CN102025460A - 多输入输出通信系统的传输模式切换的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种MIMO(Multi Input Multi Output，多输入输出)通信系统的传输模式切换的方法和装置。该方法主要包括：根据用户的服务质量请求特性将用户分为两大类：实时服务请求的用户与非实时服务请求的用户；对于实时服务请求的用户，根据编码后的码本的最小欧氏距离来实现空间复用传输模式和空间分集传输模式之间的切换；对于非实时服务请求的用户，根据用户的传输容量来实现空间复用传输模式和空间分集传输模式之间的切换。利用本发明，能够基于用户QoS请求，针对实时服务请求的用户或者非实时服务请求的用户动态选择MIMO模式切换的切换准则。

Description

多输入输出通信系统的传输模式切换的方法和装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种MIMO(Multi Input Multi Output，多输入输出)通信系统的传输模式切换的方法和装置。

背景技术

MIMO技术可以通过采用空间复用与分集分别提高系统的容量和传输可靠性。空间复用主要是将数据传输分成多个独立的传输流，并将传输流通过不同的天线进行传输，从而可以提高系统的传输容量。而空间分集则是采用在不同的天线上发送相同的信息副本从而可以有效地对抗信道衰落，提高系统的分集增益。

通过MIMO通信系统中的空间复用与空间分集模式的切换可以进一步提高MIMO通信系统的性能。现有技术中的一种MIMO系统中的空间复用与空间分集的模式切换方案主要采用两大类准则：采用最小化欧氏距离为准则的切换方案和采用最大化吞吐量为准则的切换方案。最小化欧氏距离为准则的切换方案基于最小化欧氏距离进行MIMO模式切换，该方案重点在于最小化用户传输的误符号率。最大化吞吐量为准则的切换方案基于容量进行MIMO模式切换，该方案重点在于最大化用户的传输容量。

在实现本发明过程中，发明人发现上述现有技术中的MIMO系统中的空间复用与空间分集的模式切换方案至少存在如下问题：上述最小化欧氏距离为准则的切换方案对于具有非实时服务请求的用户不是最佳的方案，因为该类用户的传输目标是最大化其传输速率，而不是最小化其传输误符号率。上述最大化吞吐量为准则的切换方案对于有实时业务请求的用户仍不是最佳的切换方案。

发明内容

本发明的实施例提供了一种MIMO通信系统的传输模式切换的方法和装置，以实现基于用户的QoS(Quality of Service，服务质量)请求进行空间复用与空间分集模式之间的切换。

一种多输入输出通信系统的传输模式切换的方法，包括：

根据用户的服务质量请求特性将用户分为两大类：实时服务请求的用户与非实时服务请求的用户；

对于实时服务请求的用户，根据编码后的码本的最小欧氏距离来实现空间复用传输模式和空间分集传输模式之间的切换；对于非实时服务请求的用户，根据用户的传输容量来实现空间复用传输模式和空间分集传输模式之间的切换。

一种多输入输出通信系统的传输模式切换的装置，包括：

用户划分模块，用于根据用户的服务质量请求特性将用户分为两大类：实时服务请求的用户与非实时服务请求的用户；

传输模式切换处理模块，用于对于实时服务请求的用户，根据编码后的码本的最小欧氏距离来实现空间复用传输模式和空间分集传输模式之间的切换；对于非实时服务请求的用户，根据用户的传输容量来实现空间复用传输模式和空间分集传输模式之间的切换。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例能够基于用户QoS请求，针对实时服务请求的用户或者非实时服务请求的用户动态选择MIMO模式切换的切换准则。从而满足不同用户的不同性能要求，使系统的性能达到最佳。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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是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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提出的一种MIMO通信系统的空间复用与空间分集模式切换的方法的处理流程图；

图2为本发明实施例二提出的一种MIMO通信系统的空间复用与空间分集模式切换的装置的结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提出了基于用户QoS请求的MIMO空间复用与空间分集的模式切换。对于实时服务请求的用户与非实时服务请求的用户分别采用不同的传输模式切换准则。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

该实施例提出的一种MIMO通信系统的空间复用与空间分集模式切换的方法的处理流程如图1所示，包括如下的处理步骤：

步骤11、根据QoS请求特性将用户分为两大类：实时服务请求的用户与非实时服务请求的用户。

在无线通信系统的下行链路传输中，基站端有N_t个发送天线，用户接收端有N_r个接收天线。在基站发送端包含一个空时编译码块，可以将输入的比特流映射到发送符号矢量。同时将传输信道看成一个MIMO信道，并满足独立平坦瑞利衰落过程。假定该MIMO信道传输可以在空间复用模式与空间分集模式之间切换。

对于用户而言，不同的用户可以有不同的QoS请求，根据QoS特性，将用户分为两大类：实时服务请求的用户(如语音服务请求，实时视频服务)与非实时服务请求的用户(如进行文件传输请求的用户)，并用最小速率保证和尽力而为服务对上述两类用户进行度量。

基于上述假设，那么用户的接收信号可以写成如下形式：

y＝HX+n

其中为N_r×1维接收信号矢量，

为N_r×N_t信道传输矩阵，

为N_t×1维发送信号矢量，

是噪声矢量。

首先对于具有实时服务请求的用户，假定其最小传输速率要求为R，若数据通过MIMO信道传输，编码后的码本的最小欧氏距离平方为

$d_{\min }^2\left(H\right)=\underset{n\≠k}{\min }{\left|\right|H(c^{\left(n\right)}-c^{\left(k\right)})\left|\right|}^2,$

其中c⁽ⁿ⁾和c^(k)分别表示码本C中的第n个和第k个码字。

那么可得数据传输的联合差错概率上界为

$\mathrm{Pr}\left(\mathrm{error}\right|H)\≤(2^R-1)Q\left(\sqrt{\frac{E_s}{{2N}_0}{d}_{\min }^2\left(H\right)}\right).$

上述公式中的E_s和N₀分别表示传输信号的功率和噪声功率，Q(x)为Q函数，即

步骤12、分别计算出空间复用传输模式和空间分集传输模式对应的编码后的码本的最小欧氏距离和用户的传输容量。

当采用空间复用传输模式时，其编码后的码本的最小欧氏距离为

$d_{\min ,\mathrm{SM}}^2\left(H\right)=\underset{q,c\∈C_{\mathrm{SM}},q\≠c}{\min }{\left|\right|H(q-c)\left|\right|}^2$

其中q和c分别表示码本空间中的一个码字

进一步，可得到下式：

${\mathrm{\λ}}_{\min }^2\left(H\right)\frac{d_{\min ,\mathrm{sm}}^2}{N_t}\≤d_{\min ,\mathrm{SM}}^2\left(H\right)\≤{\mathrm{\λ}}_{\max }^2\left(H\right)\frac{d_{\min ,\mathrm{sm}}^2}{N_t}$

其中

与

分别为矩阵(q-c)的奇异值分解对应的最小与最大奇异值，

为空间复用传输模式对应的传输星座点的最小平方距离。

则由上述可得空间复用传输模式对应的误符号率为

$P_{\mathrm{SM}}\≤\left(\right|C_{\mathrm{SM}}|-1)Q\left(\sqrt{\frac{E_s}{{2N}_0}\frac{{\mathrm{\λ}}_{\min }^2{d}_{\min ,\mathrm{SM}}^2}{N_t}}\right)$

其中C_SM为传输码本矢量集合，E_s为符号传输能量。

当采用空间分集传输模式时，其编码后的码本的最小欧氏距离为

$d_{\min ,\mathrm{MD}}^2\left(H\right)\≤\frac{1}{N_t}{\left|\right|H\left|\right|}_F^2{d}_{\min ,\mathrm{md}}^2$

其中

为空间分集传输模式对应的星座最小平方距离，||x||_F为F范数。

进一步，可得到下式：

$d_{\min .\mathrm{MD}}^2\left(H\right)\≤\frac{1}{N_t}{d}_{\min ,\mathrm{md}}^2\underset{n=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_n^2\left(H\right)$

其中λ_n为矩阵H的第n个奇异值，l＝min(N_t，N_r)。

基于上述公式，可以得到空间分集传输模式对应的误符率上界为

$P_{\mathrm{MD}}<(M_d-1)Q\left(\sqrt{\frac{E_s}{{2N}_0}{d}_{\min ,\mathrm{MD}}^2}\right)$

其中M_d＝2^R为空间分集传输模式对应的星座图中的星座点数，Q(x)为Q函数，即

对于空间复用传输模式，当采用垂直编码方案时，用户的传输容量的计算方法如下：

$C_{\mathrm{SM}}=N_t\underset{\mathrm{\&alpha;}=\mathrm{1,2},....,N_t}{\min }\left\{\log (1+\frac{\mathrm{\&gamma;}}{N_t{\left|\right|{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{zf},\mathrm{\&alpha;}}\left|\right|}^2})\right\}$

其中γ为接收信噪比，ψ_zf，α为迫零映射矢量且可通过以下表达式求得

其中δ_α表示第α个位置为非零值，N_t为发送天线的个数。

而对于空间分集传输模式，当采用空时块编码时，用户的传输容量的计算方法如下：

$C_{\mathrm{MD}}=\mathrm{lo}{g}_2(1+\frac{\mathrm{\&gamma;}}{N_t}{\left|\right|H\left|\right|}^2)$

其中γ为接收信噪比，N_t为发送天线的个数。

步骤13、对于实时服务请求的用户，通过比较上述计算出的最小欧氏距离来实现传输模式切换；对于非实时服务请求的用户，通过比较计算出的用户的传输容量来实现传输模式切换。

因此，通过观察上述空间复用传输模式与空间分集传输模式对应的误符率公式，可知在高SNR(Signal to Noise Ratio，信噪比)时误符率主要受空间复用传输模式与空间分集传输模式对应的最小欧氏距离的影响。

因此，对于实时服务请求的用户，可以通过比较最小欧氏距离来实现在实时服务请求下的空间复用与空间分集间的传输模式切换。MIMO模式切换准则如下：即计算

与

比较其值大小。若

则切换到空间复用传输模式，反之，则切换到空间分集传输模式。

对于非实时服务请求的用户，为了因为采用尽力而为服务来度量其性能，需要最大化其传输容量，则采用基于容量准则方案实现MIMO空间复用与分集间的模式切换。

基于上述讨论，可以通过比较用户的传输容量来实现在非实时服务请求下的MIMO空间复用与分集间的模式切换。MIMO模式切换准则如下：即计算C_SM与C_MD，比较其值大小。若C_MD≤C_SM，则切换到空间复用模式，反之，则切换到空间分集传输模式。

实施例二

本发明实施例还提供了一种多输入输出通信系统的传输模式切换的装置，该装置的结构示意图如图2所示，包括如下的模块：

用户划分模块21，用于根据用户的服务质量请求特性将用户分为两大类：实时服务请求的用户与非实时服务请求的用户；

传输模式切换处理模块22，用于对于实时服务请求的用户，根据编码后的码本的最小欧氏距离来实现空间复用传输模式和空间分集传输模式之间的切换；对于非实时服务请求的用户，根据用户的传输容量来实现空间复用传输模式和空间分集传输模式之间的切换。

所述的切换处理模块22具体可以包括：

实时服务请求的用户切换模块221，用于对于实时服务请求的用户，分别计算出空间复用传输模式和空间分集传输模式对应的编码后的码本的最小欧氏距离；

当空间复用传输模式对应的编码后的码本的最小欧氏距离大于或等于空间分集传输模式对应的编码后的码本的最小欧氏距离时，则采用空间复用传输模式；否则，采用空间分集传输模式。

非实时服务请求的用户切换模块222，用于对于非实时服务请求的用户，分别计算出空间复用传输模式和空间分集传输模式对应的用户的传输容量；

当空间复用传输模式对应的用户的传输容量大于或等于空间分集传输模式对应的用户的传输容量时，则采用空间复用传输模式；否则，采用空间分集传输模式。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

综上所述，本发明实施例能够基于用户QoS请求，针对实时服务请求的用户或者非实时服务请求的用户动态选择MIMO模式切换的切换准则。从而满足不同用户的不同性能要求，使系统的性能达到最佳。

本发明实施例针对具有实时服务请求的用户，提出了采用最小化星座距离为准则的MIMO空间复用和空间分集的传输模式切换方案，这样既可以保证该类用户的最小传输数据速率又可以最小化系统的误符号率。而针对具有非实时服务请求的用户，提出了采用最大化系统容量为准则的MIMO空间复用和空间分集的传输模式的切换方案，这样可以最大化满足该类用户的需求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种多输入输出通信系统的传输模式切换的方法，其特征在于，包括：

根据用户的服务质量请求特性将用户分为两大类：实时服务请求的用户与非实时服务请求的用户；

对于实时服务请求的用户，根据编码后的码本的最小欧氏距离来实现空间复用传输模式和空间分集传输模式之间的切换；对于非实时服务请求的用户，根据用户的传输容量来实现空间复用传输模式和空间分集传输模式之间的切换。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的对于实时服务请求的用户，根据编码后的码本的最小欧氏距离来实现空间复用传输模式和空间分集传输模式之间的切换，包括：

对于实时服务请求的用户，分别计算出空间复用传输模式和空间分集传输模式对应的编码后的码本的最小欧氏距离；

当空间复用传输模式对应的编码后的码本的最小欧氏距离大于或等于空间分集传输模式对应的编码后的码本的最小欧氏距离时，则采用空间复用传输模式；否则，采用空间分集传输模式。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的分别计算出空间复用传输模式和空间分集传输模式对应的编码后的码本的最小欧氏距离，包括：

当采用空间复用传输模式时，编码后的码本的最小欧氏距离

的计算方法如下：

$d_{\min ,\mathrm{SM}}^2\left(H\right)=\underset{q,c\&Element;C_{\mathrm{SM}},q\&NotEqual;c}{\min }{\left|\right|H(q-c)\left|\right|}^2,$

所述H为N_r×N_t维的信道传输矩阵，N_t为基站端的发送天线的个数，N_r为用户端的接收天线的个数，q和c分别表示码本空间中的一个码字；当采用空间分集传输模式时，编码后的码本的最小欧氏距离

的计算方法如下：

$d_{\min ,\mathrm{MD}}^2\left(H\right)\&le;\frac{1}{N_t}{d}_{\min ,\mathrm{md}}^2\underset{n=1}{\overset{l}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&lambda;}}_n^2\left(H\right)$

所述

为空间分集传输模式对应的星座最小平方距离，所述λ_n为矩阵H的第n个奇异值，所述l＝min(N_t，N_r)。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的对于非实时服务请求的用户，根据用户的传输容量来实现空间复用传输模式和空间分集传输模式之间的切换，包括：

对于非实时服务请求的用户，分别计算出空间复用传输模式和空间分集传输模式对应的用户的传输容量；

当空间复用传输模式对应的用户的传输容量大于或等于空间分集传输模式对应的用户的传输容量时，则采用空间复用传输模式；否则，采用空间分集传输模式。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的分别计算出空间复用传输模式和空间分集传输模式对应的用户的传输容量，包括：

对于空间复用传输模式，当采用垂直编码方案时，用户的传输容量CSM的计算方法如下：

$C_{\mathrm{SM}}=N_t\underset{\mathrm{\&alpha;}=\mathrm{1,2},....,N_t}{\min }\left\{\log (1+\frac{\mathrm{\&gamma;}}{N_t{\left|\right|{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{zf},\mathrm{\&alpha;}}\left|\right|}^2})\right\}$

所述γ为用户的接收信噪比，所述ψ_zf，α为用户的迫零映射矢量，所述N_t表示发送天线的个数；

对于空间分集传输模式，当采用空时块编码时，用户的传输容量C_MD的计算方法如下：

$C_{\mathrm{MD}}=\mathrm{lo}{g}_2(1+\frac{\mathrm{\&gamma;}}{N_t}{\left|\right|H\left|\right|}^2).$

6.一种多输入输出通信系统的传输模式切换的装置，其特征在于，包括：

用户划分模块，用于根据用户的服务质量请求特性将用户分为两大类：实时服务请求的用户与非实时服务请求的用户；

传输模式切换处理模块，用于对于实时服务请求的用户，根据编码后的码本的最小欧氏距离来实现空间复用传输模式和空间分集传输模式之间的切换；对于非实时服务请求的用户，根据用户的传输容量来实现空间复用传输模式和空间分集传输模式之间的切换。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的切换处理模块，包括：

实时服务请求的用户切换模块，用于对于实时服务请求的用户，分别计算出空间复用传输模式和空间分集传输模式对应的编码后的码本的最小欧氏距离；

当空间复用传输模式对应的编码后的码本的最小欧氏距离大于或等于空间分集传输模式对应的编码后的码本的最小欧氏距离时，则采用空间复用传输模式；否则，采用空间分集传输模式。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的切换处理模块，包括：

非实时服务请求的用户切换模块，用于对于非实时服务请求的用户，分别计算出空间复用传输模式和空间分集传输模式对应的用户的传输容量；

当空间复用传输模式对应的用户的传输容量大于或等于空间分集传输模式对应的用户的传输容量时，则采用空间复用传输模式；否则，采用空间分集传输模式。

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