CN1820442A - 向多输入多输出通信系统中的待传送各层分配数据速率的方法 - Google Patents

Abstract

一种向将在多输入多输出通信系统中发射的各层分配数据速率的方法。输入数据流被多路分解成多层。对于每层，根据通过信道发射该层的过去观察结果，确定代表该层的容量的统计量。对于每层，根据所述统计量确定最佳数据速率。对于每层，确定最佳数据速率是否小于一组可用比特率的最小数据速率，如果是，那么为特定层从该组可用数据速率中选择最小数据速率，否则，如果否，那么为特定层从该组可用数据速率中选择小于最佳数据速率的最接近数据速率。

Description

向多输入多输出通信系统中的 待传送各层分配数据速率的方法

技术领域

本发明涉及多输入多输出通信系统，更具体地说，涉及向MIMO系统中的各层分配数据速率。

背景技术

多输入多输出(MIMO)通信系统的一般体系结构众所周知，E.Telatar，“Capacity of multi-antenna Gaussian Channel，”EuropeanTransactions on Telecommunications，vol.10，pp.585-595，Nov-Dec.1999，以及G.J.Foschini和M.J.Gans，“On the limits of wirelesscommunications in a fading envioronment when using multipleantennas，”Wireless Personal Commnun.，vol.6，pp.315-335，March1998。但是，开发基于MIMO体系结构的接近理论信道容量的实用系统仍然存在问题。

MIMO系统可使用闭环或开环体系结构。在闭环系统中，发射器使用来自接收器的反馈信息来根据瞬时信道条件确定数据速率。这提高了系统的容量，但是增大了系统的复杂性、开销和成本。在开环系统中，发射器不需要来自接收器的瞬时反馈来确定数据速率。于是，最好使用开环体系结构。

在空时编码系统中，一种方法使用比特交织编码调制(BICM)，B.M.Hochwald和S.ten Brink，“Achieving near-capacity on amultiple-antenna channel，”IEEE Trans.WirelessCommun.，vol.51，pp.389-399，March 2003。对于利用中等数目的发射天线的低数据速率和中等数据速率的传输，BICM使用列表(list)球形解码和迭代信道解码来逼近MIMO信道的容量。但是，对于很多发射天线和高阶调制，球形解码中使用的列表的有限大小严重降低了性能。

MIMO系统的另一种方法使用垂直贝尔实验室分层空时结构(V-BLAST)，G.J.Foschini，“Layered space-time architecture forwireless communication in a fading environment when using multi-element antenna，”Bell Labs Technical Journal，pp.41-59，August 1996，P.W.Wolniansky，G.J.Foschini，G.D.Golden，和R.A.Valenzuela，“V-BLAST：An architecture for realizing very high datarate over the rich-scattering wireless channel，”Proc.URSI Int.Symp.Signals，Systems，Electronics，pp.295-300，October 1998，以及H.E.Gamal and J.A.R.Hammons，“A new approach to layeredspace-time coding and signal processing，”IEEE Trans.Inform.Theory，vol.47，pp.2321-2334，September 2001。

在V-BLAST中，输入数据流被多路分解成多个子流或“层”。每层被利用一维编码独立编码，每个编码层通过不同的天线被同时发送给接收器天线。

为了在接收器中检测每层，可使用根据迫零(ZF)或最小均方误差(MMSE)标准的线性处理来使接收信号中的未被检验出的各层为零。检测出的各层的贡献被决策导向的连续干扰消除(SIC)扣除。

在V-BLAST系统中，输入数据流一般被均分到各层中，所有各层具有相同的数据速率。从而，由于因归零而引起的信号能量的损失的缘故，最初检测的各层更易于出错。于是，即使利用检测的最佳排序，现有的V-BLAST系统也不能逼近理论信道容量。

于是，需要一种对于高数据速度或者对于许多天线的情况，逼近理论信道容量的开环MIMO系统。

发明内容

本发明的目的是根据各层的信道的质量分配数据速率。要检测的各层首先具有较低的数据速率，因为由于未被检测的各层的归零(nulling)，这些层具有较低的质量信道。

本发明提供一种使用具有不相等速率分配的分层结构的MIMO系统。代替相等地或者根据闭环系统中的瞬时数据速率反馈在各层间分配数据速率，本发明使用基于过去观察结果的信道的统计信息，确定分配给每层的数据速率。

附图说明

图1是根据本发明的分层MIMO系统的发射器的方框图；

图2是根据本发明的分层MIMO系统的接收器的方框图；

图3是根据本发明的在各层中分配数据速率的方法的流程图。

具体实施方式

发射器结构

图1表示根据本发明的分层MIMO系统的发射器100。输入数据流101被多路分解110成N_t个子流或‘层’111。每层被独立编码120。编码后的各层被交织(П)130和调制140，并被同时发送给不同的发射天线141，以便通过某一信道以发射信号102的形式被发射。在所示例子中，N_t＝2，不过显然本发明可以使用任何实际数目的发射和接收天线。

根据本发明，多路分解110和编码120使用这里描述的统计速率分配。与瞬时反馈相反，所述统计以层容量的过去观察为基础。

接收器结构

图2表示根据本发明的分层MIMO系统中的接收器200。信号201由Nr个接收天线210接收。应用线性处理220，以使未被检测的各层归零。在被发送给多路复用器250之前，处理后的信号被解码230和解交织(П-1)240，在多路复用器250，解码后的各层被组合成与输入信号101对应的重构输出信号202。接收器中的连续(successive)干扰消除是根据决策反馈信息261进行的。

在具有N_t个发射天线和Nr个接收天线的平坦衰退(flat-fading)MIMO系统中，发射信号102和接收信号201之间的关系可被表示成

r＝Hs+n，

其中r是代表接收信号201的N_r×1向量，s是代表发射信号102的N_t×1向量，H是代表信道的冲激响应的N_r×N_t信道矩阵。N_r×1噪声向量n具有为独立并且相等分布(i.i.d)的零均值循环(circular)复高斯随机变量的条目，所述零均值循环复高斯随机变量具有方差N₀。

开环信道容量由下式给出

$C(H,\mathrm{SNR})\≈{\log }_2\det (I_{N_r}+\frac{\mathrm{SNR}}{N_t}{\mathrm{HH}}^H),$

其中I_Nr是N_r×N_r单位矩阵，SNR是信噪比。

不失一般性，我们假定每层1111通过发射天线I141被发送，检测的顺序为从1到N_t。随后，在接收器200，根据如下确定的z_i，层i被解码230

$z_i=w_i^H(r-\underset{l=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_l{\hat{s}}_l),$

其中N_r×1单位范数加权向量w_i221使来自所有其它未解码层的信号归零(null)。根据迫零或MMSI标准确定加权向量221。来自解码层的重构信号261是_l，。值h_l是信道矩阵H的第l列。

在线性处理220和干扰消除260之后，利用一维代码对层i解码230。

分层系统的数据速率分配

在MIMO系统中，将被分配给层l的最佳数据速率应为

$C_l={\log }_2\det (I_{N_r}+\frac{\mathrm{SNR}}{N_t}{H}_{(l-1)}{H_{(l-1)}}^H)-{\log }_2\det (I_{N_r}+\frac{\mathrm{SNR}}{N_t}{H}_{\left(l\right)}{H_{\left(l\right)}}^H)---\left(1\right)$

其中

h_l是信道矩阵H的第l列。

在中等和高SNR下，诸如等式(1)中的第一项和第二项之类的MIMO信道的容量(不论是Rayleigh还是Ricean)可由高斯分布精确地近似，P.J.Smith和M.Shafi，“On a Gaussian approximation to thecapacity of wireless MIMO systems，”Proc.ICC 2002，pp.406-410，April2002，M.A.Kamath，B.L.Hughes和X.Yu，“Gaussian approximationsfor the capacity of MIMO Rayleith fading channels，”IEEE AsilomarConference on Signals，Systems，and Computers，November 2002。

从而，每层的容量C_l也是高斯分布的，并且可由下式表示

C_l～N(η_l，σ_l ²)，

其中η₁和σ_l ²分别是层l的容量的平均值和方差。这里关键点在于容量是统计地表述的，而不是基于来源于瞬时反馈信息的实际容量。另外应注意其它统计量，比如伽马分布和更高阶的统计量可被用于表述信道的容量。

在我们的MIMO系统中，代替动态改变每层的数据速率，我们把层l固定为数据速率u₁，数据速率u₁基于所有的层容量的平均值和方差，即一阶统计量和二阶统计量。当各层的数据速率都不大于该层的相应容量，并且服从信道的总数据速率CT被固定的约束条件，即 $\underset{l=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{u}_l=C_T$ 时，使分层系统的不达到所需性能的概率，即中断概率Pout最小化等同于使下述概率最大化

$1-P_{\mathrm{out}}=\underset{l=1}{\overset{M}{\mathrm{\Π}}}{\∫}_{u_l}^{\∞}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\σ}}_l}{e}^{\frac{{(t-{\mathrm{\η}}_l)}^2}{2{\mathrm{\σ}}_l^2}}\mathrm{dt},$

假定某一层的数据速率是差值x₁＝u₁-η₁。通过建立等同的拉格朗日目标函数，我们从目标函数

$J=\log \left(\underset{l=1}{\overset{M}{\mathrm{\Π}}}{\∫}_{x_l}^{\∞}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\σ}}_l}{e}^{\frac{t^2}{2{\mathrm{\σ}}_l^2}}\mathrm{dt}\right)-\mathrm{\λ}(\underset{l=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{x}_l+\underset{l=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_l-C_T)$

得到驻点，即函数的导数成为零的点。

我们可证实该驻点满足

$-\frac{e^{\frac{x_l^2}{2{\mathrm{\σ}}_l^2}}}{{\∫}_{x_l}^{\∞}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\σ}}_l}{e}^{\frac{t^2}{2{\mathrm{\σ}}_l^2}}\mathrm{dt}}=\mathrm{\λ},l=\mathrm{1,2},\·\·\·,M.$

因为 ${\&Integral;}_{x_l}^{\&infin;}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&sigma;}}_l}{e}^{\frac{t^2}{2{\mathrm{\&sigma;}}_l^2}}\mathrm{dt}\&ap;1,x_l/{\mathrm{\&sigma;}}_l<<0$

于是，某一层的最佳数据速率和容量的平均值之间的差值为

$x_l^{*}\&ap;\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_l}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{m=1}^M{\mathrm{\&sigma;}}_m}(C_T-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&eta;}}_m)$

并且层l的最佳数据速率u^*为

$u_l^{*}\&ap;{\mathrm{\&eta;}}_l+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_l}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{m=1}^M{\mathrm{\&sigma;}}_m}(C_T-\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&eta;}}_m)---\left(2\right)$

于是，每层的中断概率为

$P_l^{*}={\&Integral;}_{-\&infin;}^{x_l^{*}}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&sigma;}}_l}{e}^{\frac{t^2}{2{\mathrm{\&sigma;}}_l^2}}\mathrm{dt}={\&Integral;}_{-\&infin;}^{\frac{(C_T-{\mathrm{\&Sigma;}}_{m=1}^M{\mathrm{\&eta;}}_m)}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{m=1}^M{\mathrm{\&sigma;}}_m}}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}{e}^{\frac{t^2}{2}}\mathrm{dt}$

对于所有层来说，它是相同的。从而，当每层的中断概率相等时，获得最小的总中断概率。

我们把归一化容量余量定义为

从而，最佳的总中断概率为

它陈述一个有趣的事实。分层系统的最小总中断概率只由归一化容量余量确定。

即，如果我们正确地选择每层的数据速率，那么在最佳SIC下，所有层的容量的总和与通过瞬时反馈获得的完全相同。为了达到该容量，需要瞬时数据速率反馈。但是，如果信道足够各态历经(ergodic)，例如具有足够频率选择性或时间变化的那些信道，那么通过统计地确定每层的数据速率，我们能够逼近该容量，而代价极小。我们的方法是在已知总数据速率的情况下，使总的中断概率降至最小。由于上述结果，我们使用统计方案来向不同层分配比特。

我们使用根据M.A.Kamath，B.L.Hughes和X.Yu，“Gaussianapproximations for the capacity of MIMO Rayleigh fadingchannels，”IEEE Asilomar Conference on Signals，Systems，andComputers，November 2002的渐近展开(asymptotic expansion)，所述渐近展开是

从而

类似地，我们得到具有总数据速率C_T的MIMO信道的渐近中断概率为

其中

其中η_ch是各态历经MIMO信道容量，即如同关于统计参数一样，每个序列或大小相当的(sizable)样本足以代表整体，σ_ch ²是MIMO信道容量的方差。注意

${\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{ch}}=\underset{l=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&eta;}}_l$

并且

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ch}}\&le;\underset{l=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&sigma;}}_l$

因为对于任意一组随机变量{v_l′s}

$E\left\{{\left(\underset{l}{\mathrm{\&Sigma;}}{v}_l\right)}^2\right\}\&le;{\left(\underset{l}{\mathrm{\&Sigma;}}\sqrt{E\left\{v_l^2\right\}}\right)}^2$

从而，

_ch≤，

并且

这意味着在相等的数据速率下，分层结构的渐近中断概率至少为MIMO信道的渐近中断概率的M倍。

由于上述结果，我们提供一种确定数据速率分配的统计方法，服从下述约束条件。

在实际的通信系统中，只存在调制和编码速率的数目有限的组合。于是，一组N个可用数据速率c₁＜c₂＜…＜c_N302是离散的，参见图3。这里，按照从低到高的顺序排列数据速率，其中c1是最小的可用数据速率，cN是该集合的最大可用数据速率。

任何高斯分布具有负数结尾部分，于是，我们的上述分析主要适用于具有高SNR的系统，在具有高SNR的系统中，每层的最佳数据速率u_l ^*被保证为正值。

统计数据速率分配方法

图3表示我们的在MIMO通信系统中的多层间分配数据速率的方法300。

首先，我们根据当通过某一信道传送各层时，各层的容量的过去观察结果301(由等式(1)给出)确定310每层的容量的统计量311，例如平均值η₁和方差σ_l ²。可根据从接收器发送的作为对发射消息的确认的信号，完全在发射器中确定所述平均值和方差。应注意可以使用其它统计量。

应清楚统计量不必基于瞬时实际信道条件，相反统计量可以只基于历史数据。

在传输开始时，此时没有任何历史数据可用，可使用依据经验得到的统计量来设定各层的初始数据速率。通过使用标准信道模型，可从实验或模拟获得经验数据。

对于总的数据速率C_T，根据每层的层容量统计量311，依据等式(2)为每层确定320最佳数据速率u_l ^*321。

确定330最佳数据速率u_l ^*是否小于一组可用数据速率302的最小数据速率。

如果否331，那么选择340可用数据速率302中的小于最佳数据速率u_l ^*的最接近数据速率c_l ^*。

否则，如果是332，那么选择将为该组可用数据速率的最小值的数据速率c_l ^*。

注意在所描述的系统中，根据选择的数据速率，我们可对不同的层使用不同的调制。

变化

上面提出的方法还可被应用于发射天线与各层的关联发生变化，或者是频率选择的，例如在OFDM系统中的情况。我们只需要计算每层的由等式(1)给出的所有数据速率的总数，并确定每层的信道容量的对应平均值和方差即可。

虽然通过优选实施例的例子说明了本发明，不过显然在本发明的精神和范围内，可做出各种其它适应和修改。于是，附加权利要求的目的是覆盖在本发明的精神和范围内的所有这样的变化和修改。

Claims (12)

1、一种向将在多输入多输出通信系统中发射的各层分配数据速率的方法，包括：

把输入数据流多路分解成多层；

关于每层，根据通过信道发射该层的过去观察结果，确定代表该层的容量的统计量；

关于每层，根据所述统计量确定最佳数据速率；

关于每层，确定最佳数据速率是否小于一组可用比特率的最小数据速率；

如果是，那么为特定层从该组可用数据速率中选择最小数据速率；否则

如果否，那么为特定层从该组可用数据速率中选择小于最佳数据速率的最接近数据速率。

2、按照权利要求1所述的方法，其中发射信号和接收信号之间的关系由r＝Hs+n表示，其中r是代表接收信号的N_r×1向量，s是代表发射信号的N_t×1向量，H是代表信道的冲激响应的N_r×N_t信道矩阵，n是具有为独立并且相等分布的零均值循环复高斯随机变量的条目的N_r×1噪声向量，所述零均值循环复高斯随机变量具有方差N₀，信道的开环容量为 $C(H,\mathrm{SNR})={\log }_2\det (I_{N_r}+\frac{\mathrm{SNR}}{N_t}{\mathrm{HH}}^H),$ 其中I_Nr是N_r×N_r单位矩阵，SNR是信噪比。

3、按照权利要求2所述的方法，其中将被分配给每层l的所需数据速率为 $C_l={\log }_2\det (I_{N_r}+\frac{\mathrm{SNR}}{N_t}{H}_{(l-1)}{H_{(l-1)}}^H)-{\log }_2\det (I_{N_r}+\frac{\mathrm{SNR}}{N_t}{H}_{\left(l\right)}{H_{\left(l\right)}}^H),$ 其中h_l是信道矩阵H的第l列。

4、按照权利要求3所述的方法，其中基于过去观察结果的每层的容量为C_l～N(η_l，σ_l ²)，其中η_l和σ_l ²分别是层l的容量的均值和方差。

5、按照权利要求1所述的方法，其中统计量是一阶和二阶统计量。

6、按照权利要求1所述的方法，其中对于所有各层的总数据速率，使总的中断概率最小化。

7、按照权利要求1所述的方法，其中统计量是每层的容量的均值和方差。

8、按照权利要求1所述的方法，其中在各层的发射器中确定统计量。

9、按照权利要求1所述的方法，其中在各层的接收器中确定统计量。

10、按照权利要求1所述的方法，其中发射天线与各层的关联发生变化。

11、按照权利要求1所述的方法，其中系统是频率选择的。

12、按照权利要求1所述的方法，其中统计量由高斯分布模拟。

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