CN102624435B - 双通道mimo系统中的agi补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双通道MIMO系统中的AGI补偿方法，包括以下步骤：步骤1，接收端估计出信道矩阵，对信道进行长期统计，统计时间为T；步骤2，接收端计算出不包含AGI的信道矩阵，在长期统计下，的增益是相等；步骤3，根据发射端增益低的那根天线发送符号的编码调制方式，在接收端检测时进行相应的补偿处理；步骤4，利用步骤2所得矩阵对步骤3补偿后的接收信号进行ZF-OSIC检测或者是MMSE-OSIC检测，得到多组解；步骤5，从步骤4得到的M组解中选择欧氏距离最小的作为最终的检测结果。本方法仅从接收端检测方法上进行调整，避免了在发射端解决AGI所引起的复杂的信息反馈等相关操作。

Description

双通道MIMO系统中的AGI补偿方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及的是一种双通道MIMO系统中的AGI补偿方法。

背景技术

AGI(Antenna Gain Imbalance)是在LTE 3GPP(Long Term Evolution 3^rd GenerationPartnership Project)的一次提案中提出的，为发射端天线等效增益的不一致问题，AGI不仅和射频通道，天线自身的结构、增益有关，还和传播环境等外部因素有关。AGI能够反映出信道的长期影响，它和天线的相关性是观测信道的重要内容。

为了更好地分析AGI对MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)系统的性能影响，需要在研究传输信道时对其进行专门的分析，例如发射端手持方向不同导致传播损耗的不平衡和天线自身的设计而导致的发射效率问题等等。在多天线系统中，不平衡使得一个通道的分集增益下降，从而影响整个MIMO系统的性能，因此，需要研究其性能影响并改变传输策略，以改善AGI带来的影响。

目前3GPP为了解决AGI对MIMO系统的影响，提出了多种解决方案，其关键思想为：通过改变每数据流的编码调制方式，对差的那根天线的符号进行低阶调制；两流数据不再进行层交换，每流数据采用独立的差错反馈控制。

上述几种方法从一定程度上改善了AGI对系统带来的影响，但提升性能有限，为了进一步降低AGI对MIMO系统的影响，在研究现有传输机制的基础上设计一种针对AGI的解决方案非常必要。

发射端(2个发射天线)可以根据长期统计得到AGI参数并进行适当的功率分配，例如注水算法等。如果发射端采用STBC(Space-Time Block Coding)，在低信噪比的时候可以采用单天线发送，在高信噪比的时候可以采用两天线发送。如果发射端采用V-BLAST(Vertical Bell Labs Layered Space-Time)，可以通过使等效发射功率相等来解决。其具体实现过程可分为以下两步：1)接收端长期统计信道信息，并检测AGI参数反馈给发射端；2)发射端根据反馈的AGI参数进行适当的注水功率分配。

上述方法能很好地解决AGI带来的功率衰减问题，但是需要长期的统计检测以及反馈，实现起来比较困难，并且不符合现有的3GPP规范。

缩略语和关键术语定义：

AGI：Antenna Gain Imbalance天线增益不平衡；

LTE：Long Term Evolution长期演进；

3GPP：3rd Generation Partnership Project第三代合作伙伴计划；

MIMO：Multiple-Input Multiple-Output多输入多输出；

STBC：Space-Time Block Coding空时分组码；

V-BLAST：Vertical Bell Labs Layered Space-Time垂直型贝尔实验室分层空时编码；

ZF-OSIC：Zero Forcing Ordered Successive Interference Cancellation迫零-排序串行干扰消除；

MMSE-OSIC：Minimum Mean-Square Error Ordered Successive InterferenceCancellation最小均方误差-排序串行干扰消除；

QPSK：Quadrature Phase Shift Keying正交相移键控；

QAM：Quadrature Amplitude Modulation正交幅度调制；

SINR：Signal to Interference plus Noise Ratio信号与干扰加噪声比；

BER：Bit Error Rate误比特率。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，在研究现有的2发2收V-BLAST技术的基础上，提供一种双通道MIMO系统中的AGI补偿方法。

本发明的技术方案如下：

双通道MIMO系统中的AGI补偿方法，包括以下步骤：

步骤1，接收端估计出信道矩阵 $H=\left[\begin{array}{cc}{h}_{11}& h_{12}\\ h_{21}& h_{22}\end{array}\right],$ 对信道进行长期统计，统计时间为T，根据以下公式计算AGI参数α：

$\mathrm{AGI}=\frac{G_{11}+G_{21}}{G_{12}+G_{22}}={\mathrm{\α}}^2$

G₁₁，G₁₂，G₂₁，G₂₂分别为h₁₁，h₁₂，h₂₁，h₂₂在所有频率和统计时间T上的模值平方的平均值；

步骤2，接收端根据公式 $H=\stackrel{\‾}{H}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& \mathrm{\α}\end{array}\right],$ 计算出不包含AGI的信道矩阵在长期统计下，的增益是相等；

步骤3，根据发射端增益低的那根天线发送符号的编码调制方式，在接收端检测时进行相应的补偿处理，即接收信号加上补偿矩阵 $\stackrel{\‾}{H}\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 1-\mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ {\tilde{x}}_2\end{array}\right],$ 其中，是补偿发射端所发送的符号；

步骤4，利用步骤2所得矩阵对步骤3补偿后的接收信号进行ZF-OSIC检测或者是MMSE-OSIC检测，得到多组解，解的个数取决于发射端增益低的那根天线发送符号的调制方式，当调制方式为QPSK时，可得到4组解；为16QAM和64QAM时，可分别得到16组解和64组解；解的形式为(i＝1，…M)，M为调制星座点个数；

步骤5，从步骤4得到的M组解中选择欧氏距离最小的作为最终的检测结果；选取的公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{d_1}^i\\ {d_2}^i\end{array}\right]=H\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{x}}_1^i\\ {{\stackrel{\‾}{x}}_2}^i\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right],(i=1,\·\·\·,M)$ $({\stackrel{\‾}{x}}_1,{\stackrel{\‾}{x}}_2)=\arg \min {\left|{d_1}^i\right|}^2+{\left|{d_2}^i\right|}^2,(i=1,\·\·\·M)$

根据以上公式计算出最优的即为最终的检测结果。

本方法通过接收端进行统计检测获取AGI参数，并根据AGI参数改变检测方法，通过自适应地调整检测方法降低AGI带来的性能损失；与现有方案相比，本方法仅从接收端检测方法上进行调整，避免了在发射端解决AGI所引起的复杂的信息反馈等相关操作。

附图说明

图1为AGI模型的示意图；

图2为本发明的流程图；

图3、图4为本发明采用的AGI补偿方法和现有MIMO检测的对比仿真图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

为了研究AGI对现有技术的影响及对应的解决方案，首先需要建立合理的AGI模型，下面以两天线为例对AGI进行建模。参照图1，设AGI＝α²＜＝1，α²为发射端两天线的增益比(这里假设天线1的增益为1，天线2的增益为α²)。

$\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right]=H\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{n}_1\\ n_2\end{array}\right]=\stackrel{\‾}{H}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& \mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{n}_1\\ n_2\end{array}\right]$

y₁，y₂分别是两个接收天线接收到的符号，x₁，x₂分别是发射端第一根天线和第二根天线发送的符号，H是包含AGI的等效信道矩阵，是不包含AGI的信道矩阵，在长期统计下，的增益是相等的，n₁，n₂为零均值复高斯白噪声。

基于以上AGI模型和相关的理论分析，参照图2，本发明的具体实现步骤如下：

步骤1，接收端估计出信道矩阵 $H=\left[\begin{array}{cc}{h}_{11}& h_{12}\\ h_{21}& h_{22}\end{array}\right],$ 对信道进行长期统计，统计时间为T(由信道变化快慢来决定，在统计时间内信道增益的方差为常数，这里T设为1s)，根据以下公式计算AGI参数α：

$\mathrm{AGI}=\frac{G_{11}+G_{21}}{G_{12}+G_{22}}={\mathrm{\α}}^2$

G₁₁，G₁₂，G₂₁，G₂₂分别为h₁₁，h₁₂，h₂₁，h₂₂在所有频率和统计时间T上的模值平方的平均值。

步骤2，接收端根据公式 $H=\stackrel{\‾}{H}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& \mathrm{\α}\end{array}\right],$ 计算出不包含AGI的信道矩阵

步骤3，根据发射端天线2发送符号的编码调制方式，在接收端检测时进行相应的补偿处理，即接收信号加上补偿矩阵 $\stackrel{\‾}{H}=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 1-\mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ {\tilde{x}}_2\end{array}\right],$ 其中，是补偿发射端所发送的符号。

假设当第二根天线所发送符号调制方式为QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)时，有四种可能的取值，分别为(0.7071+0.7071j)，(0.7071-0.7071j)，(-0.7071+0.7071j)，(-0.7071-0.7071j)，调制方式为16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)和64QAM时，的可能取值分别为16种和64种。

步骤4，利用步骤2所得矩阵对步骤3补偿后的接收信号进行ZF-OSIC(Zero ForcingOrdered Successive Interference Cancellation)检测或者是MMSE-OSIC(MinimumMean-Square Error Ordered Successive Interference Cancellation)检测，得到多组解，解的个数取决于发射端第二根天线的调制方式，当第二根天线调制方式为QPSK时，可得到4组解；为16QAM和64QAM时，可分别得到16组解和64组解。解的形式为(i＝1，…M)(M为调制星座点个数)。

步骤5，从步骤4得到的M组解中选择欧氏距离最小的作为最终的检测结果。选取的公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{d_1}^i\\ {d_2}^i\end{array}\right]=H\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{x}}_1^i\\ {{\stackrel{\‾}{x}}_2}^i\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right],(i=1,\·\·\·,M)$ $({\stackrel{\‾}{x}}_1,{\stackrel{\‾}{x}}_2)=\arg \min {\left|{d_1}^i\right|}^2+{\left|{d_2}^i\right|}^2,(i=1,\·\·\·M)$

根据以上公式计算出最优的即为最终的检测结果。

本发明带来的有益效果可通过仿真和理论分析来进一步说明：

2.3.1仿真参数配置

仿真参数配置见表一，

表一 仿真参数配置

仿真时间	5000ms
		信道类型	瑞利信道
长期统计时间	1s
		AGI参数	0dB，-3dB，-6dB
信道估计	理想
		收发天线数	2发2收
发送端调制方式	QPSK/QPSK
		传输方式	V-BLAST

2.3.2仿真内容

仿真中对本发明所提的2发2收V-BLAST下的AGI补偿方案与现有的检测方案进行对比，以及验证在不同的AGI参数下的该方案的改进性能。具体而言，在相同的系统参数配置下，分别仿真所提AGI补偿方案和现有检测方案下的BER(Bit Error Rate)曲线，仿真结果如图3和图4。从图3和图4可以看出，与现有的检测方案相比，在本发明所提的AGI补偿方案下，基于ZF-OSIC的检测时，BER为10^-2，采用此方法能得到1dB的增益，在BER为10^-3时，大约能获得2dB的增益。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.双通道MIMO系统中的AGI补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，接收端估计出包含天线增益不平衡AGI的信道矩阵 $H=\left[\begin{array}{cc}{h}_{11}& h_{12}\\ h_{21}& h_{22}\end{array}\right],$ h₁₁，h₁₂，h₂₁，h₂₂分别是第一根接收天线和第一个发射天线之间、第一根接收和第二根发射天线之间、第二根接收和第一根发射天线之间、第二根接收和第二根发射天线之间的信道增益；对信道进行长期统计，统计时间为T，根据以下公式计算天线增益不平衡AGI参数α：

$\mathrm{AGI}=\frac{G_{11}+G_{21}}{G_{12}+G_{22}}={\mathrm{\α}}^2$

G₁₁，G₁₂，G₂₁，G₂₂分别为h₁₁，h₁₂，h₂₁，h₂₂在所有频率和统计时间T上的模值平方的平均值；

步骤2，接收端根据公式 $\stackrel{\‾}{H}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& \mathrm{\α}\end{array}\right],$ 计算出消除AGI的信道矩阵即不包含AGI；

步骤3，根据发射端增益低的那根天线发送符号的编码调制方式，在接收端检测时进行相应的补偿处理，即接收信号加上补偿矩阵 $\stackrel{\‾}{H}\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 1-\mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ {\tilde{x}}_2\end{array}\right],$ 其中，是补偿发射端所发送的符号；

步骤4，利用步骤2所得矩阵对步骤3补偿后的接收信号进行迫零-排序串行干扰消除ZF-OSIC检测或者是最小均方误差-排序串行干扰消除MMSE-OSIC检测，得到多组解，表示第i组解，i为小于等于解的组数的正整数；解的个数取决于发射端增益低的那根天线发送符号的调制方式，当调制方式为QPSK时，可得到4组解；为16QAM和64QAM时，可分别得到16组解和64组解；解的形式为i＝1，…M，M为调制星座点个数；

步骤5，从步骤4得到的M组解中选择欧氏距离最小的作为最终的检测结果；选取的公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{d_1}^i\\ {d_2}^i\end{array}\right]=H\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{x}}_1^i\\ {\stackrel{\‾}{x}}_2^i\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right],i=1,...,M;$

$({\stackrel{\‾}{x}}_1,{\stackrel{\‾}{x}}_2)=\arg \min {\left|{d_1}^i\right|}^2+{\left|{d_2}^i\right|}^2,i=1,...M;$

$\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right]$ 是两个接收天线接收到的符号， $\left[\begin{array}{c}{d_1}^i\\ {d_2}^i\end{array}\right]$ 是 $H\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{x}}_1^i\\ {\stackrel{\‾}{x}}_2^i\end{array}\right]$ 与 $\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right],i=1,...M$ 的欧式距离，

根据以上公式计算出最优的即为最终的检测结果。