CN101123458A - 用于移动通信码分多址系统的多天线闭环功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于移动通信码分多址系统的多天线闭环功率控制方法。本方法利用多天线技术中的空间分层技术及其相应的检测方案，设计了由接收端反馈特定的信道信息内容至发射端的两层结构的闭环功率控制方法，从而能够显著提高码分多址系统的误码率性能以及系统容量。本方法结构简单、运算复杂度低，便于在不同的无线通信传输环境中应用。

Description

用于移动通信码分多址系统的多天线闭环功率控制方法

技术领域

本发明涉及一种应用于移动通信码分多址系统的多天线功率控制方法，是一种基于多天线技术中的空间分层技术的闭环功率控制技术。

背景技术

当代移动通信系统的发展趋势是为移动用户提供高速的数据传输使用户可以享受更为丰富的多媒体业务，不论其处于静止、慢速或是高速运动的状态中。目前，第三代移动通信(3G或B3G)已能提供高速的数据传输服务，而宽带无线接入作为一种向商业和个人用户提供高速互联网接入的手段也正在得到快速的发展。这些商业应用无疑更加剧了对无线频谱资源的需求。因此，如何设计一个能有效提高现有移动通信系统的频谱利用效率，即系统容量的技术，就成为当今无线通信领域内最受关注的问题之一。

近几年一些研究者提出了一种在无线通信系统中使用多个发射及接收天线的技术，称为多天线(Multiple-input Multiple-output，MIMO)技术，并证实了这种技术能显著提高系统频谱利用率(可以达到一个数量级或以上的增长)。由此一些新技术被陆续的提出，来进一步挖掘系统潜在的容量。由于多天线技术所具有的提高系统性能及容量等方面的优势，它已经被纳入多种无线通信标准中，如第三代移动通信标准3GPP、第三代移动通信长期演进标准(3GPP-LTE)、无线局域网(WLAN)、以及无线城域网(WiMAX)等。除此之外，在无线路由器产品的开发中，融合了MIMO技术的新一代无线路由器使得无线局域网的速度跨越了100Mbps的界限，从而真正达到并超越了早已成为主流的百兆有线以太网的速度。目前，日本的NTT DoCoMo等公司利用MIMO技术与正交频分多址(OFDM)技术的结合，已经研发出可以达到Gbps传输速率的室内低速通信系统。这一切都说明了MIMO技术已成为提高现有移动通信系统的频谱利用效率及系统容量的一项关键技术。

由于MIMO技术所能带给系统性能及系统容量方面的增益往往被传输环境等多种因素制约，因此，自MIMO技术被提出以来，已有不少研究人员相继提出一些MIMO信号处理技术来提高移动通信系统的性能及容量，如接收端迭代检测技术、信道特征分解技术等等。然而，这些技术大多结构复杂、运算量大，且只是着重于高斯白噪声影响下的单独通信链路上的系统性能提高，却忽视了当今移动通信系统的一个主要特点是同频用户的干扰。由于同频干扰比热噪声在更大程度上限制着移动通信系统的性能及容量，因此，设计一种在同频干扰用户存在的情况下能有效提高移动通信系统性能及容量的MIMO信号处理技术是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于针对上述需求而提供一种应用于移动通信码分多址(CDMA)系统的多天线(MIMO)闭环功率控制方法，在同频干扰用户存在的情况下能有效提高移动通信系统性能及容量。

本发明的构思是：将MIMO传输技术两大类中的一种，即贝尔实验室天线分层技术(BLAST)应用于CDMA系统中，根据最小均方误差准则(MMSE)准则设计功率控制矩阵参数，通过在发射端利用反馈的功率控制参数来达到控制发射信号功率的目的，从而提高CDMA系统的性能及容量。在上述的理论基础下，本发明提出了具体的闭环功率控制结构。

本发明提出的方法打破了过去传统针对BLAST结构的闭环功率控制方法的设计思想，即由MMSE准则根据接收天线的数量针对每一根接收天线逐层设计反馈的功率控制参数，同时在层与层之间还要进行干扰消除(Interference Cancellation)等工作，因此随着接收天线数量的增加，计算复杂度将会很高。相反本发明设计的功率控制方法由两层结构组成，第一层结构只针对信道的列参数进行范数计算，因此计算量很低；第二层结构虽然同传统方法一样由MMSE准则出发，却一次性地针对所有接收天线设计反馈的功率控制参数，即不进行逐层功率控制参数的计算设计，因此结构简单、计算量低，并能有效提高一个CDMA系统的性能及容量。

为了达到上述目的，根据上述构思，本发明采用下述技术方案：

一种用于移动通信码分多址系统的多天线闭环功率控制方法，其特征在于操作步骤为：

a)系统接收机前端信号采集；

b)采集信号分析；

c)接收机功率控制模块两层结构的设计；

d)将设计的功率控制参数反馈至系统发射机，对信号发射功率进行控制。

上述的信号采集的方法为：一个CDMA系统由发射机及接收机两部分组成；在CDMA系统接收机前端的多个接收天线接收信号后、在接收机各个信号处理模块对接收到的信号进行检测前，对一个传输信号间隔内接收到的信号进行采集。

上述的信号分析的方法为：考虑上行链路的情况，一个CDMA系统内存在一个目标用户以及K个同小区内的同频干扰用户，每个用户具有n_T个发射天线以及n_R个接收天线；则接收信号可表示为： $r=\mathrm{ZHSb}+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_{\mathrm{int},k}{H}_{\mathrm{int},k}{\mathrm{Sb}}_k+n,$ 式中第一项为接收到的目标用户的信号，第二项为接收到的干扰用户的信号，第三项为接收机前端的噪声。

上述的接收机功率控制模块的第一层结构参数设计方法为：

若多个发射与接收天线间的信道矩阵为H，如下式所示：

$H=\left[\begin{array}{cccc}{h}_{11}& h_{12}& \·\·\·& h_{1n_T}\\ h_{21}& h_{22}& \·\·\·& h_{2n_T}\\ \begin{array}{c}\·\\ \·\\ \·\end{array}& \begin{array}{c}\·\\ \·\\ \·\end{array}& \begin{array}{c}\·\\ \·\\ \·\end{array}& \begin{array}{c}\·\\ \·\\ \·\end{array}\\ h_{n_{R}1}& h_{n_{R}2}& \·\·\·& h_{n_R{n}_T}\end{array}\right]$

根据发射天线的数量对矩阵H进行分组，分组后的多天线信道矩阵可由下式表示：

$H=\left[\begin{array}{cccc}{h}_1& h_2& \·\·\·& h_{n_T}\end{array}\right]$

其中， $h_i={\left[\begin{array}{ccc}{h}_{1i}& \·\·\·& h_{n_{R}i}\end{array}\right]}^T,(i=1,...,n_T)$ 是一个列向量，代表每个发射天线与各个接收天线间的信道系数，由此得到第一步中的功率控制矩阵P对角线上的元素为：

$P_i=\frac{1}{\sqrt{\left|\right|h_i|{|}^2}}$

上述的接收机功率控制模块的第二层结构参数设计方法为：由于接收端采用MMSE检测方法，因此，在完成了第一层功率控制结构参数设计后的MMSE检测方法表示为如下形式：

$\hat{b}={\left(\mathrm{RP}\right)}^H{\[\left(\mathrm{RP}\right){\left(\mathrm{RP}\right)}^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{int},k}{R}_{\mathrm{int},k}^H\]}^{-1}r=W^{H}r$

其中 $W=[W_1,\·\·\·,W_{n_T}],$ 而W_i为：

$W_i={\[\left(\mathrm{RP}\right){\left(\mathrm{RP}\right)}^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{int},k}{R}_{\mathrm{int},k}^H\]}^{-1}{t}_i$

其中t_i(i＝1，…，n_T)为RP乘积结果的列向量，而I是一个单位矩阵。

由此得到，在接收端得到的发射信号的估计值表示为：

$\begin{array}{cccc}{\hat{b}}_1& =& {\mathrm{\μ}}_1{b}_1& +n_1^{*}\\ .& & .& \\ .& & .& \\ .& & .& \\ {\hat{b}}_{n_T}& =& {\mathrm{\μ}}_{n_T}{b}_{n_T}& +n_{n_T}^{*}\end{array}$

其中，μ_i(i＝1，…，n_T)为：

${\mathrm{\μ}}_i=t_i^H{\[\left(\mathrm{RP}\right){\left(\mathrm{RP}\right)}^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{int},k}{R}_{\mathrm{int},k}^H\]}^{-1}{t}_i$

而 $n^{*}={\[n_1^{*},\·\·\·,n_{n_T}^{*}\]}^T$ 为：

$n^{*}={\left(\mathrm{RP}\right)}^H{\[\left(\mathrm{RP}\right){\left(\mathrm{RP}\right)}^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{int},k}{R}_{\mathrm{int},k}^H\]}^{-1}$

因此，第二层结构中的功率控制矩阵P对角线上的元素为：

$P_i=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_i}$

上述的将设计的功率控制参数反馈至系统发射机前端对发射信号功率进行控制的方法为：在发射机各模块完成对所传信息的编码调制扩频后，在信号由各发射天线传输出去前，将每个发射天线上待传输的信号与反馈至发射机的功率控制模块内的参数相乘就达到了控制发射信号功率的目的，即实现了整个功率控制方法的应用。

本发明与现有技术相比较，具有如下的突出的实质性特点和显著优点：本发明结构简单、运算量低，不要求在接收端做逐层地功率控制参数设计与逐层地干扰消除，从而大大降低了接收端检测信号所需的时间及计算量；同时本发明在设计时考虑了同频用户对目标用户干扰的情况，因此对同频用户的干扰也有很好的抑制作用。

附图说明

图1是一个多用户CDMA系统采用闭环功率控制方法的整体结构示意图

图2是功率控制方法在系统中的应用简略图

图3是功率控制方法两层结构的原理示意图

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图说明如下：参见图1和图2，本应用于移动通信码分多址系统的多天线闭环功率控制方法的操作步骤为：

1.系统接收机前端信号采集：通常，一个CDMA系统由发射机及接收机两部分组成。在CDMA系统接收机前端的多个接收天线后、在接收机各个信号处理模块对接收到的信号进行检测前，对一个传输信号间隔内接收到的信号进行采集。

2.采集信号分析：我们考虑上行链路的情况，假设一个CDMA系统内存在一个目标用户以及K个同小区内的同频干扰用户。每个用户具有n_T个发射天线以及n_R个接收天线。对于目标用户来说，同一时刻从n_T个发射天线上发射的信号由 $b={[b_1,\·\·\·,b_{n_T}]}^T$ 来表示；而对于每个同频干扰用户来说，同一时刻从n_T个发射天线上发射的信号由 $b_k={[b_{1k},\·\·\·,b_{n_{T}k}]}^T,(k=1,\·\·\·K)$ 来表示。在目标用户的n_R个接收天线上接收到的信号由 $r={[r_1,\·\·\·,r_{n_R}]}^T$ 来表示。因此，接收信号可表示为：

$r=\mathrm{ZHSb}+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_{\mathrm{int},k}{H}_{\mathrm{int},k}{\mathrm{Sb}}_k+n---\left(1\right)$

式(1)中H是n_R×n_T维的目标用户发射及接收端天线间的信道矩阵，它的第(i，j)个元素h_ij(i＝1，…，n_R；j＝1，…，n_T)代表第j个发射天线与第i个接收天线间的信道衰落系数；相应地，H_int，k代表每个同频干扰用户的发射与接收端天线间的信道矩阵。假设在本文中我们使用的平坦瑞利衰落信道，即h_ij是一个均值为0、方差为1的复高斯随机变量。H在这里需要以如下形式被归一化：

$\underset{i=1}{\overset{n_R}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{{\left|h_{\mathrm{ij}}\right|}^2}=n_T---\left(2\right)$

从而使得发射与接收天线的数量不会影响系统整体的信噪比，同样的归一化也用于H_int，k。

式(1)中S是扩频码矩阵，扩频系数为N。当每个发射天线上传输的信号由相同的扩频码扩频时，S＝[s₁，…，s_N]^T；而当每个发射天线上传输的信号由不同的扩频码扩频时，S＝[s_1M，…，s_NM]^T(M＝1，…，n_T)。Z及Z_int，k代表了目标用户与同频干扰用户使用的扰码，长度为(1×n_RN)。矩阵n代表均值为0、方差为σ²的复高斯白噪声。

3.接收机功率控制模块内两层结构的设计，参见图3

针对以上对接收端采集到的信号进行的分析，在接收端多个接收天线后我们设计了一个功率控制模块，如附图2所示。该功率控制模块由两层结构组成，通过对这两层结构上的参数进行设计，再将设计好的参数反馈至发射机，就可以到达控制发射端发射信号功率的目的。具体的设计方法如下：

首先，我们定义一个功率控制矩阵P，P为对角阵，可表示为： $P=\mathrm{diag}[P_1,P_2,...,P_{n_T}];$ 因此，在目标用户的第i个发射天线上传输的信号需乘以P_i，

而式(1)中定义的接收信号的形式也相应的变为下面的形式：

$r=\mathrm{ZSHPb}+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_{\mathrm{int},k}{H}_{\mathrm{int},k}{\mathrm{Sb}}_k+n---\left(3\right)$

功率控制方法分为两层结构，具体工作方式为：

a.多个发射与接收天线间的信道矩阵H，如式(4)所示：

$H=\left[\begin{array}{cccc}{h}_{11}& h_{12}& \·\·\·& h_{1n_T}\\ h_{21}& h_{22}& \·\·\·& h_{2n_T}\\ \begin{array}{c}\·\\ \·\\ \·\end{array}& \begin{array}{c}\·\\ \·\\ \·\end{array}& \begin{array}{c}\·\\ \·\\ \·\end{array}& \begin{array}{c}\·\\ \·\\ \·\end{array}\\ h_{n_{R}1}& h_{n_{R}2}& \·\·\·& h_{n_R{n}_T}\end{array}\right]---\left(4\right)$

根据发射天线的数量对矩阵H进行分组，分组后的多天线信道矩阵可由式(5)表示：

$H=\left[\begin{array}{cccc}{h}_1& h_2& \·\·\·& h_{n_T}\end{array}\right]---\left(5\right)$

其中， $h_i={\left[\begin{array}{ccc}{h}_{1i}& \·\·\·& h_{n_{R}i}\end{array}\right]}^T,(i=1,...,n_T)$ 是一个列向量，代表每个发射天线与各个接收天线间的信道系数。由此得到第一层结构中设计的功率控制矩阵P对角线上的元素为：

$P_i=\frac{1}{\sqrt{\left|\right|h_i|{|}^2}}---\left(6\right)$

b.由于接收端采用MMSE检测技术，因此，在完成了第一层功率控制参数设计后的MMSE检测技术可表示为如下形式：

$\hat{b}={\left(\mathrm{RP}\right)}^H{\[\left(\mathrm{RP}\right){\left(\mathrm{RP}\right)}^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{int},k}{R}_{\mathrm{int},k}^H\]}^{-1}r=W^{H}r---\left(7\right)$

其中 $W=[W_1,\·\·\·,W_{n_T}],$ 而W_i为：

$W_i={\[\left(\mathrm{RP}\right){\left(\mathrm{RP}\right)}^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{int},k}{R}_{\mathrm{int},k}^H\]}^{-1}{t}_i---\left(8\right)$

其中t_i(i＝1，…，n_T)为RP乘积结果的列向量，而I是一个单位矩阵。

由此可得，在接收端得到的发射信号的估计值可表示为：

$\begin{array}{cccc}{\hat{b}}_1& =& {\mathrm{\μ}}_1{b}_1& +n_1^{*}\\ .& & .& \\ .& & .& \\ .& & .& \\ {\hat{b}}_{n_T}& =& {\mathrm{\μ}}_{n_T}{b}_{n_T}& +n_{n_T}^{*}\end{array}---\left(9\right)$

其中，μ_i(i＝1，…，n_T)为：

${\mathrm{\μ}}_i=t_i^H{\[\left(\mathrm{RP}\right){\left(\mathrm{RP}\right)}^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{int},k}{R}_{\mathrm{int},k}^H\]}^{-1}{t}_i---\left(10\right)$

而 $n^{*}={\[n_1^{*},\·\·\·,n_{n_T}^{*}\]}^T$ 为：

$n^{*}={\left(\mathrm{RP}\right)}^H{\[\left(\mathrm{RP}\right){\left(\mathrm{RP}\right)}^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{int},k}{R}_{\mathrm{int},k}^H\]}^{-1}---\left(11\right)$

因此，第二层结构中设计的功率控制矩阵P对角线上的元素为：

$P_i=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_i}---\left(12\right)$

本发明所设计的由两层结构组成的置于接收天线后的功率控制模块内部示意图如附图3所示。

4.将设计的功率控制结构反馈至系统发射机，进行对信号发射功率的控制：

根据上述的技术构思和设计，在发射机各模块完成对所传信息的编码调制扩频后，在信号由各发射天线传输出去前，将每个发射天线上待传输的信号与反馈至发射机的功率控制模块内的参数相乘就达到了控制发射信号功率的目的，即实现了整个功率控制方法的应用。

Claims (6)

1.一种用于移动通信码分多址系统的多天线闭环功率控制方法，其特征在于操作步骤为：

a)系统接收机前端信号采集；

b)采集信号分析；

c)接收机功率控制模块两层结构的设计；

d)将设计的功率控制参数反馈至系统发射机，对信号发射功率进行控制。

2.根据权利要求1所述的用于移动通信码分多址系统的多天线闭环功率控制方法，其特征在于所述的信号采集的方法为：一个CDMA系统由发射机及接收机两部分组成；在CDMA系统接收机前端的多个接收天线接收信号后、在接收机各个信号处理模块对接收到的信号进行检测前，对一个传输信号间隔内接收到的信号进行采集。

3.根据权利要求1所述的用于移动通信码分多址系统的多天线闭环功率控制方法，其特征在于所述的信号分析的方法为：考虑上行链路的情况，一个CDMA系统内存在一个目标用户以及K个同小区内的同频干扰用户，每个用户具有n_T个发射天线以及n_R个接收天线；则接收信号可表示为： $r=\mathrm{ZHSb}+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_{\mathrm{int},k}{H}_{\mathrm{int},k}{\mathrm{Sb}}_k+n,$ 式中第一项为接收到的目标用户的信号，第二项为接收到的干扰用户的信号，第三项为接收机前端的噪声。

4.根据权利要求1所述的用于移动通信码分多址系统的多天线闭环功率控制方法，其特征在于所述的接收机功率控制模块的第一层结构参数设计方法为：

若多个发射与接收天线间的信道矩阵为H，如下式所示：

$H=\left[\begin{array}{cccc}{h}_{11}& h_{12}& ...& h_{{1n}_T}\\ h_{21}& h_{22}& ...& h_{{2n}_T}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ h_{n_{R}1}& h_{n_{R}2}& ...& h_{n_R{n}_T}\end{array}\right]$

根据发射天线的数量对矩阵H进行分组，分组后的多天线信道矩阵可由下式表示：

$H=\left[\begin{array}{cccc}{h}_1& h_2& ...& h_{n_T}\end{array}\right]$

其中， $h_i={\left[\begin{array}{ccc}{h}_{1i}& ...& h_{n_{R}i}\end{array}\right]}^T$ (i＝1，…，n_T)是一个列向量，代表每个发射天线与各个接收天线间的信道系数，由此得到第一步中的功率控制矩阵P对角线上的元素为：

$P_i=\frac{1}{\sqrt{{\left|\right|h_i\left|\right|}^2}}$

5.根据权利要求1所述的用于移动通信码分多址系统的多天线闭环功率控制方法，其特征在于所述的接收机功率控制模块的第二层结构参数设计方法为：由于接收端采用MMSE检测方法，因此，在完成了第一层功率控制结构参数设计后的MMSE检测方法表示为如下形式：

$\hat{b}={\left(\mathrm{RP}\right)}^H{[\left(\mathrm{RP}\right){\left(\mathrm{RP}\right)}^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{int},k}{R}_{\mathrm{int},k}^H]}^{-1}r=W^{H}r$

其中 $W=[W_1,...,W_{n_T}],$ 而W_i为：

$W_i={[\left(\mathrm{RP}\right){\left(\mathrm{RP}\right)}^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{int},k}{R}_{\mathrm{int},k}^H]}^{-1}{t}_i$

其中t_i(i＝1，…，n_T)为RP乘积结果的列向量，而I是一个单位矩阵。

由此得到，在接收端得到的发射信号的估计值表示为：

${\hat{b}}_1={\mathrm{\μ}}_1{b}_1+n_1^{*}$

$\begin{array}{cc}.& .\\ .& .\\ .& .\end{array}$

${\hat{b}}_{n_T}={\mathrm{\μ}}_{n_T}{b}_{n_T}+n_{n_T}^{*}$

其中，μ_i(i＝1，…，n_T)为：

${\mathrm{\μ}}_i=t_i^H{[\left(\mathrm{RP}\right){\left(\mathrm{RP}\right)}^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{int},k}{R}_{\mathrm{int},k}^H]}^{-1}{t}_i$

而 $n^{*}={[n_1^{*},...,n_{n_T}^{*}]}^T$ 为：

$n^{*}={\left(\mathrm{RP}\right)}^H{[\left(\mathrm{RP}\right){\left(\mathrm{RP}\right)}^H+{\mathrm{\σ}}^{2}I+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{int},k}{R}_{\mathrm{int},k}^H]}^{-1}$

因此，第二层结构中的功率控制矩阵P对角线上的元素为：

$P_i=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_i}$

6.根据权利要求1所述的用于移动通信码分多址系统的多天线闭环功率控制方法，其特征在于所述的将设计的功率控制参数反馈至系统发射机前端对发射信号功率进行控制的方法为：在发射机各模块完成对所传信息的编码调制扩频后，在信号由各发射天线传输出去前，将每个发射天线上待传输的信号与反馈至发射机的功率控制模块内的参数相乘就达到了控制发射信号功率的目的，即实现了整个功率控制方法的应用。

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