專利名稱：多輸入多輸出系統(tǒng)的最小發(fā)射功率自適應(yīng)調(diào)制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)的最小發(fā)射功率自適應(yīng)調(diào)制方法，能夠使多輸入多輸出系統(tǒng)以最小的總發(fā)射功率達(dá)到所需要的目標(biāo)傳輸速率和誤比特率，同時(shí)對(duì)信道信息的誤差具有一定的魯棒性，對(duì)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信系統(tǒng)的跨層優(yōu)化具有重要意義。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，為了盡可能充分地利用多輸入多輸出信道所能提供的容量，自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)一直被認(rèn)為是最有效的手段之一。它能夠根據(jù)信道狀態(tài)變化自適應(yīng)地選擇發(fā)射機(jī)的比特和功率分配方案。目前，在這方面占主導(dǎo)地位的方案都是通過(guò)在給定總發(fā)射功率的前提下，以最大化系統(tǒng)容量的方式實(shí)現(xiàn)。這類方案的優(yōu)點(diǎn)是能夠保證系統(tǒng)在當(dāng)前信道條件下以盡可能大的速率實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
然而在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)線鏈路所需要達(dá)到的服務(wù)質(zhì)量等級(jí)，特別是目標(biāo)誤比特率和傳信率，往往由正在傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)類型所決定。對(duì)于這種情況，基于給定發(fā)射功率進(jìn)行傳輸速率最大化的自適應(yīng)調(diào)制多輸入多輸出系統(tǒng)就顯得不夠靈活，而且很可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)射功率的浪費(fèi)或者系統(tǒng)的實(shí)際性能達(dá)不到服務(wù)所需要的指標(biāo)。在這種情況下，根據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的需要，實(shí)時(shí)定制調(diào)制和功率配置參數(shù)的最小化發(fā)射功率的多輸入多輸出系統(tǒng)將更具有吸引力。與前面所提到的第一類優(yōu)化方案相比，這種最小化發(fā)射功率的自適應(yīng)調(diào)制方案具有顯著的優(yōu)點(diǎn)1、對(duì)單個(gè)終端來(lái)說(shuō)，能夠在滿足當(dāng)前用戶需要的情況下，以最小發(fā)射功率工作，對(duì)于節(jié)省終端能耗和延長(zhǎng)持續(xù)工作時(shí)間有重要意義。
2、從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的角度來(lái)看，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的各無(wú)線鏈路并不是完全正交時(shí)，基于用戶需求的最小化發(fā)射功率的自適應(yīng)調(diào)制方案不僅僅能夠降低各個(gè)鏈路之間的干擾，而且能將網(wǎng)絡(luò)上層的參數(shù)直接引入到物理層設(shè)計(jì)當(dāng)中，使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的跨層優(yōu)化成為可能。
但是目前，關(guān)于最小化發(fā)射功率的自適應(yīng)調(diào)制多輸入多輸出系統(tǒng)的研究都是基于收發(fā)信機(jī)都能得到完美信道信息這一假設(shè)條件，因而這些系統(tǒng)都對(duì)信道信息的誤差非常敏感。由于在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，完美信道信息假設(shè)過(guò)于理想化，最小化發(fā)射功率的自適應(yīng)調(diào)制多輸入多輸出系統(tǒng)對(duì)信道信息誤差的敏感性就成為限制其應(yīng)用的主要因素之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的不足，提出一種多輸入多輸出系統(tǒng)的最小發(fā)射功率自適應(yīng)調(diào)制方法，能夠在保證發(fā)射功率最小化的前提條件下，顯著改善系統(tǒng)在非完美信道估計(jì)條件下的性能。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明首先向發(fā)送端反饋帶有誤差的信道估計(jì)結(jié)果，并利用估計(jì)矩陣的奇異值分解對(duì)收發(fā)信機(jī)進(jìn)行加權(quán)，將多輸入多輸出信道劃分為多個(gè)并行的、相互之間存在干擾的子信道。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)中心極限定理將子信道之間的干擾近似成為一個(gè)高斯隨機(jī)變量，進(jìn)而建立每個(gè)子信道的調(diào)制階數(shù)、發(fā)射功率、誤比特率之間的關(guān)系模型，最后在尋找最佳功率、比特分配方案的過(guò)程中，采用了新穎的漸次激活子信道的方法，在考慮子信道之間相互干擾的條件下，為每個(gè)子信道分配發(fā)射功率和定制調(diào)制方案，使整個(gè)多輸入多輸出系統(tǒng)能夠以最小的發(fā)射功率達(dá)到當(dāng)前所要求的目標(biāo)比特傳輸速率和目標(biāo)誤比特率。
本發(fā)明的方法具體包括如下步驟1、將多輸入多輸出系統(tǒng)的帶有誤差的信道估計(jì)矩陣反饋回發(fā)射端，對(duì)信道估計(jì)矩陣進(jìn)行奇異值分解，獲得收發(fā)信機(jī)的加權(quán)矩陣，進(jìn)而將多輸入多輸出信道劃分為多個(gè)并行的但相互之間存在干擾的子信道，并建立子信道的傳輸模型，子信道的數(shù)目與估計(jì)矩陣的階數(shù)相同。
2、利用中心極限定理對(duì)每個(gè)子信道的等效信噪比進(jìn)行估計(jì)，將子信道之間的干擾近似成為一個(gè)高斯隨機(jī)變量，進(jìn)而建立每個(gè)子信道的調(diào)制階數(shù)、發(fā)射功率、誤比特率之間的關(guān)系模型，再進(jìn)一步將多個(gè)子信道聯(lián)立求解，求出在多信道并存、考慮信道干擾的情況下，為達(dá)到目標(biāo)誤比特率，每個(gè)子信道所需發(fā)射功率和總發(fā)射功率的閉式解。
3、在求解系統(tǒng)最佳功率、比特分配方案前，按照功率增益遞減的順序?qū)λ凶有诺肋M(jìn)行排序，以減小算法的運(yùn)算復(fù)雜度；4、首先激活子信道序列中具有最大功率增益的第一個(gè)子信道，根據(jù)步驟2所得到的閉式解，計(jì)算所需要的總發(fā)射功率，然后按順序增加第二個(gè)子信道，設(shè)置其初始比特?cái)?shù)為零，從已激活的第一個(gè)子信道中挪動(dòng)一個(gè)比特到第二個(gè)子信道，若不能使發(fā)射總功率減少，則將第二個(gè)子信道掛起，結(jié)束功率和比特分配過(guò)程，若能使發(fā)射總功率減少，則真正激活該第二個(gè)子信道，并繼續(xù)從第一個(gè)子信道中逐個(gè)挪動(dòng)比特到第二個(gè)子信道，直到系統(tǒng)的總發(fā)射功率最小。再繼續(xù)按順序增加第三個(gè)子信道，仍設(shè)置其初始比特?cái)?shù)為零，并分別從已激活的兩個(gè)子信道中挪動(dòng)一個(gè)比特到第三個(gè)子信道進(jìn)行探測(cè)，若任何一種挪動(dòng)方法不能使發(fā)射總功率減少，則將第三個(gè)子信道掛起，結(jié)束功率和比特分配過(guò)程，否則激活第三個(gè)子信道，并選擇從能使總功率減少最多的那個(gè)子信道挪動(dòng)一個(gè)比特到新的子信道。繼續(xù)執(zhí)行探測(cè)、挪動(dòng)步驟，直到系統(tǒng)的總發(fā)射功率最小。然后增加下一個(gè)新的子信道，繼續(xù)按照第三個(gè)子信道的方式進(jìn)行功率和比特分配直到系統(tǒng)總發(fā)射功率不再減小為止。直至完成整個(gè)系統(tǒng)的功率和比特分配。
本發(fā)明通過(guò)以上幾個(gè)步驟，可以使尋找最佳功率、比特分配方案的過(guò)程具有較低的運(yùn)算復(fù)雜度，并保證算法收斂于全局最優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明能夠使多輸入多輸出系統(tǒng)在滿足用戶服務(wù)質(zhì)量等級(jí)條件下，以盡可能小的發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并且與之前的基于完美信道信息反饋的自適應(yīng)調(diào)制多輸入多輸出系統(tǒng)相比，能夠在更大的估計(jì)誤差范圍內(nèi)控制系統(tǒng)性能，對(duì)自適應(yīng)調(diào)制多輸入多輸出系統(tǒng)的實(shí)用化有重要意義。


圖1為本發(fā)明推薦的魯棒性最小化發(fā)射功率的自適應(yīng)調(diào)制多輸入多輸出系統(tǒng)的框圖。
圖2為本發(fā)明的核心算法流程框圖，詳細(xì)描述了本發(fā)明比特和功率分配方案的求解過(guò)程。
圖3為本發(fā)明與基于完美信道信息假設(shè)的自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率性能比較。
圖4為本發(fā)明與基于完美信道信息假設(shè)的自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)的發(fā)射功率比較。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
在圖1中給出了自適應(yīng)調(diào)制多輸入多輸出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，在發(fā)射端，源比特流經(jīng)過(guò)比特分配被分配到各個(gè)天線支路上，然后通過(guò)調(diào)制和發(fā)射加權(quán)形成發(fā)射信號(hào)；在接收端，接收信號(hào)在接收加權(quán)后通過(guò)解調(diào)和復(fù)用，最終得到接收比特流。針對(duì)這樣一個(gè)系統(tǒng)，應(yīng)用本發(fā)明進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)制的步驟如下1)劃分子信道對(duì)于如圖1所示的多輸入多輸出系統(tǒng)，其信號(hào)收發(fā)模型如下r＝Hs+n (1)其中，r表示接收到的信號(hào)、s表示發(fā)射信號(hào)、H表示實(shí)際信道傳輸矩陣、n表示高斯自噪聲。假設(shè)將多輸入多輸出系統(tǒng)的帶有誤差的信道估計(jì)矩陣 反饋回發(fā)射端 其中E為估計(jì)誤差矩陣，它的元素eij是方差為σe2的高斯隨機(jī)變量。通過(guò)對(duì) 進(jìn)行奇異值分解，可以求得收發(fā)雙方的加權(quán)矩陣 和 并將多輸入多輸出信道劃分為k個(gè)并行，但相互有干擾的子信道，進(jìn)而建立子信道的傳輸模型 其中子信道的數(shù)目k與估計(jì)矩陣 的階數(shù)相同。
2)等效信噪比和誤碼率估計(jì)
根據(jù)(3)式，每個(gè)天線上接收到的信號(hào)都包含期望信號(hào)、來(lái)自其他子信道的干擾和噪聲三部分 由于 和 是酉陣，根據(jù)中心極限定理，將干擾項(xiàng)等效成為一個(gè)均值為0，方差為 的高斯隨機(jī)變量，則可以計(jì)算每個(gè)子信道的等效信噪比 其中Pi為第j個(gè)子信道的發(fā)射功率。當(dāng)使用正交振幅調(diào)制作為每個(gè)子信道的調(diào)制方式時(shí)，可以進(jìn)一步得到每個(gè)子信道的調(diào)制階數(shù)bi、發(fā)送功率Pi和誤碼率Beri之間的近似關(guān)系模型(S.T.Chung and A.J.Goldsmith，“Degree of freedom in adaptive modulationAunified view，”IEEETrans.Commun.，vol.49，no.9，pp.1561-1571，Sept.2001) 進(jìn)一步要求每個(gè)子信道的誤碼率必須達(dá)到期望誤比特率Bertgt，則根據(jù)(7)可以求得Pi和總發(fā)射功率Pttl的閉式解P1=-(σn2/σe2+Pttl)/(c1-1)P2=-(σn2/σe2+Pttl)/(c2-1)...Pk′=-(σn2/σe2+Pttl)/(ck′-1)---(8a)]]>
Pttl=-σn2σe2Σj=1k′1cj-1/(1+Σj=1k′1cj-1).---(8b)]]>其中， 3)子信道排序按照增益由大到小的順序?qū)ψ有诺肋M(jìn)行排序，使 4)求解最佳比特功率分配方案步驟1、初始化激活子信道序列中具有最大功率增益的第一個(gè)子信道k′＝1，b1＝Rtgt；并計(jì)算所需要的總發(fā)射功率 步驟2、按順序增加一個(gè)新的子信道如果當(dāng)前使用的信道數(shù)k′等于總信道數(shù)k，算法結(jié)束；否則令k′＝k′+1，并采用如下步驟計(jì)算當(dāng)前k′個(gè)子信道的最佳功率和比特分配方案2.1、設(shè)置新子信道的初始調(diào)制階數(shù)為零bk′＝02.2、探測(cè)根據(jù)閉式解(8b)，從已經(jīng)激活的子信道中尋找子信道i(1≤i≤k′-1)。當(dāng)從第i個(gè)子信道挪動(dòng)一個(gè)比特到子信道k′時(shí)，能使系統(tǒng)具有最小的總發(fā)射功率Pttltemp(i)。
2.3、如果Pttltemp(i)<Pttl,]]>則從第i個(gè)子信道挪動(dòng)一個(gè)比特到第k′個(gè)子信道，即令bk′＝bk′+1 and bi＝bi-1，更新總發(fā)射功率Pttl=Pttltemp(i),]]>并且重新執(zhí)行2.2，為子信道k′分配下一個(gè)比特；否則執(zhí)行步驟3。
步驟3、判決如果分配給子信道k′的比特?cái)?shù)為零，即bk′＝0，這說(shuō)明最后一個(gè)子信道的增益過(guò)小，它所帶來(lái)的好處被其引入的干擾抵消了。
這時(shí)令k′＝k′-1，掛起該子信道，結(jié)束算法；否則重新執(zhí)行步驟2，為系統(tǒng)激活下一個(gè)子信道。
為了說(shuō)明本發(fā)明在實(shí)際應(yīng)用中的性能，本發(fā)明的實(shí)施例分別將方法應(yīng)用到3×3、4×4和6×6的多輸入多輸出信道環(huán)境中，并將其與基于完美信道假設(shè)的對(duì)應(yīng)多輸入多輸出系統(tǒng)進(jìn)行了比較。在所有的仿真實(shí)驗(yàn)中，都使用正交振幅調(diào)制作為調(diào)制方式；且將目標(biāo)比特傳輸速率Rtgt設(shè)置為15比特/符號(hào)，目標(biāo)誤比特率Bertgt則選自集合{10-3，10-4}；背景噪聲的功率設(shè)置為σn2=1.]]>圖3和圖4分別為本發(fā)明和比較系統(tǒng)(基于完美信道信息假設(shè)的最小化發(fā)射功率的自適應(yīng)調(diào)制方案)在典型環(huán)境(配置)下的誤比特率和總發(fā)射功率隨信道估計(jì)誤差方差σe2的變化曲線。
從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，與現(xiàn)存的基于完美信道信息假設(shè)的自適應(yīng)調(diào)制多輸入多輸出系統(tǒng)相比較，本發(fā)明在各種典型環(huán)境下的誤比特性能曲線具有更加寬闊、平坦的底部，我們稱其為“算法有效區(qū)”。在這個(gè)有效區(qū)內(nèi)，系統(tǒng)的實(shí)際誤碼率被更加精確地鎖定在目標(biāo)誤碼率附近，并且其總的發(fā)射功率基本不隨估計(jì)誤差的增大而大幅增加。這說(shuō)明本發(fā)明對(duì)信道估計(jì)誤差具有更好的魯棒性。
權(quán)利要求
1.一種多輸入多輸出系統(tǒng)的最小發(fā)射功率自適應(yīng)調(diào)制方法，其特征在于包括如下步驟1)將多輸入多輸出系統(tǒng)的帶有誤差的信道估計(jì)矩陣反饋回發(fā)射端，對(duì)信道估計(jì)矩陣進(jìn)行奇異值分解，獲得收發(fā)信機(jī)的加權(quán)矩陣，進(jìn)而將多輸入多輸出信道劃分為多個(gè)并行的但相互之間存在干擾的子信道，并建立子信道的傳輸模型，子信道的數(shù)目與估計(jì)矩陣的階數(shù)相同；2)利用中心極限定理對(duì)每個(gè)子信道的等效信噪比進(jìn)行估計(jì)，將子信道之間的干擾近似成為一個(gè)高斯隨機(jī)變量，進(jìn)而建立每個(gè)子信道的調(diào)制階數(shù)、發(fā)射功率、誤比特率之間的關(guān)系模型，再進(jìn)一步將多個(gè)子信道聯(lián)立求解，求出在多信道并存、考慮信道干擾的情況下，為達(dá)到目標(biāo)誤比特率，每個(gè)子信道所需發(fā)射功率和總發(fā)射功率的閉式解；3)在求解系統(tǒng)最佳功率、比特分配方案前，按照功率增益遞減的順序?qū)λ凶有诺肋M(jìn)行排序，以減小算法的運(yùn)算復(fù)雜度；4)首先激活子信道序列中具有最大功率增益的第一個(gè)子信道，根據(jù)步驟2所得到的閉式解，計(jì)算所需要的總發(fā)射功率，然后按順序增加第二個(gè)子信道，設(shè)置其初始比特?cái)?shù)為零，從已激活的第一個(gè)子信道中挪動(dòng)一個(gè)比特到第二個(gè)子信道，若不能使發(fā)射總功率減少，則將第二個(gè)子信道掛起，結(jié)束功率和比特分配過(guò)程，若能使發(fā)射總功率減少，則真正激活該第二個(gè)子信道，并繼續(xù)從第一個(gè)子信道中逐個(gè)挪動(dòng)比特到第二個(gè)子信道，直到系統(tǒng)的總發(fā)射功率最小；再繼續(xù)按順序增加第三個(gè)子信道，仍設(shè)置其初始比特?cái)?shù)為零，并分別從已激活的兩個(gè)子信道中挪動(dòng)一個(gè)比特到第三個(gè)子信道進(jìn)行探測(cè)，若任何一種挪動(dòng)方法不能使發(fā)射總功率減少，則將第三個(gè)子信道掛起，結(jié)束功率和比特分配過(guò)程，否則激活第三個(gè)子信道，并選擇從能使總功率減少最多的那個(gè)子信道挪動(dòng)一個(gè)比特到新的子信道，繼續(xù)執(zhí)行探測(cè)、挪動(dòng)步驟，直到系統(tǒng)的總發(fā)射功率最??；然后增加下一個(gè)新的子信道，繼續(xù)按照第三個(gè)子信道的方式進(jìn)行功率和比特分配直到系統(tǒng)總發(fā)射功率不再減小為止，直至完成整個(gè)系統(tǒng)的功率和比特分配。
全文摘要
一種多輸入多輸出系統(tǒng)的最小發(fā)射功率自適應(yīng)調(diào)制方法，首先向發(fā)送端反饋帶有誤差的信道估計(jì)結(jié)果，并利用估計(jì)矩陣的奇異值分解對(duì)收發(fā)信機(jī)進(jìn)行加權(quán)，將多輸入多輸出信道劃分為多個(gè)并行的、相互之間存在干擾的子信道。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)中心極限定理將子信道之間的干擾近似成為一個(gè)高斯隨機(jī)變量，進(jìn)而建立每個(gè)子信道的調(diào)制階數(shù)、發(fā)射功率、誤比特率之間的關(guān)系模型，最后在尋找最佳功率、比特分配方案的過(guò)程中，采用了新穎的漸次激活子信道的方法，在考慮子信道之間相互干擾的條件下，為每個(gè)子信道分配發(fā)射功率和定制調(diào)制方案，使整個(gè)多輸入多輸出系統(tǒng)能夠以最小的發(fā)射功率達(dá)到當(dāng)前所要求的目標(biāo)比特傳輸速率和目標(biāo)誤比特率。
文檔編號(hào)H04L25/02GK1753328SQ20051003067
公開日2006年3月29日 申請(qǐng)日期2005年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月20日
發(fā)明者何晨, 王智鷹, 蔣鈴鴿 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)