CN1956352A - V－blast系统中的发送天线速率、功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种V－BLAST系统中发送速率、功率分配方法，该方法包括以下步骤：发送端通过串并转换将数据流分解到各个发送天线上；接收端采用迫零加排序串行干扰抵消的译码算法对接收信号进行处理，以得到解码数据；其特征在于，该方法进一步包括调整步骤，该调整步骤通过对该V－BLAST系统在时变信道下各子流后验信噪比进行统计得到调制方式信息和功率分配信息，发送端根据得到的调制方式信息和功率分配信息对各发送天线进行调整，以使发送端总功率和各发送天线之间的功率分配随信道状态变化而变化。由此优化了系统的BER性能。

Description

V-BLAST系统中的发送天线速率、功率分配方法

技术领域

本发明涉及无线通信多输入多输出(MIMO)天线技术领域，特别涉及时变衰落信道下，垂直-贝尔实验室分层空时处理(V-BLAST)系统中的天线发射功率和速率控制技术。

背景技术

V-BLAST系统是目前无线通信领域广泛研究的、提高无线链路传输速率和频谱利用率的有效方法。但由于它在收发端采用的多天线是以提高复用增益为目的，系统分集增益较低，因此该技术存在误比特率(BER)较高的问题。

自适应调制技术是提高V-BLAST系统BER性能的一种有效方法。《国际电子与电气工程师协会通信学报》中题为“Low complexityper-antenna rate and power control approach for closed-loopV-BLAST.”，IEEE Transactions on Communications，Volume.51，No.11，pp.1783-1787，Nov.2003的文献公开了一种V-BLAST系统中的速率、功率分配方法，即闭环V-BLAST(C-BLAST)法，该方法根据信道估计信息，通过在V-BLAST系统各发送天线之间进行速率、功率的分配，可以带来BER性能的改善。但是该方法没有考虑无线信道在不同时刻的衰落差异，其总发送功率不随时间变化，当信道质量很差时，单依靠发送天线间的速率、功率分配，即在总发送功率不变的条件下改变各发送天线的调制方式和发送功率也无法进一步提高系统BER性能。

发明内容

本发明提出一种V-BLAST系统中的基于无线信道时变特性的发送天线的速率、功率分配方法。本发明的方法充分利用多天线环境中的无线信道在空间和时间上的衰落差异，根据对V-BLAST系统在时变信道下各子流后验信噪比(post-detection SNR)的短时及长时统计，调整系统在不同时刻的总发送功率，同时在各发送天线间进行速率、功率分配。根据本发明的方法，在保证系统总发送速率不变，以及一段时间内的平均发送功率一定的前提下，优化了系统的BER性能。

本发明提供一种V-BLAST系统中的发送速率、功率分配方法，该方法包括以下步骤，发送端通过串并转换将数据流分解到各个发送天线上，根据发送模式信息调整各个发送天线采用的调制方式和发送功率；接收端采用迫零加排序串行干扰抵消的译码算法对接收信号进行处理以得到解码数据；该方法进一步包括包含长时调整和短时调整的发送模式的调整过程，长时调整对应于各个发送天线的调制方式选择，短时调整对应于发送天线发送功率调整。长时调整为利用信道的长时衰落特性，较长时间例如每帧(Frame)判决调整一次，以选择每个发送天线所采用的调制方式，其中长时衰落特性定义为较长一段时间内各收发天线之间信道衰落的统计分布，其主要由无线信道的大尺度衰落决定。一帧由若干个数据块组成，帧的长度取决于信道长时统计特性的平稳周期。短时调整为利用信道的短时衰落特性，较短时间例如每数据块(Block)判决调整一次以确定各发送天线在当前数据块内的发送功率，其中短时衰落特性定义为相干时间内统计得到的当前信道状态，其主要由无线信道的小尺度衰落决定。数据块长度取决于信道相干时间以及符号周期。

接收端的信道估计模块在每一数据块开始对当前信道进行估计，根据信道矩阵可以得到V-BLAST系统在当前信道状态下各路子流的后验信噪比。长时调整模块统计V-BLAST系统在一帧内各路子流的后验信噪比信息，由此确定该帧内各个发送天线上采用的调制方式；短时调整模块利用V-BLAST系统在当前数据块下各路子流的后验信噪比、各天线采用的调制方式、以及一帧内各子流的后验信噪比信息，确定各个发送天线在当前数据块的发送功率。发送端通过反馈链路得到选择好的发送模式信息，根据此信息调整各个数据块内的各发送天线采用的调制方式和发送功率。本方法中，在不同时刻，不仅各发送天线间的功率分配随着信道状态变化，发送端的总功率也随信道状态变化作相应调整，但一帧内的平均总发送功率保持恒定。

对于配置M根发送天线和N(≥M)根接收天线的系统，N×1维基带接收信号矢量r可写成r＝HPx+n，其中x表示已归一化能量的M×1维发送信号矢量；H表示N×M维信道矩阵；n表示N×1维的加性高斯白噪声矢量；对角矩阵 $P=\mathrm{diag}(\sqrt{P_1},\sqrt{P_2},...,\sqrt{P_M})$ 表示每个发送天线上的功率。

本发明中，接收端的解码模块采用迫零加排序串行干扰抵消的译码算法，对当前信道矩阵进行处理得到各子流的迫零矢量，以及利用迫零矢量对接收数据进行处理得到发送数据。长时调整模块和短时调整模块根据所得到的迫零矢量进行判决调整以分别得到各发送天线将采用的调制方式和发送功率。

迫零加排序串行干扰抵消的译码算法处理过程如下：

首先，根据信道估计模块得到的当前信道矩阵H选出发送天线

$k_i=\underset{j}{\arg \min }{\left|\right|\⟨{\left(H\right)}^{+}{\⟩}_j\left|\right|}^2,i=1;$

迭代过程：

第一步，将发送天线k_i上的数据记为子流i，对其进行迫零解码，将迫零矢量 $w_{k_i}={\⟨{\left(H\right)}^{+}\⟩}_j$ 与接收信号矢量r相乘，并对应到星座图上得到解码后的数据即 ${\hat{x}}_{k_i}=D\left(\frac{w_{k_i}{r}_i}{\sqrt{P_{k_i}}}\right);$

第二步，从接收信号矢量中消除已解码子流的影响， $r=r-\sqrt{P_{k_i}}{\hat{x}}_{k_i}{\left[H\right]}_{k_i},$ 将信道矩阵的第k_i列置零， $H={\left[H\right]}_{\stackrel{\‾}{k_i}};$

第三步，选择下次解码的发送天线 $k_{i+1}=\underset{j\≠k_1,k_2,...,k_i}{\arg \min }{\left|\right|{\⟨{\left(H\right)}^{+}\⟩}_j\left|\right|}^2;$

第四步，i＝i+1，回到第一步继续迭代直到i＝M。

上述描述中，(·)⁺表示伪逆运算，〈·〉_j表示矩阵的第j行，[·]_j表示矩阵的第j列，[·]_j表示对矩阵的第j列置零，‖·‖表示矢量的范数。

由于迫零矢量的作用，第i路子流解码的后验信噪比可以表示成： ${\mathrm{\ρ}}_i=\frac{P_{k_i}}{{\mathrm{\σ}}_n^2{\left|\right|w_{k_i}\left|\right|}^2},$ ‖w_ki‖²表征了当前信道矩阵对各路子流后验信噪比的贡献。

长时调整模块的工作原理如下：

设一帧内有L个数据块，该帧内各个数据块下的信道矩阵为H(l)，1≤l≤L。解码模块对每次信道实现矩阵做迫零加排序串行干扰抵消处理，得到子流i对应的迫零矢量w_ki(l)，1≤i≤M。长时调整模块对所得到的各迫零矢量的范数平方做算术平均得到 $v_i=\frac{1}{L}{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^L{\left|\right|w_{k_i}\left(l\right)\left|\right|}^2.$ 每次k_i取值不同，由信道实现矩阵H(l)以及排序过程决定。发送天线k_i上采用R_ki比特的MQAM调制，满足 $\{R_{k_1},R_{k_2},...,R_{k_M}\}=\underset{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^M{R}_{k_i}=R_t}{\arg \min }{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^M\left(v_{i}K\left(R_{k_i}\right)R_{k_i}\right),$ 其中R_t为总的频谱效率要求； $K\left(R\right)=\frac{2^{R+1}-2}{3R}.$ 由此，长时调整模块利用一帧内的信道信息选择每个发送天线应采用的调制方式。

短时调整模块的工作原理如下：

设当前数据块的信道矩阵H，由解码模块得到的相应子流i对应的迫零矢量为w_ki，1≤i≤M。发送天线k_i在当前数据块的发送功率如下确定： $P_{k_i}=P_t\frac{{\left|\right|w_{k_i}\left|\right|}^{2}K\left(R_{k_i}\right)R_{k_i}}{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^M\left(v_{i}K\left(R_{k_i}\right)R_{k_i}\right)},1\≤i\≤M.$ 其中P_t为发送天线总的平均功率，v_i及R_ki由长时调整模块得到。由此，短时调整模块利用当前数据块内的信道信息确定每个发送天线的发送功率。

与现有技术相比，本发明在不同时刻动态调整系统的总发送功率，在保证系统平均总发送功率不变的前提下，有效利用了信道的长时和短时衰落特性，获得了更好的误码率性能。而且各发送天线上采用的调制方式不需要随着信道的短时衰落进行频繁调整，显著节省了系统反馈链路的开销。

根据本发明，提供一种V-BLAST系统中发送速率、功率分配方法，该方法包括以下步骤：发送端通过串并转换将数据流分解到各个发送天线上；接收端采用迫零加排序串行干扰抵消的译码算法对接收信号进行处理，以得到解码数据；其特征在于，该方法进一步包括调整步骤，该调整步骤通过对该V-BLAST系统在时变信道下各子流后验信噪比进行统计得到调制方式信息和功率分配信息，发送端基于所述调制方式信息和功率分配信息对各发送天线进行调整，以使发送端总功率和各发送天线之间的功率分配，随信道状态变化而变化。

根据本发明，提供一种V-BLAST系统，包括发送端，其包括串并转换模块、调制模块、功率调整模块和发送天线；接收端，其包括接收天线、信道估计模块和解码模块，解码模块采用迫零加排序串行干扰抵消的译码算法对接收信号进行处理，以得到解码数据，其特征在于，该系统进一步包括调整模块，该调整模块对该V-BLAST系统在时变信道下各子流后验信噪比进行统计得到调制方式信息和功率分配信息，调制模块和功率调整模块分别基于所述调制方式信息和功率分配信息对各发送天线进行调整，以使发送端总功率和各发送天线之间的功率分配随信道状态变化而变化。

根据本发明，提供一种用于V-BLAST系统的调整模块，包括利用信道的长时衰落特性确定各发送天线的调制方式的长时调整模块和利用信道的短时衰落特性确定各发送天线的发送功率的短时调整模块，发送端根据所确定的调制方式信息和功率分配信息调节各发送天线，使发送端总功率和各发送天线之间的功率分配随信道变化而变化。

参照在此描述的实施例，本发明的这些和其它方面将是明显的，下文将参照这些实施例对本发明进行解释。

附图说明

现在仅借助于实例并且参照附图来描述本发明的实施例，其中

图1为根据本发明实施例的一种V-BLAST系统中的发送速率、功率分配方法的示意性框图。

图2为根据本发明的实施例的一种V-BLAST系统。

图3为本方法与现有闭环V-BLAST系统误码率曲线性能比较。

具体实施方式：

以下结合附图说明本方法的实施例。

本实施例系统使用例如4根发送天线、4根接收天线。发送端不加任何信道编码。每根天线采用的调制方式例如有两种：诸如QPSK和16QAM，即： $R_{k_i}=\left\{\mathrm{0,2,4}\right\},$ 其中0表示不发送数据，2、4分别表示QPSK和16QAM调制方式。系统总的频谱效率R_t＝8bps/Hz，信道为准静态平坦衰落，各天线之间的衰落没有相关性。接收端采用迫零加排序串行干扰抵消处理算法。假设信道估计准确。数据块长度取例如100个符号周期，考虑信道的长时衰落特性在例如10000个数据块内保持稳定的情况，即L＝10000，一帧内的信道衰落服从瑞利分布。

根据本发明实施例的一种V-BLAST系统中的发送速率、功率分配方法实现框图如图1所示。

在发送端，串并转换模块2根据调制方式信息14，将发送端要传输的比特流1分配到各个子流上。调制模块4根据每帧反馈的调制方式信息14将各子流的比特流输出3作星座图映射，输出调制信号5。功率调整模块6根据每数据块反馈回来的功率分配信息15，调整该数据块内对应发送天线7上的功率，将调制信号5发送出去。

在接收端，接收天线8将接收到的信号矢量9分别输入到信道估计模块10和解码模块11。信道估计模块10估计出当前信道矩阵17送到解码模块11。解码模块11对其做迫零加排序串行干扰抵消处理，得到各子流解码的迫零矢量18，并将其送到长时调整模块12和短时调整模块13。

长时调整模块12统计一帧内的各信道矩阵对应的迫零矢量18，对其范数平方求算术平均得到输出信息16。在上述条件下，得到的v_i为：v₁＝5.636993，v₂＝0.744634，v₃＝0.322194，v₄＝0.178894。为了满足总频谱效率R_t＝8bps/H，各子流可选的速率组合为 $\{R_{k_1},R_{k_2},R_{k_3},R_{k_4}\}=\left\{\mathrm{4,4,0,0}\right\},$ $\left\{\mathrm{4,2,2,0}\right\},,\left\{\mathrm{2,2,2,2}\right\},$ 其中，{4，2，2，0}使得 ${\mathrm{\Σ}}_{i=1}^M\left(v_{i}K\left(R_{k_i}\right)R_{k_i}\right)$ 最小，为最后选定的调制方式信息14，即子流1上采用16QAM调制，子流2和子流3上采用QPSK调制，子流4上不传输数据。

短时调整模块13利用当前信道矩阵对应的各子流迫零矢量18，根据长时调整模块12的输出信息14、16，以及公式 $P_{k_i}=P_t\frac{{\left|\right|w_{k_i}\left|\right|}^{2}K\left(R_{k_i}\right)R_{k_i}}{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^M\left(v_{i}K\left(R_{k_i}\right)R_{k_i}\right)}$ 确定各天线的功率分配信息15，并在每数据块的开始将其反馈给发送端的功率调整模块6。

解码模块11根据信道矩阵17、调制方式信息14以及功率分配信息15对接收信号9进行迫零加排序串行干扰抵消处理，输出最后的解码数据19。

图2为根据本发明的实施例的一种V-BLAST系统。该V-BLAST系统在发送端包括串并转换模块2、调制模块4、功率调整模块6和发送天线7；在接收端包括接收天线8、信道估计模块10和解码模块11；该系统进一步包括长时调整模块12和短时调整模块13。在该系统中，解码模块11对由信道估计模块10估计出的当前信道矩阵作迫零加排序串行干扰抵消处理，得到各子流解码的迫零矢量18。长时调整模块12通过统计一帧内的各信道矩阵对应的迫零矢量18并对其范数平方求算术平均16，得到各发送天线的调制方式信息14。短时调整模块13利用当前信道矩阵对应的各子流迫零矢量18根据长时调整模块12输出的信息14、16，得到各天线的功率分配信息15。该系统发送端的串并转换模块2根据调制方式信息14，将发送端要传输的比特流1分配到各个子流上。调制模块4根据反馈的调制方式信息14将各子流的比特流输出3作星座图映射，输出调制信号5。功率调整模块6根据每帧反馈回来的功率分配信息15，调整该帧内对应发送天线7上的功率，将调制信号5发送出去。根据本发明的系统通过利用信道矩阵的当前状态对各发送天线的调制方式和发送功率进行调整，使各发送天线间的功率分配和系统总发送功率随信道状态而改变，改善了系统的误码率性能。

图3所示为本实施例中，本方法与现有闭环V-BLAST(C-BLAST)系统、以及没有采用任何自适应调制方式的V-BLAST系统的误码率性能比较。横坐标表示接收天线上的平均信噪比，单位为分贝(dB)。纵坐标表示系统平均BER。曲线A为没有采用任何自适应调制方式的V-BLAST系统的误码率曲线；曲线B为C-BLAST系统的误码率曲线；曲线C为根据本方法的方法的误码率曲线。可以看到，通过空间及时间上的速率、功率分配，本方法更有效地利用了无线信道的长时和短时衰落特性，与现有只在不同发送天线间做速率、功率分配的方法相比，可以获得更好的BER性能，在BER为10^-4时信噪比增益约为2dB，高信噪比下的优势更为明显。由于利用了随机变量‖v_ki‖²的统计分布，本方法理论上保证了系统总的平均功率满足P_t的要求，但由于信道实现的随机性，当L取一个有限值的时候，实际中一帧内系统总的平均功率P_t(L)与P_t总存在一些偏差，有可能会出现平均发送功率提高的情况，但微小的功率偏差不是系统性能提高的原因。本实施例中， $\frac{P_t\left(L\right)}{P_t}=1.002367,$ 图3中的平均信噪比与实际值的偏差只有 $\mathrm{\ΔSNR}=10{\log }_{10}\left(\frac{P_t\left(L\right)}{P_t}\right)=0.0103\mathrm{dB}.$ 可见，系统BER性能增益主要是由于采用了更有效的功率、速率分配方法。

本发明提出了一种V-BLAST系统中，基于无线信道时变特性的发送天线速率、功率分配方法。分别利用无线信道的长时衰落和短时衰落特性，通过对V-BLAST系统各子流后验信噪比(post-detectionSNR)的统计，得到发送天线采用的调制方式以及功率分配信息。根据本发明的方法有效利用了信道的时变衰落，根据信道变化动态调整系统当前的总发送功率，在系统平均发送功率恒定的前提下，获得了误码率性能的提高。因为调制方式信息不需要随着信道的短时衰落进行频繁调整，本方法显著节省了系统反馈链路开销。

应当理解，上述说明书以具体实施例对本发明进行了说明，这些说明是是示意性的而非限定性的。虽然本发明基于无线信道的长时例如每帧的衰落特性和短时例如每数据块的衰落特性，对发送天线速率和功率进行分配的方法进行了说明，但只要利用信道的时变衰落根据信道变化动态调整系统的当前总发送功率和功率分配，就可以获得系统改善的误码率，而不必将本发明限定为说明书中的长时和短时衰落统计。本领域技术人员通过阅读本发明的说明书可以对本发明的优选实施例进行修改和变形，而不偏离权利要求所限定的精神和范围。本发明的范围仅由所附权利要求限定。

Claims (10)

1.一种V-BLAST系统中发送速率、功率分配方法，该方法包括以下步骤：

发送端通过串并转换将数据流分解到各个发送天线上；

接收端采用迫零加排序串行干扰抵消的译码算法对接收信号进行处理，以得到解码数据；

其特征在于，

该方法进一步包括调整步骤，该调整步骤通过对该V-BLAST系统在时变信道下各子流后验信噪比进行统计得到调制方式信息和功率分配信息，

发送端根据得到的调制方式信息和功率分配信息对各发送天线进行调整，以使发送端总功率和各发送天线之间的功率分配随信道状态变化而变化。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述调整步骤进一步包括利用信道的长时衰落特性确定各发送天线的调制方式的长时调整和利用信道的短时衰落特性确定各发送天线的发送功率的短时调整。

3.如权利要求2所述的方法，其中长时调整通过统计该V-BLAST系统在一帧内各路子流的后验信噪比信息确定所述调制方式信息，短时调整通过利用该V-BLAST系统在当前数据块下各路子流的后验信噪比、各天线采用的调制方式信息及一帧内各子流的后验信噪比信息确定相应天线的发送功率。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于一帧由多个数据块组成，帧长度取决于信道长时统计特性的平稳周期，每个数据块长度取决于信道相干时间以及符号周期。

5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于功率分配信息每数据块反馈一次，调制方式信息每帧反馈一次。

6.一种V-BLAST系统，包括

发送端，包括串并转换模块、调制模块、功率调整模块和发送天线；

接收端，包括接收天线、信道估计模块和解码模块，解码模块采用迫零加排序串行干扰抵消的译码算法对接收信号进行处理，以得到解码数据，

其特征在于，该系统进一步包括调整模块，该调整模块对该V-BLAST系统在时变信道下各子流后验信噪比进行统计得到调制方式信息和功率分配信息，

调制模块和功率调整模块分别根据得到的调制方式信息和功率分配信息对各发送天线进行调整，以使发送端总功率和各发送天线之间的功率分配随信道状态变化而变化。

7.如权利要求6所述的系统，其中所述调整模块进一步包括利用信道的长时衰落特性确定各发送天线的调制方式的长时调整模块和利用信道的短时衰落特性确定各发送天线的发送功率的短时调整模块。

8.如权利要求7所述的系统，其中长时调整模块通过统计该V-BLAST系统在一帧内各路子流的后验信噪比信息确定所述调制方式，短时调整模块通过利用该V-BLAST系统在当前数据块下各路子流的后验信噪比、各天线采用的调制方式及一帧内各子流的后验信噪比信息确定相应天线的发送功率。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于一帧由多个数据块组成，帧长度取决于信道长时统计特性的平稳周期，每个数据块长度取决于信道相干时间以及符号周期。

10.一种用于V-BLAST系统的调整模块，包括通过统计该V-BLAST系统在一帧内各路子流的后验信噪比信息确定调制方式信息的长时调整模块和通过利用该V-BLAST系统在当前数据块下各路子流的后验信噪比、各天线采用的调制方式信息及一帧内各子流的后验信噪比信息确定相应天线的发送功率信息的短时调整模块，发送端根据所确定的调制方式信息和功率分配信息调节各发送天线，使发送端总功率和各天线之间的功率分配随信道状态变化而变化。

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