CN101340218A - 多输入多输出系统中通信方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信领域，公开了一种多输入多输出系统中通信方法及装置，通过将尚未分配的功率集中分配给最容易提高调制编码阶数的子信道，可以在相同的总功率下提高频谱的利用率。通过多次优化可以充分利用尚未分配的功率。当尚未分配的功率已无法再提高任何子信道的调制编码阶数时，可以将尚未分配的功率平均分配给各传输数据的子信道，从而进一步系统的差错性能。使用码本反馈功率分配矢量，可以有效地减少信息的反馈量。同时使用两个码本，分别反馈功率分配矢量和预编码矩阵，可以在有限反馈的条件下提高系统的传输性能。

Description

多输入多输出系统中通信方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及多输入多输出(Multiple InputMultiple Output，简称“MIMO”)系统中与功率分配相关的技术。

背景技术

目前，MIMO技术在无线通信系统中的应用越来越受到重视，无论是从增加系统容量的角度还是改善系统性能的角度，MIMO都有其不可替代的优越性。MIMO主要分为两大类，一类是以最大化分集增益为目的的空间分集技术，另一类则是以最大化数据速率为目的的空分复用技术。MIMO系统通过分别在发送端和接收端放置多根天线以提高无线链路在频谱效率及链路的可靠性。其中，基于空分复用技术的MIMO系统在多天线上发射独立数据流，获得空间复用增益，提高数据传输速率。

近年来的研究表明，线性预编码是一种简单而有效的利用信道信息提高空分复用MIMO系统性能的方法。目前对预编码的研究中大都基于发送端已知完整的信道状态信息(Channel State Information，简称“CSI”)这一假设条件。然而，在很多MIMO系统中，上、下行信道不具有互易性，此时发送端只能通过反馈信道来获取CSI。由于频谱资源的限制，在信道的相干时间内反馈信道仅可以提供有限的反馈比特数。因此，在实际的点对点MIMO系统预编码设计时，为了减少反馈信息量，经常采用码本形式来设计预编码。通过在收、发端维护一个相同的预编码码本，接收端按照估计的CSI从码本选择一个最优的码字，通过反向控制链路反馈给发送端，研究结果表明系统以较少的反馈信息量获得了较大的性能提升。

对有限反馈的空分复用MIMO系统而言，通常在各子信道间进行等功率分配，然而由于无线通信系统通常需要满足一定的服务质量(Quality ofService，简称“QoS”)要求，如目标误帧率(Frame Error Rate，简称“FER”)或目标误比特率(Bit Error Rate，简称“BER”)。要获得理想的系统容量，需要无限长的码字和连续的调制星座图尺寸与连续的功率分配值，调度器不会将待发送数据放在不能满足QoS要求的严重衰落子信道上发送，另外，在实际中也不可能使用连续的调制星座图尺寸。

基于自适应调制编码方式(Modulation and Coding Scheme，简称“MCS”)的有限反馈空分复用MIMO系统模型如图1所示，假设发送端配置N_t根发射天线，接收端配置N_r根接收天线，空分复用的独立子数据流个数为M，1≤M＜min(N_t，N_r)。假设信道是准静态平坦瑞利衰落，即信道在一帧内保持不变，在帧间独立变化，信道矩阵元素间是独立同公布的，且服从均值为0，方差为1的复高斯随机分布。假设系统具有理想信道估计、符号同步接收和定时，在接收端得到的控制信息无延迟和差错反馈回发送端。在图1中发送端预编码由功率分配矩阵和波束形成矩阵两个功能模块组成，且接收端输出信号可以表示为：

$y=\sqrt{E_s}\mathrm{HWGx}+n---\left(1\right)$

其中y表示为N_r×1维的接收信号矢量，E_s表示为发送端总功率，N_r×N_t维信道矩阵H由复高斯随机变量组成，n表示为N_r×1维噪声矢量，其元素由独立同分布的高斯随机变量CN(0，σ²)组成，W为N_t×M维的波束形成矩阵， $G={\left(\mathrm{diag}\left(g\right)\right)}^{\frac{1}{2}}$ 为M×M维非负对角化矩阵，其中g＝(g₁，g₂，......，g_M)为M路子数据流对应的归一化功率分配矢量，并对其归一化为： $\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{g}_i=1,M\×1$ 维的发射信号矢量X＝[x₁，x₂，......，x_M]^T由M个相互独立的符号组成，由于功率约束的原因，每个符号功率归一化为1，即 $E\left[x_i{x}_i^T\right]=1,$ 其中[·]^T为转置操作符，E[·]为期望运算符。

空分复用MIMO系统接收的信号由相互干扰的独立子数据流组成，在已知完整CSI的情况下，可以在发送端采用特征波束形成方法消除符号间干扰。将MIMO信道矩阵H进行SVD分解可以表示为：

H＝UΛV^H(2)

其中U是N_r×N_r维的左特征矢量矩阵，V是N_t×N_t维的右特征矢量矩阵，Λ是N_r×N_t维的非负对角化矩阵，Λ矩阵的对角元由信道矩阵H的奇异值组成。通过发送端特征波束形成(令多波束矢量W为V)以及接收信号矢量左乘于矩阵U^H，即可将信道分成N_t个并行独立等效子信道，因此式(1)可表述为：

$U^{H}y=\sqrt{E_s}{U}^H\mathrm{VGx}+U^{H}n=\sqrt{E_s}\mathrm{\ΛGx}+U^{H}n---\left(3\right)$

需要指出的是，上述方案要求发送端(如基站)精确已知接收端(如终端)的完整CSI，要求接收端反馈完整CSI给发送端，然而受反馈频谱资源的限制，实现起来比较困难。因此在实际应用中，单终端MIMO系统预编码设计时往往采用码本的方式减少反馈量，即在发送端和接收端同时维护一个已知预编码矩阵的集合，即码本。常用的如Grassmannian码本和高通码本，接收端根据估计的信道信息从码本中选取一个最优的预编码矩阵，并把该矩阵在码本中的编号反馈给发送端以供查询。研究表明，在有限比特数反馈下，空分复用MIMO系统最优的预编码矩阵可以等效为功率控制系数矩阵和多波束矢量的乘积，而最优的多波束矢量可以在平均功率约束下，采取优化准则从码本中选取。针对信道矩阵H的一个实现，基于信噪比(SignalNoise ratio，简称“SNR”)准则的多波束形成矢量W选取准则为：

$W=\underset{W_i\∈\mathrm{\Ω}}{\arg \max }{\mathrm{\λ}}_{\min }\left\{H{W}_i\right\}---\left(4\right)$

式中λ_min{A}表示矩阵A的最小奇异值，Ω表示由L个尺度为N_t×M维码字矩阵W₁，W₂，......，W_L组成的码本，其元素W_i满足 ${W_i}^H{W}_i=I.$ 因此接收端可以按一定顺序遍历选取码本中的元素，根据式(4)给定的准则，选取最优的波束形成矩阵W。研究表明，当L→∞时，波束形成矩阵W就是信道矩阵H的右特征矢量V前面M列。

若波束形成矩阵为W，由于量化误差的影响，接收端信号矢量左乘于矩阵U^H后得到的各路数据流存在相互干扰，因此为了消除各路数据之间的干扰，假设在接收端采用迫零检测，对接收信号y进行迫零处理后得到的输出信号为：

$\stackrel{\‾}{x}={\left({\stackrel{\‾}{H}}^H\stackrel{\‾}{H}\right)}^{-1}{\stackrel{\‾}{H}}^{H}y=x+\tilde{n}---\left(5\right)$

式中H＝HWG，噪声项 $\tilde{n}={\left({\stackrel{\‾}{H}}^H\stackrel{\‾}{H}\right)}^{-1}{\stackrel{\‾}{H}}^{H}n,$ x的第k个元素x_k为检测第k路数据流x_k的判决变量，根据调制方式对其进行硬判决即完成对x_k的迫零检测。由式(5)可知，判决变量x_k对应的信噪比为：

${\mathrm{SNR}}_k^{\mathrm{ZF}}=\frac{E_s{g}_k}{{\mathrm{\σ}}^2{\left[{\left(W^H{H}^H\mathrm{HW}\right)}^{-1}\right]}_{k,k}}---\left(6\right)$

基于有限反馈的空分复用MIMO系统，由于多波束形成矢量量化误差的影响，使接收端各子信道存在相互干扰，为了消除各路数据间的干扰，假设在接收端采用迫零检测算法完全消除子信道间符号干扰，因此在给定波束形成矩阵W的条件下，各子信道的检测信噪比可以通过式(6)来计算。采用Gray映射的方形正交调幅(Quarduture Amplitude Modulation，简称“QAM”)信号，在给定调制方式以及检测信噪的情况下，其BER性能可近似表示为：

$\mathrm{BER}\≈{\mathrm{\α}}_R\mathrm{erfc}\left(\sqrt{{\mathrm{\β}}_R\mathrm{\γ}}\right)---\left(7\right)$

式中 ${\mathrm{\α}}_R=\frac{2}{R}(1-\frac{1}{\sqrt{2^R}}),$ ${\mathrm{\β}}_R=\frac{3}{2(2^R-1)},$ R为调制符号包含信息位。因此在给定每路数据目标误比特率为BER₀情况下，每路数据的调制方式取决于判决变量的信噪比。

假设发送端有J种可采用的调制方式： $2^{R_1}\mathrm{QAM},2^{R_2}\mathrm{QAM},2^{R_3}\mathrm{QAM},......,2^{R_J}\mathrm{QAM},$ 其中R₁＜R₂＜......＜R_J。可得到这些调制方式实现目标BER₀分别需要的信噪比域值：γ₁，γ₂，…γ_J。针对目标BER受限的功率分配问题，当检测信噪比SNR＜γ₁时，则不发送数据；当SNR≥γ_J，则采用

当γ_j≤SNR＜γ_j+1，则采用

其中，j＝1，2，......，J-1。

然而，本发明的发明人发现，在采用上述MCS的情况下，如果系统采用等功率分配方案，则每路子信道的功率仅有一部分用于选取的能获得最大传输速率的MCS。这是因为，每路子信道分配到的功率与其它子信道分配到的功率相等，因此通常情况下分配到的功率将略大于本路子信道使用的MCS所需的功率，而剩余功率则将用于改善系统的差错性能，所以，总发射功率未被有效利用，影响了频谱的利用率。

发明内容

本发明实施方式要解决的主要技术问题是提供一种多输入多输出系统中通信方法及装置，使得在相同的总功率下频谱的利用率得以提高；

本发明的另一个目的在于减少信息的反馈量。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种多输入多输出系统中功率分配方法，包括至少一次下面的优化步骤：

比较每个子信道支持比当前更高一阶的调制编码方式需要增加的功率，选择需要增加的功率最小的一个子信道，从尚未分配的功率中取出所选的子信道更高一阶调制编码方式所需要增加的功率分配给该路子信道。

本发明的实施方式还提供了一种多输入多输出系统中功率分配方法，包括以下步骤：

按照上文所述的方法进行功率分配；

如果分配有功率的至少一个子信道不能满足服务质量要求，则关闭该子信道，在剩余的各子信道中重新按照上文所述的方法进行功率分配。

本发明的实施方式还提供了一种多输入多输出系统中功率分配装置，包括：

比较单元，用于比较每个子信道支持比当前更高一阶的调制编码方式需要增加的功率；

选择单元，用于根据比较单元得到的结果，选择需要增加的功率最小的一个子信道；

分配单元，用于从尚未分配的功率中取出选择单元所选的子信道更高一阶调制编码方式所需要增加的功率分配给该路子信道。

本发明的实施方式还提供了一种多输入多输出系统中反馈方法，包括以下步骤：

接收端根据当前信道条件，从功率分配码本中选择最佳的功率分配矢量，将该功率分配矢量在功率分配码本中的序号反馈给发送端，指示该发送端以该序号在与该接收端相同的功率分配码本中对应的功率分配矢量为各子信道进行功率分配；其中，功率分配码本包含至少两个功率分配矢量。

本发明的实施方式还提供了一种多输入多输出系统中接收装置，包括：

第一存贮单元，用于保存功率分配码本，该功率分配码本中包含至少两个功率分配矢量；

第一码字选择单元，用于根据当前信道条件，从第一存贮单元保存的功率分配码本中选择最佳的功率分配矢量；

第一反馈单元，用于将第一码字选择单元所选的功率分配矢量在功率分配码本中的序号反馈给发送端。

本发明的实施方式还提供了一种多输入多输出系统中发送装置，包括：

第一存贮单元，用于保存与接收端相同的功率分配码本，该功率分配码本中包含至少两个功率分配矢量；

第一接收单元，用于接收来自接收端的代表功率分配矢量的序号；

第一查找单元，用于根据第一接收单元收到的序号从第一存贮单元保存的功率分配码本中找到对应的功率分配矢量；

功率分配单元，根据第一查找单元找到的功率分配矢量为各子信道进行功率分配。

本发明的实施方式还提供了一种功率分配码本的构造方法，包括以下步骤：

A对码本和平均失真进行初始化；

B生成训练序列；

C按照训练序列对于当前码本最小误差将整个取值空间分割为M个分割域，将训练序列中所有矢量分配到与该矢量距离最近的分割域中，其中M为码本中矢量的维数；

D计算训练序列中各矢量与当前码本中各矢量之间的平均失真；

E如果本次计算所得的平均失真小于前一次平均失真，则将码本中各矢量更新为各分割域中平均失真最小的矢量并回到步骤B，否则将当前码本作为最终的功率分配码本。

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

通过将尚未分配的功率集中分配给最容易提高调制编码阶数的子信道，可以在相同的总功率下提高频谱的利用率。

使用码本反馈功率分配矢量，可以有效地减少信息的反馈量。

通过聚类的方法可以有效地生成最优的功率分配码本。

附图说明

图1是现有技术中基于自适应MCS的有限反馈空分复用MIMO系统模型示意图；

图2是根据本发明第一实施方式的MIMO系统中功率分配方法流程图；

图3是根据本发明第三实施方式的MIMO系统中功率分配装置结构示意图；

图4是根据本发明第四实施方式的MIMO系统中反馈方法流程图；

图5是根据本发明各实施方式的仿真结果示意图；

图6是根据本发明第六实施方式的MIMO系统中接收装置结构示意图；

图7是根据本发明第七实施方式的MIMO系统中发送装置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明的第一实施方式涉及一种MIMO系统中功率分配方法，在本实施方式中，比较每个子信道支持比当前更高一阶的MCS需要增加的功率，选择需要增加的功率最小的一个子信道，从尚未分配的功率中取出所选的子信道更高一阶MCS所需要增加的功率分配给该路子信道，直至尚未分配的功率小于所选的子信道更高一阶MCS所需要增加的功率，具体流程如图2所示。

在步骤210中，按等功率分配方案为每个子信道初步确定MCS，为每个子信道分配支持该初步确定的MCS必需的功率。

具体地说，首先根据目标BER₀性能要求，计算J种调制方式 ${(2}^{R_1}\mathrm{QAM},2^{R_2}\mathrm{QAM},2^{R_3}\mathrm{QAM},...,2^{R_J}\mathrm{QAM})$ 对应的信噪比域值γ₁，γ₂，… γ_J，然后初始化归一化功率分配矢量g，使其每个元素为0(g_k＝0，1，2，......，k)、各子信道数据流的调制阶数q_k＝0，1，2，......，k，以及剩余发射功率P＝E_S，其中K为支持的数据流个数，初始化为信道矩阵H的秩。

然后，根据式(4)定义的选择准则，从长度为L的码本Ω中选取最优的波束形成矩阵W，其中W的尺度为N_t×K。选取的波束形成矩阵W即为每个子信道初步确定的MCS，接着，为每个子信道分配支持该初步确定的MCS必需的功率。

在本步骤中，使用等功率分配方案初步确定各子信道的MCS，从而可以较快速地对各子信道的MCS和功率分配进行初始化。

接着，进入步骤220，比较每个子信道支持比当前更高一阶的MCS需要增加的功率，并选择需要增加的功率最小的一个子信道。

具体地说，计算各子信道数据流采用更高一阶MCS所需增加的功率ΔP_k，其中k＝1，2，......，K，。然后，选择采用更高一阶MCS所需功率最小的子信道 $\stackrel{\‾}{k}=\arg \underset{k-1,...,M}{\min }\mathrm{\Δ}{P}_k$ 及所需增加的功率 $\mathrm{\Δ}{P}_{\min }=\underset{k-1,...M}{\min }\mathrm{\Δ}{P}_k.$

接着，进入步骤230，判断尚未分配的功率是否大于所选的子信道更高一阶MCS所需要增加的功率，即是否满足P≥ΔP_min。如果P≥ΔP_min，则进入步骤240，如果P＜ΔP_min，则进入步骤250。

在步骤240中，从尚未分配的功率中取出所选的子信道更高一阶MCS所需要增加的功率分配给该路子信道。也就是说，若P≥ΔP_min，则P＝P-ΔP_min，q_k＝q_k+1，g_k＝g_k+ΔP_k/E_s。在完成本步骤后，回到步骤220，继续比较每个子信道支持比当前更高一阶的MCS需要增加的功率，并选择需要增加的功率最小的一个子信道。

由此可见，通过将尚未分配的功率集中分配给最容易提高调制编码阶数的子信道，可以在相同的总功率下提高频谱的利用率。而且，通过多次优化可以充分利用尚未分配的功率。

如果P＜ΔP_min，则进入步骤250，将该尚未分配的功率平均分配到每个子信道。具体地说，若P＜ΔP_min则先确定可用子信道数M，该M满足 $M=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}1\left\{g_k\right\}$ 或 $M=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}1\left\{q_k\right\},$ 其中 $1\left\{x\right\}=\left\{\begin{array}{c}1,x>0\\ 0,x\≤0\end{array}\right..$ 由于剩余功率(即尚未分配的功率)已无法再提高任何子信道的调制编码阶数时，因此，可以将尚未分配的功率平均分配给各传输数据的子信道，从而进一步系统的差错性能。即将剩余功率P在M个可用子信道上进行再分配 $g_k=g_k+\frac{P}{E_{s}M},s.t.g_k>0.$

值得一提的是，在本实施方式中，为每个子信道初步确定MCS是以按等功率分配方案为例来说明的，在实际应用中，可以采用除等功率分配方案外的其它的方式，来为每个子信道初步确定MCS，如将每路子信道都定为最低阶的MCS。

本发明的第二实施方式涉及一种MIMO系统中功率分配方法，本实施方式在第一实施方式的基础上，进一步判断分配有功率的子信道是否能满足QoS要求，如果分配有功率的子信道不能满足QoS要求，则关闭该子信道，在剩余的各子信道中重新按照第一实施方式中所述的功率分配方法进行功率分配，直至所有分配有功率的子信道均能满足QoS要求。

具体地说，在按照第一实施方式中所述的功率分配方法进行功率分配后，某些空分复用子信道可能由于严重衰落不能满足QoS要求而关闭，这样实际可用波束数将小于信道矩阵H的秩。因为在码本长度一定的情况下，随着形成波束个数的增加，对波束形成矩阵W的量化误差也随着增加，所以为了减少量化误差，需要对第一实施方式中的功率分配方法进行改进。

首先假设波束形成矩阵W为信道矩阵H的右特征矢量矩阵V，运用第一实施方式中的功率分配方法确定可用的子信道的数目M_opt，然后令k等于M_opt，再重新进行功率分配，直至所有分配有功率的子信道均能满足QoS要求。

不难发现，在本实施方式中，通过关闭无法满足QoS需求的子信道，并对剩余的各子信道的功率分配重新进行优化，从而可以充分利用原先分配给这些被关闭子信道的功率。

本发明的第三实施方式涉及一种MIMO系统中功率分配装置，如图3所示，包括：比较单元，用于比较每个子信道支持比当前更高一阶的MCS需要增加的功率；选择单元，用于根据该比较单元得到的结果，选择需要增加的功率最小的一个子信道；分配单元，用于从尚未分配的功率中取出该选择单元所选的子信道更高一阶MCS所需要增加的功率分配给该路子信道。以便将尚未分配的功率集中分配给最容易提高调制编码阶数的子信道，从而在相同的总功率下提高频谱的利用率。

本实施方式中的装置还可以包括初始化单元、第一控制单元和均分单元。该初始化单元用于为每个子信道初步确定MCS，为每个子信道分配支持初步确定的MCS必需的功率。该初始化单元在为每个子信道分配支持初步确定的MCS必需的功率后，指示比较单元、选择单元、和分配单元分配尚未分配的功率。

该第一控制单元用于控制该比较单元、选择单元、和分配单元重复地分配尚未分配的功率，直至该尚未分配的功率小于选择单元所选的子信道更高一阶MCS所需要增加的功率，通过多次优化可以充分利用尚未分配的功率。

该均分单元用于在将尚未分配的功率平均分配到每个子信道。该第一控制单元判定尚未分配的功率小于选择单元所选的子信道更高一阶MCS所需要增加的功率时，指示该均分单元将尚未分配的功率平均分配到每个子信道，从而进一步系统的差错性能。

另外，本实施方式中的装置还可以包括第二控制单元，用于在比较单元、选择单元、分配单元、和第一控制单元完成功率分配后，判断是否存在分配有功率的不能满足QoS要求的子信道，如果存在则关闭该子信道，并指示比较单元、选择单元、分配单元、和第一控制单元在剩余的各子信道中重新进行功率分配，从而充分利用原先分配给这些被关闭子信道的功率。

本发明的第四实施方式涉及一种MIMO系统中反馈方法，由于接收端在每个反馈周期内应向发送端反馈的消息包括多波束形成矢量W的波束数M_opt及其在尺度为N_t×M_opt的码本Ω中的序号、M_opt个数据流对应的调制阶数q_k(k＝1，2，…，M_opt)，和功率分配系数。而采用上述各实施方式的功率分配方法只在可用子信道之间分配功率，因此接收端只需要反馈M个可用子信道对应的功率分配系数即可，其中 $M=\underset{k=1}{\overset{M_{\mathrm{opt}}}{\mathrm{\Σ}}}1\left\{g_k\right\}=\underset{k=1}{\overset{M_{\mathrm{opt}}}{\mathrm{\Σ}}}1\left\{q_k\right\},$ $1\left\{x\right\}=\left\{\begin{array}{c}1,x>0\\ 0,x\≤0\end{array}\right..$

从反馈的数据类型可以看出，除功率分配系数外，其它反馈数据都可以用有限位比特表示，为了减少反馈量，需要对功率分配系数进行量化。通常有两种方法对矢量进行量化，一种方法为标量量化方法，即对每个矢量元素进行量化的方法，另一种方法为矢量量化方法，即按照矢量的统计特性，将其设计成码本形式，然后按某种准则从该码本中则选择最优码字作为其量化结果的方法。相关研究表明，矢量量化的效果优于标量量化，即在相同的反馈量的情况下，后者的量化误差更小。此外，由于在发射总功率及信道条件变化时，功率分配矢量g的维数M将变化，因此本实施方式将不同维的功率分配矢量设计成不同尺度的码本形式，并且在发送端和接收端都保存包含这些功率分配矢量的功率分配码本。接收端将根据功率分配结果从功率分配码本选取最佳的功率分配矢量，并将该功率分配矢量在码本中的序号反馈给发送端，发送端以该序号在功率分配码本中对应的码字作为功率分配系数，从而为各子信道进行功率分配。

本实施方式的具体流程如图4所示，在步骤410中，接收端根据第一或第二实施方式中所述的功率分配方法为各子信道进行功率分配。

接着，在步骤420中，接收端从功率分配码本中，选择与在步骤410中得到的功率分配结果最接近的功率分配矢量，作为最佳的功率分配矢量。下面对功率分配码本的构造进行具体说明。

假设存在约束( $\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{g}_i=1$ 及g_k＞0，

)的功率分配矢量g＝[g₁，g₂，…，g_M]^T为各态历经分布，由其决定的M维空间经矢量量化后将被分割为L个决策区域R_i，1≤i≤L，每一个决策区域包括一个重建矢量r_i＝[r₁，r₂，…，r_M]，即码字，由重建矢量形成的集合即为码本C。本实施方式定义量化失真测度为：

$J=E\left\{\underset{1\≤i\≤L}{\min }d(g,r_i)\right|g\∈R_i\}=\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{R_i}\{d(g,r_i)\}P(g\∈R_i)---\left(8\right)$

式中d(x，y)表示向量x和向量y间的欧氏距离，P_g(g)＝P(g∈R_i)表示随机矢量g落在决策区域R_i的概率。根据失真测度分析，需要获得最佳重建向量r_i，必需知道概率分布P_g(g)，但是这个信息在实际上难于获得和求解。在实际工程中可采用聚类的方法，依矢量之间的欧氏距离将其分类，最后找出每一类别的重心，即码向量。基于以上分析，本实施方式提出了一种基于K-均值聚类的功率分配码本设计方法，其步骤如下：

(1)确定码本的大小L以及码字的维度M。设t＝0，给定初始化码本 $C^t=\{r_1^t,r_2^t,...,r_L^t\}$ 及失真测度J^t＝inf，其中 $r_k^t=\mathrm{abs}\left(\mathrm{rand}(1,M)\right),$ 并对其归一化 $r_k^t=r_k^t/\mathrm{sum}\left(r_k^t\right),k=1,...,L.$

(2)生成N个M×1维的训练序列T(g₁ ^t，g₁ ^t，…，g_N ^t)，其中 $g_k^t=\mathrm{abs}\left(\mathrm{rand}(1,M)\right),$ 并对其归一化 $g_k^t=g_k^t/\mathrm{sum}\left(g_k^t\right),k=1,...,N,$ 为了使T具有遍历性应使N远远大于M。

(3)针对码本C^t，找出训练序列T对于码本的最小误差分割，使训练序列T中所有的矢量都分配到与之距离最近的分割域R_i中：

$R_i=\left\{g^t\right|d(g^t,r_i)<d(g^t,r_j),\&ForAll;j\&NotEqual;i\},i=1,...,L---\left(9\right)$

且假设在分割域R_i中的向量个数为M_i，i＝1，…，L。

(4)计算平均失真 $J^{t+1}=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\min d(g_k^t,r_i),$ 其中1≤i≤L。

(5)若J^t-J^t+1＞ε，更新码本C^t，其码向量r_i是使 $\frac{1}{M_i}\underset{g\&Element;R_i}{\mathrm{\&Sigma;}}d(g,r_i)$ 最小的值，即 $r_i=\frac{1}{M_i}\underset{g\&Element;R_i}{\mathrm{\&Sigma;}}g;$ 令t＝t+1，返回第(2)步。若J^t-J^t+1≤ε，C^t即为所求维度为M的功率分配码本。

在接收端完成功率分配后，最优的功率分配矢量可以以失真率最小为准则，从步骤(1)至(5)中所设计的功率分配码本中选取：

$g_s=\underset{r_i\&Element;C}{\arg \min }d(g,r_i),i=\mathrm{1,2},...,L---\left(10\right)$

式中C表示由L个矢量r₁，r₂，…，r_L组成的码本，其中每个矢量的维数与功率分配矢量g相同，g_s为选取的功率分配矢量。

接着，在步骤430中，接收端将选取的功率分配矢量在功率分配码本中的序号反馈给发送端，指示该发送端以该序号在与该接收端相同的功率分配码本中对应的功率分配矢量为各子信道进行功率分配。

由于在本实施方式中，接收端使用码本反馈功率分配矢量，有效地减少了信息的反馈量。并且，通过聚类的方法可以有效地生成最优的功率分配码本。

本发明的第五实施方式涉及一种MIMO系统中反馈方法，本实施方式在第四实施方式的基础上，进一步使用预编码码本向发送端反馈预编码矩阵。

也就是说，接收端还需根据当前信道条件，从预编码码本中选择最佳的预编码矩阵，将该预编码矩阵在预编码码本中的序号反馈给发送端，指示发送端以该序号在与该接收端相同的预编码码本中对应的预编码矩阵为各子信道进行预编码，其中，预编码码本中包含至少两个预编码矩阵。

由此可见，本实施方式不仅使用了功率分配码本，还使用了预编码码本，分别反馈功率分配矢量和预编码矩阵，从而在有限反馈的条件下进一步提高了系统的传输性能。

经仿真结果显示，采用上述各实施方式中的功率分配方法或反馈方法，均增加了系统的频谱利用率，该仿真结果如图5所示。图5给出了不同预编码及功率分配方案所实现的平均频谱效率随信噪比变化的性能曲线，其中信噪比定义为E_s/σ²。由图5可见，各方案的平均频谱效率都随着信噪比的增加而增加，这是由于信噪比的增加导致了可用数据流数目及各数据流的调制阶数增加。由于在目前的自适调制通信系统中，各路子信道功率仅有一部份用于选取的能获得最大传输速率的MCS，因此总发射功率未被有效利用，其实际可获得的频谱效率与第一或第二实施方式中的基于自适应MCS的功率分配(CSIT-MPA)方案相比相差较大。在相同信噪比条件下，基于自适应MCS的功率分配(CSIT-MPA)方案的频谱效率高于注水(CSIT-WF)方案，也高于图其它几种方案。此外，由于有效利用了信道反馈信息，在相同信噪比条件下，基于有限反馈预编码矩阵的等功率分配(LFBF-EPA)方案的频谱效率高于未进行预编码的等功率分配(EPA)方案的频谱效率。在相同信噪比条件下，基于双码本有限反馈的功率分配与预编码(LFBF-MPA)方案频谱效率明显高于基于有限反馈预编码矩阵的等功率分配(LFBF-EPA)方案，这说明了采用LFBF-MPA方案能带来频谱效率的进一步增加。

本发明的第六实施方式涉及一种MIMO系统中接收装置，如图6所示，包括：第一存贮单元，用于保存功率分配码本，该功率分配码本中包含至少两个功率分配矢量；第一码字选择单元，用于根据当前信道条件，从该第一存贮单元保存的功率分配码本中选择最佳的功率分配矢量；第一反馈单元，用于将该第一码字选择单元所选的功率分配矢量在该功率分配码本中的序号反馈给发送端。由于接收装置可通过功率分配码本中的序号向发送端反馈功率分配矢量，因此可有效地减少信息的反馈量。

其中，第一码字选择单元进一步包括：第三实施方式中所述的功率分配装置，以及匹配子单元，用于从功率分配码本中选择与该功率分配装置输出的功率分配结果最接近的功率分配矢量作为最佳的功率分配矢量。

本实施方式中的接收装置还可以包括：第二存贮单元，用于保存预编码码本，该预编码码本中包含至少两个预编码矩阵；第二码字选择单元，用于根据当前信道条件，从该第二存贮单元保存的预编码码本中选择最佳的预编码矩阵；第二反馈单元，用于将该第二码字选择单元所选的预编码矩阵在该预编码码本中的序号反馈给发送端。也就是说，本实施方式中的接收装置不仅使用了功率分配码本，还使用了预编码码本，分别向发送端反馈功率分配矢量和预编码矩阵，从而在有限反馈的条件下有效地提高了系统的传输性能。

本发明的第七实施方式涉及一种MIMO系统中发送装置，如图7所示，包括：第一存贮单元，用于保存与接收端相同的功率分配码本，该功率分配码本中包含至少两个功率分配矢量；第一接收单元，用于接收来自接收端的代表功率分配矢量的序号；第一查找单元，用于根据该第一接收单元收到的序号从该第一存贮单元保存的功率分配码本中找到对应的功率分配矢量；功率分配单元，根据该第一查找单元找到的功率分配矢量为各子信道进行功率分配。

另外，本实施方式中的发送装置还可以包括：第二存贮单元，用于保存与接收端相同的预编码码本，该预编码码本中包含至少两个预编码矩阵；第二接收单元，用于接收来自接收端的代表预编码矩阵的序号；第二查找单元，用于根据该第二接收单元收到的序号从该第二存贮单元保存的预编码码本中找到对应的预编码矩阵；预编码单元，根据第二查找单元找到的预编码矩阵为各子信道进行预编码。

综上所述，在本发明的实施方式中，通过将尚未分配的功率集中分配给最容易提高调制编码阶数的子信道，可以在相同的总功率下提高频谱的利用率。

通过多次优化可以充分利用尚未分配的功率。

当尚未分配的功率已无法再提高任何子信道的调制编码阶数时，可以将尚未分配的功率平均分配给各传输数据的子信道，从而进一步系统的差错性能。

可以使用等功率分配方案初步确定各子信道的调制编码方式，从而可以较快速地对各子信道的调制编码方式和功率分配进行初始化。

通过关闭无法满足QoS需求的子信道，并对剩余的各子信道的功率分配重新进行优化，可以充分利用原先分配给这些被关闭子信道的功率。

使用码本反馈功率分配矢量，可以有效地减少信息的反馈量。

同时使用两个码本，分别反馈功率分配矢量和预编码矩阵，可以在有限反馈的条件下提高系统的传输性能。

通过聚类的方法可以有效地生成最优的功率分配码本。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (21)

1.一种多输入多输出系统中功率分配方法，其特征在于，包括至少一次下面的优化步骤：

比较每个子信道支持比当前更高一阶的调制编码方式需要增加的功率，选择需要增加的功率最小的一个子信道，从尚未分配的功率中取出所选的子信道更高一阶调制编码方式所需要增加的功率分配给该路子信道。

2.根据权利要求1所述的多输入多输出系统中功率分配方法，其特征在于，重复执行所述优化步骤，直至尚未分配的功率小于所选的子信道更高一阶调制编码方式所需要增加的功率。

3.根据权利要求2所述的多输入多输出系统中功率分配方法，其特征在于，所述尚未分配的功率小于所选的子信道更高一阶调制编码方式所需要增加的功率时，将该尚未分配的功率平均分配到所述每个子信道。

4.根据权利要求1所述的多输入多输出系统中功率分配方法，其特征在于，所述优化步骤之前还包括以下步骤：

为所述每个子信道初步确定调制编码方式，为所述每个子信道分配支持所述初步确定的调制编码方式必需的功率。

5.根据权利要求4所述的多输入多输出系统中功率分配方法，其特征在于，所述为每个子信道初步确定调制编码方式的步骤中，按等功率分配方案初步确定所述每个子信道的调制编码方式。

6.一种多输入多输出系统中功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

按照权利要求1至5中任一项所述的方法进行功率分配；

如果分配有功率的至少一个子信道不能满足服务质量要求，则关闭该子信道，在剩余的各子信道中重新按照权利要求1至5中任一项所述的方法进行功率分配。

7.根据权利要求6所述的多输入多输出系统中功率分配方法，其特征在于，重复执行所述“如果分配有功率的至少一个子信道不能满足服务质量要求，则关闭该子信道，在剩余的各子信道中重新按照权利要求1至5中任一项所述的方法进行功率分配”的步骤，直至所有分配有功率的子信道均能满足服务质量要求。

8.一种多输入多输出系统中功率分配装置，其特征在于，包括：

比较单元，用于比较每个子信道支持比当前更高一阶的调制编码方式需要增加的功率；

选择单元，用于根据所述比较单元得到的结果，选择需要增加的功率最小的一个子信道；

分配单元，用于从尚未分配的功率中取出所述选择单元所选的子信道更高一阶调制编码方式所需要增加的功率分配给该路子信道。

9.根据权利要求8所述的多输入多输出系统中功率分配装置，其特征在于，还包括：

第一控制单元，用于控制所述比较单元、选择单元、和分配单元重复地分配所述尚未分配的功率，直至该尚未分配的功率小于所述选择单元所选的子信道更高一阶调制编码方式所需要增加的功率。

10.根据权利要求9所述的多输入多输出系统中功率分配装置，其特征在于，还包括均分单元，用于将尚未分配的功率平均分配到所述每个子信道；

所述第一控制单元判定所述尚未分配的功率小于所述选择单元所选的子信道更高一阶调制编码方式所需要增加的功率时，指示所述均分单元将尚未分配的功率平均分配到所述每个子信道。

11.根据权利要求9所述的多输入多输出系统中功率分配装置，其特征在于，还包含第二控制单元，用于在所述比较单元、选择单元、分配单元、和第一控制单元完成功率分配后，判断是否分配有功率的至少一个子信道不能满足服务质量要求，如果是则关闭该子信道，并指示所述比较单元、选择单元、分配单元、和第一控制单元在剩余的各子信道中重新进行功率分配。

12.根据权利要求8所述的多输入多输出系统中功率分配装置，其特征在于，还包含初始化单元，用于为所述每个子信道初步确定调制编码方式，为所述每个子信道分配支持所述初步确定的调制编码方式必需的功率；

所述初始化单元为所述每个子信道分配支持所述初步确定的调制编码方式必需的功率后，指示所述比较单元、选择单元、和分配单元分配尚未分配的功率。

13.一种多输入多输出系统中反馈方法，其特征在于，包括以下步骤：

接收端根据当前信道条件，从功率分配码本中选择最佳的功率分配矢量，将该功率分配矢量在功率分配码本中的序号反馈给发送端，指示该发送端以该序号在与所述接收端相同的功率分配码本中选择对应的功率分配矢量为各子信道进行功率分配；其中，所述功率分配码本包含至少两个功率分配矢量。

14.根据权利要求13所述的多输入多输出系统中反馈方法，其特征在于，所述从功率分配码本中选择最佳的功率分配矢量的步骤进一步包括以下子步骤：

根据权利要求1至7中任一项所述的方法为各子信道进行功率分配；

从所述功率分配码本中选择与所述功率分配结果最接近的功率分配矢量作为最佳的功率分配矢量。

15.根据权利要求13所述的多输入多输出系统中反馈方法，其特征在于，还包括以下步骤，

接收端根据当前信道条件，从预编码码本中选择最佳的预编码矩阵，将该预编码矩阵在预编码码本中的序号反馈给发送端，指示发送端以该序号在与所述接收端相同的预编码码本中选择对应的预编码矩阵为各子信道进行预编码，其中，所述预编码码本中包含至少两个预编码矩阵。

16.一种多输入多输出系统中接收装置，其特征在于，包括：

第一存贮单元，用于保存功率分配码本，该功率分配码本中包含至少两个功率分配矢量；

第一码字选择单元，用于根据当前信道条件，从所述第一存贮单元保存的功率分配码本中选择最佳的功率分配矢量；

第一反馈单元，用于将所述第一码字选择单元所选的功率分配矢量在所述功率分配码本中的序号反馈给发送端。

17.根据权利要求16所述的多输入多输出系统中接收装置，其特征在于，所述第一码字选择单元进一步包括：

权利要求8至12中任一项所述的功率分配装置；

匹配子单元，用于从所述功率分配码本中选择与所述功率分配装置输出的功率分配结果最接近的功率分配矢量作为所述最佳的功率分配矢量。

18.根据权利要求16所述的多输入多输出系统中接收装置，其特征在于，还包括：

第二存贮单元，用于保存预编码码本，该预编码码本中包含至少两个预编码矩阵；

第二码字选择单元，用于根据当前信道条件，从所述第二存贮单元保存的预编码码本中选择最佳的预编码矩阵；

第二反馈单元，用于将所述第二码字选择单元所选的预编码矩阵在所述预编码码本中的序号反馈给发送端。

19.一种多输入多输出系统中发送装置，其特征在于，包括：

第一存贮单元，用于保存与接收端相同的功率分配码本，该功率分配码本中包含至少两个功率分配矢量；

第一接收单元，用于接收来自所述接收端的代表功率分配矢量的序号；

第一查找单元，用于根据所述第一接收单元收到的序号从所述第一存贮单元保存的功率分配码本中找到对应的功率分配矢量；

功率分配单元，根据所述第一查找单元找到的功率分配矢量为各子信道进行功率分配。

20.根据权利要求19所述的多输入多输出系统中发送装置，其特征在于，还包括：

第二存贮单元，用于保存与接收端相同的预编码码本，该预编码码本中包含至少两个预编码矩阵；

第二接收单元，用于接收来自所述接收端的代表预编码矩阵的序号；

第二查找单元，用于根据所述第二接收单元收到的序号从所述第二存贮单元保存的预编码码本中找到对应的预编码矩阵；

预编码单元，根据所述第二查找单元找到的预编码矩阵为各子信道进行预编码。

21.一种功率分配码本的构造方法，其特征在于，包括以下步骤：

A对码本和平均失真进行初始化；

B生成训练序列；

C按照所述训练序列对于当前码本最小误差将整个取值空间分割为M个分割域，将所述训练序列中所有矢量分配到与该矢量距离最近的分割域中，其中M为码本中矢量的维数；

D计算所述训练序列中各矢量与当前码本中各矢量之间的平均失真；

E如果本次计算所得的平均失真小于前一次平均失真，则将码本中各矢量更新为各所述分割域中平均失真最小的矢量并回到步骤B，否则将当前码本作为最终的功率分配码本。

Images