CN101083497B - 多用户发送分集及中继方法和*** - Google Patents

Abstract

一种无线通信***中的多通信终端发送分集及发送分集中继方法，包括步骤：所述多个通信终端使用各自的源发送信道发送信号；信号汇聚点接收经过所述多个通信终端发送的信号，对所述多个通信终端发送的信号进行线性变换，使用多个信道转发经过线性变换的信号，所述多个信道中的每一个信道转发多个通信终端发送的信号的一个线性组合；和在接收端对信号汇聚点转发的信号进行解调。

Description

多用户发送分集及中继方法和***

技术领域

本发明涉及多用户发送分集与中继的方法和***，更具体地讲，涉及多用户多信道的无线通信***中，在信号汇聚发送点联合编码以实现发送分集与中继的方法和***，从而提高无线通信***的有效性和可靠性。

背景技术

在无线移动通信***中，从移动站或基站经天线发射的信号通过无线移动信道，经过复杂的传播环境到达接收端的接收天线。由于传播环境的作用，接收天线接收到的信号是各反射、衍射和散射分量以及信道噪声的复合，因而会产生严重的失真。另外，在移动信道中，由于移动站的运动或信道环境的改变会使信道特性随时间变化，接收到的信号由于多普勒效应而会产生更为严重的失真。这样，无线移动信道实际上是一个时变频率选择性衰落信道。在这种情况下，使用无线移动信道实现高速多媒体业务接入无疑面临巨大的挑战。此外，除了多径传播和时变特性外，无线移动信道的路径损耗随传输距离的增长而呈指数地增长。

人们通常使用无线中继以及分集的方法来对抗无线信道的信号衰落。对于无线蜂窝通信网、无线自组织网以及无线传感网络，在网络的作用范围内设置一定数量的无线中继站可以显著提高网络吞吐量或者传输可靠性。研究表明，网络内用户之间互相协作中继也可以达到提高网络吞吐量或传输可靠性的目的。Aria Nosratinna，Todd E.Hunter和AhmadrezaHedayat发表的题为“Coopertive communication in wireless networks”的文章对此做了说明(具体内容参见IEEE Communications magazine，Oct.2005，pp.74-80)。

图1A和1B分别示出了在两个用户之间通过中继实现双工通信的顺序示意图。如图1A所示，参加双向通信的两个用户分别用编号U₀和U₁表示。首先，用户U₀将要发送的数据符号S₀通过无线信道发送出去，中继站R接受并检测出该信号后，使用一个中继信道将该符号转发到接收用户U₁。然后，用户U₁发送数据符号S₁，中继站检测并转发该数据符号S₁到用户U₀。这样，如果采用时分方式，完成一次双向数据传送共需要4个时隙。对于采用频分和码分方式的***，则分别需要4个频带和4个码道。

图2示出了传统的无线中继的方框图。其中用户U₀和用户U₁分别通过源发送信道1和2发送相应数据符号S₀和S₁。中继站中的单用户检测器3，4分别接收用户U₀和用户U₁发送的数据符号S₀和S₁，并通过中继信道5和6分别转发数据符号S₀和S₁到接收端。在实际的无线移动通信***中，可以采用时分、频分、码分方式以及这些方式的组合。为了简单起见，以下不再区分时隙、频带和码道而统称为信道。Peter Larsson(比得.拉尔森)等人发表的题为“Coded b-directional relaying”的文章(具体内容参见The 5th Scandianvian WS on wireless AD-hoc networks(AdHoc’05)，Stockholm，Sweden，May2005)对传统的中继方式进行了改进。图1B及图3示出了这种被称为编码双向中继***。

在图1B所示的顺序示意图中，用户U₀和用户U₁分别发送各自需要传送的信号S₀和S₁到中继站，中继站检测出两个信号S₀和S₁，并将信号S₀和S₁叠加在一起，然后使用一个中继信道转发出去。由于无线信道本身的广播特性，相应的接收端用户U₀和用户U₁都能够接收到该叠加信号。另外，由于用户U₀和用户U₁都准确地知道自己所发送的信号，接收端从复合信号减去自己发送的信号就能够提取出对方传送给自己的信号。图3示出了采用拉尔森等人的方法的无线中继的方框图。其中用户U₀和用户U₁分别通过源发送信道1和2发送相应数据符号S₀和S₁。中继站中的单用户检测器3，4分别接收用户U₀和用户U₁发送的数据符号S₀和S₁，并在模二加法器5中对接收的数据符号S₀和S₁进行相加得到复合信号，然后通过一个中继信道6转发数据符号S₀和S₁到相应的接收端。接收端从接收的复合信号减去自己发送的信号就能够提取出对方传送给自己的信号。在图1中，S₀和S₁代表定义于有限域的信息，图中两个符号的加法为定义于有限域GF(q)中的加法，q为调制阶数。

可以看出，用拉尔森等人的方法完成双向通信仅需要3个信道。如果不考虑由于传输差错带来的流量损失，拉尔森等人的方法与传统方法相比，其带宽效率提高了1/3。换句话说，在相同的传输带宽条件下，其网络吞吐量提高了1/3。

在实际的无线***中，有时对***的传输可靠性的要求要高于对***的传输有效性的要求。在无线通信应用中，经常用来提高传输可靠性的方法就是采用分集技术。已经研究出了包括多天线***在内的多种分集技术。多天线***可以有效地提高无线通信***的有效性和可靠性，但该方法需要为发送机和接收机配置更多的天线，增加了硬件成本，同时也不利于移动设备的小型化和微型化。

另外，在多用户多信道无线通信***中，传统的发送和中继方式为每个用户单独分配信道，各用户使用各自独立的信道传送其信号，难以对抗信道衰落，因而其传输可靠性较差；拉而森等人的编码双向中继方法在中继站对两个用户发送的信号采用模二加的方法叠加在一起，使用一个中继信道传输，与传统的中继相比，每两个用户可以少使用一个信道，提高了传输的有效性。然而，拉尔森等人的中继方法没有考虑传输的可靠性。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种无线通信***中的多用户发送分集及发送分集中继的方法和***，将多个用户发送的信号汇聚在信号汇聚点，并对多用户信号进行线性变换，然后将经变换的信号送入多个信道进行传送。

根据本发明的一个方面，提供一种无线通信***中的多通信终端发送分集及发送分集中继方法，包括步骤：所述多个通信终端使用各自的源发送信道发送信号；信号汇聚点接收经过所述多个通信终端发送的信号，对所述多个通信终端发送的信号进行线性变换，使用多个信道转发经过线性变换的信号，所述多个信道中的每一个信道转发多个通信终端发送的信号的一个线性组合；和在接收端对信号汇聚点转发的信号进行解调。

根据本发明的另一个方面，提供一种无线通信***中的多通信终端发送分集及发送分集中继***，包括：多个发送端，使用各自的源发送信道发送信号；中继站，用于接收经过所述多个通信终端发送的信号，对所述多个通信终端发送的信号进行线性变换，并转发经过线性变换的信号；和多个接收端，对中继站转发的信号进行解调。

本发明将多用户信号在信号汇聚发送站点联合编码，然后采用多个发送信道发送联合编码的信号。由于信号汇聚站点的每个发送信道的信号都包含了多个用户信号，因而实现了发送分集，可以有效地提高无线衰落信道的传输可靠性。同时，通过选择用户数量以及信号汇聚发送站点的发送信道数量，可以灵活地改变***的带宽效率，保证传输有效性。这样，本发明的发送分集和发送分集中继兼顾了传输有效性和可靠性两个方面。同时，在接收端，本发明的发送分集和发送分集中继可以采用格型解码方法对接收信号进行最大似然检测，因而解调复杂度低。

附图说明

通过阅读和理解下面参考附图对本发明优选实施例所做的详细描述，将使本发明的这些和其它目的、特征、和优点变得显而易见。其中：

图1A和1B分别示出了现有技术中在两个用户之间通过中继实现双工通信的顺序示意图；

图2示出了传统的无线中继的方框图；

图3示出了现有技术中采用拉尔森等人的方法的无线中继的方框图；

图4是表示根据本发明一个实施例的用户发送分集中继过程的示意图，其中给出了在两个用户的情况下的发送分集中继的过程；

图5是表示根据本发明的另一个实施例在N个用户、N个源发送信道、N个中继信道的发送分集中继过程的示意图；

图6是表示根据本发明的再一个实施例在N个用户、N个源发送信道、M个中继信道的发送分集中继过程的示意图；

图7是表示根据本发明实施例的N用户、N源发送信道、M中继信道的发送分集中继***的方框图；

图8是表示根据本发明实施例采用格型解码算法的流程图；

图9是表示根据本发明采用QPSK和16QAM作为实例的发送信号星座示意图及格雷映射；

图10和图11分别示出了本发明的多用户发送分集中继与传统中继方法在使用QPSK调制和16QAM调制的情况下的比特差错性能的比较示意图；

图12示出了拉尔森编码双向中继在使用QPSK调制与本发明的两用户发送分集中继在使用8PSK调制时，不同带宽效率情况下的比特差错率性能比较示意图；

图13示出了拉尔森编码双向中继与本发明的多用户发送分集中继在相同带宽效率情况下的比特差错率性能比较示意图；和

图14示出了无线蜂窝***的下行方向基站使用和不使用多用户发送分集时比特差错性能比较示意图。

具体实施方式

下面参照附图对作为本发明实施例的无线通信***中的多用户发送分集及发送分集中继的方法和***进行详细说明，在描述过程中省略了对于本发明来说是不必要的细节和功能，以防止对本发明的理解造成混淆。

作为本发明的一个实施例，首先考虑无线通信***中的2个用户通过一个中继站实现双向通信的情况。图4给出了在两个用户的情况下，本实施例的发送分集中继过程的示意图。

为了提高无线通信***的传输可靠性，可以考虑使用4个信道。与传统方法不同的是，中继站不是使用两个中继信道独立地发送两个用户的信号，而是对两个信号进行线性组合，每一个信道传送一个线性组合结果。具体地说，如图4所示，第0号中继信道传送两个用户U₀和U₁发送的信号S₀和S₁的和(S₀+S₁)，第1号中继信道传送两个用户U₀和U₁发送的信号S₀和S₁的差(S₀-S₁)。应该指出，此处的加减法定义在复数域，而拉尔森等人的方法使用的是有限域运算。就是说，在图4所示的过程中，S₀和S₁代表定义于有限域GF(q)的信息，x₀和x₁分别表示S₀和S₁经q进制星座映射后的复数信号点。现在每一个接入信道都包含了两个用户的信号，因而实现了发送分集。

然而，本发明不限于两个用户，而是可以直接推广到N个用户。根据本发明的另一个实施例，可以首先考虑N个用户，N个源端发送信道和N个中继信道的情况。N个用户共使用2N个信道，平均每个用户使用2个信道。在两个用户的情况下，在中继站对两个用户发送的信号分别计算二者发送的信号之和以及二者发送的信号之差。实际上，可以将这种计算看作是2点傅立叶变换或者2点哈达玛变换。可以理解，在通信***中有N个用户进行通信时，在N>2的情况下，可以采用N点傅立叶变换或者N点哈达玛变换。当N>2时，N点哈达玛变换只有当N为4的整数倍时才能使用，而傅立叶变换对于任何自然数N都可以采用并且正交。因此可以使用傅立叶变换作为发送分集矩阵。也就是说，中继站检测出N个信源发送的信号符号后，使用傅立叶矩阵对这N点信号符号进行线性变换，将得到的N个结果送入N个中继信道发送。此时，发送到每一个接入信道的信号都是N个用户的信号符号的线性组合，包含了多个用户的信号，因而实现了发送分集。N用户、N源发送信道、N中继信道的发送分集中继如图5所示。在图5中，z_i是x₀，x₁，...，x_N-1线性组合的结果，其中x_j是用户发送的信号s_j经q进制星座映射后的复数信号点i，j＝0，1，...，N-1。

在实际的无线通信应用中，有时需要兼顾传输的有效性和可靠性两个方面。此时，可以采用如图6所示的N用户、N源发送信道、M中继信道发送分集方式。该***的方框图如图7所示(将在后面描述)。当N<M时，采用图5的方法进行编码，但只发送图5所示的前M个线性组合结果。如果N>M，可以取星座映射后的复数信号点x₀，x₁，...，x_N-1及其共额，然后使用一个2N阶的线性变换矩阵对其进行线性变换(在此，假设M小于或等于2N)。然后，将经变换得到的序列中的前M个元素对应送入M个中继信道进行发送。由于总的信道数量为(M+N)，平均每个用户使用的信道数为(M+N)/N。这说明改变N和M的值可以灵活地配置***的带宽效率。同时，由于每一个信道传送的信号都包含多个用户的信号，因而实现了发送分集，并且保证了信号传输的可靠性。

图7示出了根据本发明的多用户发送分集与发送分集中继***的方框图。该***包括作为发送端的多个用户U1，U2，...，Un，中继站71，和作为接收端的多个用户U1，U2，...，Un。中继站71中包括单用户检测器711，712，...，71n，以及多用户联合编码器72。作为例子，发送端和接收端可以是诸如蜂窝电话，个人数字助理(PDA)，便携式计算机之类的移动通信终端。另外，在用户终端(移动通信终端)U1，U2，...，Un中包含解调器731，732，...，73n。作为实例，可以采用格型码解调器。应该指出，本发明不限于此，也可以采用其它类型的解调器。

下面描述本发明实施例的用户发送分集与发送分集中继***的操作。作为发送端的多个用户U1，U2，...，Un通过源发送信道1，2，...，N发送各自的信号到中继站71。中继站71中的单用户检测器711，712，...，71n分别检测出多个用户U1，U2，...，Un通过源发送信道1，2，...，N发送的信号。此后，将检测出的用户信号提供给多用户联合编码器72，多用户联合编码器72采用傅立叶矩阵对这N点信号符号进行线性变换，将得到的N个结果送入M个中继信道发送。此时，发送到每一个接入信道的信号都是N个用户的信号符号的线性组合，包含了多个用户的信号，因而实现了发送分集。应该指出，在本实施例中采用傅立叶矩阵对这N点信号符号进行线性变换。然而，本发明不限于此，也可以采用其它线性变换方法，例如，哈达玛变换。在多用户联合编码器72的处理中，当中继信道的数量M<N时，z_i是x₀，x₁，...，x_N-1线性组合的结果。当M>N，z_i是x₀，x₁，...，x_N-1及其共额的线性组合的结果。x_j是s_j经q进制星座映射后的复数信号点i＝0，1，...，N-1，j＝0，1，...，M-1。然后，将经变换得到的序列中的前M个元素对应送入M个中继信道进行发送。由于总的信道数量为(M+N)，平均每个用户使用的信道数为(M+N)/N。接收端U1，U2，...，Un中的格型码解调器731，732，...，73n对接收到的发送分集中继信号进行解调，并最终恢复出发送端发送的原始信号。

E.Viterbo和J.Boutros发表的题为“A universal lattice code decoder forfading channel”的文章(具体内容可以参见IEEE Trans.Inform.Theory，vol.45，July1999，pp.1639-1642)；O.Damen，A.Chkeif和J.C.Belfiore发表的题为“Lattice code decoder for space-time codes”的文章(具体内容可以参见IEEE Communication Letters，vol.4(5)，May2001，pp.161-163)；A.M.Chan和I.Lee发表的题为“A new reduced-complexity sphere decoder for multipleantenna systems”的文章(具体内容可以参见In ICC02，vol.1，，May2002，pp.460-464)；以及X.Li和X.Cui发表的题为“Application of lattice codedecoder to SC-CP for short block length”的文章(具体内容可以参见IEEElectronics letters，vol.40(15)，July2004，pp.954-955)对格型码作了描述。为了防止对本发明的理解造成混淆，在此省略了对其进行描述。

多用户发送分集适用于一个移动终端使用多个信道与多个移动终端进行通信的情况。典型的例子是蜂窝***中的基站通过N个独立的无线信道与M个移动终端进行通信(可以设M<N)。考虑下行通信，基站将N个用户信号首先进行N点线性变换，然后使用将变换后的前M个信号使用M个信道发送出去。这就实现了多用户直接发送分集。

实际上，在多用户无线通信***中，只要存在若干用户信号汇聚于某一点的情况，即，存在信号汇聚发送站点，都可以应用本发明的发送分集方法来提高传输可靠性。

使用多用户发送分集，接收信号是多个用户信号经线性变换编码矩阵以及信道矩阵作用后的结果，每一个接收信道得到的都是多用户复合信号。为了得到最优的检测性能，可以使用最大似然检测方法。当用户数量和调制阶数都很小时，可直接穷举所有可能发送的信号序列来进行最大似然检测。但当用户数量或调制阶数较高时，穷举法的复杂度太高，在实际***中是不可能接受的。因此，作为本发明的一个实例，提出了多用户发送分集信号在接收端可以表示为格型码的形式，从而可以应用格型解码算法对发送分集信号进行最大似然检测。因此，可以将发送分集和发送分集中继转换成格型码算法来进行处理。可以理解，本发明不限于此，也可以采用其它解码算法。

为了更好地理解本发明，下面描述本发明的多用户发送分集与发送分集中继及其格型码数学表示。

可以考虑多个用户终端直接通信或通过中继完成通信的无线***。在此，不需要考虑多用户组中的哪两个用户或哪几个用户进行通信，因为该项工作可以交给上层完成。可以设N个用户终端发送的信号汇聚于某一站点，然后由该汇聚点传送到目的用户终端。对于一个用户终端与多个用户终端直接通信的***，以无线蜂窝***中的基站与多个移动站之间的通信为例，可以将源端用户，也就是基站作为用户汇聚点。对于多个用户通过中继站转发的***，中继站可以作为用户信号的汇聚点。由于汇聚点向多个用户终端发送信号的方式相同，下面将以中继方式为例进行描述。可以理解，本发明不限于此。

为了不失一般性，可以假设N个用户终端通过中继站使用N个源发送信道和N个中继信道进行通信，如图5所示。首先，每个用户终端使用一个独立的源发送信道将信号传送给中继站。中继站检测出N个信源发来的信号再加以转发。由于每一个用户使用一个源发送信道，在中继站使用单用户检测器独立地检测每一个用户终端的信号，该检测方法简单且复杂度低。因此下面将描述中继站信号发送以及最终接收站的信号检测。

可以设中继站检测出的N个用户发来的信号矢量为x_s＝[x₀，x₁，…，x_N-1]^T，其中x_i(i＝0，1，…，N-1)为检测到的第i个用户信号。其中上标T表示矩阵转置。不同的用户可以使用不同的调制方式，也可以使用不同的发送功率。为了简单起见而又不失一般性，在此可以推导假定所有用户终端使用相同的调制方式和发送功率。为实现发送分集，在中继站使用下面的公式(1)给出的矩阵对用户发送的信号x_s＝[x₀，x₁，…，x_N-1]^T进行线性变换。

其中W满足W^HW＝WW^H＝I为线性变换矩阵。可以使用N阶哈达玛矩阵或者傅立叶变换矩阵。例如采用傅立叶变换阵时，可以得到 $W_{u,v}=\frac{1}{\sqrt{N}}\exp (-2\mathrm{\&pi;uvj}/N)$ (u，v＝o，1，…，N-1)。为了不失一般性，可以假设用户U0对接收信号进行检测。设用户U0观察到第i个中继信道的路径损耗为H_i(i＝0，1，…，N-1)并假定接收者已准确估计出信道信息。于是，用户U0接收到的信号矢量可以用下面的公式(2)表示。

式中v＝[v₀，v₁，…，v_N-1]^T为接收信号矢量，n＝[n₀，n₁，…，n_N-1]^T代表高斯噪声矢量，其中n_i(i＝0，…，N-1)是分布为n_i～CN(0，N₀)的独立复高斯噪声。应该指出，用户终端U0完全知道自己所发送的信号，将该已知信号从接收信号中消除，可以得到下面的公式(3)。

在上面的公式(3)中，为了简化起见，可以令y＝[y₀，y₁，…，y_N-1]^T，表示用户终端U0所接收到的其它终端的信号及噪声，x＝[x₁，…，x_N-1]^T以及H＝[H_iW_i，j](i，j＝0，1，…，N-1)，重写式(3)得到由下面的公式(4)表示的接收信号。

y＝H·x+n(4)

对于复矢量或复矩阵z，可以引入记号z＝z_I+jz_Q，其中z_I和z_Q分别代表其实部和虚部。这样，式(4)可进一步表示成公式(5)。

$\left[y_I^T{y}_Q^T\right]=\left[x_I^T{x}_Q^T\right]\left[\begin{array}{cc}{H}_I^T& H_Q^T\\ -H_Q^T& H_I^T\end{array}\right]+\left[n_I^T{n}_Q^T\right]---\left(5\right)$

在此，可以令 $r=\left[y_I^T{y}_Q^T\right],$ $u=\left[x_I^T{x}_Q^T\right],$ $\mathrm{\&eta;}=\left[n_I^T{n}_Q^T\right]$ 以及 $A=\left[\begin{array}{cc}{H}_I^T& H_Q^T\\ {-H}_Q^T& H_I^T\end{array}\right],$ 于是可以将公式(5)表示为下面的公式(6)。

r＝u·A+η         (6)

这样，多用户发送分集信号在接收端就表示成了标准的格型码形式。在上面的表达式(6)中，A相当于一个2(N-1)×2N的格码生成矩阵，u相当于格码的1×2(N-1)座标矢量。于是，在接收机端可以采用格型解码算法对多用户发送分集信号进行最大似然检测。

下面对格型解码的算法进行描述。在此，以上述2(N-1)×2N阶生成矩阵的格型码问题为例来说明格型解码算法。

可以设L₁＝2N，L₂＝2N-2。从而将寻找多用户发送分集接收信号的极大似然序列的问题实际上转化为这样一个问题，即，在所有可能的发送序列中，选取矢量u而使‖r-u·A‖极小。在此，符号‖·‖表示欧几里德(Euclidean)泛数。即转化成公式(7)表示的问题

argmin‖r-u·A‖                 (7)

为了简化起见，可以设ω＝r-u·A。由于已经准确地知道了矩阵A，因此，可以设r＝ρ·A，而 $\mathrm{\&rho;}=[{\mathrm{\&rho;}}_1,{\mathrm{\&rho;}}_2,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;{,\mathrm{\&rho;}}_{L_2}]=r\&CenterDot;A^{+}.$ 在此，上标+表示求矩阵的伪逆。取ξ＝ρ-u则有ω＝ξ·A。这样，极小化‖r-u·A‖就可以等效为极小化‖ω‖²。‖ω‖²可以被表示成公式(8)。

‖ω‖²＝(ξ·A)(ξ·A)^T＝ξ(AA^T)ξ^T(8)

可以令G＝AA^T。由于G为对称正定矩阵，因此可以使用Cholesky分解将其分解为G＝R^TR，公式(8)中的R可以表示成如下面的公式(9)给出的上三角矩阵。

这样，‖ω‖²就可表成如下面的公式(10)给出的形式，

可以预先给定常数C，于是将该过程作为是寻找使‖ω‖²≤C的矢量ξ。也就是寻找ξ，使下面的不等式(11)成立。

$\underset{i=1}{\overset{L_2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(r_{\mathrm{ii}}{\mathrm{\&xi;}}_i+\underset{j=i+1}{\overset{L_2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\&xi;}}_j)}^2\&le;C---\left(11\right)$

为了使不等式(11)成立，则有下面的公式(12)

$\underset{i=s}{\overset{L_2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(r_{\mathrm{ii}}{\mathrm{\&xi;}}_i+\underset{j=i+1}{\overset{L_2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\&xi;}}_j)}^2\&le;C---\left(12\right)$

对s＝L₂，L₂-1，…，1都应该成立。于是，可以设 $q_{\mathrm{ii}}=r_{\mathrm{ii}}^2,i=L_2,L_2-1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,1$ 和q_jj＝r_ij/r_ii，i＝L₂，L₂-1，…，1，j＝i+1，i+2，…L₂。应用这些符号重写公式(12)式，可以得到下面的不等式(13)，

$\underset{i=s}{\overset{L_2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{q}_{\mathrm{ii}}{({\mathrm{\&xi;}}_i+\underset{j=i+1}{\overset{L_2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{q}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\&xi;}}_j)}^2\&le;C,s=\mathrm{1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,L_2---\left(13\right)$

可以从s＝L₂开始进行反向迭代。取s＝L₂，从不等式(13)解出

分量的范围，用公式(14)表示。

不等式(14)中的符号和

分别表示对α向正无穷和负无穷方向的取整运算。对于满足不等式(14)的每一个

可以得出不等式(15)表示的对应

的范围。

如果已经取定

则取s＝i，应用不等式(13)得到下面表达式(16)。

i＝L₂，L₂-1，…，1(16)

可以设置 $S_i=S_i({\mathrm{\&xi;}}_{i+1},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,{\mathrm{\&xi;}}_{L_2})={\mathrm{\&rho;}}_i+\underset{t=i+1}{\overset{L_2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{q}_{\mathrm{it}}{\mathrm{\&xi;}}_t.$ 另外，可以设置 $T_{i-1}=T_{i-1}({\mathrm{\&xi;}}_i,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,{\mathrm{\&xi;}}_{L_2})=C-\underset{t=i}{\overset{L_2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{q}_{\mathrm{tt}}{({\mathrm{\&xi;}}_t+\underset{j=t+1}{\overset{L_2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{q}_{\mathrm{tj}}{\mathrm{\&xi;}}_j)}^2=T_i-q_{\mathrm{ii}}{(S_i-u_i)}^2.$ 当i＝1时，得到的矢量 $u=[u_{L_2},u_{L_2-1},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,u_1]$ 应为超球‖ω‖²≤C内的一个点。另外，下面的表达式(17)

${\hat{d}}^2=C-T_1+q_{11}{(S_1-u_1)}^2---\left(17\right)$

表示点u与实际接收信号点在超球‖ω‖²≤C内的距离。如果该距离小于C，则使用

更新C的值，再次进行迭代。当找不到一个新的u使‖ω‖²≤C时则停止迭代，同时将上次得到的满足‖ω‖²≤C的矢量u作为检测器输出。

根据上述推导过程，图8给出格型解码算法的流程图。在图8中，γ表示矢量u的分量u_i(i＝1，2，…，L₂)的取值集合。例如，如果使用QPSK和16QAM星座，γ分别为{-1，1}和{-3，-1，1，3}(如图9所示)。另外，length(L_i，U_i，γ)表示在下界L_i和上界U_i之间从集合γ能够取到的元素个数，enum(L_i，U_i，γ)表示列举出所有这些元素，sort(y_i，S_i)表示将y_i元素对S_i求距离，并将这些元素按距离从小到大排序。注意参数L₁＝2N，L₂＝2N-2。解码算法如下所述。首先，在步骤S801，根据接收到的信号以及本终端发送的信号和信道参数以及发送编码矩阵计算出矢量r，格码生成矩阵A，并设置初始球半径

(由于阿尔伯特.钱(A.M.Chan)的工作，本算法的收敛性不依赖于初始值的选取，收敛速度也基本与初始值没有关系，因此只要所选取的初始球内有信号点就可以了)。根据发送信号星座确定出信号集合γ。将所确定出的r、A、C和γ作为解码算法的输入。此后，在步骤S802，计算出对称正定矩阵G＝A·A^T，并使用Cholesky分解将矩阵G分解为G＝R·R^T，其中R为上三角矩阵。根据矩阵R的元素计算q_ii，i＝L₂，L₂-1，…，1以及q_ij，i＝L₂，L₂-1，…，1，j＝i+1，i+2，…，L₂。计算矩阵A的伪逆A⁺，并据此得到ρ＝A⁺·r。接下来，在步骤S803，将初始球半径C赋给迭代过程需要使用的距离度量d²以及后向迭代参量

和

采用计数值i记录后向迭代步位置。在步骤S804，设置。迭代开始时计数值为L₂。然后，在步骤S805，该迭代计数值随着迭代的进行将由步骤S814修改。对于第i＝L₂，首先根据前面第(14)式计算接收点可能取值的上限和下限及

根据信号取值集合γ算出能够取到的信号点数

并将这些信号点枚举出来以得到枚举矢量

然后按照这些信号点与

的距离从小到大排序，得到矢量

对于第i步迭代，用x_i作为第i步信号点计数器，记录已经试探过的信号点数。例如对于第L₂步，可能的信号点数量为

因此最多可能试探的信号点数量为

在步骤S806，信号点计数器x_i加1，指向第i步将要试探的信号点。在步骤S807，检测是否已经对第i步的所有信号点都进行了试探。如果x_i>N_i，说明已经全部试探，表明从第i步到第i-1没有可以通行的路径。此时转向步骤S808，并在步骤S808检测计数器i，如果该计数值为L₂，说明在当前球半径

下，所搜索的球中不包含任何信号点。在这种情况下，转到步骤S810，将上次走通并记录得到的信号点

球度量参数

输出并终止程序。如果步骤S808发现计数值i小于L₂，则转向步骤S809，计数器i加1，回退一步，转向S806开始试探上一步尚未试探过的信号点。在步骤S807，如果x_i<＝N_i，则转向步骤S811进行第x_i信号点的试探。在步骤S811，检测计数器i。如果i＝1，说明已经成功试探出一条路径。此时转向步骤S815，计算该路径度量(该路径对应信号点到接收点的距离)。在步骤S816判断新得到的度量是否比已有记录度量小。如果新度量更小，说明新得到的信号点优于记录的信号点。此时转到步骤S817，采用新信号点度量更新度量d²及其它参数，然后转到步骤S806进行下一轮迭代。如果步骤S816判断新得到的度量值比记录的记录度量更大，抛弃该信号点，流程转向步骤S806试探本步的下一信号点。在步骤S811，如果i>1成立，说明程序还处于中间步，此时转向步骤S812。在步骤S812计算出迭代参数T_i-1和ξ_i，然后在步骤S812计算S_i-1，并在步骤S814修改计数器i，然后转向步骤S805开始新一轮迭代。

图10至图14分别示出了根据本发明的多用户发送分集及发送分集中继与传统发送和传统中继，以及与拉尔森编码双向中继的比特差错性能比较结果。在对比中所使用的信道为瑞利衰落信道，对不同用户、不同信道、不同信源符号分组，其信道独立随机变化，即所使用的信道为快衰落信道。在给出的实例中，当存在中继站时，每一个发送符号能量平均分配到信源站和中继站。所有用户使用的调制方式相同。在信号汇聚点，发送分集方式使用傅立叶变换矩阵对多用户信号进行编码，以达到发送分集的目的。对于中继方法，中继站接收信源站发来的信号然后再转发。对于多用户发送分集，最终的接收用户使用格型解码方法对信号进行最大似然检测。

图10和图11分别示出了本发明的多用户发送分集中继与传统中继方式在使用QPSK调制时的比特差错性能比较结果。其中图10表示的是在每信道带宽为1赫兹，则带宽效率为1比特/秒/赫兹的情况下的比较结果。图11表示的是在16QAM调制，带宽效率为2比特/秒/赫兹情况下的比较结果。可以看出，比特差错率性能随联合编码的用户数增加而提高，当用户数很大时，对QPSK和16QAM，多用户发送分集均可提供约3分贝的性能增益(图中用16个用户作为无穷用户数的参考)。当用户数比较小的时候，增加用户数量可以较为明显地改善比特差错性能。但当用户数较大时，增加用户数就不会带来明显的性能改善了。例如，对于QPSK，2个用户联合分集发送可提供2.1dB增益，6个用户时提供2.6dB增益。对于16QAM，2个用户联合分集发送可提供1.7dB增益，6个用户时提供2.1dB增益。实际应用时，可以根据性能和复杂度要求，对联合分集发送的用户数进行适当选取，而不需要设置得太大。

图12示出了拉尔森编码双向中继在使用QPSK调制(带宽效率1.33比特/秒/赫兹)以及2个用户发送分集中继在使用8PSK调制(带宽效率1.5比特/秒/赫兹)时，不同带宽效率时的比特差错率性能的比较结果。从图12可以看出，二者的比特差错率性能基本相同。因为2个用户发送分集中继的带宽效率高于拉尔森中继的带宽效率，所以，去除由于传送差错带来的流量损失，2个用户发送分集中继实现了更高的网络净吞吐量。

图13示出了拉尔森编码双向中继在使用8PSK调制以及2个用户发送分集中继在使用16QAM调制，带宽效率相同，均为2比特/秒/赫兹时比特差错率性能的比较结果。从图13可以看到，根据本发明的方案，2个用户发送分集中继的比特差错率性能优于拉尔森中继的性能。例如，在比特差错率为10^-4时，2个用户发送分集中继优于拉尔森中继约1.7dB。同样，去除由于传送差错带来的流量损失，2个用户发送分集中继实现了更高的网络净吞吐量。

图14示出了一个用户与多个用户直接通信，例如无线蜂窝通信***中的基站与多个移动站之间通信，使用和不使用多用户发送分集时，应用QPSK调制(带宽效率2比特/秒/赫兹)时的比特差错性能比较结果。从图14可以看出，本发明的多用户发送分集明显优于不分集时的比特差错性能。增加联合编码的用户数对改善性能的作用比较明显。同时，还可以看到，多用户发送分集对性能的改善比存在中继时的改善要明显得多。这是因为对于多用户中继***，从信源站到中继站的传送会引起传输差错，该差错在很大程度上会限制发送分集对性能的改善。这说明在实际多用户发送分集中继***中，提高首段传输性能对提高整个***的传输性能是至关重要的。提高首段传输性能的方法很多，例如使用适当的信道编码、为源站分配比中继站更多的功率等。

本发明将多用户信号在信号汇聚发送站点联合编码，然后采用多个发送信道发送联合编码的信号，另外，本发明的发送分集和发送分集中继兼顾了传输有效性和可靠性。同时，在接收端，本发明的发送分集和发送分集中继可以采用诸如格型解码之类的方法对接收信号进行最大似然检测，因而解调复杂度低。

至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不应该被理解为被局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。

Claims (16)

1.一种无线通信***中的多通信终端发送分集及发送分集中继方法，包括步骤：

多个通信终端使用各自的源发送信道发送信号；

信号汇聚点接收经过所述多个通信终端发送的信号，对所述多个通信终端发送的信号经过星座映射而得到的复数信号进行线性变换，

使用多个信道转发经过线性变换的复数信号，所述多个信道中的每一个信道转发复数信号的一个线性组合；和

在接收端对信号汇聚点转发的格型码形式的信号进行解调。

2.根据权利要求1所述的方法，其中对复数信号进行线性变换的步骤包括采用傅立叶变换对复数信号进行变换。

3.根据权利要求1所述的方法，其中对复数信号进行线性变换的步骤包括采用哈达玛变换对复数信号进行变换。

4.根据权利要求1所述的方法，其中在接收端对信号汇聚点转发的格型码形式的信号进行解调的步骤包括使用格型解码方法对接收的格型码形式的信号进行最大似然检测的步骤。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述信号汇聚点是中继站。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述信号汇聚点是基站。

7.根据权利要求1所述的方法，其中在具有N个独立的源发送信道和M个所述信道，且M＜N的情况下，所述信号汇聚点对通过N个源发送信道接收的信号的星座映射复数信号进行线性变换，然后通过所述M个信道转发变换后的前M个信号。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所使用的信道包括时分***的时隙。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所使用的信道包括码分***的码道。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所使用的信道包括频分***的频带。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所使用的信道包括时分***的时隙，码分***的码道，和频分***的频带的组合。

12.一种无线通信***中的多通信终端发送分集及发送分集中继***，包括：

多个发送端，使用各自的源发送信道发送信号；

中继站，用于接收经过所述多个发送端发送的信号，对所述多个发送端发送的信号经过星座映射而得到的复数信号进行线性变换，并转发经过线性变换的复数信号；和

多个接收端，对中继站转发的格型码形式的信号进行解调。

13.根据权利要求12所述的***，其中所述中继站还包括多用户联合编码装置，用于对所述多个发送端发送的信号经过星座映射而得到的复数信号进行线性变换，并使用多个信道转发经过线性变换的复数信号，所述多个信道中的每一个信道转发复数信号的一个线性组合。

14.根据权利要求13所述的***，其中所述多用户联合编码装置采用傅立叶变换对复数信号进行变换。

15.根据权利要求13所述的***，其中所述多用户联合编码装置采用哈达玛变换对复数信号进行变换。

16.根据权利要求12所述的***，其中所述接收端包括格型码解调器，用于对接收的格型码形式的信号进行格型解码运算，以便对接收的格型码形式的信号进行最大似然检测。

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