CN1826780B - 用于使用协同中继的无线通信网络的方法和结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用协同中继的无线网络，该无线网络在通信会话中涉及不止一个的中继站。在根据本发明的方法中，一个发射机(210’)、一个接收机(220’)以及至少一个中继站(215)参与通信会话。中继站(215)转发来自该发射机(210’)和中继站(215)之间的第一链路的信号给中继站(215)和接收机(220’)之间的第二链路。中继站(215)利用相关传输参数以及任选的公共传输参数来转发信号。相关传输参数在每个中继站(215)中并且基于第一链路、或第二链路或第一和第二链路的组合的表征被本地确定。

Description

用于使用协同中继的无线通信网络的方法和结构

发明领域

本发明涉及支持中继的无线通信以提高通信性能。特别地，本发明涉及使用协同中继的无线网络。

发明背景

无线/蜂窝通信网络和系统的发展的主要努力方向，除了许多其它方面以外，就是提供增加的覆盖范围或者支持更高的数据速率，或者是两者的组合。同时，建造并维持系统的花费情况非常重要，并且预期在将来甚至更是如此。随着数据速率和/或通信距离的增加，电池消耗增加的问题成了另一个受关注的领域。

直到最近，无线网络，包括已有的三代蜂窝网络，的主要拓扑都基本没有变化。该拓扑的特征在于具有在网络中作为发射实体和接收实体的固定无线电基站和移动站的蜂窝结构，其中通信典型地只涉及这两种实体。对网络的一种替代解决方案的示例是众所周知的多跳网络，其中典型地在无线场景下，在一种中继配置中通信涉及多个发射和接收实体。这样的系统提供了显著降低通信(中继)实体间的路径损耗的可能性，这可能使端到端(ETE)用户受益。

最近另一种类型的拓扑备受关注，这种拓扑具有许多与多跳网络共同的特性和优点，但是只限于两跳(或几跳)中继。与多跳网络相比较，前述拓扑利用了并行性特征并且还采用了高级天线系统的主题。这些利用新型拓扑的网络具有多站间协作的共同特性。在最近的研究著作中，它被以多个名字相称，例如协同中继、协同分集、协同编码、虚拟天线阵列等等。在本申请中，术语“协同中继”和“协同方案/方法”意图分别包括所有使用多站间协作的系统和网络以及在这些系统中使用的方案/方法。在[1]中给出了协同通信方案的全面概括。可以运用各种不同格式的中继信号。信号可以被译码、再调制并转发，或者替代地仅仅被放大并转发。前者称为译码转发或再生中继，而后者称为放大转发或非再生中继。再生和非再生中继是众所周知的，例如它们分别通过常规的多跳和转发器解决方案来进行。这两种方法的各个不同方面在[2]中提出。

无线通信中协同中继的一般好处可以被概括为较高的数据速率、减少的运转中断(由于不同形式的分集)、延长的电池寿命、扩大的覆盖范围(例如，用于蜂窝)。

各种利用协同中继的方案和拓扑已经被建议为例如信息论领域中的理论模型、用于实际网络和有时作为实验测试系统的建议。在[1]的37-39页、41-44页可以找到示例。基于哪些实体有待发送的数据、发送给谁以及谁协同，而可以划分各种协同方案。在图1a-f(现有技术)中，示意地图示了不同的拓扑，示出业务量在何处生成、谁是接收机以及用于无线电传输的路径。

图1a中图示的典型中继信道由希望通过使用中继来与终端通信的源组成。中继通过有噪声的信道接收由源发送的信号、处理它并把它转发给终端。终端观测源和中继传输的叠加。中继没有要发送的任何信息；因此中继的目标是最大化从源到终端的信息流的总速率。典型的中继信道在[1]、[7]和[3]中已进行研究，其中在后者中包括了接收机分集。三站形式的典型中继信道根本不利用多个中继站，且因此不提供上述优点。

图1b中示意地图示了一种更有希望的解决方案，并行中继信道，其中无线系统利用具有重叠覆盖范围的转发器(诸如带有支持转发器的蜂窝基站)，接收机可以通过使用从多个转发器接收的叠加信号而获益。这种情况在转发器相距较近时是在系统中自动地发生的。最近，信息论研究正在致力于解决这种情况。一种感兴趣的特定情况是Schein的[4]和[5]。Schein已经对具有四个节点，即，具有一个发射机、一个接收机以及只有两个中间中继的面向协同的网络进行信息论研究。研究了一种传播损耗等于1的实值信道。每个中继使用非再生中继，即，纯放大。由于过分简单地假设实值传播损耗，所以信号在接收机天线处相干地叠加。在个体的中继功率约束条件下，Schein还指出可以选择放大因子来最大化接收机SNR，但是没有推导出放大因子的明确表达式。所述站中的一个以它的最大功率发送，而其它站以其它的较小功率发送。Schein的方案的缺点在于：它只是受限于仅仅两个中继站的信息论分析、在增益1的实值信道中被推导(因此忽视了基本的以及现实的传播假设)、缺少使得该方法实际可行的手段和机制。例如，根本没有考虑协议、功率控制和RRM机制、复杂性以及开销问题。就仅仅针对只两个中继站而言，这里既没有考虑也没有采用将导致很多个中继的显著更高的天线增益和分集的益处。

最近一些研究人员已经研究了具有中继的多用户信道(也叫做具有广义的反馈的多用户信道)的概念，并且在图1c中示意地图示。该概念涉及两个用户协作，即，交换每个用户想要发送的信息，随后每个用户不仅仅发送它自己的信息还发送其它用户的信息给一个接收机。这样做的好处在于协作提供了分集增益。已经基本上研究了两种方案：协同分集和编码的协同分集。例如，在[1]中报告了研究成果。关于分集，已经建议了各种形式，诸如Alamouti分集、接收机分集、基于相干合并的分集。典型地，研究的方案和拓扑依赖于传输之前的数据译码。这还意味着各站必须距离较近以便协作，并且因此，如果可以形成大规模的群的话，也不包括与更远中继以及很多个潜在中继的协作。那些方案的附加缺点在于完全不可能具有位置接近并且同时发射的站。这些缺点表示所研究的拓扑没有多少实际意义。图1d中图示的具有中继的广播信道基本上是图1c中描绘的拓扑的倒转，并且因此共有同样的严重缺点。

图1c中描绘的拓扑的另一种扩展是图1e中图示的，所谓的具有中继的干扰信道，其中考虑了两个接收机。这在例如[8]和[1]中进行研究，但是没有接收机间的协作，并且因此不利用可能由协同中继提供的可能性。

另一种报告的拓扑在图1f中示意地图示，有时称作虚拟天线阵列信道，并且在例如[9]中描述。在这个概念中，假设有通信站和相邻中继节点间的(显著的)带宽扩展，并且因此无干扰的信号可以通过正交源传送，其考虑了要保留的相位和振幅信息。利用该结构，MIMO(多输入多输出)通信(还有其它空时编码方法)利用单个天线接收机而被使能。该拓扑同样可被用于传输。一般假设中继站靠近接收机(或发射机)。这限制了找到中继的可能性和可使用的可能中继的总个数。显著的实际限制是：需要非常大的带宽扩展来在无干扰的信道上将信号中继到接收机去进行处理。

协同中继具有与发射分集概念(又叫做具有大量反馈的发射分集，TDRF)的某些小的相似性，如在[10]中描述的并且在图1g中示意地图示的。对于该概念所必要的是一个带有固定定位的天线的发射机，例如，在蜂窝系统中的基站，找出从每个天线单元到接收机天线的信道参数(以允许衰落效应和随机相位)，并且使用该信息以确保(无噪声)信号在发射机中被加权和调整相位之后发送并在接收机天线处被相干叠加，由此最大化信号噪声比。尽管具有完全已知的信道并且在固定基站中实施的发射分集提供了显著的性能益处，但是对于可以在一个设备或在一个天线地点处实施的天线单元的个数而言，它还存在实际的限制。因此，在可以获得的性能增益程度方面有限制。对于面向基站的发射分集的一个缺点还在于发射机和接收机之间的大的物体招致高的路径损耗。

以上讨论的现有技术的显著缺点在于它们仅仅使能并利用几个、典型地只有两个站来协作。本领域中提出的拓扑和方法没有充分利用具有包括很多中继站的协同中继的网络的预期优点。特别地，所提出的拓扑和方法不提供必要的手段来按比例放大网络。一个问题是当涉及许多节点时，在所涉及的站之间的控制开销可能变成一个大问题。在最坏的情况下，会发送比数据业务还要多的协议开销。另一个问题是没有为管理许多中继节点，或者增加的中继节点数去设计算法和处理装置，即，大的协同中继网络中的缩放问题没有适当地解决。

发明概述

显然需要一种用于协同中继网络的改进方法、拓扑和系统，所述方法、拓扑和系统能够成比例放大以适应现实的业务场景，并且它们充分利用了具有包括很多中继站的协同中继的网络的预期优点。

本发明的目的是提供克服现有领域技术的缺点的方法、系统和装置。这是通过如权利要求1中定义的方法、如权利要求18中定义的系统、如权利要求24中定义的中继站、如权利要求27中定义的基站以及如权利要求28中定义的移动站来实现的。

该问题是通过中继站、发射机(例如基站/移动站)和接收机(例如移动站/基站)间的功能分布来解决的。

在根据本发明的、执行使用协同中继的无线通信网络中的通信的方法中，一个发射机、一个接收机和至少一个中继站参与通信会话。所述至少一个中继站转发来自发射机和中继站间的第一链路的信号给中继站和接收机之间的第二链路。中继站利用相关传输参数以及任选的一个公共传输参数转发信号。相关传输参数在每个中继站中本地地、并且基于第一链路、或第二链路、或第一和第二链路的组合的表征(characterisation)而确定；而公共传输参数被集中地确定并且分发给每个中继站。优选地，公共传输参数例如在接收机中被集中确定，并且分发给每个中继站。替代地，公共传输参数是中继站先验已知的，例如是安装时设置的固定参数或者以某种维护规程更新的参数。

该方法可以使用相位控制、功率控制或者中继激活或者相位控制、功率控制和中继激活的任意组合。

根据本发明的、适合用于在使用协同中继的无线通信网络中的通信的系统，该系统包括一个发射机、一个接收机以及至少一个中继站，其中中继站适于转发来自发射机和中继站间的第一链路的信号给所述中继站和接收机之间的第二链路。该系统具有逻辑结构，其中：

-每个中继站具有用于执行信道表征的装置以及基于信道表征来确定相关传输参数的装置和基于相关传输参数和公共传输参数来适配该转发的装置；

-接收机具有用于确定公共传输参数的装置以及用于广播公共传输参数给中继站的装置；以及

-逻辑结构包括接收机和中继站间的、适于反馈来自接收机的公共参数给中继站的第一控制回路。

该系统还可能包括接收机和发射机之间的、适于反馈来自接收机的传输参数给发射机的第二控制回路。

正是由于本发明，而可能成比例放大(相比于现有技术拓扑)网络以在发射机和接收机间(诸如基站和移动站或者反之亦然)的通信会话中涉及多个中继站。

本发明提供的一个优点是：对于个数增加的中继站，从发射机到接收机的数据传输所需要的协议开销量不增加，至少不会显著增加。

另一个优点是功能的分布使得有可能充分利用具有包括很多中继站的协同中继的网络的预期优点。在本发明用在相干合并设置中的情况下，方向性增益和分集增益随中继站个数的增加而增加。方向性增益本身提供可被用于范围扩展和/或数据速率增强的提高的SNR。分集增益提高了通信的鲁棒性，从而提供了随时间过去而更一致的通信质量。尽管方向性和分集增益可以由各种常规的高级天线解决方案提供，其中天线被放置在发射机或接收机处，但是所提出的解决方案通常不局限于如在基站或移动终端中看到的物理空间约束。因此，实际上存在使用比基站或移动站处的天线数量个数更多的中继的可能，并且因此提供甚至更大的方向性和分集增益。

而另一个优点是本发明使得使用多跳技术成为可能，可以利用该技术的某些固有优点，例如“绕开”遮掩物体的能力。例如，在蜂窝系统中，一条从建筑物向下到地面的路径的衍射损耗常常是约30dB。利用在适当位置的一个或多个中继，可以完全减轻这样的高路径损耗。

本发明的实施例在从属权利要求中定义。本发明的其它目的、优点和新的特征在结合附图和权利要求考虑时，从下面的本发明的详细描述中变得明显。

附图简述

以上概述的本发明的特征和优点在下面将结合附图在详细描述中更充分地描述，在附图中，相似的参考数字始终指相似的单元，其中：

图1a-g是利用协同中继的某些现有技术的拓扑的示意性图示；

图2示意地图示使用根据本发明的协同中继的蜂窝系统；

图3是用于描述在本发明中使用的参数和术语的示意模型；

图4是关于根据本发明的方法的流程图；

图5是用于根据本发明的协同中继网络的逻辑结构的示意性图示；

图6是关于根据本发明的方法的一个实施例的信令方案；

图7是关于根据本发明的方法的一个实施例的流程图；

图8是利用具有多个天线的中继站的本发明替代实施例的示意性图示；

图9是利用发射机和接收机间的直接传输的本发明替代实施例的示意性图示；

图10是根据本发明的、具有基于相干合并的协同中继的示范MAC的示意性图示；

图11示意地图示了控制消息格式的示例。

发明详述

现在将参考附图描述本发明的实施例。

图2中图示了根据本发明的无线网络结构或拓扑。该图示出了无线网络的一个小区205，包括基站210(BS)、多个中继站215(RS)以及多个移动站(MS)220-223。如图中所示，中继站215被装在例如柱子上，也可以被装在建筑物上。当可以安排视线条件时可能使用固定的中继，朝向基站的定向天线可被使用以提高SNR(信号噪声比)或者干扰抑制，并且固定的中继可能在发射功率方面不被严格限制，因为典型地可能使用电力供应网络。然而，诸如用户移动终端的移动中继也可以被用作固定中继的补充或者被独立使用。移动站221和222是移动中继的示例，即，也临时用作中继的移动站。移动站220正在与基站210进行活动通信。如箭头所示的信令基本上同时使用多个路径，其特征为两跳，即，经由中继站215或经由用作移动中继的一个移动站221、222。传输将经历来自例如相邻小区的干扰，并且干扰的影响将随着不同的路径变化。

应当指出，尽管使用了基于中继的通信来增强通信，但是仍然可以使用直接的BS到MS的通信。实际上，可能要求BS和MS之间的某些基本的低速率信令以用于建立支持中继的通信信道。例如，诸如寻呼的蜂窝系统功能可能不使用基于相干合并的中继，因为到MS信道的中继不是先验已知的，作为替代，优选地，在呼叫建立和类似的过程期间，使用直接的BS到MS的通信。

在图2中概述的网络可以看作先前讨论的“并行中继”的发展。在下面将进一步描述把先前报告的理论思路成比例地放大到现实无线网络中去所需要的、根据本发明的必要的装置和方法。

图2中概述的真实世界的蜂窝系统由图3中示出的系统模型模拟，这里焦点集中在具有任意数目K个中继站的单个发射机和接收机对。适于把基站210记为发射机210’，以及把移动站220记为接收机220’，但是不局限于此，例如，在另一种情形下，发射机和接收机可以分别是移动站和基站。发射机210’和接收机220’之间的通信可以被描述为包括主要部分：从发射机210’到中继站215：k的、被称为链路1的传输，以及从中继站215：k到接收机220’的、被称为链路2的传输。发射机210’(BS220)以功率P_BS进行发射。每个中继站215：k接收信号并且以总功率P_K再次发送，其中k∈{1，2，...，K}，并且K是中继站的总数。所有中继站215：k的总计发射功率记作P_RS。h_1，k是从基站210到中继站k 215：k的复路径增益，以及h_2，k是从中继站k到称作移动站的复路径增益，即，h_1，k和h_2，k表征各个信号路径。接收机220’(MS220)接收被记作C_r的总信号并且经历总噪声N_r。

典型地，在实际场景下，小区中的BS同时参与与多个移动站的通信。这可以通过考虑如根据图3模拟的每个通信来想象。为了清晰起见，在本申请中将仅考虑涉及一个BS、一个MS和多个中继站的通信会话。然而，本领域的技术人员很清楚，本发明的结构和方法/方案还可容易地被应用在基站和移动站间具有多个同时通信的情形中。

如本领域的技术人员所实现的，在根据以上模型的网络中，很多个参数需要被设置并且优选地被最优化以便充分利用由这样的网络提供的可能性及容量。如先前讨论的，这也就是现有技术系统显示它们的缺点之处，因为多中继系统由于它们被假设的复杂性而未被讨论。需要考虑并且优选地被最优化的参数包括，但不限于，基站210和在通信中应当使用的中继站的每个中继站215：k的发射功率以及如果使用相干合并的话，还有相位控制。控制并最优化该传输所需要的参数将被称作传输参数(TP)。优选的最优化包括，但不限于，最优化基站210和中继站215：k的发射功率以便获得在接收移动站处特定的SNR，该SNR反过来相应于一定的服务质量或容量，例如，关于不同实体的功耗以及在小区中和例如相邻小区中的干扰电平。

在根据本发明的结构和方法中，使用具有多个中继站的并行中继的网络的复杂性由与估计无线电信道和确定并最优化各传输参数有关的功能分布来操控。

在根据本发明的、执行利用协同中继的无线通信网络中的通信的方法中，发射机210’、接收机220’、以及至少一个中继站215参与通信会话。所述至少一个中继站215转发来自发射机210’和中继站215之间的第一链路的信号到中继站215和接收机220’之间的第二链路。中继站215利用相关传输参数以及任选地一个公共传输参数转发该信号。相关传输参数在每个中继站215中本地地并且基于第一链路、或第二链路、或第一和第二链路的组合被确定。优选地，公共传输参数例如在接收机220’中被集中确定并且分发给每个中继站215。替代地，公共传输参数是中继站先验已知的，例如是在安装时设置的固定参数或以某种维护规程更新的参数。

根据本发明的方法将参考图4的流程图和图5中图示的逻辑结构来描述。确定并可能最优化该传输参数的方法包括以下的主要步骤：

400：在链路1的k路径上发送导引信号；

410：基于在链路1上发送的、所接收到的导引信号来表征链路1的k无线电路径；

420：在链路2的k路径上发送导引信号；

430：基于在链路2上发送的、所接收到的导引信号来表征链路2的k无线电路径；

440：确定k个相关传输参数，每个中继站一个，其中相关参数是分别基于链路1和链路2的无线电路径表征中的一个或两个。替代地，如果同时考虑一种以上类型的传输参数，则k组相关传输参数(每个中继站一组)被确定，其中一组中的至少一个参数是分别基于链路1和链路2的无线电路径表征中的一个或两个。

450：任选地确定一个公共传输参数，或者一组公共传输参数。

470：利用相关传输参数和任选地公共传输参数用于链路2上的传输。替代地，利用每组相关传输参数中的相关参数和任选地该组公共参数的相应的公共参数来进行链路2上的传输。

“导引信号”和“发送导引信号”应当被解译为发送任何种类的信道估计码元。“问好消息”也可以被用于该目的。

应当指出，发送导引信号不必以上述次序进行并且也可能在链路1和2上同时进行。

由于存在两条链路，发射机到中继(第一链路)以及中继到接收机(第二链路)，从哪个(些)站发送以及哪个(些)站估计信道存在四种可能性。这四种可能性概括在表1中。其目的是图示可以采用本发明的几种不同的实施方法。

表1

假设在某站中已经执行信道表征，则谁来执行对已整理信息的处理，即，确定相关传输参数也是一个问题。基本上，有三种选择，发射机210’、接收机220’、或一组中继站RS215。因为是中继站必须执行链路2上的传输调整，因此这就是确定相关传输参数的优选地点。如果中继站发送导引信号，则信道表征的表示需要被报告回给中继。如果相反，中继站接收导引信号，则信道表征的表示不需要被报告给任何地方(相应于情形1)。在许多情况下，情形1是优选的替代方案，因为它最小化开销信令。然而，存在很多可能性并且本发明不限于此。

因此，相关传输参数优选地在每个中继站上以完全分布的方式被确定。然而，每个相关传输参数可能需要利用公共传输参数来调整(步骤460)。如将进一步讨论的，可以确定公共传输参数以及从其分发该参数的优选地点是接收机220’(MS220)。根据本发明的这种逻辑结构在图5中示意地图示。每个中继站215：k具有用于执行信道表征的装置216以及基于信道表征来确定相关传输参数(步骤410、430和440)的装置217、以及在第二链路上的转发中使用相关传输参数和公共传输参数的装置218。接收机220’具有用于执行对总的通信质量的估计的装置221以及用于确定公共传输参数的装置222。公共传输参数从接收机220’被分发给中继站215：k，优选地是作为到中继站215：k的直接广播或替代地例如经由发射机210’。中继站215：k接收公共传输参数并且结合它们的相关传输参数来适配它们在链路2上对链路1的信号的转发(步骤460)。逻辑上，这可以被描述为接收机220’和中继站215：k之间的控制回路。典型地，在接收机220’和发射机210’之间存在另一个控制回路，以调节发射机的传输参数，诸如输出功率、调制模式等等。因此，本发明的一个优选实施例包括两个逻辑控制回路：用于为中继站提供公共传输参数的、在接收机220’和中继站215：k之间的第一控制回路505，以及用于从接收机220’反馈传输信息给发射机210’的第二控制回路510。

给定以上考虑，图6的信令方案图示的本发明方法的一个优选实施例可以包括以下步骤：

600：在链路1的k路径上，从发射机210’发送导引信号到中继站215：k；

610：每个中继站215：k估计链路1的k信道，h_1，k；

620：在链路2的k路径上，从接收机220’发送导引信号到中继站215：k；

630：每个中继站215：k估计链路2的k信道，h_2，k；

640：每个中继站215：k确定一个或一组相关传输参数，其中相关参数是基于用于表征每个路径的信道估计h_1，k，h_2，k中的一个或两个。

650：接收机220’例如基于接收机经历的总的通信质量来确定一个公共传输参数，或一组公共传输参数。该确定典型地是基于对先前传输的测量。如果先前传输不存在，即，在通信会话的初始传输中，则可以使用公共传输参数的缺省初始值，或者替代地公共传输参数的确定基于其它信息，例如定位信息。

660：接收机220’把公共传输参数广播给中继站215：k；

670：每个中继站215：k使用它的相关传输参数和公共传输参数来调整链路2上的后续传输。

675：接收机220’反馈控制信息给发射机210’。

步骤600-675对于每个会话至少执行一次，并且优选地更频繁，以适应变化的信道。步骤600-675可以以高达基站210和移动站220间的通信会话的每帧一次的速率被执行。

在从中继站215到接收机220’的任意初始传输，例如步骤620中的导引信号的初始传输中使用的功率优选的应当被限制到例如某个功率，该功率将在接收机处给出一个特定的SNR，其对应于只有该中继站发射的情况。

由接收机220’用来确定公共传输参数的通信质量(步骤650)可以是例如有关信号、噪声、误比特率以及误分组率的量度。

使用表征每个路径的信道估计h_1，k、h_2，k来确定相关传输参数是在相干合并情形下的优选选择。替代地，如果对于所采用的传输/分集技术，诸如Almouti分集更合适，则可以使用第一和第二链路的其它表征，例如路径增益。

涉及公共传输参数的步骤650-670相应于第一控制回路，而步骤675相应于第二控制回路。对更新传输参数的需要将取决于涉及移动站220的移动以及无线电环境中的变化率的因素，而且也取决于所选择的传输技术。例如，相干合并典型地由于相关相位的快速变化，而需要频繁的复信道更新。用于提供快速且可靠的控制机制的方法是本领域已知的，例如，在举例而言，诸如WCDMA的现有无线系统中的功率控制。

正如通过研究上述本发明的实施例可以理解的，从发射机到接收机的数据传输所需要的协议开销量不会随着中继站的个数增加而增加，至少不会显著地增加。功能性和有效控制回路的分布使得按比例放大协同中继网络成为可能，以至于它们能够被用于现实场景中。

功能性的分布使得有可能充分利用具有包括很多个中继站的协同中继的网络的预期优点。在本发明用于相干合并设置中的情况下，方向性增益和分集增益随着中继站的个数增加而增加。方向性增益本身提供可被用于范围扩大和/或数据速率增加的提高的SNR。分集增益提高了通信的鲁棒性，以提供随时间过去而更一致的通信质量。虽然方向性和分集增益能够由多种常规的高级天线解决方案提供，其中天线被放置在发射机或接收机处，但是所提出的解决方案通常不限于在基站或移动终端中可见的物理空间约束。因此，实际上存在使用比在基站或移动站处的天线数量个数更多的中继的可能，并且因此提供甚至更高的方向性和分集增益。

多跳技术的固有优点是“绕开”遮掩物体的能力，该优点可能被本发明利用。例如，在蜂窝系统中，一条从建筑物向下到地面的路径的衍射损耗常常是约30dB。

以下描述的是本发明的方法和结构的不同实施例，适用于发射功率、相位和中继站激活的控制和最优化。

为了实施以上描述的中继站、基站和移动站之间的功能性分布，需要用于相关传输参数和公共传输参数交互的模型。分析方法在下面概述，而完整的分析在“详细推导”部分中给出。每个中继站k以由下式定义的总功率发射，

$P_k=\frac{P_{\mathrm{RS}}\·{\left|a_k\right|}^2}{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a_k\right|}^2}---\left(1\right)$

其中P_RS是所有中继站的总计发射功率，a_k是中继站k∈{1，2，...，K}的未归一化的复增益因子，以及K是中继站的总个数。

在“详细推导”中示出：如果

$\left|a_k\right|=\frac{\sqrt{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}}\·\sqrt{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}}\·\sqrt{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}+1}}{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}+{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}+1}---\left(2\right)$

并且如果

arg{a_k}＝-arg{h_1，k}-arg{h_2，k}          (3)

则获得最大的接收机SNR(假设在每个中继中接收的包括噪声的信号被归一化为单位功率)，其中

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}=\frac{{\left|h_{1,k}\right|}^2{P}_{\mathrm{BS}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{RS},k}^2},$

并且

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}=\frac{{\left|h_{2,k}\right|}^2{P}_{\mathrm{RS}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{MS}}^2},$

以及P_BS是基站的发射功率，σ_RS，k ²是在任何中继站处的噪声加干扰电平，σ_MS ²是移动站处的噪声加干扰电平，h_1，k是从基站到中继站k的复路径增益，以及最后h_2，k是从中继站k到移动站的复路径增益。

将以上表达式合并，可以示出(参见详细推导)接收信号y_k(包括噪声)的中继站k将发射以下信号

$z_k=y_k\·\frac{1}{\sqrt{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a_k\right|}^2}}\·\frac{\sqrt{P_{\mathrm{RS}}\·{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}\·{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{RS},k}\·({\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}+{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}+1)}\·e^{-j(\arg \left(h_{1,k}\right)+\arg \left(h_{2,k}\right))}---\left(4\right)$

∑|a_k|²项用作功率归一化因子，可以记作

并且发现它不能由每个中继单独确定。相反，这里提示必须在某一其它合适的站处被确定并分发给中继。

相应于公共传输参数，并且

相应于中继站k的相关传输参数。在总的中继发射功率约束条件下，最大可得的接收机SNR可以被确定为：

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{Eff}}^{\left(\max \right)}=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}\·{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}}{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}+{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}+1}---\left(5\right)$

更靠近地观察，应当指出，每个个体的中继对Γ_Eff ^(max)的SNR贡献相当于如果每个中继站以它们的所有中继发射功率P_RS发射的情况。

此外，还给出了“分析表达式的推导”，即用于再生和非再生相干合并的组合的表达式。当研究再生和非再生相干合并时，一个有趣的观察是：再生方法通常次于非再生情况，因为再生中继必需被约束到发射机周围的区域并且不能以最佳方式来使用所有可用的中继。换句话说，即使信号可能不被译码，它仍然可能在使用相干合并时作贡献。在任何情况下，非再生和再生方案的组合将比仅仅考虑非再生方法的情况稍好一些地执行。下面讨论的用于功率和相位控制的机制是独立的，以及对是否使用再生中继都是通用的。

相位控制

作为第一实施示例，根据本发明的逻辑结构和方法适于简化相干合并的使用。相干合并的一个先决条件是信号在接收机处是相位对齐的。这通过补偿从发射机210’到中继站215的复相位以及从中继站215到接收机220’的复相位而被使能。实际上，在每个中继站中，接收的信号y_k被乘以相位因子其中

arg{a_k}＝-arg{h_1，k}-arg{h_2，k}

因此，在每个个体的中继站上，显式或隐式的信道相位信息必须可用。基本上有两种基本方案可用于得到相位信息，一种基于闭环控制而一种基于开环控制。当不能利用信道互易(channel reciprocity)时，诸如在(被在单个链路上使用的)FDD中，或者当需要较高的控制精度时，需要使用闭环控制。相反，开环控制方案使用信道互易，例如，这由具有在信道相干时间内操作的信道探测的(被在单个链路上使用的)TDD使能。由于站的发射/接收链的不对称，开环控制通常不如闭环控制准确。这种差异归结到投入硬件设计的工作中，并且总是能够通过改进的设计来补偿。同样，合并偶尔的闭环控制循环可以补偿静态开环误差。然而，在本发明中，相位误差原则上可以高达±90度，并且仍然与其它中继的信号相干地(但不是非常有效地)合并。因此，绝对的相位精度不是必须的，但当然是优选的。闭环控制方案通常依赖于显式信令，报告测量的结果并因此消耗更多的通信资源且招致相对开环方案的等待时间。应当指出，这种关于TDD对FDD的讨论考虑在某一时间在单个链路上，例如中继站到接收机链路的双工技术，而它也可能基于时间和频率划分来表征网络中的总的通信。例如，链路一和链路二可能共用一个频带或使用不同的频带。然而从本发明的观点看，可以使用双工和多址方案的任意组合，只要信道相位信息可以被确定并被用于在中继站中的相位补偿即可。

与闭环和开环控制紧密相连的是这样一个问题：哪个站发送导引信号，该问题先前已经参考表1讨论过。因为必须执行相位调整的是中继站，因此这是确定arg{a_k}的自然地点。如果中继站发送导引信号，则相位(或信道)参数需要被报告回给该中继。这相应于闭环情形。如果相反，中继站接收导引信号，则相位(或信道)参数不需要被报告给任何地方。这相应于开环情形。很明显，依赖于相位(即，信道)信息需要在控制分组中被发送出去还是可以被保留在同一个站中，这对无线电资源效率、功耗以及实施复杂性都有影响。在任何情形中，如上面看到的，存在无数可能性并且我们选择最有希望的。双工和多址的优选组合将进一步讨论。然而，如本领域的技术人员所理解的，存在非常多的可能性并且本发明不限于以下示例的。

情形1(参见表1)是开环类型并且适于具有“足够的”相干时间的TDD，它提供最低的信令复杂性，因为只需要两个传输并且处理被分布在所有的中继站上。这里，发射机以及预定的接收机常常或者在任何需要时都发出信道估计码元，以便于每个中继可以跟踪两个(复)信道。中继站随后估计确定相位因子a_k的信道相位。

功率控制

除了相位控制之外，对于资源有效通信的第二重要方面是功率控制，因为它提供手段来确保令人满意的通信质量。根据本发明的逻辑结构和方法容易适配来用于有效的功率控制。功率控制方法是基于：接收机处的有效SNR被向一个目标SNRΓ₀控制，该目标SNR表示期望的链路质量。目标SNR当然可能随着时间变化，这依赖于链路模式或QoS要求随着时间怎样变化。根据按照本发明的逻辑结构和方法，功率可以在发射机以及在每个中继上单独地调整。中继功率控制具有公共的以及各自的中继组成部分。在最小化总计功率的目的中，是致力于解决多址干扰最小化以及最小化中继功耗的问题。然而，当MS用作发射机时，功率控制也可以被用作显著最小化MS的功耗和辐射功率的方法，除了别的优点以外，这种优点延长了MS的电池寿命。

在最高级别上，功率控制问题可以被定义为：

找到{P_BS，P_k}，

以便

这优选地在某些约束下实现，例如P_RS＝∑P_k的最小化以及有固定的P_BS，但是也可能考虑其它约束，例如总的发射功率P_RS+P_BS的最小化或者考虑中继引起的干扰发生的定位。接下来，我们假设在有P_BS的固定(或相对较慢的)适配的情况下P_RS＝∑P_k的最小化。这在下行链路中是一个合理的设计目标，但是对于上行链路，最小化发射功率可能是更令人感兴趣的。然而，如果中继是移动的，并且依赖于电池功率，则中继和发射机的功率之和可以被最小化。

这是功率控制的基本功能。从实际观点看，在协同中继网络中控制功率的总体任务通常，并且特别地在有相干合并的情况下，是为了利用所使用的功率P_BS和P_k的先验知识并且更新那些参数以满足期望的通信质量。

功率控制的许多特质都是和相位控制共享的，因为链路的增益可以以几种方式来估计，这取决于闭/开环、TDD/FDD、控制方面的分布。因此，这里还可以想象替代实施例的范围。接下来，类似于相位控制讨论，假设发射机和接收机发送信道估计信号并且可以假设信道增益互易，但是本发明不限于此。

这里提出的功率控制具有用于每个中继站的分发成分：相关传输参数，以及为所有中继公用的成分：公共传输参数。该方案操作如下：通过信道估计，并且利用被用于发送导引信号的功率的知识，每个中继站可以确定它自己的朝向发射机和接收机的各自的路径增益，而且同时可以估计干扰和噪声电平。基于路径增益测量，以及关于P_RS和σ_MS ²的信息，有可能确定Γ_MS，k。还有可能基于路径增益、在干扰估计和P_BS已知情况下的噪声、或者是仅仅对任何接收信号的直接SNR测量，而能够确定在中继站处的SNR Γ_RS，k。基于这点，在每个中继站可以以完全分布的方式确定相关发射功率电平。然而，每个相关发射功率电平需要除以归一化因子以确保总计的发射功率是一样的，或者至少接近于总计的发射功率P_RS。这是公共的功率控制部分。如果太小，则发送比最优功率更大的功率P_RS，并且因此对于投入的发射功率存在更佳的相关功率分配。当

太大时这同样有效。因此，对于最佳资源投资，控制使得想要的功率P_RS为中继的总计发射功率电平是至关紧要的。注意，从性能观点来看，如果稍微有些小并不是很大的问题，因为由于减小了接收机内部噪声的相对影响，所以那只是提高了有效的SNR。

现在参考图5中图示的逻辑结构，作为公共传输参数，归一化因子优选地被确定并从接收机被分发。这应当被看作一个逻辑结构，因为也有可能转发所有的控制信息给发射机，然后发射机把它重新分发给例如中继站。接收机220’和中继站215：k之间的第一控制回路505向中继站提供P_RS，而从接收机220’到发射机210’的第二控制回路510向发射机提供P_BS。任选地，如果发射机对整个无线电系统有较好的了解，该无线电系统包括许多组协同TX-RS-RX链路，类似于蜂窝系统中主干网连接的基站将具有的情况，则它可以并入争取最优化整个系统的附加方面。

现在给出在接收机处实施控制回路的一种方法，这样假设P_BS是固定的(或缓慢控制的)。接收机从在记作n的时刻发生的传输来测量感兴趣的相干合并信号的功率C_r、在接收机处测量的中继引起的噪声N_r以及接收机中的内部噪声N_i。基于这个，并且以Γ₀为条件，接收机确定P_RS ⁽ⁿ⁺¹⁾以及归一化因子的更新，

这可以写作通过目标函数f的映射：

以便于

接收机然后将所述更新P_RS ⁽ⁿ⁺¹⁾和通过多播控制消息分发给所有中继。为了图示该思路，假设P_RS从先前的传输开始被保持固定，但是归一化因子可以变化。在“详细推导”部分示出，最佳归一化需要根据下式、在接收的信号C_r和总的接收噪声、干扰以及接收机内部噪声N_r+N_i之间的平衡：

C_r＝(N_r+N_i)²                (7)

因此，通过包括接收机已知的先前的归一化因子

以及更新需要的来平衡该方程，关系变成：

通过求解简单的二阶方程可以产生

如果P_RS和都需要更新，则上面的平衡方程、用于接收机SNRΓ的关系可以与测量的信号电平一起被使用并用于求解P_RS和诸如泰勒展开和差分的线性化技术可以优选地被用于该目的，并且求解ΔP_RS以及

应当指出，对于第一传输，归一化因子不被先验给出。可以采取不同的策略来快速适配功率。例如，发射功率上限最初可以由每个中继确定，因为它们可能知道Γ₀并且也能够确定它们的(相干合并)SNR贡献。如果对于某个因素，每个中继较好地保持在这个上限以下，则功率可以通过控制回路接连地斜升，因此正在进行的通信不会突然地受到干扰。对于其它通信站，这允许控制回路以分布的且可控的方式来适配新的干扰源。

还要指出，即使在任何中继中出现发射功率限制，功率控制回路也能确保SNR在所有条件下被最大化。

确定归一化因子的另一种可能更精确的方法是在每个中继中确定|a_k|项，然后把它发送给接收机，在那里计算∑|a_k|²，并且因此得到归一化因子然后被分发给所有的中继，类似于先前的实施倒。应当指出，信令量可以被减小并且通过只采样所有中继的子集，即，某些最重要的中继而被保持在可以接受的级别上，以产生对∑|a_k|²项的足够好的估计。这进一步是根据由于本发明中的大的分集增益特性，因此∑|a_k|²项在短时间内通常不会有太大变化，即使是在衰落信道中。

尽管在相干合并的环境中描述了功率控制，但是该框架也适用于在其它类型的中继协作方案中的功率控制，诸如各种中继引起的发射分集，例如Alamouti分集。框架是类似的，因为功率控制考虑发射功率、各个中继功率和总计的中继功率的组合。中继引起的发射分集的另一个示例是(循环/线性)延时分集。每个中继在中继的信号上加上随机的或受控制的线性(或循环)延时，并且因此导致人为的频率选择性。延时分集是来自基于CDMA和OFDM的通信的一种公知的发射分集。

为了概括本部分，本发明建议使用功率控制作为一种概念来确保对于在实际信道中基于相干合并的协同中继的性能最优化，并且特别是在总计的中继发射功率约束下，优化信号噪声比。这个功率控制概念不限于基于相干合并的协同中继网络，其它面向协同中继的网络也可以使用相同的概念，尽管那样的话，是用最适合于所用方案的优化目标。此外，还建议了对基于链路一和链路二上的信道探测和增益参数的估计的协议的基本特性。另外还基于低复杂性、低信令开销和低总功耗概述了对协议设计(与相位控制有通用性)的一个合理的设计选择。特别地，示出可以使用包括中继和发射机功率控制的功率控制回路的组合。最后，示范了用于中继的控制回路可以根据每个中继中的分布式功率控制判决以及公共的功率控制部分来建立，在那里整组中继被联合控制。

为组合的有效功率控制和相位控制使用本发明的方法和结构的实施例的主要步骤在图7的流程图中图示。该方法包括步骤：

700：在链路1的k路径上，从发射机210’发送导引信号到中继站215：k；

710：每个中继站215：k估计链路1的k信道h_1，k；为了计算Γ_RS，k还估计干扰和噪声电平。

720：在链路2的k路径上，从接收机220’发送导引信号到中继站215：k；

730：每个中继站215：k从链路2的k信道中估计它自己的信道，h_2，k；

740：每个中继站215：k基于信道估计来确定相关传输参数。

750：接收机220’确定归一化因子

760：接收机220’将归一化因子P_RS和σ_RS ²广播给中继站215：k。

770：每个中继站215：k一接收到信号y_k就利用广播的

P_RS，和本地确定的Γ_MS，k和Γ_RS，k、以及信道估计h_1，k、h_2，k的相位来发送以下信号：

其中参数Γ_RS，k基于信道估计P_BS和σ_RS ²被计算，并且Γ_MS，k基于P_RS和σ_MS ²被计算。

如果考虑到接收机的第一传输，(则功率回路不清楚即将来临的链路质量)，以示例方式，中继可以修改并设置接收的归一化因子

的上限使得其中c≤1是从接收机被发送或者先验已知的。

775：接收机220’反馈控制信息给发射机210’(P_BS)

在步骤760中示出的第一控制回路还包括子步骤：

760：1接收机在时刻n测量接收信号的质量，或者更具体地测量相干合并信号的功率C_r、在接收机处测量的中继所引起的噪声N_r、以及接收机中的内部噪声N_i。

760：2接收机基于步骤775：1的测量，并且以期望的Γ₀目标为条件，确定至少一个归一化因子

和总计的中继功率P_RS ⁽ⁿ⁺¹⁾的更新。

760：3接收机通过多播控制消息分发所述更新P_RS ⁽ⁿ⁺¹⁾和给所有中继。

类似地，在步骤775中示出的第二控制回路可以任选地包括：

775：1接收机更新发射机(BS)功率P_BS ⁽ⁿ⁺¹⁾。

对于任意的协同中继方案，中继节点参数的控制通常可以由根据至少第一链路特征以及第二链路特征的目标函数f₁，即，f₁(Γ_RS，k，Γ_MS，k)来描述。

中继站激活控制

本发明的方法和结构可以有利地被用于决定在通信建立时或者在通信会话期间哪个中继站215：k包括在通信中。由于一些中继在任一链路(发射机到中继和中继到接收机)或两条链路上遇到较差的SNR条件，所以它们可能对于总的SNR提高起不了多少作用。然而，这些中继可能由于接收机、发射机和信号处理功能而仍然耗费大量的功率。让一些控制装置把中继干扰生成定位在较少几个中继上可能也是让人感兴趣的。这样，使用某些中继站可能因此被看作是浪费。因此，一种期望的功能是基于预定的准则来激活中继。这样的准则可以是在任一条链路上、两条链路上可接受的SNR的或者是对有效SNR的贡献的预置下限。该限制也是可适配的并可被某种实体控制，优选地该实体是接收站，因为它具有关于瞬时有效SNR的信息。因此中继可以从接收机，例如与功率控制信息和信道估计码元一起来接收中继激活SNR阈值Γ_Active，预期的SNR贡献被与该阈值相比较，并且如果超出了该阈值，则允许传输，否则不允许。中继激活SNR阈值Γ_Active相应于公共传输参数，优选地由接收机220’确定并分发给中继站215。其中每个中继站使用本地参数(相应于相关传输参数)的实际判决过程以本发明的方法和结构提供的方式分发给中继站。这个测试优选地在传输之前在每个中继站中执行，可以例如被用公式表示为：

但是也可以使用其它条件，这取决于包括替代中继分集技术的中继方法。例如，中继激活条件可以更一般地被描述为根据f₂(Γ_RS，k，Γ_MS，k)的目标函数f₂。

此外，包含Γ_Active的广播消息还可以包括多个字段，这些字段可以被用于(通过指配的中继地址)精确定点应当包括的、或只允许使周的、或必须排除在外的或者其中的任何组合的特定中继。寻址特定中继的其它方法可以例如是基于地址范围。这使得人们可以如期望的去限制所涉及的中继个数。

从以上讨论和表达式(9)中，可以指出，一遇到例如由于MS的移动导致的变差的SNR，接收机220’就可以选择要求增加的传输功率和/或通过降低阈值Γ_Active来包括更多的中继站215。其它的通信质量条件，诸如误分组率或误比特率，也可以由接收机用于触发公共参数的改变，诸如所有中继功率的联合发射功率的缩放。

中继激活控制可以通过修改步骤750-770而并入参考图7描述的功率和相位控制算法，使得：

在750中：接收机220’还确定激活SNR阈值Γ_Active

在760中：接收机220’还广播Γ_Active给中继站215：k。

在770中：每个中继站215：k首先例如根据表达式(9)来确定是否利用激活SNR阈值Γ_Active广播。

根据本发明的系统不限于有关实际位置以及中继站和发射机/接收机之间的距离的特定配置。相反，例如由本发明提供的中继激活在应付不同的以及变化的无线电环境中提供了极大的灵活性。然而，传输技术和地理配置的特定组合尤其有利。例如可以显示出：使用根据本发明的相干合并系统，则把中继放置在发射机和接收机之间而不是仅仅放在发射机/接收机旁边(在吞吐量/或等价地SNR方面)通常更好。

根据本发明的方法和结构可以适应于除以上示范之外的其它拓扑。图5中的拓扑可以例如被修改成在每个中继站中包括多个天线，如图8中所示的。这样做的好处在于可以减小中继站的个数而同时仍然得到相似的总的天线方向性增益。如果每个天线单元被超过相干距离地隔开，则也提供分集增益。总的说来，这能够降低成本，同时提供几乎相同的性能。然而，减小中继的个数会由于遮蔽效应(即，对数正态衰落)而可能具有不利的影响，并且必须小心应用。从信号、处理以及协议的观点看，每个天线可以被看作独立的中继站。然而，该方法的另一个好处是可以共享内部和其它资源。此外，中继可以潜在地在天线中被内部协调，由此减轻对非预定的接收机的干扰产生。

通信质量还可以通过并入从发射机210’到接收机220’的直接信号而被进一步提高。存在至少两种可能的主要方法来并入来自发射机的信号。图9描述了当同时考虑来自发射机的直接传输时的拓扑。

在第一方法中，需要两个通信阶段。接收机将在第一阶段中从发射机直接接收的信号与来自第二阶段的中继传输组合在一起。这有些类似于在典型中继信道中基于接收机的组合，但是带有基于相干合并的中继。可以利用最大比或干扰抑制组合。

在第二方法中，面向发射中继的相干合并只使用一个通信阶段，并且该阶段被用于将从发射机到接收机的直接信号与中继信号相干合并。如果中继可以例如通过独立的天线同时发送和接收，则这可以变为可能。于是a_k的相位必须确保中继的信号与直接信号对齐为：

arg{a_k}＝-arg{h_1，k}-arg{h_2，k}-arg{h_BS，MS}+c₁，

其中h_BS，MS是从基站到移动站的复信道。结合直接信号用于相干合并的一个结果是中继必须自适应地调整它们相对于直接信号的相位。闭环可被用于此。类似于归一化因子功率控制，接收机发送相位控制消息给整个中继站群，但是带有相位差θ以便从计算的相位补偿(-arg{h_1，k}-arg{h_2，k})中减去。

由于基站不会通过它的传输引入噪声，因此它的发射功率不需要像中继所需要的那样为最佳性能而进行调整。相反，随增加的基站发射功率，性能单调地提高。然而一种选项是试图最小化总的发射功率、总计的中继功率和基站功率。对此的参数设置类似于在关于再生中继的讨论中推导的参数设置，假设基站被认作为中继的话。除了上述内容之外，在发射机处也可以使用多个天线单元，类似于对具有多个天线的中继的讨论。

相关和公共传输参数的推导也可通过独立地处理每个副载波而直接应用于多载波传输，例如OFDM。因此这将包括每副载波的公共振幅归一化、相位以及分布的中继振幅补偿。为了实现这点，采用通过FFT-处理-IFFT的路径，或者可能通过时域滤波。功率控制可以以矢量形式发送归一化因子和中继功率表示P_RS，以优化每副载波的性能。一种更实际的解决方案是作用于所有的副载波，以标量发送和P_RS。倘若副载波最优化，则功率控制可以设法最小化在所有副载波上的总的发射功率以满足期望的通信质量。于是这便提供了在频域的某一分集增益。

另一个OFDM方面是：对于上述面向发射中继的相干合并，它是优选的选择。理由是循环前缀允许某短的中继转发等待时间，而相位和振幅通过一个使能立即传输的时域滤波而被修改。

对于单载波传输，例如CDMA，以及对于频率选择性信道，可以利用类似于OFDM的频域操作，或者任选地可以在最强健的信号路径上执行相位对齐，或者利用如对于OFDM讨论的时域滤波。

为了让相干合并起作用，将中继站频率同步到公共源是重要的。在蜂窝系统中，BS是一个自然的源，因为在基站处的时钟精度通常好于在任何移动站中的时钟精度。这种功能可以利用如在常规的OFDM接收机实现中执行的、减轻了信道间干扰的常规频率偏移补偿。

然而，中继可能任选地在GPS可用的情况下为频率同步去采用GPS。

下面，基于假设中继执行基于相干合并的协同中继所需要的所有信道估计而给出本发明的示范协议实施例。该方案基于开环相位控制(在例如TDD中意味着互易信道)以及闭环功率控制。应当指出，只讨论了从接收机220’到中继站215的控制信令，而没有明确地考虑接收机到发射机控制。然而，应当理解，接收机可以将控制信息作为单个的控制消息或者作为中继控制消息的一部分发送给发射机。

图10示出了中继为两条链路执行信道估计以及接收从以前的通信中导出的功率控制信息。在本示例中考虑帧n：

a)中继站接收基于先前传输的信道估计码元1005和控制信息1010；

b)发射机发送信道估计码元1015和数据1020给中继站；

c)中继站调整接收到的数据信号的相位和振幅并同时把它(数据1025)转发给接收机，任选地包括信道估计码元1030。

(在某些限制下)消息的次序可以被改变，但是方案的操作将仍旧相同。例如，发射机可以首先发送信道估计码元和数据给中继，然后接收机发送信道估计码元和控制信息给中继。随后，中继调整接收到的数据信号的相位和振幅并同时把它转发给接收机。

应当指出，持续时间并不是按比例指示的并且信道估计码元可以任选地不在第二链路上使用。

在图11中示意地图示的、适于在根据本发明的方法中使用的控制信息的控制消息优选地一般被构建成能够控制、支持以及被扩展到各种中继概念的范围，诸如基于Alamouti的分集、循环延时分集以及相干合并等等。然而这里的焦点在于本发明中明确给出的功能和概念。控制消息的第一字段1100是中继概念字段1110，它在子字段中继模式1111中声明使用的中继概念类型。利用该信息，中继可以依赖于环境而改变操作模式。假设使用相干合并或类似的合并，则下一字段，即功率控制字段1120与子字段一起表示中继功率P_RS1121、在移动站处的噪声加干扰电平σ_MS ²1122、归一化因子

1123以及功率初始化参数1124。可使用的功率初始化参数是最初期望的接收功率级别，例如以Γ₀为目标。当控制回路动作时，该字段可以被设置以指示它不应被使用。

下一字段与中继激活控制1130有关。这里，有可能在子字段中设置最小需要的SNR贡献级别Γ_Active1131、以及规定应当是活动的一组中继站ID 1132。

如果期望一个为所有中继站所共有的相位偏移的话，则可以使用最后一个字段，即相位控制字段1140，该字段带有一个规定偏移θ的子字段1141。如果期望将中继信号与来自发射机的直接信号相位对齐的话，这是有用的，这里假设中继直接转发接收到的信号。

如果需要的话，可以通过使用并扩展控制消息结构来添加更多功能或者可以补充每种功能的细节并且使用任何保留的字段。保留的字段1150、1112、1125、1133以及1142优选地在控制消息的每一级上。除了这点以外，控制消息(或任选地一个独立的字段或消息)还可以包含为接收机使用的发射功率，因此可以确定中继到接收机的增益。

尽管本发明已经结合目前被认为是最实用的以及优选的实施例来描述，但是应当理解，本发明不限于公开的实施例，相反，它意图覆盖包括在从属权利要求的精神和范围内的各种修改和等价安排。

详细推导

在分析中，我们假设有K个任意定位的中继站。每个中继站k∈{1，2，...，K}接收一个信号，该信号根据下式由例如建模为复高斯x～N(0，1)的期望信号的衰减版本及噪声加干扰项n_RS，k组成：

$y_k=h_{1,k}\·\sqrt{P_{\mathrm{BS}}}\·x+n_{\mathrm{RS},k}$

其中h_1，k是从基站到中继站k的复路径增益，以及P_BS是基站的发射功率。

在中继中，y_k(为了在分析上易处理)被归一化为单位功率，并且乘以复因子以产生输出z_k。随后，z_k在链路2上被发向接收机并且在其路途中以复路径增益h_2，k被衰减，这里它与来自其它中继的信号叠加并且被加上噪声和干扰。

由于假设每个中继在放大和调整相位之前将接收的功率加噪声归一化到单位功率，所以可以通过让每个站k使用以下发射功率来在分析中并入中继发射功率约束。

$P_k=\frac{P_{\mathrm{RS}}\·{\left|a_k\right|}^2}{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a_k\right|}^2}$

其中P_RS是所有中继站的总发射功率，以及a_k是中继站k的未归一化的复增益因子。

对于限制总计功率的中继传输，接收机(这里假设为移动站MS)处的SNR则可以写成：

$\mathrm{\Γ}=\frac{{|\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\sqrt{P_{\mathrm{RS}}}\·a_k}{\sqrt{\underset{q=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a_q\right|}^2}}\·\frac{h_{1,k}\·\sqrt{P_{\mathrm{BS}}}}{\sqrt{{\left|h_{1,k}\right|}^2{P}_{\mathrm{BS}}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{RS},k}^2}}\·h_{2,k}|}^2}{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\frac{P_{\mathrm{RS}}{\left|a_k\right|}^2}{\underset{q=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a_q\right|}^2}\·\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{RS},k}^2}{{\left|h_{1,k}\right|}^2{P}_{\mathrm{BS}}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{RS},k}^2}\·{\left|h_{2,k}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{MS}}^2}$

其中σ_MS ²是移动站处的噪声加干扰电平。

相干合并的一个条件是信号的相位对齐，这可以通过确保arg{a_k}＝-arg{h_1，k}-arg{h_2，k}+c₁

来达到，其中c₁是任意常数。

对于由相干合并产生的有效SNR的表达式则可以被重新写成：

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{Eff}}=\frac{{\left|\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\right|a_k|\·\frac{\sqrt{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}}\·\sqrt{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}}}{\sqrt{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}+1}}|}^2}{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a_k\right|}^2\·\frac{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}+{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}+1}{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}+1}}$

其中

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}=\frac{{\left|h_{1,k}\right|}^2{P}_{\mathrm{BS}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{RS},k}^2}$

以及

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}=\frac{{\left|h_{2,k}\right|}^2{P}_{\mathrm{RS}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{MS},k}^2}$

应当指出，Γ_MS，k是在这种意义上的“虚SNR”，即，如果中继站k本身使用所有的总计中继站发射功率，则它就是SNR。

应当注意，SNR表达式具有以下形式

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{Eff}}=\frac{{\left|\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\right|a_k|\·c_{1,k}|}^2}{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a_k\right|}^2\·c_{2,k}}$

它可以通过使用

|b_k|²＝|a_k|²·c_2，k

来转换，得到

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{Eff}}=\frac{{\left|\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\right|b_k|\·\frac{c_{1,k}}{\sqrt{c_{2,k}}}|}^2}{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|b_k\right|}^2}$

现在，分子由柯西-许瓦尔兹不等式给出上限

${\left|\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\right|b_k|\·\frac{c_{1,k}}{\sqrt{c_{2,k}}}|}^2\≤\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|b_k\right|}^2\·\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\frac{c_{1,k}}{\sqrt{c_{2,k}}}\right|}^2$

因此对于最佳的b_k，可以得到等式，并且得到的SNR则是

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{Eff}}^{\left(\max \right)}=\frac{{\left|\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\right|b_k|\·\frac{c_{1,k}}{\sqrt{c_{2,k}}}|}^2}{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|b_k\right|}^2}=\frac{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|b_k\right|}^2\·\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\frac{c_{1,k}}{\sqrt{c_{2,k}}}\right|}^2}{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|b_k\right|}^2}$

这可以方便地以SNR表示为：

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{Eff}}^{\left(\max \right)}=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}\·{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}}{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}+{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}+1}$

通过证明，可以看到如果

$\left|b_k\right|=\mathrm{Const}\·\frac{c_{1,k}}{\sqrt{c_{2,k}}}$

则可以得到最大的SNR，其中Const是任意常数，为了方便可以被设置为1。

从功率控制的观点看，有趣的是注意到：对于最优SNR，该分子恰好是分母的平方。因此该知识可以被用作功率控制目的。

利用反变换，人们得到：

$\left|a_k\right|=\frac{c_{1,k}}{c_{2,k}}$

或者以SNR表示成

$\left|a_k\right|=\frac{\sqrt{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}}\·\sqrt{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}}\·\sqrt{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}+1}}{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}+{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}+1}$

因此一个接收信号y_k的中继可以通过确定下式来确定z_k：

$z_k=\frac{\sqrt{P_{\mathrm{RS}}}}{\sqrt{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a_k\right|}^2}}\·\frac{e^{-j\·(\arg \left(h_{1,k}\right)+\arg \left(h_{2,k}\right))}\·\sqrt{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}}\sqrt{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}}\sqrt{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}+1}}{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}+{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}+1}\·\frac{y_k}{\sqrt{{\left|h_{1,k}\right|}^2{P}_{\mathrm{BS}}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{RS},k}^2}}$

$=y_k\·\frac{1}{\sqrt{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a_k\right|}^2}}\·\frac{\sqrt{P_{\mathrm{RS}}\·{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}\·{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{RS},k}\·({\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{RS},k}+{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{MS},k}+1)}\·e^{-j\·(\arg \left(h_{1,k}\right)+\arg \left(h_{2,k}\right))}$

再生中继扩充

如果在中继站上的SNR足够高，则在对信号进行中继之前可以译码接收的信号。为了对该行为建模，假设大于最小SNR的Γ_Decode足够用于译码。这样做的好处在于可以一并避免转发有害的噪声(以及干扰)，并且因此导致在接收机上进一步增强的SNR。然而，在这种情况下，译码的信号应当被仅仅对第二跳进行相位补偿，即：

arg{a_k}＝-arg{h_2，k}

通过在前面的表达式中设置那些站的我们可以推导出乘法因子|a_k|的大小以及对SNR改善的贡献。无噪声(再生的)以及有噪声的(非再生的)传输的组合则采取以下形式：

并且

以及

应当指出，Γ_RS，k＜Γ_Decode只是对一个评估混合的非再生和再生中继场景中的性能有用的模型。实际上，上面的表达式，即，相应于Γ_RS，k＜Γ_Decode，在信号不以非再生方式转发时使用，而下面的表达式，即，相应于Γ_RS，k＞Γ_Decode，在信号不以再生方式转发时使用。

参考文献

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Claims (26)

1.一种在使用协同中继的无线通信网络中执行通信的方法，其中一个发射机(210’)、一个接收机(220’)以及至少一个中继站(215)参与通信会话，并且所述至少一个中继站(215)转发来自所述发射机(210’)和所述中继站(215)之间的第一链路的信号给所述中继站(215)和所述接收机(220’)之间的第二链路，其特征在于，至少一个中继站(215)的每一个利用对每个中继站(215)特定的相关传输参数以及利用至少一个公共传输参数来转发所述信号；所述相关传输参数在每个中继站(215)中本地地确定并且至少部分地基于那个中继站(215)的无线电传输条件的表征；所述公共传输参数被集中确定并被分发给每个中继站(215)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中每个相关传输参数是基于对所述第一链路的无线电路径的表征。

3.根据权利要求1所述的方法，其中每个相关传输参数是基于对所述第二链路的无线电路径的表征。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述相关传输参数是基于所述第一和第二链路的无线电路径的表征的组合。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述至少一个公共传输参数在所述接收机(220’)中被确定并被多播给每个中继站(215)。

6.根据权利要求1到3中任何一个所述的方法，其中该方法被用于相位控制、功率控制或者中继激活，或者相位控制、功率控制和中继激活的任意组合。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述至少一个公共传输参数包括一个中继激活阈值，该中继激活阈值从所述接收机(220’)被多播给所述中继站并且所述中继激活阈值指定所述中继站为了在所述第二链路上该信号的转发中是活动的而必须满足的条件。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述中继站为了在所述第二链路上该信号的转发中是活动的而必须满足的中继条件包括表征所述第一链路、或所述第二链路、或所述第一链路和第二链路的组合的参数。

9.根据权利要求7所述的方法，其中所述多播的公共传输参数包括关于应当激活或停用哪些中继站的详细说明。

10.根据权利要求6所述的方法，其中所述方法包括步骤：

-通过使用导引信号来表征所述第一和第二链路的无线电路径；

-在每个中继站中至少部分地基于所述第一和第二链路的每个中继站路径的信道表征中的一个或两个来确定至少一个相关传输参数；

-在所述接收机中确定至少一个公共传输参数；

-将所述公共传输参数广播给所述中继站；

-在所述第二链路上该信号的转发中，在每个中继站中使用该中继站各自的相关传输参数和所述公共传输参数。

11.根据权利要求6所述的方法，其中该方法包括步骤：

-在第一链路的k路径上从发射机(210’)向中继站(215：k)发送导引信号(600，700)，以及在第二链路的k路径上从接收机(220’)向中继站(215：k)发送导引信号(620，720)；

-在每个中继站(215：k)中估计(610，710)链路1的k信道h_1，k，以及估计(630，730)链路2的k信道h_2，k；

-在每个中继站(215：k)中确定(640，740)所述相关传输参数或者一组相关传输参数，其中所述相关传输参数是基于表征每个路径的信道估计h_1，k，h_2，k中的一个或两个；

-在所述接收机(220’)中，基于该接收机经历的总的通信质量来确定(650，750)所述公共传输参数或者所述一组公共传输参数，其中，所述公共传输参数或者一组公共参数的确定包括基于对先前传输的测量、公共传输参数的缺省初始值或定位信息；

-由所述接收机(220’)广播(660，760)所述公共传输参数给所述中继站(215：k)；

-在每个中继站中使用(670，770)该中继站各自的相关传输参数和公共传输参数来适配第二链路上的后续传输。

12.根据权利要求11所述的方法，其中该方法还包括从所述接收机(220’)把控制信息反馈(675，775)给所述发射机(210’)的步骤。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述使用中继站的各自相关传输参数和公共传输参数来适配第二链路上的后续传输的步骤包括一接收到信号y_k就发射该信号(770)：

其中所述参数Γ_RS，k和Γ_MS，k是基于所述信道估计h_1，k和h_2，k而本地地确定的相关传输参数，σ_RS ²是该中继站处的噪声和干扰电平，P_RS是来自所有中继站的总计的发射功率，σ_MS ²是在每个接收机处的噪声电平，以及其中归一化因子

是基于该接收机(220’)所经历的总的通信质量的公共参数并且被从该接收机(220’)广播。

14.根据权利要求12所述的方法，其中分别地，所述确定、广播以及使用(650-670，750-770)所述公共传输参数的步骤代表第一控制回路，而所述反馈(675，775)到所述发射机的步骤代表从该接收机(220’)到中继站(215：k)以及所述发射机(210’)的第二控制回路。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一控制回路还包括子步骤：

-所述接收机在时刻n测量(760：1)所接收信号的质量C_r、中继引起的噪声N_r、以及在该接收机中的内部噪声N_i；

-所述接收机基于先前的测量以及期望的SNR目标Γ₀来确定(760：2)至少一个所述归一化因子以及总计的中继功率P_RS ⁽ⁿ⁺¹⁾的更新；

-所述接收机把所述更新P_RS ⁽ⁿ⁺¹⁾和/或

通过多播控制消息分发(760：3)给所有中继。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述第二控制回路还包括所述接收机更新发射机的功率P_BS ⁽ⁿ⁺¹⁾的子步骤。

17.一种适于在使用协同中继的无线通信网络中的通信的系统，该系统包括一个发射机(210’)、一个接收机(220’)以及至少一个中继站(215)，其中所述中继站(215)适于转发来自所述发射机(210’)和所述中继站(215)之间的第一链路的信号给所述中继站(215)和所述接收机(220’)之间的第二链路，其特征在于，该系统包括具有逻辑结构的装置，其中：

-至少一个中继站(215)具有用于执行信道表征的装置(216)和基于信道表征来确定相关传输参数的装置(217)以及用于基于公共传输参数和相关传输参数来转发的装置(218)；

-所述接收机(220’)具有用于确定公共传输参数的装置(222)以及用于将所述公共传输参数分发给所述中继站的装置；以及

-所述具有逻辑结构的装置包括在所述接收机(220’)和所述中继站(215)之间的、适于将所述公共传输参数从接收机(220’)反馈给所述中继站(215)的第一控制回路。

18.根据权利要求17所述的系统，还包括在所述接收机(220’)和所述发射机(210’)之间的、适于将所述传输参数从接收机(220’)反馈给所述发射机(210’)的第二控制回路。

19.根据权利要求17或18所述的系统，其中每个中继站(215)适于对它的、第一链路的无线电路径执行信道表征。

20.根据权利要求17或18所述的系统，其中每个中继站(215)适于对它的、第二链路的无线电路径执行信道表征。

21.根据权利要求19所述的系统，其中每个中继站(215)适于基于所述第一和第二链路的无线电路径的表征的组合来确定所述相关传输参数。

22.根据权利要求17或18中任何一个所述的系统，其中该系统适于将所述相关传输参数和所述公共传输参数用于相位控制、功率控制或者中继激活或者相位控制、功率控制和中继激活的任意组合。

23.一种适于在使用协同中继的无线通信网络中使用的中继站(215)，其中所述中继站(215)适于转发来自发射机(210’)和中继站(215)之间的第一链路的信号给所述中继站(215)和所述接收机(220’)之间的第二链路，其特征在于，该中继站(215)具有用于执行信道表征的装置(216)和基于信道表征来确定相关传输参数的装置(217)以及至少部分地基于所述相关传输参数和基于该中继站先前接收的公共传输参数来转发的装置(218)。

24.根据权利要求23所述的中继站(215)，还包括用于激活/停用所述中继站(215)的装置，并且该激活/停用装置对所述相关传输参数和/或所述公共传输参数做出响应。

25.一种适于在使用协同中继的无线通信网络中使用的基站(210)，其中所述基站(210)包括一个接收机(220’)、并且该网络包括至少一个中继站(215)，所述中继站适于转发来自发射机(210’)和中继站(215)之间的第一链路的信号给所述中继站(215)和所述接收机(220’)之间的第二链路，该基站(210)的特征在于，该接收机(220’)具有用于确定公共传输参数的装置(222)和用于分发该公共传输参数给所述中继站(215)的装置，以及其中所述公共传输参数至少部分地基于在该基站(210)的发射机(210’)和接收机(220’)之间的总的通信质量的度量

26.一种适于在使用协同中继的无线通信网络中使用的移动站(220)，其中该移动站(220)包括一个接收机(220’)，并且所述网络包括至少一个中继站(215)，所述中继站适于转发来自发射机(210’)和中继站(215)之间的第一链路的信号给所述中继站(215)和所述接收机(220’)之间的第二链路，该基站(210)的特征在于，该接收机(220’)具有用于确定公共传输参数的装置(222)和用于分发该公共传输参数给所述中继站(215)的装置，以及其中所述公共传输参数至少部分地基于在该移动站(220)的发射机(210’)和接收机(220’)之间的总的通信质量的度量。

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