专利名称：在空间相关mimo系统中使用的自适应传输方法和设备的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及空间相关MIMO系统中的自适应传输技术，更具体地，涉及一种在空间相关MIMO系统中使用的自适应传输方法和设备，能够提高相关MIMO系统中自适应传输的性能，同时不为系统带来过多的开销和复杂度上的增加。
背景技术：
越来越高的信息传输速率是未来无线通信系统所面临的主要问题之一。为了在有限的频谱资源上实现这一目标，多天线技术(MIMO，多输入多输出)已成为未来无线通信中所采用的必不可少的手段之一。在MIMO系统中，发送端利用多根天线进行信号的发送，接收端利用多根天线进行空间信号的接收。研究表明，相比于传统的单天线传输方法，MIMO技术可以显著的提高信道容量，从而提高信息传输速率。
除了MIMO技术之外，自适应传输技术也可以有效提高衰落信道中的信息传输速率。自适应调制与编码(AMC)技术是一种重要的自适应传输技术，其基本思想是根据当前的信道特性自适应的变化发送时采用的调制和编码参数，通过在信道条件好时多传一些信息，在信道条件差时少传一些信息来提高系统的平均吞吐能力，也即平均频谱利用率。
因此，如果将MIMO与AMC技术相结合，将可以获得比单纯使用一种技术更高的信息传输速率。
图1所示为通常的采用AMC技术的MIMO系统结构示意。比如在3GPP中由Lucent公司提出的PARC(逐天线速率控制)方案。
在该结构中，发送端和接收端分别采用nT和nR个天线进行信号的发送和接收。在发送端，待发送的数据首先经过串并变换装置101的处理分成nT个数据子流，每个数据子流对应一个发送天线。在发送之前，根据当前每个发送天线所对应的信道传输特性在自适应调制和编码装置102中对这些数据子流进行自适应调制和编码。各个数据子流在AMC时所需的调制与编码参数M1，M2，…，MnT来自于接收端通过反馈信道108进行的反馈。
在接收端，首先由nR个接收天线104将空间全部信号接收下来，然后由信道估计装置105根据该接收信号中的导频信号或采用其他方法进行信道估计，估计出当前的信道特性矩阵H(对于MIMO系统来说，其信道特性可以用一个nR×nT的矩阵来描述)。然后，AMC参数选取装置107根据H来确定发送端每个数据子流所采用的调制和编码参数，并将选好的各数据子流的调制与编码参数通过反馈信道发送回发送端。这里，为了降低系统反馈开销，一般采取发送端各天线等功率发送，而且，在反馈各子流AMC参数时，只返回各调制与编码参数对应的序号。最后，MIMO检测装置106根据信道特性矩阵H，以及AMC参数选取装置107输出的各子流的调制编码参数，采用一般的MIMO检测方法对各个发送数据子流进行检测，并得到原始的发送数据。
在PARC中，AMC参数选取装置107中的操作，即AMC参数选取过程可以分成两步(1)根据当前信道特性矩阵H，预先计算各个子流1，2，…，nT经MIMO检测后的等效SINR(信号与干扰噪声比)SINR(1)，SINR(2)，…，SINR(nT)。
这里，可采用的MIMO检测方法有多种，比如线性检测方法，包括迫零(ZF)和最小均方误差(MMSE)检测；串行干扰抵消(SIC)方法；最大似然检测方法等等。现有文献中已给出了各种MIMO检测下的子流检测后等效SINR的计算方法。比如当采用ZF检测时，第k个子流经检测后的SINR为SINR(k)=EsnTN0[H*H]kk-1;]]>当采用MMSE检测时，第k个子流经检测后的SINR为SINR(k)=EsnTN0[H*H+N0/EsInT]kk-1-1,]]>其中Es为发送总功率，N0为噪声功率，InT为nT×nT的单位阵。
(2)依据所得到的SINR(1)，SINR(2)，…，SINR(nT)，为各个子流选取调制和编码参数M1，M2，…，MnT。
由SINR确定调制编码参数可以采用多种方法，比如可以采用如下的方法首先选定若干种调制与编码参数组合，并且通过理论推导或者数值方法估计出在AWGN(加性白高斯噪声)信道下各种参数的BER性能。然后，根据各子流检测后的SINR数值，选取能满足一定BER要求且吞吐最大的调制编码参数作为该发送子流上的调制与编码参数。
研究表明，在MIMO系统中采用PARC的自适应传输方法可以获得较好的吞吐性能。但是，此较好吞吐性能的获得需要一个前提，那就是MIMO信道是独立的。
然而，在实际的MIMO系统中，MIMO信道往往是相关的。造成MIMO信道相关的原因有很多，比如天线放置的间距没有足够远，天线周围没有足够多的散射物，以及收发之间存在直射径(LOS)等等。当MIMO信道存在相关时，其信道特性矩阵H可以用下式来描述H=Rr1/2HwRt1/2]]>其中，Hw是nR×nT的独立MIMO信道特性矩阵，Rr和Rt分别为nR×nR和nT×nT的接收和发送相关矩阵。
与独立MIMO系统相比，PARC方法在实际的相关MIMO系统中会有很大的性能损失。为了克服信道相关性所带来的性能损失，现有技术给出了一种基于对瞬时信道特性矩阵H进行奇异值分解(SVD)的方法。该方法的思路是这样的在每个发送时刻，由接收端将估计所得的当前信道特性矩阵H通过反馈信道发送回发送端，再由发送端对H进行SVD，并利用SVD的结果对发送信号进行预处理。该方法虽然在一定程度上可以提高相关MIMO下的性能，然而，在实际系统中每个时刻都要对H进行反馈和作SVD，从系统反馈开销和实现复杂度上来说是难以容忍的。
为此，如何针对空间相关MIMO系统设计一种新的自适应传输方法，一方面可以获得比传统PARC方法更好的自适应性能，另一方面，又不会为系统带来过多的开销和复杂度上的增加，是该发明的一个主要目的。
发明内容
本发明的目的在于提出一种在空间相关MIMO系统中使用的自适应传输方法和设备，能够提高相关MIMO系统中自适应传输的性能，同时不为系统带来过多的开销和复杂度上的增加。根据本发明的方法中，发送端根据MIMO相关信道的长时统计特性对发送信号进行预处理和功率分配，接收端根据短时信道特性对各发送子流进行比特分配。该方法中，在自适应参数选取时同时利用了MIMO相关信道的长时统计特性和短时特性，与传统方法相比，可以在相近的实现复杂度和反馈开销前提下获得更好的自适应性能。
为了实现上述目的，根据本发明，提出了一种在空间相关多输入多输出通信系统中使用的自适应传输方法，包括接收端估计信道统计特性并将其反馈回发送端；发送端根据反馈来的信道统计特性，确定功率分配矩阵和预处理矩阵；接收端根据信道特性确定调制与编码参数并向发送端发送；以及发送端根据所确定的功率分配矩阵和预处理矩阵对发送信号进行预处理和功率分配，并根据从接收端接收到的调制与编码参数对发送信号进行调制和编码，以便通过天线发射所述发送信号。
优选地，所述发送端根据反馈来的信道统计特性确定功率分配矩阵和预处理矩阵的步骤包括根据多输入多输出相关信道的长时统计特性来确定功率分配矩阵和预处理矩阵。
优选地，所述多输入多输出相关信道的长时统计特性是R＝E{HHRn-1H}，其中H为多输入多输出信道特性矩阵，Rn为接收信号中加性噪声n的协方差矩阵，以及E为数学期望运算符。
优选地，接收端根据信道特性确定调制与编码参数并向发送端发送的步骤包括根据短时信道特性来确定所述调制与编码参数。
优选地，在所述发送端根据多输入多输出相关信道的长时统计特性对发送信号进行预处理和功率分配的步骤之前，还包括步骤首先确定发送端发送的并行子流数目L，L由系统选取，其值应不大于R的秩。
优选地，发送端根据反馈来的长时信道统计特性确定预处理矩阵的步骤包括对R进行特征值分解后；以及选取其最大的L个特征值所对应的特征向量所组成的一个L×nT矩阵。
优选地，发送端根据反馈来的信道统计特性确定功率分配矩阵的步骤包括按照等功率分配和注水功率分配的方式来确定功率分配矩阵。
优选地，所述方法还包括接收端利用当前信道特性矩阵和信道的统计特性，通过滤波来消除发送端预处理的作用，以及通过滤波对噪声进行白化处理，并且对接收信号进行匹配滤波。
根据本发明，还提出了一种在空间相关多输入多输出通信系统中使用的自适应传输设备，包括处于接收端的统计特性计算装置，用于估计信道统计特性并将其反馈回发送端；处于发送端的长时控制装置，根据反馈来的信道统计特性，确定功率分配矩阵和预处理矩阵；处于接收端的调制与编码参数选取装置，用于根据信道特性确定调制与编码参数并向发送端发送；处于发送端的功率分配装置，用于根据所确定的功率分配矩阵对发送数据进行预处理和功率分配；处于发送端的预处理装置，用于根据所确定的预处理矩阵对发送数据进行预处理；以及处于发送端的调制与编码装置，根据接收端反馈回来的调制与编码参数对发送信号进行调制和编码。
优选地，上述自适应传输设备还包括滤波装置，用于利用当前信道特性矩阵和信道的统计特性，消除发送端预处理的作用，以及对噪声进行白化处理，并且对接收信号进行匹配滤波。
通过参考以下结合附图对所采用的优选实施例的详细描述，本发明的上述目的、优点和特征将变得显而易见，其中图1为示出了传统的采用AMC技术的MIMO系统结构的示意图；图2为示出了根据本发明实施例的MIMO系统结构的示意图；图3为示出了根据本发明实施例的滤波装置的细化示意图；图4为示出了根据本发明实施例的自适应传输方法的流程图；图5为示出了本发明所采用的方法与传统方法的性能比较的曲线图。
具体实施例方式
下面结合
本发明的具体实施方式
。
图2所示为采用本发明技术的MIMO系统示意图。
其中，发送端和接收端分别采用nT和nR个天线进行信号的发送和接收。在发送端，待发送的数据首先经过串并变换装置101分成L个并行数据子流，L≤min{nT，nR}。这L个数据子流在发送之前，需要先后经过自适应调制和编码装置102、功率分配装置201和预处理装置202转化成nT路信号，再从发送端nT个天线上发送出去。这里，L个子流在自适应调制与编码102中所需的调制与编码参数M＝{M1，M2，…，ML}来自于接收端通过反馈信道108的短时反馈(这里所谓的短时反馈指的是在每个发送时刻，比如每个时隙都要反馈一次)。此外，功率分配装置201和预处理装置202分别通过功率分配矩阵P和预处理矩阵T来实现。功率分配矩阵P的目的是用于对L个发送子流进行功率加权，P为L×L的实正定对角阵，可以表示为P=diag{P1,P2,...,PL},]]>且满足Σi=1LPi≤Ptotal,]]>其中Pi为第i个子流上分配的发送功率，i＝1，2，…，L，Ptotal为发送总功率限制。预处理矩阵T为L×nT矩阵，其目的是为了对抗MIMO信道的相关性所带来系统性能的恶化。与自适应调制与编码参数M不同，参数P和T均来自于接收端的长时反馈(这里所谓的长时反馈指的是很长时间内反馈一次，其反馈的时间间隔要远远大于短时反馈中的反馈时间间隔)，以及发送端根据反馈结果通过长时控制装置203计算所得结果。
接收端首先由nR个接收天线104将空间信号接收下来，然后完成以下三部分操作(1)由信道估计装置105根据该接收信号进行信道估计，估计出当前的信道特性矩阵H。
(2)计算下一发送时刻发送端进行自适应传输时所需的参数，并将计算所得的参数通过反馈信道108发送回发送端。具体说来，该步骤包括(2.1)根据信道估计的结果在计算信道统计特性装置213计算信道统计特性，并将其反馈回发送端。由于信道统计特性本身随时间的变化非常缓慢，因此这里对信道统计特性的计算和反馈都是长时过程，即很长时间内计算一次，并反馈一次。
(2.2)根据信道估计所得当前的信道特性矩阵H，以及计算所得的信道统计特性，来对下一发送时刻发送端各子流所采用的调制与编码参数M＝{M1，M2，…，ML}进行选取，这在AMC参数选取装置214中执行，并将选取后的结果M反馈回发送端。由于信道特性矩阵H本身变化较快，因此这里对参数M的计算和反馈是短时过程，即在短时间内，比如每个时隙内都要进行M的选取和反馈。
(3)对当前接收的信号进行检测，其中包括滤波装置211和MIMO检测装置212的功能。这里，滤波装置211操作的目的是为了消除发送端预处理的作用，其中需要用到当前的信道特性矩阵H以及信道的统计特性。除了H和信道统计特性之外，MIMO检测装置212中还需要用到发送端各子流所采用的调制与编码参数信息。这里，滤波装置211可以细化为如图3所示。
图3所示为滤波装置的细化示意。
从实现功能上，其包括两部分操作对噪声进行白化处理，以及对信号进行匹配滤波。其中，对噪声的白化滤波装置301可以用加权矩阵Rn-1/2来描述，其中Rn为接收端加性噪声的协方差矩阵，Rn可由213估计得到。对接收信号的匹配滤波过程可以由装置302，303，304和305来实现，即分别用矩阵Rn-H/2，HH，TH和PH对输入信号进行匹配滤波，其中()H表示矩阵的共轭转置。
与图1中的传统的MIMO-AMC结构，即PARC相比，采用本发明技术的MIMO-AMC系统的主要不同之处在于(1)在发送端，发送子流的数目为L，L≤min{nT，nR}，在不同时刻L数值大小可以变化，而不是传统PARC系统中所采用的固定nT个发送子流。另外，发送端在信号发送之前对其采取功率分配201和预处理202操作，为此还增加了长时控制装置202。功率分配装置201和预处理操作装置202所需的信息来自于接收端的反馈，但由于其是一个长时过程，即功率分配矩阵P和预处理T在长时间内都保持不变，因此不会为系统带来过多的复杂度以及反馈开销上的增加。
(2)在接收端，增加了滤波装置211和统计特性计算装置213。统计特性计算装置213的目的是为发送端提供信道的统计特性，用于发送端的功率分配和预处理操作。同时，由于发送端加入了预处理操作，因此在对接收信号进行MIMO检测之前，必须首先在滤波装置211中对接收信号进行匹配滤波操作，用于抵消发送端预处理对信号的作用。
具体说来，本发明中提出的方法可以由图4来描述。
图4所示为发明所采用的自适应传输方法。
具体说来，该方法的实现主要包含以下几个步骤第一步接收端估计信道统计特性R，并将其反馈给发送端，如S401。具体包括(1.1)估计接收信号中加性噪声n的协方差矩阵Rn，其中n为一nR维列向量，Rn＝E{nnH}，E{}为期望函数。实际中可作时间上的长时平均得到Rn。
(1.2)估计信道统计特性R，其中R＝E{HHRn-1H}。
(1.3)将估计所得的R通过反馈信道发送回发送端。
第二步，发送端根据R，确定功率分配矩阵P和预处理矩阵T，如S411。这一步骤由发送端的长时控制装置203来完成，其具体实现步骤包括(2.1)确定L，其中L为发送端发送的并行子流数目。在本方法中，要求L≤rank(R)，其中rank()表示矩阵的秩。在该步骤里，首先计算rank(R)，然后由系统选取一不大于rank(R)的正整数作为L的值。
(2.2)确定预处理矩阵T。具体方法是对R进行特征值分解(EVD)，然后选取其最大的L个特征值所对应的特征向量，并将该L个特征向量组成L×nT预处理矩阵T。
(2.3)确定功率分配矩阵P，这里可以采用两种功率分配方法(2.3.1)各子流等功率分配，即P=diag{Ptotal/L,Ptotal/L,....,Ptotal/L},]]>其中Ptotal为发送总功率限制。
(2.3.2)基于“注水”的功率分配方法。该方法中首先计算R的最大L个特征值，表示成{λ1，λ2，…，λL}，并得到Pi=(μ-Lσn2Ptotalλi)+,]]>其中μ为一常数，函数(x)+=xx≥00x<0.]]>由此，得到功率分配矩阵为P=diag{P1,P2,....,PL}.]]>第三步接收端为下一时刻发送的数据选取调制和编码参数M＝{M1，M2，…，ML}，并将其反馈回发送端，如S402。具体包括(3.1)根据当前信道特性矩阵H，预先计算各个子流1，2，…，L经滤波和MIMO检测后的等效SINR值SINR(1)，SINR(2)，…，SINR(L)。其具体方法同背景技术中介绍的PARC中计算等效SINR的过程一样，这里不再赘述。但需要注意的是，由于本方法中加入了预处理和滤波装置，因此其等效信道矩阵就发生了变化。具体说来，此时的等效信道矩阵由传统PARC中的H变为了H0＝PHTHHHRn-1HTP。也就是说，原来计算SINR公式中的H全部用H0来替换，nT全部用L来替换，比如，当采用MMSE检测时，第k个子流经检测后的SINR为SINR(k)=EsLN0[H0*H0+N0/EsIL]kk-1-1.]]>(3.2)依据所得的SINR(1)，SINR(2)，…，SINR(L)，为各个子流选取调制和编码参数M＝{M1，M2，…，ML}。这一步骤同背景技术中介绍的传统PARC方法一样，这里不再赘述。
(3.3)接收端将估计所得的各子流调制与编码参数M＝{M1，M2，…，ML}通过反馈信道发送回发送端。
第四步发送端按所得的功率分配矩阵P，预处理矩阵T和调制与编码参数M对发送数据进行相应处理并发送出去，如S412。具体说来，发送端首先按照调制与编码参数M＝{M1，M2，…，ML}对L个发送子流进行自适应调制与编码，然后用矩阵P和T分别进行功率分配和预处理，最后从nT个天线上发送出去。
第五步接收端收到该信号后，按照相应参数P，T和M对接收信号进行滤波和MIMO检测，如S403。具体包括(5.1)滤波处理，由滤波装置211来实现。假设接收信号为y，那么，经过滤波处理后的输出信号为z＝PHTHHHRn-1y，其中y为一nR维列向量，z为一L维列向量。
(5.2)对滤波输出的信号进行MIMO检测，这里可采用任一种常规的MIMO检测方法。
第六步判断是否需要重新估计信道统计特性，若是，则转到第一步，否则转到第三步，如S404。
由于信道统计特性在长时间内保持不变，因此在本方法中对信道统计特性的估计和反馈是一个长时过程，即很长时间执行一次，其具体时间长度可由系统初始设定。而对于第三步，即为发送子流选取调制和编码参数来说，因为H的变化较快，所以该操作是一个短时过程，即在很短的时间内，比如一个时隙内，就要执行一次。
图5所示为本发明所采用的方法与传统方法的性能比较。
仿真中给出了采用传统PARC方法与本发明方法下的系统吞吐性能比较。其中，发送天线数nT和接收天线数nR皆为4，信道采用了平坦瑞利衰落信道。其中的AMC采用了无编码的自适应调制，调制参数分别为“不传”、BPSK、QPSK、8PSK和16QAM，目标BER＝10-3。另外，发送相关矩阵为Rt=10.76e0.17πj0.43e0.35πj0.25e0.53πj0.76e-0.17πj10.76e0.17πj0.43e0.35πj0.43e-0.35πj0.76e-0.17πj10.76e0.17πj0.25e-0.53πj0.43e-0.35πj0.76e-0.17πj1]]>对应于ITU中天线间隔为λ/2，传输方向为10°，角度扩展为15°的情况。同时假设接收非相关。由图5的结果可见，与传统方法相比，采用本发明申请中提出的方法可以获得更好的吞吐性能。另外，从前面的分析可知，本发明方法中发送端所增加的功率分配和预处理参数都来自于系统的长时反馈和计算，因此不会为系统带来过多的反馈开销和实现复杂度上的增加。
尽管以上已经结合本发明的优选实施例示出了本发明，但是本领域的技术人员将会理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改、替换和改变。因此，本发明不应由上述实施例来限定，而应由所附权利要求及其等价物来限定。
权利要求
1.一种在空间相关多输入多输出通信系统中使用的自适应传输方法，包括接收端估计信道统计特性并将其反馈回发送端；发送端根据反馈来的信道统计特性，确定功率分配矩阵和预处理矩阵；接收端根据信道特性确定调制与编码参数并向发送端发送；以及发送端根据所确定的功率分配矩阵和预处理矩阵对发送信号进行预处理和功率分配，并根据从接收端接收到的调制与编码参数对发送信号进行调制和编码，以便通过天线发射所述发送信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述发送端根据反馈来的信道统计特性确定功率分配矩阵和预处理矩阵的步骤包括根据多输入多输出相关信道的长时统计特性来确定功率分配矩阵和预处理矩阵。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述多输入多输出相关信道的长时统计特性是R＝E{HHRn-1H}，其中H为多输入多输出信道特性矩阵，Rn为接收信号中加性噪声n的协方差矩阵，以及E为数学期望运算符。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于接收端根据信道特性确定调制与编码参数并向发送端发送的步骤包括根据短时信道特性来确定所述调制与编码参数。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于在所述发送端根据多输入多输出相关信道的长时统计特性对发送信号进行预处理和功率分配的步骤之前，还包括步骤首先确定发送端发送的并行子流数目L，L由系统选取，其值应不大于R的秩。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于发送端根据反馈来的长时信道统计特性确定预处理矩阵的步骤包括对R进行特征值分解后；以及选取其最大的L个特征值所对应的特征向量所组成的一个L×nT矩阵。
7.根据权利要求1到6中的任何一项所述的方法，其特征在于发送端根据反馈来的信道统计特性确定功率分配矩阵的步骤包括按照等功率分配和注水功率分配的方式来确定功率分配矩阵。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括接收端利用当前信道特性矩阵和信道的统计特性，通过滤波来消除发送端预处理的作用，以及通过滤波对噪声进行白化处理，并且对接收信号进行匹配滤波。
9.一种在空间相关多输入多输出通信系统中使用的自适应传输设备，包括设置在接收端的统计特性计算装置，用于估计信道统计特性并将其反馈回发送端；设置在发送端的长时控制装置，根据反馈来的信道统计特性，确定功率分配矩阵和预处理矩阵；设置在接收端的调制与编码参数选取装置，用于根据信道特性确定调制与编码参数并向发送端发送；设置在发送端的功率分配装置，用于根据所确定的功率分配矩阵对发送数据进行预处理和功率分配；设置在发送端的预处理装置，用于根据所确定的预处理矩阵对发送数据进行预处理；以及设置在发送端的调制与编码装置，根据接收端反馈回来的调制与编码参数对发送信号进行调制和编码。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于还包括滤波装置，用于利用当前信道特性矩阵和信道的统计特性，消除发送端预处理的作用，以及对噪声进行白化处理，并且对接收信号进行匹配滤波。
全文摘要
根据本发明，提出了一种在空间相关多输入多输出通信系统中使用的自适应传输方法，包括接收端估计信道统计特性并将其反馈回发送端；发送端根据反馈来的信道统计特性，确定功率分配矩阵和预处理矩阵；接收端根据信道特性确定调制与编码参数并向发送端发送；以及发送端根据所确定的功率分配矩阵和预处理矩阵对发送信号进行预处理和功率分配，并根据从接收端接收到的调制与编码参数对发送信号进行调制和编码，以便通过天线发射所述发送信号。
文档编号H04L1/02GK1909402SQ20051008939
公开日2007年2月7日 申请日期2005年8月5日 优先权日2005年8月5日
发明者佘小明, 李继峰 申请人:松下电器产业株式会社