專利名稱：多輸入多輸出系統(tǒng)中通信方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，特別涉及多輸入多輸出(Multiple InputMultiple Output，簡稱“MIMO”)系統(tǒng)中與功率分配相關(guān)的技術(shù)。

背景技術(shù)：
目前，MIMO技術(shù)在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越受到重視，無論是從增加系統(tǒng)容量的角度還是改善系統(tǒng)性能的角度，MIMO都有其不可替代的優(yōu)越性。MIMO主要分為兩大類，一類是以最大化分集增益為目的的空間分集技術(shù)，另一類則是以最大化數(shù)據(jù)速率為目的的空分復(fù)用技術(shù)。MIMO系統(tǒng)通過分別在發(fā)送端和接收端放置多根天線以提高無線鏈路在頻譜效率及鏈路的可靠性。其中，基于空分復(fù)用技術(shù)的MIMO系統(tǒng)在多天線上發(fā)射獨立數(shù)據(jù)流，獲得空間復(fù)用增益，提高數(shù)據(jù)傳輸速率。
近年來的研究表明，線性預(yù)編碼是一種簡單而有效的利用信道信息提高空分復(fù)用MIMO系統(tǒng)性能的方法。目前對預(yù)編碼的研究中大都基于發(fā)送端已知完整的信道狀態(tài)信息(Channel State Information，簡稱“CSI”)這一假設(shè)條件。然而，在很多MIMO系統(tǒng)中，上、下行信道不具有互易性，此時發(fā)送端只能通過反饋信道來獲取CSI。由于頻譜資源的限制，在信道的相干時間內(nèi)反饋信道僅可以提供有限的反饋比特數(shù)。因此，在實際的點對點MIMO系統(tǒng)預(yù)編碼設(shè)計時，為了減少反饋信息量，經(jīng)常采用碼本形式來設(shè)計預(yù)編碼。通過在收、發(fā)端維護一個相同的預(yù)編碼碼本，接收端按照估計的CSI從碼本選擇一個最優(yōu)的碼字，通過反向控制鏈路反饋給發(fā)送端，研究結(jié)果表明系統(tǒng)以較少的反饋信息量獲得了較大的性能提升。
對有限反饋的空分復(fù)用MIMO系統(tǒng)而言，通常在各子信道間進行等功率分配，然而由于無線通信系統(tǒng)通常需要滿足一定的服務(wù)質(zhì)量(Quality ofService，簡稱“QoS”)要求，如目標(biāo)誤幀率(Frame Error Rate，簡稱“FER”)或目標(biāo)誤比特率(Bit Error Rate，簡稱“BER”)。要獲得理想的系統(tǒng)容量，需要無限長的碼字和連續(xù)的調(diào)制星座圖尺寸與連續(xù)的功率分配值，調(diào)度器不會將待發(fā)送數(shù)據(jù)放在不能滿足QoS要求的嚴(yán)重衰落子信道上發(fā)送，另外，在實際中也不可能使用連續(xù)的調(diào)制星座圖尺寸。
基于自適應(yīng)調(diào)制編碼方式(Modulation and Coding Scheme，簡稱“MCS”)的有限反饋空分復(fù)用MIMO系統(tǒng)模型如圖1所示，假設(shè)發(fā)送端配置Nt根發(fā)射天線，接收端配置Nr根接收天線，空分復(fù)用的獨立子數(shù)據(jù)流個數(shù)為M，1≤M＜min(Nt，Nr)。假設(shè)信道是準(zhǔn)靜態(tài)平坦瑞利衰落，即信道在一幀內(nèi)保持不變，在幀間獨立變化，信道矩陣元素間是獨立同公布的，且服從均值為0，方差為1的復(fù)高斯隨機分布。假設(shè)系統(tǒng)具有理想信道估計、符號同步接收和定時，在接收端得到的控制信息無延遲和差錯反饋回發(fā)送端。在圖1中發(fā)送端預(yù)編碼由功率分配矩陣和波束形成矩陣兩個功能模塊組成，且接收端輸出信號可以表示為 其中y表示為Nr×1維的接收信號矢量，Es表示為發(fā)送端總功率，Nr×Nt維信道矩陣H由復(fù)高斯隨機變量組成，n表示為Nr×1維噪聲矢量，其元素由獨立同分布的高斯隨機變量CN(0，σ2)組成，W為Nt×M維的波束形成矩陣，為M×M維非負(fù)對角化矩陣，其中g(shù)＝(g1，g2，......，gM)為M路子數(shù)據(jù)流對應(yīng)的歸一化功率分配矢量，并對其歸一化為維的發(fā)射信號矢量X＝[x1，x2，......，xM]T由M個相互獨立的符號組成，由于功率約束的原因，每個符號功率歸一化為1，即其中[·]T為轉(zhuǎn)置操作符，E[·]為期望運算符。
空分復(fù)用MIMO系統(tǒng)接收的信號由相互干擾的獨立子數(shù)據(jù)流組成，在已知完整CSI的情況下，可以在發(fā)送端采用特征波束形成方法消除符號間干擾。將MIMO信道矩陣H進行SVD分解可以表示為 H＝UΛVH(2) 其中U是Nr×Nr維的左特征矢量矩陣，V是Nt×Nt維的右特征矢量矩陣，Λ是Nr×Nt維的非負(fù)對角化矩陣，Λ矩陣的對角元由信道矩陣H的奇異值組成。通過發(fā)送端特征波束形成(令多波束矢量W為V)以及接收信號矢量左乘于矩陣UH，即可將信道分成Nt個并行獨立等效子信道，因此式(1)可表述為 需要指出的是，上述方案要求發(fā)送端(如基站)精確已知接收端(如終端)的完整CSI，要求接收端反饋完整CSI給發(fā)送端，然而受反饋頻譜資源的限制，實現(xiàn)起來比較困難。因此在實際應(yīng)用中，單終端MIMO系統(tǒng)預(yù)編碼設(shè)計時往往采用碼本的方式減少反饋量，即在發(fā)送端和接收端同時維護一個已知預(yù)編碼矩陣的集合，即碼本。常用的如Grassmannian碼本和高通碼本，接收端根據(jù)估計的信道信息從碼本中選取一個最優(yōu)的預(yù)編碼矩陣，并把該矩陣在碼本中的編號反饋給發(fā)送端以供查詢。研究表明，在有限比特數(shù)反饋下，空分復(fù)用MIMO系統(tǒng)最優(yōu)的預(yù)編碼矩陣可以等效為功率控制系數(shù)矩陣和多波束矢量的乘積，而最優(yōu)的多波束矢量可以在平均功率約束下，采取優(yōu)化準(zhǔn)則從碼本中選取。針對信道矩陣H的一個實現(xiàn)，基于信噪比(SignalNoise ratio，簡稱“SNR”)準(zhǔn)則的多波束形成矢量W選取準(zhǔn)則為 式中λmin{A}表示矩陣A的最小奇異值，Ω表示由L個尺度為Nt×M維碼字矩陣W1，W2，......，WL組成的碼本，其元素Wi滿足因此接收端可以按一定順序遍歷選取碼本中的元素，根據(jù)式(4)給定的準(zhǔn)則，選取最優(yōu)的波束形成矩陣W。研究表明，當(dāng)L→∞時，波束形成矩陣W就是信道矩陣H的右特征矢量V前面M列。
若波束形成矩陣為W，由于量化誤差的影響，接收端信號矢量左乘于矩陣UH后得到的各路數(shù)據(jù)流存在相互干擾，因此為了消除各路數(shù)據(jù)之間的干擾，假設(shè)在接收端采用迫零檢測，對接收信號y進行迫零處理后得到的輸出信號為 式中H＝HWG，噪聲項x的第k個元素xk為檢測第k路數(shù)據(jù)流xk的判決變量，根據(jù)調(diào)制方式對其進行硬判決即完成對xk的迫零檢測。由式(5)可知，判決變量xk對應(yīng)的信噪比為 基于有限反饋的空分復(fù)用MIMO系統(tǒng)，由于多波束形成矢量量化誤差的影響，使接收端各子信道存在相互干擾，為了消除各路數(shù)據(jù)間的干擾，假設(shè)在接收端采用迫零檢測算法完全消除子信道間符號干擾，因此在給定波束形成矩陣W的條件下，各子信道的檢測信噪比可以通過式(6)來計算。采用Gray映射的方形正交調(diào)幅(Quarduture Amplitude Modulation，簡稱“QAM”)信號，在給定調(diào)制方式以及檢測信噪的情況下，其BER性能可近似表示為 式中R為調(diào)制符號包含信息位。因此在給定每路數(shù)據(jù)目標(biāo)誤比特率為BER0情況下，每路數(shù)據(jù)的調(diào)制方式取決于判決變量的信噪比。
假設(shè)發(fā)送端有J種可采用的調(diào)制方式其中R1＜R2＜......＜RJ?？傻玫竭@些調(diào)制方式實現(xiàn)目標(biāo)BER0分別需要的信噪比域值γ1，γ2，…γJ。針對目標(biāo)BER受限的功率分配問題，當(dāng)檢測信噪比SNR＜γ1時，則不發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)SNR≥γJ，則采用

當(dāng)γj≤SNR＜γj+1，則采用

其中，j＝1，2，......，J-1。
然而，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在采用上述MCS的情況下，如果系統(tǒng)采用等功率分配方案，則每路子信道的功率僅有一部分用于選取的能獲得最大傳輸速率的MCS。這是因為，每路子信道分配到的功率與其它子信道分配到的功率相等，因此通常情況下分配到的功率將略大于本路子信道使用的MCS所需的功率，而剩余功率則將用于改善系統(tǒng)的差錯性能，所以，總發(fā)射功率未被有效利用，影響了頻譜的利用率。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施方式要解決的主要技術(shù)問題是提供一種多輸入多輸出系統(tǒng)中通信方法及裝置，使得在相同的總功率下頻譜的利用率得以提高； 本發(fā)明的另一個目的在于減少信息的反饋量。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的實施方式提供了一種多輸入多輸出系統(tǒng)中功率分配方法，包括至少一次下面的優(yōu)化步驟 比較每個子信道支持比當(dāng)前更高一階的調(diào)制編碼方式需要增加的功率，選擇需要增加的功率最小的一個子信道，從尚未分配的功率中取出所選的子信道更高一階調(diào)制編碼方式所需要增加的功率分配給該路子信道。
本發(fā)明的實施方式還提供了一種多輸入多輸出系統(tǒng)中功率分配方法，包括以下步驟 按照上文所述的方法進行功率分配； 如果分配有功率的至少一個子信道不能滿足服務(wù)質(zhì)量要求，則關(guān)閉該子信道，在剩余的各子信道中重新按照上文所述的方法進行功率分配。
本發(fā)明的實施方式還提供了一種多輸入多輸出系統(tǒng)中功率分配裝置，包括 比較單元，用于比較每個子信道支持比當(dāng)前更高一階的調(diào)制編碼方式需要增加的功率； 選擇單元，用于根據(jù)比較單元得到的結(jié)果，選擇需要增加的功率最小的一個子信道； 分配單元，用于從尚未分配的功率中取出選擇單元所選的子信道更高一階調(diào)制編碼方式所需要增加的功率分配給該路子信道。
本發(fā)明的實施方式還提供了一種多輸入多輸出系統(tǒng)中反饋方法，包括以下步驟 接收端根據(jù)當(dāng)前信道條件，從功率分配碼本中選擇最佳的功率分配矢量，將該功率分配矢量在功率分配碼本中的序號反饋給發(fā)送端，指示該發(fā)送端以該序號在與該接收端相同的功率分配碼本中對應(yīng)的功率分配矢量為各子信道進行功率分配；其中，功率分配碼本包含至少兩個功率分配矢量。
本發(fā)明的實施方式還提供了一種多輸入多輸出系統(tǒng)中接收裝置，包括 第一存貯單元，用于保存功率分配碼本，該功率分配碼本中包含至少兩個功率分配矢量； 第一碼字選擇單元，用于根據(jù)當(dāng)前信道條件，從第一存貯單元保存的功率分配碼本中選擇最佳的功率分配矢量； 第一反饋單元，用于將第一碼字選擇單元所選的功率分配矢量在功率分配碼本中的序號反饋給發(fā)送端。
本發(fā)明的實施方式還提供了一種多輸入多輸出系統(tǒng)中發(fā)送裝置，包括 第一存貯單元，用于保存與接收端相同的功率分配碼本，該功率分配碼本中包含至少兩個功率分配矢量； 第一接收單元，用于接收來自接收端的代表功率分配矢量的序號； 第一查找單元，用于根據(jù)第一接收單元收到的序號從第一存貯單元保存的功率分配碼本中找到對應(yīng)的功率分配矢量； 功率分配單元，根據(jù)第一查找單元找到的功率分配矢量為各子信道進行功率分配。
本發(fā)明的實施方式還提供了一種功率分配碼本的構(gòu)造方法，包括以下步驟 A對碼本和平均失真進行初始化； B生成訓(xùn)練序列； C按照訓(xùn)練序列對于當(dāng)前碼本最小誤差將整個取值空間分割為M個分割域，將訓(xùn)練序列中所有矢量分配到與該矢量距離最近的分割域中，其中M為碼本中矢量的維數(shù)； D計算訓(xùn)練序列中各矢量與當(dāng)前碼本中各矢量之間的平均失真； E如果本次計算所得的平均失真小于前一次平均失真，則將碼本中各矢量更新為各分割域中平均失真最小的矢量并回到步驟B，否則將當(dāng)前碼本作為最終的功率分配碼本。
本發(fā)明實施方式與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要區(qū)別及其效果在于 通過將尚未分配的功率集中分配給最容易提高調(diào)制編碼階數(shù)的子信道，可以在相同的總功率下提高頻譜的利用率。
使用碼本反饋功率分配矢量，可以有效地減少信息的反饋量。
通過聚類的方法可以有效地生成最優(yōu)的功率分配碼本。



圖1是現(xiàn)有技術(shù)中基于自適應(yīng)MCS的有限反饋空分復(fù)用MIMO系統(tǒng)模型示意圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的MIMO系統(tǒng)中功率分配方法流程圖； 圖3是根據(jù)本發(fā)明第三實施方式的MIMO系統(tǒng)中功率分配裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是根據(jù)本發(fā)明第四實施方式的MIMO系統(tǒng)中反饋方法流程圖； 圖5是根據(jù)本發(fā)明各實施方式的仿真結(jié)果示意圖； 圖6是根據(jù)本發(fā)明第六實施方式的MIMO系統(tǒng)中接收裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7是根據(jù)本發(fā)明第七實施方式的MIMO系統(tǒng)中發(fā)送裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施例方式 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作進一步地詳細(xì)描述。
本發(fā)明的第一實施方式涉及一種MIMO系統(tǒng)中功率分配方法，在本實施方式中，比較每個子信道支持比當(dāng)前更高一階的MCS需要增加的功率，選擇需要增加的功率最小的一個子信道，從尚未分配的功率中取出所選的子信道更高一階MCS所需要增加的功率分配給該路子信道，直至尚未分配的功率小于所選的子信道更高一階MCS所需要增加的功率，具體流程如圖2所示。
在步驟210中，按等功率分配方案為每個子信道初步確定MCS，為每個子信道分配支持該初步確定的MCS必需的功率。
具體地說，首先根據(jù)目標(biāo)BER0性能要求，計算J種調(diào)制方式對應(yīng)的信噪比域值γ1，γ2，… γJ，然后初始化歸一化功率分配矢量g，使其每個元素為0(gk＝0，1，2，......，k)、各子信道數(shù)據(jù)流的調(diào)制階數(shù)qk＝0，1，2，......，k，以及剩余發(fā)射功率P＝ES，其中K為支持的數(shù)據(jù)流個數(shù)，初始化為信道矩陣H的秩。
然后，根據(jù)式(4)定義的選擇準(zhǔn)則，從長度為L的碼本Ω中選取最優(yōu)的波束形成矩陣W，其中W的尺度為Nt×K。選取的波束形成矩陣W即為每個子信道初步確定的MCS，接著，為每個子信道分配支持該初步確定的MCS必需的功率。
在本步驟中，使用等功率分配方案初步確定各子信道的MCS，從而可以較快速地對各子信道的MCS和功率分配進行初始化。
接著，進入步驟220，比較每個子信道支持比當(dāng)前更高一階的MCS需要增加的功率，并選擇需要增加的功率最小的一個子信道。
具體地說，計算各子信道數(shù)據(jù)流采用更高一階MCS所需增加的功率ΔPk，其中k＝1，2，......，K，。然后，選擇采用更高一階MCS所需功率最小的子信道及所需增加的功率 接著，進入步驟230，判斷尚未分配的功率是否大于所選的子信道更高一階MCS所需要增加的功率，即是否滿足P≥ΔPmin。如果P≥ΔPmin，則進入步驟240，如果P＜ΔPmin，則進入步驟250。
在步驟240中，從尚未分配的功率中取出所選的子信道更高一階MCS所需要增加的功率分配給該路子信道。也就是說，若P≥ΔPmin，則P＝P-ΔPmin，qk＝qk+1，gk＝gk+ΔPk/Es。在完成本步驟后，回到步驟220，繼續(xù)比較每個子信道支持比當(dāng)前更高一階的MCS需要增加的功率，并選擇需要增加的功率最小的一個子信道。
由此可見，通過將尚未分配的功率集中分配給最容易提高調(diào)制編碼階數(shù)的子信道，可以在相同的總功率下提高頻譜的利用率。而且，通過多次優(yōu)化可以充分利用尚未分配的功率。
如果P＜ΔPmin，則進入步驟250，將該尚未分配的功率平均分配到每個子信道。具體地說，若P＜ΔPmin則先確定可用子信道數(shù)M，該M滿足或其中由于剩余功率(即尚未分配的功率)已無法再提高任何子信道的調(diào)制編碼階數(shù)時，因此，可以將尚未分配的功率平均分配給各傳輸數(shù)據(jù)的子信道，從而進一步系統(tǒng)的差錯性能。即將剩余功率P在M個可用子信道上進行再分配 值得一提的是，在本實施方式中，為每個子信道初步確定MCS是以按等功率分配方案為例來說明的，在實際應(yīng)用中，可以采用除等功率分配方案外的其它的方式，來為每個子信道初步確定MCS，如將每路子信道都定為最低階的MCS。
本發(fā)明的第二實施方式涉及一種MIMO系統(tǒng)中功率分配方法，本實施方式在第一實施方式的基礎(chǔ)上，進一步判斷分配有功率的子信道是否能滿足QoS要求，如果分配有功率的子信道不能滿足QoS要求，則關(guān)閉該子信道，在剩余的各子信道中重新按照第一實施方式中所述的功率分配方法進行功率分配，直至所有分配有功率的子信道均能滿足QoS要求。
具體地說，在按照第一實施方式中所述的功率分配方法進行功率分配后，某些空分復(fù)用子信道可能由于嚴(yán)重衰落不能滿足QoS要求而關(guān)閉，這樣實際可用波束數(shù)將小于信道矩陣H的秩。因為在碼本長度一定的情況下，隨著形成波束個數(shù)的增加，對波束形成矩陣W的量化誤差也隨著增加，所以為了減少量化誤差，需要對第一實施方式中的功率分配方法進行改進。
首先假設(shè)波束形成矩陣W為信道矩陣H的右特征矢量矩陣V，運用第一實施方式中的功率分配方法確定可用的子信道的數(shù)目Mopt，然后令k等于Mopt，再重新進行功率分配，直至所有分配有功率的子信道均能滿足QoS要求。
不難發(fā)現(xiàn)，在本實施方式中，通過關(guān)閉無法滿足QoS需求的子信道，并對剩余的各子信道的功率分配重新進行優(yōu)化，從而可以充分利用原先分配給這些被關(guān)閉子信道的功率。
本發(fā)明的第三實施方式涉及一種MIMO系統(tǒng)中功率分配裝置，如圖3所示，包括比較單元，用于比較每個子信道支持比當(dāng)前更高一階的MCS需要增加的功率；選擇單元，用于根據(jù)該比較單元得到的結(jié)果，選擇需要增加的功率最小的一個子信道；分配單元，用于從尚未分配的功率中取出該選擇單元所選的子信道更高一階MCS所需要增加的功率分配給該路子信道。以便將尚未分配的功率集中分配給最容易提高調(diào)制編碼階數(shù)的子信道，從而在相同的總功率下提高頻譜的利用率。
本實施方式中的裝置還可以包括初始化單元、第一控制單元和均分單元。該初始化單元用于為每個子信道初步確定MCS，為每個子信道分配支持初步確定的MCS必需的功率。該初始化單元在為每個子信道分配支持初步確定的MCS必需的功率后，指示比較單元、選擇單元、和分配單元分配尚未分配的功率。
該第一控制單元用于控制該比較單元、選擇單元、和分配單元重復(fù)地分配尚未分配的功率，直至該尚未分配的功率小于選擇單元所選的子信道更高一階MCS所需要增加的功率，通過多次優(yōu)化可以充分利用尚未分配的功率。
該均分單元用于在將尚未分配的功率平均分配到每個子信道。該第一控制單元判定尚未分配的功率小于選擇單元所選的子信道更高一階MCS所需要增加的功率時，指示該均分單元將尚未分配的功率平均分配到每個子信道，從而進一步系統(tǒng)的差錯性能。
另外，本實施方式中的裝置還可以包括第二控制單元，用于在比較單元、選擇單元、分配單元、和第一控制單元完成功率分配后，判斷是否存在分配有功率的不能滿足QoS要求的子信道，如果存在則關(guān)閉該子信道，并指示比較單元、選擇單元、分配單元、和第一控制單元在剩余的各子信道中重新進行功率分配，從而充分利用原先分配給這些被關(guān)閉子信道的功率。
本發(fā)明的第四實施方式涉及一種MIMO系統(tǒng)中反饋方法，由于接收端在每個反饋周期內(nèi)應(yīng)向發(fā)送端反饋的消息包括多波束形成矢量W的波束數(shù)Mopt及其在尺度為Nt×Mopt的碼本Ω中的序號、Mopt個數(shù)據(jù)流對應(yīng)的調(diào)制階數(shù)qk(k＝1，2，…，Mopt)，和功率分配系數(shù)。而采用上述各實施方式的功率分配方法只在可用子信道之間分配功率，因此接收端只需要反饋M個可用子信道對應(yīng)的功率分配系數(shù)即可，其中 從反饋的數(shù)據(jù)類型可以看出，除功率分配系數(shù)外，其它反饋數(shù)據(jù)都可以用有限位比特表示，為了減少反饋量，需要對功率分配系數(shù)進行量化。通常有兩種方法對矢量進行量化，一種方法為標(biāo)量量化方法，即對每個矢量元素進行量化的方法，另一種方法為矢量量化方法，即按照矢量的統(tǒng)計特性，將其設(shè)計成碼本形式，然后按某種準(zhǔn)則從該碼本中則選擇最優(yōu)碼字作為其量化結(jié)果的方法。相關(guān)研究表明，矢量量化的效果優(yōu)于標(biāo)量量化，即在相同的反饋量的情況下，后者的量化誤差更小。此外，由于在發(fā)射總功率及信道條件變化時，功率分配矢量g的維數(shù)M將變化，因此本實施方式將不同維的功率分配矢量設(shè)計成不同尺度的碼本形式，并且在發(fā)送端和接收端都保存包含這些功率分配矢量的功率分配碼本。接收端將根據(jù)功率分配結(jié)果從功率分配碼本選取最佳的功率分配矢量，并將該功率分配矢量在碼本中的序號反饋給發(fā)送端，發(fā)送端以該序號在功率分配碼本中對應(yīng)的碼字作為功率分配系數(shù)，從而為各子信道進行功率分配。
本實施方式的具體流程如圖4所示，在步驟410中，接收端根據(jù)第一或第二實施方式中所述的功率分配方法為各子信道進行功率分配。
接著，在步驟420中，接收端從功率分配碼本中，選擇與在步驟410中得到的功率分配結(jié)果最接近的功率分配矢量，作為最佳的功率分配矢量。下面對功率分配碼本的構(gòu)造進行具體說明。
假設(shè)存在約束(及gk＞0，

)的功率分配矢量g＝[g1，g2，…，gM]T為各態(tài)歷經(jīng)分布，由其決定的M維空間經(jīng)矢量量化后將被分割為L個決策區(qū)域Ri，1≤i≤L，每一個決策區(qū)域包括一個重建矢量ri＝[r1，r2，…，rM]，即碼字，由重建矢量形成的集合即為碼本C。本實施方式定義量化失真測度為 式中d(x，y)表示向量x和向量y間的歐氏距離，Pg(g)＝P(g∈Ri)表示隨機矢量g落在決策區(qū)域Ri的概率。根據(jù)失真測度分析，需要獲得最佳重建向量ri，必需知道概率分布Pg(g)，但是這個信息在實際上難于獲得和求解。在實際工程中可采用聚類的方法，依矢量之間的歐氏距離將其分類，最后找出每一類別的重心，即碼向量?；谝陨戏治?，本實施方式提出了一種基于K-均值聚類的功率分配碼本設(shè)計方法，其步驟如下 (1)確定碼本的大小L以及碼字的維度M。設(shè)t＝0，給定初始化碼本及失真測度Jt＝inf，其中并對其歸一化 (2)生成N個M×1維的訓(xùn)練序列T(g1t，g1t，…，gNt)，其中并對其歸一化為了使T具有遍歷性應(yīng)使N遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于M。
(3)針對碼本Ct，找出訓(xùn)練序列T對于碼本的最小誤差分割，使訓(xùn)練序列T中所有的矢量都分配到與之距離最近的分割域Ri中 且假設(shè)在分割域Ri中的向量個數(shù)為Mi，i＝1，…，L。
(4)計算平均失真其中1≤i≤L。
(5)若Jt-Jt+1＞ε，更新碼本Ct，其碼向量ri是使最小的值，即令t＝t+1，返回第(2)步。若Jt-Jt+1≤ε，Ct即為所求維度為M的功率分配碼本。
在接收端完成功率分配后，最優(yōu)的功率分配矢量可以以失真率最小為準(zhǔn)則，從步驟(1)至(5)中所設(shè)計的功率分配碼本中選取 式中C表示由L個矢量r1，r2，…，rL組成的碼本，其中每個矢量的維數(shù)與功率分配矢量g相同，gs為選取的功率分配矢量。
接著，在步驟430中，接收端將選取的功率分配矢量在功率分配碼本中的序號反饋給發(fā)送端，指示該發(fā)送端以該序號在與該接收端相同的功率分配碼本中對應(yīng)的功率分配矢量為各子信道進行功率分配。
由于在本實施方式中，接收端使用碼本反饋功率分配矢量，有效地減少了信息的反饋量。并且，通過聚類的方法可以有效地生成最優(yōu)的功率分配碼本。
本發(fā)明的第五實施方式涉及一種MIMO系統(tǒng)中反饋方法，本實施方式在第四實施方式的基礎(chǔ)上，進一步使用預(yù)編碼碼本向發(fā)送端反饋預(yù)編碼矩陣。
也就是說，接收端還需根據(jù)當(dāng)前信道條件，從預(yù)編碼碼本中選擇最佳的預(yù)編碼矩陣，將該預(yù)編碼矩陣在預(yù)編碼碼本中的序號反饋給發(fā)送端，指示發(fā)送端以該序號在與該接收端相同的預(yù)編碼碼本中對應(yīng)的預(yù)編碼矩陣為各子信道進行預(yù)編碼，其中，預(yù)編碼碼本中包含至少兩個預(yù)編碼矩陣。
由此可見，本實施方式不僅使用了功率分配碼本，還使用了預(yù)編碼碼本，分別反饋功率分配矢量和預(yù)編碼矩陣，從而在有限反饋的條件下進一步提高了系統(tǒng)的傳輸性能。
經(jīng)仿真結(jié)果顯示，采用上述各實施方式中的功率分配方法或反饋方法，均增加了系統(tǒng)的頻譜利用率，該仿真結(jié)果如圖5所示。圖5給出了不同預(yù)編碼及功率分配方案所實現(xiàn)的平均頻譜效率隨信噪比變化的性能曲線，其中信噪比定義為Es/σ2。由圖5可見，各方案的平均頻譜效率都隨著信噪比的增加而增加，這是由于信噪比的增加導(dǎo)致了可用數(shù)據(jù)流數(shù)目及各數(shù)據(jù)流的調(diào)制階數(shù)增加。由于在目前的自適調(diào)制通信系統(tǒng)中，各路子信道功率僅有一部份用于選取的能獲得最大傳輸速率的MCS，因此總發(fā)射功率未被有效利用，其實際可獲得的頻譜效率與第一或第二實施方式中的基于自適應(yīng)MCS的功率分配(CSIT-MPA)方案相比相差較大。在相同信噪比條件下，基于自適應(yīng)MCS的功率分配(CSIT-MPA)方案的頻譜效率高于注水(CSIT-WF)方案，也高于圖其它幾種方案。此外，由于有效利用了信道反饋信息，在相同信噪比條件下，基于有限反饋預(yù)編碼矩陣的等功率分配(LFBF-EPA)方案的頻譜效率高于未進行預(yù)編碼的等功率分配(EPA)方案的頻譜效率。在相同信噪比條件下，基于雙碼本有限反饋的功率分配與預(yù)編碼(LFBF-MPA)方案頻譜效率明顯高于基于有限反饋預(yù)編碼矩陣的等功率分配(LFBF-EPA)方案，這說明了采用LFBF-MPA方案能帶來頻譜效率的進一步增加。
本發(fā)明的第六實施方式涉及一種MIMO系統(tǒng)中接收裝置，如圖6所示，包括第一存貯單元，用于保存功率分配碼本，該功率分配碼本中包含至少兩個功率分配矢量；第一碼字選擇單元，用于根據(jù)當(dāng)前信道條件，從該第一存貯單元保存的功率分配碼本中選擇最佳的功率分配矢量；第一反饋單元，用于將該第一碼字選擇單元所選的功率分配矢量在該功率分配碼本中的序號反饋給發(fā)送端。由于接收裝置可通過功率分配碼本中的序號向發(fā)送端反饋功率分配矢量，因此可有效地減少信息的反饋量。
其中，第一碼字選擇單元進一步包括第三實施方式中所述的功率分配裝置，以及匹配子單元，用于從功率分配碼本中選擇與該功率分配裝置輸出的功率分配結(jié)果最接近的功率分配矢量作為最佳的功率分配矢量。
本實施方式中的接收裝置還可以包括第二存貯單元，用于保存預(yù)編碼碼本，該預(yù)編碼碼本中包含至少兩個預(yù)編碼矩陣；第二碼字選擇單元，用于根據(jù)當(dāng)前信道條件，從該第二存貯單元保存的預(yù)編碼碼本中選擇最佳的預(yù)編碼矩陣；第二反饋單元，用于將該第二碼字選擇單元所選的預(yù)編碼矩陣在該預(yù)編碼碼本中的序號反饋給發(fā)送端。也就是說，本實施方式中的接收裝置不僅使用了功率分配碼本，還使用了預(yù)編碼碼本，分別向發(fā)送端反饋功率分配矢量和預(yù)編碼矩陣，從而在有限反饋的條件下有效地提高了系統(tǒng)的傳輸性能。
本發(fā)明的第七實施方式涉及一種MIMO系統(tǒng)中發(fā)送裝置，如圖7所示，包括第一存貯單元，用于保存與接收端相同的功率分配碼本，該功率分配碼本中包含至少兩個功率分配矢量；第一接收單元，用于接收來自接收端的代表功率分配矢量的序號；第一查找單元，用于根據(jù)該第一接收單元收到的序號從該第一存貯單元保存的功率分配碼本中找到對應(yīng)的功率分配矢量；功率分配單元，根據(jù)該第一查找單元找到的功率分配矢量為各子信道進行功率分配。
另外，本實施方式中的發(fā)送裝置還可以包括第二存貯單元，用于保存與接收端相同的預(yù)編碼碼本，該預(yù)編碼碼本中包含至少兩個預(yù)編碼矩陣；第二接收單元，用于接收來自接收端的代表預(yù)編碼矩陣的序號；第二查找單元，用于根據(jù)該第二接收單元收到的序號從該第二存貯單元保存的預(yù)編碼碼本中找到對應(yīng)的預(yù)編碼矩陣；預(yù)編碼單元，根據(jù)第二查找單元找到的預(yù)編碼矩陣為各子信道進行預(yù)編碼。
綜上所述，在本發(fā)明的實施方式中，通過將尚未分配的功率集中分配給最容易提高調(diào)制編碼階數(shù)的子信道，可以在相同的總功率下提高頻譜的利用率。
通過多次優(yōu)化可以充分利用尚未分配的功率。
當(dāng)尚未分配的功率已無法再提高任何子信道的調(diào)制編碼階數(shù)時，可以將尚未分配的功率平均分配給各傳輸數(shù)據(jù)的子信道，從而進一步系統(tǒng)的差錯性能。
可以使用等功率分配方案初步確定各子信道的調(diào)制編碼方式，從而可以較快速地對各子信道的調(diào)制編碼方式和功率分配進行初始化。
通過關(guān)閉無法滿足QoS需求的子信道，并對剩余的各子信道的功率分配重新進行優(yōu)化，可以充分利用原先分配給這些被關(guān)閉子信道的功率。
使用碼本反饋功率分配矢量，可以有效地減少信息的反饋量。
同時使用兩個碼本，分別反饋功率分配矢量和預(yù)編碼矩陣，可以在有限反饋的條件下提高系統(tǒng)的傳輸性能。
通過聚類的方法可以有效地生成最優(yōu)的功率分配碼本。
雖然通過參照本發(fā)明的某些優(yōu)選實施方式，已經(jīng)對本發(fā)明進行了圖示和描述，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該明白，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對其作各種改變，而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種多輸入多輸出系統(tǒng)中功率分配方法，其特征在于，包括至少一次下面的優(yōu)化步驟
比較每個子信道支持比當(dāng)前更高一階的調(diào)制編碼方式需要增加的功率，選擇需要增加的功率最小的一個子信道，從尚未分配的功率中取出所選的子信道更高一階調(diào)制編碼方式所需要增加的功率分配給該路子信道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多輸入多輸出系統(tǒng)中功率分配方法，其特征在于，重復(fù)執(zhí)行所述優(yōu)化步驟，直至尚未分配的功率小于所選的子信道更高一階調(diào)制編碼方式所需要增加的功率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多輸入多輸出系統(tǒng)中功率分配方法，其特征在于，所述尚未分配的功率小于所選的子信道更高一階調(diào)制編碼方式所需要增加的功率時，將該尚未分配的功率平均分配到所述每個子信道。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多輸入多輸出系統(tǒng)中功率分配方法，其特征在于，所述優(yōu)化步驟之前還包括以下步驟
為所述每個子信道初步確定調(diào)制編碼方式，為所述每個子信道分配支持所述初步確定的調(diào)制編碼方式必需的功率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多輸入多輸出系統(tǒng)中功率分配方法，其特征在于，所述為每個子信道初步確定調(diào)制編碼方式的步驟中，按等功率分配方案初步確定所述每個子信道的調(diào)制編碼方式。
6.一種多輸入多輸出系統(tǒng)中功率分配方法，其特征在于，包括以下步驟
按照權(quán)利要求1至5中任一項所述的方法進行功率分配；
如果分配有功率的至少一個子信道不能滿足服務(wù)質(zhì)量要求，則關(guān)閉該子信道，在剩余的各子信道中重新按照權(quán)利要求1至5中任一項所述的方法進行功率分配。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多輸入多輸出系統(tǒng)中功率分配方法，其特征在于，重復(fù)執(zhí)行所述“如果分配有功率的至少一個子信道不能滿足服務(wù)質(zhì)量要求，則關(guān)閉該子信道，在剩余的各子信道中重新按照權(quán)利要求1至5中任一項所述的方法進行功率分配”的步驟，直至所有分配有功率的子信道均能滿足服務(wù)質(zhì)量要求。
8.一種多輸入多輸出系統(tǒng)中功率分配裝置，其特征在于，包括
比較單元，用于比較每個子信道支持比當(dāng)前更高一階的調(diào)制編碼方式需要增加的功率；
選擇單元，用于根據(jù)所述比較單元得到的結(jié)果，選擇需要增加的功率最小的一個子信道；
分配單元，用于從尚未分配的功率中取出所述選擇單元所選的子信道更高一階調(diào)制編碼方式所需要增加的功率分配給該路子信道。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的多輸入多輸出系統(tǒng)中功率分配裝置，其特征在于，還包括
第一控制單元，用于控制所述比較單元、選擇單元、和分配單元重復(fù)地分配所述尚未分配的功率，直至該尚未分配的功率小于所述選擇單元所選的子信道更高一階調(diào)制編碼方式所需要增加的功率。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多輸入多輸出系統(tǒng)中功率分配裝置，其特征在于，還包括均分單元，用于將尚未分配的功率平均分配到所述每個子信道；
所述第一控制單元判定所述尚未分配的功率小于所述選擇單元所選的子信道更高一階調(diào)制編碼方式所需要增加的功率時，指示所述均分單元將尚未分配的功率平均分配到所述每個子信道。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多輸入多輸出系統(tǒng)中功率分配裝置，其特征在于，還包含第二控制單元，用于在所述比較單元、選擇單元、分配單元、和第一控制單元完成功率分配后，判斷是否分配有功率的至少一個子信道不能滿足服務(wù)質(zhì)量要求，如果是則關(guān)閉該子信道，并指示所述比較單元、選擇單元、分配單元、和第一控制單元在剩余的各子信道中重新進行功率分配。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的多輸入多輸出系統(tǒng)中功率分配裝置，其特征在于，還包含初始化單元，用于為所述每個子信道初步確定調(diào)制編碼方式，為所述每個子信道分配支持所述初步確定的調(diào)制編碼方式必需的功率；
所述初始化單元為所述每個子信道分配支持所述初步確定的調(diào)制編碼方式必需的功率后，指示所述比較單元、選擇單元、和分配單元分配尚未分配的功率。
13.一種多輸入多輸出系統(tǒng)中反饋方法，其特征在于，包括以下步驟
接收端根據(jù)當(dāng)前信道條件，從功率分配碼本中選擇最佳的功率分配矢量，將該功率分配矢量在功率分配碼本中的序號反饋給發(fā)送端，指示該發(fā)送端以該序號在與所述接收端相同的功率分配碼本中選擇對應(yīng)的功率分配矢量為各子信道進行功率分配；其中，所述功率分配碼本包含至少兩個功率分配矢量。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的多輸入多輸出系統(tǒng)中反饋方法，其特征在于，所述從功率分配碼本中選擇最佳的功率分配矢量的步驟進一步包括以下子步驟
根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的方法為各子信道進行功率分配；
從所述功率分配碼本中選擇與所述功率分配結(jié)果最接近的功率分配矢量作為最佳的功率分配矢量。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的多輸入多輸出系統(tǒng)中反饋方法，其特征在于，還包括以下步驟，
接收端根據(jù)當(dāng)前信道條件，從預(yù)編碼碼本中選擇最佳的預(yù)編碼矩陣，將該預(yù)編碼矩陣在預(yù)編碼碼本中的序號反饋給發(fā)送端，指示發(fā)送端以該序號在與所述接收端相同的預(yù)編碼碼本中選擇對應(yīng)的預(yù)編碼矩陣為各子信道進行預(yù)編碼，其中，所述預(yù)編碼碼本中包含至少兩個預(yù)編碼矩陣。
16.一種多輸入多輸出系統(tǒng)中接收裝置，其特征在于，包括
第一存貯單元，用于保存功率分配碼本，該功率分配碼本中包含至少兩個功率分配矢量；
第一碼字選擇單元，用于根據(jù)當(dāng)前信道條件，從所述第一存貯單元保存的功率分配碼本中選擇最佳的功率分配矢量；
第一反饋單元，用于將所述第一碼字選擇單元所選的功率分配矢量在所述功率分配碼本中的序號反饋給發(fā)送端。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的多輸入多輸出系統(tǒng)中接收裝置，其特征在于，所述第一碼字選擇單元進一步包括
權(quán)利要求8至12中任一項所述的功率分配裝置；
匹配子單元，用于從所述功率分配碼本中選擇與所述功率分配裝置輸出的功率分配結(jié)果最接近的功率分配矢量作為所述最佳的功率分配矢量。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的多輸入多輸出系統(tǒng)中接收裝置，其特征在于，還包括
第二存貯單元，用于保存預(yù)編碼碼本，該預(yù)編碼碼本中包含至少兩個預(yù)編碼矩陣；
第二碼字選擇單元，用于根據(jù)當(dāng)前信道條件，從所述第二存貯單元保存的預(yù)編碼碼本中選擇最佳的預(yù)編碼矩陣；
第二反饋單元，用于將所述第二碼字選擇單元所選的預(yù)編碼矩陣在所述預(yù)編碼碼本中的序號反饋給發(fā)送端。
19.一種多輸入多輸出系統(tǒng)中發(fā)送裝置，其特征在于，包括
第一存貯單元，用于保存與接收端相同的功率分配碼本，該功率分配碼本中包含至少兩個功率分配矢量；
第一接收單元，用于接收來自所述接收端的代表功率分配矢量的序號；
第一查找單元，用于根據(jù)所述第一接收單元收到的序號從所述第一存貯單元保存的功率分配碼本中找到對應(yīng)的功率分配矢量；
功率分配單元，根據(jù)所述第一查找單元找到的功率分配矢量為各子信道進行功率分配。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的多輸入多輸出系統(tǒng)中發(fā)送裝置，其特征在于，還包括
第二存貯單元，用于保存與接收端相同的預(yù)編碼碼本，該預(yù)編碼碼本中包含至少兩個預(yù)編碼矩陣；
第二接收單元，用于接收來自所述接收端的代表預(yù)編碼矩陣的序號；
第二查找單元，用于根據(jù)所述第二接收單元收到的序號從所述第二存貯單元保存的預(yù)編碼碼本中找到對應(yīng)的預(yù)編碼矩陣；
預(yù)編碼單元，根據(jù)所述第二查找單元找到的預(yù)編碼矩陣為各子信道進行預(yù)編碼。
21.一種功率分配碼本的構(gòu)造方法，其特征在于，包括以下步驟
A對碼本和平均失真進行初始化；
B生成訓(xùn)練序列；
C按照所述訓(xùn)練序列對于當(dāng)前碼本最小誤差將整個取值空間分割為M個分割域，將所述訓(xùn)練序列中所有矢量分配到與該矢量距離最近的分割域中，其中M為碼本中矢量的維數(shù)；
D計算所述訓(xùn)練序列中各矢量與當(dāng)前碼本中各矢量之間的平均失真；
E如果本次計算所得的平均失真小于前一次平均失真，則將碼本中各矢量更新為各所述分割域中平均失真最小的矢量并回到步驟B，否則將當(dāng)前碼本作為最終的功率分配碼本。
全文摘要
本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，公開了一種多輸入多輸出系統(tǒng)中通信方法及裝置，通過將尚未分配的功率集中分配給最容易提高調(diào)制編碼階數(shù)的子信道，可以在相同的總功率下提高頻譜的利用率。通過多次優(yōu)化可以充分利用尚未分配的功率。當(dāng)尚未分配的功率已無法再提高任何子信道的調(diào)制編碼階數(shù)時，可以將尚未分配的功率平均分配給各傳輸數(shù)據(jù)的子信道，從而進一步系統(tǒng)的差錯性能。使用碼本反饋功率分配矢量，可以有效地減少信息的反饋量。同時使用兩個碼本，分別反饋功率分配矢量和預(yù)編碼矩陣，可以在有限反饋的條件下提高系統(tǒng)的傳輸性能。
文檔編號H04B7/005GK101340218SQ200710043420
公開日2009年1月7日 申請日期2007年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月4日
發(fā)明者劉建國, 楊綠溪, 毅 羅 申請人:華為技術(shù)有限公司