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MIMO系统中基于波束形成的中继策略

徐昊
东南大学信息科学技术与工程学院，南京(210096)
E-mail：[e-mail]
摘要：多输入多输出（MIMO）无线通信系统是由配置了多天线的多个节点构成的网
络。信息论的研究已表明，点对点的MIMO系统通过空间复用和分集可以提高系统的
容量。而最近的研究表明，在系统中插入多个中继节点并适当协作也可以显著提高系
统吞吐量。本文提出MIMO系统中中继节点对信号处理的一种新技术，它在中继端采
用波束形成技术，而在接收端利用ML检测器完成对接收信号的检测。这种处理可以
同时获得多中继的分布式分集增益和接收端的接收分集增益，从而使得MIMO系统的
吞吐量性能显著提高。
关键词：MIMO系统，波束形成，分布式分集，接受分集，

随着图像、视频等多媒体业务引入现代通信系统，人们对未来的通信系统的性能要求大
幅度地提高，例如系统吞吐量，传输的误码率等。近年来，为了适应这些需求，人们提出了
多种新技术，例如在通信节点上加入多天线（即多输入多输出的MIMO技术），利用空间复
用或空间分集就可以在不增加系统时频资源开销的基础上大大地提高系统的吞吐量或BER
性能，故MIMO技术将大量地应用于未来的通信系统（4G）中。然而，最近的研究发现，
在点对点的MIMO通信系统中加入多个中继点，利用分布的多中继协作传递信息，可以进
一步提高系统的吞吐量等性能，特别在通信的节点间信道条件较恶劣时，这种优势更加明显。
加入中继的MIMO系统的传输可分两步，1）由信源将信号传送到多个中继，信源和多中继
构成了一个MIMO系统。2）中继点对接收到的信息进行处理后，发给信宿，而信宿对信号
进行检测，多中继与信宿之间也构成了一个MIMO系统。这种系统中的关键技术就在于中
继对接收到的信号的处理。文献[3][4]中提出了放大中继（AF）处理技术，即中继只是将接收
到的信号放大并转发，尽管这种中继处理较方便，但是它不能获得分布式多中继的阵列增益。
在[5]中，作者提出了迫零中继（ZF）处理技术，可以获得多中继分布式的阵列增益，但没有
接收阵列增益。在[2]中，作者提出了基于QR分解的中继（QR）处理技术，它可以获得以
上提到的两种阵列增益，但不能达到这两种阵列增益的最大值。
因此，针对文献[5]中所研究的MIMO协作通信系统的模型，本文将提出一种新型的中
继处理技术，它可以在保持MIMO系统的最大化空间多路增益的同时，尽可能地提高多中
继的分布式阵列增益和接收阵列增益。所提出的算法的基本思想是对多中继的后向信道采用
QR分解技术，而在前向信道采用波束形成技术，并在接收端采用ML检测技术正确检测出
信号。仿真的结果可以表明，所提出的中继处理技术可以使得系统的性能优于文献[3,4,5,2]所
提出的AF、ZF、QR等技术。

1系统模型

考虑如图1所示的MIMO系统，它由一个多天线信源，一个多天线的信宿和K个中继
组成。本文中，我们假设信源和信宿均配有M根天线，各个中继配有N根天线，整个信息
的传输在两个时隙中完成。

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图1多中继MIMO通信系统模型

首先在第一个时隙中，M×1的发射信号矢量s从信源端的M根天线发送至K个中继，
而此时信源并不知道它到K个中继的信道信息（CSI）。在中继端，假设第k中继接收到的

N×1的信息矢量yk，它可表示为：

yHsnkkk=+（1）

这里Hk()kK=1,2,⋅⋅⋅,是信源到第k个中继（后向信道）的NM×的MIMO信道矩阵，

而2是第个中继接收时加性维的噪声。
nkrN:CN()0,σIkN×1
在第二时隙中继点将对接收到的信号进行处理并发送到信宿，设第k个中继对接收到的

信号yk乘以权重矩阵Wk完成对接收信号的处理，形成此中继的发送信号xk，其可以表示

为：

xWyWHsnkkkkkk==(+)（2）
信宿接收到的M×1维接收信号矢量为：
K
（）
rGxz=∑kk+3
k=1
这里和2分别表示从第个中继到信宿（前向信道）的维的信
Gkz:CN(0,σdMI)kM×N
道矩阵和接收的加性噪声。此系统中，我们对信源节点和K个中继节点的发射功率分别约
⎛⎞P
束为：H，H。
E()ss=⎜⎟IME()xxkk=P
⎝⎠M

2MIMO中继处理技术

首先，由信息论的知识，可以获得加入中继的MIMO系统的容量的理论上界[1]，可表
⎧1⎫
示为：CEupper=⎨I()sy;,12y,,⋅⋅⋅yK,rx12,,,x⋅⋅⋅xK⎬（4）
{}HGkk,⎩⎭2

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其中表示遍历个中继的前向