CN1829138A - 自适应多输入多输出发送接收系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应多输入多输出发送接收系统及其方法。该自适应多输入多输出发送接收系统的特征在于，其发射机包括：串并变换器、多个信道编码器、多个星座映射器、多个发送功率调整器，接收机包括：传输方式选择装置、迫零/最小均方误差检测器、多个接收功率调整器、多个星座解映射器、多个信道译码器、并串变换器。其中传输方式选择装置产生关于所要采用的天线集合的信息、有关星座映射方式的信息和发送功率信息，将这些信息提供给发射机和接收机中的相应单元，从而对子码流数目，星座映射方式、发送功率进行调整。本发明的方法和系统能达到较明显的性能增益，并且需要较少的反馈信息。

Description

自适应多输入多输出发送接收系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种基于信道衰落相关矩阵的自适应MIMO(Multiple-InputMultiple-Out-put，多输入多输出)技术，尤其涉及一种MIMO发送接收系统和相关MIMO系统中以天线集合、星座尺寸及发送功率确定的方法及其系统。

背景技术

MIMO是一种能够有效提高衰落信道容量的新技术。MIMO在发送方和接收方都有多付天线，因此可以看成是双天线分集的扩展。但不同之处在于MIMO中有效使用了编码重用(Code Reuse)技术，用相同的信道编码和扰码调制多个不同的数据流。MIMO系统利用多天线来抑制信道衰落。信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说，可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。为了保证相同扩频码的各个子数据流能够有效分离，各个天线之间必须保持较大的距离，以防止信号的相关干扰。

利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的BLAST算法、ZF算法、MMSE算法、ML算法。ML算法具有很好的译码性能，但是复杂度比较大，对于实时性要求较高的无线通信不能满足要求。ZF算法简单容易实现，但是对信道的信噪比要求较高。性能和复杂度最优的就是BLAST算法。该算法实际上是使用ZF算法加上干扰删除技术得出的。

BLAST又分为D-BALST(Diagonal BLAST)和V-BLAST(VerticalBLAST)等几种。D-BLAST是一种基于空时的技术，它提出了一种在固定带宽和固定发射功率的情况下，容量随n增长而线性增长的系统，这为在有限的频率资源下充分提高频谱利用效率提供了广阔的应用前景。在D-BLAST中，如果接收天线数目增加将有助于信道间干扰的减少，但是其运算极其复杂，因此贝尔实验室又进一步提出了V-BLAST算法。V-BLAST中同样基于MIMO技术，且假设发送端不知道信道特性。在接收端，高速信号处理器同时检查所有接收天线的信号流，首先分离出最强的信号流，然后将该信号流视为干扰并消除，再进行次强信号流的检测，直到把所有的信号流都检测完毕。但是，V-BLAST系统的性能对天线衰落相关比较敏感。

为了提高BLAST系统的相关性能，我们可以采用预编码(precoding)技术。但是，该技术中，需要将整个相关矩阵反馈到发送器。我们还可以进行天线选择及逐天线的功率、码率控制。以前的自适应MIMO收发方法，通常选择天线集合和星座映射方式来使最小SNR富余最大。这样设计的系统存在如下的不足：(1)发送天线中的采用相同星座忽略了各天线之间的差异；(2)在考虑发送功率情况下，对于各发送天线采用相同的功率是不经济的；(3)需要对天线集合进行穷尽式搜索。

在固定数据率和ZF接收机情况下，较少的发送天线导致较高的分集阶，但是星座尺寸大并且星座之间的距离小；较多的发送天线导致较小的分集阶，但是星座尺寸小并且星座之间的距离大。

另外，在DWCS系统中，需要确定针对某个用户的虚拟小区。在上行链路中，如果选择较多的分布天线下形成用户的虚拟小区，则系统的复杂性增加，同时会引入较多的干扰。与上行链路相比，建立下行链路虚拟小区更重要。这是因为，如果选择较多的天线来服务某个用户，则有较多的功率浪费到差的天线上，而如果选择较少的天线，则信道自由度少，不能实现高的吞吐量。

发明内容

为了解决传统技术中存在的上述问题，本发明提出了一种满足目标频谱效率和目标误码率前提下，使发送功率最小的最优发送天线选择及速率(调制方式)分配、功率分配方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种MIMO发送接收系统，包括发射机和接收机，其中，所述发射机包括：串并变换器，用于根据有关所要采用的天线集合的信息将原始信息比特流串并变化分成若干个并行的子码流；多个信道编码器，用于对来自所述串并变换器的各子码流进行独立的信道编码；多个星座映射器，用于根据有关星座映射方式的信息对来自所述多个信道编码器的相应的各编码后的信号进行星座映射，形成调制后的数据符号流；多个发送功率调整器，用于根据发送功率信息对相应的所述调制后的数据符号流进行不同的功率加权，后从相应的发送天线发送，所述接收机包括：传输方式选择装置，用于接收经多个接收天线接收到的信号中的导频信号，产生所述关于所要采用的天线集合的信息、所述有关星座映射方式的信息和所述发送功率信息；迫零/最小均方误差检测器，用于根据来自所述传输方式选择装置的有关所要采用的天线集合的信息来检测经接收天线接收到的信号，并且生成多个相应的数据符号流；多个接收功率调整器，其每个用于根据来自所述传输方式选择装置的对应于发送功率信息的接收功率信息对接收到的相应数据符号流进行不同的功率加权，从而调整信号功率；多个星座解映射器，用于根据来自所述传输方式选择装置的与所述有关星座映射方式的信息对应的关于星座解映射方式的信息对来自所述多个接收功率调整器的相应的各功率调制后的数据符号流进行星座解映射，产生多个子码流；多个信道译码器，用于对来自所述多个星座解映射器的各子码流进行独立的信道译码；并串变换器，用于将来自所述多个信道译码器的信道译码后的多个并行子码流变换为接收的信息比特流，其中，所述多个信道编码器、多个星座映射器和多个发送功率调整器的数目与发送天线数目一致，所述多个接收功率调整器、多个星座解映射器和多个信道译码器的数目与发送天线数目一致。

根据本发明的另一个方面，提供了一种MIMO发送接收系统，包括发射机和接收机，其中，所述发射机包括：信道编码器，用于对原始信息比特流进行独立的信道编码；串并变换器，用于根据有关所要采用的天线集合的信息将来自所述信道编码器串并变化分成多个并行的子码流；多个星座映射器，用于根据有关星座映射方式的信息对来自所述串并变换器的多个并行的子码流进行星座映射，形成调制后的数据符号流；多个发送功率调整器，用于根据发送功率信息对相应的所述调制后的数据符号流进行不同的功率加权，后从相应的发送天线发送，所述接收机包括：传输方式选择装置，用于接收经多个接收天线接收到的信号中的导频信号，产生所述关于所要采用的天线集合的信息、所述有关星座映射方式的信息和所述发送功率信息；迫零/最小均方误差检测器，用于根据来自所述传输方式选择装置的有关所要采用的天线集合的信息来检测经接收天线接收到的信号，并且生成多个相应的数据符号流；多个接收功率调整器，其每个用于根据来自所述传输方式选择装置的对应于发送功率信息的接收功率信息对接收到的相应数据符号流进行不同的功率加权，从而调整信号功率；多个星座解映射器，用于根据来自所述传输方式选择装置的与所述有关星座映射方式的信息对应的关于星座解映射方式的信息对来自所述多个接收功率调整器的相应的各功率调制后的数据符号流进行星座解映射，产生多个子码流；并串变换器，用于对来自所述多个星座解映射器的各子码流进行并串变换，形成一码流；信道译码器，用于对来自所述并串变换器的码流进行独立的信道译码，形成接收的信息比特流，其中，所述多个星座映射器和多个发送功率调整器的数目与发送天线数目一致，所述多个接收功率调整器和多个星座解映射器的数目与发送天线数目一致。

根据本发明的另一个方面，提供了一种相关多输入多输出系统中天线集合、星座尺寸及发送功率确定的方法，包括下述步骤：步骤1，根据所有可用发送天线集合，获得相关矩阵，并且接收目标频谱效率和目标误码率；步骤2，对满足目标频谱效率的天线集合及各天线星座尺寸的组合，计算总发送功率；步骤3，比较各个组合的发送功率，寻找所有发送功率中最小的一个，从而确定所需天线集合和星座尺寸；和步骤4，计算每个天线的发送功率。

根据本发明的另一个方面，提供了另一种相关多输入多输出系统中天线集合、星座尺寸及发送功率确定的，包括下述步骤：步骤1，对总共可选的发送天线集合、最小发送功率、中间存储变量、所有可选发送天线数进行初始化；步骤2，计算接收到的发送天线集合的相关矩阵的逆；步骤3，比较发送天线数和接收天线数，如果发送天线数小，则计算总的发送功率的下界，如果发送天线数大，则在天线集合中去掉最差的发送天线；步骤4，比较该发送功率的下界和最小发送功率，当所述发送功率的下界小于最小发送功率时，将最小发送功率更新为所述发送功率的下界，将中间变量更新为发送天线集合；步骤5，当发送天线数大或者当所述发送功率的下界大时或者在将最小发送功率更新为所述发送功率的下界后，则在天线集合中去掉最差的发送天线；步骤6，判断是否已经对所有发送天线数进行了测试，如果尚未对所有发送天线数进行测试，则返回到步骤2，如果已经对所有发送天线数进行了测试，则选择集合大小，并且对当前已经分配的信息比特数赋值；步骤7，选择最小额外发送功率的天线，确定星座映射方式，并且递增该天线的上的星座尺寸和当前已经分配了的信息比特数；步骤8，判断当前已经分配了的信息比特数是否达到目标频谱效率C，如果当前已经分配了的信息比特数达到目标频谱效率，则根据计算每根发送天线上的功率，否则，返回到步骤7，继续分配未分配的信息比特数。

根据本发明的系统和方法，我们进行了仿真验证。仿真结果可以表明，无论是接收采用ZF还是MMSE检测，与不采用自适应的开环传输相比，本发明提出的最优方法有10dB以上的信噪比增益。相对于以前的方法，本发明的方法有2dB的增益。另外，与预编码方案相比，本发明的方案需要较少的反馈信息。

附图说明

图1a表示根据本发明一实施例的适用于BLAST系统的MIMO发送接收系统的示意图；

图1b表示根据本发明另一实施例的适用于BLAST系统的MIMO发送接收系统的示意图；

图2a，2b和2c显示的是根据本发明实施例的传输方式选择装置110的具体结构；

图3表示本发明最优自适应发送方法的流程图；

图4a和4b表示本发明简化的自适应发送方法的流程图；

图5给出了采用最优自适应方法时系统的性能；和

图6比较了简化方法和最优穷举方法性能。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明。

图1a表示根据本发明一实施例的适用于BLAST系统的MIMO发送接收系统的示意图。如图所示，发送接收系统的发射机部分包括：串并变换器101，用于将原始信息比特流串并变化分成若干个并行的子码流；多个信道编码器102a、102b、…102n，用于对各子码流进行独立的信道编码，这些编码器可以采用传统的turbo码编码器或LDPC编码器；多个星座映射器103a、103b、…103n，用于对相应的各编码后的信号进行星座映射，形成调制后的数据符号流，这些星座映射器可以采用传统的格雷映射实现；多个发送功率调整器104a、104b、…104n，用于对调制后的相应数据符号流进行不同的功率加权，后从相应的天线发送。

接收机部分包括：传输方式选择装置110，用于接收经多个天线接收到的信号中的导频信号，据此确定所要采用的天线集合及相应的星座映射方式和发送功率；迫零/最小均方误差检测器105，用于检测经天线接收到的信号，并且生成多个相应的数据符号流；多个接收功率调整器106a、106b、…106n，其每个用于对接收到的相应数据符号流进行不同的功率加权，从而调整信号功率；多个星座解映射器107a、107b、…107n，用于对相应的各功率调制后的数据符号流进行星座解映射，产生多个子码流；多个信道译码器108a、108b、…108n，用于对各子码流进行独立的信道译码；并串变换器109，用于将来自信道译码器108a、108b、…108n的信道译码后的并行子码流变换为接收的信息比特流。

这里，多个信道编码器、多个星座映射器和多个发送功率调整器的数目与发送天线数目一致，多个接收功率调整器、多个星座解映射器和多个信道译码器的数目与发送天线数目一致。

如图所示，传输方式选择装置110接收经天线接收到的信号，提取信号中的导频信号，并据此确定发射机中所要采用的天线集合、相应的星座映射方式和发送功率以及接收机中所要采用的相应的星座解映射方式和接收功率。

更具体的讲，在发射机端，传输方式选择装置110将有关发射机中所要采用的天线集合的信息反馈给信道编码器串并变换器101；将有关相应的星座映射方式的信息反馈给星座映射器103a、103b、…103n，以便使各星座映射器103a、103b、…103n依据相应的星座映射方式对信道编码后的信号进行星座映射；并且将发送功率信息反馈给发送功率调整器104a、104b、…104n，以便调整各天线的信号发送功率。

在接收机端，传输方式选择装置110将有关发射机中所要采用的天线集合的信息发送给迫零/最小均方误差检测器105，从而检测出各子码流；接收功率调整器106a、106b、…106n从传输方式选择装置110接收关于接收功率的信息，从而据此相应对接收到的相应数据符号流进行不同的功率调整；星座解映射器107a、107b、…107n接收来自传输方式选择装置110的关于星座解映射方式的信息，对相应的各功率调制后的数据符号流进行相应的星座解映射，产生多个子码流。

图1b表示根据本发明另一实施例的适用于BLAST系统的MIMO发送接收系统的示意图。如图1b所示，图1b与图1a不同之处在于，在发射机端，首先采用信道编码器102m对原始信息比特流进行联合的信道编码得到编码后的信号，再经过采用串并变换器101，串并变化，形成若干个并行的编码后的子码流，并将其送入星座映射器103a、103b、…103n；在接收机端，首先采用并串变换器109对来自星座解映射器107a、107b、…107n的子码流进行并串变换，然后采用信道编码器108m对所得到的串行码流进行联合信道译码，得到接收的信息比特。

相比传统的非自适应BLAST结构，在本发明的适用于BLAST系统的MIMO发送接收系统中，待发送的信息比特经过编码后采用统一的星座映射方式和发送功率，并且发送天线数也固定。因此该系统中，可以对子码流数目，星座映射方式、发送功率进行调整。

图2a显示的是根据本发明实施例的传输方式选择装置110的具体结构。如图所示，发传输方式选择装置110包括瞬时信道状态信息估计器210、相关性信息提取器220和发送方案选择器230。瞬时信道状态信息估计器210提取所接收到的信号中的导频信号，从而得到瞬时信道状态信息。相关性信息提取器220接收该瞬时信道状态信息，由此产生信道衰落相关性信息如R_T。发送方案选择器230接收该信道衰落相关性信息，确定发送天线集合信息、每个天线的星座尺寸(即各星座映射器的映射方式)信息和发送功率信息，这些信息被分别反馈到发射机中的串并变换器101、星座映射器103a、103b、…103n及发送功率调整器104a、104b、…104n。与此同时，发送方案选择器230还确定与各星座映射器的映射方式信息和发送功率信息相应的各星座解映射器的解映射方式信息和接收功率信息，并且将该发送天线集合信息、解映射方式信息和接收功率信息分别发送到迫零/最小均方误差检测器105、星座解映射器107a、107b、…107n和接收功率调整器106a、106b、…106n。

图2b显示的是根据本发明实施例的装置110中瞬时信道状态信息估计器210的具体结构。如图所示，该装置由导频信号提取器211，导频发生器213、除法器213a，…，213n组成。其中除法器的个数为发端天线数的平方。导频信号提取器211根据发送端导频结构，提取出接收导频信号。导频信号发生器212产生与发端相同的导频信号。除法器213a，…，213n接收所述接收导频信号以及212产生的发端导频信号，讲两者相除后得到该导频位置的瞬时信道状态信息。

图2c显示的是根据本发明实施例的装置110中相关性信息提取器220的具体结构。如图所示，该装置由乘法器221a，…，221n，统计时间控制器222，累加器223a，…，223n，除法器224a，…，224n，和平均器225组成，其中乘法器、累加器、除法器的个数为发端天线数的平方与接收天线数的乘积。乘法器221a，…，221n计算属于同一根接收天线的所有瞬时信道状态信息两两的乘积，将这些乘积结果分别送入累加器223a，…，223n，累加时间由统计时间控制器222控制。累加结果被分别送入除法器224a，…，224n，与累加时间相除，得到时间上的平均值。所有这些平均值被送入平均器225，将不同接收天线上计算的时间平均值在进行平均，得到发送天线的相关性信息。

在描述发送方案选择器230确定各信息过程之前，首先描述自适应发送方法的工作原理。

考虑n_T根发送天线，n_R根接收天线的平衰落MIMO系统下行。基站天线周围散射物较少，充分散射的条件不容易满足，导致发送天线的衰落具有空间相关性。移动台周围具有较多的散射物，充分散射条件容易满足。因而信号模型可以表示为：

$r=H_w{R}_T^{1/2}s+n---\left(2\right)$

其中r为n_R×1的接收信号向量。H_w为n_R×n_T信道矩阵，其各元素独立且服从CN(0，1)分布。R_T是发送天线的信道衰落相关矩阵。s是n_T×1的发送信号向量。考虑空间复用结构，s各分量独立， $E\left[{\mathrm{ss}}^H\right]=\mathrm{diag}(p_1,p_2,\·\·\·,p_{n_T}),$ p_i是第i根天线的发射功率，满足 ${\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n_T}{p}_i=P,$ P为总发射功率。n是n_R×1复高斯白噪声向量，各元素服从CN/(0，N₀)分布。

天线衰落的空间相关性将导致MIMO系统性能的恶化。本发明根据信道相关矩阵R_T自适应地选择传输模式，以降低衰落空间相关性对系统性能的影响。在R_T确定情况下，通过推导和优化空间复用系统各子码流的平均误码率，在满足用户目标频谱效率和误码性能的前提下，提出自适应发送方法，选择发送天线集合、各天线上的速率及发射功率，使总发射功率最小。

最优自适应发送方法

本发明针对接收端采用ZF检测情况，推导了基于信道信道衰落相关矩阵的最优自适应发送准则。从后文中的仿真结果可以看出，该准则也适用于MMSE检测情况。接收端通过跟踪信道的变化，得到发送天线衰落的空间相关矩阵R_T。本发明提出的自适应发送准则根据R_T确定最优的传输模式，并反馈回发送端，发送端根据反馈信息进行发送。这样发射机端仅需要知道选择的天线集合，每根天线上的星座尺寸及发送功率，即可进行自适应发送。

接收采用ZF检测时，第i个子码流上的处理后SNR是一个由[R_T ^-1]_ii加权的自由度为2(n_R-n_T+1)的χ²分布，其概率密度函数可以表示为

$f\left({\mathrm{\γ}}_i\right)=\frac{{\left[R_T^{-1}\right]}_{\mathrm{ii}}{e}^{-{\left[R_T^{-1}\right]}_{\mathrm{ii}}{\mathrm{\γ}}_i{N}_0/p_i}}{(n_R-n_T)!p_i/N_0}\·$

${\left(\frac{{\mathrm{\γ}}_i{\left[R_T^{-1}\right]}_{\mathrm{ii}}{N}_0}{p_i}\right)}^{n_R-n_T},{\mathrm{\γ}}_i\≥0---\left(1\right)$

其中，p_i为第i根天线的发送功率，γ_i为第i个子码流上的处理后SNR，N₀是噪声功率，n_R是接收天线数，n_T是实际发送天线数。

采用QAM调制时，第i路的误符号率的上界可以表示为：

$p_{\mathrm{sei}}<4(1-\frac{1}{\sqrt{M_i}})e^{-\frac{3}{2(M_i-1)}{\mathrm{\&gamma;}}_i},---\left(2\right)$

其中M_i为某种调制方式下星座点的个数。根据γ_i的分布，对p_sei取期望可以得到，

$\stackrel{\&OverBar;}{P_{\mathrm{sei}}}\&le;\frac{4(1-\frac{1}{\sqrt{M_i}})}{{[1+\frac{3p_i}{2(M_i-1){\left[R_T^{-1}\right]}_{\mathrm{ii}}{N}_0}]}^{n_R-n_T+1}}---\left(3\right)$

如果比特到符号采用格雷映射， $2\&le;{\log }_2\left(M_i\right)\&le;8,{10}^{-5}\&le;\stackrel{\&OverBar;}{P_{\mathrm{bei}}}\&le;{10}^{-2}$ 时，第i个子码流的平均误比特率可以近似表示为

$\stackrel{\&OverBar;}{P_{\mathrm{bei}}}\&ap;\frac{0.1}{{[1+\frac{3p_i}{2(M_i-1){\left[R_T^{-1}\right]}_{\mathrm{ii}}{N}_0}]}^{n_R-n_T+1}}---\left(4\right)$

为了满足目标误码率BER_i，第i根天线上的发送功率为

$p_i=\frac{2}{3}{N}_0({\left(\frac{0.1}{{\mathrm{BER}}_t}\right)}^{\frac{1}{n_R-n_T+1}}-1)(M_i-1){\left[{R_T}^{-1}\right]}_{\mathrm{ii}}---\left(5\right)$

其中，i＝1，2，…，n_T。

如果用户需要的频谱效率为C，有 ${\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^{n_T}{\log }_2{M}_i=C.$ 这时，为了达到用户的目标频谱效率要求，总的发送功率可以表示为

$P=\frac{2}{3}{N}_0({\left(\frac{0.1}{{\mathrm{BER}}_t}\right)}^{\frac{1}{n_R-n_T+1}}-1)\underset{i=1}{\overset{n_T}{\mathrm{\&Sigma;}}}(M_i-1){\left[{R_T}^{-1}\right]}_{\mathrm{ii}}---\left(6\right)$

因此，当给定用户的目标频谱效率C和目标误码率BER_t，最优的传输方案是使用所有的接收天线，而选择发送天线集合及每根天线上的调制方式，使(7)右边最小。每根天线的发送功率则由(6)决定。

简化的自适应发送方法

用穷举搜索实现前面提出的自适应发送方法能够获得最小发送功率，然而这样对所有可能的发送天线集合首先需要求信道相关矩阵的逆，之后又必须验证所有可能的速率分配方案，使发送功率最小，因而实现复杂度非常高。为此，本发明提出了简化的自适应方法。

为了减小待验证的天线集合的数目，采用一种逐减验证方法。这里，不需要验证所有可能的天线组合，而是，首先采用所有发送天线，验证可能获得的最小发送功率，下一步去掉这些天线中性能最差的一根，再次进行验证，以此类推。从(5)可以看出，[R_T ^-1]_ii越大，则该子码流性能也越差，应越早被去掉。

为了降低速率分配带来的复杂度，采用连续星座近似的方法。对于每一种天线组合，不实际分配码率，而是直接计算出(7)的下界：

$P{\&GreaterEqual;P}_m=\frac{2}{3}{N}_0({\left(\frac{0.1}{{\mathrm{BER}}_t}\right)}^{\frac{1}{n_R-n_T+1}}-1)\&CenterDot;$

$(n_T\sqrt[n_T]{2^C\underset{i=1}{\overset{n_T}{\mathrm{\&Pi;}}}{\left[{R_T}^{-1}\right]}_{\mathrm{ii}}}-\underset{i=1}{\overset{n_T}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[{R_T}^{-1}\right]}_{\mathrm{ii}}).---\left(7\right)$

其中P_m是发送功率的下界。

当M_i[R_T ^-1]_ii，i＝1，2…n_T均相等的情况下(8)取得等号。因此，对于某一个待验证的天线集合，不必要进行实际的码率分配，而是直接计算(8)，即为该天线集合下，可能的最小发送功率。

设n_A为总的可用天线数，简化方法描述如下：

1)天线集合选择

TS＝{1，2，…，n_A}，P_min＝∞，S＝NULL

FOR n_T＝n_A～1

${R_T}^{-1}=\mathrm{inv}\left(R_{\mathrm{TS}}\right)$

IF n_T≤n_R      由(8)计算P_m

IF P_m＜P_min    P_min＝P_m，S＝TS   END

END

$k=\underset{i\&Element;\mathrm{TS}}{\arg }\max \left({\left[{R_T}^{-1}\right]}_{\mathrm{ii}}\right)),\mathrm{TS}=\mathrm{TS}-k$

END

其中，TS是总共可选的发送天线集合，P_min是最小发送功率，R_TS是相应发送天线集合的相关矩阵，k为变量，N_A是所有可选发送天线数，S是中间存储变量。

2)实际的速率、功率分配

n_T＝size(S)，b＝zeros(1，n_T)， ${R_T}^{-1}=\mathrm{inv}\left(R_S\right)$

FOR l＝1～C

$k=\underset{i}{\arg }\min \left((2^{b_i+1}-2^{b_i}){\left[{R_T}^{-1}\right]}_{\mathrm{ii}}\right)$

b_k＝b_k+1

END

FOR i＝1～n_T

由(6)计算第i根天线上的发送功率p_i

END

其中，n_T为发送天线数，b用于每个天线上的星座尺寸。b_k表示第k根天线上的星座尺寸，l是表示当前已经分配了的信息比特数。

步骤2)中，在实际进行速率分配时，逐比特地在各天线上进行速率分配，每次将待分配的比特分配给需要最小额外发送功率的天线。

下面具体描述最优自适应发送方法和简化的自适应发送方法的处理过程。

图3表示本发明最优自适应发送方法的流程图。

如图所示，在步骤S310，发送方案选择器230根据所有可用发送天线集合T，获得相关矩阵R_T，并且接收目标频谱效率C和目标误码率BER_t。

接着，在步骤S320，对满足∑log₂M_i＝C的天线集合及各天线星座尺寸的组合，根据式(7)计算总的发送功率P。在步骤S330，发送方案选择器230比较所有P，并且寻找所有P中最小的一个，其对应的天线集合和星座尺寸即为所需天线集合和星座尺寸。接下来，在步骤S340，根据式(6)计算每个天线的发送功率。

可以看出，本发明的最优自适应发送方法采用穷举搜索获得最小发送功率，其精确度比较高。

图4a和4b表示本发明简化的自适应发送方法的流程图。

如图所示，在步骤S401，发送方案选择器230对总共可选的发送天线集合TS、最小发送功率P_min、中间存储变量S、所有可选发送天线数n_A进行初始化。即，TS＝{1，2，…，n_A}，P_min＝∞，S＝0，n_T＝n_A。在步骤S402，计算从特征提取器220接收到的发送天线集合TS的相关矩阵R_T的逆R_T ^-1。接着在步骤S403，比较发送天线数n_T是否小于接收天线数n_R。如果发送天线数n_T小于接收天线数n_R，则根据式(8)计算总的发送功率的下界P_m，并且在步骤S405判断该发送功率的下界是否小于最小发送功率P_min。如果判断结果为该发送功率的下界P_m小于最小发送功率P_min，则将最小发送功率P_min更新为P_m，将中间变量S更新为TS。接下来在步骤S406，根据 $k=\underset{i\&Element;\mathrm{TS}}{\arg }\max \left({\left[{R_T}^{-1}\right]}_{\mathrm{ii}}\right)),$ TS＝TS-k在天线集合中去掉最差的发送天线。如果在步骤S403中发送天线数n_T大于接收天线数n_R，则直接执行步骤S407。类似的，如果在步骤405中发送功率的下界P_m大于最小发送功率P_min，则直接执行步骤S407。接着，在步骤S408，递减n_T，并且在步骤S409判断是否已经对所有发送天线数进行了测试，即判断n_T是否等于0。如果尚未对所有发送天线数进行测试，则返回到步骤S402。如果n_T＝0，则进到步骤S410，在该步骤中，将天线集合S的大小赋值给n_T，设定每个天线上的星座尺寸b等于1×n_T的零向量，用于存储每个天线上的星座尺寸，求出天线集合TS中天线的相关矩阵R_S的逆R_S ^-1，并且将当前已经分配的信息比特数l赋值为0。然后，在步骤S411，根据 $k=\underset{i}{\arg }\min \left((2^{b_i+1}-2^{b_i}){\left[{R_T}^{-1}\right]}_{\mathrm{ii}}\right)$ 选择需要最小额外发送功率的天线，并且将该天线的上的星座尺寸和当前已经分配了的信息比特数l均加一。接下来，在步骤412，判断当前已经分配了的信息比特数l是否达到目标频谱效率C。如果当前已经分配了的信息比特数l达到目标频谱效率C，则根据式(6)计算每根发送天线上的功率，其中 $M_i=2^{b_i}.$ 如果当前已经分配了的信息比特数l未达到目标频谱效率C，则返回到步骤S411，继续分配未分配的信息比特数。

通过上述过程，确定了天线集合TS、存储每根发送天线上的星座映射方式的b_k和每根天线的发送功率P_i。可以看出，本发明的简化的自适应发送方法明显减少了搜索次数和时间，从而有利于实际系统的实现。

这里，对本发明的适用于BLAST系统的MIMO发送接收系统性能进行了仿真。考虑6根发送天线、6根接收天线的无编码系统的情况。为了便于比较，相关矩阵的产生采用了与Narasimhan的文章“Spatial multiplexing withtransmit antenna and constellation selection for correlated MIMO fadingChannel”(IEEE transactions on signal procession，2003，51(11)：2829-2838)中场景II相同的参数。首先仿真采用最优自适应方法时系统的性能，之后考查简化算法与最优准则性能的接近程度。在仿真中，用户的目标频谱效率为12bit/s/Hz。

图5给出了采用最优自适应方法时系统的性能，为了比较，给出了所述Narasimhan的文章中的方法及开环BLAST方法的性能。仿真中，目标误码率设为10^-3。开环BLAST结构选用所有的6根发送天线，每根天线上采用QPSK调制，相同的发送功率。该文章中的方法选择编号为1、2的两根天线，每根天线上采用64QAM调制，相同的发送功率。本发明提出的最优方法选择天线编号为1、2和6的三根天线，各天线上采用16QAM调制，发送功率不相等。仿真结果可以看出，无论是接收采用ZF还是MMSE检测，与不采用自适应的开环传输相比，本发明提出的最优方法有10dB以上的信噪比增益。相对于该文章中的方法，本发明的最优方法也有2dB的增益。

另外，虽然本发明的最优方法是根据ZF接收机进行推导，但是当接收采用MMSE检测时，该准则也能获得很好的性能。原因是，ZF是MMSE检测的性能下界，另外，在高信噪比情况下，ZF检测性能逼近MMSE检测。

图6比较了简化方法和最优穷举方法性能。这里，考察了天线间隔为0.5～1.5λ，目标误码率为10^-3～10^-5范围，比较了两种算法需要的发送功率。仿真结果可以看出，在该仿真的范围内，本发明的两种方法所需发送功率之比恒定为1。可见，简化方法在很大范围内可以得到与最优穷举方法相同的结果。

分布式无线通信系统(DWCS)是一种未来可能的无线通信系统的结构，分布式天线分布在不同的位置，通过分布式天线之间信息的联合处理，为用户提供服务。在分布式系统中，确定由哪几根天线为移动台服务以及怎么服务是一个非常必要的步骤。尤其是在分布式系统中，当发送端仅仅知道信道的统计特性，而不知道瞬时特性情况下，如何确定最优的天线选择和发送方法是一个迫切需要解决的问题。

本发明中提到的针对相关MIMO系统的天线选择、功率分配及码率调整的装置和方法适用于分簇放置的DWCS(每个位置放置多根天线)和完全分散放置的DWCS(每个位置仅放置一根天线)。其中，天线选择方法确定为用户服务的最优的天线集合，而功率分配和码率调整的方法，确定在这样的天线集合下，如果进行比特加载和各天线的发送功率控制对于空间复用的MIMO系统，天线信道衰落相关性将带来系统性能的损失。本发明中提到的针对相关MIMO系统的天线选择、功率分配及码率调整的装置和方法改善了空分复用系统在天线衰落存在相关性时的性能。本发明的方法给出的传输模式使各子码流具有相同的误码率且满足目标误码率要求，比已有的自适应方法有2dB的性能增益。另外，本发明逼近该最优方法性能的非穷举简化方法的反馈需求和较低的计算复杂度使其适于实际系统中的应用。

尽管已参照附图对本发明进行了描述，但本领域技术人员应该理解的是，可在不背离由所附权利要求限定的本发明宗旨和范围的情况下，对本发明进行各种形式和细节上的改变。

Claims (4)

1、一种自适应多输入多输出发送接收系统，包括发射机和接收机，其特征在于，其中

所述发射机包括：

串并变换器，具有一个原始信息比特输入端和一个所要采用的天线集合信息的输入端，用于根据有关所要采用的天线集合的信息将原始信息比特流串并变化分成多个并行的子比特流；

多个信道编码器，各具有一个与所述串并变换器相连的输入端，用于对来自所述串并变换器的各子比特流进行独立的信道编码；

多个星座映射器，各具有一个与所述信道编码器相连的输入端和一个星座映射方式信息的输入端，用于根据有关星座映射方式的信息对来自所述多个信道编码器的相应的各编码后的信号进行星座映射，形成调制后的数据符号流；

多个发送功率调整器，各具有一个与所述星座映射器相连的输入端和一个发送功率信息的输入端，用于根据发送功率信息对相应的所述调制后的数据符号流进行不同的功率加权，并从相应的发送天线发送，

所述接收机包括：

传输方式选择装置，具有一个与所有接收天线相连的输入端，用于接收经多个接收天线接收到的信号中的导频信号，产生所述关于所要采用的天线集合的信息、所述有关星座映射方式的信息和所述发送功率信息，包括瞬时信道状态信息估计器、相关性信息提取器和发送方案选择器，所述瞬时信道状态信息估计器提取所接收到的信号中的导频信号，从而得到瞬时信道状态信息，所述相关性信息提取器接收所述瞬时信道状态信息，由此产生信道衰落相关性信息，所述发送方案选择器接收该信道衰落相关信息，确定发送天线集合信息、各星座映射器的映射方式信息和发送功率信息；

迫零/最小均方误差检测器，具有一个与所有接收天线相连的输入端和一个发送天线集合信息的输入端，用于根据来自所述传输方式选择装置的有关所要采用的天线集合的信息来检测经接收天线接收到的信号，并且生成多个相应的数据符号流；

多个接收功率调整器，各具有一个与所述迫零/最小均方误差检测器相连的输入端和一个发送功率信息的输入端，用于根据来自所述传输方式选择装置的对应于发送功率信息的接收功率信息对接收到的相应数据符号流进行不同的功率调整，从而调整信号功率；

多个星座解映射器，各具有一个与所述接收功率调整器相连的输入端和一个星座映射方式信息的输入端，用于根据来自所述传输方式选择装置的与所述有关星座映射方式的信息对应的关于星座解映射方式的信息对来自所述多个接收功率调整器的相应的各功率调整后的数据符号流进行星座解映射，产生多个子码流；

多个信道译码器，各具有一个与所述串并变换器相连的输入端用于对来自所述多个星座解映射器的各子码流进行独立的信道译码；

并串变换器，具有一个与所述信道译码器相连的输入端，用于将来自所述多个信道译码器的信道译码后的多个并行子比特流变换为接收的信息比特流，

其中，所述多个信道编码器、多个星座映射器和多个发送功率调整器的数目与发送天线数目一致，所述多个接收功率调整器、多个星座解映射器和多个信道译码器的数目与发送天线数目一致。

2、一种自适应多输入多输出发送接收系统，包括发射机和接收机，其特征在于，其中

所述发射机包括：

信道编码器，具有一个原始信息比特输入端，用于对原始信息比特流进行信道编码；

串并变换器，具有一个所述信道编码器相连的输入端和一个所要采用的天线集合信息的输入端，用于根据有关所要采用的天线集合的信息将来自所述信道编码器串并变化分成多个并行的子码流；

多个星座映射器，各具有一个与所述串并变换器相连的输入端和一个星座映射方式信息的输入端，用于根据有关星座映射方式的信息对来自所述串并变换器的多个并行的子码流进行星座映射，形成调制后的数据符号流；

多个发送功率调整器，各具有一个与所述星座映射器相连的输入端和一个发送功率信息的输入端，用于根据发送功率信息对相应的所述调制后的数据符号流进行不同的功率加权，后从相应的发送天线发送，

所述接收机包括：

传输方式选择装置，具有一个与所有接收天线相连的输入端，用于接收经多个接收天线接收到的信号中的导频信号，产生所述关于所要采用的天线集合的信息、所述有关星座映射方式的信息和所述发送功率信息，包括瞬时信道状态信息估计器、相关性信息提取器和发送方案选择器，所述瞬时信道状态信息估计器提取所接收到的信号中的导频信号，从而得到瞬时信道状态信息，所述相关性信息提取器接收所述瞬时信道状态信息，由此产生信道衰落相关性信息，所述发送方案选择器接收该信道衰落相关性信息，确定发送天线集合信息、各星座映射器的映射方式信息和发送功率信息；

迫零/最小均方误差检测器，具有一个与所有接收天线相连的输入端和一个发送天线集合信息的输入端，用于根据来自所述传输方式选择装置的有关所要采用的天线集合的信息来检测经接收天线接收到的信号，并且生成多个相应的数据符号流；

多个接收功率调整器，各具有一个与所述迫零/最小均方误差检测器相连的输入端和一个发送功率信息的输入端，其每个用于根据来自所述传输方式选择装置的对应于发送功率信息的接收功率信息对接收到的相应数据符号流进行不同的功率加权，从而调整信号功率；

多个星座解映射器，各具有一个与所述接收功率调整器相连的输入端和一个星座映射方式信息的输入端，用于根据来自所述传输方式选择装置的与所述有关星座映射方式的信息对应的关于星座解映射方式的信息对来自所述多个接收功率调整器的相应的各功率调制后的数据符号流进行星座解映射，产生多个子码流；

并串变换器，具有一个与所有所述星座解映射器相连的输入端，用于对来自所述多个星座解映射器的各子码流进行并串变换，形成码流；

信道译码器，具有一个与所有并串变换器相连的输入端用于对来自所述并串变换器的码流进行独立的信道译码，形成接收的信息比特流，

其中，所述多个星座映射器和多个发送功率调整器的数目与发送天线数目一致，所述多个接收功率调整器和多个星座解映射器的数目与接收天线数目一致。

3、一种自适应多输入多输出发送接收方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1，接收端的传输方式选择装置根据接收导频信号及所有可用发送天线集合，经瞬时信道状态信息估计器和相关性信息提取器，估计相关矩阵R，将该信息输入发送方案选择器，并且从应用层获得系统的目标频谱效率和目标误码率；

步骤2，发送方案选择器对满足目标频谱效率和目标误码率的天线集合及各天线星座尺寸的组合，根据下式计算总发送功率：

$P=\frac{2}{3}{N}_0({\left(\frac{0.1}{{\mathrm{BER}}_t}\right)}^{\frac{1}{n_R-n_T+1}}-1)\underset{i=1}{\overset{n_T}{\mathrm{\&Sigma;}}}(M_i-1){\left[{R_T}^{-1}\right]}_{\mathrm{ii}},$

其中，N₀是噪声功率，n_R是接收天线数，n_T是实际发送天线数，R_T是发送天线的信道衰落相关矩阵，BER_t是目标误码率，M_i为某星座点的个数，i＝1，2，...，n_T。

步骤3，发送方案选择器比较各个组合的发送功率，寻找所有发送功率中最小的一个，从而确定所需天线集合和星座尺寸；

步骤4，发送方案选择器根据下式计算每根天线的发送功率：

$P_i=\frac{2}{3}{N}_0({\left(\frac{0.1}{{\mathrm{BER}}_t}\right)}^{\frac{1}{n_R-n_T+1}}-1)(M_i-1){\left[{R_T}^{-1}\right]}_{\mathrm{ii}},---\left(1\right)$

其中，N₀是噪声功率，n_R是接收天线数，n_T是实际发送天线数，R_T是发送天线的信道衰落相关矩阵，BER_t是目标误码率，M_i为某星座点的个数，i＝1，2，...，n_T。

4、一种自适应多输入多输出发送接收方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1，接收端的传输方式选择装置根据接收导频信号及所有可用发送天线集合，经瞬时信道状态信息估计器和相关性信息提取器，估计相关矩阵R，将该信息输入发送方案选择器，并且从应用层获得系统的目标频谱效率和目标误码率；

步骤1，发送方案选择器对总共可选的发送天线集合、最小发送功率、中间存储变量、所有可选发送天线数进行初始化；

步骤2，发送方案选择器计算接收到的发送天线集合的相关矩阵的逆；

步骤3，发送方案选择器比较发送天线数和接收天线数，如果发送天线数小，则计算总的发送功率的下界，如果发送天线数大，则在天线集合中去掉最差的发送天线；

步骤4，发送方案选择器比较该发送功率的下界和最小发送功率，当所述发送功率的下界小于最小发送功率时，将最小发送功率更新为所述发送功率的下界，将中间变量更新为发送天线集合；

步骤5，发送方案选择器当发送天线数大或者当所述发送功率的下界大时或者在将最小发送功率更新为所述发送功率的下界后，则在天线集合中去掉最差的发送天线；

步骤6，发送方案选择器判断是否已经对所有发送天线数进行了测试，如果尚未对所有发送天线数进行测试，则返回到步骤2，如果已经对所有发送天线数进行了测试，则选择集合大小，并且对当前已经分配的信息比特数赋值；

步骤7，发送方案选择器选择最小额外发送功率的天线，确定星座映射方式，并且递增该天线的上的星座尺寸和当前已经分配了的信息比特数；

步骤8，发送方案选择器判断当前已经分配了的信息比特数是否达到目标频谱效率C，如果当前已经分配了的信息比特数达到目标频谱效率，则根据计算每根发送天线上的功率，否则，返回到步骤7，继续分配未分配的信息比特数。

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