CN101170337B - 优化吞吐量的多天线多速率发射机及其发射方法 - Google Patents

Abstract

一种优化吞吐量的多天线多速率发射机及其发射方法，包括调制器模块、模式切换处理器、和空时/空频处理器，所述调制器模块输出符号序列S，所述模式切换处理器用于计算编码系统在某一接收方法对应的接收机下采用备选的各种速率对应的发送矩阵时的系统吞吐量，并选取其中最大值相对应的发送矩阵作为系统采用的预编码矩阵P，所述空时/空频处理器用于计算发送符号矩阵v，其中发送矩阵V为预编码矩阵P乘以输出符号序列S。在选取发送模式时，通过模式切换处理器来比较采用统一的置信传播检测器接收的各种发送方式的编码系统的系统吞吐量，选取其中的最大值，作为发送方案，有效的提高了系统吞吐量。

Description

优化吞吐量的多天线多速率发射机及其发射方法

技术领域

本发明属于无线通信系统中多发射多接收(MIMO，Multiple Input Multiple Output)天线技术领域，特别涉及一种多天线多速率发射机及其发射方法。

背景技术

在无线通信系统中，为越来越多的移动用户提供高速率数据和多媒体业务已经日益迫切，而基于多个发送与接收天线的MIMO技术现已证明是提供高速无线数据和多媒体业务的有潜力的方法。

闭环自适应多天线系统根据信道状态和接收机技术，在发送端选择不同的发送模式，追求用户数据吞吐量最大化。目前，发送端根据不同的接收方式，在几种不同的空时处理模式中进行切换。如根据条件数(condition number)和接收信躁比(SNR)，在正交空时分组码(O-STBC，速率R＝1/2，R＝3/4)、分层复用(V-BLAST，速率为发送天线数)、波束成型(Beamforming，速率R＝1)三种模式间切换。在接收端，对应三类发送模式，分别在对应的接收机算法间切换。也有可采用采用时空分组码(STBC，space-time block coding)，垂直贝尔实验室分层空时结构(V-BLAST)，混合STBC与V-BLAST三种模式以及使用不同的星座映射方式，根据最小误符号率来进行不同模式的切换，接收机根据选择的发送模式在三种接收机中切换。(下文中称该自适应系统为多模自适应MIMO系统)。

在相同的发送模式下，采用不同的接收机技术，其系统吞吐量不同。在实际通信系统中，为了降低接收机复杂度，线性接收机是主要考虑的接收机技术。

仅仅基于SNR或者条件数来进行切换，虽然切换算法简单，但不能取得最优的系统容量；只是基于未编码系统，即使制定了最优系统容量的切换准则，在使用信道编码的系统中也不能适用。如何设计在编码系统中趋近最大系统容量的切换，并尽量降低切换算法的复杂度，是本领域技术人员追求的目标。

发明内容

本发明提供一种优化吞吐量的多天线多速率发射机及其发射方法，针对统一置信传播检测器设计统一发送结构模式，主要应用于自适应MIMO系统中。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种优化吞吐量的多天线多速率发射机，包括信源模块、信道编码器模块、比特交织器模块、调制器模块，所述调制器模块输出符号序列S，其特征在于：还包括模式切换处理器和空时/空频处理器，所述模式切换处理器用于计算编码系统在某一接收方法对应的接收机下采用备选的各种速率对应的发送矩阵时的系统吞吐量，并选取其中最大值相对应的发送矩阵作为系统采用的预编码矩阵P，所述空时/空频处理器用于计算发送符号矩阵v，其中发送矩阵V为预编码矩阵P乘以输出符号序列S。

其中，所述预编码矩阵P为一稀疏矩阵。

一种优化吞吐量的多天线多速率发射方法，包括以下步骤：

1)调制产生一组符号调制后符号序列s；

2)计算编码系统在某一接收方法下采用备选的各种速率对应的发送矩阵时的系统吞吐量；

3)选取其中吞吐量最大值相对应的发送矩阵作为系统采用的预编码矩阵P；

4)计算发送符号矩阵v，其中发送矩阵V为预编码矩阵P乘以输出符号序列S。

其中，所述步骤2)中系统吞吐量的计算方法具体包括以下步骤：

(1)计算不同发送符号在最小均方误差接收机下的判决信噪比；

(2)对这些判决信噪比进行平均；

(3)通过查找系统预编码矩阵下的性能表，得到该预编码矩阵对应的系统吞吐量。其中，所述步骤(1)中判决信噪比SNR_k的计算方法为： ${\mathrm{SNR}}_k=\frac{1}{{\left[{(I_L+\frac{{\mathrm{\γ}}_0}{N_t}{\tilde{H}}^H\tilde{H})}^{-1}\right]}_{k,k}}-1.$ 其中，I_L为单位矩阵，γ₀为信号噪声比例，N_t为发送天线数目，

为等效的信道矩阵。

其中，所述步骤(2)中判决信噪比的平均方法为： $\stackrel{\‾}{\mathrm{SNR}}=\frac{1}{L}\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{SNR}}_i.$

其中，所述步骤(3)中，所述的性能表为对应不同的交织器长度的turbo码的性能表。

其中，所述步骤(1)中判决信噪比SNR_k的具体计算方法包括以下步骤：

定义X□Ps，有Y＝HX+n，X的长度为Nt×N，使用MMSE准则，得到：

$x=\mathrm{inv}(\frac{{{\mathrm{\σ}}_0}^2}{{{\mathrm{\σ}}_x}^2}I+{\stackrel{\‾}{H}}^H\stackrel{\‾}{H})\stackrel{\‾}{H}Y,$

通过线性变换，得到：

S＝P^HX，

进一步得到X中第k个元素的判决信躁比为：

$\mathrm{SNR}\left(X_k\right)=\frac{1}{{\left[{(I_L+\frac{{{\mathrm{\σ}}_{x_k}}^2}{N_t{{\mathrm{\σ}}_0}^2}{\stackrel{\‾}{H}}^H\stackrel{\‾}{H})}^{-1}\right]}_{k,k}}-1,$

记SNR(X)＝[SNR(X₁) … SNR(X_Nt×N)]^T，其中上标T表是向量的转置，可得第k个发送符号的误符号率为：

SNR_k＝[P^H×SNR(X)]_k。

其中，所述步骤2)中的接收方法为最小均方误差方法。

其中，所述步骤3)中的预编码矩阵P为一稀疏矩阵。

本发明针对采用信道编码的闭环多天线发送和采用线性接收机的发送接收系统，本专利提出一种优化系统吞吐量的多速率空时/空频发射机结构和相对应的模式切换方法。该发射机在发送端的空时处理用统一的发送矩阵表示，使得接收端可以用统一的置信传播检测器进行检测和接收，有效降低多速率MIMO系统的接收机复杂度。在选取发送模式时，通过模式切换处理器来比较采用统一的置信传播检测器接收的各种发送方式的编码系统的系统吞吐量，选取其中的最大值，作为发送方案，有效的提高了系统吞吐量。同时，通过两种近似的计算系统吞吐量的方法，可以使得计算系统吞吐量的计算复杂度大大降低，有效的提高了模式切换处理器的效率。

附图说明

图1为现有多天线发射机结构示意图；

图2为本发明实施例优化吞吐量的多速率发射机结构示意图；

图3为本发明实施例由式(4)-(7)得到的空时符号映射示意图；

图4为本发明实施例与其它基于置信传播检测的多速率多天线系统吞吐量性能比较图。

具体实施方式

图1为现有多天线发射机结构示意图；本发明的主要改进之处在于虚线框表示的空时/空频处理器部分并增加了模式切换处理器，如图2所示。因此本发明实施例中的优化吞吐量的多天线多速率发射机包括：信源模块、信道编码器模块、比特交织器模块、调制器模块、模式切换处理器和空时/空频处理器，所述调制器模块输出符号序列S，所述模式切换处理器用于计算编码系统在某一接收方法对应的接收机下采用备选的各种速率对应的发送矩阵时的系统吞吐量，并选取其中最大值相对应的发送矩阵作为系统采用的预编码矩阵P，所述空时/空频处理器用于计算发送符号矩阵V，其中v＝P·s^T。其中，s＝{s₁s₂…s_L}，上标T表示转置，L为矩阵P的列数。

其中，所述预编码矩阵P为一稀疏矩阵。

单速率的发射实现方式如式(1)：

v_(Nt·N)×1＝P_(Nt·N)×L·(s^T)_L×l。                               (1)

其中，Nt为发送天线数量，N为每天线发送符号个数，向量v由v₁，v₂，…，v_Nt构成，如式(2)：

$v_{(\mathrm{Nt}\×N)\×1}={[v_1^{\left(1\right)}{v}_1^{\left(2\right)}\·\·\·v_1^{\left(\mathrm{Nt}\right)}{v}_2^{\left(1\right)}\·\·\·v_N^{\left(\mathrm{Nt}\right)}]}^T,---\left(2\right)$

即向量v的第(Nt·(i-1)+j)个元素对应第j个天线在第i个时刻的发送符号，其中，i∈[1，N]，j∈[1，Nt]。矩阵P形式如式(3)：

式(3)中的空白处元素为0，(Nt·(i-1)+j，m)处的元素1表示符号s_m在第j个天线的第i个时刻发射，即， $v_i^{\left(j\right)}=s_m,$ 其中，i∈[1，N]，j∈[1，Nt]，m∈[1，L]。

矩阵P中非零元素取值和位置的不同可得到不同的空时符号映射方法，从而对应不同的多天线发射结构。同时，对固定的每天线发送符号个数N和发送天线数Nt，矩阵P列数L的取值不同，得到不同的空时传输速率。对于空时传输速率的选取，在多速率发射机中使用模式切换处理器来完成，通过计算各种发送模式在统一的置信传播检测器下的系统容量，比较得出其最大值，从而确定其空时传输速率及预编码矩阵P，如图2，矩阵集合{P₁P₂…P_K}对应发射速率集合{R₁R₂…R_K}(0＜R₁＜R₂＜…＜R_K)。

一种优化吞吐量的多天线多速率发射方法，

假设接收天线数为Nr，且信道矩阵在连续N个符号周期内保持不变，标记为H，可以得到如下的信道矩阵：

其中，y_i表示第i个符号周期内接收到的信号向量，维数为Nr×1，n为维数(Nr×N)×1的高斯噪声向量，其每个元素为均值为0，方差为σ²的高斯噪声。其中，

$\tilde{H}=\stackrel{\‾}{H}P.$

由于使用置信传播检测器，系统能取得最小均方误差(MMSE)接收机的误符号率性能。故采用统一的置信传播检测器的系统误符号率，可以用MMSE接收机的误符号率来表示。

本实施例中采用MMSE方法接收，第k个发送符号的判决信噪比表示为如下：

${\mathrm{SNR}}_k=\frac{1}{{\left[{(I_L+\frac{{\mathrm{\γ}}_0}{N_t}{\tilde{H}}^H\tilde{H})}^{-1}\right]}_{k,k}}-1---\left(5\right)$

其中γ₀信号噪声比例。假设调制方式为QAM调制，阶数为M_c(4-QAM阶数为2，16-QAM阶数为4，依次类推)。其中I_L为单位矩阵，γ₀为信号噪声比例，N_t为发送天线数目，

为等效的信道矩阵。

对于不采用信道编码的系统，第k个发送符号的误符号率可表示为：

${\mathrm{SER}}_k=N_{e}Q\left(\sqrt{{\mathrm{SNR}}_k\frac{d_{\min }^2}{2}}\right)---\left(6\right)$

其中，N_e为星座图中最小距离的平均数目，d_min为星座图中最小距离。

未编码系统的吞吐量可表示为：

$\mathrm{Th}={\mathrm{LM}}_c\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Π}}}(1-{\mathrm{SER}}_i)---\left(7\right)$

对于采用信道编码的系统，误帧率与判决信躁比SNR₁，SNR₂，...SNR_k，...SNR_L有关，交织器长度N_I，编码器生成矩阵G，以及信道编码速率R_c有关，可表示为：

PER＝f(SNR₁，SNR₂，...SNR_k，...SNR_L，N_I，G，R_c)                     (8)

由于(8)的解析式很难得到，我们可以采用近似的办法求取，其误帧率为：

PER≈f(SNR，N_I，G，R_c)                       (9)

其中：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{SNR}}=\frac{1}{L}\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{SNR}}_i---\left(10\right)$

为了得到不同信道编码方式下的PER，我们可以制作在不同速率发送方式下turbo码(对应不同的交织器长度)的性能表，通过查表的方式，找出其相应的PER。

编码系统的吞吐量可表示为：

Th＝(LM_c×R_c-N_zero)(1-PER)                        (11)

其中，R_c为信道编码速率，N_zero为turbo码添0比特数目。

综合(4)-(11)，选用不同的模式时，对应不同的P，可以计算其吞吐量Th，通过比较其Th的最大值，可以得到最优的传输方法。

由于式(5)中，(

)的维数为L×L，计算其逆的复杂度为O(L³)，那么块数据较大的系统，计算其吞吐量的算法复杂度非常大。作为一种优选方式，对于判决信躁比可采用如下的简化方法计算：

I.定义X□Ps，有Y＝HX+n，X的长度为Nt×N，使用MMSE准则，可得：

$x=\mathrm{inv}(\frac{{{\mathrm{\σ}}_0}^2}{{{\mathrm{\σ}}_x}^2}I+{\stackrel{\‾}{H}}^H\stackrel{\‾}{H})\stackrel{\‾}{H}Y---\left(12\right)$

II.通过线性变换，可得：

S＝P^HX                                     (13)

通过式(12)，可得X中第k个元素的判决信躁比为：

$\mathrm{SNR}\left(X_k\right)=\frac{1}{{\left[{(I_L+\frac{{{\mathrm{\σ}}_{x_k}}^2}{N_t{{\mathrm{\σ}}_0}^2}{\stackrel{\‾}{H}}^H\stackrel{\‾}{H})}^{-1}\right]}_{k,k}}-1---\left(14\right)$

记SNR(X)＝[SNR(X₁)…SNR(X_Nt×N)]^T，其中上标T表是向量的转置。可得第k个发送符号的误符号率可表示为：

SNR_k＝[P^H×SNR(X)]_k                        (15)

因为

为块对角矩阵，矩阵的逆可简化为N个小矩阵的逆。且信道矩阵的在N个时间内保持不变，矩阵的逆简化成

小矩阵的逆，其算法复杂度大约为O(L)，得到了大大的降低。

本发明的切换方法同样适用于基于其他线性接收机的多速率/多模传输系统。例如对于在发送端使用波束成形技术、alamouti分集结构和BLAST复用结构切换的系统。

为进一步说明本发明及其有益效果，以下对具体实施例的参数进行取值。

具体实施例的参数取值如表1。

表1具体实施例中的参数取值

对应表1中4种传输速率{R₁R₂R₃R₄}，矩阵集合{P₁P₂…P_K}中元素矩阵设计形式如下：

$P_1=P_{1200\×300}^1=\left\{p_{\mathrm{mn}}^1\right\},---\left(16\right)$

矩阵中坐标为(m，n)＝(4×(i-1)+k，mod(i+k-2，300)+1)，i∈[1，300]，k∈[1，4]的元素 $p_{\mathrm{mn}}^1=1.$

$P_2=P_{1200\×600}^2=\left\{p_{\mathrm{mn}}^2\right\},---\left(17\right)$

矩阵中坐标为(m，n)＝(4×(i-1)+k，mod(2i+k-3，600)+1)，i∈[1，300]，k∈[1，4]的元素 $p_{\mathrm{mn}}^2=1.$

$P_3=P_{1200\×900}^3=\left\{p_{\mathrm{mn}}^3\right\},---\left(18\right)$

k＝4-mod(i-1，4)时，矩阵中行坐标m＝4*(i-1)+k，列坐标n＝{mod(3*i-5+L-1，L)+1，mod(3*i-4+L-1，L)+1，mod(3*i-3+L-1，L)+1}的元素 $p_{\mathrm{mn}}^3=1;$ k≠4-mod(i-1，4)且k∈[1，4]时，矩阵中3个行坐标m＝4*(i-1)+k，分别对应3个列坐标n＝{3*i-2，3*i-1，3*i}的元素 $p_{\mathrm{mn}}^3=1/\sqrt{3}.$ i∈[1，300]，L＝900。

$P_4=P_{1200\×1200}^4=\left\{p_{\mathrm{mn}}^4\right\},---\left(19\right)$

矩阵元素 $p_{\mathrm{mm}}^4=1$ m∈[1，1200]，即P₄为单位阵。

对于调制后符号序列s＝{s₁s₂…s_L}，4个矩阵对应的天线上符号映射关系如图4所示，图中横向表示空间的发射天线，纵向表示发送时刻，而数字1，2，…，L表示发送符号s₁，s₂，…，s_L。发射端按照式(1)进行空时符号编码。

对于4种不同的发送码速率，确定其编码器长度和交织器长度，通过仿真，我们得到了在高斯信道下不同传输模式下turbo码的误帧率性能(其中turbo编码器的参数如表2所示)，如表3所示。

表2turbo码参数列表

信道编码	3GPP Turbo，码率为1/2
		信道交织器	随机交织器
调制	QPSK
		信道解码	Max-Log-Map，8次迭代
运行帧数	1000

表3不同编码长度的turbo码误帧率

信躁比(dB)	传输模式一PER	传输模式二PER	传输模式三PER	传输模式四PER
					-3	1	1	1	1
-2	1	1	1	1
					-1	1	1	1	1
0	0.956	0.988	0.998	1
					0.2	0.895	0.973	0.989	0.996
0.4	0.795	0.904	0.958	0.971
					0.6	0.646	0.75	0.819	0.847
0.8	0.512	0.53	0.553	0.617
					1	0.334	0.297	0.28	0.271
1.2	0.206	0.109	0.1	0.101
					1.4	0.108	0.034	0.02	0.013
1.6	0.01	0.015	0.002	0.003
					1.8	0.004	0	0.001	0
2	0	0	0	0
					3	0	0	0	0

图5分别给出采用上述4种速率及其自适应系统的吞吐量仿真曲线。除了表1中所列参数外，系统仿真所用其他参数如表2所示。仿真结果表明，设计的四种矩阵得到四种速率依次增加的传输方式(M1，M2，M3，M4；对应编码速率分别为1，2，3，4)；自适应曲线吞吐量性能优于或趋近各种速率能达到的性最优能，表明，设计得到的多速率模式可以很好的应用于自适应系统。

Claims (7)

1.一种优化吞吐量的多天线多速率发射机，包括信源模块、信道编码器模块、比特交织器模块、调制器模块，所述调制器模块输出符号序列S，其特征在于：还包括模式切换处理器和空时/空频处理器，所述模式切换处理器用于计算编码系统在某一接收方法对应的接收机下采用备选的各种速率对应的发送矩阵时的系统吞吐量，并选取其中最大值相对应的发送矩阵作为系统采用的预编码矩阵P，所述空时/空频处理器用于计算发送符号矩阵v，其中发送符号矩阵v为预编码矩阵P乘以输出符号序列S。

2.根据权利要求1所述的优化吞吐量的多天线多速率发射机，其特征在于：所述预编码矩阵P为一稀疏矩阵。

3.一种优化吞吐量的多天线多速率发射方法，其特征在于包括以下步骤：

1)调制产生一组符号调制后符号序列s；

2)计算编码系统在某一接收方法下采用备选的各种速率对应的发送矩阵时的系统吞吐量；

3)选取其中吞吐量最大值相对应的发送矩阵作为系统采用的预编码矩阵P；

4)计算发送符号矩阵v，其中发送符号矩阵v为预编码矩阵P乘以输出符号序列s。

4.根据权利要求3所述的优化吞吐量的多天线多速率发射方法，其特征在于：所述步骤2)中系统吞吐量的计算方法具体包括以下步骤：

(1)计算不同发送符号在最小均方误差接收机下的判决信噪比；

(2)对这些判决信噪比进行平均；

(3)通过查找系统预编码矩阵下的性能表，得到该预编码矩阵对应的系统吞吐量。

5.根据权利要求4所述的优化吞吐量的多天线多速率发射方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述的性能表为对应不同的交织器长度的turbo码的性能表。

6.根据权利要求3所述的优化吞吐量的多天线多速率发射方法，其特征在于：所述步骤2)中的接收方法为最小均方误差方法。

7.根据权利要求3所述的优化吞吐量的多天线多速率发射方法，其特征在于：所述步骤3)中的预编码矩阵P为一稀疏矩阵。

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