CN1805302A - 发送功率、速率控制方法及实现所述方法的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自适应调制多天线系统的发送功率、速率控制方法。首先，计算满足误比特率约束的发射天线的频谱效率，并把连续速率量化为离散速率。然后，利用离散速率，重新计算天线的发射功率。为解决总功率约束问题，采用把当前功率利用情况传递到下一个时刻处理，即若一些功率未用，未用功率传递到下一个时隙，若利用的功率超过平均功率，在下一个时刻减去多余功率，以保证平均功率约束。与连续功率、速率分配方法相比，该功率、速率控制方法降低了实现复杂度而能获得相近的信道容量。

Description

发送功率、速率控制方法及实现所述方法的装置

技术领域

本发明涉及在时变衰落信道环境下，自适应调制的多天线无线通信系统的发送功率、速率控制方法及实现所述功率、速率控制方法的功率、速率控制装置。

背景技术

随着无线网络和因特网的逐渐融合，人们对无线通信业务的类型和质量的要求越来越高。为满足无线多媒体和高速率数据传输的要求，需要开发新一代无线通信系统。其中在发送和接收端使用多元天线阵列(MEA)的多输入多输出(MIMO)技术受到广泛关注。

采用MIMO技术能获得空分复用增益，当接收天线的数量大于或等于发送天线的数量时，瑞利衰落下的MIMO信道容量与发送天线数量成线性关系，在无需耗费额外功率和带宽的条件下大大增加了系统容量，同时能显著提高传输链路质量。

多天线系统中，目前研究较多的有两类：空分复用(参见文献[1])和空时编码(参见文献[2])。前者通过在每根天线发射不同符号提高系统速率，后者通过在不同天线发送符号间引入编码冗余提高系统误比特率。MIMO技术能显著提高系统容量和传输链路质量。

时不变MIMO信道中，为获得最优的遍历信道容量，在发射总功率约束条件下，可根据信道矩阵特征值对每根天线的发射功率利用注水(WF：Water Filling)算法进行空域功率分配(参见文献[1])。对时变MIMO信道，需采用联合空、时域WF功率分配得到最优容量，但时域WF要求已知信道矩阵的概率密度函数(pdf)，难于实现。因此，实际系统中，可根据信道条件自适应调整发射功率、速率以获得遍历容量。

本发明研究了时变信道环境下MIMO系统的自适应调制技术。应用变速率变功率正交幅度调制(QAM)调制，实现当信道条件好的时候增大数据传输率，信道条件差时降低传输率来保证传输质量，并把误比特率(BER)控制在给定范围内。当变速率变功率MQAM调制技术应用到多天线情况下，一般的速率量化技术是根据每根发射天线对应的接收信噪比(SNR)来选择调制阶数，但它存在着功率损失，降低了系统容量的缺陷。为解决该问题，需要提出低复杂度的、能获得较优容量的自适应功率、速率控制技术。

参考文献列表：

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发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于自适应调制的多天线无线通信系统中的低复杂度的发送功率、速率控制方法，使用该方法能在时变信道环境下获得较优的信道容量。

考虑采用空分复用工作模式的MIMO系统的下行链路，发送端(基站BS)安装M根天线，在每个用户接收端安装N根天线。设每根天线发射功率为P_m，发射总功率为P_T，它们满足约束 $\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{P}_m\≤P_T.$ 对信道矩阵特征值分解后得到H＝UΛV^H，Λ_N×M是非负对角阵，其对角元为(λ₁ ^1/2…λ_L ^1/2)，L＝min(M，N)。对每根天线采用变速率变功率MQAM调制，在给定误比特率BER条件下，最大星座阶数M_m＝1+KP_mλ_m，其中功率罚因子K＝-1.5/ln(5BER)＜1。第m根发射天线的最大瞬时频谱效率为R_m(λ_m)＝log₂M_m＝log₂(1+KP_mλ_m)。

本发明提出了一种低复杂度的发送功率、速率控制方法，它能获得较优信道容量。其思想为，首先，计算发射天线的频谱效率，并把连续速率量化为可能的速率量级。然后，利用量化速率，重新计算满足BER约束的天线发射功率。这样的速率、功率控制使得一定数量的功率可能未用或利用过多。采用把当前功率利用情况传递到下一个时刻来解决功率约束问题，即若一些功率未用，未用功率传递到下一个时隙，若利用的功率超过平均功率，在下一个时刻减去多余功率，以此保证平均功率约束。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提出了一种用于自适应多输入多输出系统的发送功率、速率控制方法，包括以下步骤：根据误比特率约束，对每根天线的连续速率、功率进行离散化；针对每根天线的离散速率、功率，重新计算该天线的发射功率，并将当前功率利用情况传递到下一时刻；以及在下一时刻，根据功率利用情况和总发射功率，调整每根天线的速率、功率，从而保证天线的总发射功率不受损失，使系统在时变信道环境下获得较优的信道容量。

根据本发明的另一方面，提出了一种用于自适应多输入多输出系统的发送功率、速率控制方法，包括以下步骤：初始化步骤，设置总发射功率；功率分配步骤，在总发射功率约束条件下，对发射天线进行初始均匀功率分配；频谱效率计算步骤，利用分配的初始功率，计算出天线端的频谱效率；量化步骤，根据计算出的频谱效率和各阶调制方式对应的频谱效率，将计算出的频谱效率量化为最接近的调制方式下的频谱效率；功率计算步骤，利用量化出的频谱效率，计算出与其对应的功率；自适应调制步骤，利用计算出的频谱效率和功率，对所述天线端进行自适应调制；功率余量计算步骤，利用总发射功率减去已采用自适应调制的天线端的功率，获得余量功率；更新步骤，利用功率余量更新发射总功率；以及判决步骤，对已采用自适应调制的天线数进行判断，若对每根天线均已进行了功率、速率控制，则结束；否则，对下一根天线继续上述频谱效率计算步骤。

根据本发明的另一方面，提出了一种用于自适应多输入多输出系统的发送功率、速率控制装置，包括：初始化模块，设置总发射功率；功率分配模块，在总发射功率约束条件下，对发射天线进行初始均匀功率分配；频谱效率计算模块，利用分配的初始功率，计算出天线端的频谱效率；量化模块，根据计算出的频谱效率和各阶调制方式对应的频谱效率，将计算出的频谱效率量化为最接近的调制方式下的频谱效率；功率计算模块，利用量化出的频谱效率，计算出与其对应的功率；自适应调制模块，利用计算出的频谱效率和功率，对所述天线端进行自适应调制；功率余量计算模块，利用总发射功率减去已采用自适应调制的天线端的功率，获得余量功率；更新模块，利用功率余量更新发射总功率；以及判决模块，对已采用自适应调制的天线数量进行判断，若对每根天线均已进行了功率、速率控制，则结束；否则，使所述频谱效率计算模块计算下一根天线的频谱效率。

优选地，所述调制方式为多进制相移键控调制和/或变速率变功率正交幅度调制。

根据本发明的另一方面，提出了一种用在多输入多输出系统中的发送端，其特征在于包括上述发送功率、速率控制装置，用于按照上述方法，对每根天线的发射功率和速率进行控制。

附图说明

下面，将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述，其中：

图1示出了根据本发明实施例所应用的多天线系统的结构方框图；

图2示出了一般的自适应调制方法；

图3详细示出了如图1所示的、根据本发明优选实施例的功率、速率控制装置的结构；

图4是示出了根据本发明优选实施例的功率、速率控制方法的操作的流程图；以及

图5是示出了根据本发明的功率、速率控制方法的频谱效率的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作具体说明。应该指出，所描述的实施例仅是为了说明的目的，而不是对本发明范围的限制。

本发明的思想是在速率量化过程中利用功率余量，以降低自适应调制时MIMO系统容量损失，下面结合附图说明本发明的实施例。

图1示出了本发明所应用的多天线系统。考虑采用空分复用工作模式的MIMO系统的下行链路(广播信道)，如图1所示，发送端(基站BS)安装M根天线，在每个用户接收端安装N根天线。在发送端，输入比特流经串/并变换模块101进行串/并转换后，复用到每根发射天线端108。其中，针对每根天线支路端的比特流，编码器102对输入比特流进行信道编码以抗噪声。交织器103对编码器102的输出信号进行交织处理以降低比特流相关性。调制器104对交织器输出比特流调制为符号流。扩频模块105利用伪随机码序列对交织器输出比特流进行扩频操作。插入导频模块106完成在发送符号流中插入用于定时、信道估计的导频序列。射频(RF)链107把基带符号经载波调制后把信号发射到信道。在接收端，RX模块112把接收到的载波信号下变频为基带符号。同步模块113完成帧同步、跟踪。信道估计模块110利用发送的导频序列估计出各信道增益系数和发送、接收天线的信噪比，并利用反馈信道把估计结果发送到功率、速率控制装置109进行自适应调制模式选择。解扩模块114把扩频符号流解扩后输出到接收信号处理模块115，在该模块内解调、解交织、译码后恢复信息比特流。

一般来说，对有M根发射、N根接收天线的MIMO系统，接收信号向量为：

     y＝Hx+n                                        (1)

式中x_M×1是发射信号向量，y_N×1是接收信号向量，信道矩阵H_N×M的各元素为独立复高斯随机变量，噪声向量n的方差σ²。为方便计算，设σ²和H各元素方差归一化为1。设每根天线发射功率为P_m，发射总功率为P_T，它们满足约束条件

$E\left[x^{H}x\right]=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{P}_m{\≤P}_T---\left(2\right)$

上标“H”表示矩阵的Hermitian转置。

对信道矩阵特征值分解(SVD)后得到H＝UΛV^H，酉矩阵U_N×N，V_M×M分别为发送预滤波阵、接收后滤波阵，Λ_N×M是非负对角阵，其对角元为(λ₁ ^1/2…λ_L ^1/2)，L＝min(M，N)。分别进行发送信号预滤波和接收信号后滤波，即 $\tilde{y}=U^{H}y,$ $\tilde{x}=V^{H}x,$ $\tilde{n}=U^{H}n,$ 可得到 $\tilde{y}=\mathrm{\Λ}\tilde{x}+\tilde{n},$ 即信道矩阵分解为L个独立子信道： ${\tilde{y}}_m={\mathrm{\λ}}_m^{1/2}{\tilde{x}}_m+{\tilde{n}}_m,$ 1≤m≤L。根据信道特征值，可以采用注水(WF)算法进行功率分配获得最优信道容量，但计算量较大，难于实用，需提出低复杂度的实现方法。

对于信道的单次实现，其瞬时信道容量为

$C\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}\right)=\underset{m=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+P_m{\mathrm{\λ}}_m)=\underset{m=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left[{\log }_2\left({\mathrm{\μ\λ}}_m\right)\right]}^{+}---\left(3\right)$

这里 $P_m={\left({\mathrm{\μ}-\mathrm{\λ}}_m^{-1}\right)}^{+},$ μ满足 $\underset{m=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\mathrm{\μ}-\mathrm{\λ}}_m^{-1}\right)}^{+}=P_T,$ (x)⁺定义为max{x，0}，λ＝[λ₁…λ_L]。瑞利衰落下的平均容量为式(3)，对 λ求平均：

$C=E_{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}\left[C\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}\right)\right]---\left(4\right)$

$=L{\∫}_0^{\∞}{\left[{\log }_2\left({\mathrm{\μ\λ}}_1\right)\right]}^{+}p\left({\mathrm{\λ}}_1\right){\mathrm{d\λ}}_1(\mathrm{bps}/\mathrm{Hz})$

p(λ₁)是λ₁的pdf，注意到所有L个特征值的pdf相同，故式(4)独立于λ₂…λ_L。

在时变(快衰)信道下，为得到香农容量，文献[6]提出了应用于单天线系统的变速率变功率MQAM调制技术。它根据传输信道的不同特点，自适应改变MQAM调制信号的电平数，以在保证传输质量并获得高频谱效率，下面把它推广到MIMO系统中。

对每根天线，在给定误比特率BER条件下，MQAM调制的BER上界为：

BER≤0.2exp[-1.5P_mλ_m/(M_m-1)]                     (5)

其中M_m为第m根天线采用的调制星座阶数，P_mλ_m定义为接收信噪比(SNR)。若给定BER，得到最大星座阶数

M_m＝1+KP_mλ_m                                      (6)

其中功率罚因子K＝-1.5/ln(5BER)＜1。

由式(3)、(6)可得第m根发射天线的最大瞬时频谱效率(容量)为

R_m(λ_m)＝log₂M_m＝log₂(1+KP_mλ_m)                   (7)

       ＝[log₂(Kμλ_m)]⁺(bps/Hz)

其中

P_m＝[μ-(Kλ_m)^-1]⁺                                (8)

μ满足 $\underset{m=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{[\mathrm{\μ}-{\left({\mathrm{K\λ}}_m\right)}^{-1}]}^{+}=P_T.$ 平均频谱效率为

$R=\underset{m=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{{\mathrm{\λ}}_m}\left[R_m\left({\mathrm{\λ}}_m\right)\right]---\left(9\right)$

$=L{\∫}_0^{\∞}{\left[{\log }_2\left(K{\mathrm{\μ\λ}}_1\right)\right]}^{+}p\left({\mathrm{\λ}}_1\right)d{\mathrm{\λ}}_1$

为得到上述频谱效率，速率(调制阶数)需连续变化，这难于实现。因此，需要把每根发射天线的传输速率量化成离散速率量级，可利用MPSK(多进制相移键控)、MQAM(变速率正交幅度调制)调制来实现，其调制星座 ${\tilde{M}}_0=0,$ ${\tilde{M}}_1=2,$ ${\tilde{M}}_j=2^{2(j-1)},$ j＝2…J，这样，每根发射天线有J+1种{0，1，2，4，…，2(J-1)}数据率。

图2示出了一般的自适应调制方法。其中，实现MIMO离散速率自适应调制的步骤为：首先，利用导频序列估计每根发射天线对应的接收信噪比(SNR)；然后，根据SNR来选择不同阶数的调制方式。

该方法中，仅根据SNR来选择不同调制方式，实现了变速率调制，未考虑到功率损失对系统容量的影响。研究表明，该方法降低了系统容量。

因此，本发明提出一种低复杂度的功率、速率控制方法(LPRC)，能获得较优的容量。

下面，将结合图3，详细描述如图1所示的、根据本发明优选实施例的功率、速率控制装置的结构。

实现LPRC方法的功率、速率控制装置109包括功率分配模块301、频谱效率计算模块302、量化模块303、功率计算模块304、自适应调制模块305、功率余量计算模块306、更新模块307和判决模块308。

功率分配模块301在总发射功率约束条件下，对发射天线进行初始均匀功率分配。频谱效率计算模块302利用分配的初始功率，计算出天线端108的频谱效率。量化模块303根据计算出的频谱效率和各阶调制方式对应的频谱效率，将其量化为最接近的调制方式下的频谱效率。功率计算模块304利用量化出的频谱效率，计算出其对应的功率。自适应调制模块305利用计算出的频谱效率和功率，对天线进行自适应调制。功率余量计算模块306利用总功率减去已采用自适应调制的天线端108的功率，获得余量功率。更新模块307利用功率余量更新发射总功率；判决模块308对已采用自适应调制的天线数量进行判断，若对每根天线均已进行了功率、速率控制，则控制过程结束；否则，对下一根天线继续进行功率、速率控制操作。

本发明的技术思想在于，首先，利用式(7)(8)计算发射天线的频谱效率，并把连续速率量化为可能的速率量级。然后，为满足BER约束，利用量化速率，重新计算满足(7)式的天线的发射功率。上述速率、功率控制使得一定数量的功率可能未用或利用过多。采用把当前功率利用情况传递到下一个时刻来解决功率约束问题，即若一些功率未用，未用功率传递到下一个时隙，若利用的功率超过平均功率，在下一个时刻减去多余功率，以此保证平均功率约束。

图4是示出了根据本发明优选实施例的功率、速率控制方法的操作的流程图。其步骤如下：

1)初始化：令i＝0，m＝M，发射总功率P_tot(i)＝P_T；(S001)

2)在总发射功率P_tot(i)约束条件下，对发射天线m进行功率分配：P_m＝P_tot(i)/M；(S002)

3)利用式(7)(8)计算其对应的频谱效率R_m；(S003)

4)对天线m，计算其频谱效率R_m(速率)，并与各阶调制方式的速率相比较，选取与天线速率最接近的调制阶数的速率，并把天线的频谱效率量化为该值；(S004)

5)利用量化的R_m，对天线m，计算满足(7)式的P_m；(S005)

6)利用更新的R_m和P_m，对天线m进行自适应MQAM调制；(S006)

7)计算功率余量： $P_{\mathrm{remain}}\left(i\right)=P_{\mathrm{tot}}\left(i\right)-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{P}_m\left(i\right);\left(S007\right)$

8)更新P_tot(i+1)＝P_T+P_remain(i)，i＝i+1；(S008)

9)判定：若m＝1，则结束；否则，m＝m-1，转第2)步。

所述步骤并非确定性的，本领域的普通技术人员可以通过其他类似的步骤来实现，可以添加、省略、颠倒或置换其中的某些步骤。

图5是示出了根据本实施例得出的频谱效率的曲线图。

图5通过模拟实验，给出了LPRC方法的性能。仿真参数如下：发送、接收天线数M＝4，N＝4；目标BER＝10^-3；功率罚因子K＝0.28；有5种速率量级{0，1，2，4，6}，分别对应未传输、BPSK、4QAM、16QAM、64QAM；500次独立信道实现。

图5示出了采用LPRC方法获得的频谱效率与连续功率速率(CPR)方法的频谱效率的比较，其中CPR的频谱效率由式(9)求得。结果表明，LPRC与CPR的性能相近；与CPR方法相比，它的功率、速率无需连续自适应变化，而能获得相近的频谱效率。

尽管已经针对典型实施例示出和描述了本发明，本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其他的改变、替换和添加。因此，本发明不应该被理解为被局限于上述特定实例，而应当由所附权利要求所限定。

Claims (6)

1、一种用于自适应多输入多输出系统的发送功率、速率控制方法，包括以下步骤：

根据误比特率约束，对每根天线的连续速率、功率进行离散化；

针对每根天线的离散速率、功率，重新计算该天线的发射功率，并将当前功率利用情况传递到下一时刻；

在下一时刻，根据功率利用情况和总发射功率，调整每根天线的发送速率、功率，从而保证天线的总发射功率不受损失，使系统在时变信道环境下获得优化的信道容量。

2、一种用于自适应多输入多输出系统的发送功率、速率控制方法，包括以下步骤：

初始化步骤，设置总发射功率；

功率分配步骤，在总发射功率约束条件下，对发射天线进行初始均匀功率分配；

频谱效率计算步骤，利用分配的初始功率，计算出天线端的频谱效率；

量化步骤，根据计算出的频谱效率和各阶调制方式对应的频谱效率，将计算出的频谱效率量化为最接近的调制方式下的频谱效率；

功率计算步骤，利用量化出的频谱效率，计算出与其对应的功率；

自适应调制步骤，利用计算出的频谱效率和功率，对所述天线端进行自适应调制；

功率余量计算步骤，利用总发射功率减去已采用自适应调制的天线端的功率，获得余量功率；

更新步骤，利用功率余量更新发射总功率；以及

判决步骤，对已采用自适应调制的天线数进行判断，若对每根天线均已进行了功率、速率控制，则控制过程结束；否则，对下一根天线继续上述频谱效率计算步骤。

3、根据权利要求2所述的发送功率、速率控制方法，其特征在于所述调制方式为多进制相移键控调制和/或变速率变功率正交幅度调制。

4、一种用于自适应多输入多输出系统的发送功率、速率控制装置，包括：

初始化模块，设置总发射功率；

功率分配模块，在总发射功率约束条件下，对发射天线进行初始均匀功率分配；

频谱效率计算模块，利用分配的初始功率，计算出天线端的频谱效率；

量化模块，根据计算出的频谱效率和各阶调制方式对应的频谱效率，将计算出的频谱效率量化为最接近的调制方式下的频谱效率；

功率计算模块，利用量化出的频谱效率，计算出与其对应的功率；

自适应调制模块，利用计算出的频谱效率和功率，对所述天线端进行自适应调制；

功率余量计算模块，利用总发射功率减去已采用自适应调制的天线端的功率，获得余量功率；

更新模块，利用功率余量更新发射总功率；以及

判决模块，对已采用自适应调制的天线数进行判断，若对每根天线均已进行了功率、速率控制，则结束控制过程；否则，使所述频谱效率计算模块计算下一根天线的频谱效率。

5、根据权利要求4所述的发送功率、速率控制装置，其特征在于所述调制方式为多进制相移键控调制和/或变速率变功率正交幅度调制。

6、一种用在多输入多输出系统中的发送装置，其特征在于包括根据权利要求4或5所述的功率、速率控制装置，用于按照权利要求1到3中任一个所述的方法，对每根天线的发射功率和速率进行控制。

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