CN101277171A - 多天线通信系统信号速率控制方法 - Google Patents

Abstract

一种多天线信号速率控制方法，包括步骤：接收端确定各发送天线信号的检测顺序；基于误差传播，计算各发送天线的等价信噪比并反馈到发送端；发送端根据由接收端反馈的等价信噪比确定各天线的编码与调制参量，对数据流进行编码与调制，并发送；接收端对接收到的数据流进行检测并进行干扰恢复、干扰抵消。根据本发明的方法在等价信噪比的计算中充分考虑了误差传播的影响，从而提高了等价信噪比的精度，改善了发送端编码与调制参量选择的有效性与可靠性，提升了系统性能。同时该方法运算复杂度增加很小，并且基本不改变现有系统的架构，因此具有较好的实用价值。

Description

多天线通信系统信号速率控制方法

技术领域

本发明涉及多天线通信系统中的信息传输领域，特别地，涉及一种多天线信号速率控制方法。

背景技术

(1)BLAST技术与多天线信号检测方法

利用多天线空间复用BLAST技术，可以在有限的频谱资源条件下，有效提升数据传输速率。

现有BLAST检测方法分为线性检测(包括迫零检测ZF、最小均方误差检测MMSE等)与非线性检测(包括迫零加干扰抵消检测ZF-SIC、最小均方误差加干扰抵消检测MMSE-SIC等)。相比于线性检测，非线性检测方法以运算复杂度的增加为代价，可有效提升系统性能。同时，与线性检测不同，非线性检测中的顺序干扰抵消方法中存在所谓“误差传播”(Error Propagation)问题。

以下对线性与非线性BLAST检测方法做简要说明。

线性检测方法

设接收信号为

r＝Hs+n，

其中，H为N×M信道矩阵，s为M维发送信号矢量，r为N维接收信号矢量，n为N维独立高斯白噪声矢量，M与N分别为系统发送与接收天线数目。

对于ZF迫零检测方法，

${\hat{s}}_{\mathrm{ZF}}={\left(H^{H}H\right)}^{-1}{H}^{H}r=s+{\left(H^{H}H\right)}^{-1}{H}^{H}n.$

对于MMSE最小均方误差检测方法，

${\hat{s}}_{\mathrm{MMSE}}={(H^{H}H+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}{H}^{H}r=s+{(H^{H}H+{\mathrm{\σ}}^{2}I)}^{-1}{H}^{H}n.$

其中，

与

分别为不同方法下已检测信号的M维矢量。

非线性检测方法

相比于线性检测，非线性技术以运算复杂度的增加为代价，可有效提升系统性能。

以下简要说明BLAST非线性检测方法中的顺序干扰抵消方法。该方法的基本原理是在检测当前信号的过程中将来自于已检测成分的干扰去掉，从而减小干扰对较小信噪比数据的影响，该原理类似于判决反馈均衡。

图1描述了每天线编码BLAST系统中顺序干扰抵消的检测过程。

如图1所示，在接收端，检测顺序确定模块101确定各发送天线信号的检测顺序。等价信噪比计算与反馈模块102计算各发送天线的等价信噪比并反馈至发送端。空时检测模块103对数据流进行检测。译码与解调模块104对检测出的数据进行信道译码与解调。判决模块105对译码后的数据进行判决。编码与调制模块106对检测、判决后的数据进行信道编码和调制。干扰抵消模块107将检测出的数据从接收的信号中抵消掉。在发送端，速率控制模块201根据由接收端反馈的等价信噪比来确定各天线的编码与调制参量。

以下说明检测过程：

对于ZF-SIC检测器，定义

对于MMSE-SIC检测器，定义

进行以下过程一，可以得到一个判决信号：

过程一： $k_i=\arg \min {\left|\right|{\left(G_i\right)}_j\left|\right|}^2\⇒{w_k}_i={{\left(G_i\right)}_k}_i\⇒{y_k}_i=w_{k_i}^T{r}_i\⇒{{\hat{a}}_k}_i=Q\left({y_k}_i\right)$

其中，k₁，k₂，...，k_M为检测过程中对发送天线的排序。

然后，进行以下过程二，将已检测信号的影响从接收信号中减去，并确定新的伪逆阵，确定新的判决顺序。

过程二：

这样形成了一个循环过程，循环进行过程一及过程二，直到i＝M。至此，所有信号均判决完毕，循环过程结束。

由以上过程，在BLAST系统的顺序干扰抵消检测方法中，存在所谓“误差传播”问题。即在以上顺序检测过程中，此前被误判的信号将影响当前信号的检测。误差传播对非线性检测方法性能有较大影响。

(2)信号速率控制方法

考虑到无线信道的时变与空间选择特性，在空间复用的多天线通信系统中，每个天线在不同时间所发送数据流的等价信噪比是不同的，且可能差别很大。因此，在多天线通信系统中，如果在时域与空域采用相同的调制和编码方式，则对于等价信噪比较大的数据流采用低的编码速率和低的调制阶数，信噪比将有所浪费，反之，对于等价信噪比较小的数据流采用高的编码速率和高的调制阶数，则可能会超过该信道所支持的信道容量。

基于以上考虑，在多天线通信系统中引入速率控制技术。即对等价信噪比较高的数据流采用相对高的编码速率与调制阶数，而对等价信噪比较低的数据流采用相对低的编码速率与调制阶数，从而同时满足无线链路QoS保障与系统吞吐量最大化的要求。

多天线通信系统发送端的速率控制原理如图2所示。

等价信噪比的计算是多天线通信系统中速率控制技术性能优劣的关键点之一。现有的带有速率控制的多天线通信系统中，在等价信噪比的计算中均没有考虑误差传播的影响。需要改善的就是针对采用非线性检测的多天线通信系统存在的“误差传播”问题，调整等价信噪比的计算，以非常小的运算复杂度增加为代价，实现系统吞吐量的有效提升。

发明内容

本发明的目的是提供一种多天线信号速率控制方法，能够以非常小的运算复杂度增加为代价，实现多天线BLAST系统吞吐量有效提升。

为实现上述目的，一种多天线信号速率控制方法，包括步骤：

接收端确定各发送天线信号的检测顺序；

基于误差传播，计算各发送天线的等价信噪比并反馈到发送端；

发送端根据由接收端反馈的等价信噪比确定各天线的编码与调制参量，对数据流进行编码与调制，并发送；

接收端对接收到的数据流进行检测并进行干扰恢复、干扰抵消。

根据本发明的方法在等价信噪比的计算中充分考虑了误差传播的影响，从而提高了等价信噪比的精度，改善了发送端编码与调制参量选择的有效性与可靠性，提升了系统性能。同时该方法运算复杂度增加很小，并且基本不改变现有系统的架构，因此具有较好的实用价值。

附图说明

图1采用速率控制与顺序干扰抵消检测的每天线编码BLAST系统接收端原理图

图2采用速率控制的BLAST系统发送端原理图

图3根据现有技术的采用非线性检测的BLAST系统中进行速率控制的原理图

图4根据本发明的采用非线性检测的BLAST系统中进行速率控制的原理图

图5不同调制与编码方式(MCS)在白高斯信道下的频谱效率

图6本发明方案与现有技术方案的吞吐量性能比较

具体实施方式

目前，在根据现有技术的采用非线性检测的多天线BLAST通信系统中，进行速率控制的原理如图3所示。

在该系统中，第i个进行检测的天线K_i的等价信噪比的计算方法为

$K_i=\underset{j}{\arg \min }{\left|\right|{\left(G_i\right)}_j\left|\right|}^2$

其中，P₁为系统发送端的信号发送总功率，δ²为接收天线端的噪声方差。

计算得到的等价信噪比由反馈信道反馈至发送端，作为发送端不同编码与调制参量MCS(Modulation & Coding Mode)的选择依据。

然而，需要指出的是，以上方法并未考虑非线性检测过程中误差传播对等价信噪比的影响。即：在以上方法中，总是假设在顺序干扰抵消的过程中，每次检测的误符号率均为0。然而，在实际系统中，该假设并不合理。因此，以该等价信噪比为依据选择的编码与调制参量在可靠性及有效性方面均非最优。

基于以上考虑，本发明从调整多天线通信系统等价信噪比的计算方法入手，以期提高等价信噪比的精度，从而改善MCS选择的可靠性与有效性，并提高系统吞吐量。

考虑误差传播对多天线等价信噪比的影响，本发明在等价信噪比的计算中引入由误差传播导致的等价噪声。

在该发明中，第i个进行检测的天线K_i的等价信噪比的计算公式如下：

其中，

$K_i=\underset{m}{\arg \min }{\left|\right|{\left(G_i\right)}_m\left|\right|}^2,$

$j=\underset{m}{\arg \min }{\left|\right|{\left(G_k\right)}_m\left|\right|}^2$

上式中，

为矩阵G_i的K_i行，(H_k)_j为矩阵H_k的第j列，N_t为发送端天线数目，SER_k为等价信噪比条件下采用相应编码与调制方式时白高斯信道下的误符号率。在白高斯信道条件下，当编码与调制方式确定时，误符号率SER仅与信噪比SNR有关，且当SNR为定值时，SER也为定值。因此，该值可事先通过仿真得到，并在方案实施的过程中作为已知量建表备查。该值事先通过仿真得到，并在方案实施的过程中作为已知量建表备查。

根据本发明的采用该速率控制方法的系统原理如图4如示，图中阴影部分为本发明提出的等价信噪比计算方法。

本实施例采用了由4个发送天线和4个接收天线组成的多天线BLAST通信系统。信道为准静态平坦瑞利衰落信道。

速率控制在发送端每天线上进行，通过不同的编码与调制方式实现。调制方式分别为BPSK、QPSK、16QAM和64QAM，编码采用Turbo编码，分别采用1/3和1/2码率。

编码与调制方式(MCS)组合如下：

MCS1：1/3编码速率&BPSK调制；

MCS2：1/2编码速率&BPSK调制；

MCS3：1/3编码速率&QPSK调制；

MCS4：1/2编码速率&QPSK调制；

MCS5：1/3编码速率&16QAM调制；

MCS6：1/2编码速率&16QAM调制；

MCS7：1/3编码速率&64QAM调制；

MCS8：1/2编码速率&64QAM调制。

不同调制与编码方式在白高斯信道下的频谱效率如图5所示。

仿真结果如图6所示。图中横坐标为系统发送端总功率与接收端噪声的SNR，纵坐标为系统吞吐量指标。

由图6，改进的方案系统吞吐量性能较未改进的方案有明显改善，且在低信噪比情况下，系统吞吐量增益尤为明显。

Claims (6)

1. 一种多天线信号速率控制方法，包括步骤：

接收端确定各发送天线信号的检测顺序；

基于误差传播，计算各发送天线的等价信噪比并反馈到发送端；

发送端根据由接收端反馈的等价信噪比确定各天线的编码与调制参量，对数据流进行编码与调制，并发送；

接收端对接收到的数据流进行检测并进行干扰恢复、干扰抵消。

2. 按权利要求1所述的多天线信号速率控制方法，其特征在于在计算等价信噪比的步骤中，如下计算第i个检测天线K_i的等价信噪比：

其中，

$K_i=\underset{m}{\arg \min }{\left|\right|{\left(G_i\right)}_m\left|\right|}^2,$ $j=\underset{m}{\arg \min }{\left|\right|{\left(G_k\right)}_m\left|\right|}^2$

为矩阵G_i的K_i行，(H_k)_j为矩阵H_k的第j列，N_t为发送端天线数目，SER_k为等价信噪比条件下采用相应编码与调制方式时白高斯信道下的误符号率。

3. 按权利要求2所述的多天线信号速率控制方法，其特征在于预先得到所述误符号率，并作为已知量建表备查。

4. 按权利要求1所述的多天线信号速率控制方法，其特征在于所述天线为多发多收天线。

5. 按权利要求1所述的多天线信号速率控制方法，其特征在于使用ZF-SIC检测器对接收到的数据流进行信号检测。

6. 按权利要求1所述的多天线信号速率控制方法，其特征在于使用MMSE-SIC检测器对接收到的数据流进行信号检测。

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