CN101252419A - 多天线传输系统中利用信道统计信息的容量评估方法 - Google Patents

Abstract

多天线传输系统中利用信道统计信息的容量评估方法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评估容量的方法。容量评估是多天线传输系统进行链路自适应的基础，该方法按以下步骤进行：首先利用信道估计的结果获取信道统计信息，然后获取特征模式上的信道耦合矩阵及其扩展形式，进而通过基于多项式的快速积和式计算获取容量的评估值。本发明提供的容量评估方法能以较低的复杂度获取逼近理论值的评估值。

Description

多天线传输系统中利用信道统计信息的容量评估方法

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评估容量的方法。

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。

与传统的单天线发送和单天线接收系统相比，MIMO无线通信系统的信道环境更为复杂，影响信道容量的因素更多，在终端移动过程中，终端与基站之间的信道可能历经不同的类型，其容量随之有较大幅度的变化。为适应信道环境的变化，需根据容量的不同进行自适应编码调制：当信道容量较高时，可采用高阶调制和高码率的纠错码；当信道容量较低时，可采用低阶调制和低码率的纠错码。显然，容量评估结果的正确与否对系统的有效性和可靠性有着举足轻重的影响，寻求快速有效的容量评估方法，无疑是重要的。

在典型的移动通信环境下，特别是高速移动通信环境下，信道瞬时信息是快速时变的，而其统计信息在相当长一段时间内是近似不变的。因此，利用信道统计信息进行容量评估是合适的。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种多天线传输系统中利用信道统计信息的容量评估方法，本发明提供的方法，它能够在复杂信道环境下对容量进行快速有效的评估。

技术方案：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。本发明中的利用信道统计信息的容量评估方法按如下步骤进行：

步骤1)在接收端，根据信道参数估计值H，用

和

分别计算信道的发送相关阵R_t和接收相关阵R_r，其中，上标

表示矩阵的共轭转置运算，E{·}表示期望运算；

步骤2)、分别对信道发送相关阵R_t和接收相关阵R_r进行特征分解，得到发送端的特征矩阵U_t和接收端的特征矩阵U_r；

步骤3)、按如下公式计算特征模式上的信道耦合矩阵Ω：

其中，

表示特征模式上的信道参数，上标(·)^*表示矩阵的共轭运算，算子□表示矩阵的Hadamard乘积；

步骤4)、按如下公式计算特征模式上扩展的信道耦合矩阵

$\widehat{\mathrm{\Ω}}\left(z\right)=1_{N_R\×N_T}+z\left(\mathrm{\γ\Ωdiag}\left(\mathrm{\λ}\right)\right)$

其中，1_NR×NT表示维度为N_R×N_T，组成元素均为1的矩阵，z是变量，γ是接收信噪比，λ是由分配给各特征模式的功率所组成的向量，diag(λ)表示主对角元为λ的对角阵；

步骤5)、计算矩阵

的积和式，并将其表示为关于变量z的多项式；

步骤6)、利用步骤5)中

的多项式系数，按如下公式计算容量的评估值：

$\hat{C}=\log {\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{\min (N_R,N_T)}{c}_k{\mathrm{\μ}}_k$

其中，c_k＝|N_t-N_r|！/(max(N_t，N_r)-k)！，μ_k是

的多项式系数，N_t和N_r分别表示发送和接收天线的个数。

本发明所述的多天线传输系统中利用信道统计信息的容量评估方法，所述的信道统计信息指的是特征模式上的信道耦合矩阵和接收信噪比。

有益效果：本发明提供了一种多天线传输系统中利用信道统计信息的容量评估方法，该方法具有如下优点：

1、本方案仅需要信道的统计信息，适用于各种移动速度的无线通信系统；

2、本方案中的容量评估方法计算复杂度低；

3、本方案中的容量的评估值逼近其理论值。图1给出容量的评估值与理论值的一个比较实例，其中横坐标表示接收信噪比，纵坐标表示信道容量。由此可以看出，采用本发明所提供的方法得到的容量的评估值与其理论值十分逼近。

附图说明

图1是容量的评估值与理论值的比较实例。

图2是不同计算方法下积和式计算复杂度的比较实例。

具体实施方式

为使本发明中的技术方案更加清楚明白，下面对该方案进行具体描述。

我们用N_r×N_t的矩阵H表示信道矩阵，信道矩阵H建模为：

(公式1)

  

其中，

U_t和U_r分别为N_t×N_t和N_r×N_r的确定的酉矩阵，D为N_r×N_t的确定的实“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)，M为N_r×N_t的确定的实矩阵，H_iid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N_r×N_t的随机矩阵。

根据信息论，多天线系统的容量可表示为：

其中，

表示特征模式上的信道参数，γ是接收信噪比，λ是由分配给各特征模式的功率所组成的向量，diag(λ)表示主对角元为λ的对角阵。当发送端未知信道信息时，分配给各特征模式的功率均相等；当发送端已知信道信息时，分配给各特征模式的功率均由相应的功率分配算法决定。由于公式2在一般信道模型下不存在闭式解，因此无法利用公式2进行实时的容量评估。通过理论分析可以得到容量的一个评估值为：

$\hat{C}=\log \mathrm{Per}\left(\right[I_{N_r}\mathrm{\γ\Ωdiag}\left(\text{\λ}\right)\left]\right)$ (公式3)

其中，Per(·)表示积和式算子。图1是容量的评估值

与理论值C的比较实例。

公式3需要计算一个维度为N_r×(N_t+N_t)的矩阵积和式。为进一步降低运算量，本发明提供一种基于多项式系数的快速积和式计算法方法。该方法由可将维度为N_r×(N_r+N_t)的矩阵积和式降为维度为N_r×N_t的矩阵积和式。目前计算积和式方法主要有两种：一种是利用Ryser公式进行计算，另一种是利用Laplace展开式进行计算。图2给出了不同计算方法下积和式计算复杂度比较的一个实例，其中收发天线的个数均为4。

本发明的具体实施方式如下：

步骤1)、利用信道估计的结果计算信道的发送相关阵R_t和接收相关阵R_r

步骤2)、分别对信道发送相关阵和接收相关阵进行特征分解

步骤3)、计算特征模式上的信道耦合矩阵Ω

步骤4)、计算特征模式上扩展的信道耦合矩阵

$\widehat{\mathrm{\Ω}}\left(z\right)=1_{N_R\×N_T}+z\left(\mathrm{\γ\Ωdiag}\left(\mathrm{\λ}\right)\right)$ (公式9)

步骤5)、计算

的积和式，并将其表示为关于变量z的多项式

$\mathrm{Per}\left(\widehat{\mathrm{\Ω}}\left(z\right)\right)={\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{\min (N_R,N_T)}{\mathrm{\μ}}_k{z}^k$ (公式10)

步骤6)、利用的系数计算容量的评估值

$\hat{C}=\log {\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{\min (N_R,N_T)}{c}_k{\mathrm{\μ}}_k$ (公式11)

其中，c_k＝|N_t-N_r|！/(max(N_t，N_r)-k)！。

Claims (2)

1. 一种多天线传输系统中利用信道统计信息的容量评估方法，其特征在于信道统计信息指的是特征模式上的信道耦合矩阵和接收信噪比，该方法包括以下步骤：

步骤1)在接收端，根据信道参数估计值H，用

和

分别计算信道的发送相关阵R_t和接收相关阵R_r，其中，上标

表示矩阵的共轭转置运算，E{·}表示期望运算；

步骤2)、分别对信道发送相关阵R_t和接收相关阵R_r进行特征分解，得到发送端的特征矩阵U_t和接收端的特征矩阵U_r；

步骤3)、按如下公式计算特征模式上的信道耦合矩阵Ω：

其中，

表示特征模式上的信道参数，上标(·)^*表示矩阵的共轭运算，算子□表示矩阵的Hadamard乘积；

步骤4)、按如下公式计算特征模式上扩展的信道耦合矩阵

$\widehat{\mathrm{\Ω}}\left(z\right)=1_{N_R\×N_T}+z\left(\mathrm{\γ\Ωdiag}\left(\mathrm{\λ}\right)\right)$

其中，1_NR×NT表示维度为N_R×N_T，组成元素均为1的矩阵，z是变量，γ是接收信噪比，λ是由分配给各特征模式的功率所组成的向量，diag(λ)表示主对角元为λ的对角阵；

步骤5)、计算矩阵

的积和式，并将其表示为关于变量z的多项式；

步骤6)、利用步骤5)中

的多项式系数，按如下公式计算容量的评估值：

$\hat{C}=\log {\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{\min (N_R,N_T)}{c}_k{\mathrm{\μ}}_k$

其中，c_k＝|N_t-N_r|！/(max(N_t，N_r)-k)！，μ_k是

的多项式系数，N_t和N_r分别表示发送和接收天线的个数。

2. 根据权利1所述的多天线传输系统中利用信道统计信息的容量评估方法，其特征在于所述的信道统计信息指的是特征模式上的信道耦合矩阵和接收信噪比。

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