專利名稱：相關(guān)多天線系統(tǒng)收發(fā)兩端聯(lián)合設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種相關(guān)多天線系統(tǒng)收發(fā)兩端聯(lián)合設(shè)計(jì)方法，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
多輸入輸出(MIMO)天線系統(tǒng)可以顯著提高系統(tǒng)的傳輸容量，前提是從發(fā)送端到接收端經(jīng)過不同的信道傳輸。當(dāng)發(fā)送端或者接收端存在相關(guān)性時(shí)，系統(tǒng)容量將隨之降低，嚴(yán)重時(shí)其性能會(huì)退化成單入多出(SIMO)或多入單出(MISO)或單入單出(SISO)系統(tǒng)。因而根據(jù)信道相關(guān)程度設(shè)計(jì)合適的傳輸方案非常重要。先前已有一些文獻(xiàn)研究相關(guān)信道問題，大多關(guān)于系統(tǒng)容量、預(yù)編碼、信道估計(jì)和天線選擇等內(nèi)容。
在MIMO系統(tǒng)中，如果信道固定不變，或者緩慢變化，且發(fā)送接收兩端均完全獲得信道狀態(tài)信息(CSI)，可采用著名的注水算法(Water-filling)分配功率。但是，在許多無線通信環(huán)境中，特別是無線MIMO系統(tǒng)，信道變化較快，通常只有接收端能夠獲得實(shí)時(shí)完整的信道狀態(tài)信息，而發(fā)送端只能通過反饋回路得到信道相關(guān)的統(tǒng)計(jì)信息。也有一些文獻(xiàn)根據(jù)相關(guān)信道的特點(diǎn)提出了功率分配和預(yù)編碼方案，但算法比較復(fù)雜。在接收端，信道的相關(guān)性也會(huì)降低信號(hào)檢測(cè)的性能，特別是復(fù)雜度低的迫零算法。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種復(fù)雜度低、易實(shí)現(xiàn)、可有效提高系統(tǒng)性能的相關(guān)多天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種相關(guān)多天線系統(tǒng)收發(fā)兩端聯(lián)合設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟 1)將MIMO信道矩陣表示成無相關(guān)性的基本矩陣與相關(guān)矩陣兩部分； 2)先后采用迫零法和串行干擾消除法進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，并分析由此產(chǎn)生的誤碼性能； 3)利用發(fā)送端獲得的信道相關(guān)信息和誤碼率均等準(zhǔn)則，將發(fā)送功率合理分配到每根天線。
前述的相關(guān)多天線系統(tǒng)收發(fā)兩端聯(lián)合設(shè)計(jì)方法，其特征在于在所述步驟1)中，具有N根發(fā)送天線、M根接收天線的MIMO信道模型可表示成如下形式，其中M≥N， H＝H0T1/2(1-1) 其中H0矩陣由M×N個(gè)均值為零、方差為1的獨(dú)立同分布(i.i.d)復(fù)高斯變量組成Nc(0，1)，N×N維矩陣T1/2表示發(fā)送天線之間的相關(guān)性； 用M維矢量y表示接收到的基帶信號(hào)y＝Hx+n＝H0T1/2x+n(2)式中n是由M個(gè)均值為零、方差為σn2的i.i.d復(fù)高斯變量組成的矢量； 發(fā)送信號(hào)矩陣x為 式中xi為第i根發(fā)送天線上比特映射后的調(diào)制信號(hào)，si為第i根發(fā)送天線的功率。
前述的相關(guān)多天線系統(tǒng)收發(fā)兩端聯(lián)合設(shè)計(jì)方法，其特征在于在所述步驟2)中，包括以下步驟 21)對(duì)接收信號(hào)y運(yùn)用線性迫零算法，以消除矩陣H0的影響， 22)用信道相關(guān)矩陣T1/2中的相關(guān)系數(shù)對(duì)z進(jìn)行最大比合并處理，估計(jì)發(fā)送信號(hào)，發(fā)送信號(hào)估值為令 式中(T，11/2)*是矩陣T1/2的第一列元素的共軛轉(zhuǎn)置，利用(5)式結(jié)果z計(jì)算參數(shù)w1，將(6)式結(jié)果w1除以系數(shù)

再量化，即在發(fā)送符號(hào)的星座圖中尋找最靠近的點(diǎn)，就得到發(fā)送符號(hào)的估值
23)得到信號(hào)估值

后，可將其產(chǎn)生的干擾從接收矢量z中減去， 再運(yùn)用最大比合并算法求出第二個(gè)信號(hào)的估值，令 將(9)式中的w2除以系數(shù)

再量化，即在發(fā)送符號(hào)的星座圖中尋找最靠近的點(diǎn)，就得到發(fā)送符號(hào)的估值

如此繼續(xù)下去，直到檢出全部的發(fā)送符號(hào)。
前述的相關(guān)多天線系統(tǒng)收發(fā)兩端聯(lián)合設(shè)計(jì)方法，其特征在于在所述步驟3) Λs＝0(17) 利用等式(17)中N-1個(gè)方程及式(4)，計(jì)算N根天線的功率si，i＝1，...，N，其中，
dmin和dmax分別表示映射星座中符號(hào)點(diǎn)與原點(diǎn)的最小和最大距離，用表示天線m和n之間的相關(guān)度，0≤ρm，n≤1，τi，j＝|ti，j|，ti，j是矩陣T1/2中的對(duì)應(yīng)元素，P為發(fā)送總功率。
本發(fā)明所達(dá)到的有益效果 本發(fā)明的相關(guān)多天線系統(tǒng)收發(fā)兩端聯(lián)合設(shè)計(jì)方法，將接收端和發(fā)送端一起考慮，聯(lián)合設(shè)計(jì)功率分配和信號(hào)檢測(cè)算法，不僅復(fù)雜度低，易實(shí)現(xiàn)，仿真實(shí)驗(yàn)表明了系統(tǒng)良好的性能。



圖1是2×2天線、信噪比為14dB時(shí)迫零算法和本發(fā)明算法隨相關(guān)度變化的誤碼率性能對(duì)比示意圖； 圖2是4×4天線、相關(guān)信道下三種算法隨信噪比變化的誤碼率性能對(duì)比示意圖。

具體實(shí)施例方式 1.相關(guān)MIMO信道模型 考慮塊衰落信道，在一個(gè)符號(hào)塊中信道保持不變，具有N根發(fā)送天線、M(≥N)根接收天線的MIMO信道模型可表示成如下形式 H＝R1/2H0T1/2(1) 其中H0矩陣由M×N個(gè)均值為零、方差為1的獨(dú)立同分布(i.i.d)復(fù)高斯變量組成Nc(0，1)。M×M維矩陣R1/2、N×N維矩陣T1/2分別表示接收天線之間和發(fā)送天線之間的相關(guān)性，這里我們僅考慮發(fā)送相關(guān)性，而令接收相關(guān)矩陣R＝IM。這樣的假設(shè)是指用戶接收端沒有任何物理限制，在接收天線之間有足夠空間，不同接收天線之間不相關(guān)，而在發(fā)送端不同天線之間存在相關(guān)性。(1)式就變成 H＝H0T1/2(1-1) 接收端獲得了信道的全部狀態(tài)信息H0和T，但發(fā)送端只能獲得相關(guān)矩陣T。這是由于相關(guān)矩陣T通常在一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持不變，可通過反饋回路回傳至發(fā)送端。
用M維矢量y表示接收到的基帶信號(hào)， y＝Hx+n＝H0T1/2x+n(2) 式中n是由M個(gè)均值為零、方差為σn2的i.i.d復(fù)高斯變量組成的矢量，而發(fā)送信號(hào)矩陣x被本文設(shè)計(jì)為 式中xi為第i根發(fā)送天線上比特映射后的調(diào)制信號(hào)，si為第i根發(fā)送天線的功率， P為發(fā)送總功率。φi表示對(duì)應(yīng)第i根天線的相移，而第一根天線可作為參照點(diǎn)，沒有相移，即φ1＝0。
2.信號(hào)檢測(cè)算法 MIMO系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)算法至今已提出多種，可分成3大類線性檢測(cè)、非線性檢測(cè)和最佳檢測(cè)。最佳檢測(cè)中的最大似然(ML)檢測(cè)算法在頻選瑞利衰落信道中可同時(shí)獲得分集和編碼增益，因而能得到最好的誤碼率性能。但是其計(jì)算復(fù)雜度隨著編碼集合大小和發(fā)送天線數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增加，不可能實(shí)際應(yīng)用。相反，線性檢測(cè)算法如最小均方誤差(MMSE)、迫零(ZF)算法等具有非常低的復(fù)雜度，但系統(tǒng)性能較ML算法相去甚遠(yuǎn)。特別是當(dāng)信道具有相關(guān)性時(shí)，迫零算法會(huì)導(dǎo)致噪聲放大和有色化。
分析(1)式中的信道矩陣H0，不含相關(guān)性，具有很好的性能，可以進(jìn)行逆矩陣運(yùn)算，而信道相關(guān)性則全部體現(xiàn)在T矩陣中。據(jù)此，本發(fā)明提出了由三階段運(yùn)算組成的新的信號(hào)檢測(cè)算法。
1)迫零算法 鑒于信道矩陣H0的性能，可以進(jìn)行pseudo取逆得到H0+，因而對(duì)接收信號(hào)y運(yùn)用線性迫零算法，以消除矩陣H0的影響， 這樣不會(huì)使加權(quán)噪聲H0+n放大。
2)最大比合并算法 用信道相關(guān)矩陣T1/2中的相關(guān)系數(shù)對(duì)z進(jìn)行最大比合并處理，估計(jì)發(fā)送信號(hào)。
令 式中(T，11/2)*是矩陣T1/2的第一列元素的共軛轉(zhuǎn)置，利用(5)式結(jié)果z計(jì)算參數(shù)w1。
由于 (7) ti，j是矩陣T1/2中的對(duì)應(yīng)元素。假設(shè)第一根天線的功率s1最大，將(6)式結(jié)果w1除以(7)式中第一項(xiàng)的系數(shù)

再量化，即在發(fā)送符號(hào)的星座圖中尋找最靠近的點(diǎn)，就得到發(fā)送符號(hào)的估值
3)干擾消除算法 得到信號(hào)估值

后，可將其產(chǎn)生的干擾從接收矢量z中減去， 再運(yùn)用最大比合并算法求出第二個(gè)信號(hào)的估值，令 由于 (10) 如果天線中的功率大小滿足條件s1≥s2≥...≥sN，則可采取同樣的方法，將(9)式中的w2除以(10)式中第一項(xiàng)的系數(shù)

再量化，即在發(fā)送符號(hào)的星座圖中尋找最靠近的點(diǎn)，就得到發(fā)送符號(hào)的估值

如此繼續(xù)下去，直到檢出全部的發(fā)送符號(hào)。
3.功率分配算法 在上述的信號(hào)檢測(cè)算法中，涉及到天線的功率si，對(duì)于發(fā)送端來說，在僅僅獲知信道相關(guān)矩陣T的情況下，如何合理地分配發(fā)送信號(hào)的功率是本文研究的另一個(gè)重點(diǎn)。首先來分析一下上述信號(hào)檢測(cè)的誤碼性能。
從(7)式看出，檢測(cè)發(fā)送信號(hào)x1的誤符號(hào)率有三部分決定，一是由噪聲矢量n引起的誤差，二是判決符號(hào)

到該符號(hào)判決邊界的距離，三是由其他天線發(fā)送符號(hào)產(chǎn)生的干擾。其中第一部分，對(duì)于每根天線為(T，11/2)*H0+n，它們具有相同的方差。
其他各天線發(fā)送信號(hào)的相位選擇應(yīng)該使這些符號(hào)到x1判決邊界的距離最大，即 如果采用MQAM調(diào)制，用dmin和dmax分別表示映射星座中符號(hào)點(diǎn)與原點(diǎn)的最小和最大距離，則從(7)式判決x1的最小距離為 式中τi，j＝|ti，j|，用表示天線m和n之間的相關(guān)度，0≤ρm，n≤1。第一項(xiàng)表示判決信號(hào)x1與其判決邊界之間的最小距離，而后面各項(xiàng)表示對(duì)于其他發(fā)送干擾符號(hào)xi的最大可能距離。
將(11)式推廣到判決其他符號(hào)，則同樣從(10)式判決x2的最小距離為 按這樣的規(guī)律依次可以得到所有N個(gè)最小距離，其中 我們根據(jù)誤碼率相等準(zhǔn)則提出功率分配算法，利用信道相關(guān)矩陣信息，合理分配每根天線的功率，使每根天線中的判決符號(hào)最小距離相等，即 λ1＝λ2＝…＝λN (15) 令
則可將(12)、(13)和(14)式概括表示成下列矢量等式， Λs＝0(17) 等式右邊的0是N-1維零矢量。等式(17)中有N-1個(gè)方程，再加上(4)式，用來計(jì)算N根天線的功率si，i＝1，...，N。
先來分析上述方程組解的存在性。矩陣Λ中，左端(N-1)×(N-1)子矩陣是一個(gè)上三角矩陣，對(duì)角線上的元素均為dmin，上三角中的元素都小于等于零；矩陣的最后一列由小于零的元素組成。因此方程組存在非負(fù)解。
由(14)、(13)和(12)式，如果

則通過遞推得出的矢量s中的所有元素均為零，這不符合要求。因此

不會(huì)為零。不失一般性，先設(shè)

將矩陣Λ中的最后一列移動(dòng)至等式(17)右邊，可得到一個(gè)上三角結(jié)構(gòu)的方程組，通過迭代運(yùn)算，依次得到

等數(shù)值。然后再根據(jù)(4)式加權(quán)得到矢量s。
4.算法仿真與性能分析 當(dāng)發(fā)送天線之間不存在相關(guān)性時(shí)，即T＝I，則信道矩陣僅為H0，此時(shí)功率均等分配，信號(hào)檢測(cè)僅需第一階段的迫零算法，所以常規(guī)的MIMO迫零算法是本算法的特例。
當(dāng)采用4QAM調(diào)制時(shí)，dmin＝dmax。若發(fā)送天線完全相關(guān)，ρm，n＝1，則矩陣

可直接由最后一個(gè)方程(最后一列)迭代得到 再結(jié)合功率限制(4)式， 從(19)式中看到，天線i每增加1，功率分配減小1/4倍。
本發(fā)明仿真采用準(zhǔn)靜態(tài)平坦瑞利衰落信道，接收端已知完整信道狀態(tài)信息，發(fā)送端僅獲知信道的相關(guān)性信息，用4QAM調(diào)制。在2×2天線，信噪比為14dB時(shí)，對(duì)均勻分配功率的迫零檢測(cè)算法，和本發(fā)明新算法進(jìn)行仿真比較。如圖1所示，可以看出，隨著相關(guān)度由0增加到1，常規(guī)迫零算法的系統(tǒng)性能變差，但采用本發(fā)明的聯(lián)合功率分配和信號(hào)檢測(cè)算法，可以有效改善系統(tǒng)性能，特別是相關(guān)度越高時(shí)效果越明顯。與常規(guī)迫零算法相比，盡管新算法在計(jì)算復(fù)雜度上增加了功率分配和串行干擾消除環(huán)節(jié)，但從上面的分析推導(dǎo)可知，這些運(yùn)算都是簡(jiǎn)單的代數(shù)運(yùn)算，總體算法的復(fù)雜度增加不多，而系統(tǒng)性能有較大改善。
在4×4MIMO系統(tǒng)中，第1、第2根發(fā)送天線完全相關(guān)，ρ1，2＝1，構(gòu)成一組；第3、第4根天線完全相關(guān)，ρ3，4＝1，構(gòu)成另一組；兩組之間的天線不相關(guān)，ρ1，3＝ρ1，4＝ρ2，3＝ρ2，4＝0。用三種算法進(jìn)行仿真，分別是本發(fā)明提出的發(fā)送功率自適應(yīng)分配新算法、發(fā)送功率均等時(shí)的新算法和常規(guī)迫零算法。如圖2所示，可以看出，對(duì)于相關(guān)信道，若僅僅采用本發(fā)明的信號(hào)檢測(cè)方法，功率均等分配，則與常規(guī)迫零算法相比，系統(tǒng)性能改善不大。只有聯(lián)合運(yùn)用本發(fā)明的功率分配和信號(hào)檢測(cè)算法，才能有效提高系統(tǒng)性能。
本發(fā)明分析了相關(guān)信道的特點(diǎn)，提出了聯(lián)合功率分配和信號(hào)檢測(cè)的新方法。信道的相關(guān)性會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能，若僅考慮發(fā)送預(yù)編碼和功率分配，或者僅考慮接收端的檢測(cè)算法，對(duì)系統(tǒng)性能的改善不大。本發(fā)明將接收端和發(fā)送端一起考慮，聯(lián)合設(shè)計(jì)功率分配和信號(hào)檢測(cè)算法。這種聯(lián)合方法在增加運(yùn)算復(fù)雜度不多的情況下，大大改善了系統(tǒng)性能，仿真驗(yàn)證了算法的效果。
以上僅以最佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，然其并非對(duì)本發(fā)明的限定，本發(fā)明的保護(hù)范圍以表示在權(quán)利要求的內(nèi)容為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種相關(guān)多天線系統(tǒng)收發(fā)兩端聯(lián)合設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟
1)將MIMO信道矩陣表示成無相關(guān)性的基本矩陣與相關(guān)矩陣兩部分；
2)先后采用迫零法和串行干擾消除法進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，并分析由此產(chǎn)生的誤碼性能；
3)利用發(fā)送端獲得的信道相關(guān)信息和誤碼率均等準(zhǔn)則，將發(fā)送功率合理分配到每根天線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相關(guān)多天線系統(tǒng)收發(fā)兩端聯(lián)合設(shè)計(jì)方法，其特征在于在所述步驟1)中，具有N根發(fā)送天線、M根接收天線的MIMO信道模型可表示成如下形式，其中M≥N，
H＝H0T1/2 (1-1)
其中H0矩陣由M×N個(gè)均值為零、方差為1的獨(dú)立同分布(i.i.d)復(fù)高斯變量組成Nc(0，1)，N×N維矩陣T1/2表示發(fā)送天線之間的相關(guān)性；
用M維矢量y表示接收到的基帶信號(hào)y＝Hx+n＝H0T1/2x+n(2)
式中n是由M個(gè)均值為零、方差為σn2的i.i.d復(fù)高斯變量組成的矢量；
發(fā)送信號(hào)矩陣x為
式中xi為第i根發(fā)送天線上比特映射后的調(diào)制信號(hào)，si為第i根發(fā)送天線的功率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的相關(guān)多天線系統(tǒng)收發(fā)兩端聯(lián)合設(shè)計(jì)方法，其特征在于在所述步驟2)中，包括以下步驟
21)對(duì)接收信號(hào)y運(yùn)用線性迫零算法，以消除矩陣H0的影響，
22)用信道相關(guān)矩陣T1/2中的相關(guān)系數(shù)對(duì)z進(jìn)行最大比合并處理，估計(jì)發(fā)送信號(hào)，發(fā)送信號(hào)估值為令
式中(T，11/2)*是矩陣T1/2的第一列元素的共軛轉(zhuǎn)置，利用(5)式結(jié)果z計(jì)算參數(shù)w1，將(6)式結(jié)果w1除以系數(shù)
，再量化，即在發(fā)送符號(hào)的星座圖中尋找最靠近的點(diǎn)，就得到發(fā)送符號(hào)的估值
23)得到信號(hào)估值
后，可將其產(chǎn)生的干擾從接收矢量z中減去，
再運(yùn)用最大比合并算法求出第二個(gè)信號(hào)的估值，令
將(9)式中的w2除以系數(shù)
，再量化，即在發(fā)送符號(hào)的星座圖中尋找最靠近的點(diǎn)，就得到發(fā)送符號(hào)的估值
如此繼續(xù)下去，直到檢出全部的發(fā)送符號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的相關(guān)多天線系統(tǒng)收發(fā)兩端聯(lián)合設(shè)計(jì)方法，其特征在于在所述步驟3)中
Λs＝0 (17)
利用等式(17)中N-1個(gè)方程及式(4)，計(jì)算N根天線的功率si，i＝1，...，N，
其中，
dmin和dmax分別表示映射星座中符號(hào)點(diǎn)與原點(diǎn)的最小和最大距離，用
表示天線m和n之間的相關(guān)度，
ti，j是矩陣T1/2中的對(duì)應(yīng)元素，P為發(fā)送總功率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種相關(guān)多天線系統(tǒng)收發(fā)兩端聯(lián)合設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟1)將MIMO信道矩陣表示成無相關(guān)性的基本矩陣與相關(guān)矩陣兩部分；2)先后采用迫零法和串行干擾消除法進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，并分析由此產(chǎn)生的誤碼性能；3)利用發(fā)送端獲得的信道相關(guān)信息和誤碼率均等準(zhǔn)則，將發(fā)送功率合理分配到每根天線。本發(fā)明的相關(guān)多天線系統(tǒng)收發(fā)兩端聯(lián)合設(shè)計(jì)方法，將接收端和發(fā)送端一起考慮，聯(lián)合設(shè)計(jì)功率分配和信號(hào)檢測(cè)算法，不僅復(fù)雜度低，易實(shí)現(xiàn)，仿真實(shí)驗(yàn)表明了系統(tǒng)良好的性能。
文檔編號(hào)H04L1/06GK101814979SQ20091023250
公開日2010年8月25日 申請(qǐng)日期2009年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月7日
發(fā)明者曹雪虹, 周健 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)