專利名稱：發(fā)送功率控制方法、發(fā)送功率控制裝置、及無線發(fā)送裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在時變信道環(huán)境下進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)制的多天線無線通信系統(tǒng)的發(fā)送功率控制方法、發(fā)送功率控制裝置、及無線發(fā)送裝置。
背景技術(shù)：
隨著無線通信系統(tǒng)和因特網(wǎng)的逐漸融合，用戶對無線通信服務(wù)的類型和質(zhì)量的要求越來越高。因此需要開發(fā)新一代無線通信系統(tǒng)，以適應(yīng)無線多媒體和高速率傳輸?shù)囊?。其中，在發(fā)送端和接收端都使用多元陣列天線(MEAMulti-Element Antennas)的多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)正受到廣泛關(guān)注。
根據(jù)MIMO技術(shù)能獲得空分復(fù)用增益，當(dāng)接收天線的數(shù)量大于發(fā)送天線的數(shù)量時，瑞利衰落(Reyleigh Fading)信道容量與發(fā)送天線數(shù)量成線性關(guān)系。因此，MIMO系統(tǒng)無需增加功率和頻率帶寬而能夠達(dá)到增加系統(tǒng)容量的目的，顯著提高傳播路徑的質(zhì)量。
多天線系統(tǒng)中，目前研究最多的技術(shù)有兩類空分復(fù)用(例如，參見非專利文獻(xiàn)1)和空時編碼(例如，參見非專利文獻(xiàn)2)。前者通過在每根天線發(fā)射不同符號來提高系統(tǒng)的傳輸速率。后者通過在多個發(fā)送天線發(fā)送的多個符號間插入編碼冗余來提高系統(tǒng)的誤比特率特性。即，MIMO系統(tǒng)通過并用空分復(fù)用技術(shù)和空時編碼技術(shù)而能夠顯著提高系統(tǒng)容量和傳播路徑質(zhì)量。
在時不變MIMO信道中，為獲得最大的總信道容量，基于總發(fā)送功率的預(yù)定上限及信道矩陣特征值利用WF(Water Filling)算法在空域?qū)γ扛炀€分配發(fā)送功率(例如，參見非專利文獻(xiàn)[1])。另一方面，在時變MIMO信道中，則結(jié)合空域WF算法和時域WF算法進(jìn)行功率分配而得到最大容量。但時域WF算法要求信道矩陣的概率密度函數(shù)(pdfprobability densityfunction)為已知，而計算信道矩陣的概率密度函數(shù)比較復(fù)雜，運(yùn)算量龐大，難于實(shí)現(xiàn)。因此，在實(shí)際的時變信道的MIMO系統(tǒng)中，可通過避免計算信道矩陣的概率密度函數(shù)，根據(jù)信道條件自適應(yīng)地調(diào)整發(fā)送功率及傳輸速率，而獲得最大的總信道容量。
做為發(fā)送功率和傳輸速率的自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)，可以考慮變傳輸速率變功率正交幅度調(diào)制(MQAMM-ary-Quadrature Amplitude Modulation)。根據(jù)變傳輸速率變功率MQAM，能夠在當(dāng)信道環(huán)境好的時候增大數(shù)據(jù)傳輸率，信道環(huán)境差時降低數(shù)據(jù)傳輸率，能夠?qū)⒄`比特率(BERBit ErrorRate)抑制在容許范圍內(nèi)。 G.J.Foschini發(fā)表在Bell Labs Tech.J.，1996年，卷1第41-59頁上的Layered space-time architecture for wireless communicationin a fading environment when using multi-element antennas。G.J.Foschini、M.J.Gans發(fā)表在Wireless PersonalCommunications，1998年6(3)第311-335頁上的On limits of wirelesscommunications in fading environment when using multiple antennas。I.E.Telatar發(fā)表在Eur.Trans.Tel.，1999年11/12月，第6號，第585-595上的Capacity of multi-antenna Gaussian channels。G.G.Raleigh、J.M.Cioffi發(fā)表在IEEE Globecom(倫敦，1996年)第1809-1814頁上的Space-temporal coding for wirelesscommunications。V.Tarokh、N.Scshadri、A.R.Calderband發(fā)表在IEEETrans.On IT，1998年44(2)第744-765頁上的Space-time codes for high datarate wireless communicationPerformance critierion and code construction。A.J.Goldsmith和S.Chua發(fā)表在IEEE Trans.Commun.，1997年45(10)第1218-1230頁上的Variable-rate Variable-powerMQAM for fading channels[J]。S.Chung、H.C.Howard，A.Lozano發(fā)表在Proc.of IEEEVTC[C](澤西市)IEEE Press，2001年第910-914頁上的Low complexityalgorithm for rate and power quantization in extended V-BLAST[A]。
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明需要解決的問題 但是，如上面所述將變傳輸速率變功率MQAM調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到時變多天線系統(tǒng)時，有如下的問題存在，即在將連續(xù)的傳輸速率量化為與調(diào)制階數(shù)對應(yīng)的離散值時，將產(chǎn)生起因于量化處理的功率損失，而引起系統(tǒng)容量的降低。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種用于進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)制的多天線無線通信系統(tǒng)的，運(yùn)算量小的發(fā)送功率控制方法。
本發(fā)明所涉及的用于MIMO系統(tǒng)的發(fā)送功率控制方法包括，根據(jù)誤比特率(BER)的容許范圍，對每根發(fā)送天線的連續(xù)的傳輸速率及發(fā)送功率進(jìn)行量化而得到量化傳輸速率及量化發(fā)送功率的步驟；根據(jù)所述每根天線的量化傳輸速率及量化發(fā)送功率，重新計算每根天線的發(fā)送功率，將當(dāng)前的發(fā)送功率使用情況傳達(dá)給下一個預(yù)定間隔的時刻的步驟；及在下一個所述預(yù)定間隔的時刻，根據(jù)所述使用情況及總發(fā)送功率，控制每根天線的傳輸速率及發(fā)送功率，以保證總發(fā)送功率，即所有的發(fā)送天線的發(fā)送功率的總和不發(fā)生損失，使系統(tǒng)在時變信道環(huán)境下獲得最大的信道容量的步驟。
根據(jù)此方法，能夠抑制計算時變信道環(huán)境中的MIMO系統(tǒng)的最大總信道容量所需的運(yùn)算量，同時控制發(fā)送功率及傳輸速率，能夠避免變傳輸速率變功率MQAM引起的功率損失。
在本發(fā)明中，作為多天線系統(tǒng)，以進(jìn)行空分復(fù)用的MIMO系統(tǒng)為例，對此系統(tǒng)的下行鏈路進(jìn)行說明。在此MIMO系統(tǒng)中，無線發(fā)送裝置150(基站BSBase Station)具有M根天線，無線接收裝置160(用戶)具有N根天線。設(shè)各天線的發(fā)送功率為Pm，所有天線的發(fā)送功率的總和(下面，簡稱為總發(fā)送功率)的上限值為PT時，Pm及PT之間存在如下公式(1)所示的關(guān)系。
對信道矩陣H進(jìn)行特征值分解(SVDSingular Value Decomposition)，則得到H＝UΛVH，Λ是N×M的矩陣，下面，作為矩陣的表示方法，將這樣的矩陣記為ΛN×M。另外，ΛN×M為非負(fù)對角陣，對角元為(λ11/2…λL1/2)，L＝min(M，N)。對每根天線采用變傳輸速率變功率MQAM調(diào)制時，滿足預(yù)定誤比特率BER的最大調(diào)制星座階數(shù)為Mm＝1+KPmλm，其中調(diào)整因子為K＝-1.5/ln(5BER)＜1。另外，第m根發(fā)送天線的最大瞬時頻譜效率為Rm(λm)＝log2Mm＝log2(1+KPmλm)。
本發(fā)明提出了一種低復(fù)雜度的發(fā)送功率控制方法，其思想如下。首先，計算發(fā)送天線的頻譜效率，并把連續(xù)的傳輸速率量化為可能的傳輸速率量級。然后，利用量化傳輸速率，重新計算將BER抑制在容許范圍內(nèi)的天線發(fā)送功率。根據(jù)這樣的發(fā)送功率控制方法，預(yù)定上限的總發(fā)送功率有時可能會有一部分未用，而有時可能會超過預(yù)定上限而使用。通過將當(dāng)前發(fā)送功率使用情況通知給下一個預(yù)定間隔的時刻來解決總發(fā)送功率上限問題，即若一部分發(fā)送功率未用，則在下一個預(yù)定間隔的時刻(例如下一個時隙)使用該未用的總發(fā)送功率，若所使用的總發(fā)送功率超過了上限值，則在下一個時刻減去多余的發(fā)送功率，以此平均地保證總發(fā)送功率的約束。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的一個形態(tài)為用于MIMO系統(tǒng)的發(fā)送功率控制方法，此方法包括，根據(jù)誤比特率(BER)的容許范圍，對每根發(fā)送天線的連續(xù)的傳輸速率及發(fā)送功率進(jìn)行量化而得到量化傳輸速率及量化發(fā)送功率的步驟；根據(jù)所述每個天線的量化傳輸速率及量化發(fā)送功率，重新計算每根天線的發(fā)送功率，將當(dāng)前的發(fā)送功率使用情況傳達(dá)給下一個預(yù)定間隔的時刻的步驟；及在所述預(yù)定間隔的時刻中，根據(jù)所述使用情況及總發(fā)送功率，控制每根天線的傳輸速率及發(fā)送功率，以保證總發(fā)送功率，即所有的發(fā)送天線的發(fā)送功率的總和不發(fā)生損失，使系統(tǒng)在時變信道環(huán)境下獲得最大的信道容量的步驟。
本發(fā)明的另一形態(tài)為用于MIMO系統(tǒng)的發(fā)送功率控制方法，此方法包括，初始化步驟，使用預(yù)定上限設(shè)定總發(fā)送功率的初始值；功率分配步驟，使用所述總發(fā)送功率的預(yù)定上限，對發(fā)送天線均等地分配初始功率；頻譜效率計算步驟，使用所述初始功率計算所述發(fā)送天線的頻譜效率；量化步驟，根據(jù)在所述頻譜效率計算步驟中得到的頻譜效率，及對應(yīng)各調(diào)制方式方式的頻譜效率，將所述頻譜效率計算步驟得到的頻譜效率量化為最接近的調(diào)制方式中的頻譜效率而得到量化頻譜效率；功率重新計算步驟，利用所述量化頻譜效率重新計算與其對應(yīng)的所述發(fā)送天線的發(fā)送功率；自適應(yīng)調(diào)制步驟，利用量化頻譜效率及在所述功率重新計算步驟中得到的發(fā)送功率，對所述發(fā)送天線進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)制；發(fā)送功率殘差計算步驟，從所述總發(fā)送功率的預(yù)定上限減去已進(jìn)行了所述自適應(yīng)調(diào)制的發(fā)送天線的發(fā)送功率而得到總發(fā)送功率殘差；更新步驟，利用所述功率殘差更新在下一個預(yù)定間隔的時刻所使用的總發(fā)送功率的初始值；判斷步驟，判斷已進(jìn)行了所述自適應(yīng)調(diào)制的發(fā)送天線的個數(shù)，若已經(jīng)對所有的發(fā)送天線進(jìn)行了所述自適應(yīng)調(diào)制，則結(jié)束該發(fā)送功率控制，否則繼續(xù)對下一個發(fā)送天線進(jìn)行所述頻譜效率計算步驟。
本發(fā)明的另一形態(tài)為發(fā)送功率控制方法，即在上一形態(tài)中，所述調(diào)制方式采用多進(jìn)制相移鍵控或變傳輸速率變功率正交幅度調(diào)制。
本發(fā)明的另一形態(tài)為用于MIMO系統(tǒng)的發(fā)送功率控制裝置，此裝置包括，初始化單元，使用預(yù)定上限設(shè)定總發(fā)送功率的初始值；功率分配單元，使用所述總發(fā)送功率的預(yù)定上限，對發(fā)送天線均等地分配初始功率；頻譜效率計算單元，使用所述初始功率計算所述發(fā)送天線的頻譜效率；量化單元，根據(jù)在所述頻譜效率計算單元中得到的頻譜效率，及對應(yīng)各調(diào)制方式方式的頻譜效率，將所述頻譜效率計算單元得到的頻譜效率量化為最接近的調(diào)制方式中的頻譜效率而得到量化頻譜效率；功率重新計算單元，利用所述量化頻譜效率重新計算與其對應(yīng)的所述發(fā)送天線的發(fā)送功率；自適應(yīng)調(diào)制單元，利用量化頻譜效率及在所述功率重新計算單元中得到的發(fā)送功率，對所述發(fā)送天線進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)制；發(fā)送功率殘差計算單元，從所述的總發(fā)送功率的預(yù)定上限減去已進(jìn)行了所述自適應(yīng)調(diào)制的發(fā)送天線的發(fā)送功率而得到總發(fā)送功率殘差；更新單元，利用所述功率殘差更新在下一個預(yù)定間隔的時刻所使用的總發(fā)送功率的初始值；判斷單元，判斷已進(jìn)行了所述自適應(yīng)調(diào)制的發(fā)送天線的個數(shù)，若已經(jīng)對所有的發(fā)送天線進(jìn)行了所述自適應(yīng)調(diào)制，則結(jié)束該發(fā)送功率控制，否則使所述頻譜效率計算單元計算下一個發(fā)送天線的頻譜效率。
本發(fā)明的另一形態(tài)的結(jié)構(gòu)為，在上一形態(tài)中，所述調(diào)制方式采用多進(jìn)制相移鍵控或變傳輸速率變功率正交幅度調(diào)制。
本發(fā)明的另一形態(tài)為用于MIMO系統(tǒng)的無線發(fā)送裝置，其結(jié)構(gòu)為，具有上述形態(tài)的發(fā)送功率控制裝置，對各發(fā)送天線進(jìn)行發(fā)送功率及傳輸速率的控制。
本發(fā)明的另一形態(tài)為用于使用多個發(fā)送天線進(jìn)行MIMO方式通信的系統(tǒng)中的發(fā)送功率控制方法，此方法包括，將每根所述發(fā)送天線的連續(xù)的傳輸速率量化為離散值的步驟；根據(jù)所述離散值，決定第一時刻中所述每根發(fā)送天線的發(fā)送功率的步驟；計算所述第一時刻中多個所述發(fā)送天線的總發(fā)送功率和預(yù)定總發(fā)送功率值的殘差的步驟；根據(jù)所述殘差，計算所述第一時刻的預(yù)定間隔之后的第二時刻中的多個所述發(fā)送天線的總發(fā)送功率的步驟。
圖1為表示根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的MIMO系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的方框圖。
圖2為表示在根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的MIMO系統(tǒng)中，進(jìn)行通常的自適應(yīng)調(diào)制方法的步驟的流程圖。
圖3為表示根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的發(fā)送功率/傳輸速率控制單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方框圖。
圖4為表示根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的發(fā)送功率/傳輸速率控制單元中的發(fā)送功率控制方法的步驟的流程圖。
圖5為表示根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例所得到的頻譜效率的圖。
具體實(shí)施例方式 下面，將參照附圖，對本發(fā)明一實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的說明。在此，所描述的實(shí)施例以說明為目的，并不限定本發(fā)明的范圍。
圖1為表示根據(jù)本實(shí)施例的MIMO系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)的方框圖。當(dāng)考慮進(jìn)行空分復(fù)用的MIMO系統(tǒng)的下行鏈路(廣播信道)時，如圖1所示，無線發(fā)送裝置150(基站BS)具有M根天線，而無線接收裝置160(用戶)具有N根天線。
無線發(fā)送裝置150具有串/并(S/P)轉(zhuǎn)換單元101、發(fā)送功率/傳輸速率控制單元109，并具有結(jié)構(gòu)及功能相同的編碼單元102、交織器103、調(diào)制單元104、擴(kuò)頻單元105、導(dǎo)頻插入單元106、發(fā)送(TX)單元107、及發(fā)送天線108各M個。下面，例如統(tǒng)稱編碼單元102-1～102-M為編碼單元102。
S/P轉(zhuǎn)換單元101，對輸入的信息比特流進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換處理，并將數(shù)量與發(fā)送天線的數(shù)量M相同的天線支路比特流(下面，簡稱為子比特流)輸出到各編碼單元102-1～102-M。各編碼單元102-1～102-M，為了對抗噪聲，對從S/P轉(zhuǎn)換單元101輸入的各子比特流進(jìn)行透平(Turbo)編碼等信道編碼(糾錯編碼)，并輸出到各交織器103-1～103-M。各交織器103-1～103-M，對從各編碼單元102-1～102-M輸入的各子比特流進(jìn)行交織來降低各子比特流的相關(guān)性，并輸出到各調(diào)制單元104-1～104-M。各調(diào)制單元104-1～104-M對從各交織器103-1～103-M輸入的各子比特流進(jìn)行BPSK(Binary Phase Shift Keying)，QPSK(Quadrature PSK)，16QAM等調(diào)制處理，并將得到的各子碼元流輸出到各擴(kuò)頻單元105-1～105-M。各擴(kuò)頻單元105-1～105-M，利用偽隨機(jī)碼序列對從各調(diào)制單元104-1～104-M輸入的各子碼元流進(jìn)行擴(kuò)頻處理，并輸出到各導(dǎo)頻插入單元106-1～106-M。各導(dǎo)頻插入單元106-1～106-M，對從各擴(kuò)頻單元105-1～105-M輸入的各子碼元流插入用于同步及信道估計的導(dǎo)頻序列，并輸出到各發(fā)送單元107-1～107-M。各發(fā)送單元107-1～107-M，將從各導(dǎo)頻插入單元106-1～106-M輸入的基帶的各子碼元流上變頻為具有發(fā)送載波頻率的信號，并通過各發(fā)送天線108-1～108-M發(fā)送出去。發(fā)送功率/傳輸速率控制單元109，根據(jù)從后述的無線接收裝置160的信道/SNR估計單元110反饋來的對各信道的增益，及發(fā)送天線及接收天線的SNR的估計值，對各編碼單元102-1～102-M，各交織器103-1～103-M，各調(diào)制單元104-1～104-M，及各發(fā)送單元107-1～107-M進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)制編碼控制及發(fā)送功率的控制。關(guān)于發(fā)送功率/傳輸速率控制單元109中的發(fā)送功率及傳輸速率控制處理的詳細(xì)將在后面描述。
無線接收裝置160，具有信道/SNR估計單元110、同步單元113、接收信號處理單元115，并具有結(jié)構(gòu)及功能相同的接收天線111、接收(RX)單元112、及解擴(kuò)單元114各N個。下面，例如統(tǒng)稱RX單元112-1～112-N為RX單元112。
各RX單元112-1～112-N，將各接收天線111-1～111-N接收的具有發(fā)送載波頻率的信號下變頻為基帶的各子碼元流，并輸出到同步單元113。同步單元113，對從各RX單元112-1～112-N輸入的各子碼元流進(jìn)行幀同步及跟蹤，并輸出到各解擴(kuò)單元114-1～114-N。信道/SNR估計單元110，利用從接收信號處理單元115輸入的導(dǎo)頻序列估計各信道的增益系數(shù)，發(fā)送天線及接收天線的SNR，并通過無線發(fā)送裝置150的反饋發(fā)送單元(未圖示)，利用反饋信道將估計結(jié)果反饋給發(fā)送功率/傳輸速率控制單元109，使之選擇自適應(yīng)調(diào)制模式。各解擴(kuò)單元114-1～114-N，對從同步單元113輸入的各子碼元流進(jìn)行解擴(kuò)處理后，輸出到接收信號處理單元115。接收信號處理單元115，對從各解擴(kuò)單元114-1～114-N輸入的子碼元流進(jìn)行解調(diào)處理，解交織處理及解碼處理而恢復(fù)信息比特流并將之輸出。
這里，在如上所述的具有M根發(fā)送天線及N根接收天線的MIMO系統(tǒng)100中，可按下面的公式(2)求出接收信號向量。
y＝Hx+n …(2) 在此公式中，xM×1是發(fā)送信號向量，yN×1是接收信號向量，矩陣HN×M的各元素為獨(dú)立復(fù)高斯隨機(jī)變量，噪聲向量n的方差為δ2。另外，考慮到計算的方便性，設(shè)δ2和H各元素已被歸一化為1。設(shè)每根天線的發(fā)送功率為Pm，總發(fā)送功率為PT，Pm和PT滿足下面的公式(3)所示的關(guān)系。
上述xH為對矩陣H進(jìn)行Hermitian轉(zhuǎn)置而得到的矩陣。
對信道矩陣進(jìn)行特征值分解(SVD)，則得到H＝UΛVH，酉矩陣UN×N，VM×M分別為發(fā)送前濾波矩陣及接收后濾波矩陣，ΛN×M是非負(fù)對角陣，其對角元為(λ11/2…λL1/2)，L＝min(M，N)。對發(fā)送信號進(jìn)行發(fā)送前濾波，對接收信號進(jìn)行接收后濾波，即從下面的公式(4)得到公式(5)，信道矩陣H分解為構(gòu)成下面的公式(6)中的ΛN×M的L個的特征子信道(λ11/2…λL1/2)。
這樣，對信道矩陣H進(jìn)行特征值分解后，接著根據(jù)WF算法進(jìn)行功率分配，則能夠得到最大的信道容量，但由于WF算法運(yùn)算量龐大，難于實(shí)現(xiàn)，所以有必要提出低復(fù)雜度的實(shí)現(xiàn)方法。
對于信道的單次實(shí)施(例如，一個子幀單位或一個時隙單位等預(yù)定間隔的時間單位)，可按下面的公式(7)求出瞬時信道容量。
在此公式中，Pm＝(μ-λm-1)+、而μ滿足下面的公式(8)。
在此公式中，(x)+的定義為max{x，0}，而λ的定義如下面的公式(9)所示。
瑞利衰落條件下的平均信道容量可利用上面的公式(7)求解平均值而得，如下面的公式(10)所示。
在此公式中，p(λ1)是λ1的pdf，構(gòu)成(λ11/2…λL1/2)的L個的特征值λ1，λ2，…，λL的pdf相等。即，公式(10)獨(dú)立于λ2，…，λL。
在時變(快衰fast fading)信道下，為得到香農(nóng)(Shannon)容量，有將變傳輸速率變功率MQAM調(diào)制應(yīng)用于單天線系統(tǒng)中的技術(shù)(例如，參見非專利文獻(xiàn)6)。即，根據(jù)傳輸信道的不同特點(diǎn)，自適應(yīng)地改變MQAM調(diào)制信號的電平數(shù)，以保證傳輸質(zhì)量并獲得高頻譜效率。下面，將此技術(shù)推廣到MIMO系統(tǒng)中。
對每根發(fā)送天線，在進(jìn)行MQAM調(diào)制時的誤比特率(BER)的上限如下面的公式(11)所示。
BER≤0.2exp[-1.5Pmλm/(Mm-1)]… (11) 在此公式中，其中Mm為第m根天線采用的調(diào)制星座階數(shù)，Pmλm表示接收從該發(fā)送天線發(fā)送的信號時的接收質(zhì)量(SNR)。相反，若BER為已知，則可從上面的公式(11)求出如下面的公式(12)所示的調(diào)制星座階數(shù)。
Mm＝1+KPmλm …(12) 在此公式中，調(diào)整因子K為K＝-1.5/ln(5BER)＜1。
由公式(7)及公式(12)，可求出第m根發(fā)送天線的最大瞬時頻譜效率(信道容量)，如下面的公式(13)所示。
Rm(λm)＝log2Mm＝log2(1+KPmλm) ＝[log2(Kμλm)]+(bps/Hz)… (13) 此公式中的Pm可按下面的公式(14)求出。
Pm＝[μ-(Kλm)-1]+ …(14) 在此公式中，μ滿足下面的公式(15)。
且，平均頻譜效率可按下面的公式(16)求出。
為了得到上面的公式(16)所示的頻譜效率，傳輸速率(調(diào)制階數(shù))需連續(xù)變化，而這難于實(shí)現(xiàn)。因此，在本發(fā)明中，將每根發(fā)送天線的傳輸速率量化為離散的傳輸速率量級。這可利用MPSK(多進(jìn)制相移鍵控)、MQAM(變傳輸速率正交幅度調(diào)制)等調(diào)制來實(shí)現(xiàn)。其中，調(diào)制星座階數(shù)如下面的公式(17)所示。
所有的發(fā)送天線可利用{0，1，2，4，…，2(J-1)}等J+1種傳輸速率發(fā)送信號。
圖2為表示在MIMO系統(tǒng)100中進(jìn)行通常的自適應(yīng)調(diào)制的步驟的流程圖。如圖所示，首先，無線接收裝置160利用接收到的導(dǎo)頻序列估計每根發(fā)送天線所對應(yīng)的接收質(zhì)量(SNR)，并反饋給無線發(fā)送裝置150(S201)。接著，無線發(fā)送裝置150根據(jù)SNR來選擇不同階數(shù)的調(diào)制方式(S202)。這里，S201的[S]表示步驟，以下同此。
在該方法中，僅根據(jù)SNR來選擇不同的調(diào)制方式進(jìn)行變傳輸速率調(diào)制，未考慮到功率損失對系統(tǒng)容量的影響。若只是利用該方法，則系統(tǒng)容量會降低，為了避免系統(tǒng)容量的降低，本發(fā)明在上述的通常的方法之上，追加了對量化引起的功率損失的補(bǔ)償處理。
即，在本發(fā)明中，以上述的通常的方法為基礎(chǔ)，追加了低復(fù)雜度的發(fā)送功率控制方法(LPRC)。
圖3為表示發(fā)送功率/傳輸速率控制單元109的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方框圖。
實(shí)現(xiàn)LPRC方法的發(fā)送功率/傳輸速率控制單元109，具有發(fā)送功率分配單元301、頻譜效率計算單元302、量化單元303、發(fā)送功率重新計算單元304、自適應(yīng)調(diào)制單元305、總發(fā)送功率殘差計算單元306、更新單元307、及判斷單元308。
發(fā)送功率分配單元301，利用總發(fā)送功率，使用均勻的初始值對發(fā)送天線108-1～108-M進(jìn)行發(fā)送功率的臨時設(shè)定。頻譜效率計算單元302，利用從發(fā)送功率分配單元301輸入的發(fā)送功率的初始值及從信道/SNR估計單元110發(fā)送來的信道/SNR估計值，計算出發(fā)送天線108的頻譜效率，并輸出到量化單元303。量化單元303，具有數(shù)據(jù)表格，該數(shù)據(jù)表格由對應(yīng)于各階數(shù)的調(diào)制方式的離散頻譜效率組成，從上述數(shù)據(jù)表格中選擇最接近于從頻譜效率計算單元302輸入的發(fā)送天線108頻譜效率的離散值，由此進(jìn)行頻譜效率的量化。量化單元303，將發(fā)送天線108的量化頻譜效率輸出到發(fā)送功率重新計算單元304及自適應(yīng)調(diào)制單元305。發(fā)送功率重新計算單元304，利用從量化單元303輸入的量化頻譜效率計算出發(fā)送天線108的發(fā)送功率，將計算結(jié)果輸出到自適應(yīng)調(diào)制單元305及總發(fā)送功率殘差計算單元306。自適應(yīng)調(diào)制單元305，利用從量化單元303輸入的頻譜效率及從發(fā)送功率重新計算單元304輸入的發(fā)送功率，對編碼單元102、交織器103、調(diào)制單元104及發(fā)送單元107進(jìn)行控制，使之進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)制并同時進(jìn)行發(fā)送功率控制。
總發(fā)送功率殘差計算單元306，從總發(fā)送功率的預(yù)定上限減去發(fā)送天線108-1～108-M的發(fā)送功率的總和，得到總發(fā)送功率殘差。更新單元307，利用從總發(fā)送功率殘差計算單元306輸入的總發(fā)送功率殘差更新設(shè)定總發(fā)送功率的初始上限值。判斷單元308，對已進(jìn)行了自適應(yīng)調(diào)制的天線的數(shù)量進(jìn)行判斷，若對所有的天線均已進(jìn)行了功率、傳輸速率控制，則結(jié)束控制過程，否則，使之對未進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)制的下一根發(fā)送天線進(jìn)行發(fā)送功率、傳輸速率控制。
本發(fā)明的技術(shù)思想在于，首先，利用公式(13)(14)計算發(fā)送天線的頻譜效率，并把連續(xù)的傳輸速率量化為離散的傳輸速率量級，接著，為將BER抑制在容許范圍內(nèi)，利用量化傳輸速率，重新計算滿足公式(13)的發(fā)送天線發(fā)送功率。根據(jù)上述傳輸速率量化、發(fā)送功率控制，預(yù)定上限的總發(fā)送功率，有時僅使用了一部分，而有時則使用過多。通過把當(dāng)前的發(fā)送功率使用情況傳達(dá)到下一個時刻來避免發(fā)送功率的損失，同時解決發(fā)送功率的上限問題。即，若一部分發(fā)送功率未用，在下一個預(yù)定間隔的時刻(例如，下一個時隙)使用該未用的發(fā)送功率，若利用的發(fā)送功率超過預(yù)定上限的發(fā)送功率，則在下一個時刻通過減去多余的發(fā)送功率，來平均地保證發(fā)送功率的預(yù)定上限。換言之，根據(jù)上述的傳輸速率量化及發(fā)送功率控制方法，實(shí)際消耗的總發(fā)送功率時而小于時而大于總發(fā)送功率的預(yù)定上限值。在本實(shí)施例中，通過將當(dāng)前的發(fā)送功率消耗情況通知給下一個時刻，來避免發(fā)送功率損失。即，當(dāng)實(shí)際使用的總發(fā)送功率小于總發(fā)送功率的預(yù)定值時，則在下一時刻將總發(fā)送功率增加該變小的量，而當(dāng)實(shí)際使用的總發(fā)送功率大于總發(fā)送功率的預(yù)定值時，則在下一時刻將總發(fā)送功率減小該變大的量，這樣在一定的時間段求取平均時，總發(fā)送功率被維持在預(yù)定上限值。
圖4為表示發(fā)送功率/傳輸速率控制單元109中的發(fā)送功率及傳輸速率控制的步驟的流程圖。
1)首先，發(fā)送功率/傳輸速率控制單元109，使用初始上限值進(jìn)行總發(fā)送功率的臨時設(shè)定(S001)，使i＝0，m＝M，發(fā)送功率Ptot(i)＝PT。這里，i為表示發(fā)送功率及傳輸速率控制的開始時刻的計數(shù)器，該計數(shù)器從0到無限大逐步增一地對時間的流逝進(jìn)行計數(shù)，m為，從發(fā)送天線個數(shù)M到1逐步減一地對發(fā)送天線進(jìn)行計數(shù)的計數(shù)器。Ptot(i)＝PT意味著，將預(yù)定的總發(fā)送功率PT臨時設(shè)定為i＝0時的總發(fā)送功率Ptot(i)的初始值。
2)接著，發(fā)送功率分配單元301，利用總發(fā)送功率Ptot(i)對第m根發(fā)送天線均勻地初始分配發(fā)送功率，使Pm＝Ptot(i)/M(S002)。這里，Pm(i)為，被臨時設(shè)定的第m根發(fā)送天線的發(fā)送功率的初始值。
3)接著，頻譜效率計算單元302按公式(13)(14)計算第m根發(fā)送天線的頻譜效率Rm(i)(S003)。
4)接著，量化單元303進(jìn)行第m根發(fā)送天線的頻譜效率Rm(i)(傳輸速率)的量化，得到量化傳輸速率Rm(i)(S004)。
5)接著，發(fā)送功率重新計算單元304，按公式(13)利用量化傳輸速率Rm(i)對第m根發(fā)送天線重新計算Pm(i)，計算出實(shí)際用于第m根發(fā)送天線的發(fā)送的發(fā)送功率Pm(i)(S005)。
6)接著，自適應(yīng)調(diào)制單元305，利用量化傳輸速率Rm(i)及重新計算出的Pm(i)，對與第m根發(fā)送天線對應(yīng)的編碼單元102-m、交織器103-m、調(diào)制單元104-m、及發(fā)送單元107-m進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)制編碼控制，使之進(jìn)行自適應(yīng)MQAM調(diào)制(S006)。
7)接著，總發(fā)送功率殘差計算單元306按下面的公式(18)計算總發(fā)送功率殘差Premain(i)(S007)。
8)接著，更新單元307臨時設(shè)定下一時刻i+1的總發(fā)送功率Ptot(i+1)的初始值，使Ptot(i+1)＝PT+Premain(i)。另外，更新單元307，將i增一使i＝i+1(S008)。
9)接著，判斷單元308，判斷m的值，若m＝1，則結(jié)束發(fā)送功率及傳輸速率控制處理，若m＝1不成立，則將m減一得到m＝m-1，并返回S002(S009)。
所述步驟并非確定性的，普通技術(shù)人員可以通過其他類似的步驟來實(shí)現(xiàn)，也可以添加、省略、顛倒或置換其中的某些步驟。
圖5為表示根據(jù)本實(shí)施例所得到的頻譜效率的圖。
圖5示出了通過模擬實(shí)驗(yàn)得到的LPRC方法的性能。仿真參數(shù)如下發(fā)送、接收天線的個數(shù)M＝4，N＝4；目標(biāo)BER＝10-3；調(diào)整因子K＝0.28；傳輸速率由{0，1，2，4，6}等5種量級構(gòu)成，分別對應(yīng)未傳輸、BPSK、4QAM、16QAM、64QAM。并且，仿真是對500次的實(shí)施進(jìn)行的。
圖5示出了LPRC方法的頻譜效率與連續(xù)傳輸速率(CPR)方法的頻譜效率的比較，其中CPR的頻譜效率由公式(16)求得。如圖5所示，LPRC與CPR的性能相近，發(fā)送功率與傳輸速率無需連續(xù)地自適應(yīng)地變化，也能夠獲得與連續(xù)變化時幾乎同樣的頻譜效率。
普通的技術(shù)人員應(yīng)該理解，只要不脫離本發(fā)明的精神和范圍，對上述的實(shí)施例可以進(jìn)行各種其他的改變、替換和添加。
如此，根據(jù)本實(shí)施例，無需利用運(yùn)算量龐大的WF算法即可得到MIMO系統(tǒng)的最大總信道容量，因此，能夠在抑制所需運(yùn)算量的同時，對發(fā)送功率及傳輸速率進(jìn)行控制，能夠避免因進(jìn)行變傳輸速率變功率MQAM而引起的功率損失。
另外，雖然在本實(shí)施例中，以在無線發(fā)送裝置150中設(shè)置發(fā)送功率/傳輸速率控制單元109的情形為例進(jìn)行了說明，但并不限于此，也可以在無線接收裝置160中設(shè)置發(fā)送功率/傳輸速率控制單元109，由發(fā)送功率/傳輸速率控制單元109來決定發(fā)送功率及傳輸速率，并通知無線發(fā)送裝置150。此時，無線發(fā)送裝置150根據(jù)由無線接收裝置160的發(fā)送功率/傳輸速率控制單元109通知的發(fā)送功率及傳輸速率進(jìn)行自適應(yīng)MQAM調(diào)制。
又，雖然在本實(shí)施例中，以如圖4的處理步驟S008所示利用第i時刻的總發(fā)送功率殘差調(diào)整后一個第i+1時刻的總發(fā)送功率的初始值的情形為例進(jìn)行了說明，但并不限于此，也可以利用第i時刻之前幾個時刻的總發(fā)送功率殘差，例如可以利用從PRremain(i-3)至PRremain(i)的四個值來調(diào)整第i+1時刻的總發(fā)送功率的初始值。
又，此處，雖然以用硬件實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的情形為例進(jìn)行了說明，但本發(fā)明也可用軟件實(shí)現(xiàn)。例如，可以用編程語言記述根據(jù)本發(fā)明的發(fā)送功率控制方法的算法，將此程序存儲于內(nèi)存中，通過用信息處理單元執(zhí)行，可以實(shí)現(xiàn)與本發(fā)明的無線發(fā)送裝置相同的功能。
本說明書基于2005年1月11日申請的中國專利申請第200510003786.3號。該全部內(nèi)容包含于此作參考。
工業(yè)實(shí)用性 根據(jù)本發(fā)明的發(fā)送功率控制方法及無線發(fā)送裝置適用于在時變信道環(huán)境下進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)制的多天線無線通信系統(tǒng)等用途。
權(quán)利要求
1、一種用于MIMO系統(tǒng)的發(fā)送功率控制方法，包括；
根據(jù)誤比特率(BER)的容許范圍，對每根發(fā)送天線的連續(xù)的傳輸速率及發(fā)送功率進(jìn)行量化而得到量化傳輸速率及量化發(fā)送功率的步驟；
根據(jù)所述每個天線的量化傳輸速率及量化發(fā)送功率，重新計算每根天線的發(fā)送功率，將當(dāng)前的發(fā)送功率使用情況傳達(dá)給下一個預(yù)定間隔的時刻的步驟；及
在下一個所述預(yù)定間隔的時刻中，根據(jù)所述使用情況及總發(fā)送功率，控制每根天線的傳輸速率及發(fā)送功率，以保證總發(fā)送功率，即所有的發(fā)送天線的發(fā)送功率的總和不發(fā)生損失，使系統(tǒng)在時變信道環(huán)境下獲得最大的信道容量的步驟。
2、一種用于MIMO系統(tǒng)的發(fā)送功率控制方法，包括；
初始化步驟，使用預(yù)定上限設(shè)定總發(fā)送功率的初始值；
功率分配步驟，使用所述總發(fā)送功率的預(yù)定上限，對發(fā)送天線均等地分配初始功率；
頻譜效率計算步驟，使用所述初始功率計算所述發(fā)送天線的頻譜效率；
量化步驟，根據(jù)在所述頻譜效率計算步驟中得到的頻譜效率，及對應(yīng)各調(diào)制方式的頻譜效率，將所述頻譜效率計算步驟得到的頻譜效率量化為最接近的調(diào)制方式中的頻譜效率而得到量化頻譜效率；
功率重新計算步驟，利用所述量化頻譜效率重新計算與其對應(yīng)的所述發(fā)送天線的發(fā)送功率；
自適應(yīng)調(diào)制步驟，利用量化頻譜效率及在所述功率重新計算步驟中得到的發(fā)送功率，對所述發(fā)送天線進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)制；
發(fā)送功率殘差計算步驟，從所述總發(fā)送功率的預(yù)定上限減去已進(jìn)行了所述自適應(yīng)調(diào)制的發(fā)送天線的發(fā)送功率而得到總發(fā)送功率殘差；
更新步驟，利用所述功率殘差更新在下一個預(yù)定間隔的時刻所使用的總發(fā)送功率的初始值；及
判斷步驟，判斷已進(jìn)行了所述自適應(yīng)調(diào)制的發(fā)送天線的個數(shù)，若已經(jīng)對所有的發(fā)送天線進(jìn)行了所述自適應(yīng)調(diào)制，則結(jié)束該發(fā)送功率控制，否則繼續(xù)對下一個發(fā)送天線進(jìn)行所述頻譜效率計算步驟。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)送功率控制方法，其中，
所述調(diào)制方式采用多進(jìn)制相移鍵控或變傳輸速率變功率正交幅度調(diào)制。
4、一種用于MIMO系統(tǒng)的發(fā)送功率控制裝置，包括；
初始化單元，使用預(yù)定上限設(shè)定總發(fā)送功率的初始值；
功率分配單元，使用所述總發(fā)送功率的預(yù)定上限，對發(fā)送天線均等地分配初始功率；
頻譜效率計算單元，使用所述初始功率計算所述發(fā)送天線的頻譜效率；
量化單元，根據(jù)在所述頻譜效率計算單元中得到的頻譜效率，及對應(yīng)各調(diào)制方式方式的頻譜效率，將所述頻譜效率計算單元得到的頻譜效率量化為最接近的調(diào)制方式中的頻譜效率而得到量化頻譜效率；
功率重新計算單元，利用所述量化頻譜效率重新計算與其對應(yīng)的所述發(fā)送天線的發(fā)送功率；
自適應(yīng)調(diào)制單元，利用量化頻譜效率及在所述功率重新計算單元中得到的發(fā)送功率，對所述發(fā)送天線進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)制；
發(fā)送功率殘差計算單元，從所述總發(fā)送功率的預(yù)定上限減去已進(jìn)行了所述自適應(yīng)調(diào)制的發(fā)送天線的發(fā)送功率而得到總發(fā)送功率殘差；
更新單元，利用所述功率殘差更新在下一個預(yù)定間隔的時刻所使用的總發(fā)送功率的初始值；及
判斷單元，判斷已進(jìn)行了所述自適應(yīng)調(diào)制的發(fā)送天線的個數(shù)，若已經(jīng)對所有的發(fā)送天線進(jìn)行了所述自適應(yīng)調(diào)制，則結(jié)束該發(fā)送功率控制，否則使所述頻譜效率計算單元計算下一個發(fā)送天線的頻譜效率。
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)送功率控制裝置，所述調(diào)制方式采用多進(jìn)制相移鍵控或變傳輸速率變功率正交幅度調(diào)制。
6、一種用于MIMO系統(tǒng)的無線發(fā)送裝置，具有權(quán)利要求4所述的發(fā)送功率控制裝置，對各發(fā)送天線進(jìn)行發(fā)送功率及傳輸速率的控制。
7、一種用于使用多個發(fā)送天線進(jìn)行MIMO方式通信的系統(tǒng)中的發(fā)送功率控制方法，包括；
將每根所述發(fā)送天線的連續(xù)的傳輸速率量化為離散值的步驟；
根據(jù)所述離散值，決定第一時刻中所述每根發(fā)送天線的發(fā)送功率的步驟；
計算所述第一時刻中多個所述發(fā)送天線的總發(fā)送功率和預(yù)定總發(fā)送功率值的殘差的步驟；及
根據(jù)所述殘差，計算所述第一時刻的預(yù)定間隔之后的第二時刻中的多個所述發(fā)送天線的總發(fā)送功率的步驟。
全文摘要
公開了一種進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)制的多天線系統(tǒng)的發(fā)送功率控制方法及無線發(fā)送裝置。在此方法中，首先，計算將誤比特率抑制在預(yù)定范圍內(nèi)的發(fā)送天線的頻譜效率，并把連續(xù)的傳輸速率量化為離散的傳輸速率，接著，利用量化的傳輸速率，重新計算發(fā)送天線的發(fā)送功率。為了維持總發(fā)送功率的上限值，將當(dāng)前的發(fā)送功率使用情況通知給下一個預(yù)定間隔的時刻，若發(fā)送功率的一部分未用，則在下一個時隙使用，若使用發(fā)送功率超過了平均功率，則在下一個時刻減去多余的發(fā)送功率，以保證平均的發(fā)送功率。與連續(xù)的發(fā)送功率控制方法相比，該發(fā)送功率控制方法在降低實(shí)現(xiàn)所需的復(fù)雜度的同時，能夠獲得幾乎同樣的信道容量。
文檔編號H04J99/00GK101103574SQ200680002058
公開日2008年1月9日 申請日期2006年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月11日
發(fā)明者黎海濤, 李繼峰 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社