CN1885841B - 空时分组码功率分配系统及分配方法 - Google Patents

Abstract

一种空时分组码发射功率分配方法，包括步骤：通过将训练序列的接收信号直接输入信道估计和相关系数计算模块(1)，估计出信道的冲激响应值，然后通过统计得出信道之间的相关系数；功率分配计算模块(2)根据信道之间的相关系数计算出功率分配的比率；利用反馈模块(3)将功率分配的比率反馈到功率分配模块(4)；功率分配模块(4)根据反馈的功率分配比率对每个发射天线的发射功率进行分配。本发明采用了最佳功率分配后，空时分组码的误码性能有比较明显的改善。

Description

空时分组码功率分配系统及分配方法

技术领域

本发明涉及多天线通信系统中的信息传输领域，特别涉及空时分组码的功率分配系统。

背景技术

空时编码方案结合了信道编码和多发送天线技术，可以获得分集增益和编码增益而得到了广泛的研究。其中的空时分组码是一种非常有效的抵抗衰落的措施，虽然不能获得编码增益，却具有很低的译码复杂度，利用简单的最大似然译码算法即可实现。空时分组码的设计和优化准则是获得满分集度，和所处的信道传播环境无关。每个天线的发射功率是相同的。

下面说明空时分组编码。这里的是N个发送天线和M个接收天线的多天线系统，序列[x₁，x₂，...，x_K]是经过调制的数据符号，然后通过如图4所示的空时编码方式进行编码，在接收端通过相应的空时解码方式进行解码。

通过线性变换，可得信号的估计值为：

它的信噪比为：

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{STBC}}={\mathrm{SNR}}_0\·\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{i,j}\right|}^2$

现有的空时分组码技术只是从提高码分集指数的目的出发，没有考虑不同信道传播环境的影响。

我们知道，空时分组码的性能受信道之间的相关性的影响很大。在信道之间独立时，空时分组码发送分集的抗衰落性能最优；而在信道之间完全相关时，空时分组码发送分集没有抗衰落作用。在实际传播环境中，多天线之间是部分相关的。当天线数大于3时，无论是线性天线阵和圆形天线阵天线之间的相关性都是不同的。我们可以从图3中看出，天线1与天线2之间的相关系数和天线1与天线3的相关系数会是不同的，对于圆阵也是这样。由于不同的天线对抗衰落的作用是不同的，有必要对抗衰落作用大的天线提高它的发射功率；而对抗衰落作用小的天线减少它的发射功率。从而使系统的抗衰落作用最优。

发明内容

本发明的目的是提供一种在多发多收天线系统中减少信道衰落的系统及方法，以便减小或消除信道的衰落，提高通信性能。

按照本发明的一方面，一种空时分组码功率分配系统，包括：

调制器，用于调制输入的比特流；

空时编码器，用于对调制以后的符号进行编码，并分配到各个天线上去；

功率分配器(4)，用于给各个天线分配功率，所述功率分配器利用接收端反馈的发射功率比例值进行功率分配；

空时译码器，用于对接收的信号进行空时译码；

解调器，用于解调从空时译码器出来的符号；

信道估计器，用于估计信道，所述信道估计器统计出信道相关系数；

功率分配计算器，用于计算发射功率的比例值，所述发射功率比例值是基于信道相关系数计算所得，以使得空时分组码的衰落数量最小；

然后，通过反馈模块(3)将发射功率的比例反馈到发射端的功率分配器(4)，用于分配天线的发射功率，其中，所述衰落数量是接收信号信噪比的方差与信号信噪比均值的平方的比值。

按照本发明的另一方面，一种空时分组码发射功率分配方法，包括步骤：

通过将训练序列的接收信号直接输入信道估计和相关系数计算模块(1)，估计出信道的冲激响应值，然后通过统计得出信道之间的相关系数；

功率分配计算模块(2)根据信道之间的相关系数计算出功率分配的比例值，使得空时分组码的衰落数量最小；

利用反馈模块(3)将功率分配的比例反馈到功率分配模块(4)；

功率分配模块(4)根据反馈的功率分配比例对每个发射天线的发射功率进行分配，其中，所述衰落数量是接收信号信噪比的方差与信号信噪比均值的平方的比值。

本发明采用了最佳功率分配后，空时分组码的误码性能有比较明显的改善。

附图说明

图1是多入多出空时分组码功率分配系统原理图；

图2是四发一收空时分组码误码率仿真性能曲线图；

图3是发送天线结构示意图；

图4是多入多出空时分组码发送和接收原理图。

具体实施方式

本发明所解决的问题是通过优化发射天线的发射功率，从而使分组空时码在空间相关的传播环境下的抗衰落性能最佳。要进行优化，首先要提出一个优化的评价目标，我们这里引入了衰落数量这个参数作为优化目标。它是接收信号信噪比的方差与信号信噪比均值的平方的比值，它能够准确地反映信道的衰落程度，并且符号的误码率的变化随着衰落数量的变化而变化。由于接收天线之间的距离很近，对于不同的接收天线的时，发射端的不同天线之间的相关系数是相同的。因此对于多个接收天线的发射功率分配优化和单个接收天线的情形一样，这里以单接收天线进行发射功率分配的优化，信道冲激响应中代表接收天线的下标j在这里也省略了。

${\mathrm{AF}}_{\mathrm{STBC}}=\frac{\mathrm{Var}\left({\mathrm{SNR}}_{\mathrm{STBC}}\right)}{{\left(E\left({\mathrm{SNR}}_{\mathrm{STBC}}\right)\right)}^2}$

$=\frac{E{\left[\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_i\right|}^2\right]}^2-E^2\left[\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_i\right|}^2\right]}{E^2\left[\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_i\right|}^2\right]}$

前面的分析表明，对于多天线线阵或圆阵这些相关性不均匀的设置，不同的天线对抗衰落的作用是不同的，我们的目的就是通过优化发射功率，从而获得最佳的抗衰落性能。不同的天线采用不同的发射功率

${\mathrm{AF}}_{\mathrm{STBC}}=\frac{\left(\mathrm{Var}\left({\mathrm{SNR}}_{\mathrm{STBC}}\right)\right)}{{\left(E\left({\mathrm{SNR}}_{\mathrm{STBC}}\right)\right)}^2}$

$=\frac{E{\left[\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i{\left|h_i\right|}^2\right]}^2-E^2\left[\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i{\left|h_i\right|}^2\right]}{E^2\left[\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i{\left|h_i\right|}^2\right]}$

其中：p_i，i＝1，...，N是第i个天线的发射功率。

我们在这里引入两天线i，j之间的相关系数

${\mathrm{\ρ}}_{i,j}=\frac{E\left[{\left|h_i\right|}^2{\left|h_j\right|}^2\right]-E\left[{\left|h_i\right|}^2\right]E\left[{\left|h_j\right|}^2\right]}{\sqrt{\mathrm{Var}\left[{\left|h_i\right|}^2\right]\·\mathrm{Var}\left[{\left|h_j\right|}^2\right]}}$

将式

${\mathrm{AF}}_{\mathrm{STBC}}=\frac{\mathrm{Var}\left({\mathrm{SNR}}_{\mathrm{STBC}}\right)}{{\left(E\left({\mathrm{SNR}}_{\mathrm{STBC}}\right)\right)}^2}$

$=\frac{E{\left[\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i{\left|h_i\right|}^2\right]}^2-E^2\left[\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i{\left|h_i\right|}^2\right]}{E^2\left[\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i{\left|h_i\right|}^2\right]}$

简化为

${\mathrm{AF}}_{\mathrm{STBC}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i^2+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i{p}_j{\mathrm{\ρ}}_{i,j}}{P^2}$

下面的问题就是求得适当的不同发射天线的发射功率，使空时分组码的衰落数量最小，从而使空时分组码的抗衰落能力最强。也就是以p_i，i＝1，...，N为变量，求AF_STBC的最小值问题。我们利用拉格朗日乘数法来求，首先建立下面的函数

$f=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_n^2+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1,m\≠n}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_n{p}_m{\text{\ρ}}_{\mathrm{nm}}}{P^2}+v\·(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i-P)$

$P-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i=0$

对函数

$f=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_n^2+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1,m\≠n}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_n{p}_m{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{nm}}+v\·(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i-P)$

求对p_i，i＝1，...，N的偏导，并令其等于零，得

${2p}_i+2\·\underset{m=1,m\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_m{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{im}}+v=0$

i＝1，2，...，N

然后将上式与 $\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i-P=0$ 联立，并用矩阵表示为

$\left[\begin{array}{ccccc}2& {2\mathrm{\ρ}}_{12}& ...& {2\mathrm{\ρ}}_{1N}& 1\\ {2\mathrm{\ρ}}_{21}& ...,& ...& {2\mathrm{\ρ}}_{2N}& 1\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ {2\mathrm{\ρ}}_{N1}& {2\mathrm{\ρ}}_{N2}& ...& 2& 1\\ 1& 1& ...& 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{p}_1\\ p_2\\ .\\ .\\ .\\ p_N\\ v\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ .\\ .\\ .\\ 0\\ P\end{array}\right]$

令

$A=\left[\begin{array}{ccccc}2& {2\mathrm{\ρ}}_{12}& ...& {2\mathrm{\ρ}}_{1N}& 1\\ {2\mathrm{\ρ}}_{21}& ...,& ...& {2\mathrm{\ρ}}_{2N}& 1\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ {2\mathrm{\ρ}}_{N1}& {2\mathrm{\ρ}}_{N2}& ...& 2& 1\\ 1& 1& ...& 1& 0\end{array}\right]$

和P_opt＝[p₁，p₂，...，p_N，v]^T

则AP_opt＝[0，0，...0，P]^T

由于这是实际中求最小值的应用问题，只有唯一解，因此矩阵A是可逆的，可求得

P_opt＝A^-1·[0，0，...0，P]^T

这些计算可以在接收端完成，然后把功率分配的比例反馈到发射端，从而控制发射功率，这个过程如图1所示。

在本发明的多发多收的天线系统中，在发射端包括：调制器，用于调制输入的比特流；空时编码器，用于对调制以后的符号进行编码，并分配到各个天线上去；功率分配器，用于给各个天线分配功率。

在接收端包括：

空时译码器，用于对接收的信号进行空时译码；解调器，用于解调从译码器出来的符号；信道估计器，用于估计信道，其特征在于所述信道估计器在统计出信道相关系数；功率分配计算器，用于计算发射功率的比率，然后反馈到发射端的功率分配器，用于分配天线的发射功率。

本实施例采用了空时分组码(四发一收)，BPSK调制，信道为相关的平坦瑞利衰落信道。我们假设载波频率为2GHz，我们这里采用的是4天线的线性天线阵，我们采用的信道模型是SCM(见3GPP TR 25.996)。(1)、序列[x₁，x₂，x₃]是经过调制的数据符号，四发一收的空时分组码按下面的矩阵的方式进行发送，每列代表的是不同的时隙，每行代表的是不同的发射天线。

$\left(\begin{array}{cccc}{x}_1& x_2& \frac{x_3}{\sqrt{2}}& \frac{x_3}{\sqrt{2}}\\ -x_2^{*}& x_1^{*}& \frac{x_3}{\sqrt{2}}& -\frac{x_3}{\sqrt{2}}\\ \frac{x_3^{*}}{\sqrt{2}}& \frac{x_3^{*}}{\sqrt{2}}& \frac{(-x_1-x_1^{*}+x_2-x_2^{*})}{2}& \frac{(-x_2-x_2^{*}+x_1-x_1^{*})}{2}\\ \frac{x_3^{*}}{\sqrt{2}}& -\frac{x_3^{*}}{\sqrt{2}}& \frac{(x_2+x_2^{*}+x_1-x_1^{*})}{2}& -\frac{(x_1+x_1^{*}+x_2-x_2^{*})}{2}\end{array}\right)$

(2)、假设在t时刻的信道冲激响应为h₁(t)(天线1)、h₂(t)(天线2)、h₃(t)(天线3)、h₄(t)(天线4)，且连续的四个符号对应的信道冲激响应保持不变。则接收信号可以写成

$r_1=x_1\·h_1+x_2\·h_2+\frac{x_2}{\sqrt{2}}\·h_3+\frac{x_3}{\sqrt{2}}\·h_4+n_1$

$r_2=-x_2^{*}\·h_1+x_1^{*}\·h_2+\frac{x_3}{\sqrt{2}}\·h_3-\frac{x_3}{\sqrt{2}}\·h_4+n_2$

$r_3=\frac{x_3^{*}}{\sqrt{2}}\·h_1+\frac{x_3^{*}}{\sqrt{2}}\·h_2+\frac{({-x}_1-x_1^{*}+x_2-x_2^{*})}{2}\·h_3+\frac{(-x_2-x_2^{*}+x_1-x_1^{*})}{2}\·h_4+n_3$

$r_4=\frac{x_3^{*}}{\sqrt{2}}\·h_1-\frac{x_3^{*}}{\sqrt{2}}\·h_2+\frac{(x_2+x_2^{*}+x_1-x_1^{*})}{2}\·h_3-\frac{(x_1++x_1^{*}+x_2-x_2^{*})}{2}\·h_4+n_4$

通过线性变换，可得信号的估计值为：

它的信噪比为：

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{STBC}}={\mathrm{SNR}}_0\·\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_i\right|}^2$

功率分配为

P_opt＝A^-1·[0，0，...0，P]^T

其中

$A=\left[\begin{array}{ccccc}2& {2\mathrm{\ρ}}_{12}& ...& {2\mathrm{\ρ}}_{14}& 1\\ {2\mathrm{\ρ}}_{21}& ...,& ...& {2\mathrm{\ρ}}_{24}& 1\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ {2\mathrm{\ρ}}_{41}& {2\mathrm{\ρ}}_{42}& ...& 2& 1\\ 1& 1& ...& 1& 0\end{array}\right]$

本算法应用于下行链路。

Claims (9)

1.一种空时分组码功率分配系统中的发射器，包括：

调制器，用于调制输入的比特流；

空时编码器，用于对调制以后的符号进行编码，并分配到各个天线上去；

功率分配器(4)，用于给各个天线分配功率，所述功率分配器利用接收端反馈的发射功率比例值进行功率分配，所述发射功率比例值是基于信道相关系数计算所得，以使得空时分组码的衰落数量最小，其中，所述衰落数量是接收信号信噪比的方差与信号信噪比均值的平方的比值。

2.一种空时分组码功率分配系统中的接收器，包括：

空时译码器，用于对接收的信号进行空时译码；

解调器，用于解调从空时译码器出来的符号；

信道估计器，用于估计信道，所述信道估计器统计出信道相关系数；

功率分配计算器，基于信道相关系数计算发射功率的比例值，以使得空时分组码的衰落数量最小，然后，通过反馈模块(3)将发射功率的比例值反馈到发射端的功率分配器(4)，用于分配天线的发射功率，其中，所述衰落数量是接收信号信噪比的方差与信号信噪比均值的平方的比值。

3.一种空时分组码功率分配系统，包括：

调制器，用于调制输入的比特流；

空时编码器，用于对调制以后的符号进行编码，并分配到各个天线上去；

功率分配器(4)，用于给各个天线分配功率，所述功率分配器利用接收端反馈的发射功率比例值进行功率分配；

空时译码器，用于对接收的信号进行空时译码；

解调器，用于解调从空时译码器出来的符号；

信道估计器，用于估计信道，所述信道估计器统计出信道相关系数；

功率分配计算器，用于计算发射功率的比例值，所述发射功率比例值是基于信道相关系数计算所得，以使得空时分组码的衰落数量最小； 

然后，通过反馈模块(3)将发射功率的比例值反馈到发射端的功率分配器(4)，用于分配天线的发射功率，其中，所述衰落数量是接收信号信噪比的方差与信号信噪比均值的平方的比值。

4.按权利要求3所述的系统，其特征在于所述天线至少为一个天线。

5.一种空时分组码发射功率分配方法，包括步骤：

通过将训练序列的接收信号直接输入信道估计和相关系数计算模块(1)，估计出信道的冲激响应值，然后通过统计得出信道之间的相关系数；

功率分配计算模块(2)根据信道之间的相关系数计算出功率分配的比例值，使得空时分组码的衰落数量最小；

利用反馈模块(3)将功率分配的比例值反馈到功率分配模块(4)；

功率分配模块(4)根据反馈的功率分配比例值对每个发射天线的发射功率进行分配，其中，所述衰落数量是接收信号信噪比的方差与信号信噪比均值的平方的比值。

6.按权利要求5所述的方法，其特征在于求相关系数的过程包括步骤：

首先估计信道冲激响应h_i，i＝1，...，N，其中，N是发射天线的个数；

利用公式 求发射天线i和发射天线j之间的相关系数，其中，h_i是第i个发射天线的信道冲激响应，E[]是数学期望，Var[]是方差，ρ_i，j是第i个发射天线和第j个发射天线之间的相关系数。

7.按权利要求5所述的方法，其特征在于求最优功率分配比例值P_opt采用下列公式，其中，发射天线为4个：

P_opt＝A^-1·[0，0，...0，P]^T，其中，P是总功率，

其中，i是第i个发射天线，j是第j个发射天线，A^-1是矩阵A的逆矩阵，h_i是第i个发射天线的信道冲激响应，E[]是数学期望，Var[]是方差；ρ_i，j是第i个发射天线和第j个发射天线之间的相 关系数。

8.按权利要求5所述的方法，其特征在于功率分配比例值是在接收端进行计算的。

9.按权利要求5所述的方法，其特征在于所述功率分配比例值通过反馈模块从接收端反馈到发射端。 

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