CN101170386B - 利用均值和协方差信息的自适应多天线接收传输方法 - Google Patents

Abstract

利用均值和协方差信息的自适应多天线传输方法能够最大限度地提高通信系统的频谱利用率和功率效率。该传输方法按以下步骤进行：在接收端利用信道估计的结果计算信道的统计信息，即信道的均值信息和协方差信息，根据信道均值信息和协方差信息决定功率分配及预编码的模式，并将其发送至发送端，在发送端根据接收端反馈的功率分配及预编码模式和信道统计信息，对每根天线进行功率分配，在发送端根据接收端反馈的功率分配及预编码模式和信道统计信息，进进行预编码传输。本发明提供一种利用信道统计信息的多天线系统自适应传输方案，能够根据信道的统计特性调整发送参数，获得的互信息量逼近信道容量。

Description

利用均值和协方差信息的自适应多天线接收传输方法

技术领域

本发明涉及一种通过使用多个发送/接收天线来传输高速数据的移动通信系统，尤其涉及一种利用信道统计信息的多天线系统自适应传输方法。

背景技术

为适应未来发展的需要，后三代(B3G)或称第四代(4G)移动通信系统要求能够支持高达每秒数十兆甚至上千兆比特的高速分组数据传输，在无线资源日趋紧张的情况下，采用多天线发送和多天线接收(MIMO)无线传输技术，充分挖掘利用空间资源，最大限度地提高频谱利用率和功率效率，成为后三代移动通信研究的关键所在。

实际传播环境中，由于天线间距和周围散射体的局限，信道常常存在着衰落相关性和直达径，在发射机未知信道状态信息的情况下，这些因素直接导致了MIMO系统信道容量的下降。自适应MIMO传输是克服实际传播环境中非理想因素的主要手段，需要在发射端利用信道的先验信息。在发射机已知完全的信道状态信息的情况下，“注水”方法可以达到最大的信道容量。然而，由于无线信道的时变性，信道估计和反馈的时延以及频率的偏移，使得在发射端难以获得完全的信道状态信息。一种折中的方法是利用部分的信道状态信息，即信道的统计状态信息。信道的统计特性，其变化速度相对于信道的瞬时状态来说非常缓慢，发射端可以可靠的获得信道的统计状态信息。近年来的研究成果表明，当发射端利用部分信道状态信息进行预编码传输时，MIMO系统的信道容量和传输可靠性可得到较大的提高。

理论研究表明，在收发端均存在相关的瑞利衰落信道环境下，以及不相关莱斯衰落信道环境下，当收端确知信道状态信息且发端已知信道的收发相关矩阵或信道的均值矩阵时，信道容量最大化准则下的最优传输即为特征模式的空间预滤波传输。这种传输模式发送端的设计分为两部分：最优发送方向(即发送信号协方差矩阵的特征向量)的选择以及在各个方向上的最优功率分配(即发送信号协方差矩阵的特征值)。研究表明，信道容量最大化准则下，在发送端已知信道的收发相关阵的相关的瑞利衰落信道环境下，最优发送方向即为信道发送相关阵的特征向量；在发送端已知信道的均值矩阵的不相关的莱斯衰落信道环境下，最优发送方向即为信道均值矩阵的共轭转置与信道均值矩阵相乘所得矩阵的阵特征向量。关于功率分配，目前已报导的工作主要针对数值解法，需要多次迭代，计算复杂度高。因此，如何在发射端获知信道的统计状态信息的条件下，得到MIMO系统的简单实用的功率分配的表达式是必要的。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种利用均值和协方差信息的自适应多天线接收传输方法，能够自适应于复杂的多天线无线传输环境，提高通信系统的功率效率。

技术方案：本发明的利用均值和协方差信息的自适应多天线传输方法按以下步骤进行：

1)在接收端利用信道估计的结果计算信道的统计信息，即信道的均值信息和协方差信息，根据信道均值信息和协方差信息决定功率分配及预编码的模式，并将其发送至发送端，

2)在发送端根据接收端反馈的功率分配及预编码模式和信道统计信息，对每根天线进行功率分配，

3)在发送端根据接收端反馈的功率分配及预编码模式和信道统计信息，进进行预编码传输。

功率分配及预编码模式分为两种：均值模式和协方差模式，且决定被采用模式的条件为：

1)若信道变化较慢时，统计得到的信道均值信息E[H]不接近零矩阵，则选择均值模式，其中E[·]表示求期望，H为信道矩阵，发射天线数为n_T，接收天线数为n_R，此时信道矩阵H在发送端建模为 $H=\sqrt{\frac{K}{K+1}}\stackrel{\‾}{H}+\sqrt{\frac{1}{K+1}}{H}_w,$ 其中莱斯因子K代表直达径与散射径功率之比，

为归一化的直达径矩阵，H_w是一个由均值为零，方差为1的独立同分布的复高斯变量组成的散射矩阵，假设

的奇异值分解为 $\stackrel{\‾}{H}={\mathrm{UDV}}^H,$ 其中上标(·)^H表示共轭转置，

和

为酉矩阵，D为一个n_R×n_T的“对角阵”，这里n_R×n_T的“对角阵”指当i≠j时矩阵的(i，j)元素为0，其“对角元”d₁₁≥d₂₂≥…≥d_mm≥0，m＝min(n_T，n_R)，这种模式下功率分配及预编码方法为：发送方向预编码矩阵选择为U_Q＝V，功率分配矩阵为对角阵，其对

角元为 ${\mathrm{\λ}}_i=\max (0,\mathrm{\μ}-\frac{{\mathrm{\σ}}^2(1+K)K}{\frac{n_R(n_R-1)(K{n}_T+1)}{n_T{n}_R-d_{\mathrm{ii}}^2}+{\mathrm{Kd}}_{\mathrm{ii}}^2}),$ 1≤i≤n_T，μ为由发射总功率 $\underset{i=0}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i=P$ 决定的常数，σ²为接收端各天线上的噪声方差；

2)若信道变化较慢，统计得到的信道均值信息E[H]不接近零矩阵，则选择协方差模式，此时信道矩阵H在发送端建模为 $H={\mathrm{\Θ}}_R^{1/2}{H}_w{\mathrm{\Θ}}_T^{1/2},$ 其中H_w的定义与均值模式下的定义相同，Θ_T及Θ_R为正定的Hermite矩阵，分别代表发射和接收衰落相关矩阵，假设Θ_T和Θ_R的特征值分解为

及 ${\mathrm{\Θ}}_R=U_R{\mathrm{\Λ}}_R{U}_R^H,$ 其中 ${\mathrm{\Λ}}_T=\mathrm{diag}\{{\mathrm{\λ}}_{t1},...,{\mathrm{\λ}}_{t{n}_T}\},$ ${\mathrm{\Λ}}_R=\mathrm{diag}\{{\mathrm{\λ}}_{r1},...,{\mathrm{\λ}}_{r{n}_R}\},$ diag{·}表示以{}中元素为对角线元素的对角阵，对角元 ${\mathrm{\λ}}_{t1}\≥{\mathrm{\λ}}_{t2}\≥...\≥{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{tn}}_T}\≥0,$ ${\mathrm{\λ}}_{r1}\≥{\mathrm{\λ}}_{r2}\≥...\≥{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{rn}}_R}\≥0,$ 这种模式下，功率分配及预编码方案为：发送方向预编码矩阵选择为U_Q＝U_T，功率分配矩阵为对角阵，其对角元为 ${\mathrm{\λ}}_i=\max (0,\mathrm{\μ}-\frac{n_R{\mathrm{\σ}}^2}{n_R^2-{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{n_R}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rj}}^2}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ti}}^{-1}),$ 1≤i≤n_T，μ为由发射总功率 $\underset{i=1}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i=P$ 决定的常数，σ²为接收端各天线上的噪声方差。

有益效果：本发明提供了一种利用均值和协方差信息的自适应多天线接收传输方法，本方案具有如下优点：

1.本方法仅需要信道的统计信息，因此对发送端仅能获知信道统计信息的系统很实用。

2.本方法中的功率分配方案计算复杂度低，不需要进行数值方法中的数值优化过程。

3.本方法所获得的信道容量与最优的功率分配所获得的信道容量很接近。

附图说明

图1是本发明利用均值和协方差信息的多天线系统自适应传输方法框图。

具体实施方式

考虑一个发射天线数为n_T，接收天线数为n_R的MIMO无线通信系统，在对其信道容量进行分析的基础上，通过最大化信道容量的上界可以构建出如图1所示的发送端预编码方法。该方案可以描述为：

在接收端，对数字基带接收信号 $y\left(n\right)={\left[\begin{array}{cccc}{y}_1\left(n\right)& y_2\left(n\right)& ...& y_{n_R}\left(n\right)\end{array}\right]}^T$ 进行信道估计，其中y_i(n)表示第i个接收天线的接收信号，上标(·)^T表示共轭转置。利用信道估计的结果计算信道的统计信息。利用这些信道的统计信息选择采用均值模式还是协方差模式，并将采用何种模式以及相应模式下的信道统计信息反馈给发送端。

在发送端，利用反馈的模式信息以及信道统计信息，计算空间功率分配矩阵Λ以及发送方向预编码矩阵U_Q。对输入符号流 $d\left(n\right)={\left[\begin{array}{cccc}{d}_1\left(n\right)& d_2\left(n\right)& ...& d_{n_T}\left(n\right)\end{array}\right]}^T$ 进行线性预编码，得到发送信号 $s\left(n\right)={\left[\begin{array}{cccc}{s}_1\left(n\right)& s_2\left(n\right)& ...& s_{n_T}\left(n\right)\end{array}\right]}^T,$ 其中d_i(n)表示第i个输入符号流，s_i(n)表示第i个发送天线的发送信号。d(n)和s(n)之间满足如下关系：

s(n)＝Fd(n)，        【1】

其中，

F＝U_QΛ^1/2           【2】

是预编码矩阵。

为使本发明中的技术方案更加清楚明白，下面对本方案进行具体描述：

一、信道统计信息的获得

所述方案中的信道统计信息为接收端各天线上的噪声方差σ²，以及信道的均值信息或信道的协方差信息。我们用n_R×n_T的矩阵H表示信道矩阵。

(1)信道均值信息

当在均值模式下时，发送端已知的信道统计信息为均值信息时，信道矩阵H在发送端建模为：

$H=\sqrt{\frac{K}{K+1}}\stackrel{\‾}{H}+\sqrt{\frac{1}{K+1}}{H}_w,---\left[3\right]$

其中莱斯因子K代表直达径与散射径功率之比。

为归一化的直达径矩阵， $\mathrm{tr}\left(\stackrel{\‾}{H}{\stackrel{\‾}{H}}^H\right)n_T{n}_R,$ tr(·)表示矩阵的迹，上标(·)^H表示共轭转置。H_w是一个由均值为零，方差为1的独立同分布的复高斯变量组成的散射矩阵。K和

即为发送端所已知的信道均值信息。利用信道参数的估计值，K和

可以表述为：

$K=\frac{\mathrm{tr}\left(E\right[H\left]E{\left[H\right]}^H\right)}{E\left[\mathrm{tr}\left((H-E[H\left]\right){(H-E[H\left]\right)}^H\right)\right]},---\left[4\right]$

$\stackrel{\‾}{H}=\sqrt{\frac{1+K}{K}}E\left[H\right],---\left[5\right]$

其中E[·]表示求期望。

(2)协方差信息

在协方差模式下，发送端已知信道协方差信息，信道矩阵H在发送端建模为：

$H={\mathrm{\Θ}}_R^{1/2}{H}_w{\mathrm{\Θ}}_T^{1/2},---\left[6\right]$

其中H_w的定义与发送端已知信道均值信息时的定义相同。Θ_T及Θ_R为正定的Hermite矩阵，分别代表发射和接收衰落相关矩阵，满足tr(Θ_T)＝n_T，tr(Θ_R)＝n_R。Θ_T和Θ_R即为发送端已知的信道协方差信息。利用信道参数的估计值，Θ_T和Θ_R可以表述为：

${\mathrm{\Θ}}_T=\frac{1}{n_R}E\left[H^{H}H\right],---\left[7\right]$

${\mathrm{\Θ}}_R=\frac{1}{n_T}E\left[{\mathrm{HH}}^H\right],---\left[8\right]$

二、发送方向预编码矩阵

所述方案中的发送方向预编码矩阵U_Q的选择分为均值模式和协方差模式两种情况。

(1)均值模式

在均值模式下，发送端已知的信道统计信息为均值信息，假设

的奇异值分解为 $\stackrel{\‾}{H}={\mathrm{UDV}}^H,$ 其中和

为酉矩阵，D为一个n_R×n_T的“对角阵”(这里n_R×n_T的“对角阵”指当i≠j时矩阵的(i，j)元素为0)，其“对角元”d₁₁≥d₂₂≥…≥d_mm≥0，m＝min(n_T，n_R)。在这种情况下，发送方向预编码矩阵U_Q的选择为U_Q＝V。

(2)协方差模式

在协方差模式下，发送端已知的信道统计信息为协方差信息，令发射衰落相关矩阵Θ_T和接收衰落相关矩阵Θ_R的特征值分解为 ${\mathrm{\Θ}}_T=U_T{\mathrm{\Λ}}_T{U}_T^H$ 及 ${\mathrm{\Θ}}_R=U_R{\mathrm{\Λ}}_R{U}_R^H,$ 其中 ${\mathrm{\Λ}}_T=\mathrm{diag}\{{\mathrm{\λ}}_{t1},...,{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{tn}}_T}\},$ ${\mathrm{\Λ}}_R=\mathrm{diag}\{{\mathrm{\λ}}_{r1},...,{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{rn}}_R}\},$ diag{·}表示以{}中元素为对角线元素的对角阵，对角元 ${\mathrm{\λ}}_{t1}\≥{\mathrm{\λ}}_{t2}\≥...\≥{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{tn}}_T}\≥0$ ${\mathrm{\λ}}_{r1}\≥{\mathrm{\λ}}_{r2}\≥...\≥{\mathrm{\λ}}_{r{n}_R}\≥0.$ 这种情况下，发送方向预编码矩阵U_Q的选择为U_Q＝U_T。

三、功率分配矩阵

本方案中的功率分配矩阵Λ可以表示为：

$\mathrm{\Λ}=\mathrm{diag}\{{\mathrm{\λ}}_1,{\mathrm{\λ}}_2,...,{\mathrm{\λ}}_{n_T}\}---\left[9\right]$

其中 ${\mathrm{\λ}}_1\≥{\mathrm{\λ}}_2\≥...\≥{\mathrm{\λ}}_{n_T}\≥0.$

(1)均值模式

在均值模式下，相应的功率分配矩阵的对角元为：

${\mathrm{\λ}}_i=\max (0,\mathrm{\μ}-\frac{{\mathrm{\σ}}^2(1+K)K}{\frac{n_R(n_R-1)(K{n}_T+1)}{n_T{n}_R-d_{\mathrm{ii}}^2}+{\mathrm{Kd}}_{\mathrm{ii}}^2}),1\≤i\≤n_T,---\left[10\right]$

门限μ为由发射总功率 $\underset{i=1}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i=P$ 决定的常数。

(2)协方差模式

在协方差模式下，相应的功率分配矩阵的对角元为：

${\mathrm{\λ}}_i=\max (0,\mathrm{\μ}-\frac{n_R{\mathrm{\σ}}^2}{n_R^2-{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{n_R}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{rj}}^2}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ti}}^{-1}),1\≤i\≤n_T---\left[11\right]$

门限μ为由发射总功率 $\underset{i=1}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i=P$ 决定的常数。

本发明具体实施方式如下：

接收端：

1)利用接收信号进行信道估计，计算E[H]，决定采用均值模式还是协方差模式。若E[H]接近零，则采用协方差模式，利用公式【7】-【8】计算Θ_T和Θ_R；否则采用均值模型，利用公式【4】-【5】计算K和

2)将采用何种模式的信息反馈给发送端，同时将相应模式下的信道统计信息反馈给发送端：若采用的是均值模式，则将K和

反馈；若采用的是协方差模式，则将Θ_T和Θ_R反馈。

发送端：

3)利用接收端反馈的模式信息，判断采用的是何种模式。若采用的是均值模式，则对反馈的

进行奇异值分解 $\stackrel{\‾}{H}={\mathrm{UDV}}^H,$ 得到发送方向预编码阵U_Q＝V和D；若采用的是协方差模式，则对反馈的发射衰落相关矩阵Θ_T和接收衰落相关矩阵Θ_R进行特征值分解 ${\mathrm{\Θ}}_T=U_T{\mathrm{\Λ}}_T{U}_T^H,$ ${\mathrm{\Θ}}_R=U_R{\mathrm{\Λ}}_R{U}_R^H,$ 得到发送方向预编码阵U_Q＝U_T，Λ_T及Λ_R。

4)计算功率分配矩阵。若采用的是均值模式，则利用3)中得到的D以及统计信息中的噪声方差σ²和莱斯因子K，根据公式【9】-【10】计算功率分配矩阵Λ；若采用的是协方差模式，利用3)中得到的Λ_T和Λ_R以及噪声方差σ²，根据公式【9】和公式【11】计算功率分配矩阵Λ。

5)利用3)和4)中计算出的U_Q和Λ，根据公式【2】计算线性预编码矩阵进行发送控制。

Claims (1)

1.一种利用均值和协方差信息的自适应多天线传输方法，其特征在于该传输方法按以下步骤进行：

1)在接收端利用信道估计的结果计算信道的统计信息，即信道的均值信息和协方差信息，根据信道均值信息和协方差信息决定功率分配及预编码的模式，并将其发送至发送端;决定被采用模式的条件为：

c)若信道变化较慢时，统计得到的信道均值信息E[H]不接近零矩阵，则选择均值模

式，其中E[·]表示求期望，H为信道矩阵，发射天线数为n_T，接收天线数为n_R，

此时信道矩阵H在发送端建模为

其中莱斯因子K代表直达径与散射径功率之比，

为归一化的直达径矩阵，H_w是一个由均值为零，方差为1的独立同分布的复高斯变量组成的散射矩阵，假设的奇异值分解为

其中上标(·)^H表示共轭转置，

和

为酉矩阵，D为一个n_R×n_T的“对角阵”，这里n_R×n_T的“对角阵”指当i≠j时矩阵的(i，j)元素为0，其“对角元”d₁₁≥d₂₂≥…≥d_mm≥0，m＝min(n_T，n_R)，这种模式下功率分配及预编码方法为：发送方向预编码矩阵选择为U_Q＝V，功率分配矩阵为对角阵，

其对角元为

1≤i≤n_T，μ为由发射总功率

决定的常数，σ²为接收端各天线上的噪声方差；

d)若信道变化较快，统计得到的信道均值信息E[H]接近零矩阵，则选择协方差模式，此时信道矩阵H在发送端建模为

其中H_w的定义与均值模式下的定义相同，Θ_T及Θ_R为正定的Hermite矩阵，分别代表发射和接收衰落相关矩阵，

假设Θ_T和Θ_R的特征值分解为

及

其中

diag{·}表示以{}中元素为对角线元素的对角阵，对角元

这种模式下，功率分配及预编码方案为：发送方向预编码矩阵选择为U_Q＝U_T，功率分配矩阵为对角阵，其对角元为1≤i≤n_T，μ为由发射总功率

决

定的常数，σ²为接收端各天线上的噪声方差;

2)在发送端根据接收端反馈的功率分配及预编码模式和信道统计信息，进行功率分配;

3)在发送端根据接收端反馈的功率分配及预编码模式和信道统计信息，进行预编码传输。

Images