專利名稱：基于信道角度域信息的分布式空時預(yù)編碼傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，尤其涉及一種基于信道角度域信息的分布式空 時預(yù)編碼傳輸方法。
技術(shù)背景作為一種特殊的多天線系統(tǒng)，分布式天線系統(tǒng)(DAS)把各個天線單元分 布在整個小區(qū)中，并把它們用光纖或者微波和中央處理單元連接起來，這樣一 方面保證了發(fā)射天線間的獨立性，同時由于把收發(fā)裝置與處理系統(tǒng)分離，這樣 可以使得系統(tǒng)具有很強的可擴展性，并可以降低系統(tǒng)的建設(shè)成本。與傳統(tǒng)的集 中式多天線系統(tǒng)相比，分布式系統(tǒng)可以進一步提高系統(tǒng)吞吐率、增強傳輸可靠 性、減少發(fā)射功率和擴大覆蓋范圍。尤其是，分布式天線系統(tǒng)與現(xiàn)有的TDMA、 FDMA和CDMA等多址接入方式兼容，并適用于2G、 3G、 Wi-Fi和WiMax等 無線通信技術(shù)標準，因此它具有很好的應(yīng)用前景。分布式天線系統(tǒng)除了固有的宏分集外，還可以利用分布式空時編碼獲得發(fā) 射和接收分集，但是空時編碼不能獲得系統(tǒng)的陣增益。研究表明，如果在發(fā)射 端可以獲得全部或者部分信道信息，并且利用這些信息對空時碼字進行預(yù)處理， 使得這些空時碼字能夠隨著信道波動做自適應(yīng)的變化，就可以進一步提高系統(tǒng) 的性能。當前，由于分布式系統(tǒng)的信道量化方法還不成熟，主要利用天線選擇 這一方式來進行預(yù)處理。清華大學的韓雙鋒等人在《Outage Probability Based Optimal Transmission of Space Time Block Codes over Correlated Distributed Antenna》 一文中以最小化中斷概率為目標，提出了一種最佳的天線選擇方案， 并給出了相應(yīng)的功率分配策略。近年來，不少文獻提出利用信道的統(tǒng)計信息來設(shè)計預(yù)編碼矩陣，由于信道 統(tǒng)計信息不隨信道的波動而變化，因此它比反饋信道瞬時信息具有更高的可靠 性。在前面的文獻中，信道的統(tǒng)計信息，包括信道均值和自相關(guān)矩陣，主要利 用對瞬時信道實現(xiàn)取時間平均來代替統(tǒng)計平均，這種方法只有在反饋大量的信 道實現(xiàn)時才有足夠的精確度，這就會大大增加系統(tǒng)的反饋量。另一方面，目前 很少有文獻討論利用統(tǒng)計信息來設(shè)計Ricean衰落中的預(yù)編碼矩陣設(shè)計問題，特 別是關(guān)于Ricean K因子對碼字設(shè)計的影響。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了解決上述各方案中性能低、反饋量大，信道統(tǒng)計信息精度不夠高以及很少涉及Ricean衰落中預(yù)編碼矩陣設(shè)計等問題，提出一種基于 信道角度域信息的分布式空時預(yù)編碼傳輸方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的， 一種基于信道角度域信息的 分布式空時預(yù)編碼傳輸，包括如下步驟1 )接收端通過信道估計，得到對應(yīng)于每一個發(fā)射天線的視距分量入射角& 、 非視距分量平均入射角& 、角度擴展《、歸一化接收天線距離Ar和K因子等角 度域信息，并把它們反饋給發(fā)射端；2) 發(fā)射端收到反饋信息后，分別根據(jù)基于角度域信息的信道均值和信道自相關(guān)矩陣構(gòu)建方法，得到相應(yīng)的信道均值fi和信道自相關(guān)矩陣i:;3) 如果K4，則信道H為瑞利衰落，這時如果發(fā)射信噪比小于10dB，則采 用單天線功率分配法設(shè)計預(yù)編碼矩陣，如果發(fā)射信噪比大于10dB，則采用平均 功率分配法設(shè)計預(yù)編碼矩陣；4) 如果K不等于零但是它小于20，這時如果發(fā)射信噪比小于10dB，則采 用單波束法設(shè)計預(yù)編碼矩陣，如果發(fā)射信噪比大于10dB，則采用平均功率分配 法設(shè)計預(yù)編碼矩陣；5) 如果K大于20時，利用基于奇異值分解的預(yù)編碼設(shè)計法設(shè)計預(yù)編碼矩陣；6) 在得到預(yù)編碼矩陣后，發(fā)射端對設(shè)計好的分布式正交空時碼字進行預(yù)處 理，然后把它發(fā)射出去，接收端對收到的空時碼字進行最大似然解碼，恢復(fù)出 所發(fā)送的空時碼字。進一步地，所述的基于角度域信息的信道均值構(gòu)建方法為fi(、expf-何《〗e(&)，V c 乂其中，5W為信道均值S的第m列， =《4為路徑損失，《為第m根發(fā)射 天線到接收端的距離，,為載難頻率，c表示光速， e(A) = 1 /exp(-_/2;rAr cos(^))...exp(-/2;r-1) Ar cos(^))了 ， 為發(fā)射天線數(shù)。進一步地，所述的基于角度域信息的信道自相關(guān)矩陣構(gòu)建方法為信道自 相關(guān)矩陣可表示為一個^乂xAy^的塊對角矩陣i:-diagp"…S("，其中SW為 對應(yīng)于第m根發(fā)射天線的接收天線自相關(guān)矩陣，乂為接收天線數(shù)。)的第1 行第n列元素i:!: 表示第1和n根接收天線的相關(guān)系數(shù)，其可以通過如下式子計<formula>formula see original document page 5</formula>進一步地，所述的單天線功率分配法為把發(fā)射功率分配給信道增益最大的天線，即預(yù)編碼矩陣F:diag0…1…01，其中l(wèi)所在的位置可由下式確定 / = argmaxtr(Ii('))其中tr(sw)表示求矩陣sw的跡。進一步地，所述的平均功率分配法為把發(fā)射功率平均分配給所有的發(fā)射 天線，即預(yù)編碼矩陣為。F-;U，其中U為任意7V,x^的酉矩陣。進一步地，所述的單波束功率功率分配法為把發(fā)射功率分配給信道增益 最大的發(fā)射波束，即預(yù)編碼矩陣為F-VWU，其中V("為信道均值fi的最大奇異 值所對應(yīng)的右奇異值矢量，U為任意iV,x7V,的酉矩陣。進一步地，所述的基于特征值分解的預(yù)編碼矩陣設(shè)計法為將信道均值S進 行奇異值分解QDV"，則預(yù)編碼矩陣為F:VU，其中U為任意7V,xiV,的酉矩陣。本發(fā)明具有的有益效果是本發(fā)明利用信道角度域信息，構(gòu)建出信道的均 值和自相關(guān)矩陣，并在此基礎(chǔ)上得到了空時預(yù)編碼矩陣，這種方法由于只要反 饋信道的角度域信息，可以有效的降低系統(tǒng)的反饋量，另一方面，它比原來利 用時間平均得到的信道信息更加精確，因此可以提高系統(tǒng)的性能。此外，本專 利分別給出了 Rayleign和Ricean衰落時的子最佳預(yù)編碼矩陣設(shè)計方法，這種方 法可以在保持系統(tǒng)性能的同時，有效的較低設(shè)計的復(fù)雜度。另外，本發(fā)明還給 出了 K因子較高時的預(yù)編碼矩陣設(shè)計方法，這種預(yù)編碼矩陣可以漸近取得系統(tǒng) 性能的上限。


圖l是系統(tǒng)整體框圖；圖2是采用不同空時預(yù)編碼傳輸時，系統(tǒng)誤符號率(SER)性能的比較圖； 圖3是不同路徑損耗時，系統(tǒng)誤符號率(SER)性能的比較圖； 圖4是不同接收天線數(shù)時，系統(tǒng)誤符號率(SER)性能的比較圖； 圖5是不同歸一化天線距離(NAS)時，系統(tǒng)誤符號率(SER)性能的比較； 圖6是不同Riceani因子時，系統(tǒng)誤符號率(SER)性能的比較圖。
具體實施方式
下面根據(jù)附圖詳細說明本發(fā)明，本發(fā)明的目的和效果將變得更加明顯。 本發(fā)明的基于信道角度域信息的分布式空時預(yù)編碼傳輸方法包括如下步驟1 )接收端通過信道估計，得到對應(yīng)于每一個發(fā)射天線的視距分量入射角《9m 、 非視距分量平均入射角&、角度擴展《、歸一化接收天線距離Af和K因子等角 度域信息，并把它們反饋給發(fā)射端；圖1為一個乂xA^的分布式天線系統(tǒng)，其中基站(BS)有i^根天線(即接 入點)，分布在整個小區(qū)內(nèi)，并用光纖或者微波把它們同中央處理單元(CPU) 連接起來，各接入點只負責信號的收發(fā)，所有的信號處理都在中央處理單元實 現(xiàn)，這樣有利于系統(tǒng)的可擴展性，隨時可以根據(jù)系統(tǒng)的要求增加或者減少接入 點的數(shù)目。在移動用戶端(MU)，配置有^根集中式天線。在發(fā)送所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)前，發(fā)射端先發(fā)送一段訓練序列，接收端利用這些 訓練序列，估計出每個發(fā)射天線所對應(yīng)信號的平均入射角《和角度擴展《， 附4，…，iV,，并把它們同歸一化接收天線距離^和Ricean衰落K因子一起反饋給發(fā)送端o2)發(fā)射端收到反饋信息后，分別根據(jù)基于角度域信息的信道均值和信道自 相關(guān)矩陣構(gòu)建方法，得到相應(yīng)的信道均值fi和信道自相關(guān)矩陣i:;通常情況下，信道矩陣H可表示為H、f^S + ,『"1"1fi，其中S表示信道的固定部分，即信道矩陣，fi為信道的可變部分，它是由多徑衰落引起的。我們 先考慮信道的可變部分fi，根據(jù)電磁傳播原理，由天線m發(fā)射的信號，經(jīng)散射 體散射后，以多徑的形式到達接收端，其平均入射角為《，角度擴展為《，這 樣，fi的自相關(guān)矩陣可表示為(1)..0其中，EW為相對于天線m的接收天線自相關(guān)矩陣，它的第l行第n列元素可表示為I:;;)=《exp (-/2;r |/ - "| Ar cos (《))exp f -1 (2;r |/ - "| Ar sin ) crm )2〗。對于信道不變部分ii，其第m列可表示為"1 = flm exp僅)其中，fiW為信道均值fi的第m列， -^C為路徑損失，《為第m根發(fā)射天線 到接收端的距離，義為載波頻率，c表示光速， e(A) = 1 /#[1 exp(—7'2冗~ cos(>9 ))…exp(力.2;r(W, — 1)Ar cos(^))了 。3)如果Ki，則信道h為瑞利衰落，這時如果發(fā)射信噪比較低(小于10dB)， 則采用單天線功率分配法設(shè)計預(yù)編碼矩陣，如果發(fā)射信噪比較高(大于10dB)，則采用平均功率分配法設(shè)計預(yù)編碼矩陣。在本發(fā)明中，以空時編碼的成對錯誤概率為優(yōu)化目標來設(shè)計預(yù)編碼矩陣。當信道為Rayleigh衰落時，其優(yōu)化目標可表示為/， =det i + ，e1/2cde"2 ，其中<D = 、 FF'。當發(fā)射信噪比y較小時，對^進行泰勒展開，舍去其高階項，其優(yōu) 化目標簡化為人-tr(2'"①S"2)，利用拉格朗日乘子法求解這一優(yōu)化問題，可得預(yù) 編碼矩陣F:diag(0…1…0)，其中l(wèi)所在的位置可由下式確定/ = argmaxtr&w)，其中tr(lL('))表示求矩陣2:w的跡，即把發(fā)射功率分配給信道增益最大的那根天線。 當發(fā)射信噪比y較大時，優(yōu)化目標可簡化為^-dd(i:"2肌""，求解這一問題，可得預(yù)編碼矩陣為F-;U，其中U為任意iV,xAT,的酉矩陣，即把發(fā)射功率平均分配給所有的發(fā)射天線。圖2對Rayleign衰落條件下的空時預(yù)編碼傳輸策略的性能進行了比較，本 發(fā)明給出的預(yù)編碼矩陣設(shè)計方法，具有很低的設(shè)計復(fù)雜度，但是它與最佳的預(yù) 編碼矩陣具有很接近的性能。圖3是不同路徑損耗時，本發(fā)明提出的空時預(yù)編 碼傳輸策略的性能的變化，當天線間的路徑損耗相差越大時，這種預(yù)編碼策略 的性能越好，并且兩種策略切換的信噪比門限越往后推延。圖4為不同接受天 線數(shù)時，本發(fā)明提出的空時預(yù)編碼策略的性能的變化，隨著接受天線數(shù)的增加， 可以的獲得的分集階數(shù)也得到相應(yīng)的增大，這是系統(tǒng)的性能也得到相應(yīng)的提高。 圖5為不同歸一化接受天線距離時，系統(tǒng)性能的比較，隨著天線間距離的增大， 它們之間的相關(guān)系數(shù)不斷減小，這樣預(yù)編碼策略可以獲得的分集和編碼增益就 隨之增加，所以系統(tǒng)的可靠性不斷增強。4)如果K不等于零但是它較小(小于20)，這時如果發(fā)射信噪比較低(小 于10dB)，則采用單波束法設(shè)計預(yù)編碼矩陣，如果發(fā)射信噪比較高(大于10dB)， 則采用平均功率分配法設(shè)計預(yù)編碼矩陣。當K不等于零時，信道為Ricean衰落，這時系統(tǒng)的優(yōu)化目標可表示為<formula>formula see original document page 9</formula>當發(fā)射信噪比y較小時，這一優(yōu)化目標可簡化為人-tr(SFF'S')，求解這一優(yōu)化 問題，可得預(yù)編碼矩陣為F:VWU，其中V("為信道均值S的最大奇異值所對應(yīng) 的右奇異值矢量，U為任意A^iV,的酉矩陣，即把發(fā)射功率全部分配給信道增益 最大的那個波束。當,較小時，上述優(yōu)化目標可簡化為/一detp"虹"2)，求解這一問題，可得 預(yù)編碼矩陣為F:;U，其中U為任意W,xW,的酉矩陣，即把發(fā)射功率平均分配給所有的發(fā)射天線。圖6為不同K因子時，系統(tǒng)性能的比較，從圖中可知，采用本發(fā)明提出的 空時預(yù)編碼策略，在Ricean衰落條件下能比Rayleigh衰落條件下取得更好的性 能，并且隨著K的增大，所能獲得的性能增益不斷增加。5) 如果K較大時(大于20)，利用基于奇異值分解的預(yù)編碼設(shè)計法設(shè)計預(yù) 編碼矩陣。由于K足夠大時，信道的可變項fi可以忽略不計，這時發(fā)送端幾乎 可以完全知道信道信息，這時，利用信道的右奇異值矩陣對空時碼字進行預(yù)編 碼，可以取得最大的性能。6) 在得到預(yù)編碼矩陣后，發(fā)射端對設(shè)計好的分布式正交空時碼字進行預(yù)處 理，然后把它發(fā)射出去，接收端對收到的空時碼字進行最大似然解碼，恢復(fù)出 所發(fā)送的空時碼字。本發(fā)明的自適應(yīng)的隨機波束模式選擇方法和系統(tǒng)能夠在最小化對主用戶網(wǎng) 絡(luò)干擾的前提下，最大化從用戶網(wǎng)絡(luò)的容量，從而顯著提高系統(tǒng)的頻譜效率。
權(quán)利要求
1、一種基于信道角度域信息的分布式空時預(yù)編碼傳輸方法，其特征在于，包括如下步驟1)接收端通過信道估計，得到對應(yīng)于每一個發(fā)射天線的視距分量入射角 id="icf0001" file="A2009100992760002C1.tif" wi="4" he="4" top= "46" left = "184" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>、非視距分量平均入射角θm、角度擴展σm2、歸一化接收天線距離Δr和K因子等角度域信息，并把它們反饋給發(fā)射端。2)發(fā)射端收到反饋信息后，分別根據(jù)基于角度域信息的信道均值和信道自相關(guān)矩陣構(gòu)建方法，得到相應(yīng)的信道均值H和信道自相關(guān)矩陣∑。3)如果K＝0，則信道H為瑞利衰落，這時如果發(fā)射信噪比小于10dB，則采用單天線功率分配法設(shè)計預(yù)編碼矩陣，如果發(fā)射信噪比大于10dB，則采用平均功率分配法設(shè)計預(yù)編碼矩陣。4)如果K不等于零但是它小于20，這時如果發(fā)射信噪比小于10dB，則采用單波束法設(shè)計預(yù)編碼矩陣，如果發(fā)射信噪比大于10dB，則采用平均功率分配法設(shè)計預(yù)編碼矩陣。5)如果K大于20時，利用基于奇異值分解的預(yù)編碼設(shè)計法設(shè)計預(yù)編碼矩陣。6)在得到預(yù)編碼矩陣后，發(fā)射端對設(shè)計好的分布式正交空時碼字進行預(yù)處理，然后把它發(fā)射出去，接收端對收到的空時碼字進行最大似然解碼，恢復(fù)出所發(fā)送的空時碼字。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于信道角度域信息的分布式空時預(yù)編碼傳輸策 略，其特征在于，所述的基于角度域信息的信道均值構(gòu)建方法為:"m exp乂其中，iiW為信道均值S的第m列， =《4為路徑損失，《為第m根發(fā)射 天線到接收端的距離，/￡為載波頻率，c表示光速， e(^卜l/^[lexp("/27TA^os(^))…exp(-/2;r(7V,-l)A,C0S( 9m))]"， iV,為發(fā)射天線數(shù)。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于信道角度域信息的分布式空時預(yù)編碼傳輸策 略，其特征在于，所述基于角度域信息的信道自相關(guān)矩陣構(gòu)建方法為信道自相關(guān)矩陣可表示為一個iVAxiv,乂的塊對角矩陣2^diag(i:?！璱:w))，其中i:w為對應(yīng)于第m根發(fā)射天線的接收天線自相關(guān)矩陣，^為接收天線數(shù)。S—)的第1 行第n列元素S^表示第1和n根接收天線的相關(guān)系數(shù)，其可以通過如下式子計<formula>formula see original document page 3</formula>
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于信道角度域信息的分布式空時預(yù)編碼傳輸策略，其特征在于，所述的單天線功率分配法為把發(fā)射功率分配給信道增益最大的天線，即預(yù)編碼矩陣F-diag(0…l…0"其中l(wèi)所在的位置可由下式確定 <formula>formula see original document page 3</formula>其中tr (ZW)表示求矩陣S 的跡。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于信道角度域信息的分布式空時預(yù)編碼傳輸策 略，其特征在于，所述的平均功率分配法為把發(fā)射功率平均分配給所有的發(fā)射天線，即預(yù)編碼矩陣為F二;U，其中U為任意^xA^的酉矩陣。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于信道角度域信息的分布式空時預(yù)編碼傳輸策 略，其特征在于，所述的單波朿功率功率分配法為把發(fā)射功率分配給信道增 益最大的發(fā)射波束，即預(yù)編碼矩陣為F-VWU，其中V("為信道均值S的最大奇 異值所對應(yīng)的右奇異值矢量，U為任意iV,x^的酉矩陣。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于信道角度域信息的分布式空時預(yù)編碼傳輸策 略，其特征在于，所述的基于特征值分解的預(yù)編碼矩陣設(shè)計法為將信道均值S 進行奇異值分解QDV"，則預(yù)編碼矩陣為F:VU，其中U為任意yxJV,的酉矩陣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于信道角度域信息的分布式空時預(yù)編碼傳輸方法，其關(guān)鍵是接收端把通過信道估計得到的信道角度域信息，包括平均入射角、角度擴展和歸一化接收天線距離，反饋給發(fā)射端，收到反饋信息后，發(fā)射端首先構(gòu)建出信道的統(tǒng)計信息，包括均值和相關(guān)矩陣，然后利用這些信息設(shè)計最佳的預(yù)編碼矩陣，對預(yù)先設(shè)計好的空時碼字進行預(yù)處理。這種基于信道角度域信息的分布式空時預(yù)編碼傳輸方法一方面可以得到更加精確的信道統(tǒng)計信息，另一方面可以進一步減少所需的反饋量。
文檔編號H04L1/02GK101567765SQ20091009927
公開日2009年10月28日 申請日期2009年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月4日
發(fā)明者張建敏, 張朝陽, 李雪嬌, 超 王, 陳曉明 申請人:浙江大學