CN103297201A

CN103297201A - 一种小区干扰下的自适应调制编码选择方法

Info

Publication number: CN103297201A
Application number: CN2013102845578A
Authority: CN
Inventors: 俞菲; 李静一; 孙英明; 王敏; 杨绿溪
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2013-09-11

Abstract

本发明公开了一种小区间干扰下的自适应调制编码选择方法，该方法利用干扰自相关矩阵来提高误帧率(PER)预测的准确性。接收端首先计算干扰自相关矩阵，并根据干扰自相关矩阵将干扰白化为等效高斯白噪声，接着计算无干扰下的等效信干噪比，然后根据计算出的等效信干噪比查表得到每种调制编码方式MCS对应的误帧率PER，最后选择PER小于阈值的最大的PER对应的MCS。仿真结果表明该发明方法能明显提高系统频谱利用率。

Description

一种小区干扰下的自适应调制编码选择方法

技术领域

本发明涉及无线局域网，尤其涉及一种小区间干扰下的自适应调制编码选择方法。

背景技术

自适应编码调制(AMC)技术是下一代无线局域网中用于提高链路吞吐率的关键技术。AMC技术是一种典型的链路自适应技术，其主要思想是根据信道的条件选择数据传输的调制编码方式(MCS)，以最大限度的利用信道资源。一般来说，选择的MCS需要满足一定的服务质量(QoS)要求，比如误帧率(PER)，在WLAN中典型的PER要求是要小于10%，这样通过4次重传可以使得残余的PER小于10^-5。

在AMC技术中，需要接收端根据信道条件预测每一种MCS下的PER，然后选择PER小于10%中最大的PER对应的MCS为下一次数据传输的MCS。因此接收端必须要准确的预测PER才能保证AMC技术的有效性。然而无线信道是复杂多变的，再加上复杂的编码和调制，直接通过公式预测其PER会很困难。一种解决方法是通过一种映射方式，将无线衰落信道等效为加性白高斯噪声信道(AWGN)，并计算出一个等效的信噪比(SINR_eff)，然后通过查表来预测其PER。

在传统的接收机中，往往把小区间的干扰当成白高斯噪声来处理，这会对SINR_eff的计算造成很大的误差，从而影响PER预测的精度，造成吞吐率的下降。针对这一问题，提高PER预测的精度将是提高系统吞吐量的关键。

发明内容

本发明提出了一种小区间干扰下的自适应调制编码选择方法，能够明显提高系统的频谱利用率。

本发明采用如下技术方案：

一种小区间干扰下的自适应调制编码选择方法，包括如下步骤：

（1）计算接收端的干扰自相关矩阵；

（2）所述接收端根据干扰自相关矩阵将干扰白化为等效高斯白噪声；

（3）计算无干扰下的等效信干噪比；

（4）根据计算出的等效信干噪比查表得到每种调制编码方式MCS对应的误帧率PER，然后选择PER小于阈值的最大的PER对应的MCS。

有益效果：与传统的方法相比，本发明利用干扰自相关矩阵设计的白化滤波器，将干扰和噪声白化为高斯白噪声，从而等效为无干扰下的PER预测，提高了PER预测的精度，该发明能够明显提高系统频谱利用率。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为与本发明方法一致的达到的吞吐量性能图；

图3为与本发明方法一致的干扰条件下的定时误差；

图4为异步干扰信号检测示意图；

图5为3个干扰源下的干扰统计分布；

图6为不同调制方式下的信道容量；

图7为考虑和不考虑干扰自相关下的频谱效率。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

OFDM接收机接收有用信号时，首先定时到一个CP范围内，然后做相关检测。如果此定时也正好在干扰信号的CP范围内的话，那么干扰就可以通过相干检测出并消除掉。然而WLAN中的CSMA接入方式并不能保证这一点，往往定时点不在干扰信号的CP内，如图3所示。

假设干扰信号的定时误差为△T，那么其经过检测器时的情况如图4所示。

从图中可以看出第k个子载波上的干扰信号经过相干检测器后输出I_k为：

式中W_T(t)为长度为T的矩形窗口函数，x_i-1为第i-1个OFDM符号上的调制信号，x_i为第i个OFDM符号上的调制信号，h_k为第k个子载波上的信道系数，那么上式可以进一步化简为：

从上式可以看出干扰表达式和子载波序号无关，而只是和其信道系数有关，为方便叙述可以去掉子载波序号。那么在多天线情况下上式可以扩展为：

当有N个干扰用户时：

上式中H_n为第n个干扰源的信道，△T_n为其定时偏差。如图5所示，给出了3用户干扰下的干扰统计分布，其仿真信道为802.11ac信道模型C下的NLOS场景，仿真时间为100个相干时间。可以看出干扰的分布近似于高斯分布，所以在单天线情况下干扰信号可以看成是白噪声。在多天线情况下考虑干扰的自相关矩阵R_II为：

考虑到x_n,i-1和x_n,i是相互独立的那么上式可以化为：

假设发射信号功率为1，那么E{xx^H}=I，如果干扰信道H_n是确定的，那么上式可以简化为：

令ρ_n=△T_n/T，那么上式可化为：

从上面的推导可以看出，小区间的异步干扰可以近似为均值为零空间相关的高斯噪声，其自相关矩阵可以由干扰的信道系数和干扰定时偏差确定。在干扰较强时，接收机可以通过干扰信号的物理层前导来估计干扰信号的定时偏差和干扰信道系数，从而可以确定干扰自相关矩阵。

当干扰源比较多并且干扰强度相对较小时，是很难估计出每个干扰信号的定时偏差和信道系数的。此时接收机可以在空闲时间内估计干扰信号的自相关矩阵，其估计方法如下：假设接收机在空闲时间内，第n个OFDM符号经过FFT后在第k个子载波上接收到的信号I_n,k为：

其中z_n,k为第k个子载波上接收到的干扰信号，n_n,k为第k个子载波上的噪声。那么第k个子载波上的干扰自相关矩阵R_k可以通过下式估计出：

式中σ²为噪声的方差，其可以通过不发数据的虚拟子载波估计，I为单位矩阵，N为用于估计的OFDM符号数。

在小区间干扰下，接收端接收到的信号y为：

假设接收端已经获得干扰z和噪声n之和的自相关矩阵R_I，那么对上式两端同时乘以

可得：

那么上式的第二项可以看成是方差为1的高斯白噪声，从而等效为无干扰下的PER预测。

假设接收端采用线性的MMSE检测器。对于MMSE，滤波矩阵G需要满足：

上式的解为：

这一结果可由正交性原理得出。MMSE检测器输出的第i个流上的信干噪比SINR_i为：

在无干扰的信道环境中，假设第k个子载波上的信道为H_k，那么根据上式有，其第l个流上的SINR_k,l为：

其中为MMSE滤波矩阵，σ²为噪声方差。SINR_k,l一般称为均衡后SINR。

由于信道的衰落，各个子载波和流上的均衡后SINR是不相同的。如何将这些均衡后SINR等效为AWGN上的信噪比，一种直接的方法是令这两者的信道容量相等，即衰落信道容量C_fading等于AWGN信道容量C_awgn。在802.11ac中每个流上采用相同的MCS，可得C_fading为：

通过上式可得SINR_eff为：

上述的信道容量是在发送信号为高斯信号下算出的，实际系统中发送的是星座图调制的信号，其信道容量相比于高斯调制信道容量会有一定的损失，特别是在高信噪比下，如图6所示。

因此采用上述方法计算SINR_eff会产生一定的误差，应该根据实际的调制方式来计算信道容量。然而星座图调制的信道容量没有解析表达式，一种近似的方法是将星座图信道容量C近似为：

得到了一种指数有效信噪比映射(EESM)方法。但这种方法需要大量的非线性运算，本实施方法将采用查表法来计算其信道容量。在计算出SINR_eff后就可以通过查表得到每种MCS的PER，然后选择最优的MCS。

对传统MCS选择和考虑了干扰自相关矩阵的MCS选择性能进行仿真，仿真参数设置如下：干扰节点数为3，接收端接收到的每个干扰信号的功率相同并且延时是随机的，信道模型采用了IEEE802.11ac信道模型E的NLOS场景，信噪比为30dB。

图7给出了不同信干比下考虑和不考虑干扰自相关下的频谱效率的对比，左图是天线配置为4x4发送4个流的场景，右图是天线配置为2x2发送2个流的场景。可以看出当接收端考虑了干扰自相关矩阵时其频谱效率相对于不考虑时有了明显的提升，特别是接收天线数较多时，这是由于接收天线数越多干扰的相关性越强，一个极端的例子是当只有一根接收天线时，干扰就只能当成白噪声来处理。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干可以预期的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种小区间干扰下的自适应调制编码选择方法，包括如下步骤：

步骤1：计算接收端的干扰自相关矩阵；

步骤2：所述接收端根据干扰自相关矩阵将干扰白化为等效高斯白噪声；

步骤3：计算无干扰下的等效信干噪比；

步骤4：根据计算出的等效信干噪比查表得到每种调制编码方式MCS对应的误帧率PER，然后选择PER小于阈值的最大的PER对应的MCS。

2.如权利要求1所述的小区间干扰下的自适应调制编码选择方法，其特征在于：在步骤1中，根据干扰的强弱，分两种情况来计算干扰自相关矩阵；一种是当干扰较强且接收机能够解出干扰信号时，通过干扰信号的物理层前导来估计干扰信号的定时偏差和干扰信道系数，从而确定干扰自相关矩阵；另一种是当干扰源比较多并且干扰强度较小而接收机无法解出干扰信号时，较第一种情况难以估计出每个干扰信号的定时偏差和信道系数，此时接收机在空闲时间内估计干扰信号的自相关矩阵。

3.如权利要求1所述的小区间干扰下的自适应调制编码选择方法，其特征在于：在步骤3中，所述接收端获取各个子载波和流上的均衡后信干噪比SINR，利用指数有效信噪比映射EESM方法计算等效信干噪比。

4.如权利要求3所述的小区间干扰下的自适应调制编码选择方法，其特征在于：所述指数有效信噪比映射EESM方法为根据实际的调制方式来近似计算星座图调制信道容量，并得到不同调制方式下信道容量与信干噪比的对应表；接收端利用各个子载波和流上的均衡后SINR，计算出衰落信道容量；令衰落信道容量等于星座图调制信道容量，通过查找上述对应表得到等效信干噪比。