CN101895911A - 多基站协作传输系统中利用信道统计信息的自适应传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种在多基站协作传输系统中利用信道统计信息的自适应传输方法，该传输方法按以下步骤进行：利用信道估计的结果计算各基站到用户之间的信道统计信息，包括特征模式上的信道耦合矩阵、发送相关阵以及接收信噪比，信道统计信息可以在接收端获取，在发送端各基站根据接收端反馈或隐反馈的信道统计信息，进行基站间联合功率分配以及联合预编码传输。本发明实施例公开的多基站协作传输系统中的自适应传输方案，能够根据信道的统计特性调整发送参数，能提高通信系统的频谱利用率和功率效率，获得的互信息量逼近信道容量。

Description

多基站协作传输系统中利用信道统计信息的自适应传输方法

技术领域

本发明涉及一种通过利用多基站协作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的多基站协作系统中的自适应传输方法。

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，多天线发送和多天线接收(MIMO)无线接收技术得到了广泛的应用，但是在实际的蜂窝系统中，由于相邻小区频率的重用造成共信道干扰，以及空间衰落相关性和直达径，这些因素直接导致实际的MIMO系统很难达到理论上的容量。

多基站协作是指用高速光纤将基站连接起来，基站间可以交换数据以达到资源共享的目的，从而使基站间可以进行联合发送。基站协作可以显著提高系统性能和功率效率。

自适应传输需要在发送端利用信道的先验信息。在发送机已知完全的信道状态信息的情况下，“注水”方法可以达到最大的信道容量。但是无线信道的时变性、信道估计和反馈的时延以及频率的偏移，使得在发送端难以获得完全的信道状态信息。一种折中的方法是利用信道统计状态信息。在典型的移动通信坏境下，特别是高速移动环境下，信道瞬时信息是快速时变的，而信道统计信息在相当长一段时间内是近似不变的，发送端可以可靠的获得信道统计信息。近些年来的研究结果表明，利用信道统计信息进行预编码传输，可以有效地提高MIMO系统的信道容量和传输可靠性。

发明内容

技术问题：本发明提供一种多基站协作传输系统中利用信道统计信息的自适应传输方法，能够根据信道的统计特性调整发送参数，能提高通信系统的频谱利用率和功率效率，获得的互信息量逼近信道容量。

技术方案：本发明实施例提供了一种利用信道统计信息的自适应传输方法，包括如下步骤：

步骤1)、发送端各基站信道统计信息的获取：系统由发送天线数分别为N_t1，N_t2，…，N_tm的m个基站和接收天线数为N_r的用户构成，将它们之间的信道矩阵H建模为H＝[H₁，H₂…，H_m]，其中

U_ti和U_r分别为N_ti×N_ti和N_r×N_r的固定酉矩阵，D_i为N_r×N_ti的固定的实“对角阵”，M_i为N_r×N_ti的固定的实矩阵，H_iid，i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_ti的随机矩阵，⊙代表Hadama乘积，上标

代表共轭转置；当采用反馈模式时，接收端利用信道参数的估计值，用

和

计算发送相关阵和接收相关阵，其中E{·}表示求期望；接下来分别对m个发送相关阵和接收相关阵进行特征分解：

然后计算特征模式上的信道耦合矩阵其中

上标(·)*表示矩阵的共轭运算；计算信噪比ρ＝P/σ²，其中

P_i为第i个基站发送的总功率，σ²表示噪声方差；令γ＝ρ/N_t，其中

最后，接收端将发送相关阵R_ti，信道耦合矩阵Ω_i和接收信噪比γ反馈给发送端各基站；当采用隐反馈模式时，接收端将接收信噪比γ反馈回发送端各基站，发送端各基站利用接收链路

的信道估计结果以及信道的互易性

采用与反馈模式相同的方法计算出发送相关阵R_ti和信道耦合矩阵Ω_i，i＝1，2，…，m；

步骤2)、发送端各基站对信道统计信息中的发送相关阵进行特征分解：得到各基站的发送方向矩阵U_Qi＝U_ti；

步骤3)、发送端各基站根据信道统计信息采用迭代注水算法计算功率分配矩阵

其中

diag(λ_i)表示以向量λ_i的元素为对角线元素的对角阵，

i＝1，2，…，m；用表示基站i第k次迭代所得的功率分配结果，

表示将的第j个元素删除所得的向量，

表示将的第j个元素改为1所得的向量，j＝1，2，…N_ti，i＝1，2，…，m；C_u(λ^k)表示第k次迭代所得的信道容量上界，其中

迭代注水算法步骤如下：

a)、初始化：设定最大迭代次数K以及收敛判决门限ε，令k＝0，

C_u(λ^k)＝log₂ Per(γB^k)，其中

表示一个维度为1×N_ti，组成元素均为1的矩阵；Per(·)代表积和式算子，对于一个M×N的矩阵A，定义其扩展积和式Per(A)为Per(A)＝Per([I_M A])＝Per([I_N A^T])；

b)、计算

和

其中表示将分块矩阵B^k中的第i块元素

用代替后得到的矩阵，Ω_i(j)表示将矩阵Ω_i删除第j列后所得的矩阵，

表示将分块矩阵B^k中的第i块元素

用

代替后得到的矩阵，j＝1，2，…N_ti，i＝1，2，…，m；

c)、计算

j＝1，2，…N_ti，其中为由

决定的常数，i＝1，2，…，m；

d)、计算C_u(λ^k+1)＝log₂ Per(γB^k+1)，其中

e)、如果C_u(λ^k+1)≤C_u(λ^k)，则令

用步骤d)中公式重新计算C_u(λ^k+1)；

f)、令k＝k+1。若k＝K，则令

程序终止；否则，进入下一个步骤；

g)、若C_u(λ^k)-C_u(λ^k-1)≤ε，则令

程序终止；否则，转到步骤b)开始执行。

步骤4)、利用步骤2)和步骤3)计算出的发送方向矩阵和功率分配矩阵进行联合功率分配，以及联合预编码传输。

发送端各基站信道统计信息的获取分为反馈和隐反馈两种模式，采用反馈模式时，发送端各基站通过接收端的反馈获得信道统计信息；当采用隐反馈模式时，直接在发送端各基站计算信道统计信息。所获取的信道统计信息是指特征模式上的信道耦合矩阵、发送相关阵以及接收信噪比。

有益效果：本发明实施例提供的多基站协作系统中利用信道统计信息的自适应传输方法，具有如下优点：

1、本方法仅需要信道统计信息，适用于各种典型的无线通信系统；

2、本方法中的信道模型考虑了信道的直达径、发送相关、接收相关以及收发联合相关，更逼近实际信道；

3、本方法中的功率分配算法收敛速度快，数次迭代即可收敛，仅一次迭代即可获得接近最优的解；

4、本方法中各基站可以相互共享所获得的信息，能提高通信系统的频谱利用率和功率效率，所获得的互信息量逼近最优的功率分配所得的信道容量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅表明本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1为本发明实施例提供的一种多基站协作示意图；

图2为本发明实施例提供的一种多基站协作自适应传输方法的流程图。

具体实施方式

本发明实施例的方法主要包括以下步骤：

步骤1)、当采用反馈模式时，在接收端利用信道估计的结果计算信道统计信息，并将其发送至发送端各基站；当采用隐反馈模式时，接收端利用信道估计的结果计算出接收信噪比，将接收信噪比反馈给发送端各基站，发送端各基站计算出其接收链路信道统计信息，利用信道的互易性，直接得到发送链路的信道统计信息；

步骤2)、发送端各基站根据信道统计信息计算发送方向矩阵U_Qi，i＝1，2，…，m；

步骤3)、发送端各基站根据信道统计信息计算功率分配矩阵Λ_i，i＝1，2，…，m；

步骤4)、利用前两个步骤计算出的发送方向矩阵和功率分配矩阵进行联合功率分配以及联合预编码传输。

考虑一个由m个基站(各基站发射天线数为N_ti，i＝1，2，…，m)和一个用户(接收天线数为N_r)构成的多基站MIMO无线通信系统，在对其信道容量进行分析的基础上，通过最大化信道容量的一个上界可以构建出如下的预编码传输方案：

在接收端：若系统采用反馈模式，则对数字基带接收信号

进行信道估计，其中y_i(n)表示第i个接收天线的接收信号，上标(·)^T表示共轭转置。利用信道估计的结果计算信道统计信息，并将信道统计信息反馈给发送端各基站。若采用的是隐反馈模式，则计算出接收信噪比，并将其反馈给发送端各基站。

在发送端各基站：若系统采用反馈模式，直接利用接收端的信道统计信息计算功率分配矩阵Λ_i以及发送方向矩阵U_Qi，i＝1，2，…，m；若采用隐反馈模式，则首先利用其接收链路

的信道估计结果以及信道的互易性计算其发送链路的信道统计信息，利用得到的信道统计信息，计算功率分配矩阵Λ_i以及发送方向矩阵U_Qi，i＝1，2，…，m。然后对输入符号流d(n)＝[d₁(n)，d₂(n)，…，d_m(n)]^T进行线性预编码，得到发送信号s(n)＝[s₁(n)，s₂(n)，…，s_m(n)]^T，其中

表示第i个基站输入符号流，d_ij(n)表示第i个基站的第j个输入符号流，

表示第i个基站的发送信号，s_ij(n)表示第i个基站的第j个发送天线的发送信号。d_i(n)和s_i(n)之间满足如下关系

s_i(n)＝F_id_i(n)，i＝1，2，…，m    (1)

其中，

$F_i=U_{\mathrm{Qi}}{\mathrm{\Λ}}_i^{1/2},i=\mathrm{1,2},\·\·\·,m---\left(2\right)$

是预编码矩阵。

为使本发明中的技术方案更加清楚明白，下面对本方案进行具体描述：

一、信道统计信息的获取

所述方案中接收端根据信道估计的结果计算接收端各天线上的噪声方差σ²，信道发送相关阵和接收相关阵，以及特征模式上的信道耦合矩阵Ω＝[Ω₁，Ω₂，…，Ω_m]。

用N_r×N_ti的矩阵H_i(i＝1，2，…，m)表示m个信道矩阵。信道矩阵H_i建模为：

其中

U_ti和U_r分别为N_ti×N_ti和N_r×N_r的固定酉矩阵，D_i为N_r×N_ti的固定的实“对角阵”，M_i为N_r×N_ti的固定的实矩阵，

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_ti的随机矩阵，i＝1，…，m，⊙代表Hadama乘积，上标

代表共轭转置。利用信道参数的估计值，分别计算发送相关阵和接收相关阵：

其中E{·}表示求期望。接下来分别对m个发送相关阵和接收相关阵进行特征分解：

然后计算特征模式上的信道耦合矩阵

其中

i＝1，2，…，m，上标(·)^*表示矩阵的共轭运算。计算信噪比

ρ＝P/σ²，γ＝ρ/N_t(9)

其中

P_i为第i个基站发送的总功率，σ²表示噪声方差，

当采用反馈模式时，接收端将发送相关阵R_ti，信道耦合矩阵Ω_i和接收信噪比γ反馈回发送端各基站；当采用隐反馈模式时，接收端将接收信噪比γ反馈回发送端各基站，发送端各基站计算发送相关阵R_ti和信道耦合矩阵Ω_i。

二、发送方向矩阵

发送端各基站对信道统计信息中的发送相关阵进行特征分解：

i＝1，2，…，m，得到U_ti，所述方案中的发送方向矩阵U_Qi的选择为U_Qi＝U_ti，i＝1，2，…，m。

三、功率分配矩阵

本方案中的功率分配矩阵可以表示为：

${\mathrm{\Λ}}_i=\frac{P}{N_t}\mathrm{diag}\left({\mathrm{\λ}}_i\right),i=\mathrm{1,2},\·\·\·,m---\left(10\right)$

其中

diag(λ_i)表示以向量λ_i的元素为对角线元素的对角阵，

i＝1，2，…，m。用Per(·)代表积和式算子，对于一个M×N的矩阵A，定义其扩展积和式Per(A)为

Per(A)＝Per([I_M A])＝Per([I_N A^T])(11)

本方案中的功率分配矩阵是采用一种迭代注水算法得到的，用

表示基站i第k次迭代所得的功率分配结果，

表示将

的第j个元素删除所得的向量，

表示将的第j个元素改为1所得的向量，C_u(λ^k)表示第k次迭代所得的信道容量上界。该迭代注水算法的具体步骤描述如下：

步骤1)、初始化：设定最大迭代次数K以及收敛判决门限ε，令k＝0，C_u(λ^k)＝log₂ Per(γB^k)，其中

表示组成元素均为1的1×N_ti维矩阵，

步骤2)、计算

$p\left({\mathrm{\λ}}_{i\left(j\right)}^k\right)=\underset{\‾}{\mathrm{Per}}\left(\mathrm{\γ}{B}_{i\left(j\right)}^k\right)---\left(12\right)$

$q\left({\mathrm{\λ}}_{i\left(j\right)}^k\right)=\underset{\‾}{\mathrm{Per}}\left(\mathrm{\γ}{B}_{i\left[j\right]}^k\right)-\underset{\‾}{\mathrm{Per}}\left(\mathrm{\γ}{B}_{i\left(j\right)}^k\right)---\left(13\right)$

其中

表示将分块矩阵B^k中的第i块元素

用代替后得到的矩阵，Ω_i(j)表示将矩阵Ω_i删除第j列后所得的矩阵，

表示将分块矩阵B^k中的第i块元素

用

代替后得到的矩阵，j＝1，2，…N_ti，i＝1，2，…，m；

步骤3)、计算

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ij}}^{k+1}=\max (0,{\tilde{v}}_i-\frac{p\left({\mathrm{\λ}}_{i\left(j\right)}^k\right)}{q\left({\mathrm{\λ}}_{i\left(j\right)}^k\right)}),j=\mathrm{1,2},\·\·\·N_{\mathrm{ti}}---\left(14\right)$

其中为由决定的常数，i＝1，2，…，m；

步骤4)、计算

C_u(λ^k+1)＝log₂ Per(γB^k+1)(15)

其中 $B^{k+1}=[{\mathrm{\Ω}}_1\mathrm{diag}\left({\mathrm{\λ}}_1^{k+1}\right),\·\·\·,{\mathrm{\Ω}}_m\mathrm{diag}\left({\mathrm{\λ}}_m^{k+1}\right)];$

步骤5)、如果C_u(λ^k+1)≤C_u(λ^k)，则令

用公式(15)重新计算C_u(λ^k+1)；

步骤6)、令k＝k+1。若k＝K，则令

程序终止；否则，进入下一个步骤；

步骤7)、若C_u(λ^k)-C_u(λ^k-1)≤ε，则令

程序终止；否则，转到步骤2)开始执行。

本发明具体实施方式如下：

接收端：

1)、若采用隐反馈模式，则计算接收信噪比γ，将接收信噪比γ反馈给发送端各基站，并跳至步骤6)；否则，进入步骤2)。

2)、利用接收信号进行信道估计，计算接收信噪比γ，利用公式(4)和公式(5)计算发送相关阵R_ti(i＝1，2，…，m)和接收相关阵R_r。

3)、对发送相关阵和接收相关阵进行特征分解，得到U_ti(i＝1，2，…，m)和U_r。

4)、利用特征分解的结果U_ti(i＝1，2，…，m)，U_r和公式(8)计算信道耦合矩阵Ω_i(i＝1，2，…，m)。

5)、将R_ti，Ω_i(i＝1，2，…，m)和γ反馈给发送端各基站，进入步骤9)。发送端各基站：

6)、利用其接收链路

的信道估计结果以及信道的互易性

根据公式(4)和公式(5)计算发送相关阵R_ti(i＝1，2，…，m)和接收相关阵R_r。

7)、对发送相关阵和接收相关阵进行特征分解，得到U_ti(i＝1，2，…，m)和U_r。

8)、利用特征分解的结果U_ti(i＝1，2，…，m)，U_r和公式(8)计算信道耦合矩阵Ω_i(i＝1，2，…，m)，并进入步骤10)。

9)、对发送相关阵进行特征分解，得到U_ti(i＝1，2，…，m)。

10)、设定最大迭代次数K以及收敛判决门限ε，令k＝0，

C_u(λ^k)＝log₂ Per(γB^k)，其中

表示组成元素均为1的1×N_ti维矩阵，

11)、利用公式(12)和公式(13)计算和j＝1，2，…N_ti，i＝1，2，…，m。

12)、利用公式(14)计算

j＝1，2，…N_ti，i＝1，2，…，m。

13)、利用公式(15)计算C_u(λ^k+1)。

14)、如果C_u(λ^k+1)≤C_u(λ^k)，则令

用公式(15)重新计算C_u(λ^k+1)；否则，进入下一个步骤。

15)、令k＝k+1。若k＝K，则令

并转到步骤17)；否则，进入下一个步骤。

16)、若C_u(λ^k)-C_u(λ^k-1)≤ε，则令

并转到步骤17)；否则，转到步骤11)开始执行。

17)、利用公式(10)计算功率分配矩阵Λ_i，i＝1，2，…，m。

18)、令发送方向矩阵U_Qi＝U_ti，i＝1，2，…，m。

19)、利用17)和18)中计算出的U_Qi和Λ_i，i＝1，2，…，m，根据公式(2)计算线性预编码矩阵，按照公式(1)进行发送控制。

Claims (3)

1.一种多基站协作传输系统中利用信道统计信息的自适应传输方法，其特征在于信道统计信息是指特征模式上的信道耦合矩阵、发送相关阵和接收信噪比，该方法包括以下步骤：

步骤1)、发送端各基站信道统计信息的获取：系统由发送天线数分别为N_t1，N_t2，…，N_tm的m个基站和接收天线数为N_r的用户构成，将它们之间的信道矩阵H建模为H＝[H₁，H₂…，H_m]，其中

U_ti和U_r分别为N_ti×N_ti和N_r×N_r的固定酉矩阵，D_i为N_r×N_ti的固定的实“对角阵”，M_i为N_r×N_ti的固定的实矩阵，H_iid，i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_ti的随机矩阵，i＝1，…，m，⊙代表Hadama乘积，上标

代表共轭转置；当采用反馈模式时，接收端利用信道参数的估计值，用

和

计算发送相关阵和接收相关阵，其中E{·}表示求期望；接下来分别对m个发送相关阵和接收相关阵进行特征分解：

然后计算特征模式上的信道耦合矩阵

其中上标(·)^*表示矩阵的共轭运算；计算信噪比ρ＝P/σ²，其中P_i为第i个基站发送的总功率，σ²表示噪声方差；令γ＝ρ/N_t，其中

最后，接收端将发送相关阵R_ti，信道耦合矩阵Ω_i和接收信噪比γ反馈给发送端各基站；当采用隐反馈模式时，接收端将接收信噪比γ反馈回发送端各基站，发送端各基站利用接收链路

的信道估计结果以及信道的互易性

采用与反馈模式相同的方法计算出发送相关阵R_ti和信道耦合矩阵Ω_i，i＝1，…，m；

步骤2)、发送端各基站对信道统计信息中的发送相关阵进行特征分解：

得到各基站的发送方向矩阵U_Qi＝U_ti；

步骤3)、在各基站间根据信道统计信息采用迭代注水算法计算功率分配矩阵

其中

diag(λ_i)表示以向量λ_i的元素为对角线元素的对角阵，

步骤4)、利用步骤2)和步骤3)计算出的发送方向矩阵和功率分配矩阵进行联合功率分配，以及联合预编码传输。

2.根据权利要求1所述的多基站协作传输系统中利用信道统计信息的自适应传输方法，其特征在于发送端各基站信道统计信息的获取分为反馈和隐反馈两种模式，采用反馈模式时，发送端各基站通过接收端的反馈获得信道统计信息；当采用隐反馈模式时，直接在发送端各基站计算信道统计信息。

3.根据权利要求1所述的多基站协作传输系统中利用信道统计信息的自适应传输方法，其特征在于发送端各基站所获取的信道统计信息是指特征模式上的信道耦合矩阵、发送相关阵和接收信噪比。

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