CN101217301A

CN101217301A - 用协同中继节点在异构无线网络中实现协同传输的方法

Info

Publication number: CN101217301A
Application number: CNA2008100558652A
Authority: CN
Inventors: 彭木根; 王文博
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2008-01-10
Filing date: 2008-01-10
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2028-01-10
Also published as: CN101217301B

Abstract

一种在异构无线网络中用协同中继节点实现异构协同传输的方法，是设置一个或多个协同中继节点，每个协同中继节点有两套天线模块；基站为每个需要中继的目标用户终端分别优化选择适宜的异构协同中继节点集合，并为每个终端的下行和上行链路选择确定数量合适的天线，以便获得自适应的分集和复用增益；再综合考虑上行链路和下行链路的传输特性，合理设置每根天线的发射功率，保证第一跳链路和第二跳链路的传输性能均衡，从而优化***的整体性能。本发明在充分考虑现有无线网络架构组成基础上，创新提出具有两套天线、分别用于两跳链路传输的异构中继节点来实现异构通信，操作简单、方便、灵活、实用，投资少、效益好，具有很好的推广应用前景。

Description

用协同中继节点在异构无线网络中实现协同传输的方法

技术领域

本发明涉及一种用协同中继节点在异构无线网络中实现互联互通的异构协同传输的方法，确切地说，涉及一种通过配置双天线的异构协同中继节点和对中继节点及其天线数量的自适应选择等操作，将协同分集和协同复用技术自适应地用于异构无线网络中的上行链路和下行链路而实现异构协同传输的方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

目前，无线通信***已形成了多个相对独立的网络，包括各种制式的蜂窝移动网、无线局域网、无线数字家庭网、车载无线通信***等。这些网络的格局是各自纵向独立，每种网络的资源组成都具有特定的方式，并基于这些网络资源提供特定的功能和应用。然而“一种应用，一种网络”的格局已逐渐暴露其固有的弊端：多种复杂的协议、复杂的无线网络共存；无线网络管理和维护成本很高；不利于无线网络资源，尤其是传输资源的共享；不便于提供跨网络多功能综合业务。

从业务需求角度看，现在的无线语音业务逐渐萎缩，无线移动和数据业务快速增长，用户对个性化、多样化业务的需求不断增强。从未来发展角度看，用户需要能够通过任何一种无线终端(移动台、PDA等)、任何一种方式(WLAN、GPRS、WMAN等)接入网络，而且号码、账单等都要非常方便、灵活。对于无线网络运营商或业务提供商来说，业务与服务转型和融合的关键是努力探索出如何走移动和宽带无线融合之路，通过与移动、无线互联网及各类增值业务等组合后销售，为客户提供差异化的融合无线通信服务。因此，未来无线通信网络的融合是通信发展的趋势。

作为一种先进的通信机制，基于异构协同中继节点进行异构无线接入网络的融合，可以有效地把各种短程无线接入网络通过异构中继节点接入到移动蜂窝网络。为了解决两种异构无线网络接口的传输瓶颈问题，需要使用多个中继节点，或者在中继节点上配置多根天线，从而实现协同通信。

协同MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)技术是协同通信的一个常见实例，它源于传统的MIMO技术。在传统MIMO技术方案中，使用多根发射天线和多根接收天线进行无线传输，其主要特征是把多径传播环境转变为对用户有利的因素：利用MIMO信道提供的空间复用增益来提高信道的容量，同时又利用MIMO信道提供的空间分集增益来有效消除无线信道多径、时变衰落的影响，提高信号传输的可靠性，降低误码率。这种能够极大地提高无线通信性能，又不需要以频谱为代价的MIMO技术已经成为现代通信中最重要的技术之一。但是，移动终端受到体积、功率、实现等多方面因素的限制，使得其上行链路不可能使用多天线，限制了MIMO技术的应用，所以后来提出了一种新的空间处理技术-协同MIMO(CooperativeMIMO)。其基本原理是多用户环境下的单天线用户，在传输自己数据信息的同时，也能传送其所接收和检测到的协同用户(即同伴)的信息；该技术实质是利用同伴的天线与自身天线构成多发射天线，形成虚拟的MIMO***来得到分集增益。协同MIMO克服了传统MIMO技术的限制，为MIMO技术走向实用化拓展了思路。协同MIMO技术允许协同分集的主要特点是无线介质的广播特性。从原理上讲，广播发送的信号可以被任何其他用户接收并进行信息处理。这样，除了将信号独立传输到各自的目的地外，两个用户还可以相互监听对方的传输，以联合传输它们各自的信息，实现协同通信。

对于协同中继节点，其工作原理和协同MIMO类似，协同中继操作有两种不同方案：放大转发AF(Amplify and Forward)和解码转发DF(Decodedand Forward)。对于异构协同中继来说，中继节点通常采用解码转发方案。

目前，国内外的大部分研究和相关专利技术都集中于同构无线中继节点的选择和配置，通过时分方式区别第一跳链路和第二跳链路，在中继节点处采用分布式的空时编码(STBC)，研究用户终端的分集增益和中断概率等。考虑到已经存在的各种无线接入技术，它们的定位和应用场景各不相同，完全可以通过异构中继节点把这些异构无线网络互联互通起来。但是，现实状况是：对异构协同中继技术的研究比较少，对基于异构协同中继节点的多无线接入网络的互联互通技术方案还很不成熟。

实际上，异构无线网络需要考虑相关技术和设备的前向兼容性，即传统的手机终端必须能够继续用于异构无线接入***中，这就使得未来的异构协同网络中同时存在有：单天线配置的终端、双天线甚至多天线配置的终端。

如果用户终端只配置单天线，则短距离宽带无线接入网(即第二跳中继网络)只能使用协同分集技术，而移动蜂窝网络(即第一跳中继网络)也只能采用组播通信方式给相关的协同中继节点发送相同信息。由于第二跳可以通过分集提高***性能，所以第一跳中继传输是提高性能的瓶颈和关键，这时需要在第一跳链路采用多天线复用技术来提高性能。

如果用户终端配置双天线或者多天线，这时既可以采用分集传输技术，也可以采用复用传输技术。但是，问题的关键是在异构中继网络模式下如何实现自适应的分集和复用。

此外，基站统一控制和调度各中继节点的资源分配，为不同天线配置的终端提供自适应的分集和复用增益，是异构协同网络的特征之一。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用协同中继节点在异构无线网络中实现异构协同传输的方法，该方法不论目标用户终端是单天线还是多天线，通过配置一个或多个具有两套天线模块的异构中继节点，并优化选择适宜的异构协同中继节点集合，以及对每个天线模块中的天线进行自适应优化选择和配置，再综合考虑上行链路和下行链路的分集和复用增益的性能，保证第一跳和第二跳两条链路传输性能均衡，从而优化***的整体性能。

为了达到上述目的，本发明提供了一种用协同中继节点在异构无线网络中实现异构协同传输的方法，其特征在于：设置一个或多个协同中继节点，每个协同中继节点有两套天线模块；基站为每个需要中继的目标用户终端分别优化选择适宜的异构协同中继节点集合，并为每个终端的下行和上行链路选择确定数量合适的天线，以便获得自适应的分集和复用增益；再综合考虑上行链路和下行链路的传输特性，合理设置每根天线的发射功率，保证第一跳链路和第二跳链路的传输性能均衡，从而优化***的整体性能。

本发明的有益效果是：在不改变现有移动蜂窝网络架构的前提下，只需配置两套天线的异构中继节点，就能够把各种新型的宽带无线接入***“嵌入”到移动蜂窝网络中，从而实现异构无线网络的互联互通，并通过蜂窝移动网络对各种新型的宽带无线接入***实现“可控制、可管理、可识别”等功能，从而投资少、效益好。而且，本发明通过使用分集和复用的自适应技术能够保证异构无线网络之间的无线数据传输性能均衡，从而支持不同业务的QoS，特别是减少业务的传输时延，降低对中继节点的缓存要求，保证两个不同的异构无线接入技术都能够高效工作。

本发明创新提出一种设置两套天线、分别用于两跳链路传输的异构中继节点，该中继节点能够非常容易地完成两跳链路的分集和自适应传输，为使用MIMO技术和各种STBC编码技术奠定了基础，可以有效保证两跳异构通信链路的性能均衡。

本发明方法是由基站进行统一调度和控制，对所选择的异构中继节点、各个异构中继节点的第一套天线模块中的多根天线，异构中继节点上的各根天线的发射功率等都进行优化配置，以提高异构网络的整体性能。从基站的角度看，下行链路的第一跳链路采用组播通信技术，可以保证发送给各异构中继节点的信息相同，便于目标用户终端采用多址方式进行分集接收。如果此时采用组播和多址的混合通信方式，能够保证发送给某些异构中继节点的信息是相同的，但给其它一些异构中继节点的信息是不同的，从而便于目标用户终端使用双天线或多天线、并采用虚拟MIMO天线技术进行自适应的分集复用接收。在上行链路的第二跳采用组播通信技术，能够保证各异构中继节点都能接收到相同的信息，然后转发给基站，在基站处获得来自多个异构中继的分集增益，而每个中继节点内部会因为第一套天线模块采用多天线而获得复用增益。如果上行链路第二跳也采用组播和多址混合的通信方式，除了获得分集增益外，还能够形成一个虚拟的MIMO，使得各个异构中继节点间发送的信息有所不同，当通过多址方式把信息发送给基站，能够在基站端获得额外的复用增益。

总之，本发明是在充分考虑现有无线网络架构组成的基础上，提出的一种支持实现异构通信的方法，操作简单、方便、灵活、实用，投资少、效益好，具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1是本发明在异构无线网络中采用协同中继节点实现协同传输的方法的操作步骤流程图。

图2是一个如何确定上下行联合的适宜协同中继节点集合的示例，它是先在上行和下行分别确定可能的适宜协同中继节点集合，再形成联合的适宜协同中继节点集合。

图3是存在两个目标用户终端(一用户是单天线，另一用户是双天线)时，本发明采用协同中继节点实现自适应分集和复用的异构网络协同传输示意图。

图4是配置单天线的终端用本发明方法经由异构中继节点进行分集传输的链路状况示意图。

图5是配置双天线的终端用本发明方法经由异构中继节点进行分集和复用自适应传输的链路状况示意图。

图6是本发明实施例中选择采用不同异构协同中继节点对异构网络传输性能影响的比较图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

参见图1，介绍本发明在异构无线网络中用协同中继节点实现互联互通的异构协同传输的方法，该方法包括下列操作步骤：设置一个或多个协同中继节点，每个协同中继节点有两套天线模块；基站为每个需要中继的目标用户终端分别优化选择适宜的异构协同中继节点集合，并为每个终端的下行和上行链路选择确定数量合适的天线，以便获得自适应的分集和复用增益；再综合考虑上行链路和下行链路的传输特性，合理设置每根天线的发射功率，保证第一跳链路和第二跳链路的传输性能均衡，从而优化***的整体性能。

本发明方法创新提出一种用于异构无线通信网络中的异构协同中继节点，该中继节点的主要特征是：配置有能够同时通信的两套天线模块，其中第一套天线模块(标识为天线模块A)设有多根天线，用于第一跳链路，以便与基站形成多根发射天线和多根接收天线的MIMO阵列；而为第二跳链路服务的第二套天线模块(标识为天线模块B)只有1根天线，需要选择多个中继节点，从而与目标用户终端进行协同分集或虚拟MIMO的复用通信。

为了提高第一跳链路的无线通信性能，基站和异构中继节点的天线模块A都要配置多根天线，假设基站的天线数为S_A，和基站通信的异构中继节点的天线模块A天线数为R_A，则要满足下述条件：中继节点的天线模块A中被选择与基站通信的天线数量R_A要小于等于基站的天线数S_A，即R_A≤S_A，R_A和S_A都是大于或等于2的自然数，而且，如果选择数量为N_R的多个中继节点进行协同通信，且选择的每个中继节点第一套天线模块中被用于与基站通信的天线数量都为R_A时，则获得的最大协同复用增益为min{N_R×R_A，S_A}，函数min{A，B}表示取A和B中的最小值。

为了简化中继节点的天线单元，中继节点第二套天线模块B只配置单根天线。若要获得协同分集或复用增益，需要选择多个中继节点和目标用户终端进行通信。

因为第一跳链路和第二跳链路信道状况及其采用的通信技术和传输性能都有较大差别，为了保证第一跳链路和第二跳链路的性能均衡，基站要根据目标用户终端的类型及其天线数量，对参加协同通信的异构中继节点进行优化选择，同时也要对参与协同通信的异构中继节点第一套天线模块A的天线进行优化选择。此外，考虑到上行链路和下行链路传输性能及用户的业务属性不同，异构协同中继节点的选择还要根据上下行链路的性能要求分别进行优化，再为上下行链路选择相同的协同中继节点集合。

优化协同异构中继节点集合中的成员，以及对异构中继节点第一套天线模块A中的多天线进行选择，目的在于自适应获得分集和复用增益、均衡上下行和第一跳、第二跳链路的传输性能，提高***的整体性能。

对于不同的目标用户终端来说，适宜的异构中继节点是不同的，这取决于第一跳链路和第二跳链路，上行链路和下行链路的综合性能。基站统一调度、选择每个终端的异构协同中继节点集合、各个协同中继节点的天线数量和每根天线的发射功率的操作包括下列步骤：

(一)为每个终端选择确定异构协同中继节点集合：

由于异构中继节点天线模块B只配置单根天线，且第一跳链路可采用多天线技术来提高***性能，所以适宜的异构中继节点主要由第二跳链路决定，这里的适宜是指数量最小、又能够保证传输性能要求的协同中继节点集合。

因此，适宜的异构协同中继节点是由目标用户终端第二跳链路的上行和下行传输状况决定，如果下行链路选择的中继节点集合为D_R1，上行链路优化的中继节点集合为D_R2，则优化后确定的中继节点是该两个集合的并集的最小子集，即Min{D_R1∪D_R2}，以便藉由该最小子集能够同时满足上下行链路的传输要求，并使所选择的中继节点数量最少。参见图2，其中用虚线画出的椭圆中是下行传输适宜的中继节点集合为{RS1，RS2，RS3}中的任意两个成员组成的子集合，而用点虚线画出的椭圆中是上行传输适宜的中继节点集合为{RS2，RS3，RS4}中的任意两个成员组成的子集合，所以联合后的适宜协同中继节点集合为{RS2，RS3}。

(2)根据已确定的适宜的异构协同中继节点集合，为每个目标用户终端的下行链路和上行链路分别就基站端和异构协同中继节点的第一套天线模块A端选择数量合适的天线：对于下行链路，每个异构协同中继节点上选择的天线数量至少是第二跳链路的传输速率r_D2与第一套天线模块为单天线时的传输速率r_D1之商r_D2/r_D1的整数；对于上行链路，选择的天线数量至少是第二跳链路的传输速率r_U2与第一套天线模块为单天线时的传输速率r_U1之商r_U2/r_U1的整数；

在该步骤中，为了获得分集增益，在第一跳和第二跳链路的发射端使用分布式空时编码(STBC)或其他协同分集编码；为了获得协同复用增益，在第一跳和第二跳链路的发射端使用水平或者垂直分层空时编码(BLAST)。如果要进一步提高第一跳链路的传输质量，减少传输时延等，可以在基站端和协同中继天线模块A处选择更多的天线，以获得额外的协同分集增益；

(3)为每个目标用户终端的上行和下行传输的每根天线分别设置适宜的发射功率，以减少整个***的干扰和保证目标用户终端的服务质量：第一跳链路和第二跳链路的下行传输的初始发射功率设置为固定功率；根据远近不同对包括第一跳链路和第二跳链路的上行传输的初始发射功率采用开环功率控制方法；在传输链路建立好后，再采用信道质量指示(CQI)的周期性反馈对包括第一跳链路和第二跳链路的上下行传输的发射功率进行闭环功率调整。

终端选择单根还是多根天线进行通信所获得的分集和复用增益是不同的；基站在集中调度时，要根据目标用户终端的天线配置，进行自适应分集和复用配置。

假设目标用户终端只配置或者只选择单根天线进行通信，则基站进行的调度目的是追求协同分集增益，具体操作包括下列内容：

(1)对于下行链路：基站通过组播通信模式向选择好的的异构协同中继节点发送数据，此时，采用MIMO通信方式能够提高第一跳链路的传输速率；同一协同中继节点的不同天线将会分别接收不同的信息，但不同中继节点间接收的信息是相同的；中继节点接收到来自基站的信息后，进行协同编码操作，再转发给目标用户终端；目标用户终端接收到来自多个异构中继节点的经过相同信息编码后的数据流，先进行分集处理，然后根据接收业务的质量和传输速率及其它条件，向最佳的中继节点反馈相关的测量信息和配置信息；中继节点收到该反馈信息后，直接转发给基站；基站收到反馈信息后，调整发射功率、发送时间和其它参数，并对中继节点及其天线的选择进行优化配置，把这些调整信息发射给相关的协同中继节点和目标用户终端。

(2)对于上行链路：目标用户终端进行广播发送；异构中继节点接收到来自该目标用户终端的广播数据信息后，进行协同编码处理；然后从每个异构协同中继节点的第一套天线模块中选择数量合适的天线进行信息发送，不同的中继节点转发对相同信息进行协同编码后的数据流，以获得分集增益；但同一中继节点内的不同天线间能够传输不同的信息，以获得复用增益；基站收到来自一个或多个异构中继节点的数据流，进行自适应地分集和复用接收；基站还根据接收到的链路质量、传输速率及其他相关信息，对包括协同异构中继节点集合、中继节点天线模块A中的多天线选择、每根天线的发射功率、终端的发射功率和其它相关参数进行综合优化配置，并把优化后的信息通过控制信令发射给相关的协同中继节点和目标用户终端。

假设目标用户终端选择两根或两根以上天线进行协同通信，则基站进行的调度目的是同时追求自适应的协同分集增益和协同复用增益，具体操作包括下列内容：

(1)对于下行链路：基站通过组播和多址的联合通信模式向已经确定好的适宜异构协同中继节点集合发送数据，如果目标用户终端参与通信的天线数为T_A，T_A是不小于2的自然数，则把N_R个协同异构中继节点分成T_A组，每组的成员数至少为「N_R/T_A

，式中「

表示取最小整数；基站对每组内的协同异构中继节点进行组播传输，即组内的各中继节点收到的信息是相同的；而对不同组间的传输采用多址通信方式；即组间的各中继节点收到的信息是不同的；接收到来自基站的信息后，处于同一组内的异构协同中继节点进行联合协同编码操作后，转发给目标用户终端，以获得分集增益；而不同组的异构中继节点之间发射的信息要经过空时水平或垂直分层空时编码(如BLAST)处理；目标用户终端接收到来自多个异构中继节点的数据流，对于来自同一个组的不同异构协同中继节点的、内容相同的信息，采用分集接收；而对于不同组间的数据流进行MIMO复用接收；目标用户终端根据接收到的信道质量、传输速率及其它相关数据，向中继节点反馈相关的测量信息和配置信息，中继节点收到该反馈信息后，直接转发给基站；基站收到该反馈信息后，对自己的发射功率、协同中继节点集合及其中继节点的多天线选择、每根天线的发射功率和其它相关参数进行优化调整，并把这些调整信息发射给相关协同中继节点和目标用户终端；

(2)对于上行链路：采用组播和多址的联合通信模式，目标用户终端向同一组内的异构协同中继节点组播发送相同的数据信息，不同组间的中继节点将通过多址方式接收该目标用户终端发来的不同数据流，以形成虚拟的T_A×T_A的MIMO天线阵列，T_A是终端选择的多天线阵元数；异构协同中继节点接收到来自目标用户终端的数据信息后，对同一组内的数据流进行分布式协同编码处理；并从每个异构协同中继节点天线模块A中的多根天线中选择合适的发射天线转发数据，此时同一中继节点内的不同天线间发射不同的数据流，以使基站获得复用增益；基站接收到来自一个或多个异构中继节点的数据流后，进行自适应地分集和复用接收；基站还根据接收到的信道质量、传输速率及其它数据，对包括适宜的协同异构中继节点集合、中继节点天线模块A中的多天线数量、每根天线的发射功率、终端的发射功率和其它相关参数进行综合优化，并把优化后的信息通过控制信令发射给相关的协同中继节点和目标用户终端。

总之，本发明的核心是在异构中继节点为两跳通信链路分别设置一套天线，其中和基站通信的异构中继节点第一套天线模块A设置多天线，而和目标用户终端通信的异构中继节点第二套天线模块B设置单天线。再根据该目标用户终端同时参与通信的是单天线还是多天线，来决定整个异构无线通信网络是为了获得分集增益还是为了同时获得分集和复用的自适应增益。此外，为保证两跳异构无线通信链路的性能均衡，要由基站集中控制和管理适宜的中继节点集合、中继节点天线模块A的天线数量和每根天线上的功率配置等。

参见图3，介绍本发明方法的技术特点：

为了保证异构通信***能获得协同增益，不论目标用户终端选择同时通信的是单天线还是多天线，要求本发明的异构中继节点为两跳链路配置两套天线：为第一跳链路服务的天线模块A和为第二跳链路服务的天线模块B。

为了使得第一跳链路能够采用各种分集和复用的先进技术(如分集、复用和波束赋形天线技术等)，要求第一跳链路采用多天线技术，即基站采用多天线，异构中继节点的天线模块A也采用多天线技术。考虑到终端可能配置单天线，也有可能配置双天线甚至多天线，为了降低异构中继节点的天线成本，异构中继节点天线模块B只配置单根天线。

适宜的中继节点集合、中继节点天线模块A的多天线选择、中继节点的功率配置、中继节点间的同步等，都由基站统一调度进行管理和控制；中继节点把接收到的测量信息转发给基站，由基站对两跳异构通信链路的分集和复用进行自适应配置。基站统一调度、管理和控制的目的是要优化***性能，保证两跳异构无线通信链路的传输性能均衡，并减少中继节点的缓存要求，同时容易保障不同类型业务的QoS要求。

参见图4，介绍本发明在目标用户终端只配置或选择单根天线时的工作方法，以便更详细地介绍本发明实现分集和复用的自适应配置方案。

由于终端只配置或者选择单根天线，而和终端通信的中继节点天线模块B也只配置了单根天线，所以下行的第二跳通信链路只能采用虚拟MIMO天线技术获得波束赋形增益、或者简单的MIMO分集增益等，而对于上行链路，该终端只能采用单天线广播发送给所有位于适宜协同中继节点集合中的中继节点。

对于下行链路，基站给所有适宜的异构中继节点传输相同的信息；对于上行链路，各个异构中继节点可以基于分集和复用自适应技术，采用多址通信方式和基站通信。为了提高下行的第二跳通信链路的性能，需要选择适宜的异构中继节点集合。对每个用户来说，选择的异构中继节点数量越多，分集性能越好；但是从整个网络来说，为每个用户选择的中继节点越多，成本越高，且对其他用户的干扰也越大，所以需要根据效用和成本函数来选择适宜的异构协同中继节点集合，该集合中的中继节点数量要适宜：既不能太多，也不能太少。

为了提高上行第一跳通信链路的性能，也需要选择适宜的异构中继节点集合。对每个用户来说，也要根据效用和成本函数选择数量适宜的中继节点，确定适宜的异构协同中继节点集合。因此，适宜的异构协同中继节点集合由第二跳链路的上行和下行传输状况来联合决定：如果下行选择的中继节点集合为D_R1，上行确定的优化中继节点集合为D_R2，则联合决定后的优化中继节点为Min{D_R1∪D_R2}，即选择两个集合的并集的最小子集，通过该最小子集能同时满足上下行链路的性能，并且保证选择的中继节点数量最少。

对于下行链路来说，由于第二跳通信链路采用虚拟MIMO天线技术，协同的异构中继节点间的功率分配需要自适应，且其的初始功率是恒定的；但是当通信链路建立好后，可以采用基于注水原理的理想功率控制或者步长变化的功率调整方式对发射功率进行周期性的调整，以适应信道的快衰落变化。

对于上行链路来说，终端和异构协同中继节点采用开环功率控制机制进行初始功率的确定，然后通过收到的功率调整指示信息进行闭环功率调整，功率调整指示是基站根据反馈的信道质量指示而设置的。

参见图5，进一步介绍当终端配置或者选择两根甚至多根天线时的本发明传输方法：

由于终端配置或者选择了两根或多根天线，而和终端通信的异构中继节点天线模块B只配置了单根天线，所以下行第二跳通信链路要采用虚拟MIMO天线技术来获得分集增益，也可以获得复用增益，或者分集和复用的联合增益等。

为了提高网络的整体性能，需要选择适宜的异构中继节点集合。此时中继节点的确定主要取决于上下行第二跳通信链路状况和用户终端的上下行传输业务的服务质量(QoS)等，选择的适宜异构中继节点集合要保证上下行链路的性能都能同时达到优化。如果下行选择的中继节点集合为D_R1，上行确定的优化中继节点集合为D_R2，则综合考虑后的优化中继节点为Min{D_R1∪D_R2}，即选择两个集合的并集的最小子集，藉由该最小子集能同时满足上下行链路性能的性能，并且保证选择的中继节点数量最少。

对于下行第一跳链路来说，如果终端只获得分集增益，将采用组播通信模式，基站端向所有适宜的异构中继节点广播相同的信息。如果终端只获得复用增益，则基站通过多址方式向各适宜的异构中继节点发送不同的信息。如果既想获得分集增益，又想获得复用增益，则向部分适宜异构中继节点发送相同信息，但向另外异构中继节点发送不同的信息。

对于下行第二跳链路来说，如果只获得分集增益，则选择目标用户终端的一根接收天线进行异构中继节点的分集接收，或者只选择一个中继节点，该目标用户终端同时用2根或多根天线，以获得接收分集增益；不同的异构无线中继节点发给目标用户终端的信息内容是相同的，即各中继节点把基站广播的相同信息进行空时编码后，转发给目标用户终端。因此，对于下行链路，如果第二跳链路只获得复用增益，则只选择T_A个异构中继节点，和目标用户终端形成T_A×T_A的虚拟MIMO天线阵。如果想要同时获得协同分集增益和协同复用增益，则还要选择额外的异构协同中继节点，即选择的异构中继节点数量必须大于T_A。

对于上行链路来说，第二跳链路要根据业务传输要求，来决定采用广播传输还是多址传输，如果只想获得分集增益，则目标用户终端向各适宜的异构中继节点广播相同的信息。如果只想获得复用增益，则该目标用户终端给不同的适宜异构中继节点发送的信息是不同的，此时最大的适宜异构中继节点数量不超过目标用户终端的多天线数量T_A。

对于上行链路来说，第一跳链路要根据已经选择好的适宜异构协同中继节点集合，再进行天线选择和功率分配来优化MIMO传输，降低***开销，保证终端用户的传输需求，保证***性能最优。

为了提高第一跳链路的性能，异构中继节点天线模块A中的多天线与基站端的多天线形成MIMO天线阵列。如果选择了2个或者多个异构中继节点，还可以获得分集增益。

本发明已经进行了多次试验实施，下面通过介绍本发明实施例的试验结果来表明：本发明介绍的适宜协同中继节点集合的确定和各中继节点上的各天线功率分配方法能够显著提高异构无线通信***的性能。

为了表征异构通信模式，在实施例仿真试验中，第一跳链路采用CDMA通信模式，第二跳链路采用WiMAX通信模式，此时使用的频率都假设为2.5GHz，两模式之间有足够的频率保护，不会产生干扰。另外，异构中继节点具有两个通信模块并可以同时工作，以方便直接接入基站或接入目标用户终端。第一跳链路采用经典的宏小区路径损耗模型：Pathloss＝14.98+37.6×log10(R)；式中，R为发射端和接收端的距离，其单位为米。对于第二跳链路来说，如果距离R小于50米时，使用自由空间模型：Pathloss＝38.11+20*log10(R)；否则，采用经典的Xia路径损耗模型：Pathloss＝55.78+40*log10(R)。

该实施例的异构中继节点均匀分布在离基站间隔距离为0.6倍小区半径的圆周上。为了评估***性能，从终端用户的平均频谱效率和***的服务满意率两个角度进行评估。

本发明如何选择异构协同中继节点，对异构无线通信***来说非常关键，适宜的异构协同中继节点的选择和确定需要考虑多个因素，保证异构网络的整体性能最优。

参见图6，这是一种基于效用函数的协同中继节点选择算法示例，并将该算法和基于最短路径的中继选择算法在不同小区半径时用户平均频谱效率进行了比较。此时在距基站间隔距离为0.6倍的半径的圆周上均匀放置了6个协同异构中继站。从仿真结果可以看出，采用基于效用函数的异构协同中继选择算法的“6中继_最佳中继站选择”的曲线(图示为带有四边形的实线曲线)性能明显好于采用协同中继节点选择算法的“6中继_最短路径”(图示为带有三角形的双点虚线的曲线)，即前者能够显著提高用户的频谱效率，原因在于该算法能选择适宜的最佳中继节点，从而保证整个***处于最优工作状态，而且能保证第一跳和第二跳链路的传输性能均衡。

Claims

1.一种用协同中继节点在异构无线网络中实现异构协同传输的方法，其特征在于：设置一个或多个协同中继节点，每个协同中继节点有两套天线模块；基站为每个需要中继的目标用户终端分别优化选择适宜的异构协同中继节点集合，并为每个终端的下行和上行链路选择确定数量合适的天线，以便获得自适应的分集和复用增益；再综合考虑上行链路和下行链路的传输特性，合理设置每根天线的发射功率，保证第一跳链路和第二跳链路的传输性能均衡，从而优化***的整体性能。

2.根据权利要求1所述的实现异构协同传输的方法，其特征在于：所述协同中继节点的两套天线模块能够同时通信，其中用于第一跳链路的第一套天线模块设有多根天线，以便与基站形成多根发射天线和多根接收天线的MIMO阵列；而为第二跳链路服务的第二套天线模块只有1根天线，要选择多个中继节点与目标用户终端进行协同分集或虚拟MIMO的复用通信。

3.根据权利要求2所述的实现异构协同传输的方法，其特征在于：所述协同中继节点的第一套天线模块中被选择与基站通信的天线数量R_A要小于或等于基站的天线数S_A，即R_A≤S_A。

4.根据权利要求1所述的实现异构协同传输的方法，其特征在于：在优化选择适宜的异构协同中继节点集合时，基站要对目标用户终端的类型及其天线数量、第一跳链路和第二跳链路的信道状况及其采用的通信技术和传输性能进行综合评定；也就是根据用户的接入请求，由基站统一调度、选择每个终端的异构协同中继节点集合、各个协同中继节点的天线数量和每根天线的发射功率。

5.根据权利要求4所述的实现异构协同传输的方法，其特征在于：对于不同的目标用户终端，基站统一调度、选择每个终端适宜的异构协同中继节点集合、各个协同中继节点的天线数量和每根天线的发射功率的操作包括下列步骤：

(1)为每个终端确定异构协同中继节点集合：适宜的异构协同中继节点取决于该终端第二跳链路的上行和下行链路的传输状况，如果下行链路选择的中继节点集合为D_R1，上行链路优化的中继节点集合为D_R2，则优化后确定的中继节点是该两个集合的并集的最小子集，即Min{D_R1∪D_R2}，以便藉由该最小子集能够同时满足上下行链路的传输要求，并使所选择的中继节点数量最少；

(2)根据已确定的异构协同中继节点集合，为每个终端的下行链路和上行链路分别就基站端和异构协同中继节点的第一套天线模块端选择数量合适的天线：对于下行链路，在每个异构中继节点上选择的天线数量至少是第二跳链路的传输速率r_D2与第一套天线模块为单天线时的传输速率r_D1之商r_D2/r_D1的整数；对于上行链路，它们的天线数量至少是第二跳链路的传输速率r_U2与第一套天线模块为单天线时的传输速率r_U1之商r_U2/r_U1的整数；

(3)为每个终端的上行和下行的每跳链路中的每根天线分别设置适宜的发射功率，以减少整个***的干扰和保证终端用户的服务质量：对包括第一跳链路和第二跳链路的下行传输的初始发射功率采用固定发射功率；并根据远近不同对包括第一跳链路和第二跳链路的上行传输的初始发射功率采用开环功率控制方法；而在传输链路建立好后，再采用信道质量指示CQI的周期性反馈对包括第一跳链路和第二跳链路的上下行传输的发射功率进行闭环功率调整。

6.根据权利要求5所述的实现异构协同传输的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，为了获得协同分集增益，在第一跳和第二跳链路的发射端使用分布式空时编码STBC或其他协同分集编码；为了获得协同复用增益，在第一跳和第二跳链路的发射端使用水平或者垂直分层空时编码BLAST。

7.根据权利要求4所述的实现异构协同传输的方法，其特征在于：终端配置的天线是单根或多根时，它所获得的分集和复用增益是不同的；基站进行集中调度时，要根据目标用户终端的天线配置，自适应采用分集和复用策略。

8.根据权利要求7所述的实现异构协同传输的方法，其特征在于：当目标用户终端只配置单根天线或者选择单根天线时，基站进行的调度目的是追求协同分集增益，具体操作包括下列内容：

(1)对于下行链路：基站通过组播通信模式向已经确定的异构协同中继节点发送数据，此时，采用MIMO通信方式能够提高第一跳链路的传输速率；同一协同中继节点的不同天线将会独立接收不同的信息，但不同中继节点间的信息流是相同的；异构中继节点接收到来自基站的信息后，进行协同编码操作，再转发给目标用户终端；该目标用户终端接收到来自多个异构中继节点的相同信息编码后的数据流，先进行分集处理，然后根据接收业务的质量和传输速率及其他条件，向最佳的中继节点反馈相关的测量信息和配置信息；最佳中继节点收到该反馈信息后，直接转发给基站；基站收到反馈信息后，调整发射功率、发送时间和其他相关参数，并对中继节点及其多天线的选择进行优化配置，把这些调整信息发射给相关的协同中继节点和目标用户终端；

(2)对于上行链路：目标用户终端进行广播发送；异构中继节点接收到来自该目标用户终端的广播数据信息后，进行协同编码处理；然后从每个异构协同中继节点的第一套天线模块的多根天线中选择数量合适的发射天线发送信息，不同的中继节点转发对相同信息进行协同编码后的数据流，以获得分集增益；但同一中继节点内的不同天线间能够发射不同的信息，以获得复用增益；基站收到来自一个或多个异构中继节点的数据流，进行自适应地分集和复用接收；基站还根据接收到的业务质量、传输速率及其他相关信息，对包括协同异构中继节点、中继节点第一套天线模块中的多根天线选择、每根天线的发射功率、终端的发射功率和其他相关参数进行综合优化配置，并把优化后的信息通过控制信令发射给相关的协同中继节点和目标用户终端。

9.根据权利要求7所述的实现异构协同传输的方法，其特征在于：当目标用户终端选择两根或两根以上天线进行协同传输时，基站进行的调度目的是同时追求协同分集增益和协同复用增益，具体操作包括下列内容：

(1)对于下行链路：基站通过组播和多址的联合通信模式向已经确定好的异构协同中继节点发送数据，如果目标用户终端参与通信的天线有T_A根，T_A是不小于2的自然数，则把N_R个协同异构中继节点分成T_A组，每组的成员数至少为「N_R/T_A

，式中「

表示取最小整数；基站对每组内的协同异构中继节点进行组播传输，即组内的各中继节点收到的信息是相同的；而对不同组间的传输采用多址通信方式，即组间的各中继节点收到的信息是不同的；接收到来自基站的信息后，处于同一组内的异构协同中继节点进行协同编码后，转发给目标用户终端，以获得分集增益；而不同组的异构中继节点之间发射的信息要经过水平或垂直分层空时编码处理；目标用户终端接收到来自多个异构中继节点的数据流，对于来自同一个组的不同异构协同中继节点的、内容相同的信息，采用分集接收；而对于不同组间的数据流，进行MIMO复用接收；该目标用户终端根据接收到的业务的信道质量、传输速率及其他相关数据，向中继节点反馈相关的测量信息和配置信息；中继节点收到该反馈信息后，直接转发给基站；基站收到该反馈信息后，对自己的发射功率、协同中继节点集合及其中继节点的多天线选择、每根天线的发射功率进行优化调整，并把这些调整信息发射给相关协同中继节点和目标用户终端；

(2)对于上行链路：采用组播和多址的联合通信模式，目标用户终端向同一组内的异构协同中继节点组播发送相同的数据信息，不同组间的中继节点将通过多址方式接收该终端发来的不同数据流，以形成虚拟的T_A×T_A的MIMO天线阵列，T_A是终端选择的多天线阵元数；异构协同中继节点接收到来自目标用户终端的数据信息后，对同一组内的数据流进行分布式协同编码处理；并从每个异构协同中继节点第一套天线模块中的多根天线中选择合适的发射天线转发数据，且同一中继节点内的不同天线间发射不同的数据流，以使基站的接收获得复用增益；基站接收到来自一个或多个异构中继节点的数据流后，进行自适应地分集和复用接收；基站还根据接收到的信道质量、传输速率及其他相关数据，对包括协同异构中继节点集合、中继节点第一套天线模块中的多天线的数量、每根天线的发射功率、终端的发射功率和其他相关参数进行综合优化，并把优化后的信息通过控制信令发射给相关的协同中继节点和目标用户终端。