（通信与信息系统专业论文）mimoy信道预编码技术研究.pdf

摘要 m i m o y 信道中，三个用户通过一个中继节点两两交换信息，这可以看做是 传统双向中继信道模型的推广。本文针对中继采用放大转发模式，研究了 m i m o y 信道的可达自由度，分析了可达和速率，并通过对预编码矩阵的优化设 计提高可达和速率。 本文首先对m i m o y 信道的研究现状进行了介绍，详细描述了中继采用译码 转发模式时，m i m o y 信道的两时隙传输策略以及所采用的信号空间对齐、物理 层网络编码和干扰去除技术。 在第三章，设计了当中继采用放大转发模式时，适用于m i m o y 信道的两时 隙传输策略，分析表明在每个用户节点装备天线数目为m ，中继节点装备天线数 为，中继采用放大转发模式，当n r 3 m ，2 1 时，系统可以达到3 m 的自由度， 这大大高于传统m i m o y 信道传输策略的可达自由度。 本文第四章研究了中继采用放大转发模式的m i m o y 信道发送节点和中继 节点的预编码问题，并设计了三种算法对预编码矩阵进行优化。数值仿真结果表明， 与不采用预编码的系统相比，基于平均功率分配的预编码传输策略可有效提升系 统可达和速率。同时，对用户节点和中继节点预编码矩阵的优化设计可以进一步 改善系统的和速率性能。 关键词：中继m i m o y 信道预编码功率分配优化 a b s t r a c t i nam l m o 。yc h a n n e l ，t h r e eu s e r sc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e rt h r o u g ho n e r e l a yn o d ea n di tc a nb es e e n 嬲ag e n e r a l i z e dn e t w o r km o d e lo ft h et w o w a yr e l a y c h a n n e l i nt h i sp a p e r , w es t u d i e d ，w h e nt h er e l a y sw o r ka ta m p l i f y - a n d f o r w a r dm o d e ， t h ed e g r e e so ff r e e d o mo ft h em i m o y c h a n n e l ，a n a l y s i st h ea c h i e v a b l es u mr a t ea n d i n t r o d u c eap r e c o d i n gm e t h o dt oi m p r o v et h es u mr a t e w ef i r s ti n t r o d u c et h ec u r r e n td e v e l o p m e n to ft h es t u d yf o rt h em i m o yc h a n n e l s p e c i a l l y , t h i sp a p e rg i v e sad e t a i ld e s c r i p t i o no ft h et r a n s m i s s i o ns t r a t e g yw i t ht w o t i m es l o t sa n di n t r o d u c et h ek e yc o n c e p t so ft h es i g n a ls p a c ea l i g n m e n ta n dt h e n e t w o r k - - c o d i n g - b a s e di n t e r f e r e n c en u l l i n gb e a m f o r m i n gw h e nt h er e l a yw o r k sa t d e c o d e a n d f o r w a r dm o d e i nc h a p t e rt h r e e ，an o v e lt w ot i m es l o t st r a n s m i s s i o ns t r a t e g yi sp r o p o s e dw h e nt h e r e l a yw o r k sa ta m p l i f y a n d - f o r w a r dm o d e n l ea n a l y s i ss h o w st h a t , w h e ne a c hu s e r e q u i p p e dw i t hma n t e n n a s ，t h er e l a ye q u i p p e dw i t hna n t e n n a s ，a n dn _ r 3 mi2 - 1 ， 3 m d e g r e e so ff r e e d o mc a nb er e a c h e d ，w h i c hi sm u c hb e t t e rt h a nc o n v e n t i o n a l s c h e m e s c h a p t e r f o u rc o n s i d e r st h ep r e c o d e rd e s i g ni nu s e rn o d e sa n dt h er e l a yn o d e ，a n d p r o v i d e st h r e ea l g o r i t h m st oo p t i m i z et h ep r e c o d e r so ft h er e l a yo rt h eu s e rn o d e s a t t h ee n do ft h i sp a p e r , t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dp r e c o d i n gs c h e m e c a na c h i e v es i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n ti ns u mr a t ep e r f o r m a n c ew i t he q u a lp o w e r a l l o c a t i o n ，c o m p a r e dw i t ht h a to ft h ew i t h o u tp r e c o d i n gc a s e f u r t h e rm o r e ，t h es u m r a t ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mc a nb ef u r t h e ri m p r o v e dt h r o u g ht h eo p t i m i z a t i o n k e y w o r d ：r e l a y m i m o - yc h a n n e l p r e c o d i n gp o w e r - a l l o c a t i o no p t i m i z e 第一章绪论 第一章绪论 1 1引言 全球通信技术的发展日新月异，尤其是近年来，无线通信技术的发展速度与 应用领域已经超过了固定通信技术。截至2 0 0 9 年5 月，仅中国就有超过6 8 亿移 动电话业务，而在全世界范围内，移动电话数目已经远远超过固定电话数目，无 线通信呈现出如火如荼的发展态势。 随着通信逐渐进入3 g 时代，人们对无线网络的要求已经扩展至高速率的多 媒体和数据传输业务，扩大无线通信网络覆盖范围和提升频谱利用率等问题变得 亟待解决。作为解决上述问题的有效手段，多天线( m i m o ) 技术和中继技术成为了 这几年的研究重点。 多天线技术利用在收发两端装备多根天线，通过预编码技术形成多条并行链 路，或是利用多天线形成分集，可以有效的提升系统的传输速率和频谱利用率【l 】。 利用中继帮助源节点转发信息是另一种可以有效提升网络覆盖范围和提升系统频 谱利用率的措施。而将多天线技术与中继技术相结合是当前通信技术领域的研究 热点之一。 1 2m i m o 预编码技术 结合预编码技术，m i m o 系统可以提供更高的分集和空间复用增益，进而大 幅度提升系统的性能。m i m o 信道可以大致分为点对点信道、多址信道和广播信 道。 1 2 1 点对点m i m o 预编码 点对点m i m o 信道具有一个发送节点和一个目的节点，结合了预编码的点对 点m i m o 信道模型如图1 1 所示。 广= 广= 广= i 1 三驯上三竖竺吲里三墅号 图1 1 点对点m i m o 预编码 设发送节点装备m 根天线，目的节点装备根天线，发送信息为；，v 为发 2m i m o - y 信道预编码技术研究 送节点采用的预编码矩阵，f 为目的节点采用的接收矩阵( s h a p i n gm a t r i x ) ，收发 节点间的信道矩阵用h 表示。系统方程可以写为， 歹= f h v 更+ 而( 1 - 1 ) 对于式( 1 1 ) ，当发送节点和目的节点已知信道信息时，预编码问题将变得简 单【l 】，对信道矩阵h 应用奇异值分解( s v d ) 得到， h = u h h 吒( 1 - 2 ) 取v = v ，f = u ，则式( 1 1 ) 可以写为， 歹= h 舅+ u n 一 ( 1 - 3 ) 由式( 1 3 ) ，通过预编码在收发节点间形成了相互独立的并行信道，当丙服从 高斯分布时，采用注水法对；的各个符号进行功率分配，可以得到最佳的系统性 能。 当发送节点无法获取信道信息时，m i m o 结合空时编码( s t c ，s p a c e t i m ec o d e ) 技术可以有效的对抗信道衰落，分集和复用的折q ，( d m t ) 则是衡量空时码性能的 一个重要指标【l 】。很多文章研究了当发送节点具有信道的统计信息( 如信道矩阵的 均值或二阶矩) 时，发送节点的预编码策略【2 】【3 】。 1 2 2m i m o m a c 预编码 m i m o m a c 信道具有多个发送节点和一个目的节点，每个节点装备多根天 线。加入预编码之后，信道模型如图1 2 所示。 图1 2m i m o m a c 信道模型 s 。，v 分别为用户i 的信息符号和预编码矩阵，h 由为用户i 与目的节点之间的 信道矩阵，y 为目的节点的接收信号。目的节点采用特定的接收准则厂( y ) 得到估 计信息信，：) 。 用户l 和用户2 的发送信号在目的节点处相互之间造成干扰，因此点对点 m i m o 信道的预编码策略无法直接应用于m i m o m a c 信道。当每个用户节点都 具有全局信道信息时，两个用户可以相互协作，很多文章研究了发送节点预编码 矩阵和目的节点接收矩阵的设计【4 卜【1 2 】，其中，文【4 】提出了一种次佳的迭代注 水法，得到了近似最佳的最大化系统和速率的预编码算法，文【6 卜【l o 】研究了 第一章绪论3 c d m a 系统中预编码特征序列的选取。文 1 2 l 研究了最大化最小信计t ( s i r ) 的发 送接收矩阵的设计。 1 2 3m i m o b c 预编码 m i m o b c 信道具有一个发送节点和多个目的节点，每个节点装备多根天线， 加入预编码后系统模型如图1 3 所示。 图1 3m i m o - b c 其中s ，s ，为发送节点( 基站) 向用户l 和用户2 发送的信息符号，v 为发送节 点的预编码矩阵，h ，i - i ，分别为发送节点与用户l 和用户2 之间的信道矩阵。 在广播信道中，可以通过波束成形和“污纸编码( d p c ) 技术来达到和速率 容量域 1 3 1 1 1 4 1 。文献【1 5 】采用t o m l i n s o n h a r a s h i m a 干扰消除技术【1 6 】，提出了结 合m m s e g d f e 结构的预编码技术。“污纸编码”等非线性预编码技术实现较复 杂，文【1 7 】【1 8 提出了迫零脏纸( z f d p ) 预编码技术，即在m i m o 广播信道中采用 基于q r 分解和干扰预消除的传输策略。文f 1 9 】【2 0 】【2 l 】提出了一些线性预编码技 术，包括迫零( z f ) 预编码和最小均方误差( m m s e ) 预编码。 将m i m o 技术与中继技术结合是当前无线通信技术的研究热点，在下一节将 介绍中继研究中的主要模型和研究现状，重点介绍双向中继信道模型。 1 3中继技术简介 中继模型是指一个或多个中继节点帮助一对或多对节点通信的模型。在第三 代和第四代无线通信系统中，手持终端等设备由于受到体积和功耗等局限性，装 备天线数目受限，采用中继可以为通信的节点提供额外的分集增益，提升系统的 可达速率，改善接收节点的b e r 性能。中继技术同时还是提高移动用户在小区边 缘通话质量的有效手段之一。下面介绍几种典型中继网络。 4 m i m o - y 信道预编码技术研究 1 3 1t 型中继网络 点 图1 4m i m o 单中继t 型网络模型 图1 4 是典型的包含一个源节点和一个目的节点的单中继通信系统模型。文 【2 3 1 最早研究了中继通信系统。在文 2 4 1 q a ，对于具有一个中继的系统提出了两种 基本的转发策略译码转发和压缩转发。采用这些技术可以得到一些经典中继 信道的信道容量 2 4 1 【2 8 】。文【2 9 】研究了在中继半双工模式下，接收端采用最小均 方误差( m s e ) 算法，以最小化均方误差( m m s e ) 为目的，发送节点预编码矩阵和中 继处的转发矩阵的优化设计问题。当发送节点和目的节点之间直接链路信道损耗 较大时，可以假设发送节点和目的节点间无直接链路，即发送节点将信息编码发 送给中继，目的节点只接收来自中继转发的信息。此时图1 4 的三节点中继系统 模型便成了具有一对收发节点的单跳中继网络模型。针对该种网络模型，文 3 0 】 研究了中继转发矩阵的优化设计，并证明了将中继转发矩阵设计成使发送节点和 目的节点间形成相互独立的并行信道的结构是一种最优解决方案。 在图1 4 模型基础上，文 2 7 3 1 1 1 3 2 1 3 3 研究了增加发送节点、中继节点或是 目的节点个数后系统传输和预编码策略。 1 3 2 双向中继信道 s h a n n o n 在文 3 4 1 5 h 最早研究了双向信道( t w o - w a yc h a n n e l ) 。双向中继信道在 蜂窝系统和端对端网络( p e e r - t o p e e rn e t w o r k s ) q 体现出了很高的应用潜力，因此 近年来重新得到了学术界和工业界的重视【3 5 】- 【3 9 】。 图1 5 无线双向中继信道模型 第一章绪论5 图1 5 是无线双向中继信道的典型模型，它由两个源节点a 、b 和一个中继 节点r 构成，源节点a 、b 不在对方节点的传播范围内，而中继在两个源节点之 间并且在两个源节点的传输范围内。因此，源节点a 、b 需要通过中继r 交换信 息s l ，s 2 。本节详细介绍基于无线双向中继信道的几种信息传输模式：传统传输 模式，直接网络编码模式和两时隙传输模式。 1 3 2 1 传统传输模式 传统的无线网络研究中，一般将同时传输的信号所产生的叠加信号认为是干 扰信号。为了避免干扰，两个源节点一般不在同一时隙传输信息。图1 6 所示为 无线双向中继信道的传统信息转发模式。在这个方案中，两个源节点首先分别占 用一个时隙将信息帧s l ，s 2 发送到中继节点，中继节点然后再分别占用两个时隙 将信息s l ，s 2 转发。因此，传统的传输方案需要四个时隙来交换两帧数据。 第一时隙一第二时隙 第三时隙第四时隙 图1 6 无线双向中继信道传统传输模式 为进一步增大中继网络的容量，无线双向中继信道的一些传输方案只需要两 个时隙来完成两个源节点信息的一次交换，如图1 7 所示。第一个时隙，源节点 a ，b 同时传送信息到中继r ；第二个时隙，中继r 将接收的叠加信号转换为两个 源节点信息的网络编码信息，再广播到两个源节点。对于第二个时隙中的“中继 将叠加信号转换成网络编码信息”，有多种转换方法，接下来介绍两种具体的传 输方案：多址接入方案和物理层网络编码方案。 第一时隙一第二时隙 图1 7 无线双向中继信道的两时隙传输方案 6 m i m o - y 信道预编码技术研究 1 3 2 2 多址接入中继信道 在多址接入模式中，中继节点首先根据接收的叠加信号分别译码得到s l ，s 2 ， 再将s l ，s 2 模2 和得到s ios 2 进行编码转发。中继对叠加信号的分别译码实质上 是一个多址接入问题，中继首先将数据帧s 2 当做干扰信号译出一个数据帧s l ，然 后将译出的s i 信号值从s 2 中减去，译出s 2 。因为s 1 ，s 2 被精确的译出，所以中继 可以直接将译出的信号s l ，s 2 叠加为网络编码信息s los 2 。 1 3 2 - 3 物理层网络编码方案 由于利用中继帮助两个源节点转发数据，并不需要两个源节点的具体信息s l ， s 2 去形成网络编码信息包s los 2 ，而只需要获得网络编码信息s los 2 即可，而且单 独译出两个源节点的信息去获得网络编码信息也会带来一部分的性能损失。因此， 中继可以根据接收的叠加信息译出两个源节点的网络编码信息。 物理层网络编码【4 0 】就是基于此思想设计的，它将网络编码应用于物理层， 可以直接译出源节点信息比特的网络编码信息。物理层网络编码方案在第一个时 隙，源节点a ，b 同时传输信息s l ，s 2 到中继。中继将接收到的叠加信号通过解映 射，译为网络编码信息并在第二个时隙广播给两个源节点。也就是说，直接的网 络编码方案的模2 操作可以通过一个物理层网络编码解映射实现。 以b p s k 为例，中继节点的物理层网络编码的调制解调方法【4 0 】如表1 1 所 示。源节点发送信号的可能取值为l ( x = 1 ) 或1 似= 0 ) ，x 为比特信息。假设中继获 得的两个源节点的信号相位和幅度同步，则忽略噪声的接收信号玮 一l ，0 ，l 。 当两个源节点发送的信号相同的时候，模2 信息为0 ，中继的接收信号为+ 2 或2 ，因此，当接收的信号幅度为+ 2 或者- 2 时，将把信号解映射为o ；同理，当 两个源节点发送的信号不同的时候，模2 信息为l ，那么当中继接收的信号幅度 为0 时，将信号解映射为l 。采用物理层网络编码方案两个源节点交换一次数据 需要两个时隙，可以看出物理层网络编码方案可以有效提高网络的传输速率，增 大网络的吞吐量。 表1 1b p s k 调制，物理层网络编码的调制解调映射 x ix 2s ls 2y rx x 0o1- 12o ol- ll0l lo110l llll2o 上述几种针对双向中继信道的传输模式中，传统传输模式需要四个时隙，直 接的网络编码需要三个时隙，而物理层网络编码只需要两个时隙。物理层网络编 第一章绪论 码传输模式可以大大节省传输一帧所需的时隙。但如表1 1 所示，物理层网络编 码要求通信的一对用户采用相同的编码调制映射方式，这对不同用户根据各自信 道状况选择合适的调制方式产生了限制，并且加大了中继处和用户节点处的码本 存储量。 1 4 m i m o y 信道 将双向中继信道进一步扩展，可得到如图1 8 所示的m i m o y 信道，即每个 用户( 如u s e r l ) 通过中继( r e l a y ) 给另外两个用户( 如u s e r 2 、u s e r 3 ) 发送信息。中继采 用译码转发模式时，中继对接收到的信号进行译码、再编码并转发至三个用户。 甚趣 r e l a y 图1 8m i m o - y 信道模型 针对m i m o y 信道，n a m y o o nl e e 等人利用干扰对齐( i n t e r f e r e n c ea l i g n m e n t ) 、 物理层网络编码调制解调映射和干扰预消除技术，研究了中继节点采用译码转发 模式时，m i m o - y 信道可达的最大自由度 2 2 1 。 1 5 本文研究内容及章节安捧 对于中继节点采用放大转发模式时，m i m o y 信道可获得的最大自由度，以 及用户节点和中继节点的最佳预编码处理方案，目前尚未有详细介绍。本文将重 点研究基于放大转发模式的m i m o y 信道中的相关问题。 本文第二章中，将介绍几种m i m o y 信道可以采用的传统的传输模式，并且 重点叙述文 2 2 1 所提出的一种中继节点基于译码转发的两时隙传输模式。 第三章研究了中继采用放大转发模式时，系统可以获得的最大自由度，并在 平均分配功率情形下，推导了m i m o y 信道的可达和速率。 第四章以可达和速率为指标，对m i m o y 信道中用户节点和中继节点的预编 码矩阵进行优化设计，提出了三种优化算法，并给出了数值仿真结果。 趣 譬8 嘶 8m i m o - y 信道预编码技术研究 第五章对本文的研究内容进行了总结，并探讨了可能的研究方向。 第二章m i m o y 信道 9 第二章m i m o y 信道 中继技术应用于无线通信系统，可以有效提高系统的频谱利用率。传统的双 向中继信道是一种重要的中继系统模型。文【2 2 】提出了一种三个用户通过一个中 继节点交换信息的系统模型，m i m o y 信道。这可以看做是传统双向中继信道模 型的推广。本章主要介绍m i m o y 信道模型的构成，并且讨论几种可以应用于 m i m o y 信道的传输策略。 2 1m i m o y 信道 基于半双工的m 1 m o y 信道模型如图1 8 所示。每个用户( 如u s e r l ) 通过中继 ( r e l a y ) 给另外两个用户( 如u s e r 2 、u s e r 3 ) 发送信息。因此，为完成三个用户之间的 信息交互，一般需要两个阶段，即多址( m a c ) 阶段和广播( b c ) 阶段。在m a c 阶 段，三个用户节点向中继节点发送信号，在广播阶段，中继节点对收到的信号进 行译码、再编码并向三个用户转发信息。 文【2 2 讨论了m i m o y 信道可以采用的几种传输模式，包括t d m a 、 m u m i m o 和两时隙传输方案。本章2 2 节主要介绍t d m a 和m u m i m o 两种传 输模式和它们的可达自由度：2 3 节重点介绍文【2 2 】所提出的两时隙传输策略，并 详细分析其可达自由度。 2 2 经典m i m o y 信道传输模式 2 2 1t d m a 模式和可达自由度 如图1 8 所示，假设系统中每个用户节点的天线数为肘，中继节点的天线数 为，且n m 。m a c 阶段，用户节点i 到中继节点之间的信道矩阵用h i ，l 表 示，b c 阶段，中继节点到用户i 之间的信道矩阵用i - i t 7 l 表示。假设h 和h f f 7 1 中 每个元素都是独立同分布的，即每个元素服从零均值单位方差的复高斯分布。 在t d m a 模式下，m a c 时隙只有一个用户向中继发送信息，在b c 时隙， 中继将接收到的信息向另两个用户转发。下面以用户1 向用户2 、3 发送信息为例 说明发送过程并对系统的可达自由度进行分析。 在m a c 时隙，中继收到的信号由下式给出， y 1 7 1 = h 【1 j x t l l + n ( 2 1 ) l o m i m o y 信道预编码技术研究 其中y 【，】为中继节点的接收信号，n t 7 1 为中继节点的噪声，且n 7 1 ( o ，4 q ) ，维数 均为n x l 。 b c 时隙用户2 和用户3 接收到的信号由下式给出， y t 2 j = h t 2 ，i x t 7 1 n t 2 1 y t 3 1 = h t 3 7 l x 【7 l + n t 3 1 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 其中y t 2 l ，y t 3 i 为用户2 和3 接收到的信号，n t 2 l 和n t 3 1 为用户2 和3 处的噪声，信 号和噪声的维数为m 1 ，n t2 1 ，n t 3 1 c ( o ，i ) 。x t 7 1 为中继对接收信号y t 门进行译码并 重新编码所得到的信号。 当中继节点的天线数n m 时，接收端( m a c 阶段的中继，b c 阶段的用户2 、 3 ) 可以采用迫零检测的算法得到m 个独立的相互无干扰的信息流序列并译码。因 此，在t d m a 模式下，m i m o y 信道可以获得的自由度为m 。 2 2 2 m u m i m o 模式和可达自由度 m i m o y 信道的另一种传输模式是m u m i m o ，传输分为两个正交的阶段完 成。第一阶段在中继节点的协助下，用户l 向用户2 发送信息，用户2 向用户3 发送信息，用户3 向用户l 发送信息。第二个阶段在中继节点协助下，用户l 向 用户3 发送信息，用户3 向用户2 发送信息，用户2 向用户1 发送信息，其中每 个阶段包含m a c 和b c 两个时隙。 下面以第一个发送阶段为例，分析m u m 1 m o 模式下，m i m o y 信道可达的 总自由度。 m a c 传输过程中，中继节点接收信号为， y t 】= h t 7 ，1 x t l 】+ h 【，2 x t 2 1 + h 【，3 x t 3 】+ n t 7 1 b c 传输过程中，各个用户节点接收信号为， y 【1 1 = h t l , - i x t 7 1 + n t l l y 1 2 】= h 1 2 ，i x 7 l + n t 2 i y t 3 1 = h t 3 t ， x t 】+ n t 3 】 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 其中，n 1 1 c ( o ，砰1 ) ，n 2 1 c ( o ，霹1 ) n 3 1 c ( o ，霹i ) 。 m a c 传输时隙，中继节点采用多用户检测算法( 例如m m s e s i c 算法) ，b c 传输时隙，中继采用多用户波束成形技术向各个用户广播信息，系统的可达自由 度为m i n ( 3 m ，n ) 。假设中继节点天线数= 3 m 2 ，m u m i m o 传输模式可达的自 由度为。 第二章m i m o y 信道 2 , 3两时隙传输模式和可达自由度 为了避免传输过程中，用户之间相互干扰，上述t d m a 模型下，三个用户需 要六个时隙才能完成相互之间的信息交换，而在m u m i m o 模式下，三个用户则 需要四个时隙才能完成相互之间的信息交换。 为了进一步提高传输效率，文 2 2 1 幂u 用网络编码和信号对齐理论，提出了一 种两时隙传输算法。这种算法应用了两种新的编码策略，在m a c 时隙采用信号 空间对齐策略，在b c 时隙采用干扰预消除策略。通过波束成形向量的选择，使 得相互交换的信息在中继节点对齐到同一信号维度上。在b c 时隙，中继节点可 以通过检测直接得到互换信息的模2 和结果，并通过对波束成形向量的选择来设 计干扰预消除策略，消除用户端接收信号( 如在用户l 的接收端，用户2 和用户3 相互交换的信息是干扰) 间的干扰。下面是这种算法得出的一个主要结论：在一个 复高斯m i m o y 信道系统中，中继节点有根天线，每个用户节点有m 根天线， 当r 3 m 2 1 时，各个用户节点的可达自由度为， ， 如，= 以。= 吐：= 以：= 4 ，= 如= ( 2 - 8 ) 二 其中或表示用户，向用户f 发送信息的自由度。 下面分别介绍这种算法在m a c 时隙所采用的信号空间对齐技术、中继节点 对接收信号应用的物理层网络编码调制解调映射( p n c ) 技术和b c 时隙的干扰去 除技术 2 3 1m a c 时隙：信号空间对齐技术 l 弋v 1 2 1 $ 篡1 2 j i 一 卜蛳，：。 lv h 捌s l l 2 l 篇_ 1 3 2 l l v i r 1 i 卜v 叫i b 7 2 司一2 棚 图2 2 ( m = 2 ，n = 3 ) r e l a y 1 2 m i m o - y 信道预编码技术研究 信号空间对齐技术通过选择信号的波束成形向量，将相互交换的信息在中继 节点处对齐到同一空间维度上，因此中继节点可以对两个信号的向量进行联合检 测。信号空间对齐技术的基本原理是通过发送端预编码向量的设计，用户i 向用 户，发送的信号与用户向用户i 发送的信号在中继节点处映射到了同一方向，如 图2 2 所示。 假设用户i 向用户j f 发送m 2 个相互独立的信息流w t j ，并把这些信息流在 m 2 个波束成形向量上发送，即 x v l = 乙，- 。m i ，2 v 妒拶，v j , f l = 阿门，v 纠2 ( 2 - 9 ) 其中蟛川表示用户i 向用户发送的第m 个信息符号。信号对齐技术要求在中继节 点处，下列关系式成立， h t 1 蟛朋：h r , 2 i j = l 2 l ：u ”l 坍i m ( 2 1 0 ) h k l l 壕朋：h 【，3 1 屹剖：u 譬翻，l r n m _ ( 2 1 1 ) h 【，2 1 姑捌：h 【， 3 1 蟛3 1 ：u 譬捌，l 坍婴 ( 2 1 2 ) 可以证明当h t , , q ，h 【，t 2 1 ，h 【，3 l 为随机矩阵时，可以找到波束成形向量集合v f 川， 使( 2 - 1 0 ) 、( 2 - 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 成立，并且使得u t 7 】为非奇异矩阵【2 2 】。其中， r1 u p l = iu 。i l r i ，u 匕，u 【，t 2 1 ，u 2 1 , u 1 r 3 ，u 匕3 1i ( 2 13 ) l 2了 了j 由此，中继节点处的接收信号可以表示为， y 【一= h p 1 1 咄1 1 蟛1 1 + h p 2 1 v 2 2 1 出。1 j = l lm = - ij = l 。p 2 _ ，= l + h 1 v 2 3 1 出3 1 + n 【一 ( 2 1 4 ) j ；l 。j * 3 _ = i ：i i i l s 【一+ n 【一 其中 s 【7 】 砖2 m + 。u 2 1 ，哪s m 2 j ，： + 姑尧，砖3 m + 砖1 3 l ，点嬲+ 妨尧，s 掣+ s 2 3 ，芦黝+ 曙雳 u 【7 j 为非奇异矩阵，中继处采用z f 策略可以检测出s 【7 1 【2 2 。 2 3 2 中继节点处物理层网络编码技术 网络编码应用于物理层，可以直接译出发送节点信息比特的网络编码信息， 通过物理层网络编码的调制解调映射，可以对接收信号重新编码并发送。 第二章m i m o y 信道 根据式( 2 - 1 4 ) ，s i r 】是长度为3 m 2 的向量，当n r 3 m 2 1 时，中继节点可以 有效恢复出s 【”，采用物理层网络编码( p n c ) 调制解调映射的原则【4 l 】得到， 联p = 嘭丑2 ，= w 瞄1 1o 胪2 1 叫门= 嘭a 3 ) = 矿p 1 1 0 “3 1 ( 2 1 5 ) 孵嵋= 叼= 3 2 1 0 2 3 1 其中。代表模2 和。得到模2 和信息之后，中继对w l “，嘭“，孵7 1 重新编码得到， n p “，料哕专p “，别n p ”，讣 2 3 3 b c 时隙：干扰去除( i n t e r f e r e n c e - n u l lo u t ) 技术 b c 时隙所采用的干扰去除技术如图2 3 所示，通过中继节点处波束成形向量 的选择，以消除用户端接收信号间的相互干扰( 如在用户i 的接收端，用户2 和用 户3 相互交换的信息是干扰) 。 对形，硝“，科7 j 重新编码得到的符号进行预编码处理时，采用的波束成形向量 为v f l - ，l 。v i 2 “，v f 3 ，】，即， - v i j v 纠, v 2 , r - - - - 昨一，斟一 水3 , r ，v 等 3 , r 1 此时，中继节点向三个用户广播的信号可表示为， j ， i ， x 【一= 芝芝v ，1 ，f = l 2 ，3 t = l 净jm = l 对应的，用户f 的接收信号为， 一2 i l + 一l 2 1 i l 建：l 一2 1 1 + 一l 2 l 广 母一j s 【3 2 1 + 一2 3 1 ，一2 3 1 3 1 1 + 一1 3 l 。 图2 3 ( m = 2 ，n = 3 ) 1 4 m i m o y 信道预编码技术研究 y t 7 】：1 4 t ，r l x 【l - i - n 【。1 ：= h t ，：i ：至mv 譬，- n p ， 2 11 5 = h p ，1 v + n p l 以图2 3 中的用户1 为例，为保证在用户1 处消除用户2 和3 互发的信息( 对 用户1 的干扰) ，所采用的预编码向量需满足， s p a n s p a n s p a n 、 v i i , r w 竺 i r 1i c n u l l ( h p ，1 ) 2 v m ，v 量1l c n 训( h 口，) ( 2 - 1 7 ) 2 ， v 3 , 4 ，w 等 3 , r l jc 棚( 驴n 可以证明满足式( 2 1 7 ) 的独- o _ 不相关的波束成形向量集合是存在的【2 2 】。在中 继节点上，采用满足式( 2 - 1 7 ) 的预编码向量时，用户1 的接收信号为， 、一-，t，荟2=itt，羹、，譬，-r一-，：=d-，ss：i：lc：j-，n， c ：18 )i=1 y 【1 】 l ，1 v 卅+ n 1 1 】- q 【1 ，l jm t ，ji + n m ( 2 - ，4 = il 墨。i 其中，q i , r l = h l i r l 、， 1 ，】，、，筝1 ，、，5 2 , 4 ，w ，等1 2 , r 1 2 3 4系统的可达自由度 系统的可达自由度是衡量系统性能的一个重要指标，关于系统可达自由度的 概念可以参考本文的附录a 。 由于在文 2 2 】中证明了可以得到相互独立不相关的波束成形向量集合，根据 式( 2 1 8 ) 给出的用户l 的接收信号，采用迫零检测( z f ) 算法检测出， 掣1 r ，= = 簧1 r ，j 蹬t 7 ， 2 ，t 2 j r ，= = 斟2 ，】，孳， r 进而可以通过译码得到模2 和信, , 宦 w i i i r i ，麻“，按照下述处理，用户l 可以得 到用户2 和3 发来的信息， 咖l 2 1 = 研7 i o 形【2 1 1 ( 2 1 9 ) 矿【1 3 1 ：疵r 1ot p - l , i l ( 2 2 0 ) 同理，用户2 和3 也可以正确得到其他用户向自己发来的信息。 综合式( 2 l o ) 至a j 式( 2 - 2 0 ) 可以得到，采用文【2 2 】所提出的两时隙的传输策略， 第二章m i m o - y 信道 3 m 的自由度是可达的，同时文【2 2 】还证明了3 m 是m i m o y 信道可以达到的最大 和自由度。 2 4小结 本章分析了m i m o y 信道的组成，介绍了几种m i m o y 信道可能采用的传 输模式，其中，t d m a 是最简单的传输模式，但达到的自由度也是最低的。详细 介绍了文【2 2 】所给出的两时隙传输策略，包括m a c 传输过程中应用的信号空间对 齐技术、中继节点物理层网络编码调制解调映射和干扰消除的技术。下一章将研 究中继采用放大转发模式时，m i m o y 信道的可达自由度。 第三章放大转发m i m o y 信道自由度及可达和速率1 7 第三章放大转发m i m o y 信道自由度及可达和速率 放大转发策略在很多的中继系统研究中被采用，本章研究中继采用放大转发 模式时，m i m 0 y 信道应用两时隙传输技术的可达自由度和平均分配功率策略下 系统的可达和速率。 3 1 放大转发m i m o y 信道传输概述 文 2 2 1 提出的两时隙转发策略中，中继采用了译码转发并结合了物理层网络 编码调制解调映射。与译码转发相比，放大转发中继具有延迟低的特点。 基于物理层网络编码的发送策略 2 2 1 要求互发的对应信息符号采用相同的调 制星座图和相同的比特速率。中继采用放大转发，不采用物理层网络编码的调制 解调映射，牺牲了一部分的频谱效率，但使得系统在用户的传输速率控制上具有 更高的灵活性，中继处也无需保存码本信息。 本章重点讨论基于放大转发模式的m i m o y 信道的两时隙传输策略，在 m a c 时隙依然采用了信号空间对齐策略，使得相互交换的信息在中继节点对齐 到同一信号维度上；而在广播阶段，中继节点不对接收信号进行译码，而是进行 信号分离，并对分离后的信号设计相应的干扰消除向量。 由于策略中m a c 时隙的信号空间对齐技术和b c 阶段的干扰去除技术与第 二章类似，本章主要介绍中继节点和用户节点的接收策略。分析表明，当中继的 天线数n 13 m 2 时，这种策略同样可以达到3 m 的自由度。 3 2中继节点的接收转发策略 与第二章类似，在m a c 阶段，通过对三个用户节点发送端波束成形向量的 设计，使得用户f 向用户j 发送的信息与用户向用户f 发送的信息对齐到同一方 向，此时中继节点的接收信号可以写为， y 【一= h n 玎v 出1 1 + h p 2 1 v 2 2 1 出2 1 2 1 ：1 m = l 2 。2 ”5 1 (3一1)m123 、一。7 + h p 捌v 垆出3 1 + n 【一 3 = 1 ，j # 3m = l 令 m i m o y 信道预编码技术研究 式( 3 一1 ) 可以改写为， u l r , q = 1 v 2 1 1 ，v 舭1 2 , , 11 j 一- h p 2 1 v 1 , 2 1 ，v i , 2 2 u p 2 】- h 【，。1 v 掣，v 3 ： j i h p 3 1l ，i l l , 3 ，v w i i , 3 2 1 u p 3 】_ h p 2 1 v 3 - 2 】，v 嬲 = h p 3 1 2 , 3 1 v 2 , 3 1 刚= s 2 1 】，删 r + j p ，制1 1 , 2 ：1 j - 7 s l ，2 l - j f 3 l 】，删 2 + 陟3 1 ，蜊 2 s k 3 】_ h 3 , 2 ，1 3 , 2 j 1 7 + s ：2 3 】，蜊r y 【，l = u 【r , l 】s 【7 l 】+ u t r , 2 】s 【t 2 】+ u 【r , 3 l s 【7 t 3 1 + n 【7 l 3 2 1 中继节点信号分离技术 中继节点采用放大转发模式时，需首先对式( 3 - 1 ) 进行线性处理，以分离出信 号向量s 【，1 1 、s 【r 2 1 和s 【j 。假设中继节点采用的接收矩阵为， h i t = ( h t l ，) r ，( h t 2 ，) r ，( i - t 3 ，) 7 7 为保证完全分离出上述三个向量，h t 7 1 需满足， h u l u h 2 1 ，u p 3 1 = 0 ，h 心1 e u p 1 1 ，u n 3 1 = o ，h p l u p 1 1 ，u p 2 1 = o ( 3 - 2 ) 采用h l 1 对接收信号进行处理后，得到， s 【，】= h 【7 】y 【7 】 ：h l l l u r , z 】s t ，t ，) r ，h 2 u r 2 l s t ，：，) r ，t 3 j u , , 3 1 s t ，3 ，) 7 r + h t ，n t ，3 - 3 当珏【7 。1 服从复高斯分布时，附录b 中证明了满足式( 3 2 ) 的h 【7 l 是存在的。 3 2 2 中继节点发送信号设计 在b c 阶段，中继节点转发信号时，为消除用户节点接收信号之间的相互干 扰，根据式( 2 1 7 ) 选取波束成形矩阵v t v 】，v t 2 川，v r 3 州，得到发送信号， 】i 【7 】= v f i , r 1 h 1 1 】u f ，j 】s f