專利名稱：一種利用天線選擇增強(qiáng)td-lte下行鏈路性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及增強(qiáng)TD-LTE下行鏈路系統(tǒng)性能的 一種方法。
背景技術(shù)：
隨著計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，寬帶高速數(shù)據(jù)通信服務(wù)的需 要正在不斷增長。由于可用無線頻譜資源的有限性，高數(shù)據(jù)速率只能通過高效 的信號處理來實現(xiàn)。根據(jù)信息論結(jié)果，無線多入多出(MIMO)系統(tǒng)能在不增加帶 寬的情況下顯著地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。由于MIM0系統(tǒng)的巨大 容量潛力，成為解決無線高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾夹g(shù)。目前，MIMO研究中一般假 設(shè)信道是系數(shù)為獨立同分布的復(fù)高斯變量，以簡化所研究的系統(tǒng)模型，而沒有 考慮多天線系統(tǒng)中天線單元之間的相關(guān)性(簡稱為天線相關(guān)性)對系統(tǒng)性能的 影響。新一代移動通信系統(tǒng)LTE(Long Term Evolution)的下行鏈路(基站到移 動臺)己采用MIMO技術(shù)，但天線相關(guān)性會導(dǎo)致MIMO系統(tǒng)的性能明顯下降；另 外，LTE下行鏈路還利用預(yù)編碼降低接收機(jī)(移動臺)的復(fù)雜性，而預(yù)編碼也 受天線相關(guān)性影響嚴(yán)重。因此，解決LTE下行鏈路的天線相關(guān)性問題非常重要。
天線選擇技術(shù)從發(fā)射/接收端的天線陣中選出部分天線(天線子集)，使選 出的天線子集所發(fā)揮的性能與使用全部天線進(jìn)行通信的效果相當(dāng)或者接近。關(guān) 于天線選擇的算法已有很多，如最大比發(fā)射/選擇接收技術(shù)，基于最大容量的 選擇算法，基于最小誤碼率的選擇算法等等。但是應(yīng)用于存在天線相關(guān)性的LTE 系統(tǒng)的天線選擇的研究還比較少，還沒有較好的算法應(yīng)用在具有MIM0和預(yù)編碼的LTE系統(tǒng)中。本發(fā)明針對十分雙工的LTE系統(tǒng)(TD-LTE系統(tǒng))，提出一種 應(yīng)用于存在天線相關(guān)性的TD-LTE下行鏈路的天線選擇算法，在滿足用戶傳輸 質(zhì)量或系統(tǒng)容量的前提下，找到較少的發(fā)射天線數(shù)來用于傳輸，該方案能較好 改善系統(tǒng)性能和降低系統(tǒng)成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對新一代移動通信系統(tǒng)TD-LTE下行鏈路(具有MIMO和預(yù)編碼) 中發(fā)射端天線相關(guān)性對系統(tǒng)性能的影響以及從節(jié)約系統(tǒng)成本方面，對存在天線 相關(guān)性的TD-LTE下行鏈路中采用天線選擇來增強(qiáng)系統(tǒng)性能的可行性進(jìn)行了探 索。提出了一種天線選擇算法，在發(fā)送端天線單元存在相關(guān)性時進(jìn)行天線選擇 來增強(qiáng)TD-LTE系統(tǒng)下行鏈路的性能(容量、誤碼率等)。
實現(xiàn)本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，在發(fā)送端天線單元存在相關(guān)性時提出了 一種天線選擇方法，(1)基站獲取實施天線選擇的信道信息利用TD-LTE系 統(tǒng)中上下行信道的互惠性，根據(jù)上行鏈路得到的信道信息A，估計出下行鏈路 的信道矩陣；(2)基于最大化容量準(zhǔn)則確定需要選取的天線數(shù)根據(jù)己經(jīng)估計 出的信道信息，利用最大化容量準(zhǔn)則計算合適的發(fā)射天線數(shù)t; (3)天線子集
選擇從Mt個發(fā)射天線中選出t個天線組成一個天線子集&; (4)利用奇異值 分解計算最小奇異值基站計算天線子集&對應(yīng)的信道矩陣//,，并進(jìn)行奇異值 分解，然后根據(jù)奇異值分解結(jié)果計算最小奇異值；(5)基于ZF準(zhǔn)則求預(yù)編碼 矩陣和信噪比根據(jù)迫零(ZF)準(zhǔn)則導(dǎo)出最優(yōu)預(yù)編碼矩陣M，進(jìn)一步估計接 收信噪比SNR; (6)基于最小誤碼率準(zhǔn)則選擇傳輸天線基于最小誤碼率準(zhǔn)則
計算出最小奇異值^n最大的天線子集，該子集對應(yīng)的天線用于傳送，這些天
線即為選擇的傳輸天線，基站完成下行信息發(fā)送。
該方法通過基于最大化容量準(zhǔn)則確定需要選取的天線數(shù)和基于最小誤碼率準(zhǔn)則選擇傳輸天線，在發(fā)送端天線單元存在相關(guān)性時進(jìn)行天線選擇后，可以
消除或減弱天線相關(guān)性對MIM0和預(yù)編碼的不利影響，從而增加TD-LTE系統(tǒng)下 行鏈路的容量和降低系統(tǒng)誤碼率；另外，還可以減少TD-LTE系統(tǒng)發(fā)射端射頻 器件(如功放、變頻等)數(shù)目和成本；同時，也可以使MIM0處理中參與計算 的矩陣維數(shù)更小，降低實現(xiàn)復(fù)雜性。


圖1本發(fā)明所述的主要實施步驟
圖2采用本發(fā)明方法后TD-LTE下行鏈路的容量仿真結(jié)果 圖3采用本發(fā)明方法后TD-LTE下行鏈路的誤碼率仿真結(jié)果
具體實施例方式
如圖1所示為增強(qiáng)TD-LTE下行鏈路系統(tǒng)性能方法的主要實施步驟示意圖。
具體實施方式
如下
第一步獲取下行鏈路信道信息H
假設(shè)在基站已用各種成熟的方法完成對接收信道(上行鏈路，即移動臺到 基站)的信道估計々。由于TDD系統(tǒng)中上下行信道的互惠性，即上下行鏈路的 傳播特性基本相同，從而上下行信道的信道參數(shù)基本相同，可以將基站上行接 收估計的信道沖擊響應(yīng)直接應(yīng)用于下行方向的發(fā)送處理，反之亦然。
這樣，H=A。設(shè)發(fā)射天線數(shù)為Mt (Mt》2),接收天線數(shù)為Mr，則H的維數(shù) 是MrxM"則可得出下行鏈路的信道矩陣。
第二步基于最大化容量準(zhǔn)則確定需要選取的發(fā)射天線數(shù)t
在已獲得信道H情況下，基于最大化容量準(zhǔn)則可以得出最大信道容量為
C = max X l。g2 (1 + )
S (1)其中，1"為矩陣11的秩，2'(1=1,2，...，10為矩陣^/'的非零特征值，"(1=1，2,...,。 為一組各天線的最優(yōu)發(fā)送功率分配值，*為矩陣共軛轉(zhuǎn)值。
根據(jù)最大化容量準(zhǔn)則可知，所選擇的天線數(shù)是矩陣H的秩，即t，，矩陣H 的秩作為選擇的天線數(shù)。
第三步天線子集選擇
任意從Mt個發(fā)射天線中選出t個天線組成一個天線子集&，重新計算天線子 集&對應(yīng)的信道矩陣A (M"xf維)，這只需要去掉矩陣H中未選中天線對應(yīng)的列 即可。
第四步對信道矩陣//,利用奇異值分解計算最小奇異值4
首先對信道矩陣A進(jìn)行奇異值分解
=叫《 (2)
其中，t/,為M"xMr維酉矩陣，其列為的特征向量；F,為"f維酉矩陣， 其列為A'/Z,的特征向量；S,為M"W維矩陣，對角線元素是矩陣/Z,的奇異值，其 余元素均為0。
根據(jù)奇異值分解結(jié)果知，可以直接從矩陣i:,的對角線元素中選擇最小者得 到最小奇異值;U。
第五步基于迫零(ZF)準(zhǔn)則求預(yù)編碼矩陣和信噪比
根據(jù)迫零(ZF)準(zhǔn)則，可以推導(dǎo)出預(yù)編碼矩陣M為 M(=//,*(//X)_1 (3) 經(jīng)過預(yù)編碼和信道后，接收信號的信噪比SNR為
纖《IM2 (4)
其中，￡,為符號功率， 為噪聲方差。根據(jù)矩陣性質(zhì)可以得到從上式可見，增大信道的最小奇異值義自可以改善信噪比SNR，從而降低誤 碼率，反之亦然。
第六步基于最小誤碼率準(zhǔn)則選擇傳輸天線
從第五步可以發(fā)現(xiàn)，若第三步選擇的天線子集的最小奇異值A(chǔ),較大，則相 應(yīng)誤碼率會較小，反之亦然。這樣，基于最小誤碼率準(zhǔn)則選擇傳輸天線等效于 尋找出最小奇異值；。最大的天線子集。
對于第三步選擇的每個發(fā)射天線子集，依據(jù)第四步求出每個子集對應(yīng)信道 矩陣/Z,的最小奇異值；m，這樣可以得到(L)個最小奇異值，從上述方法確定的
最小奇異值^in中選擇最大值對應(yīng)的天線子集，將該子集對應(yīng)的天線用于傳送， 這些天線即為選擇的傳輸天線。
以下以一具體應(yīng)用實例對本發(fā)明改善系統(tǒng)容量、誤碼率的效果進(jìn)行比較說
明，根據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的TDD-LTE系統(tǒng)環(huán)境，利用MATLAB對本發(fā)明所述方法 進(jìn)行仿真分析。采樣頻率1.6e6Hz， 256子載波，子載波間隔6. 25KHz，實際使 用載波數(shù)240 (供16個用戶使用，每個用戶15個數(shù)據(jù)子載波)，OFDM符號周期 長度160)lis，循環(huán)前綴長度8.75pS。仿真中假設(shè)基站發(fā)送天線數(shù)為4，接收天 線數(shù)為4，且信道估計是理想的(正確無誤)。r為天線相關(guān)系數(shù)， 一般r與天 線間距么波長A和角度擴(kuò)展A有關(guān)，滿足K")sexp(-23A2^)，仿真直接取一組天 線相關(guān)系數(shù)值。
圖2所示為采用上述方法后TD-LTE下行鏈路的容量改善結(jié)果，(2a)所示 為采用現(xiàn)有技術(shù)的方法在不同相關(guān)系數(shù)下的通過天線選擇后的容量，(2b)所示 為采用本發(fā)明的方法在不同相關(guān)系數(shù)下的通過天線選擇后的容量改善。圖3所示為采用上述方法后TD-LTE下行鏈路的誤碼率改善結(jié)果，(3a)所示為采用本 發(fā)明的方法在相關(guān)系數(shù)0.2時通過天線選擇后的誤碼率改善，(3b)所示為采用 本發(fā)明的方法在相關(guān)系數(shù)0.7時通過天線選擇后的誤碼率改善。從圖2、圖3 可以看出，由于TDD-LTE下行鏈路中采用本發(fā)明所述方法，其容量和誤碼率都 有較大改善，增強(qiáng)了 TD-LTE下行鏈路性能。采用本發(fā)明的增強(qiáng)TD-LTE下行鏈 路性能的方法，不僅可以增強(qiáng)系統(tǒng)性能(容量和誤碼率)，提高通信質(zhì)量，節(jié)省 了信道資源，提高了信道的傳輸效率，還可以降低系統(tǒng)成本。
以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于 此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可以輕易想到的變換 和替換，都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范疇內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利 要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種利用天線選擇增強(qiáng)LTE下行鏈路性能的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟(1)基站根據(jù)上行鏈路得到的信道信息，估計出下行鏈路的信道矩陣H；(2)根據(jù)信道矩陣H，利用最大化容量準(zhǔn)則計算天線數(shù)t；(3)從所有發(fā)射天線中任意選出t個天線組成一個天線子集St；(4)對天線子集St對應(yīng)的信道矩陣Ht進(jìn)行奇異值分解，計算最小奇異值；(5)基于迫零準(zhǔn)則求預(yù)編碼矩陣Mt和接收信噪比；(6)根據(jù)最小誤碼率選擇傳輸天線。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(2)中根據(jù)最大化容量準(zhǔn)則所選擇的天線數(shù)t是信道矩陣H的秩。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(4)具體包括，根據(jù)天線子集&對應(yīng)的信道矩陣/7,進(jìn)行奇異值分解，得到對角線元素是矩陣//,的奇異值，其余元素均為0的矩陣S,，從矩陣i:,的對角線元素中選擇最小值作為最小奇異值。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，增大信道的最小奇異值降低誤碼率，步驟(6)具體包括從最小奇異值中選擇最大的天線子集對應(yīng)的天線作為傳輸天線。
全文摘要
本發(fā)明請求保護(hù)一種增強(qiáng)TD-LTE下行鏈路性能的方法，涉及無線通信系統(tǒng)。本發(fā)明基于最大化容量準(zhǔn)則確定需要選取的天線數(shù)，進(jìn)行天線子集選擇和最小奇異值計算，然后基于ZF準(zhǔn)則求預(yù)編碼矩陣和信噪比，基于最小誤碼率準(zhǔn)則選擇傳輸天線，基站完成下行信息發(fā)送。在發(fā)送端天線單元存在相關(guān)性時，通過基于最大化容量準(zhǔn)則確定天線數(shù)和基于最小誤碼率準(zhǔn)則選擇傳輸天線，可以消除或減弱天線相關(guān)性對MIMO和預(yù)編碼的不利影響，從而增加TD-LTE系統(tǒng)下行鏈路的容量和降低系統(tǒng)誤碼率。另外，還可以減少TD-LTE系統(tǒng)發(fā)射端射頻器件數(shù)目和使MIMO處理中參與計算的矩陣維數(shù)更小，也降低了實現(xiàn)復(fù)雜性和成本。
文檔編號H04B7/02GK101521531SQ200910103519
公開日2009年9月2日 申請日期2009年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月2日
發(fā)明者勇 劉, 孫宗敏, 波 張, 熹 王, 謝顯中, 毅 黃 申請人:重慶航天火箭電子技術(shù)有限公司;重慶郵電大學(xué)