CN101431778A - 一种多入多出模式自适应切换方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多入多出MIMO模式自适应切换方法，以解决现有技术中计算量大，复杂度高的问题。该方法根据信道条件数确定信道等级；计算一种需要进行切换的MIMO模式的信道容量；根据信道等级和计算出的一种需要进行切换的MIMO模式的信道容量确定切换的MIMO模式。本发明还公开了一种多入多出MIMO模式自适应切换装置。本发明实施例减少了计算量，能够迅速准确地反映信道质量信息，指示MIMO模式之间的自适应切换，有效地匹配信道。

Description

一种多入多出模式自适应切换方法及装置

技术领域

本发明涉及移动通信系统领域，尤其涉及一种多入多出(MultipleInput-Multiple Output，MIMO)模式自适应切换方法及装置。

背景技术

在移动通信系统中，为了获得高有效性及高可靠性，引入了MIMO技术。由于在通信过程中很多因素使信道很难保持稳定，而每种MIMO模式只能在一定的信道条件下才能发挥其最佳的效果，为了匹配信道，就需要在不同的信道质量下使用不同的MIMO模式，保证通信质量。

目前移动通信系统中可以通过接收端向发射端反馈信道质量信息，发射端依据该信道质量信息，按照一定的准则选择最合适的MIMO模式，发射数据，达到既保证可靠性，又保证尽可能高的频谱利用率的效果，现有的MIMO模式自适应切换一般以误块率、欧拉距离、检测后信噪比(Signal-to-noise Ratio，SNR)结合空间信道特征值作为信道质量信息反馈给发射端。

以下举三种方案来描述现有技术中选择MIMO模式的过程，其中，假设MIMO模式包括两种，即MIMO模式一和MIMO模式二，且当前信道所采用的模式为MIMO模式一，具体如下：

方案一：误块率最低准则

在移动通信系统中，预测MIMO模式一的误块率和MIMO模式二的误块率，如果MIMO模式一的误块率小于MIMO模式二的误块率，系统选择MIMO模式一发送数据，否则，切换到MIMO模式二，利用MIMO模式二发送数据。

方案二：最大最小欧拉距离准则

在移动通信系统中，预测MIMO模式一的接收端空时/频编码的最小欧拉距离

和MIMO模式二接收端空时/频编码的最小欧拉距离

如果MIMO模式一的接收端空时/频编码的最小欧拉距离

小于MIMO模式二的

系统切换到MIMO模式二，利用MIMO模式二发送数据，反之选择MIMO模式一发送数据。

方案三：Demmel条件数准则

预测MIMO模式一与MIMO模式二的发射端的空时/频编码的最小欧拉距离如果Demmel条件数k_D小于等于MIMO模式一与MIMO模式二的发射端的空时/频编码的最小欧拉距离

之商，系统选择MIMO模式一发送数据；反之，切换到MIMO模式二，利用MIMO模式二发送数据。

可见，现有技术中，不论采用上述何种方案，都需要预测当前信道采用的MIMO模式和当前待选的MIMO模式的信道质量信息，比如：方案一中对两种切换模式下的误块率进行计算，方案二中的接收端空时/频编码的最小欧拉距离进行计算，方案三中对MIMO模式发射端的空时/频编码的最小欧拉距离进行计算，并且，该三种算法都需要对大量数据样本进行统计才能得到比较准确的信道质量信息，因此，在实际实现时计算量大，复杂度高，以现有的技术条件，有时甚至是不可实现的。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种多入多出模式自适应切换方法及装置，用以解决现有技术中计算量大、复杂度高的问题。

一种多入多出模式自适应切换方法，应用于包括至少两个多入多出MIMO模式的系统中，包括：

根据信道条件数确定信道等级；

计算一种需要进行切换的MIMO模式的信道容量；

根据信道等级和计算出的一种需要进行切换的MIMO模式的信道容量确定切换的MIMO模式。

一种多入多出模式自适应切换的装置，包括：

信道等级确定模块，用于根据信道条件数确定信道等级；

信道容量计算模块，用于计算一种需要进行切换的MIMO模式的信道容量；

切换模块，用于根据信道等级确定模块确定的信道等级和信道容量计算模块计算的信道容量确定切换的MIMO模式。

本发明实施例以信道容量作为信道质量信息指示切换，预先设置容量切换门限，只需要预测一种MIMO模式的信道容量，将预测值与预先设置的该模式下的容量切换门限相比较，做出切换判决，避免了预测所有切换模式的信道质量信息，特别是在切换模式比较多时，大大减少了计算量，并且计算信道容量的方法简单、准确。本发明实施例减少了计算量，能够迅速准确地反映信道质量信息，指示MIMO模式之间的自适应切换，有效地匹配信道。

附图说明

图1为本发明实施例MIMO模式自适应切换原理框图；

图2A为本发明实施例中切换流程简单示意图；

图2B为本发明实施例中MIMO模式自适应切换流程图；

图3为本发明实施例中在SDM模式和TD模式间自适应切换的仿真结果；

图4为本发明实施例的MIMO模式自适应切换装置示意图。

具体实施方式

在本发明实施例中，利用预先设置的所需切换的MIMO模式的容量切换门限与计算出的当前MIMO模式下的信道容量进行比较，做出切换判决。

本发明实施例的MIMO模式自适应切换原理如图1所示，根据信道估计中得到的信道转移矩阵计算条件数，条件数的大小代表信道相关性的高低，条件数等于1时表明信道不相关，并根据测量到的信道质量预测当前MIMO模式的信道容量。MIMO自适应门限表提供各信道等级下的条件数和进行切换的MIMO模式在各信道等级下的容量切换门限。系统根据所计算的当前信道的条件数，在MIMO自适应门限表中查找当前信道的相关等级，找出该等级下MIMO模式的容量切换门限，将此容量切换门限与测得的对应的MIMO模式的信道容量进行比较，做出切换判决。

结合图2A、图2B说明MIMO模式切换的过程：

在图2A中，信道容量Capacity从左到右依次增大，Mode 1适用于信道容量相对小的信道，Mode 2适用于信道容量相对大的信道。假设容量切换门限是按照Mode1的信道容量计算统计得到的即为

当测量得到的Mode1的容量小于时，Mode 1是最优的MIMO模式；当测量得到的Mode1的容量大于

时，Mode 2是最优的MIMO模式。容量切换门限也可以按照Mode2的信道容量计算统计得到。此时当测量得到的Mode2的容量小于

时，Mode1是最优的MIMO模式；当测量得到的Mode2的容量大于

时，Mode2是最优的MIMO模式。

MIMO模式的切换流程图根据Mode 1，Mode 2所使用的信道和所选择的切换门限在判决时有所不同，图2B根据图2A中容量切换门限为

的假设给出了切换过程的流程图，其切换步骤如下：

步骤20，系统根据信道估计得出下行公共导频测量数据资源单元的信道转移矩阵H；

步骤21，根据信道转移矩阵H计算条件数；

步骤22，根据计算的条件数，在MIMO自适应门限表中查找当前信道的相关等级；

步骤23，根据信道的相关等级查找MIMO模式1所对应的容量切换门限 $C_E^{\mathrm{mod}e1};$

步骤24，系统根据信道估计测量当前信道质量，得到信道质量信息；

步骤25，根据当前信道质量信息预测当前MIMO模式1的信道容量

步骤26，将步骤23确定的MIMO模式1的切换门限与步骤25确定的当前信道容量

进行比较，如果当前信道容量

大于容量切换门限

则进行步骤27，否则进行步骤28；

步骤27，系统选择MIMO模式2；

步骤28，系统选择MIMO模式1。

其中，在本实施例中MIMO模式1的容量切换门限可计为第二容量阈值，MIMO模式2的容量切换门限可计为第一容量阈值。

下面主要以2×2MIMO下空间复用技术(Space Division Multiplex，SDM)与发射分集技术(Transmit Diversity，TD)之间的切换对本发明实施例进行说明。

SDM主要在信道质量比较好时提供高的频谱利用率，但是会损失分集增益，即抗信道衰落的性能不好；TD主要在信道质量比较差时利用分集，提供高的信道可靠性，但是会损失数据率，为了既保证高可靠性，又保证高的频谱利用率，就要在信道质量好时采用SDM技术，信道质量差时采用TD技术。

设置SDM模式和TD模式的容量切换门限，具体设置方式如下：将系统应用环境按照信道相关性划分为N个等级n＝1……N，仿真得到每个等级下条件数η的CDF曲线，即概率曲线，得到N条CDF曲线CDF_n(η)，选定一个概率P，P的选择根据情况而定，一般选取P＝0.7，根据CDF曲线计算在概率P下每一信道等级的条件数的值 ${\mathrm{\η}}_n={\mathrm{CDF}}_n^{-1}\left(P\right)$     n＝1……N

对每个级别下的信道模型，采用一组编码调制集合(Modulation CodeScheme，MCS)，分别仿真得到SDM方式和TD方式下的信道容量-信噪比ThroughPut-SNR曲线，曲线用公式表示为：

T^SDM＝f^SDM(SNR^SDM)

T^TD＝f^TD(SNR^TD)

在仿真曲线上找两条曲线相交处的信噪比SNR_cross，使

f^SDM(SNR_cross)＝f^TD(SNR_cross)

如果仿真得到的曲线没有交点，则表明不需要进行模式切换，否则得到的N个

 n＝1……N。

把整个信噪比范围分成了两个区间。

对每一等级下的信道模型，设定其仿真信噪比为

仿真中分别采用SDM模式和TD模式发送数据，得到各模式下随信道状态变化的检测后信道信噪比，并将变化的检测后信噪比经过指数有效信噪比映射(Exponential EffectiveSIR Mapping，EESM)映射为有效信噪比，根据有效信噪比计算SDM模式和TD模式的容量，计算公式如下：

$C^{\mathrm{SDM}}=\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{lo}{g}_2(1+{\mathrm{SNR}}_i^{\mathrm{effective}})$

C^TD＝log₂(1+SNR^effective)

其中C^SDM，C^TD分别表示SDM模式以及TD模式下的信道容量，

表示SDM模式下，第i个数据流EESM映射得到的有效信噪比，SNR^effective表示TD模式下经过EESM映射得到的有效信噪比。为了得到更加准确的容量门限，可以统计多个样本的信道容量进行平均。这样对每一种MIMO模式都得到它在各信道等级下的容量均值

n＝1……N。

发射机发射数据之前，系统需要判断所选择的MIMO模式，假设当前信道采用TD模式，在发送端，MIMO模式自适应切换模块首先根据下行公共导频测量承载数据资源单元的信道转移矩阵H，求出条件数η，η等于信道转移矩阵最大特征值λ_max除以最小特征值λ_min。为了保证条件数的稳定性，采用M个帧进行平均，得到平均条件数 ${\mathrm{\η}}_e=\frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\η}\left(m\right),$ 其中m表示帧序号，m＝1……M；结合设置容量切换门限部分得到的各等级下条件数的值，判断当前信道所处的相关等级，如果条件数η_e大于或等于n-1级的条件数，小于n级的条件数，则当前信道所处的相关等级为n；在自适应查找表中查找等级n下TD模式的容量切换门限然后根据H计算TD模式下承载数据资源单元所对应的，经过EESM映射后得到的有效信噪比则当前信道TD模式下所对应的信道容量为： $C_{\mathrm{measure}}^{\mathrm{td}}={\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{td}}^{\mathrm{effective}}),$ 如果测得的信道容量

大于容量切换门限则系统切换到SDM模式，反之不切换。

同样也可以利用SDM模式的容量均值作为容量切换门限作出判断，在找到SDM模式的容量切换门限

后，根据H计算SDM模式下的有效信噪比

其中为矢量，每一个元素对应与一个数据流，则当前信道SDM模式下所对应的信道容量为： $C_{\mathrm{measure}}^{\mathrm{sdm}}=\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{sdm},i}^{\mathrm{effective}}),$ 如果测得的信道容量

大于容量切换门限

则系统切换至SDM模式。反之不切换。

当其他两种MIMO模式进行切换时，其方法与上述SDM与TD之间的切换方法一样。当n(n≥3)种MIMO模式进行切换时，仿真得到的各模式下的ThroughPut-SNR曲线会相交于多个点(共n-1个)，分别对每个交点的两种模式进行仿真得到容量均值，得到n-1个容量均值，相当于把整个容量范围分成了n个小区间，根据当前信道在该模式下的信道容量所处的区间，判断是否作出切换，切换至哪一种模式。

图3为SDM和TD模式切换算法的仿真结果，其中所选择的TD方式为空频分组编码技术(Space-frequency Block Coder，SFBC)。曲线31表示SDM的吞吐量曲线，曲线32表示SFBC的吞吐量曲线，曲线33表示SDM、SFBC切换得到的吞吐量曲线。仿真结果显示本发明实施例能够有效的提高吞吐量。

本发明实施例中一种MIMO模式自适应切换的装置如图4所示，包括：

信道等级确定模块410，用于根据信道条件数确定信道等级；

信道容量计算模块420，用于计算一种需要进行切换的MIMO模式的信道容量；

切换模块430，用于根据信道等级确定模块410确定的信道等级和信道容量计算模块420计算的信道容量确定切换的MIMO模式。

信道等级确定模块410包括：应用环境划分单元411、条件数统计单元412和容量阈值统计单元413。其中，应用环境划分单元411用于对系统的应用环境按照信道相关性进行划分等级；条件数统计单元412用于仿真得到各等级下条件数的概率曲线，选定一个概率，统计各等级下条件数的值；容量阈值统计单元413，用于对每个等级下的信道模型进行仿真，计算每种MIMO模式在每个等级下的容量阈值。

信道容量计算模块420包括：有效信噪比计算单元421和信道容量统计单元422。其中，有效信噪比计算单元421，用于根据MIMO信道的信道转移矩阵计算经过指数有效信噪比EESM映射后得到的有效信噪比；信道容量统计单元422，用于根据所述有效信噪比计算单元421计算的有效信噪比计算一种需要进行切换的MIMO模式的信道容量。

切换模块430包括：比较单元431和判决单元432。其中，比较单元431，用于将所述信道容量计算模块420计算的一种需要进行切换的MIMO模式的信道容量，和所述信道等级确定模块410计算的该种MIMO模式的容量阈值进行比较；判决单元432，用于根据比较单元比较的结果作出切换判决，确定切换的MIMO模式。

其中判决单元432包括，第一判决单元433和第二判决单元434。其中，第一判决单元433，用于根据所述信道容量计算模块420计算的一种需要进行切换的MIMO模式的信道容量所在容量区间的第一容量阈值确定与这种MIMO模式需要进行切换的另一种MIMO模式，选择适用于信道容量比第一容量阈值大的MIMO模式，如果这个MIMO模式与当前信道所应用的MIMO模式相同，则不切换，否则切换到所选择的这个MIMO模式；第二判决单元434，用于根据所述信道容量计算模块420计算的一种需要进行切换的MIMO模式的信道容量所在容量区间的第二容量阈值确定与这种MIMO模式需要进行切换的另一种MIMO模式，选择适用于信道容量比第二容量阈值小的MIMO模式，如果这个MIMO模式与当前信道所应用的MIMO模式相同，则不切换，否则切换到所选择的这个MIMO模式。

其中，一种需要进行切换的MIMO模式为所述至少两个待选MIMO模式中的任意一种。

本发明实施例以利用预先设置的所需切换的MIMO模式的容量切换门限与计算出的当前MIMO模式下的信道容量进行比较，做出切换判决，避免了预测所有切换模式的信道质量信息和对大量数据样本进行统计，特别是在切换模式比较多时，大大减少了计算量，并且计算信道容量的方法简单、准确。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1、一种多入多出模式自适应切换方法，应用于包括至少两个多入多出MIMO模式的系统中，其特征在于，

根据信道条件数确定信道等级；

计算一种需要进行切换的MIMO模式的信道容量；

根据信道等级和计算出的一种需要进行切换的MIMO模式的信道容量确定切换的MIMO模式。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算一种需要进行切换的MIMO模式的信道容量包括：

根据MIMO信道的信道转移矩阵计算经过指数有效信噪比EESM映射后得到的有效信噪比；

根据有效信噪比计算该种MIMO模式的信道容量。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据信道条件数确定信道等级包括：根据预定义的信道等级与信道条件数之间的对应关系确定信道等级。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据信道等级和计算出的一种需要进行切换的MIMO模式的信道容量确定切换的MIMO模式包括：

利用计算出的一种需要进行切换的MIMO模式的信道容量以及该种MIMO模式在所述信道等级下的容量阈值进行比较，判决是否进行切换以及切换的目的MIMO模式。

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，判决是否进行切换以及切换的目的MIMO模式包括：

根据所述计算出的当前信道的一种需要进行切换的MIMO模式下的信道容量所在的容量区间的第一容量阈值确定与这种MIMO模式需要进行切换的另一种MIMO模式，选择适用于信道容量比第一容量阈值大的MIMO模式，如果这个MIMO模式与当前信道所应用的MIMO模式相同，则不切换，否则切换到所选择的这个MIMO模式。

6、如权利要求4所述的方法，其特征在于，判决是否进行切换以及切换的目的MIMO模式还包括：

根据所述计算出的当前信道的一种需要进行切换的MIMO模式下的信道容量所在的容量区间的第二容量阈值确定与这种MIMO模式需要进行切换的另一种MIMO模式，选择适用于信道容量比第二容量阈值小的MIMO模式，如果这个MIMO模式与当前信道所应用的MIMO模式相同，则不切换，否则切换到所选择的这个MIMO模式。

7、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一种需要进行切换的MIMO模式为所述至少两个待选MIMO模式中的任意一种。

8、一种多入多出自适应切换装置，其特征在于，包括：

信道等级确定模块，用于根据信道条件数确定信道等级；

信道容量计算模块，用于计算一种需要进行切换的MIMO模式的信道容量；

切换模块，用于根据信道等级确定模块确定的信道等级和信道容量计算模块计算的信道容量确定切换的MIMO模式。

9、如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述信道等级确定模块包括：

应用环境划分单元，用于对系统的应用环境按照信道相关性进行划分等级；

条件数统计单元，用于仿真得到各等级下条件数的概率曲线，选定一个概率，统计各等级下条件数的值；

容量阈值统计单元，用于对每个等级下的信道模型进行仿真，计算每种MIMO模式在每个等级下的容量阈值。

10、如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述信道容量计算模块包括：

有效信噪比计算单元，用于根据MIMO信道的信道转移矩阵计算经过指数有效信噪比EESM映射后得到的有效信噪比；

信道容量统计单元，用于根据所述有效信噪比计算单元计算的有效信噪比计算一种需要进行切换的MIMO模式的信道容量。

11、如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述切换模块包括：

比较单元，用于将所述信道容量计算模块计算的一种需要进行切换的MIMO模式的信道容量，和所述信道等级确定模块计算的该种MIMO模式的容量阈值进行比较；

判决单元，用于根据比较单元比较的结果作出切换判决，确定切换的MIMO模式。

12、如权利要求11所述的装置，其特征在于，所属述判决单元包括：

第一判决单元，用于根据所述信道容量计算模块计算的一种需要进行切换的MIMO模式的信道容量所在容量区间的第一容量阈值确定与这种MIMO模式需要进行切换的另一种MIMO模式，选择适用于信道容量比第一容量阈值大的MIMO模式，如果这个MIMO模式与当前信道所应用的MIMO模式相同，则不切换，否则切换到所选择的这个MIMO模式；

第二判决单元，用于根据所述信道容量计算模块计算的一种需要进行切换的MIMO模式的信道容量所在容量区间的第二容量阈值确定与这种MIMO模式需要进行切换的另一种MIMO模式，选择适用于信道容量比第二容量阈值小的MIMO模式，如果这个MIMO模式与当前信道所应用的MIMO模式相同，则不切换，否则切换到所选择的这个MIMO模式。

13、如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述一种需要进行切换的MIMO模式为所述至少两个待选MIMO模式中的任意一种。

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