CN102571674A

CN102571674A - 有限反馈多天线ofdm系统自适应编码调制装置及方法

Info

Publication number: CN102571674A
Application number: CN2012100233021A
Authority: CN
Inventors: 铁峰
Original assignee: Harbin University of Commerce
Current assignee: Harbin University of Commerce
Priority date: 2012-02-02
Filing date: 2012-02-02
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2032-02-02
Also published as: CN102571674B

Abstract

有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制装置及方法。虽然其实现了多天线波束的自适应，使接收信噪比最大化，但是并没有考虑编码调制如何实现，如果没有与之相对应的自适应的编码调制方案，波束成形的优势无法完全发挥出来。一种有限反馈多天线正交频分复用OFDM系统自适应编码调制方法，本方法包括五个步骤;第一步存储编码调制方案集合，第二步进行信道估计，第三步输入多输出MIMO系统均衡和比特错误概率BER估计，第四步反馈信道信息，第五步进行发射端自适应调制。本发明用于多天线OFDM系统自适应编码调制。

Description

有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制装置及方法

技术领域：

本发明涉及一种有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制装置及方法。

背景技术：

在通信中进行发射端自适应传输时，需要进行信道状态信息(Channel State Information(CSI))的反馈，因此需要反馈的CSI数据量较大，可以使用有限反馈来降低反馈比特数，提高反向信道利用率。有限反馈的效果好坏与发射两端所采用自适应调制方案密切相关，所以如何与有限反馈相结合设计自适应调制很关键。

现有技术中基于格拉斯曼空间装箱的码本设计方法来实现多天线通信系统的波束成形。该方法假设接收端具有理想的CSI, 即：接收端已知理想的信道冲击响应。首先利用格拉斯曼装箱方法构建波束成形矩阵码本并存储在收发两端；然后接收端根据CSI在码本中选择使接收信噪比最大化的最有波束成形矩阵；最后由发射端将波束成形矩阵的索引反馈到发射端，发射端根据索引在本地码本中找到对应波束成形矩阵。他们证明了多天线无线信道之间如果满足独立复高斯分布，最优波束成形矩阵的码本设计问题可以转化为最优格拉斯曼空间装箱问题，证明了格拉斯曼码本使信噪比的损失最小化，这些码本是量化波束成形矩阵的最优选择。

上述方法的不足之处是：虽然其实现了多天线波束的自适应，使接收信噪比最大化，但是并没有考虑编码调制如何实现，如果没有与之相对应的自适应的编码调制方案，波束成形的优势无法完全发挥出来。

发明内容：

发明的目的是提供一种可以提高通信的稳健性和下行信道频谱资源利用率的有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制装置及方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种有限反馈多天线正交频分复用OFDM系统自适应编码调制方法，本方法包括五个步骤; 第一步存储编码调制方案集合，第二步进行信道估计，第三步输入多输出MIMO系统均衡和比特错误概率BER估计，第四步反馈信道信息，第五步进行发射端自适应调制。

所述的有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制方法，所述的存储编码调制方案集合首先确定可选速度等级数目是根据通信系统平均反馈比特数的限制，确定最大允许使用的速率等级的数目q；然后生成码本是通信系统数据离线处理器将码率兼容删除卷积RCPC码与调制方案组合成1-10个编码调制方案，形成一个自适应调制的码本；最后存储码本集合是将选择好的码本分别存储在发射端和接收端的寄存器中。

所述的有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制方法，所述的进行信道估计首先发射训练序列是发射端向接收端发射训练序列；然后信道估计是接收端信道估计器根据接收到的训练序列分别估计出发射端到接收端的信道响应矩阵，并通过FFT变换获得每个子载波等效MIMO信道矩阵。

所述的有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制方法，所述的MIMO均衡和BER估计首先根据步骤信道估计得到的信道响应信息，采用最小均方误差MMSE均衡器，计算每个子信道的信干比；然后接收机在接收端码本寄存器中根据码字等级由高到低，分别计算其可达的误码率BER，直到找到满足BER条件的码字或到达最低等级的码字为止。

所述的有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制方法，所述的反馈信道信息首先接收机找到所选择码字在码本中对应的索引；然后接收机将码字索引反馈到发射端。

所述的有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制方法，所述的进行发射端自适应调制首先搜索码字是发射机按照接收端反馈的码字索引号，在发射机寄存器的码本中搜索对应的码字；然后编码调制是发射机使用搜索码字中搜索出的码字中给出的RCPC码与调制方案组合进行编码调制。

一种有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制装置，其组成包括：发送数据装置，所述的发送数据装置连接存储编码调制方案集合器，所述的存储编码调制方案集合器连接信道估计装置，所述的信道估计装置连接MIMO均衡和BER估计装置，所述的MIMO均衡和BER估计装置连接反馈信道信息装置和自适应编码调制器，所述的反馈信道信息装置连接发射端自适应调制器。

所述的有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制装置，所述的存储编码调制方案集合器包括S/P转换器，所述的S/P转换器发射一组数据流给编码器，所述的编码器通过交织器连接调制器。

所述的有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制装置，所述的信道估计装置包括IFFT和FFT，所述的IFFT接收端接收由所述的调制器发射的信号和由训练序列发射的信号，所述的FFT接收由训练序列发射的信号，所述的FFT发射信号给MIMO均衡和BER估计装置，所述的MIMO均衡和BER估计装置连接自适应标码调制器，所述的自适应标码调制器将信息反馈给所述的编码器。

所述的有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制装置，所述的反馈信道信息装置包括调节器，所述的调节器接收由所述的MIMO均衡和BER估计装置发出的信号调节后在反馈给所述的MIMO均衡和BER估计装置；所述的调节器连接解交织器，所述的解交织器连接解码器，所述的解码器连接所述的调制器。

有益效果：

1.本发明克服了已有技术的不足，提升了非理想信道信息条件下多天线OFDM系统的自适应性和系统的频谱利用率。

本发明将编码和调制方案综合考虑，形成可选的若干组合，组成一个码本，接收端只需反馈组合在码本的索引号，大大降低了反馈信息的开销，可以提高反向信道的频谱利用效率。

本发明针对每个子信道自适应确定编码调制方式，如果子信道状态好，则采用更高等级的编码调制，如果子信道状态不好，则适当降低编码调制等级。

本发明在保证系统误码率性能的前提下，提高了系统的传输速率。

本发明采用基于训练序列的信道估计技术，虽然频谱利用率有所降低，但是实时性更好。

附图说明：

附图1是本产品的系统结构示意图。

附图2是附图1的系统框图。

图3为Gray映射的16QAM调制星座点示意图。

图4为不同的编码调制等级方案图。

图5为母码速率为1/2的RCPC码相关参数图。

具体实施方式：

实施例1：

实施例2：

实施例1所述的有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制方法，所述的存储编码调制方案集合首先确定可选速度等级数目是根据通信系统平均反馈比特数的限制，确定最大允许使用的速率等级的数目q；然后生成码本是通信系统数据离线处理器将码率兼容删除卷积RCPC码与调制方案组合成1-10个编码调制方案，形成一个自适应调制的码本；最后存储码本集合是将选择好的码本分别存储在发射端和接收端的寄存器中。

实施例3：

上述的有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制方法，所述的进行信道估计首先发射训练序列是发射端向接收端发射训练序列；然后信道估计是接收端信道估计器根据接收到的训练序列分别估计出发射端到接收端的信道响应矩阵，并通过FFT变换获得每个子载波等效MIMO信道矩阵。

实施例4：

上述的有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制方法，所述的MIMO均衡和BER估计首先根据步骤信道估计得到的信道响应信息，采用最小均方误差MMSE均衡器，计算每个子信道的信干比；然后接收机在接收端码本寄存器中根据码字等级由高到低，分别计算其可达的误码率BER，直到找到满足BER条件的码字或到达最低等级的码字为止。

实施例5：

上述的有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制方法，所述的反馈信道信息首先接收机找到所选择码字在码本中对应的索引；然后接收机将码字索引反馈到发射端。

实施例6：

上述的有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制方法，所述的进行发射端自适应调制首先搜索码字是发射机按照接收端反馈的码字索引号，在发射机寄存器的码本中搜索对应的码字；然后编码调制是发射机使用搜索码字中搜索出的码字中给出的RCPC码与调制方案组合进行编码调制。

实施例7：

一种有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制装置，其组成包括：发送数据装置1，所述的发送数据装置连接存储编码调制方案集合器2，所述的存储编码调制方案集合器连接信道估计装置3，所述的信道估计装置连接MIMO均衡和BER估计装置4，所述的MIMO均衡和BER估计装置连接反馈信道信息装置5和自适应编码调制器7，所述的反馈信道信息装置连接发射端自适应调制器6。

实施例8：

上述的有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制装置，所述的存储编码调制方案集合器包括S/P转换器，所述的S/P转换器发射一组数据流给编码器，所述的编码器通过交织器连接调制器。

实施例9：

上述的有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制装置，所述的信道估计装置包括IFFT和FFT，所述的IFFT接收端接收由所述的调制器发射的信号和由训练序列发射的信号，所述的FFT接收由训练序列发射的信号，所述的FFT发射信号给MIMO均衡和BER估计装置，所述的MIMO均衡和BER估计装置连接自适应标码调制器，所述的自适应标码调制器将信息反馈给所述的编码器。

实施例10：

上述的有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制装置，所述的反馈信道信息装置包括调节器，所述的调节器接收由所述的MIMO均衡和BER估计装置发出的信号调节后在反馈给所述的MIMO均衡和BER估计装置；所述的调节器连接解交织器，所述的解交织器连接解码器，所述的解码器连接所述的调制器。

实施例11：

上述实施例所述的有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制装置及方法，以下参照附图对本发明做进一步的描述。

在附图2所示的多天线OFDM通信系统中，本发明完成自适应编码调制过程主要通过接收端的自适应编码调制装置来进行。其实现的步骤如下：

步骤（1）存储码本

1a) 确定码字数目。通信系统数据离线处理器根据通信系统反馈比特数开销的限制，按照下列公式计算最大允许使用的码字数目：

其中，L为码本中码字的数量，B为通信系统限制的最大反馈比特数，

Figure 2012100233021100002DEST_PATH_IMAGE002

为发射天线数目，

为OFDM子载波数目，

Figure 2012100233021100002DEST_PATH_IMAGE004

表示向下取整。

生成码本。通信系统数据离线处理器根据样本训练数据在表1中选择选择L个能够使平均传输速率最大的组合组成码本；

1c) 存储码本：通信系统将选择好的码本分别存储在发射端和接收端的寄存器中。

步骤（2）信道估计

2a) 发射训练序列。发射端向中继节点和接收端发射训练序列；

2b) 信道估计。本发明的实施例采用了基于训练序列的信道估计，基于训练序列的信道估计适用于突发传输方式的系统，通过发送已知的训练序列，在接收端进行信道估计。本发明实施例由于采用基于训练序列的信道估计技术，虽然频谱利用率有所降低，但是实时性更好。

接收端信道估计器根据接收到的训练序列估计出发射端到接收端的信道矩阵。通过FFT变换到频域，生成每个子载波上的频域等效信道矩阵。

步骤（3）MIMO均衡和BER估计

3a) 信干比估计。接收端采用MMSE均衡，均衡器为

，其中

Figure 2012100233021100002DEST_PATH_IMAGE006

为第i个子载波的信道矩阵。用

和

Figure 2012100233021100002DEST_PATH_IMAGE008

分别表示矩阵

和 的第j列，则第i个载波上第j个输出信号为：

Figure 2012100233021100002DEST_PATH_IMAGE010

上式等号右边的第1项为有用信号，而第2、3项为干扰和噪声信号，此输出信号的信干比（SINR）为：

3b) 错判概率计算。为了简化BER估计的计算复杂度，采用了一种简化的错判概率计算发放。图2以16QAM在第一个比特为1时为例给出了示意图。实心圆表示第一个比特为1的星座点，星座点可分为三种：C1点有两个相邻点在第一个比特与之不同；C2有三个这样的相邻点；而对于C3来说这样的相邻点为0个。当j＝1，2时，C1和C2类点各有2个，当j＝3，4时，C1和C2类点各有4个。星座点间只有一个比特不同时，错判概率为：

Figure 2012100233021100002DEST_PATH_IMAGE012

；星座点间有两个比特不同时，错判概率为：

，其中 为Q函数。由以上分析可以得到，16QAM调制时

。同理，对于BPSK，QPSK和64QAM，分别为

Figure 2012100233021100002DEST_PATH_IMAGE016

，

和

Figure 2012100233021100002DEST_PATH_IMAGE018

。

估计。选用母码速率为1/2的RCPC码，删除周期为t，

和

Figure 2012100233021100002DEST_PATH_IMAGE020

分别表示编码速率和最小汉明距离。将均衡后的输出信干比用矢量

表示，接收端的误码率（BER）可由下式估计：

Figure 2012100233021100002DEST_PATH_IMAGE022

其中

和

Figure 2012100233021100002DEST_PATH_IMAGE024

分别表示在汉明距离为

时信息错误权重和码字的成对错误概率。不同RCPC码的

已在表2中给出，计算误码率只需得到

的估计。调制采用理想的交织和Gray映射，可以得到：

Figure 2012100233021100002DEST_PATH_IMAGE026

其中，

表示M-QAM调制中第s个比特为b的星座点集合，且

Figure 2012100233021100002DEST_PATH_IMAGE028

。

由最高等级编码调制组合开始，分别估计其BER，直到估计BER满足要求或者达到最低编码调制等级为止。

步骤（4）反馈信道信息。接收机将选择出的编码调制等级的索引号反馈到发射端。

步骤（5）发射端实现编码调制

5a) 搜索编码调制等级参数。发射机信号处理器按照接收端反馈的码字索引号，在发射机寄存器的码本中搜索出对应的码字。

编码调制实现。发射机依照5a)中搜索出的码字规定的编码速率、RCPC码的参数、以及调制方式等数据进行编码、交织和调制。

Claims

1.一种有限反馈多天线正交频分复用OFDM系统自适应编码调制方法，其特征是：本方法包括五个步骤; 第一步存储编码调制方案集合，第二步进行信道估计，第三步输入多输出MIMO系统均衡和比特错误概率BER估计，第四步反馈信道信息，第五步进行发射端自适应调制。

2.根据权利要求1所述的有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制方法，其特征是：所述的存储编码调制方案集合首先确定可选速度等级数目是根据通信系统平均反馈比特数的限制，确定最大允许使用的速率等级的数目q；然后生成码本是通信系统数据离线处理器将码率兼容删除卷积RCPC码与调制方案组合成1-10个编码调制方案，形成一个自适应调制的码本；最后存储码本集合是将选择好的码本分别存储在发射端和接收端的寄存器中。

3.根据权利要求1或2所述的有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制方法，其特征是：所述的进行信道估计首先发射训练序列是发射端向接收端发射训练序列；然后信道估计是接收端信道估计器根据接收到的训练序列分别估计出发射端到接收端的信道响应矩阵，并通过FFT变换获得每个子载波等效MIMO信道矩阵。

4.根据权利要求1或2或3所述的有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制方法，其特征是：所述的MIMO均衡和BER估计首先根据步骤信道估计得到的信道响应信息，采用最小均方误差MMSE均衡器，计算每个子信道的信干比；然后接收机在接收端码本寄存器中根据码字等级由高到低，分别计算其可达的误码率BER，直到找到满足BER条件的码字或到达最低等级的码字为止。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制方法，其特征是：所述的反馈信道信息首先接收机找到所选择码字在码本中对应的索引；然后接收机将码字索引反馈到发射端。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制方法，其特征是：所述的进行发射端自适应调制首先搜索码字是发射机按照接收端反馈的码字索引号，在发射机寄存器的码本中搜索对应的码字；然后编码调制是发射机使用搜索码字中搜索出的码字中给出的RCPC码与调制方案组合进行编码调制。

7.一种有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制装置，其组成包括：发送数据装置，其特征是：所述的发送数据装置连接存储编码调制方案集合器，所述的存储编码调制方案集合器连接信道估计装置，所述的信道估计装置连接MIMO均衡和BER估计装置，所述的MIMO均衡和BER估计装置连接反馈信道信息装置和自适应编码调制器，所述的反馈信道信息装置连接发射端自适应调制器。

8.根据权利要求7所述的有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制装置，其特征是：所述的存储编码调制方案集合器包括S/P转换器，所述的S/P转换器发射一组数据流给编码器，所述的编码器通过交织器连接调制器。

9.根据权利要求7或8所述的有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制装置，其特征是：所述的信道估计装置包括IFFT和FFT，所述的IFFT接收端接收由所述的调制器发射的信号和由训练序列发射的信号，所述的FFT接收由训练序列发射的信号，所述的FFT发射信号给MIMO均衡和BER估计装置，所述的MIMO均衡和BER估计装置连接自适应标码调制器，所述的自适应标码调制器将信息反馈给所述的编码器。

10.根据权利要求7或8或9所述的有限反馈多天线OFDM系统自适应编码调制装置，其特征是：所述的反馈信道信息装置包括调节器，所述的调节器接收由所述的MIMO均衡和BER估计装置发出的信号调节后在反馈给所述的MIMO均衡和BER估计装置；所述的调节器连接解交织器，所述的解交织器连接解码器，所述的解码器连接所述的调制器。