CN101242205A - 一种每空间子信道的速率和功率控制方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种每空间子信道的速率和功率控制方法及控制装置，其中方法包括：接收机根据接收机侧的信道状态信息，确定每个空间子信道所选择的调制编码方式；接收机将所选择的调制编码方式以索引的方式通知发射机；发射机根据信道状态信息的统计值和子信道调制编码方式进行预编码。由于本发明反馈的只是“索引”，不用实时反馈信道状态信息，降低了反馈信道的带宽需求。本发明预编码使用信道状态信息的统计信息，如均值、方差或相关矩阵参数，降低了预编码系统的性能对信道状态信息误差的敏感性。

Description

一种每空间子信道的速率和功率控制方法及控制装置

技术领域

本发明涉及多天线无线通信技术，特别是涉及一种每空间子信道的速率和功率控制方法及控制装置。

背景技术

在蜂窝通信系统中，不同通信链路所经历的无线通信条件在不同时间、不同位置、不同频率都是时刻发生变化的，这种变化在移动台高速移动的情况下更为明显。另一方面，相对于无线通信条件的时刻变化，系统所能获得的频谱效率、系统容量等都受到所采用的信号传输技术以及无线信道条件的制约，因此，为了获得最大化的系统频谱效率与通信容量，出现了一种可以随无线信道条件的变化而自适应调整的信号传输技术，即称为无线链路自适应技术。这种技术根据时刻变化的无线信道条件，动态地分配无线资源、自动调整调制编码方式和调度方法、采用鲁棒的发射信号处理方法，其目的是最大化系统性能，包括提高频谱效率和系统容量，降低系统性能对无线信道变化的敏感性等。

现有的基于MIMO(多输入多输出系统)的自适应发射机技术包括AMC(自适应调制编码)、自适应发射功率分配、自适应波束形成、pre-coding(发射预编码)等。目前，有一些出版的论文讨论了AMC与pre-coding级联设计的方法，但基本都是从理论分析的角度进行了系统性能分析和设计。虽然这些工作具有很好的参考价值，但是，这些设计大多没有过多考虑实际系统的实现问题，存在复杂度高、实际无法实现等问题，比如性能优化后得出的连续调制阶问题、发射机侧不可靠信道状态信息、以及大量的反馈信息导致频谱效率的下降等，故不能直接应用于实际系统实现。

已有的AMC与pre-coding级联设计中，AMC的实现方式为：接收机估计并反馈信道状态信息(在频分双工(FDD)模式下)或发射机估计反向信道获得信道状态信息(在时分双工(TDD)模式下)，然后发射机依据信道状态信息，为每个空间子信道选择调制编码方式。这种AMC方式的优点是发射机可以与预编码联合优化，根据整个系统容量状况全局协调。缺点是：a.发射机一般不能获得准确的信道状态信息，特别是在FDD模式，信道信息的错误严重降低了AMC的性能；b.在FDD模式下，大量信道信息的实时反馈需要占用很高的带宽，反馈信息越多，带宽浪费越大，反而降低频谱效率。这是发射机使用信道状态信息进行发射机设计的一个主要障碍。

因此，需要在考虑发射机信道状态信息的不可靠性和调制阶的离散性和有限性的基础上提出一种AMC与pre-coding级联设计，以便在实现复杂度、性能和可实现性上取得平衡和提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种每空间子信道的速率和功率控制方法及控制装置，解决现有技术没有考虑发射机信道状态信息的不可靠性和调制阶的离散性，在实现复杂度、性能和可实现性上难以取得平衡和提高的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种每空间子信道的速率和功率控制方法，其中，包括如下步骤：

步骤一，接收机根据接收机侧估计的信道状态信息，确定每个空间子信道的调制编码方式；

步骤二，接收机将所选择的调制编码方式通知发射机；

步骤三，发射机根据信道状态信息的统计值，以及各空间子信道的调制编码方式进行预编码。

上述的方法，其中，所述步骤二包括：

步骤a，将记录有各种调制编码方式的调制编码表预先分别存储在接收机和发射机中；

步骤b，接收机根据在所述调制编码表中不同空间子信道所选择的调制编码方式的位置来确定索引信息；

步骤c，接收机将所述索引信息通过反馈信道发送给发射机；

步骤d，发射机根据所述索引信息在所述调制编码表中找到不同空间子信道所选择的调制编码方式，并确定使用的空间子信道数目q。

上述的方法，其中，所述步骤一包括：

步骤A，接收机测量和估计每个空间子信道的信干噪比/信噪比；

步骤B，将每个空间子信道的信干噪比/信噪比与设定的阈值进行比较，根据阈值对应的调制阶为每个空间子信道选择对应的调制编码方式。

上述的方法，其中，所述统计值为信道状态信息的均值、方差和/或相关矩阵参数。

上述的方法，其中，在所述步骤三中，如果是处于时分双工系统的条件下，则通过如下方式确定所述统计值：发射机通过估计反向信道，利用在一个信道相干时间段或设定的时间窗内获得的反向信道估计来计算所述统计值。

上述的方法，其中，在所述步骤三中，如果是处于频分双工系统的条件下，则通过如下方式确定所述统计值：接收机利用在一个信道相干时间段或设定的时间窗内获得的信道状态信息来计算所述统计值，并通过反馈信道将所述统计值反馈给发射机。

为了实现本发明的目的，本发明还提供了一种每空间子信道的速率和功率控制装置，其中，包括：接收机，用于根据接收机侧估计的信道状态信息，确定每个空间子信道所选择的调制编码方式，并将所选择的调制编码方式通知发射机；发射机，用于根据信道状态信息的统计值和各空间子信道的调制编码方式进行预编码。

上述的装置，其特征在于，所述发射机中进行预编码处理的部分包括信道参数的信道估计模块、奇异值分解模块和空间子信道功率分配模块；所述信道参数的信道估计模块，用于使用所述信道状态信息的统计值来获得当前的信道状态信息矩阵；所述奇异值分解模块，用于对信道状态信息矩阵进行奇异值分解，得到q个活动空间子信道的增益，并进一步得到发射波束赋形向量；所述空间子信道功率分配模块，用于根据子信道所选择的调制编码方式和所述q个活动子信道的增益来确定q个活动子信道的发射功率分配。

上述的装置，其中，所述接收机和所述发射机中都存储有调制编码表，所述调制编码表记录有各种调制编码方式，所述接收机根据在所述调制编码表中不同子信道所选择的调制编码方式的位置来确定索引信息，并将所述索引信息通过反馈信道发送给所述发射机，所述发射机根据所述索引信息在所述调制编码表中找到不同子信道所选择的调制编码方式。

上述的装置，其中，所述统计值为信道状态信息的均值、方差和/或相关矩阵参数。

本发明的优点在于：

1)利用接收机侧获得的近似完美的信道状态信息，本发明的AMC能够比较准确地反映快速的无线信道变化，获得较好的鲁棒性能；其次，由于反馈的只是“索引”，不用实时反馈信道状态信息，降低了反馈信道的带宽需求。

2)预编码不直接使用信道状态信息，而是使用信道状态信息的统计信息，如均值、方差和相关矩阵参数，降低预编码系统的性能对信道状态信息误差的敏感性。

3)本发明提供了一种复杂度、可实现性和性能都合理平衡的AMC与pre-coding级联设计结构。特别的，本发明大大降低了反馈信息量。

附图说明

图1为本发明方法的步骤流程图；

图2为本发明中接收机根据SINR/SNR选择调制阶的流程图。

图3为本发明中为接收机的功能模块图。

图4为本发明中发射机物理层信号处理结构的框图；

图5为本发明中发射机根据调制编码信息进行自适应调制的流程图；

图6为本发明中预编码参数处理模块的功能框图；

图7为本发明中获取波束赋形向量w₁...w_q的信号处理流程；

图8为本发明中发射功率分配处理流程图。

具体实施方式

通常来说，接收机可以获得近似完美的信道状态信息，测量或估计的SINR/SNR(SINR：信干噪比，SNR：信噪比)也相当准确，而对发射机来讲，获得信道状态信息误差较大，特别是在快速变化的无线环境中，从而导致AMC或发射预编码系统的性能降低。所以，本发明在接收机侧利用准确的信道状态信息为每个空间子信道选择调制编码方式，能够比较准确地反映快速的无线信道变化，获得较好的鲁棒性能，最重要的是，接收机不必实时向发射机反馈信道状态信息，降低了反馈信道的带宽需求。

图1为本发明方法的步骤流程图，如图，本发明包括：

步骤101，接收机根据接收机侧估计的信道状态信息，确定每个空间子信道所选择的调制编码方式；

步骤102，接收机将所选择的调制编码方式以索引的方式通过反馈信道反馈给发射机；

步骤103，发射机根据信道状态信息的统计值和调制编码方式进行预编码，确定各子信道的发射功率和发射加权向量。

图1仅为概括性的步骤流程，本发明中，接收机是测量和估计每个空间子信道的SINR/SNR，然后根据每个空间子信道的SINR/SNR和设定阈值从有限的星座图中选择一种作为此空间子信道的信号调制编码方式，然后接收机将索引信息通过反馈信道发送给发射机。发射机根据接收到的MCI(调制编码信息，即“索引”)，为每个空间子信道选择相应的调制编码方式。发射与编码器再根据确定的MCI，利用获得的CSI确定每个空间子信道的发射功率和发射波束方向。

其中，接收机确定每个空间子信道所选择的调制编码方式的过程可参考图2所示，包括：

步骤201，接收机阵列接收信号；

步骤202，接收机进行信道估计；

步骤203，接收机测量每个空间子信道的SINR或SNR；

步骤204，与不同调制阶的SINR/SNR阈值比较，选择相应的调制阶，关闭低于最低调制阶对应SINR/SNR阈值的子信道；

步骤205，将选择的调制阶索引编码，并发送到在反馈信道上发送。

关于SINR/SNR、调制方式、阈值以及索引的对应关系，可参考表1，该表提供了接收机根据SINR/SNR确定子信道调制编码方式的一个实施例，表中显示，SINR/SNR小于3dB的子信道将被关闭(close)，即表示低增益空间子信道将不使用。

表1

事实上，接收机将所选择的调制编码方式通知发射机是通过发送“索引”的方式实现的。在接收机和发射机中分别存储类似“字典”的调制编码表，调制编码表记录有各种调制编码方式，接收机确定每个空间子信道的调制编码方式后，从“字典”中找到相应的索引，然后将索引通过反馈信道反馈给发射机。发射机根据索引，从“字典”中获得空间子信道相应的调制编码方式。

本发明还提供了一种每空间子信道的速率和功率控制装置，包括接收机和发射机。

图3所示为接收机功能模块图。接收机的结构和信号处理流程如下：接收机物理层信号处理除信道估计，信息解码和解调等通用的功能模块之外，在本发明中还包括空间子信道SINR/SNR测量或估计、空间子信道调制方式确定和本地存储、子信道调制方式反馈等主要功能模块。接收机测量每个空间子信道的SINR/SNR后，根据设定的阈值，从发射机和接收机都已知的调制编码种类中进行空间子信道调制编码方式的选择，然后将所有子信道的调制编码索引通过反馈信道发送到发射机，并进行本地存储，以解调信号。

图4所示为发射机物理层信号处理结构框图。发射机信号处理流程主要包括自适应调制编码和发射预编码，详述如下。

a.1自适应调制编码。

发射机首先从反馈信道获取MCI，获得活动空间子信道数目q。然后，输入数据流进行串并转换(DEMUX)，在每个空间子信道上分配发送数据比特，接着在每个子信道上根据MCI进行调制编码，方法为：每个子信道的调制编码对应MCI的一个信息位，根据这个信息位，查找调制编码表(发射机和接收机都知道)，获得每个子信道的调制阶，再在不同的空间子信道上根据不同的调制阶进行信号调制编码。图5为发射机根据MCI进行自适应调制的细分步骤，如图，包括：

步骤501，发射机从反馈信道获取MCI，并从MCI为每个活动子信道分离出AMC信息位；

步骤502，查找调制编码表，确定每个空间子信道的调制阶；

步骤503，根据调制编码选择，为每个空间子信道进行星座映射；

步骤504，将调制编码信号和MCI输入预编码器进一步处理。

a.2发射预编码

如图4所示，发射机包括有预编码参数处理模块30，图6所示为预编码参数处理模块的功能框图，预编码处理包括空间子信道功率分配(p₁...p_q)和发射波束形成(w₁...w_q)两个主要功能，图6中分别对应为空间子信道功率分配模块301，信道参数的信道估计模块302和奇异值分解(SVD)模块303。由于预编码处理需要发射机知道当前信道状态信息，在本发明中，发射机通过反馈信道或直接估计反向信道来获得当前信道状态信息的统计值，然后用统计值来估计当前的信道状态信息H。用信道均值和发射相关矩阵来估计当前信道信息的一个实施例为：首先，获得信道均值和发射相关矩阵，假设H_i为实时信道信息估计，L为信道相关时间长度或观察窗宽度，那么信道均值H_m和发射相关矩阵R_t为：

$H_m=\frac{1}{L}\underset{i=-L+1}{\overset{0}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i---\left(1\right)$

$R_t=\frac{1}{N_r}(\frac{1}{L}\underset{i=-L+1}{\overset{0}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i^{*}{H}_i-H_m^{*}{H}_m)---\left(2\right)$

这里，N_r为接收天线元数目。那么，当前信道信息的估计为：

$H=H_m+H_w{R}_t^{1/2}---\left(3\right)$

这里，H_w为N_r×N_t维复高斯随机矩阵，其元素具有零均值、单位方差。N_t为发射天线元数目。

获取波束赋形向量w₁...w_q主要过程包括：首先，发射机对信道矩阵估计H进行奇异值(SVD)分解，可表示为H＝UDV^H，其中，D为对角矩阵，对角线元素的平方表示子信道增益，非零对角线元素个数表示可用空间子信道数目。取D的对角线上q个非零数字，进行平方操作后就是q个活动子信道的增益。然后，取V的前q列列向量，即为发射波束赋形向量w₁...w_q。

图7为获取波束赋形向量w₁...w_q的细分处理流程，如图，包括：

步骤701，发射机估计信道状态信息；

步骤702，对估计信道状态信息矩阵进行奇异值分解(SVD)；

步骤703，根据输入MCI获得活动子信道数目q；

步骤704，输出q个活动子信道增益，为q个最大特征值的平方；

步骤705，取SVD分解的q个最大特征值对应的右特征向量作为子信道发射波束方向向量w1...wq。

发射功率的分配需要q个活动子信道的增益，在本发明中，还加入了调制编码的信息，因此，在具体实施中，可以在给定频谱效率的条件下，以最大化系统容量、最小化目标误码率或最小化均方误差等进行优化发射功率分配。图8为发射功率分配处理流程图，如图，包括如下步骤：

步骤801，根据MCI获得子信道调制编码信息；

步骤802，输入活动子信道增益；

步骤803，空间子信道优化发射功率分配，获得q个活动空间子信道的发射功率分配p₁...p_q。

空间子信道功率分配的一个实施例为在总的发射功率P_T的约束下，最小化系统误码率(BER)的空间子信道最优化功率分配。其约束优化方程可以表示为方程(4)：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{p_i}{\min }{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^q{\mathrm{\α}}_i\·Q\left(\sqrt{{\mathrm{\β}}_i\·{\mathrm{SINR}}_i}\right)\\ s.t.{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^q{p}_i\≤P_T,p_i\≥0\end{array}\right.---\left(4\right)$

这里，SINR_i为第i个空间子信道的信干噪比；Q(.)为Q函数，依据方程(5)定义； ${\mathrm{\α}}_i=4(1-1/{\sqrt{M}}_i),$ β_i＝3/(M_i-1)，M_i为第i个空间子信道的调制阶数，依据MCI给出。通过求解方程(4)，获得为每个空间子信道的优化发射功率分配。

$Q\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{\∫}_x^{\∞}{e}^{-{\mathrm{\λ}}^2}{d}_{\mathrm{\λ}}---\left(5\right)$

由上可知。本发明在考虑了AMC的同时，也考虑了自适应发射功率分配与发射波束赋形，即AMC与pre-coding级联设计；基于发射机信道状态信息的不可靠性和调制阶的离散性和有限性，本发明采用了接收机信号处理与AMC决策反馈的策略，即每个空间子信道的调制编码方式由接收机处理决策，然后只将决策结果反馈给发射机，而预编码仍然由发射机根据估计的CSI进行设计。本发明在实现复杂度、性能和可实现性上都取得了平衡和提高。因此，本发明具有以下主要特点：

1)AMC是接收机根据测量的空间子信道的SINR/SNR和设定阈值确定的，反馈最终的调制编码选择索引。接收机根据估计的信道状态信息，确定每个子信道的调制编码方式后，从“字典”中找到相应的索引，然后将索引通过反馈信道反馈给发射机。发射机根据索引，从“字典”中获得相应的调制编码方式。

2)发射预编码是根据发射机侧获得的信道状态信息的统计信息和反馈的MCI共同确定的，即发射功率分配是发射机侧估计信道条件、子信道调制编码方式等因素共同决定的；预编码不直接使用瞬时信道状态信息，而是使用信道状态信息的统计信息(CSI)，如均值、方差和相关矩阵参数。这些CSI的获得有以下几种方式：1)在TDD系统中，发射机通过估计反向信道，在一个比较长的时间段或时间窗内，利用获得反向信道估计，获得前向信道的统计信息，如信道均值等。2)在FDD系统，接收机估计信道信息后，计算信道的统计信息，如信道均值等，然后通过反馈信道发送给发射机。

3)复杂度、可实现性和性能合理平衡的AMC与pre-coding级联设计结构。特别的，本发明大大降低了反馈信息量。

正因为本发明具有以上特点，所以相对现有技术具有以下优势：

1)利用接收机侧获得的近似完美的信道状态信息，本发明的AMC能够比较准确地反映快速的无线信道变化，获得较好的鲁棒性能；其次，降低了反馈信道的带宽需求。

2)本发明降低了发射机的实现复杂度。虽然现有技术的全自适应AMC级联发射预编码设计理论上是性能最优化的，但是，实现复杂度很高，导致信号处理延迟大，在快速变化无线环境下性能大大降低。此外，由于实际系统的调制编码的离散特性，现有技术的最优化实现获得调制编码必须服从于有限的离散的调制编码方式，从而导致性能损失。

3)本发明更有利于实际系统实现。通常，AMC系统只能使用有限信号调制编码方式，所以，该方法在性能与实现复杂度上进行了折中考虑。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1. 一种每空间子信道的速率和功率控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，接收机根据接收机侧估计的信道状态信息，确定每个空间子信道的调制编码方式；

步骤二，接收机将所选择的调制编码方式通知发射机；

步骤三，发射机根据信道状态信息的统计值，以及各空间子信道的调制编码方式进行预编码。

2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二包括：

步骤a，将记录有各种调制编码方式的调制编码表预先分别存储在接收机和发射机中；

步骤b，接收机根据在所述调制编码表中不同空间子信道所选择的调制编码方式的位置来确定索引信息；

步骤c，接收机将所述索引信息通过反馈信道发送给发射机；

步骤d，发射机根据所述索引信息在所述调制编码表中找到不同空间子信道所选择的调制编码方式，并确定使用的空间子信道数目q。

3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤一包括：

步骤A，接收机测量和估计每个空间子信道的信干噪比/信噪比；

步骤B，将每个空间子信道的信干噪比/信噪比与设定的阈值进行比较，根据阈值对应的调制阶为每个空间子信道选择对应的调制编码方式。

4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述统计值为信道状态信息的均值、方差和/或相关矩阵参数。

5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤三中，如果是处于时分双工系统的条件下，则通过如下方式确定所述统计值：发射机通过估计反向信道，利用在一个信道相干时间段或设定的时间窗内获得的反向信道估计来计算所述统计值。

6. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤三中，如果是处于频分双工系统的条件下，则通过如下方式确定所述统计值：接收机利用在一个信道相干时间段或设定的时间窗内获得的信道状态信息来计算所述统计值，并通过反馈信道将所述统计值反馈给发射机。

7. 一种每空间子信道的速率和功率控制装置，其特征在于，包括：

接收机，用于根据接收机侧估计的信道状态信息，确定每个空间子信道所选择的调制编码方式，并将所选择的调制编码方式通知发射机；

发射机，用于根据信道状态信息的统计值和各空间子信道的调制编码方式进行预编码。

8. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述发射机中进行预编码处理的部分包括依据信道参数的信道估计模块、奇异值分解模块和空间子信道功率分配模块；

所述依据信道参数的信道估计模块，用于使用所述信道状态信息的统计值来获得当前的信道状态信息矩阵；

所述奇异值分解模块，用于对信道状态信息矩阵进行奇异值分解，得到q个活动空间子信道的增益，并进一步得到发射波束赋形向量；

所述空间子信道功率分配模块，用于根据子信道所选择的调制编码方式和所述q个活动子信道的增益来确定q个活动子信道的发射功率分配。

9. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述接收机和所述发射机中都存储有调制编码表，所述调制编码表记录有各种调制编码方式，所述接收机根据在所述调制编码表中不同子信道所选择的调制编码方式的位置来确定索引信息，并将所述索引信息通过反馈信道发送给所述发射机，所述发射机根据所述索引信息在所述调制编码表中找到不同子信道所选择的调制编码方式。

10. 根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述统计值为信道状态信息的均值、方差和/或相关矩阵参数。

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