低回傳的mimo-scfde系統自適應多模傳輸方法

2023-05-09 23:25:46 4

專利名稱：低回傳的mimo-scfde系統自適應多模傳輸方法
技術領域：
本發明涉及一種多天線寬帶無線通信傳輸方法，屬於寬帶無線通信技術領域。
背景技術：
隨著網絡技術的發展，人們對接入網絡的要求也不斷提高，隨時隨地地高速接入 網際網路已經成為越來越多的人們的重要需求，寬帶無線通信技術是可以滿足人們上述需求 的主要支撐技術，因此近年來寬帶無線通信技術獲得了迅猛發展。隨著傳輸速率的增加， 電磁波無線傳播造成的多徑對系統影響越來越嚴重，一般而言寬帶無線通信系統中不可避 免地存在多徑傳播造成的頻率選擇性衰落，頻率選擇性衰落曾經是制約無線通信系統性 能的主要因素之一。由正交頻分復用(以下簡稱OFDM :0rthogonal Frequency Division Multiplexing)技術發展起來的基於循環前綴(以下簡稱CP =Cyclic Prefix)的分塊傳輸 技術(主要包括OFDM、單載波頻域均衡(以下簡稱SCFDE :Single Carrier with Frequency Domain Equalization)等)是寬帶無線通信中對付多徑傳播造成的頻率選擇性衰落的簡 單且十分有效的技術，因此OFDM和SCFDE成為目前寬帶無線通信的主流技術。頻譜效率 一直是無線通信技術的研究重點，近年來多輸入多輸出(以下簡稱MIMO:Multiple-input Multiple-output)以其傳統單天線技術所無法達到的頻譜效率受到廣泛關注。MIMO和基 於CP的分塊傳輸技術的結合MIM0-0FDM和MIM0-SCFDE成為未來寬帶無線通信的關鍵技 術。MIMO利用具有豐富多徑的無線傳播環境中不同天線之間信道的不相關特性，獲得 高信道容量，從而提高頻譜利用率和可靠性。基於分塊傳輸的0FDM，可以有效地對抗多徑衰 落，因為子載波頻譜主瓣重疊，具有較高的頻譜效率；CP可以很好的吸收幀間幹擾；並且可 以採取簡單的頻域均衡方法來消除由於時延擴展引入的信道幹擾；OFDM的基帶調製過程 可以用快速傅立葉逆變換(以下簡稱IFFT Inverse Fast Fourier Transform)完成，基帶 解調過程可以用快速傅立葉變換(以下簡稱FFT:Fast Fourier Transform))完成。單載 波步頁域均衡(以下簡稱 SCFDE :Single Carrier with Frequency Domain Equalization), 類似於OFDM的分塊傳輸技術，雖然同樣能夠有效的對抗多徑衰落而且沒有OFDM發端的高 峰均功率比(PAPR，Peak-to-average Power Ratio)，但是受關注程度遠不及OFDM。ΜΙΜΟ寬帶無線通信通信(主要是MIM0-0FDM和MIM0-SCFDE)面臨的主要問題是 時、頻、空選擇性造成的信道衰落。這種衰落表現為接收端去掉CP後得到的一系列窄帶 MIMO信道的部分信道矩陣缺秩或壞條件，這種缺秩或壞條件對MIMO信號的檢測造成極大 影響，是制約寬帶MIMO系統性能的主要因素。利用信道狀態信息(以下簡稱CSI =Channel State Information)的自適應技術 可以有效地對抗時、頻、空選擇性，從而更可靠更有效地進行通信。預編碼是目前寬帶MIMO 系統中廣泛採用的自適應技術，它可以根據窄帶MIMO信道的信道矩陣的情況，通過發射端 的預編碼自適應地改變該窄帶MIMO信道傳輸的比特數，可以極大地提高每一個缺秩或壞 條件窄帶MIMO信道傳輸的效率，從而提高整個寬帶MIMO系統的效率。現有的MIM0-0FDM預編碼方法主要是根據每一個(可以分組)窄帶MIMO信道的秩和其他可用的CSI形成一 個預編碼矩陣，發射端將每一個窄帶MIMO子信道上待發送的數據向量乘以相應的預編碼 矩陣形成發送向量。這種線性預編碼方法比較簡單，且當可選擇的預編碼矩陣數量(稱為 碼本數量)較大時，傳輸效率也比較高，缺點是碼本數量較小時，系統的頻譜效率較差，而 碼本數量較大時，系統的頻譜效率雖然會提高一些，但相應的回傳信息量和系統複雜性都 會大幅度提高，即回傳信息量、複雜性與系統的頻譜效率之間存在矛盾。

發明內容
本發明針對現有預編碼MIM0-0FDM技術存在的回傳信息量、複雜性與系統的頻譜 效率之間存在矛盾問題，提供一種高效低回傳的MIM0-SCFDE系統自適應多模傳輸方法。本發明的低回傳的MIM0-SCFDE系統自適應多模傳輸方法，包括以下步驟(1)對於NtXNk的自適應MIMO系統，Nt表示發射天線數，Nk表示接收天線數，收端 根據信道狀態信息、所採用的調製方式及所要求的系統誤比特性能，確定各子信道秩信息 R，然後將R經由反饋信道發送給發端；(2)假設各子信道秩的和為M，發端根據所採用的調製方式，形成M個調製符號的 時域數據幀，經過M點FFT，將時域數據幀變換成M維等效頻域數據幀，然後利用由反饋信道 得到的各子信道秩信息R生成頻域信道標示信息D，根據信道標示信息D將該M維頻域數據 幀映射，擴張成一列NXNt維頻域數據幀，再通過串/並變換，生成Nt列N維頻域數據幀，然 後利用N點IFFT將Nt個並行的N維頻域數據幀變回到時域，加CP後同時分別被Nt個發射 天線發送出去；(3)收端將Nk個接收天線接收到的數據幀去CP後，經過N點FFT變換到頻域，此 時為Nk列N維頻域向量，根據各頻域子信道秩信息R和信道狀態信息生成均衡矩陣進行均 衡，均衡後為Nt列N維數據幀，然後通過並串變換，恢復為一列NXNt維數據幀，再由各子信 道秩信息R生成信道標示信息D，根據信道標示信息D選出M個有用的信號，變換回時域後 進行符號判決。為了便於更好的表達，對本發明中所用的符號進行部分說明。小寫字母表示時域 和等效時域符號，大寫字母表示頻域及等效頻域符號；對於小寫字母(即時域和等效時域 符號)的上標表示第η時刻或第m個等效時刻，η = 0，1，···, N-1, m = 0,1,…，M-I ；大寫 字母(即頻域及等效頻域符號)的上標表示第k個頻域子信道或第q個等效頻域子信道，k =0,1, -,N-1, q = 0,1,…，M-I ；下標中的大寫字母M表示該向量是等效時域或等效頻 域的符號，N表示該向量是時域或頻域的符號；下標中的小寫字母l、i分別表示第1根接收 天線與第i根發射天線，如果1和i同時出現，1在前，i在後，表示由第i個發射天線到第 1 個接收天線，i = 1,2,…NT，1 = 1,2-, Νκ。在發端，:cM 二(『,<，···，<_1/表示 M 維原 始等效時域數據巾貞，對應的原始等效頻域數據幀Xm ,戽，…,^Γ)7"=。·；為 的M點FFT，其中五(·^ 乂)=。2『，R2為信息符號的平均功率。根據頻域信道標示信息 生成一列NXNjII的頻域信道映射矩陣，將M維等效頻域數據幀Zm=(戽,戽,.",《 映射成NXNt維頻域數據幀=(X°NxNr,ΧιΝχΝτ,."』JCdl)T，然後通過串/並變換生成 &列^隹的頻域數據巾貞&廣 ,,_,4廠"，^^/，1 = 1,2,…，Ντ，再進行IFFT變換到時域，分別由Nt根發射天線發送，第i根天線待發送的時域數據幀為 ,,· = (χ^,,χ^,···,^1/， i = 1,2,…，Nt;X^= ;1,J《2，…為第k個頻域子信道上的待發送符號向量。
K為第i根發射天線與第1根接收天線間的第k個頻域子信道增益；Ak為第k個頻域子 信道的信道矩陣，其中第1行第i列元素為付t，i = 1，2，-,NT, 1 = 1,2,…，NK，k = 0， 1，'",Ν-Ι。在接收端去CP後，第1根接收天線接收到^義,^,…,^1)"+ην,， 1 = 1,2'", Nk，其中^VfCvK,，···,<；丫為有用信號部分，做N點FFT得到頻域形式為 ^l = (X^lJkn--J^Y =^yNj 』 j為接收噪聲向量，對應頻域
形式為^ s^DfH^，= ，其中乂為噪聲方差。第k個頻域 子信道上，信號分量為YXlKyJiv/=A、Xl，其中^ pJC,2，...,廣 噪聲分量為WX K,2，一,<w/，k = 0,1,…，N-I ；根據各頻域子信道秩信息，求 出個頻域子信道的等效信道矩陣P =A^Qfc，其中Qk為由第k個頻域子信道秩r(k)得 到的預編碼矩陣《=、(:,1〃(岣);對接收到的受噪聲汙染的信號進行迫零(ZF)均衡， 相當於P的M-P逆Gt =(A4)t分別左乘；^ = P 和旳，得到Ga《^Gk-kk-XkN=XkN 和W G,2，…，^iO = Gi通過並/串變換成一列NXNt為頻域符號向
量，然後根據頻域信道標示信息選出有用的信號，再通過M點IFFT變回時域為xM和 ~=(<，4，".，<_1/，進行符號判決。對於使用ZF均衡的自適應MIMI0-SCFDE系統，第η個抽樣時刻的時域均衡前信噪 比SA^re如下
權利要求
一種低回傳的MIMO SCFDE系統自適應多模傳輸方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)對於NT×NR的自適應MIMO系統，NT表示發射天線數，NR表示接收天線數，收端根據信道狀態信息、所採用的調製方式及所要求的系統誤比特性能，確定各子信道秩信息R，然後將R經由反饋信道發送給發端；(2)假設各子信道秩的和為M，發端根據所採用的調製方式，形成M個調製符號的時域數據幀，經過M點FFT，將時域數據幀變換成M維等效頻域數據幀，然後利用由反饋信道得到的各子信道秩信息R生成頻域信道標示信息D，根據信道標示信息D將該M維頻域數據幀映射，擴張成一列N×NT維頻域數據幀，再通過串/並變換，生成NT列N維頻域數據幀，然後利用N點IFFT將NT個並行的N維頻域數據幀變回到時域，加CP後同時分別被NT個發射天線發送出去；(3)收端將NR個接收天線接收到的數據幀去CP後，經過N點FFT變換到頻域，此時為NR列N維頻域向量，根據各頻域子信道秩信息R和信道狀態信息生成均衡矩陣進行均衡，均衡後為NT列N維數據幀，然後通過並串變換，恢復為一列N×NT維數據幀，再由各子信道秩信息R生成信道標示信息D，根據信道標示信息D選出M個有用的信號，變換回時域後進行符號判決。
2.根據權利要求1所述的低回傳的MIMO-SCFDE系統自適應多模傳輸方法，其特徵在 於，所述步驟(1)中確定各個子信道秩信息的實現方法如下收發雙方建立通信後，收端根據約定的信道估計方式獲取當前信道的信道狀態信息，其中信道狀態信息為所有頻域子信道的信道矩陣，各個頻域子信道上的信道矩陣Ak，其中k = 0，1，…，N-I ；根據採用的調製方式，在系統所要求的誤比特性能下傳送儘可能多的信息符號，即要求信道容量C儘可能的大，假設各子信道秩信息為R= {Rk，k = 0，l，…，N-1}，其中Rke {0,1,…，Ντ}，表示第k個頻域子信道的秩；初始化各個值都為0，即Rtl=R1 =…=Rim = 0，然後由山農信道容量公式計算出此時各子信道的信道容量，以及各子信道秩都加1後的信道容量，再計算出各子信道秩加1後信道容量的增加值，選擇秩加1後信道容量增加最多的子信道，將其秩加1，其餘的保持秩不變，並判斷是否滿足條件 2_^jc_> SNRσ2w^t ,Γ (Γ λΗ~ w』其中M為每個子信道秩的和，Me {0,1,…，NXNT}，ke {0， M Pj01，…，N-l}，4為信息符號的平均功率，σ〖為噪聲方差，SNRreq為採用某種調製方式，所要求 的系統誤比特性能所對應的等效時域均衡後信噪比；如果滿足，重複這一步驟，找出滿足條 件的最大M值，記錄此時的各子信道秩信息R= (RojR1,…，RnJ為各子信道秩信息。
3.根據權利要求1所述的低回傳的MIMO-SCFDE系統自適應多模傳輸方法，其特徵在 於，所述步驟(2)中由各子信道秩信息生成頻域信道標示信息的實現方法如下發端由反饋信道得到各子信道秩信息R，生成的頻域信道標示信息形式為D = {D (k)，k =0，1···，Ν-1}，其中 D(k) = {D(ks)，s = 0，1，丨&-1}，0(10 的值由第 k 個子信道的秩 Rk 決定，D(k)的前Rk個值為1，後面的均為0 ；這樣生成的D為一列NXNt維0，1序列，D(ks) =1表示第k個頻域子信道上的信道矩陣Ak的第s列可用，DGO =0表示第k個頻域子 信道上的信道矩陣Ak的第s列不可用。
4.根據權利要求1所述的低回傳的MIMO-SCFDE系統自適應多模傳輸方法，其特徵在於，所述步驟(2)中根據信道標示信息將等效頻域數據幀映射的實現方法如下假設各子信道秩的和為M，發端根據所採用的調製方式進行符號映射，形 成待傳輸的M個等效時域符號；cM ={x°M,X1m,-,X^-1Y，通過M點FFT得到頻 域符號Xm=^,；^，·..，式=&· ；生成一列NXNt維頻域數據幀 Ντ 4，^^,···,^χ _1廣，根據頻域信道標示信息D將DGO值為1的位置對應依 次插入上述M維頻域符號，D GO為O的位置補零。
5.根據權利要求1所述的低回傳的MIMO-SCFDE系統自適應多模傳輸方法，其特徵在 於，所述步驟(2)中串/並變換的實現方法是將得到的一列NXNt維頻域數據幀的前N個數據符號夂Lv,，夂Lv,,…，^^作為 第一列，第Ν+1到2 XN個數據符號不「 ，…，^丨1作為第二列，以此類推，將&_變 換成&列"隹頻域數據幀1
6.根據權利要求1所述的低回傳的MIMO-SCFDE系統自適應多模傳輸方法，其特徵在 於，所述步驟(2)中串/並變換的實現方法是將得到的一列NXNt維頻域數據幀^mv7的前Nt個數據符號夂
7.根據權利要求1所述的低回傳的MIMO-SCFDE系統自適應多模傳輸方法，其特徵在 於，所述步驟(3)中當採用ZF均衡時，生成均衡矩陣以及均衡的過程實現方法如下在接收端去CP後，第ι根接收天線接收到有用信號部分為
8.根據權利要求1所述的低回傳的MIMO-SCFDE系統自適應多模傳輸方法，其特徵在 於，所述步驟(3)中通過逆映射選出有用信號的實現方法如下得到一列NXNt維頻域符號後，根據頻域信道標示信息D，選出對應標示信息DGO為 1的的頻域符號，丟棄標示信息為O的載頻點的頻域符號，得到一列M維有用信號，再通過M 點IFFT變回時域，進行符號判決。
全文摘要
一種低回傳的MIMO-SCFDE系統自適應多模傳輸方法，包括以下步驟(1)收端確定各子信道秩信息R，將R經由反饋信道發送給發端；(2)發端形成M個調製符號的時域數據幀，將時域數據幀變換成M維等效頻域數據幀，生成頻域信道標示信息D，根據D將該M維頻域數據幀映射，擴張成一列N×NT維頻域數據幀，通過串/並變換生成NT列N維頻域數據幀，將NT個並行的N維頻域數據幀變回到時域，加CP後同時分別被NT個發射天線發送出去；(3)收端將NR個接收天線接收到的數據幀去CP後進行均衡，通過並串變換恢復為一列N×NT維數據幀，選出M個有用的信號，變換回時域後進行符號判決。本發明具有系統頻譜效率高、回傳信息量低的特點。
文檔編號H04L25/03GK101969417SQ20101028182
公開日2011年2月9日 申請日期2010年9月15日 優先權日2010年9月15日
發明者徐靜, 李森, 杜巖 申請人:山東大學