专利名称：基于信道角度域信息的分布式空时预编码传输方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于信道角度域信息的分布式空 时预编码传输方法。
技术背景作为一种特殊的多天线系统，分布式天线系统(DAS)把各个天线单元分 布在整个小区中，并把它们用光纤或者微波和中央处理单元连接起来，这样一 方面保证了发射天线间的独立性，同时由于把收发装置与处理系统分离，这样 可以使得系统具有很强的可扩展性，并可以降低系统的建设成本。与传统的集 中式多天线系统相比，分布式系统可以进一步提高系统吞吐率、增强传输可靠 性、减少发射功率和扩大覆盖范围。尤其是，分布式天线系统与现有的TDMA、 FDMA和CDMA等多址接入方式兼容，并适用于2G、 3G、 Wi-Fi和WiMax等 无线通信技术标准，因此它具有很好的应用前景。分布式天线系统除了固有的宏分集外，还可以利用分布式空时编码获得发 射和接收分集，但是空时编码不能获得系统的阵增益。研究表明，如果在发射 端可以获得全部或者部分信道信息，并且利用这些信息对空时码字进行预处理， 使得这些空时码字能够随着信道波动做自适应的变化，就可以进一步提高系统 的性能。当前，由于分布式系统的信道量化方法还不成熟，主要利用天线选择 这一方式来进行预处理。清华大学的韩双锋等人在《Outage Probability Based Optimal Transmission of Space Time Block Codes over Correlated Distributed Antenna》 一文中以最小化中断概率为目标，提出了一种最佳的天线选择方案， 并给出了相应的功率分配策略。近年来，不少文献提出利用信道的统计信息来设计预编码矩阵，由于信道 统计信息不随信道的波动而变化，因此它比反馈信道瞬时信息具有更高的可靠 性。在前面的文献中，信道的统计信息，包括信道均值和自相关矩阵，主要利 用对瞬时信道实现取时间平均来代替统计平均，这种方法只有在反馈大量的信 道实现时才有足够的精确度，这就会大大增加系统的反馈量。另一方面，目前 很少有文献讨论利用统计信息来设计Ricean衰落中的预编码矩阵设计问题，特 别是关于Ricean K因子对码字设计的影响。 发明内容本发明的目的是为了解决上述各方案中性能低、反馈量大，信道统计信息精度不够高以及很少涉及Ricean衰落中预编码矩阵设计等问题，提出一种基于 信道角度域信息的分布式空时预编码传输方法。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的， 一种基于信道角度域信息的 分布式空时预编码传输，包括如下步骤1 )接收端通过信道估计，得到对应于每一个发射天线的视距分量入射角& 、 非视距分量平均入射角& 、角度扩展《、归一化接收天线距离Ar和K因子等角 度域信息，并把它们反馈给发射端；2) 发射端收到反馈信息后，分别根据基于角度域信息的信道均值和信道自相关矩阵构建方法，得到相应的信道均值fi和信道自相关矩阵i:;3) 如果K4，则信道H为瑞利衰落，这时如果发射信噪比小于10dB，则采 用单天线功率分配法设计预编码矩阵，如果发射信噪比大于10dB，则采用平均 功率分配法设计预编码矩阵；4) 如果K不等于零但是它小于20，这时如果发射信噪比小于10dB，则采 用单波束法设计预编码矩阵，如果发射信噪比大于10dB，则采用平均功率分配 法设计预编码矩阵；5) 如果K大于20时，利用基于奇异值分解的预编码设计法设计预编码矩阵；6) 在得到预编码矩阵后，发射端对设计好的分布式正交空时码字进行预处 理，然后把它发射出去，接收端对收到的空时码字进行最大似然解码，恢复出 所发送的空时码字。进一步地，所述的基于角度域信息的信道均值构建方法为fi(、expf-何《〗e(&)，V c 乂其中，5W为信道均值S的第m列， =《4为路径损失，《为第m根发射 天线到接收端的距离，,为载难频率，c表示光速， e(A) = 1 /exp(-_/2;rAr cos(^))...exp(-/2;r-1) Ar cos(^))了 ， 为发射天线数。进一步地，所述的基于角度域信息的信道自相关矩阵构建方法为信道自 相关矩阵可表示为一个^乂xAy^的块对角矩阵i:-diagp"…S("，其中SW为 对应于第m根发射天线的接收天线自相关矩阵，乂为接收天线数。)的第1 行第n列元素i:!: 表示第1和n根接收天线的相关系数，其可以通过如下式子计<formula>formula see original document page 5</formula>进一步地，所述的单天线功率分配法为把发射功率分配给信道增益最大的天线，即预编码矩阵F:diag0…1…01，其中l所在的位置可由下式确定 / = argmaxtr(Ii('))其中tr(sw)表示求矩阵sw的迹。进一步地，所述的平均功率分配法为把发射功率平均分配给所有的发射 天线，即预编码矩阵为。F-;U，其中U为任意7V,x^的酉矩阵。进一步地，所述的单波束功率功率分配法为把发射功率分配给信道增益 最大的发射波束，即预编码矩阵为F-VWU，其中V("为信道均值fi的最大奇异 值所对应的右奇异值矢量，U为任意iV,x7V,的酉矩阵。进一步地，所述的基于特征值分解的预编码矩阵设计法为将信道均值S进 行奇异值分解QDV"，则预编码矩阵为F:VU，其中U为任意7V,xiV,的酉矩阵。本发明具有的有益效果是本发明利用信道角度域信息，构建出信道的均 值和自相关矩阵，并在此基础上得到了空时预编码矩阵，这种方法由于只要反 馈信道的角度域信息，可以有效的降低系统的反馈量，另一方面，它比原来利 用时间平均得到的信道信息更加精确，因此可以提高系统的性能。此外，本专 利分别给出了 Rayleign和Ricean衰落时的子最佳预编码矩阵设计方法，这种方 法可以在保持系统性能的同时，有效的较低设计的复杂度。另外，本发明还给 出了 K因子较高时的预编码矩阵设计方法，这种预编码矩阵可以渐近取得系统 性能的上限。
图l是系统整体框图；图2是采用不同空时预编码传输时，系统误符号率(SER)性能的比较图； 图3是不同路径损耗时，系统误符号率(SER)性能的比较图； 图4是不同接收天线数时，系统误符号率(SER)性能的比较图； 图5是不同归一化天线距离(NAS)时，系统误符号率(SER)性能的比较； 图6是不同Riceani因子时，系统误符号率(SER)性能的比较图。
具体实施方式
下面根据附图详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。 本发明的基于信道角度域信息的分布式空时预编码传输方法包括如下步骤1 )接收端通过信道估计，得到对应于每一个发射天线的视距分量入射角《9m 、 非视距分量平均入射角&、角度扩展《、归一化接收天线距离Af和K因子等角 度域信息，并把它们反馈给发射端；图1为一个乂xA^的分布式天线系统，其中基站(BS)有i^根天线(即接 入点)，分布在整个小区内，并用光纤或者微波把它们同中央处理单元(CPU) 连接起来，各接入点只负责信号的收发，所有的信号处理都在中央处理单元实 现，这样有利于系统的可扩展性，随时可以根据系统的要求增加或者减少接入 点的数目。在移动用户端(MU)，配置有^根集中式天线。在发送所需传输的数据前，发射端先发送一段训练序列，接收端利用这些 训练序列，估计出每个发射天线所对应信号的平均入射角《和角度扩展《， 附4，…，iV,，并把它们同归一化接收天线距离^和Ricean衰落K因子一起反馈给发送端o2)发射端收到反馈信息后，分别根据基于角度域信息的信道均值和信道自 相关矩阵构建方法，得到相应的信道均值fi和信道自相关矩阵i:;通常情况下，信道矩阵H可表示为H、f^S + ,『"1"1fi，其中S表示信道的固定部分，即信道矩阵，fi为信道的可变部分，它是由多径衰落引起的。我们 先考虑信道的可变部分fi，根据电磁传播原理，由天线m发射的信号，经散射 体散射后，以多径的形式到达接收端，其平均入射角为《，角度扩展为《，这 样，fi的自相关矩阵可表示为(1)..0其中，EW为相对于天线m的接收天线自相关矩阵，它的第l行第n列元素可表示为I:;;)=《exp (-/2;r |/ - "| Ar cos (《))exp f -1 (2;r |/ - "| Ar sin ) crm )2〗。对于信道不变部分ii，其第m列可表示为"1 = flm exp仅)其中，fiW为信道均值fi的第m列， -^C为路径损失，《为第m根发射天线 到接收端的距离，义为载波频率，c表示光速， e(A) = 1 /#[1 exp(—7'2冗~ cos(>9 ))…exp(力.2;r(W, — 1)Ar cos(^))了 。3)如果Ki，则信道h为瑞利衰落，这时如果发射信噪比较低(小于10dB)， 则采用单天线功率分配法设计预编码矩阵，如果发射信噪比较高(大于10dB)，则采用平均功率分配法设计预编码矩阵。在本发明中，以空时编码的成对错误概率为优化目标来设计预编码矩阵。当信道为Rayleigh衰落时，其优化目标可表示为/， =det i + ，e1/2cde"2 ，其中<D = 、 FF'。当发射信噪比y较小时，对^进行泰勒展开，舍去其高阶项，其优 化目标简化为人-tr(2'"①S"2)，利用拉格朗日乘子法求解这一优化问题，可得预 编码矩阵F:diag(0…1…0)，其中l所在的位置可由下式确定/ = argmaxtr&w)，其中tr(lL('))表示求矩阵2:w的迹，即把发射功率分配给信道增益最大的那根天线。 当发射信噪比y较大时，优化目标可简化为^-dd(i:"2肌""，求解这一问题，可得预编码矩阵为F-;U，其中U为任意iV,xAT,的酉矩阵，即把发射功率平均分配给所有的发射天线。图2对Rayleign衰落条件下的空时预编码传输策略的性能进行了比较，本 发明给出的预编码矩阵设计方法，具有很低的设计复杂度，但是它与最佳的预 编码矩阵具有很接近的性能。图3是不同路径损耗时，本发明提出的空时预编 码传输策略的性能的变化，当天线间的路径损耗相差越大时，这种预编码策略 的性能越好，并且两种策略切换的信噪比门限越往后推延。图4为不同接受天 线数时，本发明提出的空时预编码策略的性能的变化，随着接受天线数的增加， 可以的获得的分集阶数也得到相应的增大，这是系统的性能也得到相应的提高。 图5为不同归一化接受天线距离时，系统性能的比较，随着天线间距离的增大， 它们之间的相关系数不断减小，这样预编码策略可以获得的分集和编码增益就 随之增加，所以系统的可靠性不断增强。4)如果K不等于零但是它较小(小于20)，这时如果发射信噪比较低(小 于10dB)，则采用单波束法设计预编码矩阵，如果发射信噪比较高(大于10dB)， 则采用平均功率分配法设计预编码矩阵。当K不等于零时，信道为Ricean衰落，这时系统的优化目标可表示为<formula>formula see original document page 9</formula>当发射信噪比y较小时，这一优化目标可简化为人-tr(SFF'S')，求解这一优化 问题，可得预编码矩阵为F:VWU，其中V("为信道均值S的最大奇异值所对应 的右奇异值矢量，U为任意A^iV,的酉矩阵，即把发射功率全部分配给信道增益 最大的那个波束。当,较小时，上述优化目标可简化为/一detp"虹"2)，求解这一问题，可得 预编码矩阵为F:;U，其中U为任意W,xW,的酉矩阵，即把发射功率平均分配给所有的发射天线。图6为不同K因子时，系统性能的比较，从图中可知，采用本发明提出的 空时预编码策略，在Ricean衰落条件下能比Rayleigh衰落条件下取得更好的性 能，并且随着K的增大，所能获得的性能增益不断增加。5) 如果K较大时(大于20)，利用基于奇异值分解的预编码设计法设计预 编码矩阵。由于K足够大时，信道的可变项fi可以忽略不计，这时发送端几乎 可以完全知道信道信息，这时，利用信道的右奇异值矩阵对空时码字进行预编 码，可以取得最大的性能。6) 在得到预编码矩阵后，发射端对设计好的分布式正交空时码字进行预处 理，然后把它发射出去，接收端对收到的空时码字进行最大似然解码，恢复出 所发送的空时码字。本发明的自适应的随机波束模式选择方法和系统能够在最小化对主用户网 络干扰的前提下，最大化从用户网络的容量，从而显著提高系统的频谱效率。
权利要求
1、一种基于信道角度域信息的分布式空时预编码传输方法，其特征在于，包括如下步骤1)接收端通过信道估计，得到对应于每一个发射天线的视距分量入射角 id="icf0001" file="A2009100992760002C1.tif" wi="4" he="4" top= "46" left = "184" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>、非视距分量平均入射角θm、角度扩展σm2、归一化接收天线距离Δr和K因子等角度域信息，并把它们反馈给发射端。2)发射端收到反馈信息后，分别根据基于角度域信息的信道均值和信道自相关矩阵构建方法，得到相应的信道均值H和信道自相关矩阵∑。3)如果K＝0，则信道H为瑞利衰落，这时如果发射信噪比小于10dB，则采用单天线功率分配法设计预编码矩阵，如果发射信噪比大于10dB，则采用平均功率分配法设计预编码矩阵。4)如果K不等于零但是它小于20，这时如果发射信噪比小于10dB，则采用单波束法设计预编码矩阵，如果发射信噪比大于10dB，则采用平均功率分配法设计预编码矩阵。5)如果K大于20时，利用基于奇异值分解的预编码设计法设计预编码矩阵。6)在得到预编码矩阵后，发射端对设计好的分布式正交空时码字进行预处理，然后把它发射出去，接收端对收到的空时码字进行最大似然解码，恢复出所发送的空时码字。
2、 根据权利要求1所述的基于信道角度域信息的分布式空时预编码传输策 略，其特征在于，所述的基于角度域信息的信道均值构建方法为:"m exp乂其中，iiW为信道均值S的第m列， =《4为路径损失，《为第m根发射 天线到接收端的距离，/￡为载波频率，c表示光速， e(^卜l/^[lexp("/27TA^os(^))…exp(-/2;r(7V,-l)A,C0S( 9m))]"， iV,为发射天线数。
3、根据权利要求1所述的基于信道角度域信息的分布式空时预编码传输策 略，其特征在于，所述基于角度域信息的信道自相关矩阵构建方法为信道自相关矩阵可表示为一个iVAxiv,乂的块对角矩阵2^diag(i:。…i:w))，其中i:w为对应于第m根发射天线的接收天线自相关矩阵，^为接收天线数。S—)的第1 行第n列元素S^表示第1和n根接收天线的相关系数，其可以通过如下式子计<formula>formula see original document page 3</formula>
4、 根据权利要求1所述的基于信道角度域信息的分布式空时预编码传输策略，其特征在于，所述的单天线功率分配法为把发射功率分配给信道增益最大的天线，即预编码矩阵F-diag(0…l…0"其中l所在的位置可由下式确定 <formula>formula see original document page 3</formula>其中tr (ZW)表示求矩阵S 的迹。
5、 根据权利要求1所述的基于信道角度域信息的分布式空时预编码传输策 略，其特征在于，所述的平均功率分配法为把发射功率平均分配给所有的发射天线，即预编码矩阵为F二;U，其中U为任意^xA^的酉矩阵。
6、 根据权利要求1所述的基于信道角度域信息的分布式空时预编码传输策 略，其特征在于，所述的单波朿功率功率分配法为把发射功率分配给信道增 益最大的发射波束，即预编码矩阵为F-VWU，其中V("为信道均值S的最大奇 异值所对应的右奇异值矢量，U为任意iV,x^的酉矩阵。
7、 根据权利要求1所述的基于信道角度域信息的分布式空时预编码传输策 略，其特征在于，所述的基于特征值分解的预编码矩阵设计法为将信道均值S 进行奇异值分解QDV"，则预编码矩阵为F:VU，其中U为任意yxJV,的酉矩阵。
全文摘要
本发明公开了一种基于信道角度域信息的分布式空时预编码传输方法，其关键是接收端把通过信道估计得到的信道角度域信息，包括平均入射角、角度扩展和归一化接收天线距离，反馈给发射端，收到反馈信息后，发射端首先构建出信道的统计信息，包括均值和相关矩阵，然后利用这些信息设计最佳的预编码矩阵，对预先设计好的空时码字进行预处理。这种基于信道角度域信息的分布式空时预编码传输方法一方面可以得到更加精确的信道统计信息，另一方面可以进一步减少所需的反馈量。
文档编号H04L1/02GK101567765SQ20091009927
公开日2009年10月28日 申请日期2009年6月4日 优先权日2009年6月4日
发明者张建敏, 张朝阳, 李雪娇, 超 王, 陈晓明 申请人:浙江大学