專利名稱：一種降低通訊系統(tǒng)功耗和誤碼率的信號(hào)調(diào)制解調(diào)技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通訊系統(tǒng)中調(diào)制解調(diào)技術(shù)，特別是在MIMO OFDM多用戶通信系統(tǒng)中的一種降低通訊系統(tǒng)功耗和誤碼率的信號(hào)調(diào)制解調(diào)技術(shù)。

背景技術(shù)：
目前我國(guó)的3G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)建成并開(kāi)始投入運(yùn)營(yíng)，日本和韓國(guó)的3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展較早，市場(chǎng)已經(jīng)成熟。這種通信系統(tǒng)的升級(jí)換代為人們的生活帶來(lái)了娛樂(lè)和資訊方面深刻的變革。隨著人們對(duì)資訊需求的迅速增加，還會(huì)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提出更高的要求，即更高的傳輸速率，更大的信息量以及系統(tǒng)容量。因此，國(guó)際上已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)3G下一代通信系統(tǒng)的研究，這就是第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)(4G)。第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，而MIMO和OFDM提高了頻譜效率，從而提供高傳輸速率和系統(tǒng)容量的技術(shù)。兩者的結(jié)合已經(jīng)成為第四代移動(dòng)通信技術(shù)研究中的熱點(diǎn)，大多數(shù)研究人員認(rèn)為OFDM技術(shù)是4G的核心技術(shù)，它已經(jīng)成為新的歐洲數(shù)字音頻廣播(DAB)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)這兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可以為系統(tǒng)提供高傳輸速率，同時(shí)也能提高系統(tǒng)容量，降低成本。隨著傳輸速率以及傳輸?shù)男畔⒘康拇蠓岣撸瑤?lái)了兩個(gè)方面的問(wèn)題。一方面是如何降低誤碼率；另一方面，傳輸速率以及信息量的提高，隨之而來(lái)的是所需數(shù)據(jù)發(fā)送功耗的大幅度增加。功耗問(wèn)題在未來(lái)一定會(huì)成為制約通信系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸之一。
傳輸功耗與通信系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)方案密切相關(guān)。目前國(guó)際上對(duì)于面向接收端(RO)的多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)下行鏈路的調(diào)制解調(diào)方案是TxMMSE(MinimumSquare Error modulator)，即最小均方差檢測(cè)算法。其基本的技術(shù)路線是計(jì)算經(jīng)線性變換的接收數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)檢測(cè)器的軟判決輸出之間的均方差，使之最小的矩陣即為所求線性變換。MMSE檢測(cè)器考慮了背景噪聲的存在，并利用接收信號(hào)的功率值進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，在消除MAI干擾和不增強(qiáng)背景噪聲之間取得了一個(gè)平衡點(diǎn)。但此方案發(fā)射信號(hào)的功耗并未達(dá)到最優(yōu)化，僅僅考慮到了誤碼率方面的性能要求。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種使通訊系統(tǒng)中誤碼率和傳輸功耗最小化的調(diào)制解調(diào)技術(shù)。本發(fā)明著眼于RO(Receiver Oriented)傳輸方案，即面向接收端的傳輸方案。在這種方案中，接收端的復(fù)雜度較低，而發(fā)射端的復(fù)雜度較高。因此這種方案特別適合于移動(dòng)通信的下行鏈路。通過(guò)對(duì)TxZF(迫零預(yù)編碼)和TxMF(匹配濾波器預(yù)編碼)這兩種方案的研究，綜合了這兩種方案各自的優(yōu)勢(shì)，充分克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足。
本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題的關(guān)鍵是調(diào)制解調(diào)的技術(shù)方案，稱之為MEPP(Minimum Error Probability Predistortion)，可以用數(shù)學(xué)公式表示為 即以最優(yōu)化的傳輸功耗和可接受得誤碼率來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)方案，本發(fā)明引入了一個(gè)參數(shù)k以確定TxZF和TxMF方案在MEPP技術(shù)方案中所占的比重。通過(guò)選取適當(dāng)?shù)膮?shù)k，我們可以得到最優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸功耗。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與積極效果在通信系統(tǒng)中應(yīng)用MEPP調(diào)制器可以大大減少傳輸數(shù)據(jù)所需的功耗，降低噪聲和干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，同時(shí)得到可接受的誤碼率。這預(yù)示了MEPP調(diào)制器在新一代通信系統(tǒng)中，對(duì)于改善系統(tǒng)性能和減少系統(tǒng)傳輸功耗方面的潛力和前景。減少系統(tǒng)傳輸功耗在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)——節(jié)省發(fā)射和接收的費(fèi)用；減少了對(duì)其他通信鏈路的干擾；降低電磁輻射對(duì)人體健康的損害。



圖1、本發(fā)明的線性傳輸系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖， 圖2、第一象限誤碼率計(jì)算示意圖， 圖3、第二象限誤碼率計(jì)算示意圖， 圖4、第三象限誤碼率計(jì)算示意圖， 圖5、第四象限誤碼率計(jì)算示意圖， 圖6、計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果示意圖， 圖7、本技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的流程示意圖。
具體實(shí)施方法 下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明 1)系統(tǒng)調(diào)制器的技術(shù)方案 本發(fā)明實(shí)施的關(guān)鍵在于系統(tǒng)調(diào)制器的技術(shù)方案。首先我們來(lái)看一下傳輸系統(tǒng)的總體構(gòu)架，見(jiàn)附圖1。其中M即為我們需要確定的調(diào)制矩陣，本發(fā)明中M是按以下公式確定的 其中i為發(fā)射端所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)向量d的可能性個(gè)數(shù)，例如對(duì)于4PSK來(lái)說(shuō)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)向量d的可能性個(gè)數(shù)為44＝256。
2)最優(yōu)化k值的確定 式(1)中koptl(i)是通過(guò)計(jì)算所有信道最優(yōu)化k值的平均值得到的 j是信道的數(shù)量。每一個(gè)數(shù)據(jù)向量d(i)都對(duì)應(yīng)一個(gè)由相應(yīng)向量kopt(i)確定的MEPP調(diào)制公式。其中L表示PSNRγ的長(zhǎng)度，即對(duì)應(yīng)于每一個(gè)固定的PSNRγ和信道矩陣Hj都有一個(gè)最優(yōu)的kl(i，j)，l＝1...L，相對(duì)應(yīng)。
而k是通過(guò)對(duì)最小誤碼率PS_min(i，j)(γ)的計(jì)算來(lái)確定的 for 0≤k≤1，j＝1...n (3) PS_min(i，j)(γ)所對(duì)應(yīng)的k值即為所求. 3)最后，把這種調(diào)制信號(hào)的方法通過(guò)邏輯電路燒制到調(diào)制芯片中，配合系統(tǒng)中其余不同的功能模塊，參看圖1，即可實(shí)現(xiàn)節(jié)約功耗的技術(shù)效果。
推導(dǎo)及說(shuō)明 對(duì)于圖1的說(shuō)明 數(shù)據(jù)向量調(diào)制矩陣M；發(fā)射向量t＝Md；傳輸t所需的發(fā)射功耗信道矩陣H；接收到的有用數(shù)據(jù)向量e＝Ht＝HMd；受到干擾的接收數(shù)據(jù)向量r＝e+n＝HMd+n；接收端估算的發(fā)射數(shù)據(jù)向量解調(diào)矩陣D(在本發(fā)明涉及的面向接收端系統(tǒng)中D＝I)。
對(duì)于圖6的說(shuō)明 圖中橫軸表示PSNRγ/dB；縱軸表示誤碼率Ps。偽信噪比PSNR(Pseudo-Signal-To-Noise-Ratio) γ＝T/σ2 對(duì)于公式(1)的說(shuō)明 MEPP方案引入了一個(gè)參數(shù)k以確定TxZF和TxMF方案在MEPP方案中所占的比重，如下式 M＝MTxMMSE＝kMTxMF+(1-k)MTxZF ＝k(DH)H(diag[DH(DH)H]-1)+(1-k)(DH)H[DH(DH)H]-1 其中0≤k≤1。
公式(3)的推導(dǎo) 最后讓我們來(lái)看一下誤碼率Ps(γ)的計(jì)算。不同的調(diào)制方式具有不同的誤碼率Ps(γ)，本發(fā)明僅以目前普遍采用的4PSK為例進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于4PSK，在發(fā)送端入口被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)向量為 d＝(d1，d2，d3，d4) 對(duì)于4PSK調(diào)制方式，我們分四種情況來(lái)計(jì)算其誤碼率. 第一種情況見(jiàn)圖2發(fā)送的信號(hào)落在第一象限，我們接收到

和

kM＝1，2...KM，分別是估算數(shù)據(jù)向量

接收到的有用數(shù)據(jù)向量e以及噪聲向量n的元素，圖3中a，X和b，Y是e和

的實(shí)部和虛部.X和Y可以由以下公式來(lái)確定 以上兩式中的nr和ni分別是

的實(shí)部和虛部.噪聲向量n具有零均值和方差σ2.X和Y是高斯隨機(jī)變量.現(xiàn)在我們來(lái)計(jì)算X和Y的平均值μX，μY以及方差σX2，σY2. μX＝E{X}＝E{a+nr}＝a+E{nr}＝a， μY＝E{Y}＝E{b+ni}＝b+E{ni}＝b， 因此有 如果噪聲干擾使得估算的向量d落在圖3的陰影區(qū)域，就發(fā)生了錯(cuò)誤判定。因此，第一種情況下的誤碼率為 PS1＝PX(x＜0)+PY(y＜0)-PX(x＜0)PY(y＜0)， (a) PX(x＜0)和PY(y＜0)按下式計(jì)算 相應(yīng)的可以得到 把式(b)和(c)帶入(a)就得到第一種情況下的誤碼率 第二種情況見(jiàn)圖3，同理可以得到 當(dāng)一個(gè)在第三象限的數(shù)據(jù)向量被發(fā)送時(shí)，見(jiàn)圖4，我們得到 同樣地，當(dāng)一個(gè)在第四象限的數(shù)據(jù)向量被發(fā)送時(shí)，見(jiàn)圖5，我們得到 根據(jù)式(d)，(e)，(f)和(g)我們可以計(jì)算出每一個(gè)di的Pi，i＝1...4.于是傳輸?shù)臄?shù)據(jù)向量d的誤碼率為 對(duì)圖7的說(shuō)明 A循環(huán)的次數(shù)為k的取值個(gè)數(shù)； B循環(huán)的次數(shù)為可能得數(shù)據(jù)向量個(gè)數(shù)； C循環(huán)的次數(shù)為信道個(gè)數(shù)。
生成信道矩陣H。
生成數(shù)據(jù)向量矩陣d。
生成比例因子k，0≤k≤1，每一個(gè)循環(huán)過(guò)后k的取值遞增一個(gè)步進(jìn)，例如一個(gè)步進(jìn)定義為0.01，那末一個(gè)循環(huán)后的k值將為前一個(gè)循環(huán)中k值加上一個(gè)步進(jìn)0.01，即ki+1＝ki+0.01。
計(jì)算k取一個(gè)固定值時(shí)，對(duì)于一個(gè)信道和一個(gè)數(shù)據(jù)向量情況下的誤碼率PS，最后得到一組PS對(duì)應(yīng)于每個(gè)k的取值。
通過(guò)對(duì)所有k值對(duì)應(yīng)的的誤碼率PS的比較，最低的PS值所對(duì)應(yīng)的k即為最優(yōu)值。通過(guò)循環(huán)對(duì)一個(gè)固定信道上所有可能的數(shù)據(jù)向量所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)k值求平均值。通過(guò)循環(huán)對(duì)每一個(gè)信道所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)k值進(jìn)行計(jì)算，然后對(duì)所有最優(yōu)k值求平均，最終得到我們需要的最優(yōu)化k值，并以此來(lái)確定我們的調(diào)制矩陣M。
本發(fā)明(TxMEPP方案)與現(xiàn)有TxMMSE方案相比具有以下優(yōu)點(diǎn) 首先，本發(fā)明的技術(shù)路線與現(xiàn)有方案TxMMSE是不同的。TxMMSE技術(shù)路線是計(jì)算經(jīng)線性變換的接收數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)檢測(cè)器的軟判決輸出之間的均方差，而本發(fā)明的技術(shù)路線是引入一個(gè)參數(shù)k，0≤k≤1，來(lái)確定TxZF和TxMF方案在TxMEPP方案中所占的比重，并且通過(guò)選擇最優(yōu)化的k值，達(dá)到綜合TxZF和TxMF這兩種方案優(yōu)點(diǎn)的目的。
其次，從計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果，見(jiàn)圖6，我們可以清楚地看出，在一定的誤碼率下，TxMEPP方案的PSNRγ是相對(duì)較低的，即在達(dá)到同樣誤碼率的條件下，TxMEPP方案的功耗是最小的。TxMEPP方案較之現(xiàn)有的TxMMSE方案的優(yōu)勢(shì)所在。同樣是基于TxZF，TxMF方案基礎(chǔ)之上，TxMEPP方案在相同誤碼率下的功耗得到了優(yōu)化，這也是這種方案的最大特點(diǎn)。正因?yàn)榇朔桨妇哂羞@種特性，而目前世界范圍內(nèi)對(duì)節(jié)能問(wèn)題的關(guān)注，使之擁有很好的發(fā)展前景和市場(chǎng)潛力。
權(quán)利要求
1、一種降低通訊系統(tǒng)功耗和誤碼率的信號(hào)調(diào)制解調(diào)技術(shù)，其特征是調(diào)制解調(diào)的算法技術(shù)方案，稱之為MEPP，可以用數(shù)學(xué)公式表示為
即以最優(yōu)化的傳輸能量和可接受得誤碼率來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，其特征是koptl(i)是通過(guò)計(jì)算所有信道最優(yōu)化k值的平均值得到的
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，其特征是k是通過(guò)對(duì)最小誤碼率PS_min(i，j)(γ)的計(jì)算來(lái)確定的
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種降低通訊系統(tǒng)功耗和誤碼率的信號(hào)調(diào)制解調(diào)技術(shù)，涉及通訊技術(shù)中調(diào)制解調(diào)技術(shù)，特別是在MIMO OFDM多用戶通信系統(tǒng)中的調(diào)制解調(diào)算法技術(shù)。其技術(shù)關(guān)鍵是調(diào)制解調(diào)的算法技術(shù)方案，稱之為MEPP(Minimum ErrorProbability Predistortion)，可以用上式數(shù)學(xué)公式表示，即以最優(yōu)化的傳輸功耗和可接受得誤碼率來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)方案，本發(fā)明引入了一個(gè)參數(shù)k以確定TxZF和TxMF算法在MEPP技術(shù)方案中所占的比重。通過(guò)選取適當(dāng)?shù)膮?shù)k，我們可以得到最優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸功耗。在通信系統(tǒng)中應(yīng)用MEPP調(diào)制器可以大大減少傳輸數(shù)據(jù)所需的功耗，同時(shí)得到可接受的誤碼率。這預(yù)示了MEPP調(diào)制器在新一代通信系統(tǒng)中，對(duì)于改善系統(tǒng)性能和減少系統(tǒng)傳輸功耗方面的潛力和前景。
文檔編號(hào)H04L27/26GK101616119SQ200910023318
公開(kāi)日2009年12月30日 申請(qǐng)日期2009年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月14日
發(fā)明者張若鋒 申請(qǐng)人:張若鋒