專利名稱：向多輸入多輸出通信系統(tǒng)中的待傳送各層分配數(shù)據(jù)速率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多輸入多輸出通信系統(tǒng)，更具體地說，涉及向MIMO系統(tǒng)中的各層分配數(shù)據(jù)速率。
背景技術(shù)：
多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)的一般體系結(jié)構(gòu)眾所周知，E.Telatar，“Capacity of multi-antenna Gaussian Channel，”EuropeanTransactions on Telecommunications，vol.10，pp.585-595，Nov-Dec.1999，以及G.J.Foschini和M.J.Gans，“On the limits of wirelesscommunications in a fading envioronment when using multipleantennas，”Wireless Personal Commnun.，vol.6，pp.315-335，March1998。但是，開發(fā)基于MIMO體系結(jié)構(gòu)的接近理論信道容量的實用系統(tǒng)仍然存在問題。
MIMO系統(tǒng)可使用閉環(huán)或開環(huán)體系結(jié)構(gòu)。在閉環(huán)系統(tǒng)中，發(fā)射器使用來自接收器的反饋信息來根據(jù)瞬時信道條件確定數(shù)據(jù)速率。這提高了系統(tǒng)的容量，但是增大了系統(tǒng)的復(fù)雜性、開銷和成本。在開環(huán)系統(tǒng)中，發(fā)射器不需要來自接收器的瞬時反饋來確定數(shù)據(jù)速率。于是，最好使用開環(huán)體系結(jié)構(gòu)。
在空時編碼系統(tǒng)中，一種方法使用比特交織編碼調(diào)制(BICM)，B.M.Hochwald和S.ten Brink，“Achieving near-capacity on amultiple-antenna channel，”IEEE Trans.WirelessCommun.，vol.51，pp.389-399，March 2003。對于利用中等數(shù)目的發(fā)射天線的低數(shù)據(jù)速率和中等數(shù)據(jù)速率的傳輸，BICM使用列表(list)球形解碼和迭代信道解碼來逼近MIMO信道的容量。但是，對于很多發(fā)射天線和高階調(diào)制，球形解碼中使用的列表的有限大小嚴重降低了性能。
MIMO系統(tǒng)的另一種方法使用垂直貝爾實驗室分層空時結(jié)構(gòu)(V-BLAST)，G.J.Foschini，“Layered space-time architecture forwireless communication in a fading environment when using multi-element antenna，”Bell Labs Technical Journal，pp.41-59，August 1996，P.W.Wolniansky，G.J.Foschini，G.D.Golden，和R.A.Valenzuela，“V-BLASTAn architecture for realizing very high datarate over the rich-scattering wireless channel，”Proc.URSI Int.Symp.Signals，Systems，Electronics，pp.295-300，October 1998，以及H.E.Gamal and J.A.R.Hammons，“A new approach to layeredspace-time coding and signal processing，”IEEE Trans.Inform.Theory，vol.47，pp.2321-2334，September 2001。
在V-BLAST中，輸入數(shù)據(jù)流被多路分解成多個子流或“層”。每層被利用一維編碼獨立編碼，每個編碼層通過不同的天線被同時發(fā)送給接收器天線。
為了在接收器中檢測每層，可使用根據(jù)迫零(ZF)或最小均方誤差(MMSE)標準的線性處理來使接收信號中的未被檢驗出的各層為零。檢測出的各層的貢獻被決策導(dǎo)向的連續(xù)干擾消除(SIC)扣除。
在V-BLAST系統(tǒng)中，輸入數(shù)據(jù)流一般被均分到各層中，所有各層具有相同的數(shù)據(jù)速率。從而，由于因歸零而引起的信號能量的損失的緣故，最初檢測的各層更易于出錯。于是，即使利用檢測的最佳排序，現(xiàn)有的V-BLAST系統(tǒng)也不能逼近理論信道容量。
于是，需要一種對于高數(shù)據(jù)速度或者對于許多天線的情況，逼近理論信道容量的開環(huán)MIMO系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是根據(jù)各層的信道的質(zhì)量分配數(shù)據(jù)速率。要檢測的各層首先具有較低的數(shù)據(jù)速率，因為由于未被檢測的各層的歸零(nulling)，這些層具有較低的質(zhì)量信道。
本發(fā)明提供一種使用具有不相等速率分配的分層結(jié)構(gòu)的MIMO系統(tǒng)。代替相等地或者根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)中的瞬時數(shù)據(jù)速率反饋在各層間分配數(shù)據(jù)速率，本發(fā)明使用基于過去觀察結(jié)果的信道的統(tǒng)計信息，確定分配給每層的數(shù)據(jù)速率。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的分層MIMO系統(tǒng)的發(fā)射器的方框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的分層MIMO系統(tǒng)的接收器的方框圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的在各層中分配數(shù)據(jù)速率的方法的流程圖。
具體實施例方式
發(fā)射器結(jié)構(gòu)圖1表示根據(jù)本發(fā)明的分層MIMO系統(tǒng)的發(fā)射器100。輸入數(shù)據(jù)流101被多路分解110成Nt個子流或‘層’111。每層被獨立編碼120。編碼后的各層被交織(П)130和調(diào)制140，并被同時發(fā)送給不同的發(fā)射天線141，以便通過某一信道以發(fā)射信號102的形式被發(fā)射。在所示例子中，Nt＝2，不過顯然本發(fā)明可以使用任何實際數(shù)目的發(fā)射和接收天線。
根據(jù)本發(fā)明，多路分解110和編碼120使用這里描述的統(tǒng)計速率分配。與瞬時反饋相反，所述統(tǒng)計以層容量的過去觀察為基礎(chǔ)。
接收器結(jié)構(gòu)圖2表示根據(jù)本發(fā)明的分層MIMO系統(tǒng)中的接收器200。信號201由Nr個接收天線210接收。應(yīng)用線性處理220，以使未被檢測的各層歸零。在被發(fā)送給多路復(fù)用器250之前，處理后的信號被解碼230和解交織(П-1)240，在多路復(fù)用器250，解碼后的各層被組合成與輸入信號101對應(yīng)的重構(gòu)輸出信號202。接收器中的連續(xù)(successive)干擾消除是根據(jù)決策反饋信息261進行的。
在具有Nt個發(fā)射天線和Nr個接收天線的平坦衰退(flat-fading)MIMO系統(tǒng)中，發(fā)射信號102和接收信號201之間的關(guān)系可被表示成r＝Hs+n，其中r是代表接收信號201的Nr×1向量，s是代表發(fā)射信號102的Nt×1向量，H是代表信道的沖激響應(yīng)的Nr×Nt信道矩陣。Nr×1噪聲向量n具有為獨立并且相等分布(i.i.d)的零均值循環(huán)(circular)復(fù)高斯隨機變量的條目，所述零均值循環(huán)復(fù)高斯隨機變量具有方差N0。
開環(huán)信道容量由下式給出C(H,SNR)≈log2det(INr+SNRNtHHH),]]>其中INr是Nr×Nr單位矩陣，SNR是信噪比。
不失一般性，我們假定每層1111通過發(fā)射天線I141被發(fā)送，檢測的順序為從1到Nt。隨后，在接收器200，根據(jù)如下確定的zi，層i被解碼230zi=wiH(r-Σl=1i-1hls^l),]]>其中Nr×1單位范數(shù)加權(quán)向量wi221使來自所有其它未解碼層的信號歸零(null)。根據(jù)迫零或MMSI標準確定加權(quán)向量221。來自解碼層的重構(gòu)信號261是l，。值hl是信道矩陣H的第l列。
在線性處理220和干擾消除260之后，利用一維代碼對層i解碼230。
分層系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率分配在MIMO系統(tǒng)中，將被分配給層l的最佳數(shù)據(jù)速率應(yīng)為Cl=log2det(INr+SNRNtH(l-1)H(l-1)H)-log2det(INr+SNRNtH(l)H(l)H)---(1)]]>其中 hl是信道矩陣H的第l列。
在中等和高SNR下，諸如等式(1)中的第一項和第二項之類的MIMO信道的容量(不論是Rayleigh還是Ricean)可由高斯分布精確地近似，P.J.Smith和M.Shafi，“On a Gaussian approximation to thecapacity of wireless MIMO systems，”Proc.ICC 2002，pp.406-410，April2002，M.A.Kamath，B.L.Hughes和X.Yu，“Gaussian approximationsfor the capacity of MIMO Rayleith fading channels，”IEEE AsilomarConference on Signals，Systems，and Computers，November 2002。
從而，每層的容量Cl也是高斯分布的，并且可由下式表示Cl～N(ηl，σl2)，其中η1和σl2分別是層l的容量的平均值和方差。這里關(guān)鍵點在于容量是統(tǒng)計地表述的，而不是基于來源于瞬時反饋信息的實際容量。另外應(yīng)注意其它統(tǒng)計量，比如伽馬分布和更高階的統(tǒng)計量可被用于表述信道的容量。
在我們的MIMO系統(tǒng)中，代替動態(tài)改變每層的數(shù)據(jù)速率，我們把層l固定為數(shù)據(jù)速率u1，數(shù)據(jù)速率u1基于所有的層容量的平均值和方差，即一階統(tǒng)計量和二階統(tǒng)計量。當(dāng)各層的數(shù)據(jù)速率都不大于該層的相應(yīng)容量，并且服從信道的總數(shù)據(jù)速率CT被固定的約束條件，即Σl=1Mul=CT]]>時，使分層系統(tǒng)的不達到所需性能的概率，即中斷概率Pout最小化等同于使下述概率最大化1-Pout=Πl=1M∫ul∞12πσle(t-ηl)22σl2dt,]]>假定某一層的數(shù)據(jù)速率是差值x1＝u1-η1。通過建立等同的拉格朗日目標函數(shù)，我們從目標函數(shù)J=log(Πl=1M∫xl∞12πσlet22σl2dt)-λ(Σl=1Mxl+Σl=1Mηl-CT)]]>得到駐點，即函數(shù)的導(dǎo)數(shù)成為零的點。
我們可證實該駐點滿足-exl22σl2∫xl∞12πσlet22σl2dt=λ,l=1,2,···,M.]]>因為∫xl∞12πσlet22σl2dt≈1,xl/σl<<0]]>于是，某一層的最佳數(shù)據(jù)速率和容量的平均值之間的差值為
xl*≈σlΣm=1Mσm(CT-Σm=1Mηm)]]>并且層l的最佳數(shù)據(jù)速率u*為ul*≈ηl+σlΣm=1Mσm(CT-Σm=1Mηm)---(2)]]>于是，每層的中斷概率為Pl*=∫-∞xl*12πσlet22σl2dt=∫-∞(CT-Σm=1Mηm)Σm=1Mσm12πet22dt]]>對于所有層來說，它是相同的。從而，當(dāng)每層的中斷概率相等時，獲得最小的總中斷概率。
我們把歸一化容量余量定義為 從而，最佳的總中斷概率為 它陳述一個有趣的事實。分層系統(tǒng)的最小總中斷概率只由歸一化容量余量確定。
即，如果我們正確地選擇每層的數(shù)據(jù)速率，那么在最佳SIC下，所有層的容量的總和與通過瞬時反饋獲得的完全相同。為了達到該容量，需要瞬時數(shù)據(jù)速率反饋。但是，如果信道足夠各態(tài)歷經(jīng)(ergodic)，例如具有足夠頻率選擇性或時間變化的那些信道，那么通過統(tǒng)計地確定每層的數(shù)據(jù)速率，我們能夠逼近該容量，而代價極小。我們的方法是在已知總數(shù)據(jù)速率的情況下，使總的中斷概率降至最小。由于上述結(jié)果，我們使用統(tǒng)計方案來向不同層分配比特。
我們使用根據(jù)M.A.Kamath，B.L.Hughes和X.Yu，“Gaussianapproximations for the capacity of MIMO Rayleigh fadingchannels，”IEEE Asilomar Conference on Signals，Systems，andComputers，November 2002的漸近展開(asymptotic expansion)，所述漸近展開是
從而 類似地，我們得到具有總數(shù)據(jù)速率CT的MIMO信道的漸近中斷概率為 其中 其中ηch是各態(tài)歷經(jīng)MIMO信道容量，即如同關(guān)于統(tǒng)計參數(shù)一樣，每個序列或大小相當(dāng)?shù)?sizable)樣本足以代表整體，σch2是MIMO信道容量的方差。注意ηch=Σl=1Mηl]]>并且σch≤Σl=1Mσl]]>因為對于任意一組隨機變量{vl′s}E{(Σlvl)2}≤(ΣlE{vl2})2]]>從而，ch≤，并且 這意味著在相等的數(shù)據(jù)速率下，分層結(jié)構(gòu)的漸近中斷概率至少為MIMO信道的漸近中斷概率的M倍。
由于上述結(jié)果，我們提供一種確定數(shù)據(jù)速率分配的統(tǒng)計方法，服從下述約束條件。
在實際的通信系統(tǒng)中，只存在調(diào)制和編碼速率的數(shù)目有限的組合。于是，一組N個可用數(shù)據(jù)速率c1＜c2＜…＜cN302是離散的，參見圖3。這里，按照從低到高的順序排列數(shù)據(jù)速率，其中c1是最小的可用數(shù)據(jù)速率，cN是該集合的最大可用數(shù)據(jù)速率。
任何高斯分布具有負數(shù)結(jié)尾部分，于是，我們的上述分析主要適用于具有高SNR的系統(tǒng)，在具有高SNR的系統(tǒng)中，每層的最佳數(shù)據(jù)速率ul*被保證為正值。
統(tǒng)計數(shù)據(jù)速率分配方法圖3表示我們的在MIMO通信系統(tǒng)中的多層間分配數(shù)據(jù)速率的方法300。
首先，我們根據(jù)當(dāng)通過某一信道傳送各層時，各層的容量的過去觀察結(jié)果301(由等式(1)給出)確定310每層的容量的統(tǒng)計量311，例如平均值η1和方差σl2?？筛鶕?jù)從接收器發(fā)送的作為對發(fā)射消息的確認的信號，完全在發(fā)射器中確定所述平均值和方差。應(yīng)注意可以使用其它統(tǒng)計量。
應(yīng)清楚統(tǒng)計量不必基于瞬時實際信道條件，相反統(tǒng)計量可以只基于歷史數(shù)據(jù)。
在傳輸開始時，此時沒有任何歷史數(shù)據(jù)可用，可使用依據(jù)經(jīng)驗得到的統(tǒng)計量來設(shè)定各層的初始數(shù)據(jù)速率。通過使用標準信道模型，可從實驗或模擬獲得經(jīng)驗數(shù)據(jù)。
對于總的數(shù)據(jù)速率CT，根據(jù)每層的層容量統(tǒng)計量311，依據(jù)等式(2)為每層確定320最佳數(shù)據(jù)速率ul*321。
確定330最佳數(shù)據(jù)速率ul*是否小于一組可用數(shù)據(jù)速率302的最小數(shù)據(jù)速率。
如果否331，那么選擇340可用數(shù)據(jù)速率302中的小于最佳數(shù)據(jù)速率ul*的最接近數(shù)據(jù)速率cl*。
否則，如果是332，那么選擇將為該組可用數(shù)據(jù)速率的最小值的數(shù)據(jù)速率cl*。
注意在所描述的系統(tǒng)中，根據(jù)選擇的數(shù)據(jù)速率，我們可對不同的層使用不同的調(diào)制。
變化上面提出的方法還可被應(yīng)用于發(fā)射天線與各層的關(guān)聯(lián)發(fā)生變化，或者是頻率選擇的，例如在OFDM系統(tǒng)中的情況。我們只需要計算每層的由等式(1)給出的所有數(shù)據(jù)速率的總數(shù)，并確定每層的信道容量的對應(yīng)平均值和方差即可。
雖然通過優(yōu)選實施例的例子說明了本發(fā)明，不過顯然在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可做出各種其它適應(yīng)和修改。于是，附加權(quán)利要求的目的是覆蓋在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有這樣的變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種向?qū)⒃诙噍斎攵噍敵鐾ㄐ畔到y(tǒng)中發(fā)射的各層分配數(shù)據(jù)速率的方法，包括把輸入數(shù)據(jù)流多路分解成多層；關(guān)于每層，根據(jù)通過信道發(fā)射該層的過去觀察結(jié)果，確定代表該層的容量的統(tǒng)計量；關(guān)于每層，根據(jù)所述統(tǒng)計量確定最佳數(shù)據(jù)速率；關(guān)于每層，確定最佳數(shù)據(jù)速率是否小于一組可用比特率的最小數(shù)據(jù)速率；如果是，那么為特定層從該組可用數(shù)據(jù)速率中選擇最小數(shù)據(jù)速率；否則如果否，那么為特定層從該組可用數(shù)據(jù)速率中選擇小于最佳數(shù)據(jù)速率的最接近數(shù)據(jù)速率。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中發(fā)射信號和接收信號之間的關(guān)系由r＝Hs+n表示，其中r是代表接收信號的Nr×1向量，s是代表發(fā)射信號的Nt×1向量，H是代表信道的沖激響應(yīng)的Nr×Nt信道矩陣，n是具有為獨立并且相等分布的零均值循環(huán)復(fù)高斯隨機變量的條目的Nr×1噪聲向量，所述零均值循環(huán)復(fù)高斯隨機變量具有方差N0，信道的開環(huán)容量為C(H,SNR)=log2det(INr+SNRNtHHH),]]>其中INr是Nr×Nr單位矩陣，SNR是信噪比。
3.按照權(quán)利要求2所述的方法，其中將被分配給每層l的所需數(shù)據(jù)速率為Cl=log2det(INr+SNRNtH(l-1)H(l-1)H)-log2det(INr+SNRNtH(l)H(l)H),]]>其中 hl是信道矩陣H的第l列。
4.按照權(quán)利要求3所述的方法，其中基于過去觀察結(jié)果的每層的容量為Cl～N(ηl，σl2)，其中ηl和σl2分別是層l的容量的均值和方差。
5.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中統(tǒng)計量是一階和二階統(tǒng)計量。
6.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中對于所有各層的總數(shù)據(jù)速率，使總的中斷概率最小化。
7.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中統(tǒng)計量是每層的容量的均值和方差。
8.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中在各層的發(fā)射器中確定統(tǒng)計量。
9.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中在各層的接收器中確定統(tǒng)計量。
10.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中發(fā)射天線與各層的關(guān)聯(lián)發(fā)生變化。
11.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中系統(tǒng)是頻率選擇的。
12.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中統(tǒng)計量由高斯分布模擬。
全文摘要
一種向?qū)⒃诙噍斎攵噍敵鐾ㄐ畔到y(tǒng)中發(fā)射的各層分配數(shù)據(jù)速率的方法。輸入數(shù)據(jù)流被多路分解成多層。對于每層，根據(jù)通過信道發(fā)射該層的過去觀察結(jié)果，確定代表該層的容量的統(tǒng)計量。對于每層，根據(jù)所述統(tǒng)計量確定最佳數(shù)據(jù)速率。對于每層，確定最佳數(shù)據(jù)速率是否小于一組可用比特率的最小數(shù)據(jù)速率，如果是，那么為特定層從該組可用數(shù)據(jù)速率中選擇最小數(shù)據(jù)速率，否則，如果否，那么為特定層從該組可用數(shù)據(jù)速率中選擇小于最佳數(shù)據(jù)速率的最接近數(shù)據(jù)速率。
文檔編號H04L1/00GK1820442SQ20058000040
公開日2006年8月16日 申請日期2005年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月21日
發(fā)明者杜健烜, 安德瑞斯·F.·莫利茨, 張錦云 申請人:三菱電機株式會社