專利名稱：相關(guān)多輸入多輸出系統(tǒng)中自適應(yīng)波束選取和傳輸方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空間相關(guān)多天線多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)中的自適應(yīng)傳輸方法和系統(tǒng)，特別是，涉及一種能夠根據(jù)接收端反饋的接收特性從發(fā)送波束集合中選取相應(yīng)波束，并進行相應(yīng)功率和比特分配以便發(fā)送數(shù)據(jù)的自適應(yīng)波束選取和傳輸方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著無線網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)的逐漸融合，人們對無線通信業(yè)務(wù)的類型和質(zhì)量的要求越來越高，對信息傳輸速率的要求也越來越高。如何提高信息傳輸速率是未來無線通信系統(tǒng)所面臨的主要問題之一。為了在有限的頻譜資源上實現(xiàn)這一目標(biāo)，多天線多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)已成為未來無線通信中所采用的必不可少的手段之一。在MIMO系統(tǒng)中，發(fā)送端利用多根天線進行信號發(fā)送，接收端利用多根天線進行空間信號的接收。研究表明，相比于傳統(tǒng)的單天線傳輸方法，MIMO技術(shù)可以顯著地提高信道容量，從而提高信息傳輸速率。
除了MIMO技術(shù)之外，自適應(yīng)傳輸也可以有效地提高衰落信道中的信息傳輸速率。自適應(yīng)調(diào)制與編碼(AMC)就是一種重要的自適應(yīng)傳輸技術(shù)。自適應(yīng)調(diào)制與編碼基本原理是根據(jù)當(dāng)前的信道特性自適應(yīng)地改變發(fā)送端在發(fā)送時所采用的調(diào)制和編碼參數(shù)，以便在信道條件好時多傳輸一些信息，在信道條件差時少傳輸一些信息，以此來提高通信系統(tǒng)的平均吞吐能力，也即提高平均頻譜的利用率。
因此，如果將MIMO技術(shù)與自適應(yīng)調(diào)制與編碼技術(shù)相結(jié)合，將可以獲得比單純使用一種技術(shù)更高的信息傳輸速率。
圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中一種采用自適應(yīng)調(diào)制與編碼技術(shù)的MIMO系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意。作為例子，該MIMO系統(tǒng)采用在3GPP中由Lucent公司提出的逐天線速率控制(PARC)方案。
如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)的采用自適應(yīng)調(diào)制與編碼的MIMO系統(tǒng)的發(fā)送端包括串/并變換單元101，自適應(yīng)調(diào)制與編碼單元102，和nT個發(fā)送天線103；接收端包括nR個天線104，信道估計單元105，MIMO檢測單元106，自適應(yīng)調(diào)制與編碼(AMC)參數(shù)選取單元107。在發(fā)送端與接收端進行通信的過程中，在發(fā)送端，串/并變換單元101首先將待發(fā)送的數(shù)據(jù)分成nT個數(shù)據(jù)子流，每個數(shù)據(jù)子流對應(yīng)一個發(fā)送天線。在發(fā)送之前，自適應(yīng)調(diào)制和編碼單元102根據(jù)當(dāng)前每個發(fā)送天線所對應(yīng)的信道傳輸特性對這些數(shù)據(jù)子流進行自適應(yīng)調(diào)制和編碼。經(jīng)過自適應(yīng)調(diào)制和編碼的數(shù)據(jù)子流被送到相應(yīng)的發(fā)送天線進行發(fā)送。對各個數(shù)據(jù)子流進行自適應(yīng)調(diào)制與編碼時所需的調(diào)制與編碼參數(shù)M1，M2，...，MnT來自于接收端通過反饋信道108反饋到發(fā)送端的信道傳輸特性。
在接收端，首先由nR個接收天線104將空間全部信號接收下來，然后由信道估計單元105根據(jù)該接收信號中的導(dǎo)頻信號，或采用其他方法進行信道估計，以便估計出當(dāng)前的信道特性矩陣H(對于MIMO系統(tǒng)來說，其信道特性可以用一個nR×nT的矩陣來描述)。然后，AMC參數(shù)選取單元107根據(jù)估計出的信道特性矩陣H來確定發(fā)送端每個數(shù)據(jù)子流所采用的調(diào)制和編碼參數(shù)，并據(jù)此選擇調(diào)制和編碼參數(shù)。此后，將選好的各數(shù)據(jù)子流的調(diào)制與編碼參數(shù)通過反饋信道108反饋回到發(fā)送端。此外，MIMO檢測單元106根據(jù)估計的信道特性矩陣H，以及AMC參數(shù)選取單元107輸出的各個數(shù)據(jù)子流的調(diào)制與編碼參數(shù)，采用一般的MIMO檢測方法對各個發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)子流進行檢測，并得到原始的發(fā)送數(shù)據(jù)。
在此，為了降低MIMO系統(tǒng)的反饋開銷，在發(fā)送端，各個天線通常以相等功率進行發(fā)送。另外，接收端在反饋各個數(shù)據(jù)子流的AMC參數(shù)時，只返回各個調(diào)制與編碼參數(shù)所對應(yīng)的序號。
在逐天線速率控制(PARC)方案中，AMC參數(shù)選取單元107中的操作，即AMC參數(shù)選取過程可以分成兩步首先，根據(jù)當(dāng)前信道特性矩陣H，預(yù)先計算各個數(shù)據(jù)子流1，2，...，nT經(jīng)MIMO檢測后的等效信號與干擾噪聲比(SINR)，即，SINR(1)，SINR(2)...，SINR(nT)。
在此，有多種方法可以用于MIMO檢測，例如，諸如迫零(ZF)和最小均方誤差(MMSE)檢測方法之類的線性檢測方法；串行干擾抵消(SIC)方法；最大似然檢測方法等等?，F(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)給出了各種MIMO檢測下的數(shù)據(jù)子流檢測后的等效SINR的計算方法。例如當(dāng)采用ZF檢測方法時，第k個數(shù)據(jù)子流經(jīng)檢測后的SINR為SINR(k)=EsnTN0[H*H]kk-1;]]>當(dāng)采用MMSE檢測方法時，第k個數(shù)據(jù)子流經(jīng)檢測后的SINR為SINR(k)=EsnTN0[H*H+N0/EsInT]kk-1-1,]]>其中Es為發(fā)送總功率，N0為噪聲功率，InT為nT×nT的單位陣。
然后，依據(jù)所得到的SINR(1)，SINR(2)，...，SINR(nT)，為各個數(shù)據(jù)子流選取調(diào)制和編碼參數(shù)M1，M2，...，MnT。
由SINR確定調(diào)制與編碼參數(shù)可以采用多種方法。例如，可以首先選定若干種調(diào)制與編碼參數(shù)組合，并且通過推導(dǎo)或者數(shù)值方法估計出在加性自高斯噪聲(AWGN)信道下各種參數(shù)的誤碼率(BER)性能。然后，根據(jù)各數(shù)據(jù)子流檢測后的SINR數(shù)值，選取能滿足一定BER要求并且吞吐量最大的調(diào)制與編碼參數(shù)作為該發(fā)送數(shù)據(jù)子流上的調(diào)制與編碼參數(shù)。
研究表明，在MIMO系統(tǒng)中采用PARC的自適應(yīng)傳輸方法可以獲得較好的吞吐性能。但是，要獲得這種較好的吞吐性能需要一個前提，那就是MIMO信道是獨立的。
然而，在實際的MIMO系統(tǒng)中，MIMO信道往往是相關(guān)的。造成MIMO信道相關(guān)的原因有很多，例如天線放置的間距不夠遠(yuǎn)，天線周圍沒有足夠多的散射物，以及收發(fā)裝置之間存在直射徑(LOS)等等。當(dāng)MIMO信道存在相關(guān)時，其信道特性矩陣H可以用下式來描述H=Rr1/2HwRt1/2,]]>其中Hw是nR×nT的獨立MIMO信道特性矩陣，Rr和Rt分別是nR×nR和nT×nT的接收和發(fā)送相關(guān)矩陣。
通過對現(xiàn)有技術(shù)研究表明，MIMO信道的相關(guān)性會造成MIMO系統(tǒng)的容量損失，而且相關(guān)性越強，所造成的容量損失越大。因此，與獨立MIMO系統(tǒng)相比，PARC方法在實際的相關(guān)MIMO系統(tǒng)中存在著很大的性能損失。
圖2是傳統(tǒng)PARC方法在非相關(guān)MIMO信道和相關(guān)MIMO信道下的性能比較示意圖。
其中發(fā)送端與接收端之間的通信是在下述環(huán)境中進行的發(fā)送天線的數(shù)量nT和接收天線的數(shù)量nR皆為4，信道采用了平坦瑞利衰落信道，接收端采用了ZF檢測方法。其中的AMC采用了無編碼的自適應(yīng)調(diào)制，調(diào)制參數(shù)分別為“不傳”、BPSK、QPSK、8PSK和16QAM，目標(biāo)BER＝10-3。另外，發(fā)送相關(guān)矩陣如下面的表達(dá)式(1)所示。
Rt=10.76e0.17πj0.43e0.35πj0.25e0.53πj0.76e-0.17πj10.76e.17πj0.43e0.35πj0.43e-0.35πj0.76e-0.17πj10.76e0.17πj0.25e-0.53πj0.43e-0.35πj0.76e-0.17πj1---(1)]]>該相關(guān)矩陣對應(yīng)于國際電信聯(lián)盟(ITU)中規(guī)范的天線間隔為λ/2，傳輸方向為10°，角度擴展為15°的情況。同時假設(shè)接收為非相關(guān)。從圖2中的對比示意圖可以看到，與非相關(guān)MIMO系統(tǒng)相比，傳統(tǒng)的PARC方法在實際的相關(guān)MIMO系統(tǒng)在吞吐性能方面有很大的損失。
為了對抗信道相關(guān)性所帶來的吞吐性能損失，現(xiàn)有技術(shù)提出了一種基于對瞬時信道特性矩陣H進行奇異值分解(SVD)的方法。該方法是在每個發(fā)送時刻，由接收端將估計所得的當(dāng)前信道特性矩陣H通過反饋信道反饋回到發(fā)送端，再由發(fā)送端對信道特性矩陣H進行奇異值分解(SVD)，并利用SVD的結(jié)果對發(fā)送信號進行預(yù)處理。該方法雖然在一定程度上可以提高相關(guān)MIMO下的性能，然而在實際MIMO系統(tǒng)中每個時刻都要對信道特性矩陣H進行反饋和SVD，因此，就系統(tǒng)反饋開銷和實現(xiàn)復(fù)雜度來說是難以容忍的。
為此，需要針對空間相關(guān)MIMO系統(tǒng)設(shè)計一種新的自適應(yīng)傳輸方法，一方面可以獲得比傳統(tǒng)PARC方法更好的自適應(yīng)性能，另一方面，又不會為系統(tǒng)帶來過多的開銷和復(fù)雜度上的增加。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問題提出了本發(fā)明，本發(fā)明的目的是提供一種相關(guān)MIMO系統(tǒng)中的自適應(yīng)波束選取和傳輸方法及相應(yīng)的系統(tǒng)，是一種基于波束選取和波束功率、比特分配的自適應(yīng)傳輸方法，在去除復(fù)用信號相關(guān)性的同時進一步提高了MIMO系統(tǒng)的傳輸性能。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種相關(guān)多天線多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)中的自適應(yīng)波束選取和傳輸方法，包括步驟接收端從接收的信號估計發(fā)送相關(guān)矩陣Rt，并選取L個特征波束W＝{w1，w2，...，wL}組成發(fā)送波束集合，并反饋給發(fā)送端；在每個發(fā)送時刻，接收端根據(jù)所確定的發(fā)送波束集合W＝{w1，w2，...，wL}以及當(dāng)前的信道特性矩陣H來確定發(fā)送端發(fā)送時所采用的自適應(yīng)傳輸參數(shù)，并將所得的結(jié)果反饋到發(fā)送端；和發(fā)送端按反饋的發(fā)送波束集合W＝{w1，w2，...，wL}和相應(yīng)的自適應(yīng)傳輸參數(shù)對發(fā)送數(shù)據(jù)進行處理，并通過天線發(fā)送出去。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種相關(guān)多天線多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)中的自適應(yīng)波束選取和傳輸方法，包括步驟接收端根據(jù)MIMO信道的二階統(tǒng)計特性，確定發(fā)送波束集合并反饋回發(fā)送端；在每個發(fā)送時刻，接收端根據(jù)當(dāng)前的信道特性從所述波束集合中選取多個波束作為當(dāng)前所采用的發(fā)送波束，并確定各波束上的功率和比特分配，并其結(jié)果反饋回發(fā)送端；發(fā)送端根據(jù)接收端反饋的所述結(jié)果，從發(fā)送波束集合中選取相應(yīng)的波束，并對發(fā)送數(shù)據(jù)進行相應(yīng)功率和比特分配，并通過天線發(fā)送所述數(shù)據(jù)。
根據(jù)本發(fā)明的再一個方面，提供一種相關(guān)多天線多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)中的自適應(yīng)波束選取和傳輸系統(tǒng)，包括發(fā)送端，具有自適應(yīng)調(diào)制和編碼單元，用于根據(jù)當(dāng)前每個發(fā)送天線所對應(yīng)的信道傳輸特性和接收端反饋的自適應(yīng)傳輸參數(shù)對數(shù)據(jù)子流進行自適應(yīng)調(diào)制和編碼；波束形成單元，用于形成發(fā)送波束集合W＝{w1，w2，...，wL}；接收端，具有信道估計單元，用于根據(jù)接收的信號進行信道估計，估計出當(dāng)前的信道特性矩陣H；發(fā)送波束集合確定單元，用于根據(jù)信道估計的結(jié)果計算信道二階統(tǒng)計特性并由此確定發(fā)送波束集合W＝{w1，w2，...，wL}，計算下一個發(fā)送時刻發(fā)送端進行自適應(yīng)傳輸時所需的參數(shù)，并將計算所得到的參數(shù)反饋回發(fā)送端；自適應(yīng)參數(shù)選取單元，用于根據(jù)所述信道估計以及所述發(fā)送波束集合，選取在下一個發(fā)送時刻發(fā)送端中各數(shù)據(jù)子流所要采用的控制參數(shù)，并將選取后的結(jié)果反饋回到發(fā)送端。


通過閱讀和理解下面參考附圖對本發(fā)明優(yōu)選實施例所做的詳細(xì)描述，將使本發(fā)明的這些和其它目的、特征、和優(yōu)點變得顯而易見。其中圖1是說明現(xiàn)有技術(shù)中采用AMC的MIMO系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是傳統(tǒng)PARC方法在非相關(guān)MIMO信道和相關(guān)MIMO信道下的性能比較示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例的MIMO系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例所采用的自適應(yīng)傳輸方法的流程圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例選取自適應(yīng)參數(shù)的過程的流程圖；和圖6是本發(fā)明所采用的自適應(yīng)傳輸方法與傳統(tǒng)方法的性能對比示意圖。
具體實施例方式
下面參照附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細(xì)說明，在描述過程中省略了對于本發(fā)明來說是不必要的細(xì)節(jié)和功能，以防止對本發(fā)明的理解造成混淆。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進行詳細(xì)說明。在本發(fā)明中，發(fā)送端可以是例如無線通信系統(tǒng)中的基站，接收端可以是例如無線通信系統(tǒng)中諸如移動站，便攜式計算機，個人數(shù)字助理(PDA)之類的移動終端。
圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例的采用自適應(yīng)傳輸?shù)腗IMO系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。下面參考圖3詳細(xì)說明根據(jù)本發(fā)明的相關(guān)MIMO系統(tǒng)中的自適應(yīng)波束選取和傳輸系統(tǒng)的配置。
如圖3所示，發(fā)送端包括nT個發(fā)送天線303，串/并變換單元301，與發(fā)送天線對應(yīng)的開關(guān)單元201，自適應(yīng)調(diào)制與編碼單元302，功率分配單元202，波束形成單元203，和相加單元204。接收端包括nR個接收天線304，信道估計單元305，發(fā)送波束集合確定單元212，自適應(yīng)參數(shù)選取單元213，和MIMO檢測單元。
接下來，對實施例的MIMO系統(tǒng)的操作進行描述。nT個發(fā)送天線303和nR個接收天線304進行信號的發(fā)送和接收。在發(fā)送端，待發(fā)送的數(shù)據(jù)首先經(jīng)過串/并變換單元301進行處理，將串行數(shù)據(jù)分成并行數(shù)據(jù)子流。經(jīng)串/并變換之后得到L條并行處理鏈路(L是自然數(shù)，其具體數(shù)值由系統(tǒng)給定，L≤nT)。每條處理鏈路上分別包含開關(guān)單元201，自適應(yīng)調(diào)制和編碼單元302，功率分配單元202和波束形成單元203。對于第i(i＝1，2，...，L)條發(fā)送鏈路而言，其中開關(guān)單元201的控制參數(shù)為Ci，Ci＝1和0分別表示開關(guān)單元201的閉合和斷開，自適應(yīng)調(diào)制和編碼單元302中所需的調(diào)制與編碼參數(shù)為Mi，功率分配單元202所分配的功率為Pi，波束形成單元203形成的發(fā)送波束為wi。這里，第i個鏈路的發(fā)送波束wi為一個nT×1向量?？梢约僭O(shè)每條鏈路上波束成形前的符號由si表示，則經(jīng)過相加單元204的相加處理后，經(jīng)發(fā)送天線303輸出的s可以表示成s＝s1*w1+s2*w2+...+sL*wL，其中s亦為nT×1向量。
在圖3中，發(fā)送端所需的控制參數(shù)，即，開關(guān)參數(shù)C＝{C1，C2，...，CL}，調(diào)制與編碼參數(shù)M＝{M1，M2，...，ML}，功率參數(shù)P＝{P1，P2，...，PL}和發(fā)送波束參數(shù)W＝{w1，w2，...，wL}，均來自于接收端通過接收的信號所做的確定和反饋。其中，C，M和P來自于接收端通過反饋信道308的短時反饋(這里所謂的短時反饋是指在每個發(fā)送時刻，例如每個時隙都要反饋一次)。而發(fā)送波束集合W則來自于接收端的長時反饋(這里所謂的長時反饋是指很長時間內(nèi)反饋一次，其反饋的時間間隔要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于短時反饋中的反饋時間間隔)。
在接收端，首先由nR個接收天線304接收空間信號并提供給信道估計單元305。信道估計單元305根據(jù)該接收信號進行信道估計，估計出當(dāng)前的信道特性矩陣H并提供給發(fā)送波束集合確定單元212。此后，發(fā)送波束集合確定單元212根據(jù)估計的信道特性確定發(fā)送波束集合W＝{w1，w2，...，wL}，計算下一個發(fā)送時刻發(fā)送端進行自適應(yīng)傳輸時所需的參數(shù)，并將計算所得到的參數(shù)通過反饋信道308反饋到發(fā)送端。具體地講，發(fā)送波束集合確定單元212根據(jù)信道估計的結(jié)果計算信道二階統(tǒng)計特性，并由此確定發(fā)送波束集合W，并將其通過反饋信道發(fā)送回發(fā)送端。由于信道二階統(tǒng)計特性本身隨時間的變化非常緩慢，因此這里對發(fā)送波束集合的確定和反饋都是長時過程，即很長時間內(nèi)計算一次，并反饋一次。
接下來，自適應(yīng)參數(shù)選取單元213根據(jù)信道估計所得到的當(dāng)前信道特性矩陣H，以及發(fā)送波束集合確定單元212確定的發(fā)送波束集合，選取在下一個發(fā)送時刻發(fā)送端中各數(shù)據(jù)子流所要采用的控制參數(shù)C，M和P，并將選取后的結(jié)果通過反饋信道發(fā)送回到發(fā)送端。由于信道特性矩陣H本身變化較快，因此這里對參數(shù)C，M和P的計算和反饋都是短時過程，即在短時間內(nèi)，例如每個時隙內(nèi)都要進行參數(shù)的選取和反饋。
此后，MIMO檢測單元211根據(jù)估計的信道特性矩陣H，發(fā)送波束集合確定單元212確定的發(fā)送波束以及自適應(yīng)參數(shù)選取單元213輸出的各個數(shù)據(jù)子流的調(diào)制與編碼參數(shù)對當(dāng)前接收的信號進行MIMO檢測，并輸出接收的數(shù)據(jù)。
按照本發(fā)明的MIMO系統(tǒng)的自適應(yīng)波束選取和傳輸方法，MIMO檢測單元211不同于如圖1所示的MIMO檢測。與傳統(tǒng)的MIMO-AMC結(jié)構(gòu)，即PARC相比，采用本發(fā)明技術(shù)的MIMO-AMC系統(tǒng)的主要區(qū)別在于發(fā)送端采用波束成形發(fā)送，MIMO的自適應(yīng)傳輸通過對發(fā)送波束的選取，以及對各發(fā)送波束之間進行功率和比特分配來實現(xiàn)。與傳統(tǒng)的采用復(fù)用發(fā)送MIMO相比，本發(fā)明的發(fā)送方法的優(yōu)點在于在去除了復(fù)用信號的相關(guān)性，同時進一步提高MIMO系統(tǒng)的傳輸性能。
圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例所采用的MIMO系統(tǒng)自適應(yīng)傳輸方法的流程圖。下面參考圖4對本發(fā)明實施例的MIMO系統(tǒng)自適應(yīng)傳輸方法進行詳細(xì)描述。
首先，在步驟S401，接收端從接收的信號估計發(fā)送相關(guān)矩陣Rt，并由此選取L個特征波束W＝{w1，w2，...，wL}組成發(fā)送波束集合，并將其反饋給發(fā)送端。接下來，在步驟S402，在每個發(fā)送時刻，接收端根據(jù)在步驟S401中確定的發(fā)送波束集合W＝{w1，w2，...，wL}以及當(dāng)前的信道特性矩陣H來確定發(fā)送端發(fā)送所采用的自適應(yīng)參數(shù)C＝{C1，C2，...，CL}，M＝{M1，M2，...，ML}和P＝{P1，P2，...，PL}，并將所得的結(jié)果通過反饋信道308反饋到發(fā)送端。如前所述，這里的選取和反饋是一個短時過程。在步驟S401中向發(fā)送端反饋確定的發(fā)送波束集合W＝{w1，w2，...，wL}時，發(fā)送端在步驟S411接收從接收端反饋的發(fā)送波束集合W＝{w1，w2，...，wL}。同樣，在步驟S402向發(fā)送端反饋所采用的自適應(yīng)參數(shù)C＝{C1，C2，...，CL}，M＝{M1，M2，...，ML}和P＝{P1，P2，...，PL}時，發(fā)送端在步驟S412按相應(yīng)的反饋參數(shù)C＝{C1，C2，...，CL}，M＝{M1，M2，...，ML}和P＝{P1，P2，...，PL}對發(fā)送數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理，并通過天線發(fā)送出去。
此后，在步驟S403，接收端根據(jù)在步驟S402為下一個發(fā)送時刻選取的自相應(yīng)參數(shù)C，M，P和在步驟S412從發(fā)送端發(fā)送的經(jīng)過相應(yīng)處理的數(shù)據(jù)，按照相應(yīng)參數(shù)C，M，P對接收信號進行MIMO檢測。在步驟S404，判斷是否需要重新估計信道統(tǒng)計特性和確定發(fā)送波束集合。如果步驟S404的判斷結(jié)果為肯定，流程轉(zhuǎn)到步驟S401，重新確定發(fā)送波束集合。如果在步驟S404的判斷結(jié)果為否定，流程轉(zhuǎn)到步驟S402，為下一個發(fā)送的數(shù)據(jù)選取自適應(yīng)參數(shù)C、M和P，并將其反饋給發(fā)送端。
在步驟S401中，接收端為了估計發(fā)送相關(guān)矩陣Rt，作為實例，可以采用以下兩種方法。
第一種方法是，計算Rt(i*T)＝E{HHH}，其中Rt(i*T)表示在時刻i*T計算所得到的發(fā)送相關(guān)矩陣，T表示計算相關(guān)矩陣的時間間隔，E{}表示在時間段[(i-1)*T，i*T]內(nèi)求平均。一般來說，T值較大，所以該步驟為一長時過程。
第二種方法是，計算Rt(i*T)＝ρ Rt((i-1)*T)+(1-ρ)E{HHH}，即根據(jù)(i-1)*T時刻的信道相關(guān)值Rt((i-1)*T)，以及時間段[(i-1)*T，i*T]內(nèi)的平均值E{HHH}進行加權(quán)，求得i*T時刻的信道相關(guān)值Rt(i*T)，其中ρ被稱作遺忘因子，其數(shù)值由系統(tǒng)初始選定。
此后，根據(jù)計算得到的相關(guān)矩陣Rt確定L個特征波束W＝{w1，w2，...，wL}組成發(fā)送波束集合。
具體地講，首先對上一步中計算所得到的Rt進行特征值分解，得到nT個特征向量以及nT個特征值。并且，這nT個特征向量與nT個特征值一一對應(yīng)。然后，從nT個特征值中選取最大的L個特征值，用λi來表示，其中i＝1，2，...，L，并且滿足λ1≥λ2≥…≥λL。于是，得到一個包含L個特征波束的集合W＝{w1，w2，...，wL}，其中wi為與特征值λi相對應(yīng)的特征向量。這里，L值大小可由系統(tǒng)初始設(shè)定，并且滿足1≤L≤nT。
然后，將得到的發(fā)送波束集合W＝{w1，w2，...，wL}通過反饋信道108反饋回到發(fā)送端，其反饋時間間隔與計算相關(guān)矩陣的時間間隔相同，亦為T。
圖5給出了步驟S402中為下一時刻發(fā)送數(shù)據(jù)選取自相應(yīng)參數(shù)C，M，P的詳細(xì)過程。
如圖5所示，該步驟是一個迭代過程，具體如下首先，在步驟S501令S為發(fā)送波束(或鏈路)序號的集合，設(shè)置初始時S＝{1，2，...，L}，即初始時有L個波束可供選取，這L個波束即是由接收端長時計算和反饋的發(fā)送波束集合W＝{w1，w2，...，wL}。每個波束上分配的功率為P0＝Ptotal/length(S)，其中Ptotal表示系統(tǒng)的總發(fā)送功率限制，length(S)表示集合S的長度，即其中包含的元素的數(shù)量。這里，為了降低系統(tǒng)的反饋開銷，可以限定每個波束以相等的功率發(fā)送，即Pi＝P0，i＝1，2，...，L。
然后，在步驟S502，從序號集合S所對應(yīng)的發(fā)送波束集合Ws(即Ws{wi，i∈S})中選取wj，使得j=argmini∈S{||Hwi||},]]>其中‖·‖表示2范數(shù)。就是說，從當(dāng)前發(fā)送波束集合Ws中選取一個信道增益最小的發(fā)送波束。
接下來，該過程進行到步驟S503，通過選取信道增益最小的發(fā)送波束而得到一個新的發(fā)送波束序號集合S’＝S\{j}，以及新的功率分配結(jié)果P0’＝Ptotal/length(S’)。與原集合S相比，新的集合S’中除去了步驟S501中選出的波束j，并將總發(fā)送功率Ptotal在剩余的所有波束中等分。
此后，在步驟S504，判斷是否滿足條件{THR(S′，P0′)＞THR(S，P0)}且{length(S)＞1}。上述關(guān)系式的含義是判斷將波束j從總的發(fā)送波束集合中除去后是否可以得到更高的系統(tǒng)吞吐性能，其中THR(S，P0)是指發(fā)送波束序號集合為S，且S中的每波束上分配的功率為P0時的系統(tǒng)總吞吐量。同樣，THR(S′，P0′)是指發(fā)送波束序號集合為S’，且S’中是每波束上分配的功率為P0’時的系統(tǒng)總吞吐量。如果上述條件成立，則對集合S進行更新，即，使S＝S’，并且流程轉(zhuǎn)到步驟S502繼續(xù)進行迭代。如果上述條件不成立，即步驟S504的判斷結(jié)果為“否”，整個參數(shù)選取過程則結(jié)束。
在此，計算THR(，)是一個比較復(fù)雜的過程，以THR(S，P0)為例，其包括以下步驟第一步驟假設(shè)此時S可以表示為{k1，k2，...，kM}，其中ki∈{1，2，...，L}。
第二步驟根據(jù)當(dāng)前信道特性矩陣H，預(yù)先計算S所對應(yīng)的各個波束上的信號1，2，...，kM經(jīng)MIMO檢測后的等效SINRSINR(1)，SINR(2)，...，SINR(kM)。
這里，仍然可以采用傳統(tǒng)的任何一種MIMO檢測方法進行檢測，例如諸如ZF檢測和MMSE檢測之類的線性檢測方法；SIC方法；最大似然檢測方法等等。因此，可以直接利用已有的計算SINR的公式來計算發(fā)送信號在檢測后的等效SINR。如前所述，當(dāng)采用ZF檢測時，第k個子流經(jīng)檢測后的SINR為SINR(k)=EsnTN0[H*H]kk-1;]]>當(dāng)采用MMSE檢測時，第k個子流經(jīng)檢測后的SINR為SINR(k)=EsnTN0[H*H+N0/EsInT]kk-1-1.]]>所不同的是，這里要對信道矩陣和發(fā)送功率進行修正。例如，對ZF檢測來說，SINR(k)=P0N0[H0*H0]kk-1;]]>對MMSE檢測來說，SINR(k)=P0N0[H0*H0+N0/PtotalIM]kk-1-1,]]>其中H0＝H[wk1wk2…wkM]。
第三步驟依據(jù)所得到的SINR(1)，SINR(2)，...，SINR(kM)，為各個數(shù)據(jù)子流選取調(diào)制和編碼參數(shù)Mk1，Mk2，...，MkM，并確定出THR(S，P0)。
前面已經(jīng)提到，由SINR確定調(diào)制編碼參數(shù)可以采用多種方法，傳統(tǒng)方法如下首先選定若干種調(diào)制與編碼參數(shù)組合，并且通過推導(dǎo)或者數(shù)值方法估計出在AWGN信道下各種參數(shù)的BER性能，從而確定每種調(diào)制編碼參數(shù)要達(dá)到某個目標(biāo)BER所需的SINR門限。然后，根據(jù)各子流檢測后的SINR數(shù)值，選取能滿足目標(biāo)BER(即其SINR高于SINR門限)要求且吞吐量R最大的調(diào)制編碼參數(shù)作為該發(fā)送子流上的調(diào)制與編碼參數(shù)。
Turbo編碼調(diào)制參數(shù)與SINR門限對應(yīng)關(guān)系如下面的表1所示，其中目標(biāo)BER為10-4。
表1調(diào)制與編碼參數(shù)集合及其對應(yīng)信噪比


由上面的表1可以得到各個數(shù)據(jù)子流上的調(diào)制和編碼參數(shù)Mk1，Mk2，...，MkM及其各自對應(yīng)的吞吐量R(Mk1)，R(Mk2)，...，R(MkM)，從而得到總吞吐量為THR(S，P0)＝R(Mk1)+R(Mk2)+...+R(MkM)，其中R(M)表示調(diào)制與編碼參數(shù)M所對應(yīng)的頻譜利用率。
當(dāng)上述第一至第三步驟的整個迭代過程結(jié)束時，可以得到最終的發(fā)送波束序號選取結(jié)果S。同樣假設(shè)S可以表示為{k1，k2，...，kM}，即表示在發(fā)送端將使用波束{wk1，wk2，...wkM}進行發(fā)送，于是得到相應(yīng)的開關(guān)控制參數(shù)C＝{C1，C2，...，CL}，其中當(dāng)i∈S時，Ci＝1，否則Ci＝0，相應(yīng)的自適應(yīng)調(diào)制和編碼參數(shù)M＝{M1，M2，...，ML}在前面的第三步驟中也已得到，功率分配參數(shù)P＝{P1，P2，...，PL}，其中當(dāng)i∈S時，Pi＝Ptotal/length(S)，否則Pi＝0。
由于信道統(tǒng)計特性在長時間內(nèi)保持不變，因此在本方法中對信道二階統(tǒng)計特性的估計，以及發(fā)送波束集合的確定和反饋是一個長時過程，即在很長的時間內(nèi)執(zhí)行一次，其具體時間長度可由系統(tǒng)初始設(shè)定。而對于圖4中的步驟S402，即在每個發(fā)送時刻，接收端根據(jù)上一步中所得到的發(fā)送波束集合W＝{w1，w2，...，wL}以及當(dāng)前的信道特性H來確定發(fā)送端發(fā)送所采用的自適應(yīng)參數(shù)C＝{C1，C2，...，CL}，M＝{M1，M2，...，ML}和P＝{P1，P2，...，PL}，并將所得的結(jié)果通過反饋信道反饋回發(fā)送過程是一個短時過程。就是說，對于為發(fā)送數(shù)據(jù)子流選取自適應(yīng)參數(shù)C，P和M來說，因為H的變化較快，所以該操作是一個短時過程，即在很短的時間內(nèi)，比如一個時隙內(nèi)，就要執(zhí)行一次。
圖6示出了本發(fā)明所采用的自適應(yīng)傳輸方法與傳統(tǒng)方法的性能對比示意圖。仿真中給出了采用傳統(tǒng)PARC方法與本發(fā)明方法下的系統(tǒng)吞吐性能比較。具體采用的通信環(huán)境是，發(fā)送天線數(shù)量nT和接收天線數(shù)量nR皆為4，信道采用了平坦瑞利衰落信道。其中的AMC采用了無編碼的自適應(yīng)調(diào)制，調(diào)制參數(shù)分別為“不傳”、BPSK、QPSK、8PSK和16QAM，目標(biāo)BER＝10-5。另外，發(fā)送相關(guān)矩陣為Rt=10.76e0.17πj0.43e0.35πj0.25e0.53πj0.76e-0.17πj10.76e.17πj0.43e0.35πj0.43e-0.35πj0.76e-0.17πj10.76e0.17πj0.25e-0.53πj0.43e-0.35πj0.76e-0.17πj1]]>對應(yīng)于ITU中規(guī)定的天線間隔為λ/2，傳輸方向為10°，角度擴展為15°的情況。同時假設(shè)接收非相關(guān)。圖6中用三角形標(biāo)記的曲線表示利用本發(fā)明的方法獲得的吞吐量隨SNR的變化，用圓圈標(biāo)記的曲線表示利用傳統(tǒng)方法獲得的吞吐量隨SNR的變化。從圖6的對比可以看出，與傳統(tǒng)方法相比，采用本發(fā)明提出的方法可以獲得更好的吞吐性能。
根據(jù)本發(fā)明的相關(guān)MIMO系統(tǒng)中的自適應(yīng)波束選取和傳輸方法，采用了基于波束選取和波束功率、比特分配的自適應(yīng)傳輸方法，在去除復(fù)用信號相關(guān)性的同時進一步提高了MIMO系統(tǒng)的傳輸性能。
至此已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了描述。應(yīng)該理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進行各種其它的改變、替換和添加。因此，本發(fā)明的范圍不局限于上述特定實施例，而應(yīng)由所附權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.一種相關(guān)多天線多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)中的自適應(yīng)波束選取和傳輸方法，包括步驟接收端從接收的信號估計發(fā)送相關(guān)矩陣Rt，并選取L個特征波束W＝{w1，w2，...，wL}組成發(fā)送波束集合，并反饋給發(fā)送端；在每個發(fā)送時刻，接收端根據(jù)所確定的發(fā)送波束集合W＝{w1，w2，...，wL}以及當(dāng)前的信道特性矩陣H來確定發(fā)送端發(fā)送時所采用的自適應(yīng)傳輸參數(shù)，并將所得的結(jié)果反饋到發(fā)送端；和發(fā)送端按反饋的發(fā)送波束集合W＝{w1，w2，...，wL}和相應(yīng)的自適應(yīng)傳輸參數(shù)對發(fā)送數(shù)據(jù)進行處理，并通過天線發(fā)送出去。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述自適應(yīng)傳輸參數(shù)包括開關(guān)參數(shù)C＝{C1，C2，...，CL}，調(diào)制和編碼參數(shù)M＝{M1，M2，...，ML}和功率分配參數(shù)P＝{P1，P2，...，PL}。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述估計發(fā)送相關(guān)矩陣Rt的步驟包括根據(jù)信道估計的結(jié)果計算信道二階統(tǒng)計特性，并由此確定發(fā)送波束集合W的步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，進一步包括判斷是否需要重新估計信道統(tǒng)計特性和確定發(fā)送波束集合的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，進一步包括如果需要重新確定，則重新確定發(fā)送波束集合的步驟；以及如果不需要重新確定，則為下一個發(fā)送的數(shù)據(jù)選取自適應(yīng)傳輸參數(shù)，并將其反饋給發(fā)送端的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括接收端根據(jù)選取的自相應(yīng)參數(shù)和從發(fā)送端發(fā)送的經(jīng)過所述處理的數(shù)據(jù)，按照所述自適應(yīng)參數(shù)對接收信號進行MIMO檢測。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中估計發(fā)送相關(guān)矩陣Rt的步驟包括，計算Rt(i*T)＝E{HHH}的步驟，其中Rt(i*T)表示在時刻i*T計算所得到的發(fā)送相關(guān)矩陣，T表示計算相關(guān)矩陣的時間間隔，E{}表示在時間段[(i-1)*T，i*T]內(nèi)求平均。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中估計發(fā)送相關(guān)矩陣Rt的步驟包括，根據(jù)(i-1)*T時刻的信道相關(guān)值Rt((i-1)*T)，以及時間段[(i-1)*T，i*T]內(nèi)的平均值E{HHH}進行加權(quán)，計算Rt(i*T)＝ρRt((i-1)*T)+(1-ρ)E{HHH}來求出i*T時刻的信道相關(guān)值Rt(i*T)的步驟，其中ρ表示遺忘因子，其數(shù)值由系統(tǒng)初始選定。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中反饋發(fā)送波束集合W的時間間隔遠(yuǎn)大于反饋自適應(yīng)傳輸參數(shù)的時間間隔。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述確定發(fā)送波束集合W＝{w1，w2，...，wL}的步驟包括接收端對所得的發(fā)送相關(guān)矩陣Rt進行特征值分解后確定最大L個特征值所對應(yīng)的特征向量的步驟，其中wi與特征值λi相對應(yīng)，且λ1≥λ2≥...≥λL。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括接收端根據(jù)當(dāng)前的信道特性從波束集合中選取多個波束作為當(dāng)前所采用的發(fā)送波束，同時確定各波束上的功率和比特分配，并將其結(jié)果反饋回發(fā)端。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中對波束進行選取的步驟采用迭代方法，在每次迭代中去除一個信道增益最小的波束。
13.一種相關(guān)多天線多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)中的自適應(yīng)波束選取和傳輸方法，包括步驟接收端根據(jù)MIMO信道的二階統(tǒng)計特性，確定發(fā)送波束集合并反饋回發(fā)送端；在每個發(fā)送時刻，接收端根據(jù)當(dāng)前的信道特性從所述波束集合中選取多個波束作為當(dāng)前所采用的發(fā)送波束，并確定各波束上的功率和比特分配，并其結(jié)果反饋回發(fā)送端；發(fā)送端根據(jù)接收端反饋的所述結(jié)果，從發(fā)送波束集合中選取相應(yīng)的波束，并對發(fā)送數(shù)據(jù)進行相應(yīng)功率和比特分配，并通過天線發(fā)送所述數(shù)據(jù)。
14.一種相關(guān)多天線多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)中的自適應(yīng)波束選取和傳輸系統(tǒng)，包括發(fā)送端，具有自適應(yīng)調(diào)制和編碼單元，用于根據(jù)當(dāng)前每個發(fā)送天線所對應(yīng)的信道傳輸特性和接收端反饋的自適應(yīng)傳輸參數(shù)對數(shù)據(jù)子流進行自適應(yīng)調(diào)制和編碼；波束形成單元，用于形成發(fā)送波束集合W＝{w1，w2，...，wL}；接收端，具有信道估計單元，用于根據(jù)接收的信號進行信道估計，估計出當(dāng)前的信道特性矩陣H；發(fā)送波束集合確定單元，用于根據(jù)信道估計的結(jié)果計算信道二階統(tǒng)計特性并由此確定發(fā)送波束集合W＝{w1，w2，...，wL}，計算下一個發(fā)送時刻發(fā)送端進行自適應(yīng)傳輸時所需的參數(shù)，并將計算所得到的參數(shù)反饋回發(fā)送端；自適應(yīng)參數(shù)選取單元，用于根據(jù)所述信道估計以及所述發(fā)送波束集合，選取在下一個發(fā)送時刻發(fā)送端中各數(shù)據(jù)子流所要采用的控制參數(shù)，并將選取后的結(jié)果反饋回到發(fā)送端。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，進一步包括串/并變換單元，用于將串行數(shù)據(jù)分成L個并行的數(shù)據(jù)子流，并得到L條并行處理鏈路。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中L條并行處理鏈路中的每一條鏈路上分別包含開關(guān)單元，用于控制相應(yīng)鏈路的閉合和斷開。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，進一步包括MIMO檢測單元，用于根據(jù)估計的信道特性矩陣H，確定的發(fā)送波束集合以及各個數(shù)據(jù)子流的自適應(yīng)傳輸參數(shù)對當(dāng)前接收的信號進行MIMO檢測，并輸出接收的數(shù)據(jù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述自適應(yīng)傳輸參數(shù)包括開關(guān)參數(shù)C＝{C1，C2，...，CL}，調(diào)制和編碼參數(shù)M＝{M1，M2，...，ML}和功率分配參數(shù)P＝{P1，P2，...，PL}。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種相關(guān)MIMO系統(tǒng)中的自適應(yīng)波束選取和傳輸方法。在該方法中，接收端根據(jù)相關(guān)MIMO系統(tǒng)中的信道的二階統(tǒng)計特性，確定發(fā)送波束集合并將其反饋回發(fā)端。在每個發(fā)送時刻，接收端根據(jù)當(dāng)前的信道特性從波束集合中選取若干波束作為當(dāng)前所采用的發(fā)送波束，同時確定各波束上的功率和比特分配，并將其結(jié)果反饋回發(fā)送端；發(fā)送端根據(jù)接收端反饋的結(jié)果從發(fā)送波束集合中選取相應(yīng)波束，并進行相應(yīng)的功率和比特分配，然后發(fā)送出去。在該方法中，采用了基于波束選取和波束功率、比特分配的自適應(yīng)傳輸方法，在去除復(fù)用信號相關(guān)性的同時進一步提高了MIMO系統(tǒng)的傳輸性能。
文檔編號H04L1/06GK101039163SQ200610059498
公開日2007年9月19日 申請日期2006年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月13日
發(fā)明者佘小明, 李繼峰 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社