基於多用戶預編碼的自適應調製方法

2023-06-12 07:12:21 1

專利名稱：基於多用戶預編碼的自適應調製方法
技術領域：
本發明涉及多用戶MIMO無線通信系統中基於預編碼的自適應調製方法和設備，用來提高MIMO系統的抗誤碼性能。
背景技術：
多入多出(MIMO)技術是無線移動通信領域技術的重大突破。MIMO技術是指數據的發送和接收都採用了多根天線。研究表明，利用MIMO技術可以提高信道的容量，同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。MIMO技術對於提高無線通信系統的容量具有極大的潛力，是新一代移動通信系統採用的關鍵技術。多用戶MIMO通信是當今的研究熱點之一。
圖7所示為通常的採用的單用戶MIMO系統結構示意圖。在該結構中，發端和收端分別採用nT和nR個天線進行信號的發送和接收。在發送端，待發送的數據首先經過串並變換模塊701的處理，分成nT個數據流，每個數據流從對應的發送天線702發射出去。在接收端，首先由nR個接收天線703將信號接收下來，然後由信道估計模塊704根據該接收信號進行信道估計，估計出當前的信道特性矩陣H。檢測器705利用該信道特性矩陣H對接收信號進行檢測，解調出發端發送的信息比特。
圖7給出的是單用戶MIMO的結構圖，多用戶MIMO的結構圖如圖1所示。在圖1中，基站同時向用戶終端1和用戶終端2發射信號。但是，用戶終端2的期望信號對用戶終端1造成了幹擾，而用戶終端1的期望信號又對用戶終端2造成了幹擾。而且，用戶終端1無法得到用戶終端2的信道特性，用戶終端2同樣無法得到用戶終端1的信道特性。
多用戶MIMO系統模型多用戶的模型如下式
x＝Hs+n (1)在式(1)中，n表示接收天線上的均值為零、方差為σ2的高斯白噪聲，x為接收天線的信號向量，s為預編碼後的發送信號，H為信道矩陣。
傳統的多用戶MIMO預編碼方法1、信道逆預編碼方法圖8給出了傳統的逆信道預編碼多用戶MIMO方法。在圖8中，數據d先經過信道逆矩陣H-1處理，經過信道H後，H-1H＝I，完全消除了幹擾，但其代價是為了消除幹擾，提高了發射功率，或發射功率不變的情況下，等效提高了噪聲。
2、Tomlinson-Harashima多用戶MIMO預編碼方法Tomlinson-Harashima多用戶預編碼的的方法如圖9所示。這種方法利用QR分解的變體LQ分解，分解信道矩陣H，如下H＝SFH(2)公式(2)中，S為下三角矩陣，F為酉矩陣(FHF＝I)。然後定義C＝GHF＝GS (3)公式(3)中G=diag(s11-1,...,sKK-1),]]>C是一個對角線為1的下三角矩陣。該方法的實現過程如圖9所示。該方法的思想是，如果已知幹擾，可以在發送方事先減去。在圖9中的操作C-I的作用就在於此。C-I是一個對角線為0的下三角矩陣。對第一個用戶來說，沒有幹擾，第2個用戶要減去第一的用戶的幹擾，第K個用戶要減去1到K-1個用戶的幹擾。
圖9中的MOD表示求模運算，這樣可以降低發射功率。在第K個用戶得到自己的數據時，要將接收信號乘以G的第K個對角線元素gK來恢復，然後通過求模並解調輸出。這種預編碼方法由於降低了發射功率，性能比矩陣求逆的方法好，但是，要在每一幀數據中向各個用戶發送增益控制值gK，需要額外的開銷。
3、基於網格減少(lattice reduction)的預編碼方法基於lattice reduction的預編碼方法如下對H進行偽逆矩陣分解Hred＝H-1×T (4)Hred各列為近似正交的基矢量。T和T-1各個元素為整數，行列式為±1。
然後利用T的特性結合求模運算得到預編碼。
s＝HredT(T-1d modτ) (5)公式(5)中，d為預編碼前的符號，τ是邊界值，星座點的實部和虛部位於-0.5τ與0.5τ之間。
4、傳統的AMC預編碼方法AMC方法的基本原理是改變調製和編碼的格式並使它在系統限制範圍內與信道條件相適應，而信道條件則可以通過發送反饋來估計。在AMC系統中，一般用戶在理想信道條件下用較高階的調製方式和較高的編碼速率，而在不太理想的信道條件下則用較低階的調製編碼方式。

發明內容
本發明的目的在於，提供了一種基於多用戶預編碼的自適應調製方法，以提高多用戶MIMO下行的誤碼性能。
在本發明的一個方面，提出了一種基於多用戶預編碼的自適應調製方法，包括以下步驟基站獲得各個用戶終端的信道矩陣和噪聲功率；通過各個用戶終端的信道矩陣、噪聲功率和預定的預編碼方法計算各個用戶終端的等效信噪比；由各個用戶終端的等效信噪比來確定自適應調製參數表；根據各個用戶終端的等效信噪比，用注水方法確定各個用戶終端的功率分配值；從各個用戶終端的噪聲功率和功率分配值，計算各個用戶終端的新信噪比，並根據新信噪比從自適應調製參數表中為各個用戶終端確定相應的調製方式；以信噪比相同的方式對屬於同一調製方式的用戶終端重新分配功率，得到各個用戶終端的最終分配功率；基於各個用戶終端的最終分配功率和調製方式，從天線發送各個用戶終端的數據。
利用本發明的方法，可以提高多用戶MIMO系統中抗誤碼性能。


圖1為根據本發明實施例的多用戶MIMO系統的示意圖；圖2為根據本發明實施例的MIMO系統的結構圖；圖3為根據本發明實施例的自適應調製方法的流程圖；圖4示出了M-QAM調製星座圖；
圖5給出了不同的方法的性能比較(16-QAM，4×4)；圖6給出了有無自適應調製的比較(吞吐12比特)；圖7為單用戶MIMO系統結構示意圖；圖8為傳統的逆信道預編碼多用戶MIMO方法；以及圖9為傳統的Tomlinson-Harashima多用戶預編碼的的方法。
具體實施例方式
下面對照附圖以實施例的形式對本發明進行詳細的說明。
圖2示出了根據本發明實施例的MIMO系統的結構圖。
本發明所應用的MIMO系統通常包括基站10和多個用戶終端201-20N，由於各個終端的構成大致相同，因此這裡僅僅針對用戶終端201進行說明。
基站10包括諸如存儲器之類存儲了各個用戶的數據的數據源101、AM模塊1021-102N、預編碼模塊1031和發送天線1041-104N。用戶終端201包括接收天線2011、信道與噪聲估計模塊2012和解調模塊2013。同樣，用戶終端20N包括接收天線201N、信道與噪聲估計模塊20N2和解調模塊20N3。
首先，基站10根據各個用戶的反饋信道301-30N得到信道矩陣H和噪聲功率。上述的噪聲功率是由用戶終端的信道與噪聲功率估計模塊2012估計出來的，並且通過反饋信道301將該用戶終端的噪聲功率發給了基站10的自適應調製(AM)模塊1021，將信道矩陣H發送給了基站10的預編碼模塊1031。然後，基站10根據信道矩陣H、噪聲功率由自適應調製模塊1031確定各個用戶終端的自適應調製的格式以及各個用戶終端的發送功率。
在確定了各個用戶終端的調製方式和發送功率之後，自適應調整模塊1021從數據源101獲得各個用戶終端的待發送數據，將此數據發給預編碼模塊1021。然後按照相應的調製方式將各個用戶終端的數據從發射天線1031上發射出去。
各個用戶終端通過接收天線2011-20N1接到數據後，一方面，通過信道與噪聲功率估計模塊2012-20N2估計接收的信號的噪聲功率，通過反饋信道301-30N將這些信息反饋給基站10。重複上面的動作。另一方面，將接收的信號提供給解調模塊2013-20N3，然後解調模塊對接收的數據進行解調，輸出解調的數據到其它模塊(未示出)。
圖3示出了根據本發明實施例的自適應調製方法的流程圖。
在流程開始之後，在步驟S301，基站10獲得用戶終端的信道矩陣和噪聲功率。對於時分雙工(TDD)系統，由於上下行的對稱性，信道矩陣可以通過對上行的信道估計所得到的信道直接用於下行信道的預編碼。對於頻分雙工(FDD)系統來說，需要用戶將信道的信息反饋給基站。此外，用戶終端201的信道與噪聲估計模塊估計接收的信號的噪聲功率，並且通過反饋信道301將其發送給基站10的AM模塊。這樣，基站10獲得了各個用戶終端的信道矩陣H和噪聲功率。
在步驟S302，基站10根據信道矩陣H、如在背景技術部分所述的預編碼的方法以及各個用戶終端的噪聲功率，計算出各個用戶的等效信噪比。例如，比如採用的預編碼方法為信道逆的方法，假設預編碼前的發送符號為d，預編碼後的發送符號為s，則s＝H-1d (6)假設預編碼前的發送符號d已經歸一化，如下式所示E(ddH)＝I(7)則根據(7)，E(ssH)＝H-1H-H(8)公式(7)表明，第i根天線的平均發射功率由1變為H-1的第i行的2範數的平方，相當於提高了發射功率。假設第i個用戶的噪聲功率為σi2，H-1的第i行的2範數的平方為βi，則可以根據下式計算出第i個用戶的等效信噪比SNRi=1ii2---(9)]]>在確定了各個用戶的等效信噪比之後，流程進入步驟S303，根據各個用戶的等效信噪比確定相應的可能調製方式，形成一個自適應調製的參數表。通常，針對不同的信噪比可以選擇不同的調製方式，例如，在信噪比低於5dB的情況下，可以選擇QPSK調製方式，在信噪比大於5dB小於10dB的情況下，選擇8PSK調製方式，在信噪比大於10dB的情況下，選擇16QAM調製方式，等等。在確定了調製方式之後，針對一種調製方式都有相應的參數表，例如發射功率等等。
接下來，在步驟S304，在基站10得到各個用戶的等效信噪比後，根據預編碼去除幹擾的特點，用注水的方法，確定各個用戶終端的功率分配值。
注水的方法是指，對於n個獨立的並行信道，通過對每個用戶分配功率的方法來達到最大的信道容量。例如，在總的功率受限於i=1nPi=P---(10)]]>的情況下，設各個信道的增益為λi，各個信道的噪聲功率為σi2，則各個信道的信噪比為SNRi=Piii2---(11)]]>其信道容量為C=i=1nlog2(1+SNRi)=i=1nlog2(1+Piii2)---(12)]]>根據Lagrange乘數的方法，引入輔助函數Z=i=1nlog2(1+Piii2)+L(P-i=1nPi)---(13)]]>在公式(13)中，L為Lagrange乘數。令偏導數ZPi=1ln2i/i21+Pii/i2-L=0---(14)]]>可得Pi=u-i2i---(15)]]>早公式(15)中，u為常數，其值為1/(Lln2)。而且Pi滿足功率約束(10)，且Pi大於等於0。
實際上，由於預編碼通過線性變換，在每個用戶終端的接收時，完全消除了幹擾。這樣，在接收方來看，就是並行無信道間幹擾的的信道。根據上述的注水方法，信噪比高的信道應該分配更高的功率，以獲得更高容量。因此，用注水的方法根據各個用戶終端的等效信噪比來分配功率是可行的。總的發射功率為N×P(即每個發射天線的平均發射功率為P)，則對第i個用戶的功率分配為P(i)=(1-1SNRi)+---(16)]]>公式(16)中，SNRi為第i個用戶的等效信噪比，x+定義為x+＝max(x，0)，λ滿足公式(17)。
1Nm=1N(1-1SNRm)+=P---(17)]]>在步驟S305，由於各個用戶終端的噪聲功率已知，此時可以根據從上述的功率分配值，計算各個用戶終端新的信噪比SNR』。然後，根據此SNR』，從自適應調製參數表中選擇得到所要的調製方式。然後，對同一種調製方式重新按照或等信噪比的原則重新分配功率。
例如，假設基站10的發射天線數目為N，每個用戶終端有一個天線，用戶終端的數目也為N，則H為N×N的矩陣。
當調製方式確定了後，將同一種的調製方式作為一組，重新分配功率。比如，有了k個用戶都是16-QAM，給它們的分配的功率分別是P(1)，P(2)，…，P(k)。這16個用戶的近似信噪比都滿足使用16-QAM的下限。在功率分配的過程中，信噪比越高的用戶分配的功率用高，其可達到的容量也越高。但對應到自適應調製上，只有可選的幾種調製方式。而且在同一種調製方式的集合中，P(1)，P(2)，…，P(k)分配的功率也不同，也就是信噪比高的分配的功率更高。這樣，就造成某個用戶的性能很好(分配的功率很高)，而某個用戶的性能較差(分配的功率相對較低)，導致性能的不平衡。所以，在同一個調製的集合中，重新分配在這個集合中的總功率。其規則為等信噪比原則，如下所述。
等信噪比原則令在該調製方式的k個用戶的總分配功率為
PM-QAM=i=1kP(i)---(18)]]>等信噪比的原則是要使重新分配的P(i)′滿足P(1)12=P(2)22==P(k)k2---(19)]]>(19)中，滿足PM-QAM=i=1kP(i).]]>這可以看作是自適應調製與功率控制的結合。自適應調製是要根據注水的原理使信噪比高的用戶分配更多的比特。但當調製方案確定後，同一調製方式的用戶內，功率要按照公平性來分，這樣，在同一調製方式內，各個用戶的接收信噪比基本一致，能夠提高總的誤碼性能，避免人為的造成「遠近效應」。
在步驟S306，在得到各個用戶終端的調製方式和功率分配值後，按照多用戶預編碼方法進行預編碼。這裡的預編碼方法可以採用在本申請的背景技術部分所述的預編碼方法。
最後，在步驟S307，從天線1041-104N將得到的數據按照功率分配值和相應的調製方式發送出去。
在仿真中，基站10的天線數目為4，用戶終端的數目也為4，每個用戶一個天線。圖5給出了用信道逆(ZF)的方法、Tomlinson-Harashima預編碼的方法和lattice reduction方法的比較。從圖中可以看出，Lattice reduction的預編碼方法要優前兩種。
圖6給出了吞吐12比特時(平均每個用戶3比特)，有無自適應調製時的比較，圖6中SNR表示的是預編碼的平均發送功率和接收端的平均噪聲功率的比值。圖6中，表示的是無自適應調製時，8PSK，ZF的性能，ZF-AM的性能和LR-AM的性能的比較。其中，ZF-AM表示的是使用了本發明中的自適應調製的性能(調製的方式在16QAM，QPSK中選擇，4個用戶總的比特數為12)，LR-AM是使用本發明的自適應調製和Lattice reduction的性能。從中可以看出，使用了本發明的自適應調製，性能提高很多。
以上所述，僅為本發明中的一種具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術範圍內，可輕易想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
權利要求
1.一種基於多用戶預編碼的自適應調製方法，其特徵在於，包括以下步驟基站獲得各個用戶終端的信道矩陣和噪聲功率；通過各個用戶終端的信道矩陣、噪聲功率和預定的預編碼方法計算各個用戶終端的等效信噪比；由各個用戶終端的等效信噪比來確定自適應調製參數表；根據各個用戶終端的等效信噪比，用注水方法確定各個用戶終端的功率分配值；從各個用戶終端的噪聲功率和功率分配值，計算各個用戶終端的新信噪比，並根據新信噪比從自適應調製參數表中為各個用戶終端確定相應的調製方式；以信噪比相同的方式對屬於同一調製方式的用戶終端重新分配功率，得到各個用戶終端的最終分配功率；基於各個用戶終端的最終分配功率和調製方式，從天線發送各個用戶終端的數據。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在時分雙工的情況下，基站利用信道的對稱性，獲得信道矩陣。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在頻分雙工的情況下，從來自各個用戶終端的反饋信道獲得信道矩陣。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述預定的預編碼方法是信道逆的方法，如下計算各個用戶終端的等效信噪比SNRi=1ii2]]>其中σi2是第i個用戶終端的噪聲功率，βi是信道矩陣的逆矩陣H-1的第i行的2範數的平方。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述注水方法是指，對於n個獨立的並行信道，通過對每個用戶終端分配功率來達到最大的信道容量。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，如下對屬於同一調製方式的用戶終端重新分配功率在屬於同一調製方式的k個用戶的總分配功率為PM-QAM=i=1kP(i)]]>的情況下，使重新分配的功率P(i)′滿足P(1)12=P(2)22=...=P(k)k2]]>且PM-QAM=i=1kP(i).]]>
7.如權利要求1-6之一所述的方法，其特徵在於，所述調製方式包括16QAM、8PSK和QPSK的至少之一。
全文摘要
公開了一種基於多用戶預編碼的自適應調製方法。它的目的是提高多用戶MIMO系統中的抗誤碼性能。該方法包括基站獲得各個用戶終端的信道矩陣和噪聲功率；通過各個用戶終端的信道矩陣、噪聲功率和預定的預編碼方法計算各個用戶終端的等效信噪比；由等效信噪比來確定自適應調製參數表；根據各個用戶終端的等效信噪比，用注水方法確定功率分配值；從各個用戶終端的噪聲功率和功率分配值，計算各個用戶終端的新信噪比，並根據新信噪比從自適應調製參數表中確定相應的調製方式；以信噪比相同的方式對屬於同一調製方式的用戶終端重新分配功率，得到各個用戶終端的最終分配功率；基於最終分配功率和調製方式，從天線發送數據。
文檔編號H04B7/005GK1835425SQ20051005630
公開日2006年9月20日 申請日期2005年3月16日 優先權日2005年3月16日
發明者吳強, 李繼峰 申請人:松下電器產業株式會社