本发明公开一种GIS及GPS辅助双向中继波分多址的共道用户信号传输方法，涉及无线移动通信技术领域。实施满足条件A：配置共道用户到不同中继站，最大化共道用户间距离；条件B：利用GIS和GPS信息搜索首要传播路径，确定方向图的主波束和零点方向，以此为约束获得收发窄波束的阵列加权矢量，使收发方向图的主波束均对准各自的首要路径方向，零点对准共道干扰的首要路径方向，从而有用信号得到Gt×Gr倍增强，共道干扰被方向图零点抑制。中继波分多址技术无需反馈信道信息，仅靠反馈移动台GPS增量数据，可实现移动台端的独立解码，具有小区覆盖范围大、频谱效率较TPC技术更高的优点，有效解决了MIMO技术应用于移动台受到天线数量少的制约。
1.一种GIS及GPS辅助双向中继波分多址的共道用户信号传输方法，其特征在于，以定向收发窄波束划分空间信道，形成多路波束分割的空间信道，实现双向中继波分多址的共道用户信号传输，实施过程中满足以下条件：A：利用反馈的移动台全球定位系统GPS信息，将共道用户配置到不同的中继站，并且最大化共道用户间的距离；
B：利用地理信息系统GIS及GPS信息搜索首要传播路径，确定阵列天线方向图的主波束和零点方向，以此为约束获得收发窄波束的阵列加权矢量，使发射和接收方向图的主波束均对准各自的首要传播路径方向，零点对准共道干扰的首要传播路径方向。
2.如权利要求1所述的GIS及GPS辅助双向中继波分多址的共道用户信号传输方法，其特征在于，条件A具体包括：
定义同一中继站覆盖范围内的用户间的逻辑距离为“0”，建立表示共道用户间距离关系的逻辑矩阵；以共道用户间的最小距离最大为决策目标，对逻辑矩阵元素逐次进行零化处理，得出K组共道用户的最佳配置结果，即共道用户被配置到不同的中继站，且共道用户间的距离最大。
3.如权利要求1所述的GIS及GPS辅助双向中继波分多址的共道用户信号传输方法，其特征在于，所述条件B具体包括：当基站针对第k（k=1,2,…,K）组第m（m=1,2,…,M）共道用户下行信号形成发射窄波束时，以方向图主波束方向对准基站到第m中继站的首要传播路径的首段方向，及以方向图零点方向对准基站到其它中继站的首要传播路径的首段方向为约束条件，通过阵列综合算法，获得基站到第m中继站的阵列天线发射窄波束的加权矢量，其中，K为共道用户的组数，M为每组共道用户中共道用户的个数。
4.如权利要求1所述的GIS及GPS辅助双向中继波分多址的共道用户信号传输方法，其特征在于，所述条件B具体包括：当第m（m=1,2,…,M）中继站针对第k（k=1,2,…,K）组第m（m=1,2,…,M）共道用户下行信号形成接收窄波束时，以方向图主波束方向对准基站到第m中继站的首要传播路径的尾段方向，及以方向图零点方向对准其它中继站到第m中继站的首要传播路径的尾段方向为约束条件，通过阵列综合算法，获得第m中继站接收来自基站第m共道用户下行信号的阵列天线接收窄波束的加权矢量，其中，K为共道用户的组数，M为每组共道用户中共道用户的个数。
5.如权利要求1所述的GIS及GPS辅助双向中继波分多址的共道用户信号传输方法，其特征在于，所述条件B具体包括：当第m中继站针对第k（k=1,2,…,K）组第m（m=1,2,…,M）共道用户下行信号形成发射窄波束时，以方向图主波束方向对准第m中继站到第m共道用户的首要传播路径的首段方向为约束条件，通过阵列综合算法，获得第m中继站的阵列天线发射窄波束的加权矢量，其中，K为共道用户的组数，M为每组共道用户中共道用户的个数。
6.如权利要求1所述的GIS及GPS辅助双向中继波分多址的共道用户信号传输方法，其特征在于，所述条件B具体包括：当第m中继站针对第k（k=1,2,…,K）组第m（m=1,2,…,M）共道用户上行行信号形成接收窄波束时，以方向图主波束方向对准第m共道用户到第m中继站的首要传播路径的尾段方向为约束条件，通过阵列综合算法，获得第m中继站的阵列天线接收窄波束的加权矢量，其中，K为共道用户的组数，M为每组共道用户中共道用户的个数。
7.如权利要求1所述的GIS及GPS辅助双向中继波分多址的共道用户信号传输方法，其特征在于，所述条件B具体包括：当第m（m=1,2,…,M）中继站针对第k（k=1,2,…,K）组第m（m=1,2,…,M）共道用户上行信号形成发射窄波束时，以方向图主波束方向对准第m中继站到基站的首要传播路径的首段方向，及以方向图零点方向对准第m中继站到其它中继站的首要传播路径的首段方向为约束条件，通过阵列综合算法，获得第m中继站发射第m共道用户上行信号的阵列天线发射窄波束的加权矢量，其中，K为共道用户的组数，M为每组共道用户中共道用户的个数。
8.如权利要求1所述的GIS及GPS辅助双向中继波分多址的共道用户信号传输方法，其特征在于，所述条件B具体包括：当基站针对第k（k=1,2,…,K）组第m（m=1,2,…,M）共道用户上行信号形成接收窄波束时，以方向图主波束方向对准第m个中继站到基站的首要传播路径的尾段方向，及以方向图零点方向对准其它中继站到基站的首要传播路径的尾段方向为约束条件，通过阵列综合算法，获得基站接收来自第m共道用户上行信号的阵列天线接收窄波束的加权矢量，其中，K为共道用户的组数，M为每组共道用户中共道用户的个数。
GIS及GPS辅助双向中继波分多址的共道用户信号传输方
法
技术领域
[0001] 本发明涉及无线移动通信技术领域，特别涉及中继空间复用的一种GIS及GPS信息辅助的中继波分多址实现技术。
背景技术
[0002] 多输入多输出(MIMO)技术能够显著提高无线信道的频谱效率，但其在手机端应用受到天线数量少的制约。虚拟MIMO技术虽然能够突破这一制约，但移动台端的协作编解码实现困难。采用发射端预先编码(TPC)算法的中继空分多址技术能够突破这一制约，即每个移动台只依靠自身的接收信号，在无法获得其它共道用户接收信号的条件下，也能独立地进行解码处理。然而TPC算法需要反馈信道信息，这将增加信道的额外开销。为了降低反馈数据量，通常采用信道信息的有限反馈技术。但通过信道信息有限反馈技术，发射端无法得到完整的高精度信道信息，这限制了中继空分多址提高频谱效率的效果。
发明内容
[0003] (一)要解决的技术问题
[0004] 本发明要解决的技术问题是：从机理上克服TPC算法需要反馈信道信息的不足，仅靠反馈移动台GPS信息的增量数据，使移动台端能够独立地进行解码处理，并且获得比TPC算法更高的频谱效率。
[0005] (二)技术方案
[0006] 为解决上述技术问题，提供了一种GIS及GPS辅助双向中继波分多址的共道用户信号传输方法，以定向收发窄波束划分空间信道，形成多路波束分割的空间信道，实现双向中继波分多址的共道用户信号传输，实施过程中满足以下条件：
[0007] A：利用反馈的移动台全球定位系统GPS信息，将共道用户配置到不同的中继站，并且最大化共道用户间的距离；
[0008] B：利用地理信息系统GIS及GPS信息搜索首要传播路径，确定阵列天线方向图的主波束和零点方向，以此为约束获得收发窄波束的阵列加权矢量，使发射和接收方向图的主波束均对准各自的首要传播路径方向，零点对准共道干扰的首要传播路径方向。
[0009] 其中，条件A具体包括：
[0010] 定义同一中继站覆盖范围内的用户间的逻辑距离为“0”，建立表示共道用户间距离关系的逻辑矩阵；以共道用户间的最小距离最大为决策目标，对逻辑矩阵元素逐次进行零化处理，得出K组共道用户的最佳配置结果，即共道用户被配置到不同的中继站，且共道用户间的距离增大。
[0011] 其中，所述条件B具体包括：
[0012] 当基站针对第k(k＝1，2，…，K)组第m(m＝1，2，…，M)共道用户下行信号形成发射窄波束时，以方向图主波束方向对准基站到第m中继站的首要传播路径的首段方向，及以方向图零点方向对准基站到其它中继站的首要传播路径的首段方向为约束条件，通过阵列综合算法，获得基站到第m中继站的阵列天线发射窄波束的加权矢量；
[0013] 当第m(m＝1，2，…，M)中继站针对第k(k＝1，2，…，K)组第m(m＝1，2，…，M)共道用户下行信号形成接收窄波束时，以方向图主波束方向对准基站到第m中继站的首要传播路径的尾段方向，及以方向图零点方向对准其它中继站到第m中继站的首要传播路径的尾段方向为约束条件，通过阵列综合算法，获得第m中继站接收来自基站第m共道用户下行信号的阵列天线接收窄波束的加权矢量；
[0014] 当第m中继站针对第k(k＝1，2，…，K)组第m(m＝1，2，…，M)共道用户下行信号形成发射窄波束时，以方向图主波束方向对准第m中继站到第m共道用户的首要传播路径的首段方向为约束条件，通过阵列综合算法，获得第m中继站的阵列天线发射窄波束的加权矢量；
[0015] 当第m中继站针对第k(k＝1，2，…，K)组第m(m＝1，2，…，M)共道用户上行行信号形成接收窄波束时，以方向图主波束方向对准第m共道用户到第m中继站的首要传播路径的尾段方向为约束条件，通过阵列综合算法，获得第m中继站的阵列天线接收窄波束的加权矢量；
[0016] 当第m(m＝1，2，…，M)中继站针对第k(k＝1，2，…，K)组第m(m＝1，2，…，M)共道用户上行信号形成发射窄波束时，以方向图主波束方向对准第m中继站到基站的首要传播路径的首段方向，及以方向图零点方向对准第m中继站到其它中继站的首要传播路径的首段方向为约束条件，通过阵列综合算法，获得第m中继站发射第m共道用户上行信号的阵列天线发射窄波束的加权矢量；
[0017] 当基站针对第k(k＝1，2，…，K)组第m(m＝1，2，…，M)共道用户上行信号形成接收窄波束时，以方向图主波束方向对准第m个中继站到基站的首要传播路径的尾段方向，及以方向图零点方向对准其它中继站到基站的首要传播路径的尾段方向为约束条件，通过阵列综合算法，获得基站接收来自第m共道用户上行信号的阵列天线接收窄波束的加权矢量。
[0018] (三)有益效果
[0019] 本发明与以往的空间复用技术划分空间信道的机理不同，GIS及GPS辅助双向中继波分多址技术以定向发射和定向接收窄波束划分空间信道，形成多路波束分割的空间信道。这种波分信道的形成机理保证了：有用信号能够得到Gt×Gr倍的增强，而共道干扰被方向图零点抑制。其中Gt表示发射方向图增益，×表示乘法运算，Gr表示接收方向图增益。因此，GIS及GPS辅助双向中继波分多址技术仅靠反馈移动台GPS信息的增量数据，能够实现移动台端的独立解码处理，并且获得比TPC算法更高的频谱效率。
附图说明
[0020] 图1是GIS及GPS辅助双向中继波分多址系统下行链路信号传输方法流程图，图中设一中继波分多址系统中共有K组共道用户，每组有M个共道用户，以第k组M个共道用户为例；
[0021] 图2是GIS及GPS辅助双向中继波分多址系统上行链路信号传输方法流程图，图中设一中继波分多址系统中共有K组共道用户，每组有M个共道用户，以第k组M个共道用户为例。
具体实施方式
[0022] 下面结合附图1和附图2，对GIS及GPS辅助双向中继波分多址的共道用户信号传输方法的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0023] 在信号传输之前，利用反馈的移动台GPS信息，将共道用户配置到不同的中继站，并且最大化共道用户间的距离，即配置后使得共道用户间的最小距离最大。其具体实施方式：根据移动台反馈的GPS位置信息，确定每个中继站覆盖范围内的用户，选定中继波分多址系统的共道用户池；为了保证不同中继站覆盖范围内的用户可以配置为共道用户，而同一个中继站覆盖范围内的用户不能配置为共道用户，定义同一中继站覆盖范围内的用户间的逻辑距离为“0”，建立表示共道用户间距离关系的逻辑矩阵；以共道用户间的最小距离最大为决策目标，对逻辑矩阵元素逐次进行零化处理，最终得出K组共道用户的最佳配置结果。
[0024] 还需根据GIS及GPS信息确定多种无线链路的首要传播路径，首要传播路径是指角度最集中、功率最大的传播路径。以首要传播路径确定基站、中继站阵列天线多组收发方向图的主波束和零点方向，以定向收发窄波束划分空间信道，形成多路波束分割的空间信道，实现双向中继波分多址的共道用户信号传输，传输信号时，以首要传播路径确定阵列天线方向图的主波束和零点方向，以此为约束获得收发窄波束的阵列加权矢量，使发射和接收方向图的主波束均对准各自的首要传播路径方向，零点对准共道干扰的首要传播路径方向。具体如下：
[0025] 当基站针对第k(k＝1，2，…，K)组第m(m＝1，2，…，M)共道用户下行信号形成发射窄波束时，以方向图主波束方向对准基站到第m中继站的首要传播路径的首段方向，及以方向图零点方向对准基站到其它中继站的首要传播路径的首段方向为约束条件，通过阵列综合算法，获得基站到第m中继站的阵列天线发射窄波束的加权矢量；
[0026] 当第m(m＝1，2，…，M)中继站针对第k(k＝1，2，…，K)组第m(m＝1，2，…，M)共道用户下行信号形成接收窄波束时，以方向图主波束方向对准基站到第m中继站的首要传播路径的尾段方向，及以方向图零点方向对准其它中继站到第m中继站的首要传播路径的尾段方向为约束条件，通过阵列综合算法，获得第m中继站接收来自基站第m共道用户下行信号的阵列天线接收窄波束的加权矢量；
[0027] 当第m中继站针对第k(k＝1，2，…，K)组第m(m＝1，2，…，M)共道用户下行信号形成发射窄波束时，以方向图主波束方向对准第m中继站到第m共道用户的首要传播路径的首段方向为约束条件，通过阵列综合算法，获得第m中继站的阵列天线发射窄波束的加权矢量；
[0028] 当第m中继站针对第k(k＝1，2，…，K)组第m(m＝1，2，…，M)共道用户上行行信号形成接收窄波束时，以方向图主波束方向对准第m共道用户到第m中继站的首要传播路径的尾段方向为约束条件，通过阵列综合算法，获得第m中继站的阵列天线接收窄波束的加权矢量；
[0029] 当第m(m＝1，2，…，M)中继站针对第k(k＝1，2，…，K)组第m(m＝1，2，…，M)共道用户上行信号形成发射窄波束时，以方向图主波束方向对准第m中继站到基站的首要传播路径的首段方向，及以方向图零点方向对准第m中继站到其它中继站的首要传播路径的首段方向为约束条件，通过阵列综合算法，获得第m中继站发射第m共道用户上行信号的阵列天线发射窄波束的加权矢量；
[0030] 当基站针对第k(k＝1，2，…，K)组第m(m＝1，2，…，M)共道用户上行信号形成接收窄波束时，以方向图主波束方向对准第m个中继站到基站的首要传播路径的尾段方向，及以方向图零点方向对准其它中继站到基站的首要传播路径的尾段方向为约束条件，通过阵列综合算法，获得基站接收来自第m共道用户上行信号的阵列天线接收窄波束的加权矢量。
[0031] 本实施例中，设一中继波分多址系统中共有K组共道用户，每组有M个共道用户。以第k组M个共道用户为例，本实施例给出GIS及GPS辅助双向中继波分多址系统下行链路信号传输方法流程图，如图1所示，包括：
[0032] 步骤S101，分配第k组M个发射窄波束占用第k物理信道。所述物理信道是指依靠频率分割、时隙缝分割、地址码分割形成的传输信道。
[0033] 步骤S102，基站针对第k组第m共道用户形成到第m个中继站的定向发射窄波束。设针对第k组第m共道用户的基站阵列天线加权矢量为
[0034] wk，m＝[w1，k，m，w2，k，m，…，wn，k，m，…，wN，k，m]T[0035] 其中上标T表示矢量的转置运算，N表示基站天线数量，wn，k，m表示针对第k组第m共道用户的第n个天线的复加权系数。则针对第k组第m共道用户的基站N个天线的发射信号为：
[0036]
[0037] 其中上标*表示共轭运算，sn，k，m表示第k组第m个共道用户在第n个天线加权前的信号。
[0038] 步骤S103，第m中继站针对第k组第m共道用户下行信号形成定向接收窄波束。设针对第k组第m共道用户的中继站阵列天线加权矢量为：
[0039] vk，m＝[v1，k，m，v2，k，m，…，vn，k，m，…，vN，k，m]T[0040] 其中vn，k，m表示针对第k组第m共道用户的第n个天线的复加权系数。则针对第k组第m共道用户的中继站N个天线接收信号的合成信号为：
[0041]
[0042] 其中上标H表示矢量的共轭转置运算，rn，k表示对应第k物理信道的第n个天线的接收信号。
[0043] 步骤S104，第m中继站针对第k组第m共道用户形成定向发射窄波束。设针对第k组第m共道用户的中继站阵列天线加权矢量为
[0044] uk，m＝[u1，k，m，u2，k，m，…，un，k，m，…，uN，k，m]T[0045] 其中un，k，m表示针对第k组第m共道用户的第n个天线的复加权系数。
[0046] 则针对第k组第m共道用户的中继站N个天线的发射信号为：
[0047]
[0048] 其中yn，k，m表示第k组第m个共道用户在第n个天线加权前的信号。
[0049] 以第k组M个共道用户为例，本实施例给出GIS及GPS辅助双向中继波分多址系统上行链路信号传输方法流程图，如图2所示，包括：
[0050] 步骤S201，第m中继站在第k物理信道上行成定向接收窄波束。设针对第k组第m共道用户的中继站阵列天线加权矢量为
[0051] ok，m＝[o1，k，m，o2，k，m，…，on，k，m，…，oN，k，m]T[0052] 其中on，k，m表示针对第k组第m共道用户的第n个天线的复加权系数。
[0053] 则针对第k组第m共道用户的中继站N个天线接收信号的合成信号为：
[0054]
[0055] 其中 表示对应第k物理信道的第n个天线的接收信号。
[0056] 步骤S202，第m中继站在第k物理信道上行成定向发射窄波束。设针对第k组第m共道用户的中继站阵列天线加权矢量为
[0057] pk，m＝[p1，k，m，p2，k，m，…，pn，k，m，…，pN，k，m]T[0058] 其中pn，k，m表示针对第k组第m共道用户的第n个天线的复加权系数。
[0059] 则针对第k组第m共道用户的中继站N个天线的发射信号为：
[0060]
[0061] 其中 表示第k组第m个共道用户在第n个天线加权前的信号。
[0062] 步骤S203，基站针对第k组第m共道用户上行信号形成第k组第m定向接收窄波束。设针对第k组第m共道用户的基站站阵列天线加权矢量为
[0063] qk，m＝[q1，k，m，q2，k，m，…，qn，k，m，…，qN，k，m]T[0064] 其中qn，k，m表示针对第k组第m共道用户的第n个天线的复加权系数。
[0065] 则针对第k组第m共道用户的基站N个天线接收信号的合成信号为：
[0066]
[0067] 其中 表示对应第k物理信道的第n个天线的接收信号。
[0068] 本实施例的GIS及GPS辅助双向中继波分多址技术划分空间信道的机理具有如下优势：
[0069] 以往的中继空间复用技术通常将同组的共道用户配置到同一中继站，彼此间距离近，不利于抑制共道干扰。GIS及GPS辅助双向中继波分多址技术根据移动台的GPS位置信息，将共道用户配置问题抽象为博弈论的决策问题，保证了共道用户被配置到不同的中继站，并且最大化共道用户间的距离，为抑制共道干扰奠定了物理基础，有利于进一步提高频谱效率。
[0070] 以往的中继空间复用的TPC算法需要反馈信道信息。GIS及GPS辅助双向中继波分多址技术根据GIS数据库和GPS位置信息确定首要传播路径，以首要传播路径确定基站、中继站阵列天线方向图的主波束和零点方向。因此，GIS及GPS辅助双向中继波分多址技术无需反馈信道信息，仅需反馈移动台GPS位置信息的增量数据，降低了反馈数据量，却保留了TPC算法移动台独立解码的优点。
[0071] 以往的MIMO技术大多未考虑单元天线方向性的影响。随着移动通信射频频率的提高，单元天线也具有方向性。GIS及GPS辅助双向中继波分多址技术考虑到单元天线的方向性，并加以利用，使得阵列天线的方向图主波束唯一且宽度更窄。
[0072] GIS及GPS辅助双向中继波分多址技术具有小区覆盖范围大、频谱效率较TPC技术更高的优点，有效解决了MIMO技术应用于移动台受到天线数量少的制约，在TD-LTE、LTE-Advanced、IMT-Advanced等新一代移动通信系统具有应用前景。
[0073] 以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
