CN108667498A - 反馈受限下多天线传输的有效容量优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反馈受限下多天线传输的有效容量优化方法，首先源节点对信息进行预编码，然后通过波束成形方式与目的节点进行数据传输。源节点预编码需要获取信道状态信息，为此目的节点首先进行信道估计，并将所估计到的信道状态信息量化后反馈给源节点。随着信道量化的精确度越高，源节点预编码性能越好，但是这也增加了反馈开销。应用本发明反馈受限下多天线传输的有效容量优化方法，通过寻求最佳的信道反馈量化比特，在反馈开销受限的条件下提高了无线传输的有效性和可靠性，同时显著提高了多天线传输的有效容量。

Description

反馈受限下多天线传输的有效容量优化方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其是反馈受限下多天线传输的有效容量的优化方法。

背景技术

随着无线通信技术的迅猛发展、用户的日益增多，频谱资源不足的问题越来越严重，这已经成为无线通信事业发展的瓶颈，当前通信研究的热点就包括了如何提高频谱利用率，充分开发有限的频谱资源。多天线技术通过对发射与接收信号的空域和时域上的处理，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，大幅提升系统的灵活性和传输效率，有效提高了系统的容量和质量，从而成为新一代无线通信的核心技术之一。在多天线传输过程中使用的预编码及波束成形等技术都需要精确的信道状态信息，目前，考虑较多的是在完美已知信道状态信息的场景下，利用多天线技术进行不同的数据传输方案来提高信道容量。但在具体应用时会有以下一些不足。

首先，信道状态信息的完美已知是需要无限的反馈量，而在实际场景中是不可能实现的。这样，在反馈量受限的条件下信道状态不能完美已知，信道容量的提升受限。其次，在接收端利用反馈虽然能提高信道的质量，但是如果发射功率一定，提高反馈量，主信道容量增大，但同时会导致反馈信道的容量增大；当反馈量过大时，信道的有效容量会降低，这样就会影响通信的质量。另外，如果增加反馈量，就会增加系统复杂度。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的旨在提出一种反馈受限下多天线传输的有效容量优化方法，通过源节点各天线间协作以及信道反馈的方式，解决提高无线传输有效性和保证了传输的可靠性。

本发明实现上述目的的技术解决方案为：反馈受限下多天线传输的有效容量优化方法，应用于通过无线信道进行数据传输的系统，所述系统包括一个多天线源节点和一个单天线目的节点，其特征在于包括步骤：根据反馈信道状态信息对源节点进行预编码，最大化目的节点端的接收信噪比，并计算预编码信道的传输容量；在目的节点端进行信道估计，将估计到的信道状态信息进行量化后反馈给源节点，并计算反馈信道容量；将源节点预编码信道容量与反馈容量之差定义为有效传输容量，通过寻求最佳的反馈信道量化比特，最大化有效传输容量。

所述根据反馈信道状态信息对源节点进行预编码具体为：设源节点有M根天线，M根天线发送相同信息到目的节点，且M根天线到目的节点的信道之间相互独立；源节点根据反馈信道的状态信息取最优预编码向量其中P_s是传输总功率，N₀是噪声功率，是量化误差功率的均值；预编码向量W＝[w₁,w₂,…,w_M]^T，其中w_k表示源节点第k根天线的预编码权值，k＝1,2,…,M；取信道转移矩阵H_d＝[h_1d,h_2d,…,h_Md]^T，其中h_id为源节点第i根天线到目的节点之间的瞬时信道增益系数，i＝1,2,…,M；取量化后的信道转移矩阵其中为量化后源节点第i根天线到目的节点之间的瞬时信道增益系数；则产生的量化误差矩阵为H_e＝[h_1e,h_2e,…,h_Me]^T，其中为源节点第i根天线到目的节点之间的瞬时信道增益系数的量化误差，i＝1,2,…,M，且量化误差服从均值为0，方差为的高斯分布；则预编码后的数据信息为其中表示共轭转置运算，x_s为源节点各天线在各时隙发送给目的节点的相同的数据信息。

所述预编码向量W的计算过程为：根据源节点接收到的反馈的信道状态信息，目的节点接收到的信号为其中x_s为源节点各天线发送的相同的数据信息，n_d表示目的节点处的噪声，此时可将噪声视为噪声功率为目的节点接收到信号的信噪比为：并且预编码向量满足归一化条件，||w||＝1。令则A和B都是厄米特矩阵，且B是正定矩阵。定义B^1/2代表正定矩阵B的平方根，则也称为广义瑞利商，可以看到矩阵对(A,B)的广义瑞利商与A(B^-1/2)的瑞利商相同，根据瑞利-里兹法，当向量是矩阵A(B^-1/2)最大特征值λ_max对应的向量时，广义瑞利商将取最大值λ_max。由可得又因为可知A(B^-1/2)的特征值分解等价于B^-1A的特征值分解，当W^*是矩阵B^-1A最大特征值λ_max对应的特征向量时，信噪比可取最大值，即当时信噪比最大，其中表示矩阵的最大特征值对应的特征向量，此时信噪比为

所述量化误差功率的均值计算过程如下：考虑每个信道的量化比特为(取正 整数)，即称之为平均量化比特，则每信道的量化电平阶数为考虑瑞利衰落模型h_id ＝Re[h_id]+jIm[h_id]服从方差为的瑞利分布。分别对h_id的实部和虚部进行量化，则量化误 差h_ie＝Re[h_ie]+Im[h_ie]功率的均值其中为从第i根天线到目的节点瞬时信道增益系数h_id的实部或虚部的量化 间隔，b_i(b_i>0)表示第i根天线到目的节点瞬时信道增益系数h_id的实部或虚部的最大概率 取值，q为每条信道的量化电平阶数。此外，最大概率取值b_i保证瞬时信道增益系数h_id的实 部或虚部以概率α落入区间[-b_i，b_i]的计算过程如下：考虑瑞利衰落信道模型h_id的实部Re [h_id]和虚部Im[h_id]服从均值为0，方差为的正态分布，可以得到 即根据α的概率取值可以计算出b_i，进而得出量化区间Δv_i，将量化电平阶 数及Δv_i代入公式计算得到

所述预编码信道的容量及反馈容量的计算过程为：

1)根据得到的最优预编码向量，可得目的节点接收到信号的最大信噪比为：则源节点到目的节点间预编码信道的容量其中下标t表示主信道；

2)反馈信道的信道容量其中W表示信道总带宽，T是时隙长度，下标F表示反馈信道。

目的节点接收到的最大信噪比为：所述最大有效容量为：取整数。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：该有效容量优化方法给出一种多天线信道反馈受限下的最优量化方法，综合考虑了信道传输容量和反馈信道开销，显著提高了多天线传输的有效容量。

附图说明

图1为本发明反馈受限下多天线传输的有效容量优化方法所应用的实施例系统模型图。

图2为本发明反馈受限下多天线传输的有效容量优化方法的流程示意图。

图3为图1实施例中的平均量化比特及天线数对有效容量的影响。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本实施例系统模型包含1个源节点S，该源节点有4根天线A₁～A₄，1个目的节点D，各天线通过波束成形方式发送数据信息；各天线的信道状态信息独立同分布。

本实施例的流程如图2所示，详细说明如下。

1)该系统模型中包含1个源节点S，该源节点有4根天线A₁～A₄，1个目的节点D，源节点各天线在各时隙发送相同数据信息到目的节点，且4根天线到目的节点的信道状态信息独立同分布。

2)根据已知的量化后的信道转移矩阵(为量化后源节点第i根天线到目的节点之间的瞬时信道增益系数，i＝1,2,3,4)，量化误差矩阵H_e＝[h_1e,h_2e,h_3e,h_4e]^T(为源节点第i根天线到目的节点之间的瞬时信道增益系数的量化误差，h_ie为服从均值为0，方差为的高斯分布，i＝1,2,3,4)。源节点对数据信息进行预编码，假设预编码向量为W＝[w₁,w₂,w₃,w₄]^T(T表示转置运算，w_k表示源节点第k根天线的预编码权值，k＝1,2,3,4)，为最大化源节点到目的节点间主信道容量，取最优预编码向量(其中是信噪比，P_s是传输总功率，N₀是噪声功率，是量化误差功率的均值)，则预编码后的数据信息为(表示共轭转置运算，x_s为源节点各天线在各时隙发送给目的节点的相同的数据信息)。

3)平均量化比特(取正整数)，每信道的量化电平阶数为分别对h_id的实 部Re[h_id]和虚部Im[h_id]进行量化，则量化误差功率的均值 其中为从第i根天线到目的节点瞬时信道增益系数h_id的实部或虚部的量 化间隔，b_i(b_i>0)表示第i根天线到目的节点瞬时信道增益系数h_id的实部或虚部的最大概 率取值。最大概率取值b_i保证瞬时信道增益系数h_id的实部或虚部以概率α落入区间[-b_i，b_i] 的计算过程如下：考虑瑞利衰落信道模型h_id的实部Re[h_id]和虚部Im[h_id]服从均值为0，方 差为的正态分布，可以得到 即根据α的概率取值可以计算出b_i，进而得出量化区间Δv_i，将量化电平 阶数及Δv_i代入公式计算得到

4)源节点4根天线同时发送所述步骤2)中的预编码信息，目的节点接收到信号的信噪比为：(其中是λ_max矩阵的最大特征值)，相应的源节点到目的节点间的主信道容量可以表示为下标t表示主信道；

反馈信道的信道容量(其中表示平均量化比特，W表示信道总带宽，T是时隙长度，下标F表示反馈信道)。

5)根据步骤2)所述的信道容量，可以求出源节点4根天线传输数据时的有效容量

为，有效容量

所述最大有效容量为，取整数。

下面给出在计算机上利用MATLAB语言仿真实现本发明的一个实例。在仿真中设定所有的无线信道独立同分布且是瑞利衰落的，|h_id|²服从均值为的指数分布，各节点处的噪声都是均值为0，方差为N₀的平稳高斯白噪声。信道总带宽W＝30MHZ，时隙长T＝0.01ms。变量(表示平均量化比特，单位为bits)从1开始，步长为1，到21结束，P_s＝N₀＝10dB，α＝0.999，天线数M分别取2、4、6、8。

如图3所示为当带宽及时隙长度在适合的范围内时，在不同天线数的情况下，不同平均量化比特对应的有效容量曲线图；从图3可知，不管天线数为多少，有效容量均随的增加先稍稍降低接着快速增加后逐渐减小，且在时达到最大值，这说明在实际情况中存在有效容量的最优值，这也说明在天线数不变的情况下，当很小时，有效容量稍微降低；当在较小的一定范围内时，有效容量曲线斜率很大，即代表信道的传输容量相对于反馈开销增加速度更快，有效容量迅速增加，无线信道的性能越来越好；当增加到一定程度时，有效容量曲线斜率逐渐减小，即代表信道的传输容量相对于反馈开销增加速度更慢，此时的有效容量的增长速度越来越慢逐渐达到最大值；当继续增加，有效容量逐渐减少，反馈给信道有效容量带来负收益。图3表明当相同且很小时，虽然有效容量降低的很小，但仍可以看出，源节点所含天线数越多有效容量降低的越多；当相同且值在较小的一定范围内时，源节点所含天线数越多有效容量越大，且天线数越多最大有效容量值越大；当相同且值超过一定范围时，源节点所含天线数越多有效容量减少的速度越快，这些表明了寻找最大有效容量的意义。同时我们也可以从图3看出有效容量最大值的增大并不会随天线数量的增加而无限增大，而是会渐渐趋于饱和。

综上基于实施例的详细描述可见，本发明反馈受限下多天线传输的有效容量优化方法较之于传统相关方案具备突出的实质性特点和显著的进步性，其综合考虑了信道传输容量和反馈信道开销，在反馈开销受限的条件下提高了无线传输的有效性和可靠性，同时显著提高了多天线传输的有效容量。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内进行修改或者等同变换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.反馈受限下多天线传输的有效容量优化方法，应用于通过无线信道进行数据传输的系统，所述系统包括一个多天线源节点和一个单天线目的节点，其特征在于包括步骤：根据反馈信道状态信息对源节点进行预编码，最大化目的节点端的接收信噪比，并计算中继预编码的信道容量；在目的节点端进行信道估计，将估计到的信道状态信息进行量化后反馈给源节点，并计算反馈信道容量；将源节点中继预编码的信道容量与反馈信道容量之差定义为有效传输容量，通过寻求最佳的反馈信道量化比特，最大化有效传输容量。

2.根据权利要求1所述反馈受限下多天线传输的有效容量优化方法，其特征在于所述根据反馈信道状态信息对源节点进行预编码指的是：设源节点有M根天线，M根天线发送相同信息到目的节点，且M根天线到目的节点的信道之间相互独立；源节点根据反馈的状态信息取最优预编码向量其中P_s是传输总功率，N₀是噪声功率，是量化误差功率的均值；预编码向量W＝[w₁,w₂,…,w_M]^T，其中w_k表示源节点第k根天线的预编码权值，k＝1,2,…,M；取信道转移矩阵H_d＝[h_1d,h_2d,…,h_Md]^T，其中h_id为源节点第i根天线到目的节点之间的瞬时信道增益系数，i＝1,2,…,M；取量化后的信道转移矩阵其中为量化后源节点第i根天线到目的节点之间的瞬时信道增益系数；则产生的量化误差矩阵为H_e＝[h_1e,h_2e,…,h_Me]^T，其中为源节点第i根天线到目的节点之间的瞬时信道增益系数的量化误差，i＝1,2,…,M，且量化误差服从均值为0，方差为的高斯分布；则预编码后的数据信息为其中表示共轭转置运算，x_s为源节点各天线在各时隙发送给目的节点的相同的数据信息。

3.根据权利要求2所述反馈受限下多天线传输的有效容量优化方法，其特征在于所述取最优预编码向量W_opt的计算过程为：根据源节点接收到的反馈信道状态信息，目的节点接收到的信号为其中x_s为源节点各天线发送的相同的数据信息，n_d表示目的节点处的噪声，此时可将噪声视为噪声功率为目的节点接收到信号的信噪比为：并且预编码向量满足归一化条件，||w||＝1；令则A和B都是厄米特矩阵，且B是正定矩阵，定义B^1/2代表正定矩阵B的平方根，则视为广义瑞利商，得见矩阵对(A,B)的广义瑞利商与的瑞利商相同，根据瑞利-里兹法，当向量是矩阵最大特征值λ_max对应的向量时，广义瑞利商将取最大值λ_max，由可得由可知的特征值分解等价于B^-1A的特征值分解，当W^*是矩阵B^-1A最大特征值λ_max对应的特征向量时，信噪比取得最大值，得时信噪比最大，其中表示矩阵的最大特征值对应的特征向量，信噪比为

4.根据权利要求2所述反馈受限下多天线传输的有效容量优化方法，其特征在于所述量化误差功率的均值计算过程为：设每个信道的量化比特为取正整数，并命名平均量化比特，则每信道的量化电平阶数为瑞利衰落模型h_id＝Re[h_id]+jIm[h_id]服从方差为的瑞利分布，分别对h_id的实部和虚部进行量化，则量化误差h_ie＝Re[h_ie]+Im[h_ie]功率的均值其中为从第i根天线到目的节点的瞬时信道增益系数h_id的实部或虚部的量化间隔，b_i(b_i>0)表示第i根天线到目的节点瞬时信道增益系数h_id的实部或虚部的最大概率取值，q为每条信道的量化电平阶数。

5.根据权利要求4所述反馈受限下多天线传输的有效容量优化方法，其特征在于所述； 最大概率取值b_i保证瞬时信道增益系数h_id的实部或虚部以概率α落入区间[-b_i，b_i]的计算 过程为：瑞利衰落信道模型h_id的实部Re[h_id]和虚部Im[h_id]服从均值为0，方差为的正态 分布，得到根据α的概率取值计算得到b_i，进而得出量化区间△v_i，将量化电平阶数及△v_i代入公式计算得到

6.根据权利要求1所述反馈受限下多天线传输的有效容量优化方法，其特征在于所述预编码信道的信道容量及反馈信道容量的计算过程为：

根据得到的最优预编码向量，得目的节点接收到信号的最大信噪比为：则源节点到目的节点间预编码信道的容量其中t表示主信道；

反馈信道的信道容量其中W表示信道总带宽，T是时隙长度，F表示反馈信道。

7.根据权利要求1所述反馈受限下多天线传输的有效容量优化方法，其特征在于所述目的节点接收到的最大信噪比为：所述最大有效容量为： 取整数。