CN100502255C - 用于多入多出通信系统的发射方法、装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于自适应闭环多入多出通信系统的发射方法，步骤如下：发射机接收到接收机反馈的全部或部分信道信息，其中包含每个子信号流的信噪比；根据接收机反馈的信道信息，获得预编码矩阵；根据每个子信号流的信噪比非平均的分配每个子信号流的功率增益；根据每个子信号流的功率增益，为每个子信号流自适应的选择调制编码方式，进行调制编码；对每个调制编码后的子信号流数据进行预编码；最后进行空时编码。本发明还公开了实现该方法的发射机和包含该发射机的发射系统。本发明不仅可以改善接收机的解码性能，还极大提高MIMO通信系统的容量。

Description

用于多入多出通信系统的发射方法、装置和系统

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及一种应用于自适应闭环MIMO(Multiple Input Multiple Output，多入多出)通信系统的发射方法、发射机和包含该发射机的发射系统。

背景技术

无线通信领域中MIMO技术的一个突出特点就是大大提高了系统容量。基于信息论可以推导出，如果各发射天线的发射功率都相同(即假设发射端对信道矩阵没有先验知识)，MIMO通信系统的容量随min(M，N)线性增长，其中M、N分别为发射和接收天线数。同时，一些学者提出，如果发射端完全已知或部分已知信道矩阵，且充分利用已知的信道矩阵信息来调整MIMO通信系统各发射天线的功率，则能进一步提高MIMO通信系统的容量。因此，为了使MIMO通信系统的容量尽可能大，很多专利提出了闭环预编码的MIMO系统，即MIMO通信系统的接收机将估计的全部或部分信道信息反馈给发射机，发射机利用接收到的信道信息对发射信号进行预编码。但这种预编码方法的缺陷是：虽然可以改善接收机的解码性能，却由于没有进行功率的调整，因此MIMO通信系统的容量并没有增加。在专利EP1386438《Link Adaptation for Wireless MIMO TransmissionSchemes》中提出了分层MIMO的功率分配机制，其基本思想是分配每层的功率，使得每层的数据速率相同。这种机制虽然使所有层的容量是相同的，但是系统的信道容量并没有增加。

发明内容

本发明提供一种自适应的闭环MIMO通信系统的发射方法，解决了平均分配功率时MIMO通信系统的容量无法增加的问题。

本发明目的之一在于提供一种用于自适应闭环多入多出通信系统的发射方法，包括如下步骤：

第一步：发射机接收到接收机反馈的全部或部分信道信息，其中包含每个子信号流的信噪比；

第二步：根据接收机反馈信息中的全部或部分信道信息，获得预编码矩阵；根据每个子信号流的信噪比非平均地分配每个子信号流的功率增益；

第三步：根据第二步得到的每个子信号流的功率增益，为每个子信号流自适应地选择调制编码方式，进行调制编码；

第四步：根据第二步得到的预编码矩阵对每个调制编码后的子信号流数据进行预编码；

第五步：预编码后的数据送到空时编码单元进行空时编码。

上述第一步中的信道信息还包含空间信道矩阵。

上述分配各子信号流的功率增益具体包括：

(1)多入多出通信系统的信道容量写为：

$C=\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}W{\log }_2(1+P_i{\mathrm{\ρ}}_i)$       (公式1)

其中，W表示信道带宽，S表示子信号流的个数，P_i是第i个子信号流功率，ρ_i是第i个子信号流的信噪比；

(2)当子信号流的个数固定的时候，所有子信号流的总功率是固定的，

$\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i=P$                (公式2)

其中，P为所有子信号流的总功率；

(3)再使用拉格朗日因子：

$M=\underset{P_i,\mathrm{\λ}}{\max }\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}W{\log }_2(1+P_i{\mathrm{\ρ}}_i)+\mathrm{\λ}(P-\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i)$         (公式3)

得到不同子信号流的功率增益：

$P_n=\frac{P+\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_i}}{S}-\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_n},n=\mathrm{1,2},\·\·\·,S$             (公式4)。

本发明的另一个目的在于提出一种用于自适应闭环MIMO通信系统的发射机，包括：

至少由两根发射天线组成的天线组、信道编码单元、调制单元、预编码单元、空时编码单元，其特征在于，还包括预编码控制单元，上述预编码控制单元根据自身得出的每个子信号流的预编码矩阵对每个子信号流的功率增益实现不平均的分配。

上述预编码控制单元根据上述接收机反馈的包含全部或部分信道信息和各子信号流信噪比的反馈信息得出每个子信号流的功率增益和预编码矩阵，并根据每个子信号流的功率增益自适应的选择每个子信号流的调制编码方式；上述的信道编码单元根据上述的预编码控制单元选择的编码方式对每个子信号流进行编码；上述的调制单元根据上述的预编码控制单元选择的调制方式对经过上述的信道编码单元编码后的每个子信号流进行调制；上述的预编码单元将经过上述的调制单元调制后的每个子信号流与上述的预编码控制单元产生的预编码矩阵相乘；上述的空时编码单元对经过预编码单元处理后的各子信号流进行空时编码；上述的发射机天线组将输出信号发送给接收机。

本发明的又一个目的在于提出一种用于自适应闭环MIMO通信系统的发射系统，至少包括一个发射机和一个接收机。

上述的发射机进一步包括至少由两根发射天线组成的天线组、信道编码单元、调制单元、预编码单元、空时编码单元、预编码控制单元；上述的接收机进一步包括接收天线/天线组、空时解码单元、子信号流数据处理单元、子信号流信道估计单元、反馈信息产生单元；

在上述发射机中，上述预编码控制单元根据上述接收机反馈的包含全部或部分信道信息和各子信号流信噪比的反馈信息得出每个子信号流的功率增益和预编码矩阵，并根据每个子信号流的功率增益自适应的选择每个子信号流的调制编码方式；上述的信道编码单元根据上述的预编码控制单元选择的编码方式对每个子信号流进行编码；上述的调制单元根据上述的预编码控制单元选择的调制方式对经过上述的信道编码单元编码后的每个子信号流进行调制；上述的预编码单元将经过上述的调制单元调制后的每个子信号流与上述的预编码控制单元产生的预编码矩阵相乘；上述的空时编码单元对经过预编码单元处理后的各子信号流进行空时编码；上述的发射机天线组将输出信号发送给接收机；

在上述的接收机中，上述的接收机的天线/天线组接收上述的发射机发射的信号；上述的空时解码单元对上述的接收机的天线/天线组接收的信号进行空时解码；上述的子信号流数据处理单元对上述的空时解码单元输出的信号进行解调、解码等基带信号处理，得到发射信号流的估计；上述的子信号流信道估计单元估计信道状态，得到信道估计矩阵和每个子信号流的信噪比；上述的反馈信息产生单元根据所述的子信号流信道估计单元的输出产生反馈信息，发送给所述的发射机的预编码控制单元。

本发明提供的方法、装置和系统，不仅可以改善接收机的解码性能，而且通过根据MIMO通信系统每个子信号流的信噪比自适应的分配子信号流功率，使得分配原则简单，而且提高MIMO通信系统的容量。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的具体实现方式。

图1所示为本发明自适应闭环MIMO通信系统的实现方案。首先发射机100接收到接收机200发送的反馈信息，其中包含全部或部分信道信息和每个子信号流的信噪比，若包括空间信道矩阵更好。这里，若仅有部分信道信息，只要可以通过这些信道信息推导出信噪比即可。预编码控制单元105根据接收到的全部或部分信道信息和每个子信号流的信噪比，计算每个子信号流的功率增益和预编码矩阵，预编码矩阵可以通过多种方式获得，在802.16等协议中就提供了多种方式，这里举例：可以由信道矩阵各特征值对应的单位正交特征向量构成，或者由接收机反馈有限个预先计算好的典型的预编码矩阵，接收机反馈时只需要反馈序号即可。

各子信号流的功率增益可以通过如下推导得到。

MIMO通信系统的信道容量公式可以写为：

$C=\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}W{\log }_2(1+P_i{\mathrm{\ρ}}_i)$            (公式1)

其中，W表示信道带宽，S表示子信号流的个数，P_i是第i个子信号流功率，ρ_i是第i个子信号流的信噪比。

并且，当子信号流的个数固定的时候，所有子信号流的总功率是固定的，即满足下面的公式：

$\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i=P$                     (公式2)

这里，P为所有子信号流的总功率。

因此，为了在公式(2)的约束条件下，使得公式(1)最大，可以使用拉格朗日因子来解决这个问题，即

$M=\underset{P_i,\mathrm{\λ}}{\max }\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}W{\log }_2(1+P_i{\mathrm{\ρ}}_i)+\mathrm{\λ}(P-\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i)$      (公式3)

对上述公式(3)求解可以得到：

$P_n=\frac{P+\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_i}}{S}-\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_n},n=\mathrm{1,2},\·\·\·,S$         (公式4)

因此，对于不同信噪比的子信号流可以根据公式(4)确定其功率增益，从而提高MIMO通信系统的信道容量。

另外，根据子信号流的功率增益可以为子信号流自适应的选择不同的编码调制方式，使得本发明相对其他方法更加灵活。

设发射机100接收的反馈信息中的子信号流的信道矩阵为H。定义 $E=\mathrm{diag}(\sqrt{P_1},\sqrt{P_2},\·\·\·\sqrt{P_S}),$ 其中，P_i是第i个子信号流的功率增益。则预编码矩阵和各子信号功率增益可以一起写为：

W＝VE            (公式5)

其中，V可以是矩阵H^HH的特征向量组成的矩阵。

信道编码单元101A，101B，...，101S根据预编码控制单元105确定的每个子信号流的编码方式进行编码。经过编码的子信号流分别输入到调制单元102A，102B，...，102S，调制单元102A，102B，...，102S根据预编码控制单元105确定的每个子信号流的调制方式进行调制。经过调制后的子信号流分别输入到预编码单元103，预编码单元103使用公式(5)得到的预编码矩阵W对每个子信号流进行预编码。经过预编码的子信号流分别输入到空时编码单元104进行空时编码，得到空时编码信号。最后，发射天线组106A，106B，...，106M将空时编码信号通过空间信道300发射给接收机200，这里，M是发射机100的发射天线数。

接收机200的天线组201A，201B，...，201N接收空时编码信号，这里，N是接收机200的接收天线数。接收到空时编码信号分别输入到空时解码单元202进行空时解码。经过空时解码的信号可以进一步输入到子信号流数据处理单元203进行子信号流解调和解码等基带处理，得到子信号流的估计。经过空时解码的信号也输入到子信号流信道估计单元204，对信道矩阵和每个子信号流的信噪比进行估计。子信号流信道估计单元204将信道矩阵的估计值和每个子信号流的信噪比的估计值输入到反馈信息产生单元205。反馈信息产生单元205对估计的信道矩阵和每个子信号流的信噪比进行处理，产生反馈信息。接收机200将反馈信息产生单元205产生的反馈信息通过反馈信道发送给接收机100。

其中，发射天线组数M、接收天线组N和信道编码单元或调制单元的个数S没有关系，M，N，S可以任意设置。

上面是对本发明的实施例的描述，并非用于限制本发明的保护范围，对本发明的实施例的各种修正和变化都落在本发明的构思和所附权利要求限定范围内。

Claims (10)

1、一种用于自适应闭环多入多出通信系统的发射方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步：发射机接收到接收机反馈的全部或部分信道信息，其中包含每个子信号流的信噪比；

第二步：根据接收机反馈信息中的全部或部分信道信息，获得预编码矩阵；根据每个子信号流的信噪比非平均地分配每个子信号流的功率增益；

第三步：根据第二步得到的每个子信号流的功率增益，为每个子信号流自适应地选择调制编码方式，进行调制编码；

第四步：根据第二步得到的预编码矩阵对每个调制编码后的子信号流数据进行预编码；

第五步：预编码后的数据送到空时编码单元进行空时编码。

2、根据权利要求1所述的自适应闭环多入多出通信系统的发射方法，其特征在于，所述第一步中的信道信息还包含空间信道矩阵。

3、根据权利要求1或2所述的自适应闭环多入多出通信系统的发射方法，其特征在于，分配各子信号流的功率增益具体包括：

多入多出通信系统的信道容量写为：

$C=\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}W{\log }_2(1+P_i{\mathrm{\ρ}}_i)$

其中，W表示信道带宽，S表示子信号流的个数，P_i是第i个子信号流功率，ρ_i是第i个子信号流的信噪比；

当子信号流的个数固定的时候，所有子信号流的总功率是固定的，

$\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i=P$

其中，P为所有子信号流的总功率；

再使用拉格朗日因子：

$M=\underset{P_i,\mathrm{\λ}}{\max }\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}{W\log }_2(1+P_i{\mathrm{\ρ}}_i)+\mathrm{\λ}(P-\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i)$

得到不同子信号流的功率增益：

$P_n=\frac{P+\underset{i=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_i}}{S}-\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_n},n=\mathrm{1,2},\·\·\·,S$

4、根据权利要求1所述的用于自适应闭环多入多出通信系统的发射方法，其特征在于，所述第二步中的预编码矩阵由信道矩阵各特征值对应的单位正交特征向量构成。

5、根据权利要求1所述的用于自适应闭环多入多出通信系统的发射方法，其特征在于，所述第二步中的预编码矩阵是接收机反馈的典型的预编码矩阵。

6、根据权利要求5所述的用于自适应闭环多入多出通信系统的发射方法，其特征在于，接收机仅反馈预编码矩阵的序号。

7、一种用于自适应闭环多入多出通信系统中的发射机，包括至少由两根发射天线组成的天线组、信道编码单元、调制单元、预编码单元、空时编码单元，其特征在于，还包括预编码控制单元，所述预编码控制单元根据自身得出的每个子信号流的预编码矩阵对每个子信号流的功率增益实现不平均的分配。

8、根据权利要求7所述的发射机，其特征在于：所述的预编码控制单元根据接收机反馈的包含全部或部分信道信息和各子信号流信噪比的反馈信息得出每个子信号流的功率增益和预编码矩阵，并根据每个子信号流的功率增益自适应的选择每个子信号流的调制编码方式；所述的信道编码单元根据所述的预编码控制单元选择的编码方式对每个子信号流进行编码；所述的调制单元根据所述的预编码控制单元选择的调制方式对经过所述的信道编码单元编码后的每个子信号流进行调制；所述的预编码单元将经过所述的调制单元调制后的每个子信号流与所述的预编码控制单元产生的预编码矩阵相乘；所述的空时编码单元对经过预编码单元处理后的各子信号流进行空时编码；所述的发射机天线组将输出信号发送给接收机。

9、一种发射系统，其特征在于：该系统包括：至少一个如权利要求7所述的发射机和一个接收机；所述的接收机进一步包括接收天线/天线组、空时解码单元、子信号流数据处理单元、子信号流信道估计单元、反馈信息产生单元；

在所述的接收机中，所述的接收机的天线/天线组接收所述的发射机发射的信号；所述的空时解码单元对所述的接收机的天线/天线组接收的信号进行空时解码；所述的子信号流数据处理单元对所述的空时解码单元输出的信号进行解调、解码基带信号处理，得到发射子信号流的估计；所述的子信号流信道估计单元估计信道状态，得到信道估计矩阵和每个子信号流的信噪比；所述的反馈信息产生单元根据所述的子信号流信道估计单元的输出产生反馈信息，发送给所述的发射机的预编码控制单元。

10、一种发射系统，其特征在于：该系统包括：至少一个如权利要求8所述的发射机和一个接收机，所述的接收机进一步包括接收天线/天线组、空时解码单元、子信号流数据处理单元、子信号流信道估计单元、反馈信息产生单元；

在所述的接收机中，所述的接收机的天线/天线组接收所述的发射机发射的信号；所述的空时解码单元对所述的接收机的天线/天线组接收的信号进行空时解码；所述的子信号流数据处理单元对所述的空时解码单元输出的信号进行解调、解码基带信号处理，得到发射子信号流的估计；所述的子信号流信道估计单元估计信道状态，得到信道估计矩阵和每个子信号流的信噪比；所述的反馈信息产生单元根据所述的子信号流信道估计单元的输出产生反馈信息，发送给所述的发射机的预编码控制单元。

Images