形技术降低了多用户干 扰。 ' ' ，

为了实现上述目的， 根据本发明， 提出了一种在多跳中继系统中利用基于 波束成形的协同复用来传送数据分组的方法， 包括： 基站利用与到各个中继节点 的中继链路的信道状态信息相对应的波束成形 矢量对要发送的数据分组进行加 权处理以获得第一加权后的数据分组， 并且通过所述中继链路向多个中继节点传 输第一加权后的数据分组； 多个中继节点利用相同的时频资源将第一加权 后的数 据分组转发到多个用户终端； 以及基站利用与到各个用户终端的直接链路的 信道 状态信息相对应的波束成形矢量对所述要发送 的数据分组进行加权处理以获得 第二加权后的数据分组， 并且利用所述相同的时频资源通过所述直接链 路向多个 用户终端传输第二加权后的数据分组。

优选地， 基站和相应的中继节点进行协同调度和联合传 输， 从而实现用户 终端协同空间分集。

优选地， 从基站和中继节点到用户终端的数据分组的传 输采用修改后的空 间频率块编码 SFBC方式来进行编码。

优选地， 用户终端利用 SFBC检测方法对接收到的数据分组进行合并。

优选地， 所述多跳中继系统采用多输入多输出 MIM0系统。

另外， 根据本发明， 还提出了一种在多跳中继系统中利用基于波束 成形的 协同复用来传送数据分组的发送端设备， 包括： 第一加权处理装置， 用于利用与 到各个中继节点的中继链路的信道状态信息相 对应的波束成形矢量对要发送的 数据分组进行加权处理以获得第一加权后的数 据分组； 第二加权处理装置， 用于 利用与到各个用户终端的直接链路的信道状态 信息相对应的波束成形矢量对所 述要发送的数据分组进行加权处理以获得第二 加权后的数据分组； 以及传送装 置， 用于通过所述中继链路向多个中继节点传输第 一加权后的数据分组， 以便由 多个中继节点利用相同的时频资源将第一加权 后的数据分组转发到多个用户终 端； 以及利用所述相同的时频资源通过所述直接链 路向多个用户终端传输第二加 权后的数据分组。 附图说明

通过参考以下结合附图对所采用的优选实施例 的详细描述， 本发明的上述 目的、 优点和特征将变得显而易见， 其中- 图 1是示出了现有技术的协同中继的示意图；

图 2是示出了现有技术的频率重用的示意图；

图 3是示出了根据本发明的利用基于波束成形的� �同复用的系统的示意图； 图 4是示出了根据本发明的在多跳中继系统中利� �基于波束成形的协同复 用来传送数据分组的方法的流程图；

图 5是示出了根据本发明的在多跳中继系统中利� �基于波束成形的协同复 用来传送数据分组的发送端设备的结构方框图 ； 以及

图 6是示出了本发明的系统与现有技术的比较结� �的仿真示意图。 具体实施方式

本发明提出了基于波束成形的协同复用方案， 利用小区内干扰消除来获得 链路鲁棒增益和速率增益之间的最佳折中。

1 ) eNB在第一阶段中通过中继链路向涉及协同处理 的多个 RN同时传输第一 加权后的数据分组， 其中基站利用与到各个 RN的中继链路的信道状态信息相对应 的波束成形矢量对要发送的数据分组进行加权 处理以获得第一加权后的数据分 组。

2 ) RN正确地解调该第一加权后的数据分组，然后� ��成第二阶段的以下过程： a )每一个 RN将具有除了符号和共轭变化之外相同的数据� ��容的编码数据分 组传送到用户， 并且多个 RN和用户对之间的传输使用相同的时频资源； b ) 同时， eNB利用与到各个 UE的直接链路的信道状态信息相对应的波束成 形矢量对与第一阶段中的数据分组相同的数据 分组进行加权， 以获得第二加权后 的数据分组， 并且利用所述相同的时频资源通过所述直接链 路向多个 UE传输第二 加权后的数据分组；

c ) 由此， 从 eNB和 RN到 UE的传输数据分组形成改进的 SFBC码字。

3 ) 然后， 这些 UE接收数据分组， 并且利用 SFBC检测方案来对接收到的数据 分组进行合并。

根据本发明的协同复用方案能够最优化空间分 集增益和空间复用增益， 并 且提高系统性能。 下面将参考附图来描述本发明的优选实施例。

基于波束成形的协同复用方案原则上是在多跳 环境下的分布式多输入多输 出 （MIM0 ) 系统， 如图 3所示。 图 3示出了在 eNB中的两个 RN和两个用户终端 （UE ) 的示意图， 其中将子帧内的相同时频资源分配给 RN、 或者 RN和 eNB。 这些节点如 分布式天线那样协同操作来形成一种虚拟 MIM0。

考虑由分别具有 2个天线、 1个天线和 2个天线的 eNB、 RN和 UE构成的三节点 中继系统。 在第一阶段， eNB将两个数据分组同时传送到两个 RN， 其中两个数据 分组首先由波束成形矢量来加权， 并且两个 RN同时接收数据分组。 类似于多用户 MIM0场景， 如果对波束成形矢量仔细设计， 则可以减轻或者甚至完全消除两个数 据流之间的干扰。 因此， 在第一阶段中的接收信号可以表示为： 其中. W表示第一跳， ,! · = 1,2表示 RN 1和 2的接收信号， h , i, j = ,2 是在 eNB处的天线 j'到第 i个 RN的信道增益， W是波束成形矩阵， 并且 ^和《,, = 1, 2是从 eNB到 RN 1和 2的发射信号和 AWGN。

RN 1和 2接收所加权的数据分组， 并且分别进行解码和解调。 由于 eNB和 RN 1 和 2之间的高质量信道， 可以认为解码和解调是完全正确的。 之后， RN 1和 2进行 再编码和再调制， 然后传送到 UE。

这里， 为了获得分集增益， 将改进的 SFBC用于传输信号格式， gp， 在综合 考虑从 eNB到 UE的传输数据格式之后， 基于频率方向来编码数据分组。 因此， 第 i 个 UE从协同链路的两个相邻子载波上所接收到的� ��号是：

) = ( 1)+

+ 1) ₍₂₎

y : = (k) _X] (k)- h§(k)x ₂ '(k + 1)+ n?(k)

y^(k + l) = ¾ ₂₁ (k)x ₂ (k + 1)+ h^(k) _X ;(k) + n^(k + 1)

其中 表示第二跳， , = l,2表示第 i个 UE的两个天线在两个子载波 k和 k+1上所接收到的信号， ,,《 _{J =} 1,2是从第 j个 RN到第 i个 UE的第 n个天线的信道 增益， h ， ,， «, = l,2是从 eNB的第 j个信道到第 i个 UE的第 n个天线的组合信道， ， = 1，2是从第1个1^到第1个1^的发射信号， 并且《,., = 1,2表示第 i个 UE的两 天线处的两个相邻子载波上的 AWGN。 同样， 为了支持多用户， 仍然由波束成形矢 量对来自 eNB的发射信号进行加权， 表示为： 因此， 组合信道为: (4) 等式 （2 ) 可以表示为矩阵形式:

(5)

其中， Ηί ² )

X = V

X2

" * "表示共轭转置。 因此， 信号-干扰加噪声比是:

其中， ， A，和 N分别表示信号功率、 干扰功率和 AWGN功率谱密度,

图 4是示出了根据本发明的在多跳中继系统中利� �基于波束成形的协同复 用来传送数据分组的方法的流程图。

如图 4所示， 根据本发明的方法， 在步骤 401， 基站利用与到各个中继节点 的中继链路的信道状态信息相对应的波束成形 矢量对要发送的数据分组进行加 权处理以获得第一加权后的数据分组， 并且通过所述中继链路向多个中继节点传 输第一加权后的数据分组。 然后， 在步骤 403， 多个中继节点利用相同的时频资 源将第一加权后的数据分组转发到多个用户终 端。 最后， 在步骤 405， 基站利用 与到各个用户终端的直接链路的信道状态信息 相对应的波束成形矢量对所述要 发送的数据分组进行加权处理以获得第二加权 后的数据分组， 并且利用所述相同 的时频资源通过所述直接链路向多个用户终端 传输第二加权后的数据分组。 图 5是示出了根据本发明的在多跳中继系统中利� �基于波束成形的协同复 用来传送数据分组的发送端设备的结构方框图 。

如图 5所示， 根据本发明的发送端设备 （例如， 基站） 包括： 第一加权处理 装置 501、 第二加权处理装置 503和传送装置 505。 第一加权处理装置 501利用与到 各个中继节点的中继链路的信道状态信息相对 应的波束成形矢量对要发送的数 据分组进行加权处理以获得第一加权后的数据 分组。 第二加权处理装置 503利用 与到各个用户终端的直接链路的信道状态信息 相对应的波束成形矢量对所述要 发送的数据分组进行加权处理以获得第二加权 后的数据分组。 传送装置 505通过 所述中继链路向多个中继节点传输第一加权后 的数据分组， 以便由多个中继节点 利用相同的时频资源将第一加权后的数据分组 转发到多个用户终端； 以及利用所 述相同的时频资源通过所述直接链路向多个用 户终端传输第二加权后的数据分 组。 利用以上分析， 发明人对基于波束成形的协同复用方案的性能 进行了仿真， 并且为了进行比较， 还基于 LTE下行链路系统仿真了没有中继节点的蜂窝系 统和 利用频率重用的多跳中继系统， 其中在本发明的方案中选择 eNB和 RN之间的协同 操作。 仿真参数设定如表 1所示。

表 1

参数 值

蜂窝布局 具有环绕的六角形布局， 7个 eNodeBs, 每个 eNodeB服务 3 个小区

系统带宽 10 MHz,下行链路

ISD 500 m (3GPP 场景 1 )

eNB发射功率 46 dBm

RN 发射功率 30 dBm

每个扇区的 RN 的 每个扇区 2个 RN

数量

每个扇区的 UE的数 每个扇区 25个 UE

里

调度 比例公平

下行 HARQ 具有 CC 的异步 HARQ , 最大三次重传， 以及在中继系统中的 逐跳 HARQ

信道 针对 3GPP 场景 1 的 SCM城市宏高扩展角

eNB天线配置 2个 Tx天线，具有在 3GPP TS 36.81 4 VI .5.1 中定义的天线图案 的 RN天线配置 1个 Tx天线和 1个 Rx天线， 均具有在 3GPP TS 36.81 4 VI .5.1 中定义的天线模式

UE天线配置 2个 Rx天线 （O dBi 天线增益， 全向）

下行接收机 ω类型 M C

控制信道开销 z ο〕，应答 LTE: 下行链路控制信道 （DL CCH ) 的 3个符号的开销加上 等 解调参考信号的开销

CO L=Prob(R)PL _LOS (R) ₊ [1-Prob(R)]PL _NLOS (R), 对于 2GHz， ？以 km 表示.

穿透损耗 20dB

PL _L0S (R)= 103.4+24.2los10(R)

PL匪 (R)= 131. 42.8lo _S 10(R)

场 景 1 : Prob(R)=min(0.018/R, 1)*(1-exp(-R/0.063))+exp(-R/0.063) 场景 3: Prob(R)=exp(-(R-0.01)/ 1.0)

L=Prob(R)PL _LQS (R) ₊ [1-Prob(R)】PL _{N )S} (R)-B，对于 2GHz， /？以 km 表示， 其中

PL _L0S (R)= 100.7+23.5/og 10(R)

PL謹 (R)= 125.2 ₊ 36.3log10(R)

路径损 eNodeB

耗模型 到 RN 基于 ITU模型 ProbiW:

场 景 1： Prob(R)=min(0.018/R, 1)*(1-exp(-R/0.072))+exp(-R/0.072) 情况 3: Prob(R)=exp(-(R-0.01)/ 1. 15)

where Bonus for donor macro is set to 5dB

L=Prob(R) PL _LQS (R)+[1-Prob(R)]PL _NLOS (R), 对于 2GHz， R 以 km 表示， 其中

PL _L0S (R)= 103.8+20. /og 10(R)

PL _NLOS (R)= 145.4 ₊ 37.5I0310(R)

场 景 1 : Prob(R)=0.5-min(0.5,5exp(-0. 156/R))+min(0.5,5exp(-R/0.03)) 场 景 3: Prob(R)=0.5-min(0.5, 3exp(-0.3/R))+min(0.5, 3exp(-R/0.095)) 表 2示出了利用本发明的协同复用的系统仿真结� �。

表 2

没有 RN的蜂 全频率重 所提的协同复用中继系 窝系统 用的中继 统

系统

小区平均频谱效率 1. 8457 2. 398 2. 6432 (43. 2%)

(bps/Hz/cel l) (29. 9%) 小区边缘频谱效率 0. 018

0. 017 0. 0222 (30. 58%)

(bps/Hz) (5. 88%)

图 6是示出了本发明的系统与现有技术的比较结� �的仿真示意图。 从图 6和 表 2可以看出， 本发明实现了用户吞吐量的显著提高。 这是因为一方面协同复用 获得了分集和复用的最佳折中且在不会牺牲链 路鲁棒作为代价的情况下增加了 数据速率； 另一方面， 利用波束成形技术将降低多用户干扰， 并且协同技术还避 免了共信道干扰。

另外， 明显地， 根据本发明的技术方案可以扩展到在多天线场 景下的到多 个 UE的多 RN协同服务。

尽管以上已经结合本发明的优选实施例示出了 本发明， 但是本领域的技术 人员将会理解， 在不脱离本发明的精神和范围的情况下， 可以对本发明进行各种 修改、 替换和改变。 因此， 本发明不应由上述实施例来限定， 而应由所附权利要 求及其等价物来限定。