CN103346996B - 基于叠加编码的用户聚类mimo广播方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于叠加编码的用户聚类MIMO广播方法，包括：将广播接收用户按照划分为不同聚类，所述不同聚类的用户接收到的信息量不同，即，所述不同聚类包括：只能接收公共广播业务数据的聚类，以及，在接收公共广播业务数据的同时能够接收付费业务的聚类。利用本发明提供的MIMO广播方法，具有以下有益效果：用户聚类的划分能够合理、充分的利用无线信道的特性和接收用户的处理能力差异，使条件不同的数以万计的广播接收用户能够分别达到不同的性能。在保证处理能力强、弱两种聚类对公共广播业务正常接收的前提下，可以从误码率性能角度最大化两种聚类接收付费广播业务的性能差距。

Description

基于叠加编码的用户聚类MIMO广播方法

技术领域

本发明涉及数字信息调制技术领域，特别是涉及一种基于叠加编码的用户聚类MIMO广播方法。

背景技术

为了适应新一代无线多媒体广播系统对超高清电视、3D电视、高清电视、数据广播等多种业务以及固定、移动、便携等不同类型终端的需求，广播系统在引入能够显著提高信道容量的MIMO技术的过程中，面临着大量用户发射端信道状态信息未知、信道差异巨大且状态信息繁多所引发的接收质量难以优化的挑战，特别是不同终端所支持的接收天线数不同所带来的处理能力不同、信道容量界不同的问题。目前还没有相关文献及专利在广播场景下提出聚类的概念。

多输入多输出（MIMO）技术是现代通信技术中的重大突破之一，越来越成为无线通信领域的研究热点。MIMO技术是未来无线通信系统中实现高数据速率传输、改善传输质量、提高系统容量的重要途径。对于单用户的MIMO系统，信道容量和发射天线数、接收天线数的最小值成正比。

叠加编码（Superposition Coding：SC）技术是一种分层编码调制技术，Cover,T.M.在1972年给出了SC技术的基本思想以及初步的性能分析。其基本思想是系统根据不同的目标传输速率，将信道状态量化为不同信道质量的等级，每一个信道量化等级对应于一个确定的目标传输速率。质量好的信道量化等级对应的传输速率较高，质量差的信道量化等级对应的传输速率较低。将两组信号分别按不同的目标速率独立地进行编码，并映射到相对应的星座图上，然后再对其进行叠加。

总体来看，目前还没有相关文献及专利将两项技术结合应用于广播系统中的传输问题。为解决上述提出广播中存在的不同种类接收用户问题，本专利将叠加编码与多天线发射分集相结合，并提出渐进逼近信道容量界的用户聚类概念，同时给出最优功率分配参数的求解。本方案可以实现在保证单天线接收终端（如手机电视等）性能不受影响的前提下大幅提升多天线接收终端（如公交车电视等）的净荷数据率，具体如附图1所示。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的是提出一种基于叠加编码的用户聚类MIMO广播方法，这种方法将叠加编码及多天线发射分集结合运用于广播系统，以实现公共广播业务和付费广播业务的接收对应不同聚类的用户。

（二）技术方案

本发明提供了一种基于叠加编码的用户聚类MIMO广播方法，包括：将广播接收用户按照划分为不同聚类，所述不同聚类的用户接收到的信息量不同，即，所述不同聚类包括：只能接收公共广播业务数据的聚类，以及，在接收公共广播业务数据的同时能够接收付费业务的聚类。

优选地，根据接收端所配备的接收天线数量、所处信道环境、信道条件和/或处理能力来划分为不同聚类。

优选地，当根据接收端所配备的接收天线数量时，接收天线数较多的用户聚类在接收公共广播业务的同时能够接收付费广播业务，而接收天线数较少的用户聚类只能接收公共广播业务。

优选地，发送端将公共广播业务数据和付费广播业务数据分别经过调制后按照最优的功率分配比进行叠加编码，然后通过多天线发射分集处理后形成发射信号。

优选地，接收端对接收到的信号进行解调，进而解调出发送端的发射信号，不同聚类的接收用户解调出不同种类的广播业务。

优选地，在发送端将叠加编码技术与多天线发射分集技术进行结合，兼顾具有不同处理能力的用户聚类，使处理能力较强的用户聚类逼近较高的信道容量，使其传输数据率提高，使处理能力较弱的用户聚类能够逼近对应的信道容量，其传输数据率不受影响。

优选地，最优功率分配比能够通过最小化误码率费用函数得到，以满足在不影响接收公共广播的同时，最大程度抑制接收天数较少的用户聚类对付费广播业务的接收性能。

优选地，在双聚类的情况下，误码率费用函数定义为两个聚类分别对公共广播业务、付费广播业务的四种误码率的组合函数。

（三）有益效果

利用本发明提供的MIMO广播方法，具有以下有益效果：用户聚类的划分能够合理、充分的利用无线信道的特性和接收用户的处理能力差异，使条件不同的数以万计的广播接收用户能够分别达到不同的性能。在保证处理能力强、弱两种聚类对公共广播业务正常接收的前提下，可以从误码率性能角度最大化两种聚类接收付费广播业务的性能差距。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用附图简单地介绍显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为大容量用户聚类MIMO广播渐进逼近容量限示意图；

图2为本发明提供的基于叠加编码的用户聚类MIMO广播方法系统结构框图（以两个用户聚类为例，分别配置双天线、单天线）；

图3（a）～（c）分为公益广播数据的星座符号（16QAM）、付费业务数据的星座符号（16QAM）、叠加编码之后的星座图符号的星座映射图；

图4为本发明实施例中用户聚类MIMO广播在不同接收场景下的传输速率容量限；

图5为本发明实施例中用户聚类MIMO广播的误码率曲线。

具体实施方式

为了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、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。

如附图2所示，本发明提出的基于叠加编码的用户聚类MIMO广播方法，其特征在于，在广播场景中，将数以万计的广播接收用户按照一些准则划分为不同聚类。用户聚类的划分满足不同聚类接收到的信息量不同，其中有的聚类只能接收公共广播业务数据，有的聚类在正常接收公共广播业务数据的同时也能接收付费业务。

其中，用户聚类的划分准则可以依据接收端所配备的接收天线数量，也可以根据接收端所处信道环境、信道条件、处理能力的不同来综合考虑。

其中，如果用户聚类的划分准则采用接收天线数进行划分，接收天线数较多的用户聚类在接收公共广播业务的同时能够接收付费广播业务，而接收天线数较少的用户聚类只能接收公共广播业务。

其中，用户聚类产生的不同类别数要远远小于用户的实际数量，因而发射机所要考虑的较大的广播用户数能够大大减少为较小的用户聚类数，而由于用户数过多所引起的发端欠定问题，也能够被部分转化为非欠定问题，大大降低处理的复杂度，这也使得不同类别的用户性能同时逼近相应的容量界成为可能。

其中，基于叠加编码的用户聚类MIMO广播方法的具体实现方式，包括以下步骤：广播系统的发送端，将公共广播业务数据和付费广播业务数据分别经过调制后按照最优的功率分配比进行叠加编码，然后通过多天线发射分集处理后形成发射信号；广播系统的接收端，对接收到的信号进行解调，进而解调出发送端的发射信号，不同聚类的接收用户解调出不同种类的广播业务。

其中，在广播发送端将叠加编码技术与多天线发射分集技术进行结合。兼顾具有不同处理能力（如配备不同数量接收天线）的用户聚类，能够使处理能力较强（如接收天线数较多）的用户聚类逼近较高的信道容量，使其传输数据率显著提高；而处理能力较弱（如接收天线数较少）的用户聚类仍然能够逼近对应的信道容量，其传输数据率不受影响。

其中，叠加编码最优的功率分配比通过最小化误码率费用函数得到，可以在不影响对公共广播接收性能的同时，最大程度抑制接收天数少的用户对付费广播业务的接收性能。误码率费用函数定义为两个聚类分别对公共广播业务、付费广播业务四种误码率的组合函数。

实施例1

本发明实施例的基于叠加编码的用户聚类MIMO广播方法，这种方法能够合理、充分的利用无线信道的特性和接收用户的处理能力，使条件不同的数以万计的广播接收用户达到不同的性能。

假设广播发射端天线数为N_t，广播接收用户采用天线数的聚类划分准则，令聚类一的天线数为N₁，聚类二的天线数为N₂（N₁＞N₂）。附图2为本发明实施例的基于叠加编码的用户聚类MIMO广播方法系统框图。该方法包括以下步骤：

（一）发送端

S1，将公共广播业务数据和付费广播业务数据分别进行星座调制；

S2，将两组调制符号进行叠加，如：

$X=\sqrt{1-\mathrm{\α}}{X}_b+\sqrt{\mathrm{\α}}{X}_s$

其中，X_b为公共广播业务数据，X_s为付费广播业务数据，0≤α≤1代表两种业务之间的功率分配参数。如附图3（a）～（c）所示，为一个具体的星座图叠加实例，其中公共广播业务和付费广播业务均采用16QAM星座映射。叠加编码之后将发送符号结合多天线分集技术进行发射；

S3，为了从误码率性能角度最大化两种聚类对付费广播业务接收性能的差距，最优的功率分配参数α^*计算可采用如下方法：

在信噪比较高的条件下，M阶QAM星座图在发射分集方案中的误码率表达式可以近似为

$P=(N_r,{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sym}})C_{{2N}_T{N}_r-1}^{N_t{N}_r}\frac{4(\sqrt{M}-1)}{\sqrt{M}{\log }_{2}M}{\left(\frac{M-1}{6{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sym}}}\right)}^{N_t{N}_r}$

其中，γ_sym为每个符号对应的信噪比。计算出聚类一、聚类二分别对公共广播业务、付费广播业务的符号信噪比，可以得到四种误码率P(N₁,γ_1b)、P(N₁,γ_1s)、P(N₂,γ_1b)、P（N₂,γ_1s)的表达式。

现定义目标函数为：

$F\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{P\left(N_{1,}{\mathrm{\γ}}_{1b}\right)P(N_1,{\mathrm{\γ}}_{1s})P(N_2,{\mathrm{\γ}}_{1b})}{P(N_2,{\mathrm{\γ}}_{2s})}$

最小化此目标函数可以在保证两种聚类对公共广播业务正常接收的同时，最大化两种聚类对付费广播业务的接收性能差距。

目标函数的最优化可通过求解lnF(α)对α的导数零点，如：

$\frac{d\ln \mathrm{F\α}}{\mathrm{d\α}}=(N_1+N_2)[\frac{N_t}{1-\mathrm{\α}}+\frac{{N_t}^2\mathrm{\γ}}{1+\mathrm{\α}{N}_{\mathrm{t\γ}}}]-\frac{N_t(N_1-N_2)}{\mathrm{\α}}=0$

求解得到最优功率分配参数其中a=(N₁-N₂)N_tγ、b=2N₁+2N₂N_tγ、c=-(N₁-N₂)。下表给出在设定参数条件下的最优功率分配参数；

（二）接收端

S1，首先对公共广播业务数据进行解调，此时付费广播业务数据当作干扰信号；

S2，利用连续干扰消除进行恢复，当公共广播业务数据被可靠恢复后，将其从接收信号中减去，再对付费广播业务数据进行解调。由于聚类一与聚类二对付费广播业务正常接收的信噪比门限相差较大，导致聚类二（接收天线数少，处理能力差）对付费广播业务的接收能够得到有效抑制。即在常用广播场景和信噪比条件下，可以实现聚类一在接收公共广播业务的同时也能接收付费广播业务，而聚类二只能接收公共广播业务。

由以上实施例可以看出，本发明的实施例能够合理、充分的利用无线信道的特性和接收用户的处理能力差异，使条件不同的数以万计的广播接收用户能够分别达到不同的性能。在保证处理能力强、弱两种聚类对公共广播业务正常接收的前提下，可以从误码率性能角度最大化两种聚类接收付费广播业务的性能差距。

实施例2

本发明实施例是基于叠加编码的用户聚类MIMO广播方法的传输速率容量限验证。取广播发射端天线数为N_t=4，聚类一的接收天线数为N₁=2，聚类二的接收天线数为N₂=1。

从信息论角度，假设H为MIMO系统的信道矩阵，采用叠加编码之后两种业务的可达传输速率容量限可表示为：

选取实施例1之中的最优功率分配参数，各种接收场景下的传输速率容量限如附图4所示。其中，在通信的常用信噪比范围内，公共广播的接收均可以达到可观的传输速率，同时聚类二对付费广播业务的可达速率能够得到有效抑制，甚至低于单发单收的系统。

实施例3

本发明实施例是基于叠加编码的用户聚类MIMO广播方法的误码率性能验证。取广播发射端天线数为N_t=2，聚类一的接收天线数为N₁=2，聚类二的接收天线数为N₂=1。采用平衰落的MIMO信道进行仿真验证，其中两种模式Mode 1分别代表叠加编码采用QPSK+16QAM，Mode 2代表叠加编码采用QPSK+QPSK。

选取实施例1之中的最优功率分配参数，各种接收场景下的误码率曲线如附图5所示。其中：（1）在每种叠加模式下，聚类二对付费广播业务的接收信噪比性能和其他三种接收有明显差距，再次验证本方案可以有效限制聚类二的付费接收；（2）两种模式之间的对比证明付费广播业务选用不同的星座映射，对公共广播业务性能影响不大。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最用应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中的部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不时相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种基于叠加编码的用户聚类MIMO广播方法，其特征在于，包括：将广播接收用户按照接收端所配备的接收天线数量、所处信道环境、信道条件和/或处理能力来划分为不同聚类，所述不同聚类的用户接收到的信息量不同，即，所述不同聚类包括：只能接收公共广播业务数据的聚类，以及，在接收公共广播业务数据的同时能够接收付费业务的聚类；

当根据接收端所配备的接收天线数量将广播接收用户划分为不同聚类时，接收天线数较多的用户聚类在接收公共广播业务的同时能够接收付费业务，而接收天线数较少的用户聚类只能接收公共广播业务。

2.如权利要求1项所述的方法，其特征在于，发送端将公共广播业务数据和付费业务数据分别经过调制后按照最优的功率分配比进行叠加编码，然后通过多天线发射分集处理后形成发射信号。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，接收端对接收到的信号进行解调，进而解调出发送端的发射信号，不同聚类的接收用户解调出不同种类的广播业务。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，最优功率分配比能够通过最小化误码率费用函数得到，以满足在不影响接收公共广播的同时，最大程度抑制接收天数较少的用户聚类对付费业务的接收性能。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在双聚类的情况下，误码率费用函数定义为两个聚类分别对公共广播业务、付费业务的四种误码率的组合函数。