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)射功率達到所需要的目標傳輸速率和誤比特率，同時對信道信息的誤差具有一定的魯棒性，對實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的跨層優(yōu)化具有重要意義。
背景技術(shù)：
近年來，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)容量的方式實現(xiàn)。這類方案的優(yōu)點是能夠保證系統(tǒng)在當(dāng)前信道條件下以盡可能大的速率實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
然而在實際應(yīng)用中，無線鏈路所需要達到的服務(wù)質(zhì)量等級，特別是目標誤比特率和傳信率，往往由正在傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)類型所決定。對于這種情況，基于給定發(fā)射功率進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，而且很可能會導(dǎo)致發(fā)射功率的浪費或者系統(tǒng)的實際性能達不到服務(wù)所需要的指標。在這種情況下，根據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的需要，實時定制調(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1、對單個終端來說，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，對于節(jié)省終端能耗和延長持續(xù)工作時間有重要意義。
2、從整個網(wǎng)絡(luò)的角度來看，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的各無線鏈路并不是完全正交時，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)計當(dāng)中，使無線網(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)都對信道信息的誤差非常敏感。由于在實際的通信系統(tǒng)中，完美信道信息假設(shè)過于理想化，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)在非完美信道估計條件下的性能。
為實現(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結(jié)果，并利用估計矩陣的奇異值分解對收發(fā)信機進行加權(quán)，將多輸入多輸出信道劃分為多個并行的、相互之間存在干擾的子信道。在此基礎(chǔ)上，通過中心極限定理將子信道之間的干擾近似成為一個高斯隨機變量，進而建立每個子信道的調(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，為每個子信道分配發(fā)射功率和定制調(diào)制方案，使整個多輸入多輸出系統(tǒng)能夠以最小的發(fā)射功率達到當(dāng)前所要求的目標比特傳輸速率和目標誤比特率。
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矩陣反饋回發(fā)射端，對信道估計矩陣進行奇異值分解，獲得收發(fā)信機的加權(quán)矩陣，進而將多輸入多輸出信道劃分為多個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)目與估計矩陣的階數(shù)相同。
2、利用中心極限定理對每個子信道的等效信噪比進行估計，將子信道之間的干擾近似成為一個高斯隨機變量，進而建立每個子信道的調(diào)制階數(shù)、發(fā)射功率、誤比特率之間的關(guān)系模型，再進一步將多個子信道聯(lián)立求解，求出在多信道并存、考慮信道干擾的情況下，為達到目標誤比特率，每個子信道所需發(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行排序，以減小算法的運算復(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子信道，根據(jù)步驟2所得到的閉式解，計算所需要的總發(fā)射功率，然后按順序增加第二個子信道，設(shè)置其初始比特數(shù)為零，從已激活的第一個子信道中挪動一個比特到第二個子信道，若不能使發(fā)射總功率減少，則將第二個子信道掛起，結(jié)束功率和比特分配過程，若能使發(fā)射總功率減少，則真正激活該第二個子信道，并繼續(xù)從第一個子信道中逐個挪動比特到第二個子信道，直到系統(tǒng)的總發(fā)射功率最小。再繼續(xù)按順序增加第三個子信道，仍設(shè)置其初始比特數(shù)為零，并分別從已激活的兩個子信道中挪動一個比特到第三個子信道進行探測，若任何一種挪動方法不能使發(fā)射總功率減少，則將第三個子信道掛起，結(jié)束功率和比特分配過程，否則激活第三個子信道，并選擇從能使總功率減少最多的那個子信道挪動一個比特到新的子信道。繼續(xù)執(zhí)行探測、挪動步驟，直到系統(tǒng)的總發(fā)射功率最小。然后增加下一個新的子信道，繼續(xù)按照第三個子信道的方式進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。直至完成整個系統(tǒng)的功率和比特分配。
本發(fā)明通過以上幾個步驟，可以使尋找最佳功率、比特分配方案的過程具有較低的運算復(fù)雜度，并保證算法收斂于全局最優(yōu)點。
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)量等級條件下，以盡可能小的發(fā)射功率實現(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，能夠在更大的估計誤差范圍內(nèi)控制系統(tǒng)性能，對自適應(yīng)調(diào)制多輸入多輸出系統(tǒng)的實用化有重要意義。


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，詳細描述了本發(fā)明比特和功率分配方案的求解過程。
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。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步詳細描述。
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)過比特分配被分配到各個天線支路上，然后通過調(diào)制和發(fā)射加權(quán)形成發(fā)射信號；在接收端，接收信號在接收加權(quán)后通過解調(diào)和復(fù)用，最終得到接收比特流。針對這樣一個系統(tǒng)，應(yīng)用本發(fā)明進行自適應(yīng)調(diào)制的步驟如下1)劃分子信道對于如圖1所示的多輸入多輸出系統(tǒng)，其信號收發(fā)模型如下r＝Hs+n (1)其中，r表示接收到的信號、s表示發(fā)射信號、H表示實際信道傳輸矩陣、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矩陣 反饋回發(fā)射端 其中E為估計誤差矩陣，它的元素eij是方差為σe2的高斯隨機變量。通過對 進行奇異值分解，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個并行，但相互有干擾的子信道，進而建立子信道的傳輸模型 其中子信道的數(shù)目k與估計矩陣 的階數(shù)相同。
2)等效信噪比和誤碼率估計
根據(jù)(3)式，每個天線上接收到的信號都包含期望信號、來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，將干擾項等效成為一個均值為0，方差為 的高斯隨機變量，則可以計算每個子信道的等效信噪比 其中Pi為第j個子信道的發(fā)射功率。當(dāng)使用正交振幅調(diào)制作為每個子信道的調(diào)制方式時，可以進一步得到每個子信道的調(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) 進一步要求每個子信道的誤碼率必須達到期望誤比特率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子信道k′＝1，b1＝Rtgt；并計算所需要的總發(fā)射功率 步驟2、按順序增加一個新的子信道如果當(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，并采用如下步驟計算當(dāng)前k′個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個子信道挪動一個比特到子信道k′時，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個子信道挪動一個比特到第k′個子信道，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′的比特數(shù)為零，即bk′＝0，這說明最后一個子信道的增益過小，它所帶來的好處被其引入的干擾抵消了。
這時令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)激活下一個子信道。
為了說明本發(fā)明在實際應(yīng)用中的性能，本發(fā)明的實施例分別將方法應(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)的對應(yīng)多輸入多輸出系統(tǒng)進行了比較。在所有的仿真實驗中，都使用正交振幅調(diào)制作為調(diào)制方式；且將目標比特傳輸速率Rtgt設(shè)置為15比特/符號，目標誤比特率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)射功率隨信道估計誤差方差σe2的變化曲線。
從實驗的結(jié)果來看，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)”。在這個有效區(qū)內(nèi)，系統(tǒng)的實際誤碼率被更加精確地鎖定在目標誤碼率附近，并且其總的發(fā)射功率基本不隨估計誤差的增大而大幅增加。這說明本發(fā)明對信道估計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矩陣反饋回發(fā)射端，對信道估計矩陣進行奇異值分解，獲得收發(fā)信機的加權(quán)矩陣，進而將多輸入多輸出信道劃分為多個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)目與估計矩陣的階數(shù)相同；2)利用中心極限定理對每個子信道的等效信噪比進行估計，將子信道之間的干擾近似成為一個高斯隨機變量，進而建立每個子信道的調(diào)制階數(shù)、發(fā)射功率、誤比特率之間的關(guān)系模型，再進一步將多個子信道聯(lián)立求解，求出在多信道并存、考慮信道干擾的情況下，為達到目標誤比特率，每個子信道所需發(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行排序，以減小算法的運算復(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子信道，根據(jù)步驟2所得到的閉式解，計算所需要的總發(fā)射功率，然后按順序增加第二個子信道，設(shè)置其初始比特數(shù)為零，從已激活的第一個子信道中挪動一個比特到第二個子信道，若不能使發(fā)射總功率減少，則將第二個子信道掛起，結(jié)束功率和比特分配過程，若能使發(fā)射總功率減少，則真正激活該第二個子信道，并繼續(xù)從第一個子信道中逐個挪動比特到第二個子信道，直到系統(tǒng)的總發(fā)射功率最??；再繼續(xù)按順序增加第三個子信道，仍設(shè)置其初始比特數(shù)為零，并分別從已激活的兩個子信道中挪動一個比特到第三個子信道進行探測，若任何一種挪動方法不能使發(fā)射總功率減少，則將第三個子信道掛起，結(jié)束功率和比特分配過程，否則激活第三個子信道，并選擇從能使總功率減少最多的那個子信道挪動一個比特到新的子信道，繼續(xù)執(zhí)行探測、挪動步驟，直到系統(tǒng)的總發(fā)射功率最?。蝗缓笤黾酉乱粋€新的子信道，繼續(xù)按照第三個子信道的方式進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結(jié)果，并利用估計矩陣的奇異值分解對收發(fā)信機進行加權(quán)，將多輸入多輸出信道劃分為多個并行的、相互之間存在干擾的子信道。在此基礎(chǔ)上，通過中心極限定理將子信道之間的干擾近似成為一個高斯隨機變量，進而建立每個子信道的調(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，為每個子信道分配發(fā)射功率和定制調(diào)制方案，使整個多輸入多輸出系統(tǒng)能夠以最小的發(fā)射功率達到當(dāng)前所要求的目標比特傳輸速率和目標誤比特率。
文檔編號H04L25/02GK1753328SQ20051003067
公開日2006年3月29日 申請日期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 申請人:上海交通大學(xué)