CN104242999A

CN104242999A - 一种分布式空时编码与传统空时编码的mimo模式切换方案

Info

Publication number: CN104242999A
Application number: CN201310229648.1A
Authority: CN
Inventors: 程翔; 沈霞; 焦秉立
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2013-06-09
Filing date: 2013-06-09
Publication date: 2014-12-24

Abstract

本发明设计了一种分布式空时编码与传统空时编码的MIMO模式切换方案，其主要内容包括：用户UE接收测量当前传输模式发接收端信噪比SNR以及UE与协作中继、UE与基站eNB之间的距离(合称为三维距离)，并将测量的SNR与三维距离反馈给eNB。eNB根据反馈的三维距离，查表得到距离对应的分布式空时编码(DSTBC)与传统空时编码(STBC)切换的SNR阈值范围，判断反馈的SNR是否在切换的SNR阈值范围内，如果在，则进行模式切换，如果不在则仍使用当前MIMO模式进行数据传输。

Description

一种分布式空时编码与传统空时编码的MIMO模式切换方案

技术领域

本发明涉及一种应用于具有中继协作的蜂窝系统的MIMO模式切换方法，目的在于提供一种分布式空时编码与传统空时编码间的切换方案，以进一步提高用户的传输速率。

背景技术

MIMO技术是应用于无线通信提高用户传输质量的多天线技术。目前MIMO传输模式主要分为空间分集、空间复用和波速赋形三大类。其中空间分集和波速赋形技术主要用于信道空间相关性较高，链路质量较差的场景，分别利用空间链路的分集增益和降低链路干扰的方式提高用户的通信链路质量，以保证传输的可靠性。而空间复用技术用于信道空间相关性较低，链路质量较高的场景，多条空间链路承载不同的传输数据以提高用户的传输速率。因此为了充分利用MIMO技术的优势，需要根据不同的信道场景在不同的MIMO传输模式间进行切换，选择最佳的MIMO传输模式以获得最佳的传输性能。

目前，有很多文献提出了传统MIMO模式间的切换方案。具体参见C.B.Chae，A.所著的“Adaptive MIMO transmission techniques for broadband wireless communication systems.”IEEE Commun.Mag.，vol.48，no.5，pp.112-118，May 2010.，其中提出了空间分集(采用空时编码方案，STBC)与空间复用(SM)间的切换方案，切换的准则主要归类为两种：

(1)在保证传输速率一定的情况下，选择误码率最低的MIMO模式

(2)在保证误码率一定的情况下，选择传输速率最高的MIMO模式

由于MIMO模式切换需要对MIMO信道环境进行相应的测量，测量量一般包括信道的相关性和信道质量(SNR)两种，切换基本的参量则为误码率(BER)和信道容量(或吞吐率)两种。

目前除了传统MIMO技术，还存在分布式MIMO技术。分布式MIMO技术与传统MIMO技术不同在于传统MIMO的发送多天线在同一个发送设备上，而分布式MIMO的发送多天线在不同的发送设备上，多个设备共同组成一个虚拟的天线矩阵，支持MIMO技术的应用。对于分布式MIMO模式，与传统MIMO模式相同，也具有分布式空间分集和分布式空间复用的区分，适用于不同的信道场景。因此，也有文献也提出了具有中继协作的分布式MIMO模式间的切换方案。具体参见J.Park所著的“Energy-efficient adaptive transmission schemein a correlated wireless sensor network，”in Proc.IEEE VTC 2010-Spring，pp.1-5，May 2010.，其中研究了分布式空间分集与分布式空间复用之间的切换。切换的测量量和准则与传统MIMO模式间的切换方案基本相同。

而目前基本没有文献研究分布式MIMO与传统MIMO之间的切换问题。而在下一代通信系统中，具有中继协作的分布式MIMO技术在提高传输性能方面具有重要作用。实际上，传统MIMO和分布式MIMO之间也适用于不同的信道场景，为了获得更好的传输性能，选择传统MIMO还是分布式MIMO技术将是一个必须解决的MIMO模式切换问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种分布式空时编码(DSTBC)和传统空时编码(STBC)间的MIMO模式切换方案，可以进一步提高用户的传输吞吐率。

为实现上述目的，本发明设计了一种DSTBC和STBC间的MIMO模式切换方案，其特征在于包括以下步骤：

用户UE接收测量当前传输模式发接收端信噪比SNR以及UE与协作中继、UE与基站eNB之间的距离(合称为三维距离)，并将测量的SNR与三维距离反馈给eNB。eNB根据反馈的三维距离，查表得到距离对应的分布式空时编码(DSTBC)与传统空时编码(STBC)切换的SNR阈值范围，判断反馈的SNR是否在切换的SNR阈值范围内，如果在，则进行模式切换，如果不在则仍使用当前MIMO模式进行数据传输，其中：

1)eNB与UE间的通信采用传统STBC模式时，在eNB侧直接采用空时编码技术将信号发送给UE。而eNB与UE间的通信采用DSTBC模式时分为两个阶段，eNB端先将数据发送给中继，选择距离目的节点UE最近的两个中继进行数据转发，两个中继的两个单天线组合成虚拟的天线矩阵，进行分布式Alamouti空时编码，将数据转发给UE。模式切换方案以最大化传输容量为准则，选择传输容量最大的MIMO模式。当UE处于不同位置时，即与两个中继间的距离、与eNB间的距离(我们将这三个距离称之为三维距离)不同时，STBC与DSTBC间切换的SNR阈值不同。将不同三维距离下，STBC与DSTBC切换的SNR阈值存储为一个模式切换表格。

2)UE测量当前传输模式接收端的SNR和三维距离，将SNR和三维距离反馈回eNB。eNB查找出反馈的三维距离对应的DSTBC和STBC切换的SNR阈值，当反馈的SNR在切换的阈值范围内时，则进行DSTBC和STBC间的切换，否则仍使用当前MIMO模式进行数据传输。

根据本发明提供的方法，可以解决DSTBC与STBC间的切换问题，使得UE可以获得更高的传输速率。

结合附图阅读本发明具体实施方式的详细论述后，本发明的其他特点和优势将会更加清晰。

附图说明

图1是采用STBC与DSTBC传输模式下的系统模型示意图；

图2是UE在不同三维距离下采用STBC与DSTBC模式的传输容量对比图；

图3是采用本发明设计的模式切换的自适应传输方案与非自适应传输方案下的传输容量对比图

具体实施方式

下面将对本发明的具体实施方式进行详细说明。本发明设计DSTBC与STBC间的切换方案，采用最大化传输容量的原则，选择可以使UE获得更大传输容量的MIMO模式。采用传统的STBC传输模式时，eNB端使用两个天线进行Alamouti空时编码，将信号直接传输给UE；采用分布式STBC传输模式时，eNB端先将数据发送给中继，选择距离目的节点UE最近的两个中继进行数据转发，两个中继的两个单天线组合成虚拟的天线矩阵，进行分布式Alamouti空时编码，将数据转发给UE。UE到两个中继的距离与UE到eNB间的距离，该三个距离称之为三维距离。DSTBC与STBC间的切换测量量与三维距离和UE接收信号的信噪比SNR相关。切换方案的具体实施步骤如下：

1)系统首先预存储DSTBC与STBC切换测量量表格。该表格的建立方式为：在不同的三维距离下，在一定发送信噪比SNR范围[SNRl，SNR2]内，分别测量得到DSTBC模式下的接收信噪比范围A=[DSTBC_SNRl，DSTBC_SNR2]和STBC模式下的接收信噪比范围B=[STBC_SNRl，STBC_SNR2]，A与B相交的SNR值即为DSTBC与STBC切换的阈值。由此，获得对应于不同三维距离下，DSTBC与STBC间切换SNR阈值范围。

2)eNB任意选择DSTBC或STBC作为当前MIMO传输模式与UE进行通信。

3)UE测量三维距离和当前MIMO模式下的接收端信噪比SNR，并将三维距离和SNR反馈给eNB。

4)eNB根据反馈的三维距离，查表得到DSTBC与STBC间的切换是SNR阈值范围，当反馈的SNR在切换阈值范围时，eNB进行相应的模式切换，反之则仍然使用当前MIMO模式进行数据传输。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本技术领域内的熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

下面对比使用本发明的模式切换方案下的自适应传输与非自适应采用单一传输模式DSTBC或STBC下传输容量的性能。下表1为仿真参数。

表1仿真参数

图2是在不同三维距离下，UE在不同三维距离下采用STBC与DSTBC模式的传输容量对比图。为了公平对比，采用STBC与DSTBC的总发送功率相同。其中选择5个不同的三维距离分别为A(50，112，112)m、B(150，50，50)m、C(250，112，112)m、D(350，206，206)m和E(450，304，304)m。在示意图中，可以看到STBC与DSTBC的传输容量性能出现了双交点。第一个交点出现得益于中继到UE间的距离较近，衰落较小，DSTBC的MIMO信道质量远大于STBC的MIMO信道质量，采用DSTBC获得的传输容量开始高于采用STBC获得的传输容量。而第二个交点出现是由于当接收端信噪比增大时，DSTBC的MIMO信道质量较STBC的MIMO信道质量优势不再明显，且DSTBC传输时间开销是STBC的两倍，进一步降低了DSTBC的传输容量，此时采用DSTBC获得的传输容量开始低于采用STBC获得的传输容量。并且在示意图中，可以明显看到在不同的三维距离下，DSTBC与STBC间的切换SNR阈值范围不同。

图3是采用本发明设计的模式切换的自适应传输方案与非自适应传输方案下的传输容量对比图。仿真中遍历小区中不同的三维距离，获得自适应传输方案与非自适应传输方案的传输容量累积分布CDF曲线。可以看到采用自适应的模式切换方案相比于非自适应单一传输模式，可以获得更好的传输容量性能，进一步说明了DSTBC与STBC间进行自适应模式切换的必要性。

Claims

1.一种分布式空时编码与传统空时编码的MIMO模式切换方案，其特征在于包括以下步骤：

用户UE测量当前传输模式发接收端信噪比SNR以及UE与两个协作中继(在采用分布式空时编码时，基站选择与UE距离最近的两个中继节点进行协作采用两天线的分布式空时编码的MIMO模式对UE进行数据传输)、UE与基站eNB之间的距离，上述距离合称为三维距离，并将测量的SNR与三维距离反馈给eNB；eNB根据反馈的三维距离，查表得到距离对应的分布式空时编码(DSTBC)与传统空时编码(STBC)切换的SNR阈值范围，判断反馈的SNR是否在切换的SNR阈值范围内，如果在，则进行模式切换，如果不在则仍使用当前MIMO模式进行数据传输，其中：

当UE处于不同位置时，即三维距离不同时，STBC与DSTBC间切换的SNR阈值不同；将不同三维距离下，STBC与DSTBC切换的SNR阈值存储为一个模式切换表格。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述模式切换表格的建立方式为：在不同的三维距离下，在一定发送信噪比SNR范围[SNR1，SNR2]内，分别测量得到DSTBC模式下的接收信噪比范围A=[DSTBC_SNR1，DSTBC_SNR2]和STBC模式下的接收信噪比范围B=[STBC_SNR1，STBC_SNR2]，A与B相交的SNR值即为DSTBC与STBC切换的阈值；由此获得对应于不同三维距离下，DSTBC与STBC间切换SNR阈值范围。