CN101325434B - 用于blast多天线通信系统的天线发射功率分配方法及发射装置 - Google Patents

Abstract

一种用于BLAST多天线通信系统的天线发射功率分配方法及发射装置，其首先由连续干扰抵消接收机将估计的平均接收信噪比反馈回通信系统的发射机，然后所述发射机根据接收的平均接收信噪比将发射功率分配至各发射天线以使所述连续干扰抵消接收机经过信号检测后所获得的信号向量符号错误概率最小，如此可减少需要的反馈信道信息量，同时也使通信系统的误比特性能得到较大的改善。

Description

用于BLAST多天线通信系统的天线发射功率分配方法及发射装置

技术领域

本发明涉及一种用于BLAST多天线通信系统v天线发射功率分配方法及发射装置。

背景技术

在无线通信系统中，为越来越多的移动用户提供高速率数据和多媒体业务已经日益迫切，而基于多个发送与接收天线的多天线(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技术现已证明是提供高速无线数据和多媒体业务的有潜力的方法。

目前，在开环多天线系统中，多个发射天线上分配相同的发射功率，由于该系统不需要反馈信道，因此发射机也不能充分利用多天线信道的瞬时衰落特性，导致通信容量受到限制。而在采用预编码技术和现有功率分配方案的多天线发射机中，其虽然可以有效利用瞬时信道信息，但需要信道状态信息全部或部分反馈，致使反馈开销大。

因此，如何解决现有技术存在的缺点实已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于BLAST(Bell Laboratories space time)多天线通信系统的天线发射功率分配方法，以实现通信系统传输性能的改善。

本发明的另一目的在于具有功率分配的多天线发射装置，以减小通信系统的反馈量。

为了达到上述目的及其他目的，本发明提供的用于采用连续干扰抵消接收机接收通信信号的用于BLAST多天线通信系统的天线发射功率分配方法，包括步骤：1)所述连续干扰抵消接收机接收到通信信号后按照 $\mathrm{SNR}=\left(\underset{i=1}{\overset{\mathrm{Nt}}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i{{\mathrm{\σ}}_s}^2\right)/{{\mathrm{\σ}}_n}^2=\frac{\mathrm{Nt}{{\mathrm{\σ}}_s}^2}{{{\mathrm{\σ}}_n}^2}$ 计算出平均接收信噪比，其中，SNR为平均接收信噪比，Nt为发射天线数目，P_i为估计的第i个天线的发射功率，

为估计的发射符号平均能量，σ_n ²为信道噪声方差；2)所述连续干扰抵消接收机将所述平均接收信噪比反馈回与所述连续干扰抵消接收机相对应的发射机；3)所述发射机根据接收的平均接收信噪比将发射功率分配至各发射天线以使所述连续干扰抵消接收机经过信号检测后所获得的信号向量符号错误概率最小，其中，所述信号向量符号错误概率为 $1-\underset{i=1}{\overset{\mathrm{Nt}}{\mathrm{\Π}}}(1-0.2{\log }_{2}M{\left(\frac{1}{1+\frac{3P_i\mathrm{SNR}}{2\mathrm{Nt}(M-1)}}\right)}^{\mathrm{Nr}-i+1}),$ M为星座点符号总数，且 $\underset{i=1}{\overset{\mathrm{Nt}}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i=\mathrm{Nt}.$

其中，所述步骤3)采用拉格朗日乘法分配所述发射功率，所述步骤3)也可包括步骤：(1)设定初始搜索功率值及搜索步长；(2)根据所述初始搜索功率值及搜索步长计算每次搜索的信号向量符号错误概率；(3)根据所得到的每次搜索的信号向量符号错误概率确定其最小值，进而以确定所述最小值对应的发射功率。

此外，本发明还提供一种具有功率分配的多天线发射装置，其包括：用于接收由与多天线发射装置对应的连续干扰抵消接收机反馈回的平均接收信噪比的平均接收信噪比接收模块、用于根据所述平均接收信噪比按照前述的用于BLAST多天线通信系统的天线发射功率分配方法将发射功率分配至各发射天线的功率分配模块、及采用各分配有相应功率的天线将通信信号予以发射的发射模块

综上所述，本发明的用于BLAST多天线通信系统的天线发射功率分配方法及发射装置利用反馈的接收信噪比(Signal-to-noise ration，SNR)优化多个发射天线的发射功率，如此可使需要的反馈信道信息量少，同时也使通信系统的误比特性能得到较大的改善。

附图说明

图1为本发明的具有功率分配的多天线发射装置的基本结构示意图。

图2为采用本发明的用于BLAST多天线通信系统天线发射功率分配方法的4×4的4QAM多天线通信系统与现有的通信系统的性能比较图。

图3为采用本发明的用于BLAST多天线通信系统天线发射功率分配方法的6×6的16QAM多天线通信系统与现有的通信系统的性能比较图。

具体实施方式

请参阅图1及图2，本发明的用于BLAST多天线通信系统的天线发射功率分配方法中，所述多天线通信系统采用连续干扰抵消(successive interference cancellation，SIC)接收通信信号，所述方法所执行的步骤如下：

第一步：所述SIC接收机接收到通信信号后计算出平均接收信噪比 $\mathrm{SNR}=\left(\underset{i=1}{\overset{\mathrm{Nt}}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i{{\mathrm{\σ}}_s}^2\right)/{{\mathrm{\σ}}_n}^2=\frac{\mathrm{Nt}{{\mathrm{\σ}}_s}^2}{{{\mathrm{\σ}}_n}^2},$ 其中，SNR为平均接收信噪比，Nt为发射天线数目，P_i为估计的第i个天线的发射功率，

为估计的发射符号平均能量，σ_n ²为信道噪声方差，平均接收信噪比的获取方法及原理已经为本领域技术人员所知悉，在此不再详述。

第二步：所述SIC接收机将所述平均接收信噪比反馈回与所述SIC接收机相对应的发射机。

第三步：所述发射机根据接收的平均接收信噪比将发射功率分配至各发射天线以使所述连续干扰抵消接收机经过信号检测后所获得的信号向量符号错误概率(vector symbol errorrate，VSER)最小，通常，对于Nt×Nr的MIMO系统，调制后星座点符号序列S＝{s₁，s₂，…，s_Nt}^T(上标^T表示转置)通过功率分配模块进行不同功率调整后经Nt个天线发射出去，经过衰落信道和接收机检测判决，可得到估计的符号序列若记Nr×Nt信道衰落矩阵为H，上述发送接收过程可以描述为：

$Y=H\sqrt{P}S+z---\left(1\right)$

其中，接收符号序列Y＝{y₁，y₂，…，y_Nr}^T，z为方差σ_n ²的高斯白噪声向量，由于Nt×Nt的功率分配对角阵P满足总功率恒定的约束条件： $\underset{i=1}{\overset{\mathrm{Nt}}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i=\mathrm{Nt}---\left(2\right)$

因此，通过理论推导可计算得基于SIC接收机的VSER近似可为：

其中，M为星座点符号总数，因此，天线发射功率的分配即为找到一组(P₁，P₂…P_Nt)，使

方法一可采用拉格朗日乘法分配所述发射功率可得到最优的发射功率，即可采用拉格朗日乘法求解上述优化问题如下：

minimize F(P₁，P₂…P_Nt，λ)

        ＝f(P₁，P₂…P_Nt)-λg(P₁，P₂…P_Nt)        (5)

$G_i(P_1,P_2\·\·\·P_{\mathrm{Nt}},\mathrm{\λ})=\frac{\∂F(P_1,P_2\·\·\·P_{\mathrm{Nt}},\mathrm{\λ})}{\∂P_i}=0,i=[1,\mathrm{Nt}]$

$\left\{\begin{array}{c}{G}_i(P_1,P_2\·\·\·P_{\mathrm{Nt}},\mathrm{\λ})=0,i=[1,\mathrm{Nt}]\\ \underset{i=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i-\mathrm{Nt}=0\end{array}\right.---\left(6\right)$

符合式(6)的功率分配方案P₁，P₂，…，P_Nt即为优化的功率分配系数。

方法二可采用如下步骤搜索出相应的次优功率分配方法：

步骤1：设定初始搜索功率值及搜索步长，例如，对于4×4的多天线通信系统，设定发射天线的初始搜索功率值为0.01，搜索步长为0.01。

步骤2：根据所述初始搜索功率值及搜索步长计算每次搜索的信号向量符号错误概率，即首先取P₄为初始搜索功率值(0.01)，其它三个天线的功率分别取平均值即P₁＝P₂＝P₃＝(Nt_P₄)/3＝(4—0.01)/3＝1.33，根据该P₁、P₂、P₃、P₄即可计算出第一次搜索的VSER值VSER41，接着再根据搜索步长取P₄为0.02，其它三个天线的功率分别取平均值即P₁＝P₂＝P₃＝(Nt_P₄)/3＝(4—0.02)/3＝1.327，根据该P₁、P₂、P₃、P₄即可计算出第二次搜索的VSER值VSER42，如此逐步搜索可得到一组VSER值。

步骤3：根据所得到的每次搜索的信号向量符号错误概率确定其最小值，进而以确定所述最小值对应的发射功率，即根据前述搜索得到的一组VSER值找出其中的最小值，该最小值对应的P₄为0.35，亦即为第4个天线的发射功率，然后再重复步骤2)以确定功率P₃，即仍然是先取P₃为初始搜索功率值(0.01)，P₄已确定为0.35，而P₁、P₂分别取平均值即P₁＝P₂＝(Nt_P₃_P₄)/2＝1.82，根据该P₁、P₂、P₃、P₄即可计算出此次搜索的VSER值VSER31，仿照前述的方法按照步长继续进行搜索，即可确定第3个发射天线的发射功率P₃为0.54，接着再依次让P₂、P₁从取初始搜索功率值开始进行搜索，同样可确定第2和第1个发射天线的发射功率，其分别为P₂＝0.94，P₁＝2.17。

请参见图1，本发明的具有功率分配的多天线发射装置包括平均接收信噪比接收模块、功率分配模块、及发射模块，此外，所述具有功率分配的多天线发射装置还包括信号调制模块等必要的组件，由于该等组件都为本领域技术人员所熟悉，并非本发明的改进之处，所以在此不再赘述。

所述平均接收信噪比接收模块用于接收由与多天线发射装置对应的连续干扰抵消接收机反馈回的平均接收信噪比，其中，所述SIC接收机按照 $\mathrm{SNR}=\left(\underset{i=1}{\overset{\mathrm{Nt}}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i{{\mathrm{\σ}}_s}^2\right)/{{\mathrm{\σ}}_n}^2=\frac{\mathrm{Nt}{{\mathrm{\σ}}_s}^2}{{{\mathrm{\σ}}_n}^2}$ 计算出平均接收信噪比，并将其反馈回所述多天线发射装置。

所述功率分配模块用于根据所述平均接收信噪比按照前述的用于BLAST多天线通信系统的天线发射功率分配方法将发射功率分配至各发射天线，例如，对于4×4的多天线通信系统，前述得到的功率分配方案为P₄＝0.35、P₃＝0.54、P₂＝0.94，P₁＝2.17。

所述发射模块采用各分配有相应功率的天线将通信信号予以发射。

为进一步说明本发明的具有功率分配的多天线发射装置与现有的发射装置的差异，以下采用仿真实例进行说明：

仿真采用如下表1所列的多天线系统，请参见图2，在4x4的4正交幅度调制(QAM)多天线通信系统中，采用本发明的功率分配方法比现有不采用功率分配的通信系统有3dB的增益(VSER＝1e-2)，在6x6的16QAM多天线通信系统中，采用本发明的功率分配方法比现有不采用功率分配的通信系统有4dB的增益(VSER＝1e-2)，同时，由图2及图3可见，次优方案得到VSER结果与最优方案的结果极为逼近，由于最优方案(即采用拉格朗日乘法分配发射功率)搜索较为复杂，因此实际中常采用次优方案。

表1参数列表

 

发送/接收天线数	4x4，6x6
		信道编码	无
调制方式	4QAM，16QAM
		信道	块衰落瑞利平信道
接收机检测	ZF-SIC
		信道实现	1,000,000
搜索步长	0.01

综上所述，本发明的用于BLAST多天线通信系统的天线发射功率分配方法及发射装置根据反馈回的平均接收信噪比搜索出相应各发射天线的发射功率以使SIC检测后向量符号错误概率最小，如此功率分配的优点在于：1)仅需要反馈平均接收信噪比，反馈开销小；2)优化得到天线发射功率，保证了较好的传输性能。

Claims (4)

1.一种用于BLAST多天线通信系统的天线发射功率分配方法，其中，所述多天线通信系统采用连续干扰抵消接收机接收通信信号，其特征在于包括以下步骤：

1)所述连续干扰抵消接收机接收到通信信号后按照

计算出平均接收信噪比，其中，SNR为平均接收信噪比，Nt为发射天线数目，P_i为估计的第i个天线的发射功率，

为估计的发射符号平均能量，σ_n ²为信道噪声方差；

2)所述连续干扰抵消接收机将所述平均接收信噪比反馈回与所述连续干扰抵消接收机相对应的发射机；

3)所述发射机根据接收的平均接收信噪比将发射功率分配至各发射天线以使所述连续干扰抵消接收机经过信号检测后所获得的信号向量符号错误概率最小，其中，

所述信号向量符号错误概率为

Nr为接收天线数目，M为星座点符号总数，且

2.如权利要求1所述的用于BLAST多天线通信系统的天线发射功率分配方法，其特征在于：所述步骤3)采用拉格朗日乘法分配所述发射功率。

3.如权利要求1所述的用于BLAST多天线通信系统的天线发射功率分配方法，其特征在于所述步骤3)包括步骤：

(1)设定初始搜索功率值及搜索步长；

(2)根据所述初始搜索功率值及搜索步长计算每次搜索的信号向量符号错误概率；

(3)根据所得到的每次搜素的信号向量符号错误概率确定其最小值，进而以确定所述最小值对应的发射功率。

4.一种具有功率分配的多天线发射装置，其特征在于包括：

平均接收信噪比接收模块，用于接收由与多天线发射装置对应的连续干扰抵消接收机反馈回的平均接收信噪比；

功率分配模块，用于根据所述平均接收信噪比按照权利要求1至3任一所述的用于BLAST多天线通信系统的天线发射功率分配方法将发射功率分配至各发射天线；

发射模块，采用各分配有相应功率的天线将通信信号予以发射。

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