專利名稱：基于正交空時編碼的單小區(qū)固定中繼的多播傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于正交空時編碼的單小區(qū)固定中繼的多播傳輸方法，用于解決在數(shù)據(jù)重傳過程中使用相同頻率資源傳輸信號的不同中繼信號間的相互干擾問題，屬于無線移動通信的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著信息時代的不斷推進(jìn)，公眾對語音、視頻、網(wǎng)頁瀏覽等通信應(yīng)用的需求逐步增長。這類業(yè)務(wù)的特點(diǎn)是信息量大，重復(fù)性高?，F(xiàn)在，一對一的單播傳輸方式已經(jīng)不能滿足用戶對這些大數(shù)據(jù)量和實(shí)時性業(yè)務(wù)的需求。為了解決這個問題，人們開始采用多播傳輸。多播傳輸是信號源向多個用戶同時傳送信號，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的共享的一種技術(shù)。但是，當(dāng)信道條件不理想時，基站傳輸給多播組內(nèi)用戶的信號，組內(nèi)的一部分用戶接收后能夠正確解碼，還有一部分用戶無法正確解碼。此時，基站需要對未被用戶正確接收的那部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行重傳。目前已經(jīng)存在的數(shù)據(jù)重傳的方法有由基站進(jìn)行的單播重傳和多播重傳、中繼采用不同頻率資源進(jìn)行的多播重傳，以及中繼采用相同頻率資源進(jìn)行的多播重傳等。傳統(tǒng)的基站單播重傳方法是基站向每個沒有正確接收信號的用戶單獨(dú)發(fā)送未被成功接收的信號，直到所有用戶都正確接收為止。單播重傳方法雖然可以保證傳輸正確率，但是，這種方式消耗的時間和頻率資源都很大，浪費(fèi)了寶貴的通信資源?；径嗖ブ貍鞣椒ㄊ菍Χ嗖鬏?shù)暮唵沃貜?fù)當(dāng)有用戶沒有正確接收信號時，由基站給多播組內(nèi)所有用戶重新發(fā)送信號。由于基站的發(fā)射功率有限，在基站重傳之后，原來沒有正確接收信號的用戶有很大可能仍然無法正確接收信號。 為了解決這個問題，系統(tǒng)引入中繼基站首先廣播信號給中繼和用戶。中繼進(jìn)行解碼后，再由中繼進(jìn)行重傳。為了防止不同中繼發(fā)送信號造成彼此之間的干擾，傳統(tǒng)中繼在重傳過程中，不同中繼是采用不同頻率進(jìn)行重傳的。這樣可以提高小區(qū)邊緣用戶的性能，也避免了不同中繼之間信號的相互干擾，但是，這種方式需要消耗較多的頻率資源。在如今頻率資源非常匱乏的時期，人們自然就會考慮能否讓不同中繼都采用相同的頻率進(jìn)行重傳。不同中繼采用相同頻率進(jìn)行重傳時，對某個用戶而言，由于不同中繼與其的距離不同，該用戶接收到來自不同中繼的信號會存在時延差。時延差在一個循環(huán)前綴范圍內(nèi)的信號是有用信號；反之，則為干擾信號。文獻(xiàn)《Performance Evaluation of Cellular Networks OfferingTV Services》指出對接收用戶而言，只有當(dāng)時延差在一個循環(huán)前綴范圍內(nèi)時，才被視為有用信號，否則，就被視為干擾。當(dāng)傳輸時延差大于一個循環(huán)前綴時，使用相同頻率傳輸?shù)男盘栔g會產(chǎn)生互相干擾，影響系統(tǒng)性能。針對現(xiàn)有重傳技術(shù)的缺點(diǎn)，又有一些文獻(xiàn)研究了如何將目前技術(shù)比較成熟的空時編碼方案應(yīng)用于無線分布式中繼網(wǎng)絡(luò)的傳輸上。例如文獻(xiàn)《Multi-user space-timecoding in cooperative networks》分析了基于Alamouti空時碼和放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的分布空時石馬的誤石馬性倉泛。文獻(xiàn)《Distributed space-time coding in wireless relay network》介紹每個中繼節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇空時碼與重傳系統(tǒng)中一個天線相對應(yīng)。但由于中繼是隨機(jī)選擇空時碼，當(dāng)信噪比不斷增加時，整個通信系統(tǒng)只能獲得一階空間分集。總之，現(xiàn)有的多播重傳方法中，基站直接重傳是費(fèi)時、費(fèi)力又收效甚微。中繼使用不同頻率進(jìn)行重傳時，對于當(dāng)今日趨緊張的頻率資源是一種浪費(fèi)。中繼使用相同頻率進(jìn)行重傳時，則不同中繼的發(fā)送信號之間會產(chǎn)生干擾。因此，如何更好地解決這種現(xiàn)有的中繼重傳技術(shù)的缺陷或不足，仍然是業(yè)內(nèi)科技人員關(guān)注的一個焦點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種基于正交空時編碼的單小區(qū)固定中繼的多播傳輸方法，本發(fā)明綜合考慮重傳有效性和節(jié)約頻率資源等因素，把正交空時編碼應(yīng)用于中繼重傳過程中中繼根據(jù)編碼矩陣和傳輸效率等因素選取適宜的正交空時編碼方案對需要重傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，然后再進(jìn)行重傳，這樣，不同中繼的發(fā)送信號相互正交，即使中繼使用相同頻率資源傳輸，也能避免不同中繼的發(fā)送信號之間產(chǎn)生干擾，從而大幅度改善系統(tǒng)的傳輸性能。
為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種基于正交空時編碼的單小區(qū)固定中繼的多播傳輸方法，其特征在于小區(qū)基站先將準(zhǔn)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分組，再把每個數(shù)據(jù)分組廣播給中繼和用戶；中繼和用戶各自分別接收基站發(fā)來的數(shù)據(jù)分組并進(jìn)行解碼處理，用戶向基站反饋其是否正確接收該數(shù)據(jù)分組中的每個符號的確認(rèn)信息；基站統(tǒng)計(jì)用戶的反饋信息，根據(jù)用戶沒有正確接收的該數(shù)據(jù)分組中的符號數(shù)給中繼發(fā)送相應(yīng)的控制信號，中繼根據(jù)該控制信號選擇適宜的正交空時編碼矩陣進(jìn)行編碼重傳；因?yàn)楦髦欣^的發(fā)送信號相互正交，從而避免了各重傳數(shù)據(jù)分組之間的干擾，提高了用戶接收數(shù)據(jù)的性能。所述方法的應(yīng)用場景是該小區(qū)設(shè)有均勻設(shè)置在距離基站三分之二小區(qū)半徑的距離處、彼此角度相差120°的三個單天線固定中繼，即天線數(shù)n=3 ;在重傳階段，族三個中繼都參與重傳，每個中繼天線作為正交空時編碼矩陣中的一個空間分集因子，故該正交空時
編碼為3列矩陣；同時設(shè)置該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率為f，其中，m是基站對準(zhǔn)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)
進(jìn)行分組后的每個數(shù)據(jù)分組所包含的符號數(shù)，P是傳輸每個數(shù)據(jù)分組所需的時隙數(shù)；這樣得到的正交空時碼矩陣為一個nXp的矩陣G。上述方法包括下列操作步驟(I)基站多播基站給中繼和用戶廣播數(shù)據(jù)分組，該數(shù)據(jù)分組由三個符號X1, X2, X3所構(gòu)成；中繼和用戶分別接收基站發(fā)送來的該數(shù)據(jù)分組并進(jìn)行解碼，然后用戶向基站反饋其是否正確接收該數(shù)據(jù)分組中的每個符號的確認(rèn)信息；(2)基站統(tǒng)計(jì)用戶是否成功接收并做出相應(yīng)處理基站統(tǒng)計(jì)用戶的反饋信息，并根據(jù)用戶沒有正確接收該數(shù)據(jù)分組中的符號數(shù)量的不同，給中繼分別發(fā)送相應(yīng)的控制信號；(3)中繼編碼重傳中繼根據(jù)基站的不同控制信號選擇不同正交空時編碼方案進(jìn)行相應(yīng)的正交空時編碼，并在編碼后進(jìn)行重傳；(4)用戶解碼用戶接收中繼重傳的數(shù)據(jù)并解碼。所述步驟(2)中，用戶沒有正確接收的該數(shù)據(jù)分組中的不同符號數(shù)分別為3、2、1和0時，基站給中繼分別發(fā)送的控制信號有下述4種
(2A)若該數(shù)據(jù)分組中，沒有一個符號被所有用戶正確接收時，則中繼要重傳該數(shù)據(jù)分組中的3個符號；(2B)若該數(shù)據(jù)分組中，只有I個符號被所有用戶都正確接收時，則中繼要重傳其余的2個符號；(2C)若該數(shù)據(jù)分組中，只有2個符號被所有用戶都正確接收時，則中繼要重傳剩余的I個符號； (2D)若該數(shù)據(jù)分組的3個符號都被所有用戶正確接收時，則中繼不需要重傳；基站開始準(zhǔn)備重新發(fā)送下一個數(shù)據(jù)分組。所述步驟(3)中，中繼根據(jù)基站的不同控制信號選擇的正交空時編碼矩陣包括以下3種(3A)對于(2A)的控制信號，中繼對需要重傳的3個符號X1, x2，X3按照矩陣 X1 X2 X3 I
X* * 0
G3= ^ Y進(jìn)行正交空時編碼，并在編碼后進(jìn)行重傳；其中，X1, x2，X3分別為該數(shù)據(jù)
_ 0 X; _\」
分組的三個復(fù)數(shù)符號；Xi*為Xi的共軛復(fù)數(shù)符號，下標(biāo)i = 1、2或3 ;(3B)對于(2B)的控制信號，中繼對需要重傳的2個符號X1, X2按照矩陣
X1 X2 X4
G1 =進(jìn)行正交空時編碼，并在編碼后進(jìn)行重傳；式中， 是 ，X2的異或、
—X4 0 JC1
0 x*4 -X2即 X4 二 X1 X2 ；(3C)對于(2C)的控制信號，因只需要重傳一個符號，故中繼不再對該符號進(jìn)行空時編碼，直接向用戶重傳該符號。眾所周知，目前已經(jīng)存在的單小區(qū)系統(tǒng)的重傳技術(shù)有以下幾種基站單播重傳，基站多播重傳和借助中繼進(jìn)行重傳，其中第三種又可以分為兩種各中繼使用相同載波頻率進(jìn)行重傳和各中繼使用不同頻率資源進(jìn)行重傳。但是，這幾種重傳技術(shù)都存在一些不足之處基站單播重傳方法雖然可以保證正確率，但是這種方式對時間、頻率資源的浪費(fèi)很大?；径嗖ブ貍鞣椒ㄊ菍Χ嗖鬏?shù)暮唵沃貜?fù)當(dāng)有用戶沒有正確接收信號時，由基站給所有用戶重新發(fā)送信號。由于基站發(fā)射功率有限，沒有正確接收信號的用戶很大可能仍然無法正確接收信號。如果使用相同載波頻率同時發(fā)送信號，不同中繼發(fā)送的信號到達(dá)某一用戶的信號會產(chǎn)生時延差。對接收用戶而言，只有當(dāng)這個時延差在一個循環(huán)前綴范圍內(nèi)時，信號才被看作是有用信號，否則被視為干擾。在當(dāng)今頻率資源緊張的形勢下，中繼如果使用不同頻率資源進(jìn)行重傳無疑對頻率資源是一種浪費(fèi)。為了解決以上問題，本發(fā)明把正交空時編碼應(yīng)用在中繼重傳過程中。其特點(diǎn)是基站按組給中繼和用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，用戶給基站反饋其是否正確接收的確認(rèn)信息，基站根據(jù)用戶未正確接收的符號數(shù)來控制中繼選擇適宜的正交空時編碼矩陣進(jìn)行編碼重傳。根據(jù)不同重傳方法，中繼選擇合適的正交空時編碼矩陣進(jìn)行編碼重傳。正交空時編碼技術(shù)使得各個中繼發(fā)送的信號相互正交，即使中繼使用相同頻率資源傳輸，也能避免不同中繼發(fā)送來的信號相互之間產(chǎn)生干擾，相反地，不同中繼發(fā)送來的信號能夠互相增強(qiáng)，提高了系統(tǒng)空間分集增益，從而提高用戶接收信號的性能。本發(fā)明能夠在不增加系統(tǒng)操作復(fù)雜度的前提下，提高系統(tǒng)的誤比特率和吞吐量，有效利用中繼的接力傳輸提高系統(tǒng)的整體性能；因此，其推廣應(yīng)用前景看好。


圖I是本發(fā)明方法的應(yīng)用場景示意圖在單個小區(qū)中，三個中繼的位置固定，均勻分布在2/3半徑且角度互相相差120°的地點(diǎn)。圖2是本發(fā)明基于正交空時編碼的單小區(qū)固定中繼的多播傳輸方法操作步驟流程圖。圖3是不同傳輸方式下系統(tǒng)的信噪比-誤比特率曲線比較示意圖。圖4是不同傳輸方式下系統(tǒng)的信噪比-吞吐量曲線比較示意圖。圖5是在小區(qū)中的用戶數(shù)目發(fā)生變化時，不同傳輸方法下的系統(tǒng)吞吐量曲線比較示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。參見圖1，先介紹本發(fā)明方法的應(yīng)用場景該小區(qū)設(shè)有均勻設(shè)置在距離基站三分之二小區(qū)半徑的距離處、彼此角度相差120°的三個單天線固定中繼，即天線數(shù)n = 3。在重傳階段，三個中繼都參與重傳，每個中繼天線作為正交空時編碼矩陣中的一個空間分集
因子，故該正交空時編碼為3列矩陣。同時設(shè)置該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率為，，其中，m是基站
對準(zhǔn)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分組后的每個數(shù)據(jù)分組所包含的符號數(shù)，P是傳輸每個數(shù)據(jù)分組所需的時隙數(shù)，這樣得到的正交空時碼矩陣為一個nXp的矩陣G。m和p兩個參數(shù)的確定對系統(tǒng)整體性能十分關(guān)鍵，因其直接關(guān)聯(lián)著系統(tǒng)的傳輸效率。文獻(xiàn)《SpaceTime Block Codesfrom Orthogonal Designs》指出當(dāng)天線數(shù)大于2時,廣義復(fù)正交設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸率不超過3/4。通過理論分析和多次仿真實(shí)施試驗(yàn)的比較，本發(fā)明實(shí)施例最終確定的參數(shù)是采用m = 3和p = 4的正交空時編碼矩陣。由于確定了 n、m和p的數(shù)值，就可以確定本發(fā)明方法的基本操作流程小區(qū)基站先將準(zhǔn)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分組(每組包含3個復(fù)數(shù)符號Xl，x2, x3)，再把每個數(shù)據(jù)分組廣播給中繼和用戶；中繼和用戶各自分別接收基站發(fā)來的數(shù)據(jù)分組并進(jìn)行解碼處理，用戶向基站反饋其是否正確接收該數(shù)據(jù)分組中的每個符號的確認(rèn)信息(ACK或NACK);基站統(tǒng)計(jì)用戶的反饋信息，根據(jù)用戶沒有正確接收的該數(shù)據(jù)分組中的符號數(shù)給中繼發(fā)送相應(yīng)的控制信號，中繼根據(jù)該控制信號選擇適宜的正交空時編碼矩陣進(jìn)行編碼重傳。為了后面論述的方便，下面首先簡要說明復(fù)正交矩陣設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則一個復(fù)正交矩陣設(shè)計(jì)存在的條件是存在且只存在一個復(fù)正交矩陣I滿足下面條件I lH =lHl (|Xl|2+k|2+...+|Xn|2)XI，式中，I是一個矩陣，^是t的共軛轉(zhuǎn)置矩陣，I為單位矩陣，Xk為復(fù)數(shù)符號，其自然數(shù)下標(biāo)k為序號，k的最大值為n，IxJ表示Xk的模。
復(fù)正交設(shè)計(jì)的空時編碼矩陣滿足下面兩項(xiàng)條件矩陣t的元素是關(guān)于X1, x2，…Xn及其共軛復(fù)數(shù)符號的線性組合，以及矩陣I的各列相互正交。在傳輸符號數(shù)m = 3和發(fā)射天線數(shù)n = 3時，要達(dá)到最佳傳輸速率3/4，需要在4個時隙內(nèi)傳輸3個符號，即時隙數(shù)p = 4。然而，目前參考文獻(xiàn)中已經(jīng)給出的正交空時編碼矩陣都沒有適宜此情況的簡單編碼。為此，發(fā)明人經(jīng)過研究推導(dǎo)，得到以下的正交空時編碼
方案
權(quán)利要求
1.一種基于正交空時編碼的單小區(qū)固定中繼的多播傳輸方法，其特征在于小區(qū)基站先將準(zhǔn)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分組，再把每個數(shù)據(jù)分組廣播給中繼和用戶；中繼和用戶各自分別接收基站發(fā)來的數(shù)據(jù)分組并進(jìn)行解碼處理，用戶向基站反饋其是否正確接收該數(shù)據(jù)分組中的每個符號的確認(rèn)信息；基站統(tǒng)計(jì)用戶的反饋信息，根據(jù)用戶沒有正確接收的該數(shù)據(jù)分組中的符號數(shù)給中繼發(fā)送相應(yīng)的控制信號，中繼根據(jù)該控制信號選擇適宜的正交空時編碼矩陣進(jìn)行編碼重傳；因?yàn)楦髦欣^的發(fā)送信號相互正交，從而避免了各重傳數(shù)據(jù)分組之間的干擾，提高了用戶接收數(shù)據(jù)的性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述方法的應(yīng)用場景是該小區(qū)設(shè)有均勻設(shè)置在距離基站三分之ニ小區(qū)半徑的距離處、彼此角度相差120°的三個單天線固定中繼，即天線數(shù)n=3 ;在重傳階段，該三個中繼都參與重傳，每個中繼天線作為正交空時編碼矩陣中的一個空間分集因子，故該正交空時編碼為3列矩陣；同時設(shè)置該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率為マ，其中，m是基站對準(zhǔn)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分組后的每個數(shù)據(jù)分組所包含的符號數(shù)，P是傳輸每個數(shù)據(jù)分組所需的時隙數(shù)；這樣得到的正交空時碼矩陣為ー個nXp的矩陣G。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述方法包括下列操作步驟 (1)基站多播基站給中繼和用戶廣播數(shù)據(jù)分組，該數(shù)據(jù)分組由三個符號Xl，X2,X3所構(gòu)成；中繼和用戶分別接收基站發(fā)送來的該數(shù)據(jù)分組并進(jìn)行解碼，然后用戶向基站反饋其是否正確接收該數(shù)據(jù)分組中的每個符號的確認(rèn)信息； (2)基站統(tǒng)計(jì)用戶是否成功接收并做出相應(yīng)處理基站統(tǒng)計(jì)用戶的反饋信息，并根據(jù)用戶沒有正確接收該數(shù)據(jù)分組中的符號數(shù)量的不同，給中繼分別發(fā)送相應(yīng)的控制信號； (3)中繼編碼重傳中繼根據(jù)基站的不同控制信號選擇不同正交空時編碼方案進(jìn)行相應(yīng)的正交空時編碼，并在編碼后進(jìn)行重傳； (4)用戶解碼用戶接收中繼重傳的數(shù)據(jù)并解碼。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述步驟(2)中，用戶沒有正確接收的該數(shù)據(jù)分組中的不同符號數(shù)分別為3、2、1和O時，基站給中繼分別發(fā)送的控制信號有下述4種 (2A)若該數(shù)據(jù)分組中，沒有ー個符號被所有用戶正確接收時，則中繼要重傳該數(shù)據(jù)分組中的3個符號； (2B)若該數(shù)據(jù)分組中，只有I個符號被所有用戶都正確接收吋，則中繼要重傳其余的2個符號； (2C)若該數(shù)據(jù)分組中，只有2個符號被所有用戶都正確接收吋，則中繼要重傳剩余的I個符號； (2D)若該數(shù)據(jù)分組的3個符號都被所有用戶正確接收時，則中繼不需要重傳；基站開始準(zhǔn)備重新發(fā)送下一個數(shù)據(jù)分組。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述步驟(3)中，中繼根據(jù)基站的不同控制信號選擇的正交空時編碼矩陣包括以下3種(3A)對于(2A)的控制信號，中繼對需要重傳的3個符號ん^，13按照矩陣
全文摘要
一種基于正交空時編碼的單小區(qū)固定中繼的多播傳輸方法，是小區(qū)基站先將準(zhǔn)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分組，再把每個數(shù)據(jù)分組廣播給中繼和用戶；中繼和用戶各自分別接收基站發(fā)來的數(shù)據(jù)分組并進(jìn)行解碼處理，用戶向基站反饋其是否正確接收該數(shù)據(jù)分組中的每個符號的確認(rèn)信息；基站統(tǒng)計(jì)用戶的反饋信息，根據(jù)用戶沒有正確接收的該數(shù)據(jù)分組中的符號數(shù)給中繼發(fā)送相應(yīng)的控制信號，中繼根據(jù)該控制信號選擇適宜的正交空時編碼矩陣進(jìn)行編碼重傳；因?yàn)楦髦欣^的發(fā)送信號相互正交，即使中繼使用相同頻率資源傳輸，也能避免不同中繼的發(fā)送信號之間產(chǎn)生干擾，從而大幅度地改善系統(tǒng)的傳輸性能。
文檔編號H04L1/00GK102739359SQ20121018482
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月6日
發(fā)明者唐名威, 張海波, 王曉湘, 王玉龍, 龔文熔 申請人:北京郵電大學(xué)