CN104579612A - 基于td-lte的电力通信系统多天线自适应传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于TD-LTE的电力通信系统多天线自适应传输方法，包括以下步骤，步骤一，在发送端，利用子载波i的信道估计结果，计算子载波i上信道的统计信息；步骤二，利用子载波i上信道的统计信息，计算子载波i的功率分配矩阵Λ_i；步骤三，利用U_t,i和Λ_i对子载波i进行自适应传输。本发明利用变化速度相对较慢的信道统计信息，能以较低的复杂度获取较高的信道容量和较稳定的性能。

Description

基于TD-LTE的电力通信系统多天线自适应传输方法

技术领域

本发明涉及自适应传输方法，具体涉及一种基于TD-LTE的电力通信系统多天线自适应传输方法。

背景技术

电力通信系统是智能电网建设的基础。智能电网的建设涵盖智能发电、智能输电、智能变电、智能配电、智能用电及智能调度等多个环节，而通信信息技术是智能电网建设的核心支撑平台。除传统的光纤通讯外，智能电网的建设也越来越依赖先进的无线通讯技术的应用，智能输电环节中的输电线路状态监测系统的应用对无线通讯的实时性、可靠性和通讯带宽也提出了更高的要求。目前比较热门的无线通信技术主要有3G无线通信技术、全球微波互联接入(Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX)和TD-LTE技术。采用3G通讯最大的问题是带宽不足，仅可用于一般数据传输，无法支持高清视频流畅传输。WiMAX技术对定点通讯支持比较好，不太适合高速移动通讯场合，且可支持的终端数量有限。TD-LTE技术带宽高，且支持移动通讯，可以实现专业语音集群、多媒体视频调度、高清视频监控流畅传输及高速宽带数据传输，更能满足电力通信的性能需求。

实际传播环境中，由于天线间距和周围散射体的局限，无线通信信道常常存在着衰落相关性和直达径，在发送端未知信道状态信息的情况下，这些因素直接导致了多天线无线通信系统信道容量的下降。自适应传输是克服实际传播环境中非理想因素的主要手段。然而，由于无线信道的时变性、信道估计的时延以及频率的偏移，使得在发送端难以获得完全的信道状态信息。针对该问题，现在急需一种传输方法，能以较低的复杂度获取较高的信道容量和较稳定的性能。

发明内容

本发明提供了基于TD-LTE的电力通信系统多天线自适应传输方法，利用变化速度相对较慢的信道统计信息，能以较低的复杂度获取较高的信道容量和较稳定的性能。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

基于TD-LTE的电力通信系统多天线自适应传输方法，包括以下步骤，

步骤一，在发送端，利用子载波i的信道估计结果，计算子载波i上信道的统计信息，所述信道统计信息包括发送相关阵、接收相关阵、信道耦合矩阵和信噪比；

子载波i的发送相关阵R_t,i为：

对其进行特征分解得

其中，为发送端至接收端链路子载波i的信道矩阵，为子载波i的信道估计结果，上标(·)^T代表转置，上标代表共轭转置，E{·}表示求期望，U_t,i为N_t×N_t的酉矩阵，Λ_t,i为N_t×N_t的对角阵且对角元按降序排列，N_t为发射天线数；

子载波i的发送相关阵接收相关阵R_r,i为：

对其进行特征分解得，

其中，U_r,i为N_r×N_r的酉矩阵，Λ_r,i为N_r×N_r的对角阵且对角元按降序排列，N_r为接收天线数；

子载波i的信道耦合矩阵Ω_i为：

${\mathrm{\Ω}}_i=E\left\{{\tilde{H}}_{i}e{\tilde{H}}_i^{*}\right\},$ 其中，上标(·)^*表示矩阵的共轭运算，e代表Hadama乘积；

子载波i的信噪比γ_i为：

其中，P_i为子载波i的总发送功率，为子载波i上的噪声方差；

步骤二，利用子载波i上信道的统计信息，计算子载波i的功率分配矩阵Λ_i；

步骤三，利用U_t,i和Λ_i对子载波i进行自适应传输，子载波i的数字基带发送信号其中d_i为子载波i的输入符号流。

计算子载波i的功率分配矩阵Λ_i的过程为，

A1)初始化；

令k＝1， ${\mathrm{\Λ}}_i^{\left(1\right)}=\left[\begin{array}{cc}{P}_i& 0_{1\×(N_t-1)}\\ 0_{(N_t-1)\×1}& 0_{(N_t-1)\×(N_t-1)}\end{array}\right],$ C^(k)为无具体意义的中间变量，其中0_m×n表示一个维度为m×n、组成元素均为0的矩阵，为第k次迭代的功率分配矩阵；

A2)若k＞N_t，转至步骤A5，否则转至步骤A3；

A3)利用下式计算C^(k)；

$C^{\left(k\right)}={\log }_2\underset{\‾}{\mathrm{Per}}\left({\mathrm{\γ}}_i{\mathrm{\Ω}}_i{\mathrm{\Λ}}_i^{\left(k\right)}\right)$

其中，Per(·)代表扩展积和式，对于一个M×N的矩阵A，其扩展积和式Per(A)为Per(A)＝Per([I_M  A])＝Per([I_N  A^T])，Per(·)代表积和式算子，I_M和I_N分别标识M阶和N阶单位矩阵；

A4)若C^(k)＞C^(k-1)，则令k＝k+1， ${\mathrm{\Λ}}_i^{\left(1\right)}=\left[\begin{array}{cc}\frac{P_i}{k}{I}_k& 0_{k\×(N_t-k)}\\ 0_{(N_t-k)\×k}& 0_{(N_t-k)\×(N_t-k)}\end{array}\right],$ I_k表示k阶单位矩阵，转至步骤A2)；否则，跳转至步骤A5；

A5)生成功率分配矩阵

本发明所达到的有益效果：本发明在发送端利用信道估计结果计算各子载波上信道的发送相关阵、接收相关阵、信道耦合矩阵和信噪比，根据这些统计信息计算功率分配矩阵，可根据信道的统计特性调整发送参数(统计特性不同，得到的预编码矩阵不同)，以较低的复杂度获取较高的信道容量和较稳定的性能。

具体实施方式

以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

基于TD-LTE的电力通信系统多天线自适应传输方法，包括以下步骤：

步骤一，在发送端，利用子载波i的信道估计结果，计算子载波i上信道的统计信息。

信道统计信息包括发送相关阵、接收相关阵、信道耦合矩阵和信噪比。

定义一个TD-LTE电力无线通信系统，发射天线数为N_t，接收天线数为N_r，子载波i的信道估计结果为根据信道估计结果和信道的互易性，发送端至接收端链路子载波i的信道矩阵其中，上标(·)^T代表转置。

根据信道矩阵计算子载波i的发送相关阵R_t,i，公式如下：

对式R_t,i进行特征分解得其中，E{·}表示求期望，上标代表共轭转置，U_t,i为N_t×N_t的酉矩阵，Λ_t,i为N_t×N_t的对角阵且对角元按降序排列。

子载波i的发送相关阵接收相关阵R_r,i，公式如下：

对式R_r,i进行特征分解得其中，U_r,i为N_r×N_r的酉矩阵，Λ_r,i为N_r×N_r的对角阵且对角元按降序排列。

子载波i的信道耦合矩阵Ω_i，公式如下：

${\mathrm{\Ω}}_i=E\left\{{\tilde{H}}_{i}e{\tilde{H}}_i^{*}\right\}$

其中，上标(·)^*表示矩阵的共轭运算，e代表Hadama乘积。

子载波i的信噪比γ_i，公式如下：

${\mathrm{\γ}}_i=P_i/{\mathrm{\σ}}_i^2$

其中，P_i为子载波i的总发送功率，为子载波i上的噪声方差。

步骤二，利用子载波i上信道的统计信息，计算子载波i的功率分配矩阵Λ_i。

计算子载波i的功率分配矩阵Λ_i的过程为，

A1)初始化；

令k＝1， ${\mathrm{\Λ}}_i^{\left(1\right)}=\left[\begin{array}{cc}{P}_i& 0_{1\×(N_t-1)}\\ 0_{(N_t-1)\×1}& 0_{(N_t-1)\×(N_t-1)}\end{array}\right],$ C^(k)为无具体意义的中间变量，其中0_m×n表示一个维度为m×n、组成元素均为0的矩阵，为第k次迭代的功率分配矩阵；

A2)若k＞N_t，转至步骤A5，否则转至步骤A3；

A3)利用下式计算C^(k)；

$C^{\left(k\right)}={\log }_2\underset{\‾}{\mathrm{Per}}\left({\mathrm{\γ}}_i{\mathrm{\Ω}}_i{\mathrm{\Λ}}_i^{\left(k\right)}\right)$

其中，Per(·)代表扩展积和式，对于一个M×N的矩阵A，其扩展积和式Per(A)为Per(A)＝Per([I_M  A])＝Per([I_N  A^T])，Per(·)代表积和式算子，I_M和I_N分别标识M阶和N阶单位矩阵；

A4)若C^(k)＞C^(k-1)，则令k＝k+1， ${\mathrm{\Λ}}_i^{\left(1\right)}=\left[\begin{array}{cc}\frac{P_i}{k}{I}_k& 0_{k\×(N_t-k)}\\ 0_{(N_t-k)\×k}& 0_{(N_t-k)\×(N_t-k)}\end{array}\right],$ I_k表示k阶单位矩阵，转至步骤A2)；否则，跳转至步骤A5；

A5)生成功率分配矩阵

步骤三，利用U_t,i和Λ_i对子载波i进行自适应传输；也就是利用U_t,i和Λ_i对子载波i的输入符号流d_i进行线性预编码，得到子载波i的数字基带发送信号 $s_i=U_{t,i}{\mathrm{\Λ}}_i^{1/2}{d}_i.$

本发明在发送端利用信道估计结果计算各子载波上信道的发送相关阵、接收相关阵、信道耦合矩阵和信噪比，根据这些统计信息计算功率分配矩阵，可根据信道的统计特性调整发送参数(统计特性不同，得到的预编码矩阵不同)，以较低的复杂度获取较高的信道容量和较稳定的性能。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.基于TD-LTE的电力通信系统多天线自适应传输方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一，在发送端，利用子载波i的信道估计结果，计算子载波i上信道的统计信息，所述信道统计信息包括发送相关阵、接收相关阵、信道耦合矩阵和信噪比；

子载波i的发送相关阵R_t,i为：

对其进行特征分解得

其中，为发送端至接收端链路子载波i的信道矩阵，为子载波i的信道估计结果，上标(·)^T代表转置，上标代表共轭转置，E{·}表示求期望，U_t,i为N_t×N_t的酉矩阵，Λ_t,i为N_t×N_t的对角阵且对角元按降序排列，N_t为发射天线数；

子载波i的发送相关阵接收相关阵R_r,i为：

对其进行特征分解得，

其中，U_r,i为N_r×N_r的酉矩阵，Λ_r,i为N_r×N_r的对角阵且对角元按降序排列，N_r为接收天线数；

子载波i的信道耦合矩阵Ω_i为：

${\mathrm{\Ω}}_i=E\left\{{\tilde{H}}_e{\tilde{H}}_i^{*}\right\},$ 其中，上标(·)^*表示矩阵的共轭运算，e代表Hadama乘积；

子载波i的信噪比γ_i为：

其中，P_i为子载波i的总发送功率，为子载波i上的噪声方差；

步骤二，利用子载波i上信道的统计信息，计算子载波i的功率分配矩阵Λ_i；

步骤三，利用U_t,i和Λ_i对子载波i进行自适应传输，子载波i的数字基带发送信号其中d_i为子载波i的输入符号流。

2.根据权利要求1所述的基于TD-LTE的电力通信系统多天线自适应传输方法，其特征在于：计算子载波i的功率分配矩阵Λ_i的过程为，

A1)初始化；

令k＝1， ${\mathrm{\Λ}}_i^{\left(1\right)}=\left[\begin{array}{cc}{P}_i& 0_{1\×(N_r-1)}\\ 0_{(N_t-1)\×1}& 0_{(N_t-1)\×(N_t-1)}\end{array}\right],$ C^(k)为无具体意义的中间变量，，其中0_m×n表示一个维度为m×n、组成元素均为0的矩阵，为第k次迭代的功率分配矩阵；

A2)若k＞N_t，转至步骤A5，否则转至步骤A3；

A3)利用下式计算C^(k)；

$C^{\left(k\right)}={\log }_2\underset{\‾}{\mathrm{Per}}\left({\mathrm{\γ}}_i{\mathrm{\Ω}}_i{\mathrm{\Λ}}_i^{\left(k\right)}\right)$

其中，Per(·)代表扩展积和式，对于一个M×N的矩阵A，其扩展积和式Per(A)为Per(A)＝Per([I_M A])＝Per([I_N A^T])，Per(·)代表积和式算子，I_M和I_N分别标识M阶和N阶单位矩阵；

A4)若C^(k)＞C^(k-1)，则令k＝k+1， ${\mathrm{\Λ}}_i^{\left(k\right)}=\left[\begin{array}{cc}\frac{P_i}{k}{I}_k& 0_{k\×(N_t-k)}\\ 0_{(N_t-k)\×k}& 0_{(N_t-k)\×(N_t-k)}\end{array}\right],$ I_k表示k阶单位矩阵，转至步骤A2)；否则，跳转至步骤A5；

A5)生成功率分配矩阵