專利名稱：一種基于等價信息量的傳輸模式切換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳輸模式切換方法，尤其涉及一種多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)的傳輸模式切換方法。
背景技術(shù)：
MIMO系統(tǒng)使用多個(Nt)發(fā)射天線和多個(Nr)接收天線傳輸數(shù)據(jù)。由所述Nt個發(fā)射天線和Nr個接收天線所形成的MIMO信道能分解成Ns個空間信道，其中Ns≤min{Nt，Nr}。分解后的Ns個空間信道相互之間是獨立的，因此能同時獨立地傳輸Ns個數(shù)據(jù)流，這使得MIMO系統(tǒng)有了更大的吞吐量或者更高的可靠性。一般的，選擇使用何種MIMO模式(分集、復(fù)用或者混合模式)的決定既可以由發(fā)送方做出也可以由接收方做出。如果由接收方?jīng)Q定使用何種MIMO模式，則接收方需要把模式反饋給發(fā)送方。如果由發(fā)送方?jīng)Q定使用何種MIMO模式，則需要在FDD/TDD系統(tǒng)中，接收方反饋信道狀態(tài)信息給發(fā)送方；或者在TDD系統(tǒng)中，發(fā)送方使用互惠性估計信道狀態(tài)。
由于多個信道可以同時發(fā)射單獨的數(shù)據(jù)流，因此就存在多種不同的發(fā)射模式。通常的發(fā)射模式有兩種，即分集模式與復(fù)用模式。目前可行的分集發(fā)射模式為(1)空時分集(space-time diversity)模式，具體描述可參見論文A simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications(S.M.Alamouti，IEEE JSAC，Oct.1998)；(2)延遲分集(delay diversity)模式，具體描述可參見論文Performance of closed Loop Transmit Diversity withFeedback Delay(B.Raghothaman，Thirty-Fourth Asilomar Conference onSignals，Systems and Computers，2000)；(3)天線選擇(Antenna selection)模式，具體描述可參見論文Antenna selection for spatial multiplexing withlinear receivers(R.W.Health，IEEE Comm，April.2001)。
而復(fù)用，即空間復(fù)用，是指在多個天線上發(fā)射不同的數(shù)據(jù)流，要求接收方的天線個數(shù)不少于發(fā)射方的天線個數(shù)。三種最基本的傳輸模式是空時分集，延遲分集，空間復(fù)用，這三者之間的關(guān)系是并列的。通常的MIMO系統(tǒng)中或者是單獨地使用分集，或者是單獨地使用復(fù)用。由于天線選擇與空間復(fù)用在系統(tǒng)實現(xiàn)上沒有太大的差別，所以已有的融合了分集與復(fù)用的MIMO傳輸模式把這兩種模式結(jié)合在一起，然后在它們之間進行切換。但是對于空時分集或者延遲分集而言，它們與空間復(fù)用的系統(tǒng)實現(xiàn)有顯著的不同，所以通常的MIMO系統(tǒng)沒有把空時分集或者延遲分集與空間復(fù)用結(jié)合在一起進行。然而空時分集能夠和空間復(fù)用結(jié)合在一起使用，并根據(jù)結(jié)合的程度形成多種不同的傳輸模式。空時分集或者延遲分集對系統(tǒng)性能的提高是通過降低誤碼率實現(xiàn)的，通常用于信道條件不是足夠好的情況之下，例如信道的相關(guān)性比較強；而空間復(fù)用對系統(tǒng)性能的提高是通過提高發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)量實現(xiàn)的，通常用于信道條件比較好的情況之下，例如信道的相關(guān)性比較低。
因此，為了系統(tǒng)性能的提高，而根據(jù)不同的信道條件選擇合適的傳輸模式，在技術(shù)上就需要一種方法，即能夠把空間分集或者延遲分集與空間復(fù)用結(jié)合在一起以形成多種不同的傳輸模式，并且能夠根據(jù)信道條件的改變而在不同的傳輸模式之間進行切換。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題就是提供一種用于多輸入多輸出通信系統(tǒng)的傳輸模式切換方法，將空時分集、空間復(fù)用等傳輸模式結(jié)合在一起，根據(jù)信道狀態(tài)或者信噪比的改變在它們之間進行切換。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于等價信息量的傳輸模式切換方法，用于多輸入多輸出通信系統(tǒng)的傳輸模式切換，包括如下步驟(1)根據(jù)發(fā)射天線總數(shù)Nt，以及可以采用的所有發(fā)射模式，將在Nt范圍內(nèi)的各種天線數(shù)量與可以采用的不同發(fā)射模式進行組合，組成不同的傳輸模式，每種傳輸模式唯一確定了一組實際使用的天線數(shù)與發(fā)射模式；(2)計算實際的空間信道矩陣H與信噪比SNR；
(3)根據(jù)所述的每一種傳輸模式以及所述的實際信道矩陣H，針對每一種傳輸模式，確定H的等價信道矩陣Hequ；(4)根據(jù)每一種傳輸模式對應(yīng)的等價信道矩陣Hequ和信噪比SNR，計算每一種傳輸模式對應(yīng)的等價信息量Cequ；(5)根據(jù)所有傳輸模式對應(yīng)的不同等價信息量Cequ，從中選擇等價信息量最大的模式進行傳輸。
所述步驟(1)中的所有發(fā)射模式，包括分集模式、復(fù)用模式及混合模式。
所述步驟(2)中的空間信道矩陣H，由信號接收方計算并反饋給發(fā)射方，或者由信號發(fā)射方使用信道的互惠性進行估計。
所述步驟(2)的信噪比SNR，由信號接收方測量并反饋給發(fā)射方。
本發(fā)明所述的一種基于等價信息量的傳輸模式切換方法，就是把不同的傳輸模式結(jié)合在一起，在MIMO系統(tǒng)的信噪比或者信道狀態(tài)發(fā)生變化的情況下，通過比較它們的等價信息量能夠選擇最佳的傳輸模式進行傳輸。由于不同模式的傳輸速率不同，所以切換就可以改變傳輸速率，從而有利于在MIMO系統(tǒng)中自適應(yīng)傳輸速率，即提高了系統(tǒng)的性能。


圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例所述的使用一個天線的傳輸模式的矩陣表示示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例所述的使用二個天線的傳輸模式的矩陣表示示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明實施例所述的使用三個天線的傳輸模式的矩陣表示示意圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明實施例所述的使用四個天線的傳輸模式的矩陣表示示意圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明實施例所述的傳輸模式的矩陣表示示意圖；
圖6為根據(jù)本發(fā)明實施例所述的信息量與信噪比的關(guān)系示意圖；圖7為根據(jù)本發(fā)明實施例所述的傳輸模式切換的流程圖。
具體實施例方式
不同的傳輸模式能夠提供不同的傳輸速率，這能從兩方面實現(xiàn)，即采用不同的天線數(shù)以及分集或復(fù)用的使用。因為，對于Nt個發(fā)射天線而言，在某個時隙進行信號傳輸?shù)臅r候不一定要全部使用，可能只使用一部分天線反而有更好的性能，這依賴于當(dāng)時的信道條件和信噪比。所以，方案根據(jù)模式實際使用的天線數(shù)組成不同的模式表，然后遍歷所有的可行天線數(shù)的模式表，從中選擇一個最佳的模式。對于傳輸模式的選擇，是在比較其等價信息量的基礎(chǔ)上進行的。這里的等價信息量包括其一，在比較不同傳輸模式的信息量的時候使用了等價信道，而等價信道能表示成接收信號向量/發(fā)射信號向量的形式；其二，因為不同的傳輸模式一次完整的傳輸可能包含不同的時隙，例如空間復(fù)用只需要一個時隙、而空間分集則至少需要兩個，所以對于不同傳輸模式在時隙上進行了對齊。
基于等價信息量的切換方法包含下面幾個步驟(1)估計實際的空間信道H；(2)測量信噪比SNR；(3)對傳輸信號實際可使用的天線數(shù)(iCurAntNum)，從它的模式表中選擇第iCurMod個模式，并根據(jù)實際的空間信道H計算其等價信道矩陣Hequ，其中1≤iCurAntNum≤Nt，1≤iCurMod≤iModNum[iCurAntNum]，iModNum[iCurAntNum]是iCurAntNum個實際使用天線數(shù)所對應(yīng)的模式總數(shù)；(4)根據(jù)等價信道矩陣和信噪比計算當(dāng)前模式的等價信息量(Cequ[iCurAntNum][iCurMod])；(5)選擇等價信息量最大的模式，即[iSelAntNum，iSelMod]＝argmax(Cequ)，其中iSelAntNum和iSelMod表示最大的等價信息量對應(yīng)的天線數(shù)和模式。
完成以上步驟后相當(dāng)于給出了最佳的傳輸模式，再在物理上把信號發(fā)射出去，就完成了傳輸模式的切換。
對Nt個發(fā)射天線和Nr個接收天線所形成的MIMO系統(tǒng)，通信信道能分解成Ns個空間信道，其中Ns≤min{Nt，Nr}。假設(shè)Nt個發(fā)射天線和Nr個接收天線之間的信道響應(yīng)為H。
MIMO系統(tǒng)的現(xiàn)有模型可以表示為r＝Hx+n其中，x表示發(fā)射信號矢量，r表示接收信號矢量，n表示噪聲矢量。
MIMO系統(tǒng)現(xiàn)有的香農(nóng)信息量為C＝log2(det(I+HRxxHH))其中，Rxx＝E(xxH)是發(fā)射信號的協(xié)方差矩陣，表示了發(fā)射信號的功率限制條件。假設(shè)功率在發(fā)射信號上平均分配，那么MIMO系統(tǒng)的信息量能表示成C=log2(det(I+SNRNtHHH))]]>其中，SNR表示信噪比，SNR/Nt表示功率在Nt個發(fā)射信號上平均分配。
下面結(jié)合附圖對本實施例作進一步的詳細(xì)描述，在本實施例中Nt＝Nr＝4，對于其他的情況能夠得到類似的結(jié)論。
如圖1、2、3、4所示，為本發(fā)明實施例所述的不同傳輸模式的矩陣表示示意圖，其中，圖1表示的是實際使用一個天線傳輸信號時的所有模式中的一部分；圖2表示的是實際使用二個天線傳輸信號時的所有模式中的一部分；圖3表示的是實際使用三個天線傳輸信號時的所有模式中的一部分；圖4表示的是實際使用四個天線傳輸信號時的所有模式中的一部分。
如圖5所示，為根據(jù)本發(fā)明實施例所述的傳輸模式的矩陣表示示意圖，其給出了發(fā)射信號的空時矩陣，其中矩陣行表示天線，列表示時隙。模式a表示只使用兩根天線發(fā)射信號，信號進行了正交的Alamouti空時編碼。顯然，解碼模式a所發(fā)射的信號只需要一根天線就夠了，在有四根接收天線的情況下，使用最大增益比合并相當(dāng)于接收分集。模式b表示在四根天線上發(fā)射兩對正交空時編碼信號。解碼模式b所發(fā)射的信號至少需要兩根天線，在有四根天線的情況下可以使用最大增益比進行合并。模式c表示在四根天線上發(fā)射四個不同的信號，這種發(fā)射信號的方式也被稱為空間復(fù)用。
本實施例Nt＝Nr＝4時的信道矩陣為H=h11h21h31h41h12h22h32h42h13h23h33h43h14h24h34h44]]>如果使用模式a發(fā)射信號，那么第i根天線上兩個時隙收到的信號為ri1＝h1iS1+h2iS2+ni1ri2=-h1iS2*+h2iS1*+ni2]]>上式用矢量形式可以表示為ri＝HiS+ni其中，ri＝[ri1，ri2]T，ni＝[ni1，ni2]T，S＝[S1，S2]T，Hi=h1ih2ih2i*-h1i*.]]>顯然，Hi(即等價信道矩陣Hequ)是一個正交矩陣。比較公式r＝Hx+n與公式ri＝HiS+ni，兩者有相似的形式。這說明，使用模式a發(fā)射信號，信道能被等效成正交信道。把接收天線上所有接收到的信號進行最大增益比合并，此時等價的信息量可以表示為CequA=Σi=1Ntlog2(det(I+2SNRNtHiHiH))]]>上式就是使用模式a發(fā)射信號的時候系統(tǒng)所能達到的信息量。
同樣，如果使用模式b發(fā)射信號，那么第i根天線上兩個時隙收到的信號為ri1＝h1iS1+h2iS2+h3iS3+h4iS4+ni1ri2=-h1iS2*+h2iS1*-h3iS4*+h4iS3*+ni2]]>上式用矢量形式可以表示為ri＝AiS12+BiS34+ni其中，rij＝[ri，rj]T，S＝[S12，S34]T，nij＝[ni，nj]T，Hij=AiBiAjBj.]]>
與模式a不同的是，只有公式ri＝AiS12+BiS34+ni無法解碼信號，因為在此公式中有兩個未知數(shù)，卻只有一個方程。假設(shè)使用第i和j根天線接收到的信號解碼，那么在天線對(i，j)上接收到的信號為rij＝HijS+niji≠j其中，rij＝[ri，rj]T，S＝[S12，S34]T，nij＝[ni，nj]T，Hij=AiBiAjBj.]]>此時的Hij(即等價信道矩陣Hequ)不一定是正交矩陣，但是相對于矩陣H，Hij的秩屬性要好一些，這說明使用模式b傳輸信號可以提高系統(tǒng)性能。同樣，進行最大增益比合并，能夠得到b的等價信息量為CequB=log2(det(I+SNRNtH12H12H))+log2(det(I+SNRNtH34H34H))]]>模式c沒有使用空時編碼，直接把不同的信號從不同的天線上發(fā)射出去。它的信息量就是MIMO系統(tǒng)的信息量，即公式C=log2(det(I+SNRNtHHH)).]]>但是，模式c不能直接與模式a、b相比較，因為模式a、b使用了兩個時隙，而模式c只使用了一個時隙。所以，為了公平的比較三者的信息量，要對模式c的信息量在時隙上對齊。因此，對齊后模式c的等價信息量為CequC=2log2(det(I+SNRNtHHH))]]>隨機的信道矩陣為H=0.40700.10680.09370.25620.19050.01010.31650.35870.24610.13640.51370.98970.9316046220.50300.4335.]]>如圖6所示，為根據(jù)本發(fā)明實施例所述的信息量與信噪比的關(guān)系示意圖，該圖表現(xiàn)了模式a/b/c的等價信息量隨SNR的變化，為了更清楚地顯示它們的差別，圖中給出的是等價信息量之差。從圖中可以看出，當(dāng)SNR大于21db的時候，模式a優(yōu)于模式b、模式c，當(dāng)SNR小于19db的時候，模式b優(yōu)于模式a、模式c，當(dāng)SNR介于19db到21db之間的時候，模式c優(yōu)于模式a、模式b。
如圖7所示，為根據(jù)本發(fā)明實施例所述的傳輸模式切換的流程圖，具體過程如下步驟701獲取鏈路信道信息H；步驟702獲取信噪比SNR；步驟703令iCurAntNum等于1；步驟704又令iCurMod等于1；步驟705從iCurAntNum個天線的模式表中選擇第iCurMod個模式，計算其等價信道矩陣Hequ；步驟706根據(jù)等價信道矩陣Hequ和信噪比SNR計算當(dāng)前模式的等價信息量Cequ[iCurAntNum][iCurMod]；步驟707令iCurMod的值增1；步驟708判斷iCurMod是否小于或等于iModNum[iCurAntNum]，若是，進入步驟705，若否，進入步驟709；步驟709令iCurAntNum的值增1；步驟710判斷iCurAntNum是否小于或等于Nt，若是，進入步驟704，若否，進入步驟711；步驟711選擇等價信息量最大的模式，即[iSelAntNum，iSelMod]＝argmax(Cequ)；步驟712切換結(jié)束。
其中，步驟701所述信道的信息，可以通過兩種方式來獲取一是發(fā)送方通過反饋獲取信道信息；二是在TDD系統(tǒng)中，發(fā)送方可以使用信道的互惠性估計信道信息。
步驟702所述的是獲取信噪比的過程，通過接收方測量并反饋給發(fā)送方。
步驟705所述的是計算等價信道矩陣的過程，不同的傳輸模式以及實際的信道矩陣H共同決定了等價信道矩陣Hequ，對于當(dāng)前實際的信道矩陣H，要確定相應(yīng)的等價信道矩陣之后才能計算其等價信息量。
步驟711所述，是根據(jù)等價信息量做出傳輸模式?jīng)Q策的過程，即選擇等價信息量最大的模式進行傳輸。
在帶寬一定的情況下，決定MIMO系統(tǒng)信息量的兩個關(guān)鍵因素就是信噪比和信道矩陣。在信道矩陣不變的情況下，隨著信噪比的改變，不同傳輸模式的等價信息量的改變不同，這就使得基于等價信息量的切換方法能夠用于不同信噪比的情形。
本實施例所述方法，就是把不同的傳輸模式結(jié)合在一起，在MIMO系統(tǒng)的信噪比或者信道狀態(tài)發(fā)生變化的情況下，通過比較不同傳輸模式的等價信息量能夠選擇最佳的傳輸模式進行傳輸。
由此而增加了系統(tǒng)信息量，可以從兩個方面提高系統(tǒng)的性能一是在傳輸數(shù)據(jù)量一定的情況下降低誤碼率；二是在誤碼率一定的情況下提高數(shù)據(jù)傳輸量。由于不同傳輸模式的傳輸速率不同，所以切換就可以改變傳輸速率，從而利于在MIMO系統(tǒng)中自適應(yīng)傳輸速率，以提高系統(tǒng)的性能。
權(quán)利要求
1.一種基于等價信息量的傳輸模式切換方法，用于多輸入多輸出通信系統(tǒng)的傳輸模式切換，其特征在于，包括如下步驟(1)根據(jù)發(fā)射天線總數(shù)Nt，以及可以采用的所有發(fā)射模式，將在Nt范圍內(nèi)的各種天線數(shù)量與可以采用的不同發(fā)射模式進行組合，組成不同的傳輸模式，每種傳輸模式唯一確定了一組實際使用的天線數(shù)與發(fā)射模式；(2)計算實際的空間信道矩陣H與信噪比SNR；(3)根據(jù)所述的每一種傳輸模式以及所述的實際信道矩陣H，針對每一種傳輸模式，確定H的等價信道矩陣Hequ；(4)根據(jù)每一種傳輸模式對應(yīng)的等價信道矩陣Hequ和信噪比SNR，計算每一種傳輸模式對應(yīng)的等價信息量Cequ；(5)根據(jù)所有傳輸模式對應(yīng)的不同等價信息量Cequ，從中選擇等價信息量最大的模式進行傳輸。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(1)所述的所有發(fā)射模式，包括分集模式、復(fù)用模式及混合模式。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(2)所述空間信道矩陣H，由信號接收方計算并反饋給發(fā)射方。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(2)所述空間信道矩陣H，由信號發(fā)射方使用信道的互惠性進行估計。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(2)所述信噪比SNR，由信號接收方測量并反饋給發(fā)射方。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于等價信息量的傳輸模式切換方法，首先獲取信道信息即實際的空間信道矩陣，又通過反饋來獲取信噪比，根據(jù)發(fā)射天線總數(shù)，以及可以采用的所有發(fā)射模式，將在發(fā)射天線總數(shù)范圍內(nèi)的各種天線數(shù)量與可以采用的不同發(fā)射模式進行組合，組成不同的傳輸模式，然后根據(jù)所述的每一種傳輸模式以及所述的實際信道矩陣，針對每一種傳輸模式，確定實際信道矩陣的等價信道矩陣，又根據(jù)每一種傳輸模式對應(yīng)的等價信道矩陣和信噪比，計算出每一種傳輸模式對應(yīng)的等價信息量，最后根據(jù)所有傳輸模式對應(yīng)的不同等價信息量，從中選擇等價信息量最大的模式進行傳輸。應(yīng)用本發(fā)明所述方法，實現(xiàn)了不同傳輸模式之間的切換。
文檔編號H04B7/04GK101064545SQ200610079039
公開日2007年10月31日 申請日期2006年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月30日
發(fā)明者李立志 申請人:中興通訊股份有限公司