分布式MIMO小区多跳接力传送的信道矩阵形成方法.pdf

本发明公开了一种用在分布式虚拟MIMO小区多跳接力传送的信道矩阵测量方法以及系统，包括：小区内的主终端通过初始化完成信道测量准备工作；利用已有的信道测量方式，小区内终端可以获得测量的信道信息；随后，信道测量信息在小区内广播共享；通过基于终端ID号码的方式，收发小区内终端生成信道矩阵，并且该信道矩阵是相同的；此外，主终端通过对小区内终端的实时监测，对终端加入或者退出做出处理，从而达到动态更新信道矩阵的效果，减少系统对天线阶数敏感的问题。

1、  一种分布式MIMO小区多跳接力传送的信道矩阵形成方法，其特征在于：包括以下步骤：
a)、通信小区之间完成信道测量的初始化；
b)、由发送小区内的终端向接收小区内终端发起信道测量，接收小区内终端收到测量信号后需要向发送小区内的终端反馈信息，用来进行信道估计；
c)、收发小区内的终端获得测量信息，终端进行了信道估计，收发终端形成信道估计值后，开始在本小区内共享该信道信息；
d)、终端收到本小区内其他终端的信道信息后，与自身测量的信道信息组成信道信息矩阵；
e)、各个小区内的主终端负责实时监测小区内是否有终端加入或者退出通信的情况，然后决定后续操作步骤。

2、  根据权利要求1所述的分布式MIMO小区多跳接力传送的信道矩阵形成方法，其特征在于：步骤a)中所述通信小区之间完成信道测量的初始化，即收发小区内的主终端在各自小区内完成通信信息准备，包括ID号码发送、终端信道测量开始时间以及持续时间等；随后，主终端之间完成信息交互以获得通信所需信息；主终端需要在各自小区内广播获得的对方小区通信信息，并协调终端进行信道测量以防通信干扰。

3、  根据权利要求1所述的分布式MIMO小区多跳接力传送的信道矩阵形成方法，其特征在于：步骤c)中所述的共享信道信息是指终端可以请求邻居终端发送自己缺失的信道信息。

4、  根据权利要求1所述的分布式MIMO小区多跳接力传送的信道矩阵形成方法，其特征在于：步骤d)中终端收到的本小区其他终端的信道信息后，形成收发小区信道矩阵，该信道矩阵的内部数据按照约定规则顺序排列，所以该信道矩阵在本小区内是相同的。

5、  根据权利要求1所述的分布式MIMO小区多跳接力传送的信道矩阵形成方法，其特征在于：步骤e)中主终端需要实时对本小区内终端进行检测，并根据终端的退出或加入，在收发小区内广播消息：当有终端退出本小区时，通知本小区内的终端删除信道矩阵中退出终端所对应的信道信息，并由主终端向邻小区内的主终端发送消息；随后，邻小区内主终端通知本小区内终端同样地删除相应信道信息。

6、  根据权利要求1所述的分布式MIMO小区多跳接力传送的信道矩阵形成方法，其特征在于：还包括对于多跳接力小区通信的操作步骤，作为上一级的接收小区在下一级通信中处于发送小区的地位，则该发送小区需要进行的操作有：
l)、通信小区之间完成信道测量的初始化；
m)、由发送小区内的终端向下一级接收小区内终端发起信道测量；
n)、收发小区内的终端获得测量信息后，开始在本小区内共享该信道信息；
o)、终端收到本小区内其他终端的信道信息后，与自身测量的信道信息组成信道信息矩阵；
p)、各个小区内的主终端负责实时监测小区内是否有终端加入或者退出通信的情况，然后决定后续操作步骤。

7、  根据权利要求6所述的分布式MIMO小区多跳接力传送的信道矩阵形成方法，其特征在于：所述步骤1)中通信小区之间完成信道测量的初始化是指收发小区内的主终端在各自小区内完成通信信息准备，包括ID号码发送、终端信道测量开始时间以及持续时间等；随后，主终端之间完成信息交互以获得通信所需信息；主终端需要在各自小区内广播获得的对方小区通信信息，并协调终端进行信道测量以防通信干扰。

8、  根据权利要求6所述的分布式MIMO小区多跳接力传送的信道矩阵形成方法，其特征在于：步骤m)～步骤o)中还包括接收小区内终端收到测量信号后需要向发送小区内的终端反馈信息，用来进行信道估计；终端进行了信道估计后，收发终端形成信道估计值后，在本小区内共享信道信息；终端可以请求邻居终端发送自己缺失的信道信息；终端收到的本小区其他终端的信道信息后，形成收发小区信道矩阵，该信道矩阵的内部数据按照约定规则顺序排列，所以该信道矩阵在本小区内是相同的。

9、  根据权利要求6所述的分布式MIMO小区多跳接力传送的信道矩阵形成方法，其特征在于：步骤p)中主终端需要实时对本小区内终端进行检测，并根据终端的退出或加入，在收发小区内广播消息：当有终端退出本小区时，通知本小区内的终端删除信道矩阵中退出终端所对应的信道信息，并由主终端向邻小区内主终端发送消息；随后，另外小区内主终端通知本小区内终端同样地删除相应信道信息。

10、  根据权利要求5或9任一项所述的分布式MIMO小区多跳接力传送的信道矩阵形成方法，其特征在于：加入终端需要获得主终端认可，认可后的加入终端需要完成操作如下：
q)、通信小区之间完成信道测量的初始化；
r)、加入终端向接收小区内终端发起信道测量；
s)、发送小区内的终端获得测量信息后，开始在本小区内共享该信道信息；
t)、接收小区内终端自行更新信道矩阵；
u)、加入终端收到本小区内其他终端的信道信息后，连同自己测量的信道信息一起组成信道信息矩阵；
v)、各个小区内的主终端负责实时监测小区内是否有终端加入或者退出通信，然后决定针对变化的终端是否发起新的信道测量。

分布式MIMO小区多跳接力传送的信道矩阵形成方法
技术领域
本发明涉及到分布式MIMO小区终端间的信道测量技术，其中，各个终端通过信道信息共享的方式在本小区获得信道矩阵，具体来讲是涉及一种分布式MIMO小区多跳接力传送的信道矩阵形成方法
背景技术
MIMO(Multiple-Input-Multiple-Output)，即多输入多输出系统。MIMO技术可以成倍地提高现有无线/移动通信系统的容量和抗干扰能力，但为了获得MIMO信道的独立性，一般要求发送天线或接收天线之间的间距大于工作频段信号的1/4波长距离，因此不太适用频率低于1GHz以下的便携式终端。在单天线的应用中，在使用先进的编码技术后，数据传输速率已经趋近香农极限。但因移动终端体积、功耗、成本等诸多不利因素，对于现有的便携式终端要做到有多根天线也不现实。这些原因限制了MIMO技术在无线终端的大规模应用。因此，人们借鉴多跳无线Ad Hoc网络的中继和合作通信思想，对MIMO技术特别是分布式MIMO技术进行了扩展，使之适应终端侧，提出了虚拟MIMO技术。该技术有望获得MIMO技术的好处，却更易实现，因此受到广泛关注。
在虚拟MIMO技术中，MIMO技术仍然得到应用，但并不是完全照搬。因为，在MIMO技术中发送(或者接收)天线都隶属于同一个终端，信号传输过程中需要的信道矩阵获得、频率分配、信号编(解)码都在同一个终端的处理单元内完成，但是在虚拟MIMO中，各个天线都是独立的并且属于不同的终端，相应地，原来MIMO技术中用到的技术就需要做出改进甚至完全更新，才能适合新的应用情景。所有问题中主要一点是各个独立的终端如何获得信道矩阵？在虚拟MIMO中，频谱分配和收发端的解码都需要用到信道信息。并且，建立在分布式天线基础上的虚拟MIMO技术，以发送小区与接收小区(包括接力小区)代替原有MIMO技术中的发送端和接收端，同样需要信道信息。因此，获得信道矩阵的技术在虚拟MIMO中是一个关键技术。
传统MIMO技术中，信号传输对系统的天线阶数十分敏感。为了在虚拟MIMO中应用MIMO技术提升传输容量，并且避免由于终端天线相互独立带来信道矩阵形成困难，本发明从跨层优化以及信息交互的角度出发，给出在虚拟MIMO应用情景下一种信道矩阵获得技术。
发明内容
本发明所要解决的问题是：如何提供一种动态更新信道矩阵、减少系统对天线阶数敏感的分布式MIMO小区多跳接力传送的信道矩阵形成方法。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：一种分布式MIMO小区多跳接力传送的信道矩阵形成方法，包括以下步骤：
a)、通信小区之间完成信道测量的初始化；
b)、由发送小区内的终端向接收小区内终端发起信道测量，接收小区内终端收到测量信号后需要向发送小区内的终端反馈信息，用来进行信道估计；
c)、收发小区内的终端获得测量信息，终端进行了信道估计，收发终端形成信道估计值后，开始在本小区内共享该信道信息；
d)、终端收到本小区内其他终端的信道信息后，与自身测量的信道信息组成信道信息矩阵；
e)、各个小区内的主终端负责实时监测小区内是否有终端加入或者退出通信的情况，然后决定后续操作步骤。
步骤a)中所述通信小区之间完成信道测量的初始化，即收发小区内的主终端在各自小区内完成通信信息准备，包括ID号码发送、终端信道测量开始时间以及持续时间等；随后，主终端之间完成信息交互以获得通信所需信息；主终端需要在各自小区内广播获得的对方小区通信信息，并协调终端进行信道测量以防通信干扰。
步骤c)中所述的共享信道信息是指终端可以请求邻居终端发送自己缺失的信道信息。
步骤d)中终端收到的本小区其他终端的信道信息后，形成收发小区信道矩阵，该信道矩阵的内部数据按照约定规则顺序排列，所以该信道矩阵在本小区内是相同的。
步骤e)中主终端需要实时对本小区内终端进行检测，并根据终端的退出或加入，在收发小区内广播消息：当有终端退出本小区时，通知本小区内的终端删除信道矩阵中退出终端所对应的信道信息，并由主终端向邻小区内的主终端发送消息；随后，邻小区内主终端通知本小区内终端同样地删除相应信道信息。
还包括对于多跳接力小区通信的操作步骤，作为上一级的接收小区在下一级通信中处于发送小区的地位，则该发送小区需要进行的操作有：
l)、通信小区之间完成信道测量的初始化；
m)、由发送小区内的终端向下一级接收小区内终端发起信道测量；
n)、收发小区内的终端获得测量信息后，开始在本小区内共享该信道信息；
o)、终端收到本小区内其他终端的信道信息后，与自身测量的信道信息组成信道信息矩阵；
p)、各个小区内的主终端负责实时监测小区内是否有终端加入或者退出通信的情况，然后决定后续操作步骤。
所述步骤l)中通信小区之间完成信道测量的初始化是指收发小区内的主终端在各自小区内完成通信信息准备，包括ID号码发送、终端信道测量开始时间以及持续时间等；随后，主终端之间完成信息交互以获得通信所需信息；主终端需要在各自小区内广播获得的对方小区通信信息，并协调终端进行信道测量以防通信干扰。
步骤m)～步骤o)中还包括接收小区内终端收到测量信号后需要向发送小区内的终端反馈信息，用来进行信道估计；终端进行了信道估计后，收发终端形成信道估计值后，在本小区内共享信道信息；终端可以请求邻居终端发送自己缺失的信道信息；终端收到的本小区其他终端的信道信息后，形成收发小区信道矩阵，该信道矩阵的内部数据按照约定规则顺序排列，所以该信道矩阵在本小区内是相同的。
步骤p)中主终端需要实时对本小区内终端进行检测，并根据终端的退出或加入，在收发小区内广播消息：当有终端退出本小区时，通知本小区内的终端删除信道矩阵中退出终端所对应的信道信息，并由主终端向邻小区内主终端发送消息；随后，另外小区内主终端通知本小区内终端同样地删除相应信道信息。
加入终端需要获得主终端认可，认可后的加入终端需要完成操作如下：
q)、通信小区之间完成信道测量的初始化；
r)、加入终端向接收小区内终端发起信道测量；
s)、发送小区内的终端获得测量信息后，开始在本小区内共享该信道信息；
t)、接收小区内终端自行更新信道矩阵；
u)、加入终端收到本小区内其他终端的信道信息后，连同自己测量的信道信息一起组成信道信息矩阵；
v)、各个小区内的主终端负责实时监测小区内是否有终端加入或者退出通信，然后决定针对变化的终端是否发起新的信道测量。
综上所述，本发明的工作原理是：
首先，主终端之间进行通信，获得信道测量所需的参数。随后，主终端在本小区内广播获得的通信参数，进行初始化操作。
初始化完成后，终端进行信道测量。通信双方，通过已有的信道测量技术以及反馈方式信道测量值。需要说明的是，发送小区内的终端需要与接收小区内的所有终端进行信道测量。
终端获得信道测量值之后，形成信道值向量，并把此向量在本小区内共享。当有终端没有获得本小区内所有终端的信道值向量时，它可以向本小区内的主终端或者邻居终端发送请求，以获得信道值向量。
终端得到所有的信道值向量后，通过规定的排序在收发端生成信道矩阵，并且改矩阵在本小区内是相同的。
为了应对终端加入或者退出的情况，主终端需要实时监测本小区内终端变化，并采取相应的策略以使得信道矩阵动态更新。
本发明通过基于终端ID号码的方式，收发小区内终端生成信道矩阵，并且该信道矩阵是相同的；此外，主终端通过对小区内终端的实时监测，对终端加入或者退出做出处理，从而达到动态更新信道矩阵的效果，减少系统对天线阶数敏感的问题。
附图说明图
图1为本发明实施例应用到的无线虚拟MIMO通信系统图；
图2无线终端通用协议栈结构图
图3是本发明实现过程的简单流程图；
图4为小区内终端完成初始操作的流程图；
图5是终端为完成初始化操作发送的数据格式；
图6是小区内终端共享信道值向量时发送的数据格式；
图7为终端完成信道测量时的流程图；
图8为终端完成信道矩阵更新以及对小区内终端变化而进行操作的流程图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述：
在下文的说明中，为了解释而不是限制的目的，阐述了一些本发明实现的细节，以便提供对本发明的全面了解。但是，本发明也可以由其他具备类似细节或者器件的实施例来实现。无线虚拟MIMO通信系统由若干级联的通信小区构成，即一个包含源终端的源小区、包含目的终端的目的小区、接力小区，以及若干个接力小区。为具体说明，实施例中仅以一级发送与接收小区为例。但是本发明方法同样适用于多级接力小区的信道测量。
图1是本发明实施例应用的无线虚拟MIMO通信系统图。如图1所示，无线虚拟MIMO通信系统由通信终端以及通信小区组成。其中，源小区(或发送小区)和目的小区(或接收小区)中的源终端和目的终端分别称为发送小区主终端102、接收小区主终端104，其他终端统称为一般终端103。在多级小区情况下，接力小区主终端在小区建立时进行选择。
终端为具备无线通信功能的移动设备。主终端是通信的主体，负责发起小区建立以及信道测量初始工作。主终端之间的通信是信息从源到目的的过程。小区内的其他终端是参与通信并与主终端一起形成虚拟MIMO效果。
终端通用协议栈结构如图2所示。本发明的实现主要依靠MAC层与物理层之间的信息交互。
图3是虚拟MIMO小区间信道测量的流程图。根据该流程图，终端可以完成信道测量以及信道更新。本发明的步骤即为：初始化201；信道测量202；小区内信道信息共享203；信道信息处理204；和更新信道信息205。随后的图4到图8将详细描述终端如何实现在虚拟MIMO系统下实现信道矩阵的测量以及信道矩阵的更新。
图4是信道测量前的初始化工作。初始化时，终端必须处在空闲状态301才能加入到信道测量通信。当终端收到通信请求302时，需要对此做出反应。此时，收到通信请求的终端与向它发出请求的终端都是直接通信的主体，处在主终端地位。然后，由主终端向邻居终端发出建立通信小区请求303，并组建通信小区。同时这一步也包括主终端获得所在通信小区内终端ID号码。接着，主终端之间交互所在小区内终端ID号码304，以便于随后终端之间通信测量。获得了对方小区内终端ID号码的主终端在本小区内广播获得的ID号码305。
图5为主终端在本小区广播对方小区终端ID号码时所采用的数据帧格式，其中内容包括：待测量终端数目401、待测量终端ID序列向量402、本小区终端ID序列向量403、测量开始时间404、每次测量持续最大时间405。小区内的其他终端通过接收该数据帧，可以获得本小区内其他终端ID号码，以便于信道信息共享；可以获得对方小区内终端ID号码，以便于信道测量；获得的测量开始时间404以及每次测量持续最大时间405，可以帮助终端合理的展开通信测量。此外，为了避免通信测量时终端之间的相互干扰，终端按照ID号码顺序开始信道测量。
图6为终端在测得信道信息后在本小区内共享时的数据帧格式。ID号码401′可以是自己的ID或者本小区内其他ID号码。ID号码401′后的信道信息向量402′则对应着具有ID号码401′终端所测量到的信道信息向量。也就是说，单个终端可以拥有多个其他终端的信道信息向量。当有终端需要特定ID号码所对应终端的信道测量信息向量后，拥有这些向量的终端只需要在数据帧里添加ID号码及其对应的信道信息向量，并发送到本小区内目的终端。
根据上述方法，图1中的主终端1(终端下方标号)向主终端4发起通信请求。随后，两个主终端各自发起建立小区信号，建立发送小区101和接收小区105。发送小区包括终端2和终端3，接收小区包括终端5和终端6。主终端1随后与主终端4交互各自小区内的终端ID号码(为便于描述，以终端下方标号代替ID号码)。接着，主终端1和主终端4在各自小区广播所获得的对方小区内的终端ID号码。广播的内容如图5所示，除了待测量终端数目以及待测量终端ID外，还包括本小区终端ID序列向量403、测量开始时间404和每次测量持续最大时间405。本小区终端ID序列向量403是为了在终端没有正确获得所有信道测量向量的前提下，通过向本小区内终端请求信道信息共享时使用。测量开始时间404和每次测量持续最大时间405则规定了每个终端开始信道测量的时间以及进行信道测量所能占用的最大时间。每个终端信道测量开始时间可以根据ID号码顺序开始。
初始化工作完成后，终端进入信道测量阶段，如图7所示。终端首先判断是否为通信发起方，然后做出相应操作。若终端为通信发起方(处在发送小区中)，终端发起信道测量504，对接收小区内终端依次测量，并设有测量超时判断机制(主要是为了避免测量一直占用宝贵的通信信道资源)；若终端为接收方(处在接收小区中)，终端等待发端信道测量503。若收到发端的测量信号，接收端向测量终端反馈信号509；收发端完成上述操作后，信道测量步骤结束。
终端信道测量完成后，形成信道信息向量：HMR×1k=[h1k,h2k,...,hMRk]T,]]>k为发送小区内终端序号，M_R为接收小区内的终端数目，向量中各个元素为终端k与接收小区内终端之间的信道信息。如图1所示终端2，在完成信道测量后，形成的信道信息向量为：
H3×12=[h12,h22,h32]T---(1)]]>
当小区内所有终端的信道测量完成后，终端进入小区内信道信息共享203步骤。小区内终端把各自的信道信息广播共享给本小区内终端，使用的数据帧格式如图6所示。终端如果在信道共享中没有收到所有的信道信息，可以向邻居终端发送请求，要求邻居传送自己没有收到的信道测量信息。
信道信息处理204步骤中，终端把收到的所有信道信息按照ID号码从大到小的顺序依次排列。按照本发明方法，小区内所有终端形成信道矩阵。图1、2所示的发送小区内终端形成的信道矩阵如下：
H=[H3×11,H3×12,H3×13]]]>
=h11h12h13h21h22h13h31h32h33---(2)]]>
由于无线通信环境多变的特殊性，终端通信所用的信道或者终端本身都会发生变化。所以本发明针对该情况，要求主终端实时监控小区信道测量状况，具体实现流程见图8。可能出现终端加入或者退出小区。
如图1所示，若终端7加入小区101时，主终端1与该终端进行信息交互604并决定是否允许新终端加入小区。允许的话，主终端向新终端发送如图5所示的数据帧格式，接着新终端进行信道测量步骤202(也即609)，测量完后，终端7的信道信息在小区内广播608。在随后的通信双方在各自小区内更新信道信息操作607中，小区105由于结果终端7的信道测量，已经自动更新了信道矩阵。小区101内，主终端1向新终端7发送已有的信道矩阵以便于信道矩阵更新，其他终端收到新终端7的信道信息后自动更新信道矩阵。相当于在式(2)里加入新的一行。
若终端3退出小区101，则主终端在本小区内广播该消息并通知小区105(605)，在操作607中，小区内终端删除终端3对应的信道信息。在小区101内相当于删除第三行，相应地在小区105内的终端删除第三列。
上述发明方法在本实施例中只用在两级小区通信之间，但是该方法同样适合于多级小区通信之间。在此种方式下，图1中所示的接收小区转变为发送小区的角色，它的下一级小区成为接收小区，信道矩阵的形成方法如本发明中所用方法，从而形成了多跳接力传送的信道矩阵形成方案。