專利名稱：多天線傳輸系統(tǒng)中利用信道統(tǒng)計(jì)信息的自適應(yīng)傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過使用多個(gè)發(fā)送/接收天線來傳輸高速數(shù)據(jù)的移動通信系統(tǒng)，尤其涉及一種利用信道統(tǒng)計(jì)信息的多天線系統(tǒng)自適應(yīng)傳輸方法。

背景技術(shù)：
為適應(yīng)未來發(fā)展的需要，后三代(B3G)或稱第四代(4G)移動通信系統(tǒng)要求能夠支持高達(dá)每秒數(shù)十兆甚至上千兆比特的高速分組數(shù)據(jù)傳輸，在無線資源日趨緊張的情況下，采用多天線發(fā)送和多天線接收(MIMO)無線傳輸技術(shù)，充分挖掘利用空間資源，最大限度地提高頻譜利用率和功率效率，成為后三代移動通信研究的關(guān)鍵所在。
與傳統(tǒng)的單天線發(fā)送和單天線接收系統(tǒng)相比，MIMO無線通信系統(tǒng)的信道環(huán)境更為復(fù)雜，影響信道容量的因素更多。實(shí)際傳播環(huán)境中，由于天線間距和周圍散射體的局限，信道常常存在著衰落相關(guān)性和直達(dá)徑，在發(fā)射機(jī)未知信道狀態(tài)信息的情況下，這些因素直接導(dǎo)致了MIMO系統(tǒng)信道容量的下降。自適應(yīng)MIMO傳輸是克服實(shí)際傳播環(huán)境中非理想因素的主要手段。
自適應(yīng)MIMO傳輸需要在發(fā)射端利用信道的先驗(yàn)信息。在發(fā)射機(jī)已知完全的信道狀態(tài)信息的情況下，“注水”方法可以達(dá)到最大的信道容量。然而，由于無線信道的時(shí)變性、信道估計(jì)和反饋的時(shí)延以及頻率的偏移，使得在發(fā)射端難以獲得完全的信道狀態(tài)信息。一種折中的方法是利用部分的信道狀態(tài)信息，即信道的統(tǒng)計(jì)狀態(tài)信息。信道的統(tǒng)計(jì)特性，其變化速度相對于信道的瞬時(shí)狀態(tài)來說非常緩慢，發(fā)射端可以可靠的獲得信道的統(tǒng)計(jì)狀態(tài)信息。近年來的研究成果表明，當(dāng)發(fā)射端利用部分信道狀態(tài)信息進(jìn)行預(yù)編碼傳輸時(shí)，MIMO系統(tǒng)的信道容量和傳輸可靠性可得到較大的提高。因此，利用信道統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行自適應(yīng)傳輸評估是合適的。


發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種多天線傳輸系統(tǒng)中利用信道統(tǒng)計(jì)信息的自適應(yīng)傳輸方法，提供了一種利用信道統(tǒng)計(jì)信息的多天線系統(tǒng)自適應(yīng)傳輸方案，能夠根據(jù)信道的統(tǒng)計(jì)特性調(diào)整發(fā)送參數(shù)，獲得的互信息量逼近信道容量。
技術(shù)方案本發(fā)明的利用信道統(tǒng)計(jì)信息的自適應(yīng)傳輸方法按如下步驟進(jìn)行 1)發(fā)送端信道統(tǒng)計(jì)信息的獲取將發(fā)射天線數(shù)為Nt，接收天線數(shù)為Nr的信道矩陣H建模為

其中

Ut和Ur分別為Nt×Nt和Nr×Nr的固定的酉矩陣，D為Nr×Nt的固定的實(shí)“對角陣”(這里Nr×Nt的“對角陣”指當(dāng)i≠j時(shí)矩陣的(i，j)元素為0)，M為Nr×Nt的固定的實(shí)矩陣，Hiid是一個(gè)由均值為零，方差為1的獨(dú)立同分布的復(fù)高斯變量組成的Nr×Nt的隨機(jī)矩陣，□代表Hadama乘積，上標(biāo)

代表共軛轉(zhuǎn)置；當(dāng)采用反饋模式時(shí)，接收端利用信道參數(shù)的估計(jì)值，用

和

計(jì)算發(fā)送相關(guān)陣和接收相關(guān)陣，其中E{·}表示求期望。接下來分別對發(fā)送相關(guān)陣和接收相關(guān)陣進(jìn)行特征分解


然后計(jì)算特征模式上的信道耦合矩陣

其中

上標(biāo)(·)*表示矩陣的共軛運(yùn)算；計(jì)算信噪比γ＝P/σ2，其中P為總的發(fā)送功率；最后，接收端將發(fā)送相關(guān)陣Rt，信道耦合矩陣Ω和信噪比γ反饋給發(fā)送端；當(dāng)采用隱反饋模式時(shí)，接收端將信噪比γ反饋回發(fā)送端，發(fā)送端利用發(fā)送端接收鏈路H的信道估計(jì)結(jié)果以及信道的互易性H＝HT，采用與反饋模式相同的方法計(jì)算出發(fā)送相關(guān)陣Rt和信道耦合矩陣Ω； 2)發(fā)送端對信道統(tǒng)計(jì)信息中的發(fā)送相關(guān)陣進(jìn)行特征分解

得到發(fā)送方向預(yù)編碼矩陣UQ＝UT； 3)在發(fā)送端根據(jù)信道統(tǒng)計(jì)信息采用迭代注水算法計(jì)算功率分配矩陣其中λ＝[λ1，λ2，...，λNt]，diag(λ)表示以向量λ的元素為對角線元素的對角陣，λ1，λ2，...，λNt≥0；；用表示第k次迭代所得的功率分配的結(jié)果，λik表示將λk的第i個(gè)元素設(shè)為1所得的向量，Cu(λk)表示第k次迭代所得的功率分配的結(jié)果下信道容量的上屆，A(i)為矩陣A刪去其第i列后余下的矩陣；迭代注水算法步驟如下 a)、初始化設(shè)定最大迭代次數(shù)K以及收斂判決門限ε，令k＝0，λk＝11×Nt，Cu(λk)＝log2Per(γΩ)，其中11×Nt表示一個(gè)維度為1×Nt、組成元素均為1的矩陣，Per()代表積和式算子，對于一個(gè)M×N的矩陣A，定義其擴(kuò)展積和式Per(A)為Per(A)＝Per([IM A])＝Per([INAT])， b)、計(jì)算和其中，i＝1，2，...，Nt， c)、計(jì)算i＝1，2，...，Nt，其中

為由決定的常數(shù)， d)、計(jì)算Cu(λk+1)＝log2Per(γΩdiag(λk+1))， e)、如果Cu(λk+1)≤Cu(λk)，則令用公式Cu(λk+1)＝log2Per(γΩdiag(λk+1))重新計(jì)算Cu(λk+1)； f)、令k＝k+1。若k＝K，則令λ＝λk，程序中止；否則，進(jìn)入下一個(gè)步驟； g)、若Cu(λk)-Cu(λk-1)≤ε，則令λ＝λk，程序中止；否則，轉(zhuǎn)到步驟b)開始執(zhí)行。
4)利用步驟2)和步驟3)計(jì)算出的發(fā)送方向預(yù)編碼矩陣和功率分配矩陣進(jìn)行功率分配，以及預(yù)編碼傳輸。
發(fā)送端信道統(tǒng)計(jì)信息的獲取分為反饋和隱反饋兩種模式，當(dāng)采用隱反饋模式時(shí)，直接在發(fā)送端計(jì)算信道的統(tǒng)計(jì)信息；采用反饋模式時(shí)，發(fā)送端通過接收端的反饋獲得信道統(tǒng)計(jì)信息。所獲取的信道統(tǒng)計(jì)信息指的是特征模式上的信道耦合矩陣/發(fā)送相關(guān)陣的特征模式以及信噪比。
有益效果本發(fā)明提供了一種利用信道統(tǒng)計(jì)信息的自適應(yīng)多天線傳輸方法，該方法具有如下優(yōu)點(diǎn) 1、本方法僅需要信道的統(tǒng)計(jì)信息，適用于各種典型的無線通信系統(tǒng)； 2、本方法中的信道模型考慮了信道的直達(dá)徑、發(fā)送相關(guān)、接收相關(guān)以及收發(fā)聯(lián)合相關(guān)，更逼近實(shí)際信道； 3、本方法中的功率分配算法收斂速度快，數(shù)次迭代即可收斂，僅一次迭代即可獲得接近最優(yōu)的解； 4、本方法所獲得的互信息量逼近最優(yōu)的功率分配所獲得的信道容量。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明的方法主要包括以下步驟 步驟1)、當(dāng)采用隱反饋模式時(shí)，接收端利用信道估計(jì)的結(jié)果計(jì)算出信噪比，將信噪比反饋給發(fā)送端，發(fā)送端計(jì)算出其接收鏈路信道統(tǒng)計(jì)信息，利用信道的互易性，直接得到發(fā)送鏈路的信道統(tǒng)計(jì)信息；當(dāng)采用反饋模式時(shí)，在接收端利用信道估計(jì)的結(jié)果計(jì)算信道的統(tǒng)計(jì)信息，并將其發(fā)送至發(fā)送端； 步驟2)、在發(fā)送端根據(jù)信道統(tǒng)計(jì)信息計(jì)算發(fā)送方向預(yù)編碼矩陣UQ； 步驟3)、在發(fā)送端根據(jù)接收端反饋的信道統(tǒng)計(jì)信息計(jì)算功率分配矩陣Λ； 步驟4)、利用前兩個(gè)步驟計(jì)算出的發(fā)送方向預(yù)編碼矩陣和功率分配矩陣進(jìn)行功率分配以及預(yù)編碼傳輸。
考慮一個(gè)發(fā)射天線數(shù)為Nt，接收天線數(shù)為Nr的MIMO無線通信系統(tǒng)，在對其信道容量進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，通過最大化信道容量的一個(gè)上界可以構(gòu)建出如下的發(fā)送端預(yù)編碼傳輸方案 在接收端若系統(tǒng)采用反饋模式，則對數(shù)字基帶接收信號y(n)＝[y1(n) y2(n) ... ynR(n)]T進(jìn)行信道估計(jì)，其中yi(n)表示第i個(gè)接收天線的接收信號，上標(biāo)(·)T表示共軛轉(zhuǎn)置。利用信道估計(jì)的結(jié)果計(jì)算信道的統(tǒng)計(jì)信息，并將信道統(tǒng)計(jì)信息反饋給發(fā)送端。若采用的是隱反饋模式，則計(jì)算出信噪比，將信噪比反饋給發(fā)送端。
在發(fā)送端若系統(tǒng)采用隱反饋模式，則首先利用其接收鏈路H的信道估計(jì)結(jié)果以及信道的互易性H＝HT，計(jì)算其發(fā)送鏈路H的信道統(tǒng)計(jì)信息，利用得到的信道統(tǒng)計(jì)信息，計(jì)算空間功率分配矩陣Λ以及發(fā)送方向預(yù)編碼矩陣UQ；若采用反饋模式，則直接利用接收端反饋的信道統(tǒng)計(jì)信息計(jì)算空間功率分配矩陣Λ以及發(fā)送方向預(yù)編碼矩陣UQ。然后對輸入符號流d(n)＝[d1(n) d2(n) ... dNt(n)]T進(jìn)行線性預(yù)編碼，得到發(fā)送信號s(n)＝[s1(n) s2(n) ... sNt(n)]T，其中di(n)表示第i個(gè)輸入符號流，si(n)表示第i個(gè)發(fā)送天線的發(fā)送信號。d(n)和s(n)之間滿足如下關(guān)系 s(n)＝Fd(n)，1
其中， F＝UQΛ1/2， 2
是預(yù)編碼矩陣。
為使本發(fā)明中的技術(shù)方案更加清楚明白，下面對本方案進(jìn)行具體描述 一、信道統(tǒng)計(jì)信息的獲得 所述方案中接收端根據(jù)信道估計(jì)的結(jié)果計(jì)算接收端各天線上的噪聲方差σ2，信道發(fā)送相關(guān)陣和接收相關(guān)陣，以及特征模式上的信道耦合矩陣Ω。
我們用Nr×Nt的矩陣H表示信道矩陣，信道矩陣H建模為

3

其中

Ut和Ur分別為Nt×Nt和Nr×Nr，的固定的酉矩陣，D為Nr×Nt的固定的實(shí)“對角陣”(這里Nr×Nt的“對角陣”指當(dāng)i≠j時(shí)矩陣的(i，j)元素為O)，M為Nr×Nt的固定的實(shí)矩陣，Hiid是一個(gè)由均值為零，方差為1的獨(dú)立同分布的復(fù)高斯變量組成的Nr×Nt的隨機(jī)矩陣，□代表Hadama乘積，上標(biāo)

代表共軛轉(zhuǎn)置。利用信道參數(shù)的估計(jì)值，分別計(jì)算發(fā)送相關(guān)陣和接收相關(guān)陣

其中E[·]表示求期望。接下來分別對發(fā)送相關(guān)陣和接收相關(guān)陣進(jìn)行特征分解

然后計(jì)算特征模式上的信道耦合矩陣
其中

上標(biāo)(·)*表示矩陣的共軛運(yùn)算。計(jì)算信噪比 γ＝P/σ2，9
其中P為總的發(fā)送功率。當(dāng)采用反饋模式時(shí)，接收端將發(fā)送相關(guān)陣Rt，信道耦合矩陣Ω和信噪比γ反饋給發(fā)送端；當(dāng)采用隱反饋模式時(shí)，接收端將信噪比γ反饋回發(fā)送端，發(fā)送端計(jì)算發(fā)送相關(guān)陣Rt和信道耦合矩陣Ω。
二、發(fā)送方向預(yù)編碼矩陣 發(fā)送端對發(fā)送相關(guān)陣進(jìn)行特征分解

得到Ut，所述方案中的發(fā)送方向預(yù)編碼矩陣UQ的選擇為UQ＝UT。
三、功率分配矩陣 本方案中的功率分配矩陣Λ可以表示為 10
其中，λ＝[λ1，λ2，...，λNt]，diag(λ)表示以向量λ的元素為對角線元素的對角陣，λ1，λ2，...，λNt≥0。用Per()代表積和式算子。對于一個(gè)M×N的矩陣A，定義其擴(kuò)展積和式Per(A)為 Per(A)＝Per([IM A])＝Per([IN AT])11
定義A(i)為矩陣A刪去其第i列后余下的矩陣。
本方案中的功率分配矩陣的獲得采用一種迭代注水的算法，用表示第k次迭代所得的功率分配的結(jié)果，λik表示將λk的第i個(gè)元素設(shè)為1所得的向量，Cu(λk)表示第k次迭代所得的功率分配的結(jié)果下信道容量的上屆。該迭代注水算法的具體步驟描述如下 步驟1)、初始化設(shè)定最大迭代次數(shù)K以及收斂判決門限ε，令k＝0，λk＝11×Nt，Cu(λk)＝log2Per(λΩ)，其中11×Nt表示一個(gè)維度為1×Nt、組成元素均為1的矩陣； 步驟2)、計(jì)算 12
13
其中，i＝1，2，...，Nt； 步驟3)、計(jì)算 14
其中

為由決定的常數(shù)； 步驟4)、計(jì)算 Cu(λk+1)＝log2Per(γΩdiag(λk+1))；15
步驟5)、如果Cu(λk+1)≤Cu(λk)，則令用公式15重新計(jì)算Cu(λk+1)； 步驟6)、令k＝k+1。若k＝K，則令λ＝λk，程序中止；否則，進(jìn)入下一個(gè)步驟； 步驟7)、若Cu(λk)-Cu(λk-1)≤ε，則令λ＝λk，程序中止；否則，轉(zhuǎn)到步驟2)開始執(zhí)行。
本發(fā)明具體實(shí)施方式
如下 接收端 1)若采用隱反饋模式，則計(jì)算信噪比γ，將信噪比γ反饋給發(fā)送端，并跳至步驟6)；否則，進(jìn)入步驟2)。
2)利用接收信號進(jìn)行信道估計(jì)，計(jì)算信噪比γ，利用公式4和公式5計(jì)算發(fā)送相關(guān)陣Rt和接收相關(guān)陣Rr。
3)對發(fā)送相關(guān)陣和接收相關(guān)陣進(jìn)行特征分解，得到Ut和Ur。
4)利用特征分解的結(jié)果Ut，Ur和公式8計(jì)算信道耦合矩陣Ω。
5)將Rt，Ω和γ反饋給發(fā)送端，進(jìn)入步驟9)。
發(fā)送端 6)利用發(fā)送端接收鏈路H的信道估計(jì)結(jié)果以及信道的互易性H＝HT，根據(jù)公式4和公式5計(jì)算發(fā)送相關(guān)陣Rt和接收相關(guān)陣Rr。
7)對發(fā)送相關(guān)陣和接收相關(guān)陣進(jìn)行特征分解，得到Ut和Ur。
8)利用特征分解的結(jié)果Ut，Ur和公式8計(jì)算信道耦合矩陣Ω，并進(jìn)入步驟10)。
9)對發(fā)送相關(guān)陣進(jìn)行特征分解，得到Ut。
10)設(shè)定最大迭代次數(shù)K以及收斂判決門限ε，令k＝0，λk＝11×Nt，Cu(λk)＝log2Per(λΩ)，其中11×Nt表示一個(gè)維度為1×Nt、組成元素均為1的矩陣。
11)利用公式12和公式13計(jì)算p(λ(i)k))和q(λ(i)k))，i＝1，2，...，Nt。
12)利用公式14計(jì)算λik+1，i＝1，2，...，Nt。
13)利用公式15計(jì)算Cu(λk+1)。
14)若Cu(λk+1)≤Cu(λk)，則令用公式15重新計(jì)算Cu(λK+1)；否則，進(jìn)入下一個(gè)步驟。
15)令k＝k+1。若k＝K，則令λ＝λk，并轉(zhuǎn)到步驟17)；否則，進(jìn)入下一個(gè)步驟。
16)若Cu(λk)-Cu(λk+1)≤ε，則令λ＝λk，并轉(zhuǎn)到步驟17)；否則，轉(zhuǎn)到步驟11)開始執(zhí)行。
17)利用公式10計(jì)算功率分配矩陣Λ。
18)令發(fā)送方向預(yù)編碼陣UQ＝Ut。
19)利用17)和18)中計(jì)算出的UQ和Λ，根據(jù)公式2計(jì)算線性預(yù)編碼矩陣，按照公式1進(jìn)行發(fā)送控制。
權(quán)利要求
1. 一種多天線傳輸系統(tǒng)中利用信道統(tǒng)計(jì)信息的自適應(yīng)傳輸方法，其特征在于按如下步驟進(jìn)行
1)發(fā)送端信道統(tǒng)計(jì)信息的獲取將發(fā)射天線數(shù)為Nt，接收天線數(shù)為Nr的信道矩陣H建模為
其中
Ut和Ur分別為Nt×Nt和Nr×Nr的固定的酉矩陣，D為Nr×Nt的固定的實(shí)“對角陣”，M為Nr×Nt的固定的實(shí)矩陣，Hiid是一個(gè)由均值為零，方差為1的獨(dú)立同分布的復(fù)高斯變量組成的Nr×Nt的隨機(jī)矩陣，□代表Hadama乘積，上標(biāo)
代表共軛轉(zhuǎn)置；當(dāng)采用反饋模式時(shí)，接收端利用信道參數(shù)的估計(jì)值，用
和
計(jì)算發(fā)送相關(guān)陣和接收相關(guān)陣，其中E{·}表示求期望；接下來分別對發(fā)送相關(guān)陣和接收相關(guān)陣進(jìn)行特征分解
然后計(jì)算特征模式上的信道耦合矩陣
其中
上標(biāo)(·)*表示矩陣的共軛運(yùn)算；計(jì)算信噪比γ＝P/σ2，其中P為總的發(fā)送功率；最后，接收端將發(fā)送相關(guān)陣Rt，信道耦合矩陣Ω和信噪比γ反饋給發(fā)送端；當(dāng)采用隱反饋模式時(shí)，接收端將信噪比γ反饋回發(fā)送端，發(fā)送端利用發(fā)送端接收鏈路H的信道估計(jì)結(jié)果以及信道的互易性H＝HT，采用與反饋模式相同的方法計(jì)算出發(fā)送相關(guān)陣Rt和信道耦合矩陣Ω；
2)發(fā)送端對信道統(tǒng)計(jì)信息中的發(fā)送相關(guān)陣進(jìn)行特征分解
得到發(fā)送方向預(yù)編碼矩陣UQ＝UT；
3)在發(fā)送端根據(jù)信道統(tǒng)計(jì)信息采用迭代注水算法計(jì)算功率分配矩陣其中λ＝[λ1，λ2，...，λNt]，diag(λ)表示以向量λ的元素為對角線元素的對角陣，λ1，λ2，...，λNt≥0；用表示第k次迭代所得的功率分配的結(jié)果，λik表示將λk的第i個(gè)元素設(shè)為1所得的向量，Cu(λk)表示第k次迭代所得的功率分配的結(jié)果下信道容量的上屆，A(i)為矩陣A刪去其第i列后余下的矩陣；
4)利用步驟2)和步驟3)計(jì)算出的發(fā)送方向預(yù)編碼矩陣和功率分配矩陣進(jìn)行功率分配，以及預(yù)編碼傳輸。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多天線傳輸系統(tǒng)中利用信道統(tǒng)計(jì)信息的自適應(yīng)傳輸方法，其特征在于發(fā)送端信道統(tǒng)計(jì)信息的獲取分為反饋和隱反饋兩種模式，當(dāng)采用隱反饋模式時(shí)，直接在發(fā)送端計(jì)算信道的統(tǒng)計(jì)信息；采用反饋模式時(shí)，發(fā)送端通過接收端的反饋獲得信道統(tǒng)計(jì)信息。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多天線傳輸系統(tǒng)中利用信道統(tǒng)計(jì)信息的自適應(yīng)傳輸方法，其特征在于所獲取的信道統(tǒng)計(jì)信息指的是特征模式上的信道耦合矩陣/發(fā)送相關(guān)陣的特征模式以及信噪比。
全文摘要
多天線傳輸系統(tǒng)中利用信道統(tǒng)計(jì)信息的自適應(yīng)傳輸方法能夠很大地提高通信系統(tǒng)的頻譜利用率和功率效率。該傳輸方法按以下步驟進(jìn)行利用信道估計(jì)的結(jié)果計(jì)算信道的統(tǒng)計(jì)信息，即特征模式上的信道耦合矩陣/發(fā)送相關(guān)陣的特征模式以及信噪比，統(tǒng)計(jì)信息可以在接收端或發(fā)送端獲取，在發(fā)送端根據(jù)接收端反饋或隱反饋的信道統(tǒng)計(jì)信息，進(jìn)行功率分配以及預(yù)編碼傳輸。本發(fā)明提供一種利用信道統(tǒng)計(jì)信息的多天線系統(tǒng)自適應(yīng)傳輸方案，能夠根據(jù)信道的統(tǒng)計(jì)特性調(diào)整發(fā)送參數(shù)，獲得的互信息量逼近信道容量。
文檔編號H04L1/06GK101252418SQ20081002320
公開日2008年8月27日 申請日期2008年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月1日
發(fā)明者高西奇, 瀟 李, 彬 江 申請人:東南大學(xué)