專利名稱：基于誤符號(hào)率的空時(shí)分組碼下行發(fā)送功率分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)線通信的下行發(fā)送技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及適合于分布式無(wú)線通信系統(tǒng)空時(shí)分組碼發(fā)送方案的下行發(fā)送功率的分配方法。
背景技術(shù)：
清華大學(xué)微波與數(shù)字通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室首次提出分布式無(wú)線通信系統(tǒng)的概念，即采用分布式天線、分布式光纖、分布式計(jì)算和分布式網(wǎng)絡(luò)的框架實(shí)現(xiàn)新一代無(wú)線通信。分布式無(wú)線通信系統(tǒng)采用分布式天線和分布式處理結(jié)構(gòu)，因此傳統(tǒng)意義上的以地理位置為依據(jù)的小區(qū)劃分機(jī)制不復(fù)存在，取而代之的是以用戶為單位的虛擬小區(qū)。具體而言，實(shí)時(shí)測(cè)量各分布式天線到每用戶的信道增益，始終由與用戶信道質(zhì)量最好的多根分布式天線聯(lián)合組成該用戶的虛擬小區(qū)。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)所處環(huán)境發(fā)生改變(如位置移動(dòng))時(shí)，移動(dòng)臺(tái)所對(duì)應(yīng)的虛擬小區(qū)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。對(duì)于多用戶情況，各用戶的虛擬小區(qū)可能會(huì)發(fā)生重疊。在分布式無(wú)線通信系統(tǒng)中，僅用戶的虛擬小區(qū)的天線負(fù)責(zé)該用戶信號(hào)的收發(fā)。如何選擇恰當(dāng)?shù)陌l(fā)送天線是分布式無(wú)線通信系統(tǒng)中首先要解決的重要問(wèn)題。
為了進(jìn)一步提高下行容量以適應(yīng)Internet在移動(dòng)通信中的應(yīng)用，下行的發(fā)送分集的研究在近幾年迅速成為熱點(diǎn)。它是采用多根發(fā)送天線發(fā)送信號(hào)，而接收采用單根天線。接收端對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行合并處理，能獲得和接收分集等效的分集增益，這樣可以簡(jiǎn)化移動(dòng)臺(tái)的設(shè)計(jì)?？諘r(shí)分組碼(STBC，Space-Time Block Code)是一種重要的發(fā)送分集方案，通過(guò)簡(jiǎn)單的時(shí)域設(shè)計(jì)使得各天線上的發(fā)送序列彼此正交，可以獲得全部分集增益。STBC和標(biāo)準(zhǔn)AWGN信道下的信道碼級(jí)聯(lián)性能優(yōu)越，且大大降低了復(fù)雜度，因此在分布式無(wú)線通信系統(tǒng)中采用STBC方案有非常大的應(yīng)用前景。
由于分布式無(wú)線通信系統(tǒng)的信道和普通的多入多出(multiple input multiple output，MIMO)信道有很大不同，各天線到用戶的大尺度衰落(路徑衰落和陰影衰落)往往不同，等功率、等速率發(fā)送的STBC方案可能很不經(jīng)濟(jì)。對(duì)于給定的用戶，如何選擇與其通信的分布式天線是必須要解決的問(wèn)題，如果天線個(gè)數(shù)太少或太多，都可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的性能下降，我們需要確定最佳的發(fā)送天線的集合。由于全部的信道信息在接收端是獲知的，利用全部信道信息進(jìn)行發(fā)送端的天線集合的選擇和功率速率調(diào)整，就需要信道信息從接收端到發(fā)送端的反饋，這就會(huì)增加很大的系統(tǒng)開(kāi)銷，而且容易受到反饋誤差和延遲的影響。大尺度的信道信息變化緩慢，從接收端到發(fā)送端的反饋只需要很小的開(kāi)銷，因此利用大尺度的信息進(jìn)行相應(yīng)的天線集合的選擇和功率速率調(diào)整是可行的。在本發(fā)明中，我們利用發(fā)送端從接收端反饋的發(fā)送和接收相關(guān)矩陣的特征值來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。
要想實(shí)現(xiàn)STBC在分布天線結(jié)構(gòu)上的最優(yōu)傳輸，可以通過(guò)功率的分配使得STBC方案的平均誤符號(hào)率SER最?。话l(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為解決STBC方案下行發(fā)送功率的分配問(wèn)題，也就是下行發(fā)送天線的選擇問(wèn)題。由于在分布式信道中等功率和等速率發(fā)送的STBC很不經(jīng)濟(jì)，必須要進(jìn)行發(fā)送功率的調(diào)整。為此提出適合于分布式無(wú)線通信系統(tǒng)中下行STBC方案的發(fā)送功率分配方法，具有很好的性能和實(shí)用性。
本發(fā)明的特征在于，對(duì)于一個(gè)單用戶的分布式無(wú)線通信系統(tǒng)，依次含有以下步驟步驟(1)，設(shè)定發(fā)送端有n根基站天線，該n根天線被任意分為空間散開(kāi)的l簇，并且第j簇的天線個(gè)數(shù)為qj，j＝1，2，…l；接收端的用戶天線有m根；發(fā)送端的每根天線和中央處理器間有獨(dú)立的線纜連接，由該中央處理器來(lái)處理發(fā)送和接收的信號(hào)；所選中央處理器采用空時(shí)分組碼的發(fā)送方式，在同一簇內(nèi)部的發(fā)送天線等功率發(fā)送，而在一個(gè)由任意天線簇組合而成的發(fā)送天線集合中，在不同簇之間按以下步驟進(jìn)行，使得系統(tǒng)的中斷概率最??；步驟(2)，接收端根據(jù)所接收導(dǎo)頻信號(hào)及所有可用發(fā)送天線，估計(jì)n×n發(fā)送天線的衰落相關(guān)矩陣Rt，m×m接收天線衰落相關(guān)矩陣Rr；所述Rt＝diag(α1Rt，1，…αLRt，L)，其中Rt，j代表qj×qj的第j簇的歸一化發(fā)送天線相關(guān)矩陣，αj為第j簇的大尺度衰落信息，所需估計(jì)的Rt，j的特征值為λj，k＝1，…Kj，，其中Kj為第j簇特征值的個(gè)數(shù)，所述Rr＝E{HHH}/n，H為信道矩陣，Rr是一個(gè)對(duì)角元素為1的復(fù)對(duì)稱矩，該Rr有K個(gè)特征值用λi表示，i＝1，…K；步驟(3)，發(fā)送端的中央處理器根據(jù)從接收端反饋的各特征值，對(duì)于所有發(fā)送天線集合，在每一種發(fā)送天線集合的各簇之間按各簇發(fā)送天線相關(guān)矩陣的秩來(lái)等比例地分配功率的方法，用下式計(jì)算集合Ai傳遞MQAM和MPSK符號(hào)時(shí)的平均誤符號(hào)率的表達(dá)式
F12(u,1/2;u+1,11+gMQAMajwjρλj,kλi/qj)),]]> F1(1,u,1;u+3/2;qj+gMQAMajwjρλj,kλiqj+2gMQAMajwjρλj,kλi,1/2))]]> F12(u,1/2;u+1,11+gMQAMajwjρλj,kλi/qj))]]> F1(12,u,12-u;32,1-gMPSK1+gMPSKajwjρλj,k/qj,1-gMPSK))]]>系數(shù)qj，k，i，u為qj,k,i,u=(-ajwjρλk,jλi)-(τj,kτi-u)qj-(τj,kτi-u)(τj,kτi-u)!∂τj,kτi-u∂sτj,kτi-u]]>×(Σβ=1lΣγ=1KjΣζ=1(β,γ,ζ)≠(j,k,i),K(1-saβwβρλβ,γλζ/qβ)-τj,kτi)s=qjajwjρλj,kλi,]]>其中，當(dāng)噪聲方差σ2＝1時(shí)，ρ是平均發(fā)送功率與接收端噪聲功率之比。αj代表第j簇的大尺度衰落信息，j＝1，…l，λj，k＝1，…Kj，為第j簇發(fā)送天線的相關(guān)矩陣Rt，j的Kj個(gè)不同的特征值，λj，k的重?cái)?shù)為τj，k，滿足Σk=1Kjτj,k=tj,]]>也就是Rt，j的秩為tj，1≤tj≤qj，λi，i＝1，…K，為歸一化接收天線的相關(guān)矩陣Rr的K個(gè)不同的特征值，λi的重?cái)?shù)為τi，滿足Σi=1Kτi=m1,]]>也就是說(shuō)Rr的秩為m1(1≤m1≤m)，wj=tj/Σj=1ltj,]]>j＝1，…，l，β，γ，ζ為下標(biāo)，F(xiàn)1(a,b1,b2;c,x,y)=Σn=0∞Σk=0∞(a)n+k(b1)n(b2)kxnyk/((c)n+kn!k!),]]>是Appell超幾何函數(shù)，F(xiàn)12(a,b;c,x)=Σn=0∞(a)n(b)nxn/((c)nn!)]]>是超幾何函數(shù)，(a)n＝Γ(a+n)/Γ(a)，wj=tj/Σj=1ltj,j=j,...,l,gMQAM=1.5(M-1),q=1-1M,]]>以及gMPSK=sin2(πM),]]>Γ(a)=∫0∞ya-1e-ydy]]>為Gamma函數(shù)。
步驟(4)，該中央處理器比較所有發(fā)送天線集合的平均誤符號(hào)率，尋找其最小值，從而確定所需天線集合以及功率分配。
對(duì)于STBC方案在分簇分布式無(wú)線通信系統(tǒng)中的下行傳輸，本發(fā)明所提出的方法是在發(fā)送端利用大尺度的信道信息(發(fā)送和接收相關(guān)矩陣的特征值)進(jìn)行發(fā)送功率的優(yōu)化分配。這種基于大尺度信道信息的功率分配方案考慮了小尺度衰落的平均影響，只有當(dāng)大尺度信息改變后，發(fā)送端才會(huì)相應(yīng)的進(jìn)行調(diào)整。在發(fā)送端知道全部的信道信息后，同樣可以進(jìn)行相應(yīng)的選擇，只是全部信道信息的反饋會(huì)造成很大的開(kāi)銷，而且運(yùn)算復(fù)雜度很高，是很不現(xiàn)實(shí)的方法。
本發(fā)明提出的方法利用很少的大尺度信息，在發(fā)送端進(jìn)行功率的優(yōu)化分配，得到了簡(jiǎn)單有效的次優(yōu)功率分配方案，那就是對(duì)于最優(yōu)的天線集合來(lái)說(shuō)，按照每簇天線的發(fā)送相關(guān)矩陣的秩成比例的分配功率，結(jié)合天線選擇，就可以接近最優(yōu)的性能，從而成功解決了STBC在分布式無(wú)線通信系統(tǒng)中傳輸時(shí)很關(guān)鍵的功率分配的問(wèn)題。與等功率全部天線發(fā)送的方案相比，性能有了極大的提高，又由于本方案運(yùn)算簡(jiǎn)單，非常適于在實(shí)際中采用。


圖1為分簇分布式無(wú)線通信系統(tǒng)的示意2為功率分配方案的流程3為基于平均SER的功率分配方案效果圖，其各曲線所代表的中斷概率的性能為具體實(shí)施方式
本發(fā)明提出的適合于分布式無(wú)線通信系統(tǒng)中空時(shí)分組碼的下行發(fā)送功率的分配方法，其特征在于，對(duì)于一個(gè)單用戶的分布式無(wú)線通信系統(tǒng)，基站天線有n根，用戶天線有m根。n根天線被任意分為空間散開(kāi)的l簇，并且第j簇(j＝1，…，l)的天線個(gè)數(shù)為qj。假定不同簇內(nèi)部的發(fā)送天線存在一定程度的的相關(guān)性，而接收天線也存在相關(guān)性。采用空時(shí)分組碼的發(fā)送方案STBC。在同一簇內(nèi)部等功率發(fā)送，對(duì)于不同簇之間則在發(fā)送端根據(jù)從接收端反饋的信息進(jìn)行功率分配，使得系統(tǒng)的平均SER最小。
本發(fā)明提出的發(fā)送端進(jìn)行功率分配的目的是使STBC方案在分布式無(wú)線通信系統(tǒng)中下行傳輸時(shí)系統(tǒng)的平均SER最小，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的傳輸。
考慮最一般的天線模型(n，l，q1，…，ql，m)天線結(jié)構(gòu)。如圖1所示，假設(shè)有n根發(fā)送天線和m根接收天線，n根天線被任意分為空間散開(kāi)的l簇，并且第j簇的天線個(gè)數(shù)為qj。每個(gè)天線和處理中心都有獨(dú)立的線纜連接，來(lái)處理發(fā)送和接收的信號(hào)。由于各簇分布式天線在空間上散布，其間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)波長(zhǎng)，分布式天線間并不存在相關(guān)性。各簇內(nèi)部的天線以及接收天線集中放置，因此可能會(huì)存在某種程度的相關(guān)性，相關(guān)性是由于天線間較小的間距或者傳輸環(huán)境造成的。由于用戶到各個(gè)分布式天線的接入距離長(zhǎng)度可能不同，使得各簇之間路徑衰減相差很大，再加上不同接入路徑所經(jīng)歷的陰影大尺度衰落各自獨(dú)立，因此，從各簇分布式天線收發(fā)的信號(hào)經(jīng)歷了不同的大尺度衰落(路徑衰落，陰影衰落)。
假定信道的帶寬為1Hz。在發(fā)送之前，首先要進(jìn)行天線集合的選擇，然后空時(shí)編碼器產(chǎn)生平均能量為1的空時(shí)碼的符號(hào)，再經(jīng)過(guò)功率分配矩陣P的功率加權(quán)，最后在選擇的天線集合上發(fā)送出去。經(jīng)過(guò)信道，接收的基帶信號(hào)可以表示成y=ρHPx+n=ρRr1/2HwRt1/2Px+n---(1)]]>其中x為一個(gè)n×1發(fā)送向量，其第j個(gè)分量代表由第j根發(fā)送天線的發(fā)送信號(hào)。y為一個(gè)m×1接收向量，其第i個(gè)分量代表第i根接收天線的接收信號(hào)。n為一個(gè)m×1加性復(fù)高斯白噪聲向量，其每一個(gè)分量為獨(dú)立同分布寬平穩(wěn)復(fù)高斯隨機(jī)過(guò)程，其均值為0，方差為σ2。ρ是一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)總的平均發(fā)送功率，由于假定噪聲方差σ2＝1，所以可以用ρ表示平均發(fā)送功率與接收端噪聲功率的比值，(表示為TSNR，transmit signal to noise ratio)。TSNR一般比較大，因?yàn)橐朔陌l(fā)送天線到接收天線之間的大尺度衰落。
信道矩陣H可以表示為Rr1/2HwRt1/2，Hw的所有元素獨(dú)立且同分布，服從0均值單位方差的復(fù)高斯分布，即[Hw]xy～Norm(0，1/2)+Norm(0，1/2)·j。Rt為n×n發(fā)送天線相關(guān)矩陣，Rt＝E(HHH)/mt＝diag(α1Rt，1，…，αlRt，l)，其中Rtj，j＝1，…，l，代表qj×qj第j簇的歸一化發(fā)送天線相關(guān)矩陣，αj則代表第j簇的大尺度衰落信息。假定Rt，j不同的特征值為λj，k＝1，…Kj，即總個(gè)數(shù)為Kj，λj，k的重?cái)?shù)為τj，k，Σk=1Kjτj,k=tj,]]>也就是Rt，j的秩為tj(1≤tj≤qj)。Rr是m×m接收相關(guān)矩陣，Rr＝E{HHH}/n，它是一個(gè)對(duì)角元素為1的復(fù)對(duì)稱矩陣。假定Rr有K個(gè)不同的特征值λi，i＝1，…K，λi的重?cái)?shù)為τi，滿足Σi=1Kτi=m1,]]>也就是說(shuō)Rr的秩為m1(1≤m1≤m)。
假定集合Ag包括g簇天線，對(duì)應(yīng)的大尺度衰落為α1，…，αg，而集合Al包括所有的l簇天線。對(duì)于l簇天線，總共有2l-1個(gè)天線集合。我們的目的就是從所有的天線集合中選擇最優(yōu)的集合，并且最優(yōu)的分配功率。假定簇內(nèi)部等功率分配，各天線上的功率由功率分配矩陣P來(lái)確定，定義功率分配矢量w＝[w1，…，wl]，wg，g＝1，…，l，代表第g簇天線上的功率加權(quán)，滿足Σg=1lwg=1.]]>矩陣P可以表示為P=diag(w1/q1,...,w1/q1,...,wl/ql,...,wl/ql).---(2)]]>假定功率分配權(quán)重為w1，…，wl，可以得到STBC在天線集合Al上傳輸時(shí)的接收信噪η比為η=||Rr1/2HwRt1/2P||F2ρ]]>=tr(Rr1/2HwRt1/2P2RtH/2HwHRrH/2)ρ]]>=Σj=1lΣk=1KjΣi=1K(ajwjρλj,kλi/qj)Σt=1τj,kτi|ht|2=Σj=1lΣk=1KjΣi=1Kηj,k,i---(3)]]>ht，t＝1，…，τj，kτi，代表獨(dú)立同分布的0均值方差為1的復(fù)高斯變量，可以看出η包含K∑j＝1lKj個(gè)獨(dú)立的自由度為2τj，kτi的卡方分布的隨機(jī)構(gòu)變量ηj,k,i,ηj,k,i=(ajwjρλj,kλi/qj)Σt=1τj,kτi|ht|2,]]>它的矩生成函數(shù)(MGF，和特征函數(shù)形式上沒(méi)有太大區(qū)別)可以寫成 η的MGFη(s)則可以寫為 一般來(lái)說(shuō)，η(s)寫成和的形式更加利于進(jìn)一步的推導(dǎo)，但是功率分配權(quán)重現(xiàn)在還沒(méi)有定下來(lái)，所以我們假定ajwj，j＝1，…，l，各不相同。這樣η(s)可以寫為
=Πj=1lΠk=1KjΠiK(1-sajwjρλj,kλi/qj)-τj,kτi]]>=Σj=1lΣk=1KjΣi=1KΣu=1τj,kτiqj,k,i,u(1-sajwjρλj,kλi/qj)-u]]> (4)其中的系數(shù)qj，k，i，u則可以通過(guò)一組方程來(lái)得到，qj,k,i,u=(-ajwjρλk,jλi)-(τj,kτi-u)qj-(τj,kτi-u)(τj,kτi-u)!∂τj,kτi-u∂sτj,kτi-u]]>×(Σβ=1lΣγ=1KjΣζ=1(β,γ,ζ)≠(j,k,i),K(1-saβwβρλβ,γλζ/qβ)-τj,kτi)s=qjajwjρλj,kλi]]>(5)通過(guò)對(duì)η(s)的反變換，就能夠求出η的概率密度函數(shù)fη(x)。
fη(x)=Σj=1lΣk=1KjΣi=1KΣu=1τj,kτiqj,k,i,uΓ(u)(λj,kλiajwjρ/qj)-uxu-1e-xqj/λj,kλiajwjρ---(6)]]>●平均SER表達(dá)式以及功率分配方案的推導(dǎo)根據(jù)η(s)(見(jiàn)式(4))，利用閉式的相干MQAM和MPSK STBC符號(hào)在點(diǎn)到點(diǎn)的MIMO系統(tǒng)中的表達(dá)式，參見(jiàn)H.Shin和J.H.Lee的文獻(xiàn)“Exact symbol error probability of orthogonalspace-time block codes”(In Proc.IEEE Globecom’02，Taipei，Taiwan，2002.1547～1552)中的式(20)和式(25))，我們可以得到STBC在(n，l，q1，…，ql，m)分簇分布式無(wú)線通信系統(tǒng)中傳輸MQAM和MPSK時(shí)的SER表達(dá)式。
每個(gè)參數(shù)對(duì)SER的影響很難直觀的了解。尤其是直接影響STBC最優(yōu)傳輸?shù)墓β史峙錂?quán)重需要從優(yōu)化SER的表達(dá)式來(lái)獲得，難度非常的大。然而我們發(fā)現(xiàn)，要想在發(fā)送端最優(yōu)的分配功率，僅僅需要從接收端反饋發(fā)送和接收相關(guān)矩陣的特征值就夠了。任意選定Ag作為最優(yōu)集合，以及正的最優(yōu)的功率分配權(quán)重w1，…，wg?？梢缘玫絝η(x)的上界，其中d=KΣj=1gKj]]>fη(x)≤xΣj=1gΣk=1Kjτj,kΣi=1Kτi-1Πj=1gΠk=1KjΠiK(Γ(τj,kτid))-1d(ajwjρλj,kλi/qj)-τj,kτi---(7)]]>帶入SER的近似表達(dá)式中，Pe=N·∫0+∞Q(dg2x/2)fη(x)dx,]]>就得到了SER的上界。
Pe≤NΠt=1D(2D-(2t-1))2D(dg22)-D]]>×Πj=1gΠk=1KjΠiK(Γ(τj,kτid))-1d(ajwjρλj,kλi/qj)-τj,kτi=Pub2Ag]]>(8)其中N為集合Ag對(duì)應(yīng)的STBC符號(hào)星座圖的相鄰點(diǎn)數(shù)目的平均值，dg為STBC單位能量星座圖的最小距離，D=Σj=1gΣk=1Kjτj,kΣi=1Kτi.]]>次優(yōu)的功率分配可以很方便的由下面的優(yōu)化問(wèn)題得到。
w=argmaxΠj=1gΠk=1Kj(wj)τj,k,]]>滿足Σj=1gwj=1.---(9)]]>通過(guò)Lagrangian方法，得到次優(yōu)的功率分配權(quán)重wj=Σk=1Kjτj,k/Σj=1gΣk=1Kjτj,k=tj/Σj=1gtj,j=1,...,g---(101)]]>我們發(fā)現(xiàn)，次優(yōu)的功率分配方案和基于中斷概率的次優(yōu)功率分配方案相同，那就是每簇天線上分配的功率的比例和這簇天線發(fā)送相關(guān)矩陣的秩占全部天線簇相關(guān)矩陣秩之和的比例相同，而和系統(tǒng)的其他參數(shù)沒(méi)有關(guān)系。得到wj后，將其帶入式(12)和(13)，便得到次優(yōu)的SER。
因?yàn)锳g是任意假定的，顯然未必是最優(yōu)的。給定總的傳輸數(shù)據(jù)速率R和TSNRρ，對(duì)于天線集合Ak，k＝1，…，2l-1，在各簇之間按照各簇發(fā)送天線相關(guān)矩陣的秩等比例的分配功率，相應(yīng)的得到對(duì)應(yīng)的次優(yōu)的SERPeAk，從所有的天線集合中選擇具有最小SER的集合進(jìn)行發(fā)送。這樣就可以得到最優(yōu)的SER的一個(gè)上界。
Pe≤min(PeA1,PeA2,...,PeA2l-1)---(11)]]>如圖1所示，由于各簇分布式天線在空間上散布，其間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)波長(zhǎng)，分布式天線間并不存在相關(guān)性。各簇內(nèi)部的天線以及接收天線集中放置，因此可能會(huì)存在某種程度的相關(guān)性，相關(guān)性是由于天線間較小的間距或者傳輸環(huán)境造成的。由于用戶到各個(gè)分布式天線的接入距離長(zhǎng)度可能不同，使得各簇之間路徑衰減相差很大，再加上不同接入路徑所經(jīng)歷的陰影大尺度衰落各自獨(dú)立，因此，從各簇分布式天線收發(fā)的信號(hào)經(jīng)歷了不同的大尺度衰落(路徑衰落，陰影衰落)。發(fā)送端根據(jù)從接收端反饋的發(fā)送和接收相關(guān)矩陣的特征值進(jìn)行發(fā)送功率的分配。然后空時(shí)編碼器產(chǎn)生相應(yīng)的空時(shí)分組碼，從不同的天線簇上面?zhèn)鬏?。功率分配以及空時(shí)分組碼的產(chǎn)生都是在中央處理器(CPU)中軟件實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明提出了下面方法。
基于平均SER的下行發(fā)送功率的分配方法如圖2所示，具體的發(fā)送功率分配算法如下●首先給參數(shù)賦初值，i＝1，A＝A1，P＝P0＝1。其中A用于存放最優(yōu)的天線集合，P存放次優(yōu)的SER。最初的集合為A1，最初的SER為P0。
●接收端根據(jù)接收導(dǎo)頻信號(hào)估計(jì)發(fā)送與接收天線的相關(guān)矩陣，并計(jì)算各自的特征值，發(fā)送端通過(guò)反饋信道獲得這些特征值。
●發(fā)送端根據(jù)從接收端反饋的特征值，在各簇之間按照各簇發(fā)送天線相關(guān)矩陣的秩等比例的分配功率，按照下式計(jì)算Ai傳MQAM和MPSK符號(hào)時(shí)的SER的表達(dá)式，(此天線集合包含所有的天線簇，對(duì)于其他的集合，只需要將該集合對(duì)應(yīng)的天線簇代入下式中，下標(biāo)j代表第j簇。比如，如果集合Ai含有第1，3，5簇，則在下式的求和中，只需要求j＝1，3，5的和) F12(u,1/2;u+1;11+gMQAMajwjρλj,kλi/qj))]]> F1(1,u,1;u+3/2;qj+gMQAMajwjρλj,kλiqj+2gMQAMajwjρλj,kλi,1/2))]]>(12) F12(u,1/2;u+1,11+gMQAMajwjρλj,kλi/qj))]]> F1(12,u,12-u;32,1-gMPSK1+gMPSKajwjρλj,k/qj,1-gMPSK))]]>(13)系數(shù)qj，k，i，u為
qj,k,i,u=(-ajwjρλk,jλi)-(τj,kτi-u)qj-(τj,kτi-u)(τj,kτi-u)!∂τj,kτi-u∂sτj,kτi-u]]>×(Σβ=1lΣγ=1KjΣζ=1(β,γ,ζ)≠(j,k,i),K(1-saβwβρλβ,γλζ/qβ)-τj,kτi)s=qjajwjρλj,kλi]]>其中αj代表第j簇的大尺度衰落信息。λj，k，k＝1，…Kj，為第j簇發(fā)送天線的相關(guān)矩陣Rt，j的Kj個(gè)不同的特征值，λj，k的重?cái)?shù)為τj，k。Σk=1Kjτj,k=tj,]]>也就是Rt，j的秩為tj(1≤tj≤qj)。λi，i＝1，…K為歸一化接收天線相關(guān)矩陣Rr的K個(gè)不同的特征值，λi的重?cái)?shù)為τi，滿足Σi=1Kτi=m1,]]>也就是說(shuō)Rr的秩為m1(1≤m1≤m)。wj=tj/Σj=1ltj,j=1,...l.]]>β，γ，ζ為下標(biāo)。
F1(a,b1,b2;c,x,y)=Σn=0∞Σk=0∞(a)n+k(b1)n(b2)kxnyk/((c)n+kn!k!),]]>是Appell超幾何函數(shù)，F(xiàn)12(a,b;c,x)=Σn=0∞(a)n(b)nxn/((c)nn!)]]>是超幾何函數(shù)，(a)n＝Γ(a+n)/Γ(a)，wj=tj/Σj=1ltj,j=j,...,l,gMQAM=1.5(M-1),q=1-1M,]]>以及gMPSK=sin2(πM),]]>Γ(a)=∫0∞ya-1e-ydy]]>為Gamma函數(shù)。
●遍歷所有的天線集合，從中找出最小的SER對(duì)應(yīng)的集合，此集合就是最優(yōu)的發(fā)送天線集合。
圖3給出了基于平均SER的功率分配方案效果圖。考慮(4，2，2，2，2)的天線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)速率為3bits/s。在這個(gè)系統(tǒng)中，共有三個(gè)天線集合，集合A1(第一簇天線)，8PSK符號(hào)，集合A2(第一和第二簇天線)，16QAM符號(hào)(3/4速率)，以及集合A3(第二簇天線)，8PSK符號(hào)。對(duì)于集合A2，我們采用第二種功率分配方案。作為比較，集合A2的最優(yōu)性能也通過(guò)調(diào)整兩簇天線的功率由仿真獲得，功率調(diào)整過(guò)程中，可能在某些TSNR水平上，第二簇天線可能根本不會(huì)被利用，但是16QAM的星座一直保持著。
研究了1個(gè)仿真環(huán)境，u＝
，α1＝1，α2＝0.3。由于集合A3的性能不如A1，因此我們只是考慮集合A1和A2，研究哪個(gè)集合是最優(yōu)的。集合A1的SER性能，等功率分配、次優(yōu)功率分配和最優(yōu)功率分配下集合A2的SER性能。性能如圖3所示。
我們發(fā)現(xiàn)，次優(yōu)功率分配的A2性能和最優(yōu)的性能非常接近，即使在比較低的TSNR水平上。等功率分配的A2性能則相對(duì)差一些。這證明了我們提出的次優(yōu)功率分配方案的有效性。根據(jù)我們的天線選擇和功率分配方案，最優(yōu)的集合要在A1和次優(yōu)功率分配的集合A2之間進(jìn)行比較產(chǎn)生?？梢钥闯霎?dāng)TSNR小于24dB時(shí)應(yīng)選擇A1，當(dāng)TSNR高于24dB時(shí)選擇A2。與在兩簇天線上等功率傳輸相比，我們提出的天線選擇方案有很大的優(yōu)勢(shì)，比如說(shuō)在SER為10-2時(shí)能降低2.5dB的TSNR。
盡管已參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，可在不背離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明宗旨和范圍的情況下，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種形式和細(xì)節(jié)上的改變。
權(quán)利要求
1.基于誤符號(hào)率的空時(shí)分組碼發(fā)送功率分配方法，其特征在于，對(duì)于一個(gè)單用戶的分布式無(wú)線通信系統(tǒng)，依次含有以下步驟步驟(1)，設(shè)定發(fā)送端有n根基站天線，該n根天線被任意分為空間散開(kāi)的l簇，并且第j簇的天線個(gè)數(shù)為qj，j＝1，2，...l；接收端的用戶天線有m根；發(fā)送端的每根天線和中央處理器間有獨(dú)立的線纜連接，由該中央處理器來(lái)處理發(fā)送和接收的信號(hào)；所選中央處理器采用空時(shí)分組碼的發(fā)送方式，在同一簇內(nèi)部的發(fā)送天線等功率發(fā)送，而在一個(gè)由任意天線簇組合而成的發(fā)送天線集合中，在不同簇之間按以下步驟進(jìn)行，使得系統(tǒng)的中斷概率最小；步驟(2)，接收端根據(jù)所接收導(dǎo)頻信號(hào)及所有可用發(fā)送天線，估計(jì)n×n發(fā)送天線的衰落相關(guān)矩陣Rt，m×m接收天線衰落相關(guān)矩陣Rr；所述Rt＝diag(α1Rt，1，…αLRt，L)，其中Rt，j代表qj×qj的第j簇的歸一化發(fā)送天線相關(guān)矩陣，αj為第j簇的大尺度衰落信息，所需估計(jì)的Rt，j的特征值為λj，k，k＝1，...Kj，，其中Kj為第j簇特征值的個(gè)數(shù)，所述Rr＝E{HHH}/n，H為信道矩陣，Rr是一個(gè)對(duì)角元素為1的復(fù)對(duì)稱矩，該Rr有K個(gè)特征值用λi表示，i＝1，...K；步驟(3)，發(fā)送端的中央處理器根據(jù)從接收端反饋的各特征值，對(duì)于所有發(fā)送天線集合，在每一種發(fā)送天線集合的各簇之間按各簇發(fā)送天線相關(guān)矩陣的秩來(lái)等比例地分配功率的方法，用下式計(jì)算集合Ai傳遞MQAM和MPSK符號(hào)時(shí)的平均誤符號(hào)率的表達(dá)式 F12(u,1/2;u+1,11+gMQAMajwjρλj,kλi/qj))]]> F1(1,u,1;u+3/2;qj+gMQAMajwjρλj,kλiqj+2gMQAMajwjρλj,kλi,1/2))]]> F12(u,1/2;u+1,11+gMPSKajwjρλj,k/qj))]]> F1(12,u,12-u;32,1-gMPSK1+gMPSKajwjρλj,k/qj1-gMPSK))]]>系數(shù)qj，k，i，u為qj,k,i,u=(-ajwjρλi,jλi)-(τj,kτi-u)qj-(τj,kτi-u)(τj,kτi-u)!∂τj,kτi-u∂sτj,kτi-u]]> 其中，當(dāng)噪聲方差σ2＝1時(shí)，ρ是平均發(fā)送功率與接收端噪聲功率之比。αj代表第j簇的大尺度衰落信息，j＝1，...l，λj，k，k＝1，...Kj，為第j簇發(fā)送天線的相關(guān)矩陣Rt，j的Kj個(gè)不同的特征值，λj，k的重?cái)?shù)為τj，k，滿足Σk=1Kjτj,k=tj,]]>也就是Rt，j的秩為tj，1≤tj≤qj，λi，i＝1，...K，為歸一化接收天線的相關(guān)矩陣Rr的K個(gè)不同的特征值，λi的重?cái)?shù)為τi，滿足Σi=1Kτi=m1,]]>也就是說(shuō)Rr的秩為m1(1≤m1≤m)，wj=tj/Σj=1ltj,j=1,...,l,]]>β，γ， 為下標(biāo)，F(xiàn)1(a,b1,b2;c,x,y)=Σn=0∞Σk=0∞(a)n+k(b1)n(b2)kxnyk/((c)n+kn!k!),]]>是Appell超幾何函數(shù)，F(xiàn)12(a,b;c,x)=Σn=0∞(a)n(b)nxn/((c)nn!)]]>是超幾何函數(shù)，(a)n＝Γ(a+n)/Γ(a)，wj=tj/Σj=1ltj,j=1,...,l,gMQAM=1.5(M-1),q=1-1M,]]>以及gMPSK=sin2(πM),]]>Γ(a)=∫0∞ya-1e-ydy]]>為Gamma函數(shù)。步驟(4)，該中央處理器比較所有發(fā)送天線集合的平均誤符號(hào)率，尋找其最小值，從而確定所需天線集合以及功率分配。
全文摘要
本發(fā)明屬于分布式無(wú)線通信系統(tǒng)空時(shí)分組碼發(fā)送方案的下行發(fā)送功率的分配技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于在發(fā)送端根據(jù)從接收端反饋的發(fā)送和接收天線相關(guān)矩陣的特征值實(shí)現(xiàn)功率的優(yōu)化分配，使得集合A
文檔編號(hào)H04B7/06GK1921334SQ20061011276
公開(kāi)日2007年2月28日 申請(qǐng)日期2006年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月1日
發(fā)明者王京, 周世東, 韓雙鋒, 粟欣, 肖立民, 鐘曉峰, 甘劍松 申請(qǐng)人:清華大學(xué)