WO2007128183A1 - A transmitting antenna selection and adaptive modulation method in a mimo ofdm system - Google Patents

Description

MIMO OFDM系统中发射天线选择与自适应调制方法 技术领域 本发明涉及一种多输入多输出 （MIMO ) 的正交频分复用 （OFDM ) 无线 通信系统， 尤其涉及一种在 MIMO OFDM 系统中实现发射天线选择和自适应 调制的方法。 背景技术 随着无线通信技术的发展，用户对于大容量的数据发射以及快速的数据传 输提出了较高的要求， 因此， 需要有效利用无线通信系统资源， 提高无线通信 系统的性能与效率。 然而， 在未来的移动通信系统中， 多径衰落以及带宽效率 将会是阻碍通信系统大力发展的主要技术因素。 如何克服这两大困难， 是下一 代无线通信研究的核心。 基于正交频分复用 （OFDM ) 的多载波处理技术能够 通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转化为平坦信道， 从而减小了多径衰 落的影响， 而多输入多输出 （MIMO )技术能够在不增加系统带宽的条件下增 加系统的频语利用效率， 因此 OFDM和 MIMO技术将会成为下一 无线通信 系统中物理层处理的核心。 更进一步地， 将 MIMO和 OFDM技术结合起来的 MIMO OFDM系统就可以在时域、 频域以及空域中充分利用无线资源， 并且通 过分集达到较强的可靠性以及很高的传输速率。 在 MIMO OFDM系统中， 基站和用户端^^配置了多才 天线， 每个发射天 线和每根接收天线就可以对应于一个信道， 这样， 在 MIMO系统操作过程中， 由于无线信道的变化莫测特性，使得 MIMO系统中的每一个信道并非都能够获 得较高的信号噪声比 （SNR ), 因此， 只有通过利用信道状态较好的信道， 才 能获得较高的可靠性以及降低的硬件成本。 天线选择是一种低成本低复杂度的 技术， 它按照某种策略， 从多根发射天线或者接收天线中选择一个天线子集， 从而获得一定的增益。 其理论依据在于， 在空间分集的 MIMO系统中， 所有天 线发射的信息相同， 为了使得分集增益最大化可以利用所有发射天线中信道状 态最好的几 从这几根天线上发射信号。 在空间分集系统中， 天线选择依据的准则通常有两种： 一是基于接收端信 噪比最大化的准则， 从多根天线中选择衰落最小的几根； 二是基于信道平均误 比特率最小化的准则。 在 2004年 7月 8 日申请的中国专利 CN 1578192 (公开号） "移动通信系 统中的发射分集设备和方法" 中就依据第一种准则描述了一种发射天线选择方 法。 接收机对来自多根接收天线的接收信号进行 BLAST解码， 计算与每根发 射天线相关的前向信道的信噪比 （SNR ), 以确定多根发射天线中每根发射天 线对应的前向信道的信道特征。 并将该信道状态特征作为发射天线的选择信息 反馈到发射机， 由发射机根据此信息选择状态较好的发射天线来发射业务信 号。 但是， 该专利中没有说明判断选择几根发射天线的依据。 在 IEEE International Conference on Communications 2002, ICC 2002的 第一卷 641 - 645 页码上公布了 Gore D 和 Paulraj A撰写的题为 "Statistical MIMO Antenna Sub-Set Selection with Space-Time Coding" 的论文， 在这篇论文 中描述了一种基于第二种准则的天线选择方法。 不过这种方法只是针对 MIMO 系统而言的， 而且假设 MIMO信道具有平坦衰落的特点， 不适用于具有频率选 择性衰落信道特性的 MIMO OFDM系统。 此外， 在无线通信系统中， 如何提高有限频语资源的利用效率， 也是一个 非常重要的问题。 根据信道的变化自适应地改变调制方式， 可以最大限度地提 高系统地传输速率， 从而有效地提高频 i普效率。 所谓自适应调制， 就是才艮据信 道变化情况， 在不同子载波上分配不同的传输比特数和分配相应的发送功率。 目前，在 OFDM系统中实现自适应调制的方法很多，但是要直接移植到 MIMO OFDM系统中还存在许多困难。 发明内容 本发明所要解决的技术问题在于提供一种多输入多输出正交频分复用系 统中发射天线选择与自适应调制方法， 以自适应地确定发射天线组合与调制方 式， 提高系统的数据传输速率以及系统的频谱利用效率， 充分利用无线系统的 资源。 为解决上述技术问题，本发明提供一种在多输入多输出正交频分复用系统 中联合实现发射天线选择与自适应调制方法， 包括如下步骤：

( 1 )根据所有子载波对应信道的信噪比， 计算在所有可能的发射天线组 合以及所有可能的调制方式下的误比特率； ( 2 )针对最高级别的调制方式， 如果最大的误比特率小于目标误比特率， 则所有子载波都选用这种调制方式作为最终的调制方式， 并选择发射天线数目 最少的天线组合作为最终的天线匹配， 然后结束； 否则转入步骤 （3 );

( 3 )针对最低级别的调制方式， 如果最小的误比特率大于目标误比特率， 则不进行发射天线选择与自适应调制， 直接结束； 否则转入步骤 （4 );

( 4 )将所有子载波的调制方式都设置为最高调制级别， 利用步骤（ 1 )中 计算的该调制方式下所有子载波对应的误比特率， 计算在该调制方式下所有可 能的发射天线组合在各个子载波上的平均误比特率；

( 5 )如果所有平均误比特率中有低于目标误比特率的， 则转入步骤（ 6 ); 如果没有， 则转入步骤 （7 );

( 6 )在所有低于目标误比特率的平均误比特率所对应的发射天线组合中， 选择天线数目最少的组合作为最终的天线配置， 并选用当前设定的调制方式作 为最终的调制方式， 然后结束； '

( 7 )将所有子载波的调制级别调低一个级别， 利用步骤（ 1 ) 中计算的该 调制方式下所有子载波对应的误比特率， 计算在该调制方式下所有可能的天线 组合在各个子载波上的平均误比特率， 并再次转入步骤 （5 )。 其中， 所述步骤 （ 2 ) 中， 所述选择发射天线数目最少的天线组合作为最 终的天线匹配的步骤， 如果发射天线数目最少的组合有多个， 则选择其中对应 的误比特率最小的组合作为最终的天线配置。 其中， 所述步骤 （ 6 ) 中， 所述选择发射天线数目最少的天线组合作为最 终的天线匹配的步骤， 如果发射天线数目最少的组合有多个， 则选择其中对应 的平均误比特率最小的组合作为最终的天线配置。 本发明所述的在多用户多输入多输出正交频分复用系统中实现发射天线 选择的方法， 利用传输速率最高、 平均误比特率最小以及天线数最少为判决依 据， 可以 艮自然地结合 OFDM系统的自适应调制以及 MIMO系统中的发射天 线选择技术， 根据 MIMO OFDM 系统中的信道变化情况， 自适应地实现发射 天线选择以及比特分配。 附图说明 图 1为根据本发明的实施例所述的实现 MIMO OFDM系统中发射天线选 择和自适应调制的流程示意图。 具体实施方式 假设 MIMO OFDM系统配置了 N₇.根发射天线和 N_ft根接收天线， 总共可 以有给某个用户分配了 C个子载波。 下面按照图 1所示的根据本发明所述方法 实现发射天线选择的流程， 以 =4为例进行说明该方法的使用过程， 该流程 包含以下几个步马聚： 步骤 101: 根据所有子载波对应信道的信噪比， 计算所有可能的天线配置 情况以及所有可能调制方式下的误比特率， 其中， 系统采用的调制方式可能是

BPSK、 QPSK、 16QAM、 64QAM。 在 A^=4情况下， 将其天线的索引号分别 记为 1、 2、 3、 4, 为了描述方便， 将所有的发射天线组合用一个集合 S来表示 (因为只是进行发射天线的选择， 因此在描述天线组合的时候， 只是针对发射 天线而言）， 即为 S=i ( l ), (2), (3), (4), ( 1, 2), (1, 3), (1, 4)， （2, 3), (2, 4), (3, 4), (1， 2， 3), (1, 2, 4)， （2, 3, 4), (1, 2, 3, 4) } , 集 合 S包含 14个元素，这 14个元素的定义以及排列顺序严格遵循上述 S的描述， 其元素分别用索引号 =1, 2, 3..., 14 来表示。 其中 ¾ = 1表示只是利用第 1 根发射天线来发射， 在集合中描述为 （ 1 ); q- 2表示系统只是选用第 2根天 线进行发射， 在集合中描述为 （2); 其他组合的含义依此类推。 而且第 种发 射天线组合中的发射天线数目最大为 这样， 每一个子载波可能支持的调制 方式有 4种， 可能的天线配置方式有 14种， 如果系统分配给一个用户 C个子 载波， 则总共需要计算 4xl4xC个误比特率， 这些误比特率估算完成以后需要 存储起来。 下面详细说明误比特率的估算方法。 1_设所有子载波采用的调制方式都相 同， 即所有子载波上的分配的比特数相同， 都为 , >据上述对于调制方式的 假设， 可能取值为集合 {0, 1, 2, 4, 6}中的任何一种， 分别对应于不分配 比特、 BPSK、 QPSK、 16QAM、 64QAM等调制方式， 为了简便起见， 本实施 例分别用索引号 = 0,1,2,3, 来表示。 令 JP_li ,_c表示第 C个子载波在调制方式

M、 第 个发射天线组合在信噪比 ^上的误比特率。 由于频率选择性衰落特 性， 导致系统各个子载波上的信噪比不一样， 每个子载波对应的信噪比按照式 子（ 1 )和（2)进行估算。 其中， .,,,,_/¾(<0)表示第 /(" = 1，2，...，；\^)根接收天线 与第/ c(k = 1,2,·.. 艮发射天线之间在第 C个子载波下信道的频域冲激响应， n_c是相应子载波上分配的发射功率， 表示各个接收天线上在第 C个子载波 上的加权因子， 而 ^表示平均噪声功率。 BPSK调制方式下的误比特率可以按 照式子 （3) 进行估算， QPSK、 16QAM、 64QAM对应的误比特率可以按照式 子 （4) 进行估算，

式 （ 1 )

+ α_ατ · {H_c2>, (ω) + H_c22 (ω) + ··· + H_c2<g ( )}

+ ···

+ · {H^, (ω) + H_c, ,₂(o) +… + H . (ω)} 式 （2) 式 （3) ,,,( J = 4 Q 1- 3 ₍

Q

M M.. -1 M

式 （4) 在式子 （ 4 ) 中， M = 2,3, 的时候， M_m分别取值为 4,16,64。 另外， （2(x) 代表积分函数， 如式 （5) 所示：

步骤 102: 针对 64QAM调制方式， 判断步骤 101 中计算的所有子载波在 所有可能的天线組合下的最大误比特率与目标误比特率之间的大小。 如果步骤 101 中计算的所有子载波在所有可能的天线组合下的最大误比特率比目标误比 特率还要小， 则进入步驟 103 , 否则转入步骤 104 在步骤 103 中， 根据步骤 102 中的比较结果直接进行发射天线选择， 将 所有子载波都设置为 64QAM调制方式， 同时选择误比特率最小而且发射天线 数目最少的那种天线组合作为最终的发射天线配置， 然后结束。 步骤 104: 针对 BPSK调制方式， 判断步骤 101中计算的所有子载波在所 有可能的天线组合下的最小误比特率与目标误比特率之间的大小， 如果步骤 101 中计算的所有子载波在所有可能的天线組合下的最小误比特率大于目标误 比特率， 则转入步骤 105 , 否则转入步骤 106。 在步骤 105 中， 因为此时信道 条件太恶劣， 以至于无法传送任何信息， 因此直接结束。 步骤 106: 将所有子载波的调制方式都设置为 64QAM, 即所有子载波上 分配的比特数都为 = 6 , 此时 M == 4 , 步骤 107: 利用步 101 中估算的 64QAM调制方式下所有子载波对应的 误比特率， 计算在 64QAM调制方式下所有可能的天线配置在各个子载波上的 平均误比特率， 即

式 （6 )

步骤 108: 比较所有平均误比特率与目标误比特率的大小关系， 如果所有 平均误比特率中有低于目标误比特率的， 则转入步驟 109; 如果没有这种可能， 则转入步骤 110 步骤 109: 选择出平均误比特率中低于目标误比特率的所有可能的天线配 置情况及其对应的误比特率， 将其中天线数目最少而且平均误比特率最小的那 种发射天线组合作为最终的天线配置， 然后结束。 步骤 110: 将所有子载波的调制降低一个级别， 即取kf = M-l 步骤 111 : 如果此时 ≠0， 则转入步骤 107, 如此循环， 继续上述的操 作， 直到所有子载波上分配的比特数目为 0; 如果 M = 0 , 则表示目前的信道 条件太差以至于不能够支持最低调制级别 BPSK, 无法传送任何信息， 因此直 接结束。 本发明综合利用了传输误比特率最小以及发射天线数目最少这三个判别 依据， 联合实现了 MIMO OFDM系统中的发射天线选择以及自适应比特分配。 在具体实施例中， 只是举了一个发射天线数目为 4的例子， 当然多于 4根发射 天线情况下的处理方式完全一样， 只是随着天线数目的增多， 计算量增加了而 已。 当然，本发明提供的实施例只是为了详尽地说明按照本发明内容提供的在 MIMO OFDM系统中实现自适应发射天线选择以及自适应调制的方法， 因而都 是示例性的实施方式， 并不能将它看作是对于本发明的限制， 而且， 凡是在本 发明宗旨之内的显而易见的修改亦应归于本发明的保护范围之内。

Claims

权 利 要 求 书 一种在多输入多输出正交频分复用系统中联合实现发射天线选择与自适 应调制方法， 其特征在于， 包括如下步骤：：

( 1 )根据所有子载波对应信道的信噪比， 计算在所有可能的发射 天线组合以及所有可能的调制方式下的误比特率；

( 2 )针对最高级别的调制方式， 如果最大的误比特率小于目标误 比特率， 则所有子载波都选用这种调制方式作为最终的调制方式， 并选 择发射天线数目最少的天线組合作为最终的天线匹配， 然后结束； 否则 转入步骤 （ 3 );

( 3 )针对最低级别的调制方式， 如果最小的误比特率大于目标误 比特率， 则不进行发射天线选择与自适应调制， 直接结束； 否则转入步 骤 （4 );

( 4 )将所有子载波的调制方式都设置为最高调制级别， 利用步骤 ( 1 )中计算的该调制方式下所有子载波对应的误比特率，计算在该调制 方式下所有可能的发射天线组合在各个子载波上的平均误比特率；

( 5 )如果所有平均误比特率中有低于目标误比特率的， 则转入步 驟 （6 ); 如果没有， 则转入步骤（7 );

( 6 )在所有低于目标误比特率的平均误比特率所对应的发射天线 組合中， 选择天线数目最少的组合作为最终的天线配置， 并选用当前设 定的调制方式作为最终的调制方式， 然后结束；

( 7 )将所有子载波的调制级别调低一个级别， 利用步骤（ 1 ) 中计 算的该调制方式下所有子载波对应的误比特率， 计算在该调制方式下所 有可能的天线组合在各个子载波上的平均误比特率， 并再次转入步骤 ( 5 )。 如权利要求 1所述的方法， 其特征在于， 所述步骤（2 )中， 所述选择发 射天线数目最少的天线组合作为最终的天线匹配的步骤， 如果发射天线 数目最少的组合有多个， 则选择其中对应的误比特率最小的组合作为最 终的天线配置。 如权利要求 1所述的方法， 其特征在于， 所述步骤（6) 中， 所述选择发 射天线数目最少的天线组合作为最终的天线匹配的步骤， 如果发射天线 数目最少的组合有多个， 则选择其中对应的平均误比特率最小的組合作 为最终的天线配置。 如权利要求 1所述的方法， 其特征在于， 步骤（ 1 )所述信噪比 ^根据以 下公式计算：

与 f(a, ) = a_c, · {Η_ΛΛ (ω) + H_cll (ω) +■■■ + H_{c K} (ω)}

+ a_c ■ {H_{c 2 l} (ω) + H_{c 22} (ω) +… + Η ,_κ (ω)}

+■■■

+ · {H_C>N/TA (ω) + Η^_κΛ(ω) +■·■ + H_c,_Nr,_k (ω)} 其中 ， 表示第 "(w = l，2，"'，iVJ根接收天线与 第 Α:(Α; = 1，2，''·， )根发射天线之间在第 c个子载波下信道的频域冲激响应， 是相应子载波上分配的发射功率， ^α。，"表示各个接收天线上在第 C个子载波上 的加权因子， 而⁰^表示平均噪声功率。 如权利要求 1 所述的方法， 其特征在于， 步驟 （1 ) 所述误比特率， 在 BPSK调制方式下的误比特率计算公式为：

在 QPSK、 16QAM 64QAM调制方式下的误比特率计算公式为：

其中， w ^表示第 个子载波在调制方式 M、 第 ;个发射天线组 合在信噪比^上的误比特率； 代表积分函数: