CN101951308A - 一种车速移动mimo-scfde的自适应传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车速移动MIMO-SCFDE的自适应传输方法，它采用了一种简单预编码方法结合选频来对抗信道的缺秩，并且在相同频谱利用率下，系统性能通常会远高于非自适应MIMO-SCFDE系统，该方法具有低反馈速率，有效地解决了时变信道下需要频繁地回传大量的反馈信息；通过选择均衡放大噪声小的频域子信道传输信息使得误比特性能不会过度恶化；该方法的BER(Bit Error Rate，误比特率)性能具有简单可控性；克服了现有移动MIMO宽带无线信道中自适应选频分块传输方法中回传信息量大、系统性能难以保证的问题。本发明可以在保证系统性能的前提下较好的解决了反馈回传信息量过大的问题；较好的解决了频率选择性和时间选择性衰落的问题。

Description

一种车速移动MIMO-SCFDE的自适应传输方法 

技术领域

本发明涉及一种车速移动MIMO-SCFDE的自适应传输方法，属于宽带无线通信技术领域中的多天线宽带数字通信传输方法。 

背景技术

通信技术在最近几十年，特别是二十世纪九十年代以来得到了长足发展，对人们日常生活和国民经济的发展产生了深远的影响。频谱效率和复杂性是无线通信研究领域多年来一直追求的两个重要目标。多输入多输出(以下简称MIMO：Multiple-inputMultiple-output)利用丰富散射环境中不同天线之间信道的不相关特性，获得高信道容量，从而可以获得传统单天线技术所无法达到的频谱效率，但随着传输速率的增加，仅依赖增加MIMO系统的天线数所带来的复杂性和物理实现上的问题变得难以解决，增加传输带宽是解决这一问题的可行手段；传输带宽增加后，丰富多径环境中时延扩展带来的均衡的复杂性是宽带MIMO系统必须解决的问题。基于循环前缀(以下简称CP：Cyclic Prefix)的分块传输技术主要包括正交频分复用(以下简称OFDM：Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing)和单载波频域均衡(以下简称SC-FDE：Single Carrier with FrequencyDomain Equalization)，可以以简单的频域均衡方法有效解决时延扩展所造成的均衡方面的困难，基于CP的频域均衡方法的主要操作可以用快速傅立叶变换(以下简称FFT：FastFourier Transform)和快速傅立叶逆变换(以下简称IFFT：Inverse Fast FourierTransform))完成。因此，结合了基于CP分块传输技术的宽带MIMO：MIMO-OFDM和MIMO-SCFDE被认为是未来宽带无线通信系统物理层成熟的主要支撑技术。 

到目前为止，已经有许多基于MIMO-OFDM框架的宽带无线通信标准，例如IEEE802.11n，可以将WLAN的传输速率由802.11a及802.11g提供的54Mbps提供到300Mbps甚至600Mbps，就是得益于将MIMO和OFDM技术相结合，既提高了无线传输质量，也使传输速率得到极大提升。MIMO-OFDM/MIMO-SCFDE也被3GPP LTE和WiMax选中作为传输标准。 

在OFDM系统中，经常用子信道的概念描述系统，所谓第k个子信道就是以子载波f_k为中心的一个信道，为表述方便，称上述子信道为频域子信道。SC-FDE系统虽然没有子载波的概念，但采用与OFDM完全类似的信号处理方式，因此，仿照OFDM引入频域子信道的概念，意义与OFDM的频域子信道相同，其均衡也是在每个频域子信道上独立进行的。与OFDM不同的是：SC-FDE的信号检测是在时域上完成的，因此将时域信号的第N个抽样点对应的时域位置为第N个时域子信道。 

先介绍一下MIMO-SCFDE系统的基本结构，系统发射天线数和接收天线数分别为N_T和N_R。在发射端，比特流依次经过空时编码后，被分为N_T路独立数据，每路数据经过符号映射后被分配到一系列子信道上(设子信道数为N)，接着在各天线的每帧数据前插入循环前缀以消除符号间干扰，然后使用MIMO技术将各子载波送上发射天线。在接收端，收到N_R路SC-FDE信号后首先要去掉循环前缀，接着按照接收天线分别做N点的FFT变换，从时域变换到频域，然后将此频域信号送至均衡模块进行均衡，最后对均衡后信号做IFFT得到时域抽样点进行符号检测，空时译码后得到原始的比特流。 

对于宽带无线通信系统来说，为了满足各种数据业务的需求，系统需要提供比较高的传输速率。随着传输速率的上升，传输信号带宽变大，经常远超过信道的相关带宽，此时信道就会呈现频率选择性。频率选择性信道对分块传输系统的影响主要表现在：信号的多径传播或时延扩展会引起频率选择性衰落，信号在频率选择性衰落信道中传播会导致信号的某些频谱分量被衰减得很低，在信道存在深衰点的情况下，信号受到的影响更大，以致信号产生畸变，而影响系统性能。在移动环境下，发端和收端的相对移动以及地面的多样性导致到达信号发生多普勒频移。由于多普勒效应，在保持发射频率不变的情况下，会使接收信号的功率随时间的推移而变化，从而信道会呈现时间选择性衰落。 

在移动宽带无线通信中，信道同时存在频率选择性和时间选择性，对系统的性能会产生直接的影响。为了使通信系统得到较好的性能，必须采取一定的措施来减轻选择性衰落对通信系统的影响，常用的减轻时间选择性的方法有鲁棒调制技术，纠错编码和交织技术等，但是系统实现复杂、频谱效率低。常用的减轻频率选择性的方法有：时域均衡技术和基于频域均衡的分块传输技术，包括OFDM和SC-FDE。在OFDM和SC-FDE技术中，采用CP技术可以在一定条件下完全消除信号的多径传播造成的块间干扰。但是当信道中存在深衰点时，就意味着一部分信号会受到严重的衰减，制约了系统的性能。因而应该避免在这些深衰子信道上传信息。 

自适应传输技术是对付宽带移动信道的有效措施，它的主要思想是通过接收端反馈回的信道状态信息(以下简称CSI：Channel State Information)，来自适应地根据信道的特性改变所发送信号，从而提高通信的可靠性和有效性。在固定调制方式的OFDM和SC-FDE系统中，可以考虑对子信道采用自适应调制的方式，使系统主动避开衰落严重的子载波，同时通过提高传输条件好的子载波的传输速率，补偿由于衰落严重的子载波无法传输数据而带来的传输速率的下降，同时还可以动态调整各个子载波的发射功率，进一步提高系统性能。 

移动MIMO宽带无线信道面临的主要问题是：时、频、空选择性。利用信道状态信息CSI的自适应技术可以有效地减轻时、频、空选择性对系统的影响，从而更可靠更有效地进行通信。但是在MIMO系统中，反馈信息量随着载波数目以及天线个数的增加而快速增加。 

目前已经有许多基于MIMO-OFDM减小回传信息量的方法：第1类是分簇(clustering)，即将载波划分成若干簇，簇内具有较强的频率相关性，将由导频点得到的预编码矩阵在该簇其它载频点上进行共享；第2类方案是利用所有导频点处的预编码矩阵进行内插(interpolation)处理，以获取其它载频点对应的预编码矩阵；第3类方案是对预编码矩阵的自适应跟踪(tracking)算法，即利用某一个导频点处得到的预编码矩阵和载波簇的频域相关性来做其它载波簇对应的预编码矩阵的自适应跟踪。分簇是基本方案，内插以复杂度提高为代价换得一定的性能提升，而自适应跟踪方案追求更小的反馈数据率并以尽量少的性能损失为代价。但是在时变信道中，CSI会随着信道的变化而变化。在移动无线通信中，大量的反馈信息需要频繁地回传，给整个通信系统带来很大的负担，严重影响通信系统的效率。因此目前基于MIMO-OFDM的预编码算法，仍然只适用于静态或者慢变时变信道。 

公开号为101719816A的中国发明专利申请公开了一种《实现自适应MIMO-SCFDE系统低反馈速率的方法》，该自适应MIMO-SCFDE的低反馈速率方法包括以下步骤： 

(1)对于N_T×N_R的自适应MIMO系统，N_T表示发射天线数，N_R表示接收天线数，收端根据信道状态信息、系统的非理想因素(非理想因素包括同步误差、信道估计误差及器件的非线性特性等)造成的性能损失、所采用的调制方式及所要求的系统误比特性能，从全部的N个频域子信道中选择出可用的M_S个子信道并且确定信道矩阵的最佳秩S，只有可用频域子信道上传输信息符号，而其他频域子信道为禁用子信道不传输信息符号，然后生成子信道标识信息及信道秩信息，并将该子信道标识信息及信道秩信息经由反馈信道发送给发端； 

(2)发端根据所采用的调制方式和子信道标识信息及信道秩信息，形成S个原始的等效时域数据帧，经过M_S点FFT(快速傅立叶变换)，将原始数据帧的等效时域符号变换成等效频域符号，然后根据子信道标记信息及信道秩信息和收发双方约定的频域子信道映射矩阵将该等效频域符号预编码后映射到M_S个可用频域子信道上，生成N_T个N维频域向量，再利用N点IFFT(快速傅立叶逆变换)变回到时域，串并变换加CP后同时被N_T个发射天线发送出去； 

(3)收端将N_R个接收天线接收到的数据帧去CP后，利用FFT变换到频域，根据子信道标识信息和频域子信道逆映射矩阵选出M_S个可用频域子信道到上传输的信号，然后根据 信道秩信息和信道状态信息生成均衡矩阵进行均衡，变换回等效时域后判决出发送信息。 

上述自适应MIMO-SCFDE的低反馈速率方法的实现是基于静态信道环境的；在宽带无线移动环境下，信道的时变特性是对系统误码性能最重要的制约因素。上述自适应MIMO-SCFDE的低反馈速率方法未给出当信道状态发生变化时如何更新回传CSI的更新策略，不能解决信道的时变特性，将不能直接应用于时变信道；对于时变环境，还要同时考虑时间选择性衰落的影响，需要采取适当的自适应回传策略，使MIMO-SCFDE系统在移动条件下仍能够取得性能和反馈信息量之间的折中。 

LTE对移动性的支持非常好，但是其快速移动时并不采用自适应技术，用牺牲系统的频谱效率来换取系统的可用性。 

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种车速移动MIMO-SCFDE系统的自适应传输方法。 

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 

一种车速移动MIMO-SCFDE系统的自适应传输方法，该方法包括以下步骤： 

(1)对于N_T×N_R的自适应MIMO-SCFDE系统，收发双方建立通信后，收端根据当前的信道状态信息、所要求的系统误比特性能，从全部的N个频域子信道中选择出可用的M_S个子信道并且确定信道矩阵的最佳秩S，生成子信道标识信息及信道秩信息，并将该子信道标识信息及信道秩信息经由反馈信道发送给发端； 

(2)发端根据所采用的调制方式和子信道标识信息及信道秩信息，形成S个原始的等效时域数据帧，经过M_S点FFT，将原始数据帧的等效时域符号变换成等效频域符号，然后根据子信道标记信息及信道秩信息和收发双方约定的频域子信道映射矩阵将该等效频域符号预编码后映射到M_S个可用频域子信道上，生成N_T个N维频域向量，再利用N点IFFT变回到时域，串并变换加CP后同时被N_T个发射天线发送出去； 

(3)收端将N_R个接收天线接收到的数据帧去CP后，利用FFT变换到频域，根据子信道标识信息和频域子信道逆映射矩阵选出M_S个可用频域子信道上传输的信号，然后根据信道秩信息和信道状态信息生成均衡矩阵进行均衡，变换回等效时域并完成判决； 

(4)收端进行信道估计得到更新的信道状态信息，根据自适应判决规则，判断是否需要更新子信道标记信息及信道秩信息，如果需要更新，收端根据系统误码性能的要求更新 子信道标记信息及信道秩信息，并通过反向信道反馈到发端；当发射天线上发送新的一帧数据时，发端总是根据收到的最新子信道标记信息和信道秩信息进行信号变换。 

所述获取信道状态信息方法用：训练帧加判决反馈跟踪的方法、判决反馈跟踪加导频符号的方法或使用信道预测的方法。 

所述获取信道状态信息方法用判决反馈跟踪加导频符号的方法，其具体实现方法为：采用导频符号数目等于循环前缀，导频插入采用梳妆导频；将导频均匀的分布在子信道中，导频点上发送的信息D是已知的，根据导频点处的频域接收信号，计算出该导频点处的信道特性，非导频点子载波上的信道特性是根据对导频子载波上的信道特性进行插值得到；从而得到所有子信道的信道状态信息。 

所述判断是否需要更新子信道标记信息及信道秩信息的具体实现方法为：按照系统要求达到的误比特性能，确定出需要达到的均衡后信噪比的范围，根据子信道个数M_S和信道秩个数S监测出每帧的均衡后信噪比SNR_post，并与SNR_req作比较，确定是否在限定的信噪比范围内；如果在所设的范围内，保持当前的信道标识信息D及信道秩信息B不变；否则按照SNR_post≥SNR_req，最大化M_S×S重新选取可用子信道个数M_S和信道秩个数S，并形成新的信道标识信息D及信道秩信息B，然后把更新后的信道标识信息和秩信息回传给发端；其中SNR_req为采用某种调制方式并考虑系统非理想因素后所要求的系统误比特性能所对应的等效时域均衡后信噪比；SNR_post为均衡后信噪比；SNR_pre为均衡前信噪比。 

为了便于更好的表达，对本发明中所用的符号进行部分说明： 

N_T：发送天线数目；N_R：接收天线数目；N：未加保护间隔的一帧SC-FDE帧的长度；M_S：所选的频域子信道数目；小写字母表示时域和等效时域符号，大写字母表示频域及等效频域符号；n：第n个时刻(指在发射天线发射的一帧数据中的第n个时刻)，n＝0，1，…，N-1；m：第m个时域符号(指发射天线要发射的原始信号一帧中的第m个时域符号)，m＝0，1，…，M_S-1；k：第k个频域子信道，k＝0，1，…，N-1；q：发射端未频谱变换前第q个频域子信道，q＝0，1，…，M_S-1；i：第i根发射天线，i＝1，2，…，N_T；j：第j根接收天线，j＝1，2，…，N_R；d：发端预编码前或收端均衡后的第d个数据流，d＝1，2，…，S。 

在发端， 

表示第d根发射天线上从第一个等效时刻到第M_S个等效时刻上的原始等效时域符号，是M_S维原始等效时域数据帧。 

为 

的M_S点FFT，表示第d根发射天线上从第一个等效频域子信道到第M_S个等效频域子信道上的原始等效频域符号，是M_S维原始等效频域数据帧。其中 

为信息符号的平均功率，d＝1，2，…，S；因为信道矩阵的最佳秩为S，所以只传输S路独立的数据流， 

对应于第d个数据流。 

和 

分别为在第m个等效时刻和第q个等效频域子信道上从第一根发射天线到第S根发射天线上传输的原始数据符号，其中m＝0，1，…，M_S-1，q＝0，1，…，M_S-1；根据信道秩信息生成N_T×S的预编码矩阵Q；在第q个等效频域子信道上，利用矩阵跟向量相乘运算预编码将 

变换为 

表示第q个等效频域子信道上经过预编码变化后从第一根发射天线到第N_T根发射天线上所对应的发射信号，然后根据频域子信道标识信息生成N×M_S维的频域子信道映射矩阵P， 

表示第i根发射天线上的第一个到第Ms个等效频域符号，将 映射成第i根发射天线待发送的频域数据帧 

其中 

表示映射后第i根发射天线上的第一个到第N个频域符号；变换回时域为 

表示第i根发射天线上从第一个到第N个时刻待发送的时域信号。 

为第k个频域子信道上第一个到第N_T个发射天线上的待发送符号。i＝1，2，…，N_T。 

对于信道， 

为第i根发射天线与第l根接收天线间的第k个频域子信道增益；A^k为第k个频域子信道的信道矩阵，其中第l行第i列元素为 

i＝1，2，…，N_T，l＝1，2，…，N_R，k＝0，1，…，N-1。 

在接收端去CP后，第j根接收天线接收到 

j＝1，2，…，N_R，向量里的各值分别表示第j根接收天线上第一个到第N个时刻接收到的信号。 

表示第j根接收天线上 第一个到第N个时刻接收到有用信号， 

表示第j根接收天线上第一个到第N个频域子信道上接收的频域有用符号。 

表示第j根接收天线上第一个到第N个时刻接收到噪声分量， 其中 

为噪声方差。 

和 

分别表示第n个抽样时刻第一根到第N_R根接收天线接收到的时域有用信号部分和时域噪声部分。n＝0，1，…，N-1； 

表示第k个频域子信道上第一根到第N_R根接收天线接收到的有用频域信号，其中 

表示第k个频域子信道上第一根到第N_T根发射天线发送的频域信号，噪声分量为 

表示第k个频域子信道上第一根到第N_R根接收天线接收的频域频域噪声。k＝0，1，…，N-1。根据子信道标识信息，选择出可用频域子信道上传输的符号 

其中 

表示第k_q个可用频域子信道上从第一个到第N_R个接收天线上收到的噪声，k_q∈{0，1，…，N-1}为可用频域子信道的标号，q＝0，1，…，M_S-1；对q个可用频域子信道上的受噪声污染的信号进行ZF均衡，相当于 

的M-P逆 

分别左乘 

和 

得到 和 

表示均衡第q个可用频域子信道上的噪声分量。M_S点IFFT后得到 

和 d＝1，2，…，S； 

表示均衡后第m个等效时刻第一根发射天线到第S根发射天线的噪声分量，m＝0，1，…，M_S-1。 

该方法实现步骤如下： 

(1)对于N_T×N_R的自适应MIMO-SCFDE系统，收发双方建立通信后，收端根据当前的信道状态信息、所要求的系统误比特性能，从全部的N个频域子信道中选择出可用的M_S个子信道并且确定信道矩阵的最佳秩S，生成子信道标识信息及信道秩信息，并将该子信道标识信息及信道秩信息经由反馈信道发送给发端； 

(2)发端根据所采用的调制方式和子信道标识信息及信道秩信息，形成S个原始的等 效时域数据帧，经过M_S点FFT，将原始数据帧的等效时域符号变换成等效频域符号，然后根据子信道标记信息及信道秩信息和收发双方约定的频域子信道映射矩阵将该等效频域符号预编码后映射到M_S个可用频域子信道上，生成N_T个N维频域向量，再利用N点IFFT变回到时域，串并变换加CP后同时被N_T个发射天线发送出去； 

(3)收端将N_R个接收天线接收到的数据帧去CP后，利用FFT变换到频域，根据子信道标识信息和频域子信道逆映射矩阵选出M_S个可用频域子信道上传输的信号，然后根据信道秩信息和信道状态信息生成均衡矩阵进行均衡，变换回等效时域并完成判决； 

(4)收端进行信道估计得到更新的信道状态信息，根据自适应判决规则，判断是否需要更新子信道标记信息及信道秩信息，如果需要更新，收端根据系统误码性能的要求更新子信道标记信息及信道秩信息，并通过反向信道反馈到发端； 

当发射天线上发送新的一帧数据时，发端总是根据收到的最新子信道标记信息和信道秩信息进行信号变换。 

详细步骤： 

第(1)步，对于N_T×N_R的自适应MIMO系统，收发双方建立通信后，收端根据当前的信道状态信息、所要求的系统误比特性能，从全部的N个频域子信道中选择出可用的M_S个子信道并且确定信道矩阵的最佳秩S，生成子信道标识信息及信道秩信息，并将该子信道标识信息及信道秩信息经由反馈信道发送给发端； 

其中信道状态信息为所有频域子信道的信道矩阵，各个频域子信道上的信道矩阵A^k，k＝0，1，…，N-1，CSI的获取可用不同的方法实现，例如可以用训练帧加判决反馈跟踪的方法或判决反馈跟踪加导频符号的方法，也可以使用信道预测的方法等。信道矩阵的最佳秩是指满足系统性能的，能使系统频谱效率达到最大的天线个数。选出可用的M_S个子信道并且确定信道矩阵的最佳秩S的准则如下，按照系统所采用的调制方式，应在系统所要求的误比特性能下传送尽可能多的信息符号，即尽量让信道矩阵的最佳秩与该秩下所选的可用频域子信道数的乘积M_S×S或频谱效率 

最大。系统的误码性能由均衡后信噪比决定，对于使用迫零均衡的自适应MIMO-SCFDE系统，均衡前信噪比SNR_pre为： 

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{pre}}\stackrel{\·}{=}\frac{E\left({\left|\right|y_N^n\left|\right|}_2^2\right)}{E\left({\left|\right|w_N^n\left|\right|}_2^2\right)}=\frac{\frac{{\mathrm{\σ}}_x^2}{N}\underset{q=0}{\overset{M_S-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{tr}({\tilde{A}}^{k_q}\·{\left({\tilde{A}}^{k_q}\right)}^H)}{N_R{\mathrm{\σ}}_w^2}$

均衡后信噪比SNR_post为： 

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{post}}\stackrel{\·}{=}\frac{E\left[{\left|\right|x_M^m\left|\right|}_2^2\right]}{E\left[{\left|\right|v_M^m\left|\right|}_2^2\right]}=\frac{{\mathrm{S\σ}}_x^2}{\frac{{\mathrm{\σ}}_w^2}{M_S}\underset{q=0}{\overset{M_S-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{tr}(G^{k_q}\·{\left(G^{k_q}\right)}^H)}$

信道矩阵的最佳秩及可用频域子信道的选择如下：在满足 下，最大化M_S×S，其中：M_S为可用子信道数，M_S∈{0，1，…，N}，S∈{1，2，…，N_T}，q＝0，1，…，M_S-1， 为信息符号的平均功率， 

为噪声方差，SNR_req为采用某种调制方式并考虑系统非理想因素后所要求的系统误比特性能所对应的等效时域均衡后信噪比； 

生成子信道标识信息及信道矩阵的最佳秩信息的方法如下：只有可用子信道上传输信息符号，而其他频域子信道为禁用子信道不传输符号，D＝{D(k)，k＝0，1…，N-1，其中D(k_q)＝1表示第k_q个子信道为可用子信道，k_q∈{0，1，…，N-1}，q＝0，1，…，M_S-1，D(k)＝0表示第k个子信道为不可用子信道，k≠k_q；标记生成信道矩阵的最佳秩信息的方法如下：首先需要生成log2(N_T)比特的信道秩信息B，比如当N_T＝4时B＝{00，01，10，11}依次标识选定的信道矩阵的最佳秩为1、2、3、4。因此反馈信息包括了子信道标识信息D及信道秩信息B。 

第(2)步，发端根据所采用的调制方式和子信道标识信息及信道秩信息，形成S个原始的M_S等效时域数据帧，经过M_S点FFT，将原始数据帧的等效时域符号变换成等效频域符号，然后根据子信道标记信息及信道秩信息和收发双方约定的频域子信道映射矩阵将该等效频域符号预编码后映射到M_S个可用频域子信道上，生成N_T个N维频域向量，再利用N点IFFT变回到时域，串并变换加CP后同时被N_T个发射天线发送出去； 

将原始数据帧的等效时域符号变换成等效频域符号的具体实现方法为：发端根据所采用的调制方式进行符号映射，形成待传输的S帧M_S个等效时域符号 

d＝1，2，…，经过M_S点FFT，从而得到等效频域符号 

预编码和可用频域子信道映射的实现方法为：发端根据反馈得到的子信道标记信D＝{D(k)，k＝0，1…，N-1}及信道秩信息B，生成频域子信道映射矩阵P及预编码矩阵Q，其中 

且P中的元素仅(k_q+1，q+1)为1而该列的其它元素为0，k_q表示第k_q个可用频域子信道，k_q∈{0，1，…，N-1}，q＝0，1，…，M_S-1，预编码矩阵Q为单位阵的S列，当S列的选取在收发双方在通信前约定好时，根据信道秩信息，生成Q，在第q个等效频域子信道上，预编码将原始等效频域符号 

变换为 

然后频域子信道映射矩阵P，将 

映射到M_S个可用频域子信道k_q上，生成N维向量 其中 

其他 

i＝1，2，…N_T，对X_N，i做N点IFFT得到 

加CP后进行D/A变换再进行载波调制由各个发射大线同时发送出去。 

第(3)步，收端将N_R个接收天线接收到的数据帧去CP后，利用FFT变换到频域，根据子信道标识信息和频域子信道逆映射矩阵选出M_S个可用频域子信道上传输的信号，然后根据信道秩信息和信道状态信息生成均衡矩阵进行均衡，变换回等效时域后判决出发送信息； 

由于CP的作用，在离散时域上，信号与信道脉冲响应的线性卷积可以转换成离散频域上的乘积，因此在第k个频域子信道上， 

且当k＝k_q时， 

否则 

不携带信息，k_q∈{0，1，…，N-1}，q＝0，1，…，M_S-1，k＝0，1，…，N-1； 

在接收端去CP后，第j根接收天线接收到有用信号部分为 

和接收噪声向量 

做N点FFT得到频域形式分别为 

然后，收端先根据子信道标识信息生成可用频域子信道逆映射矩阵P^T，利用频域子信道逆映射矩阵 P^T，选出在可用子信道上传输的符号 j＝1，2，…，N_R，即只保留在第k_q个子信道上传输的符号 

k_q∈{0，1，…，N-1}，q＝0，1，…，M_S-1；利用估计得到的A^k和根据信道秩信息得到的预编码矩阵Q，对选出的符号进行均衡，并将均衡后的频域符号进行M_S点IFFT后得到第d个数据流的估计 

进行判决，d＝1，2，…，S。 

第(4)步，收端进行信道估计得到更新的信道状态信息，根据自适应判决规则，判断是否需要更新子信道标记信息及信道秩信息，如果需要更新，收端根据系统误码性能的要求更新子信道标记信息及信道秩信息，并通过反向信道反馈到发端；当N_T个发射天线上发送新的一帧数据时，发端总是根据收到的最新子信道标记信息和信道秩信息进行信号变换。 

在静态环境下，信道状态信息的获取只需要在通信的初始阶段，确定出可用子信道个数及信道秩信息后就可以连续传输信号。而在移动环境下，信道情况时时变化，用于静态环境的各种算法不能直接用于时变环境下。 

在时变信道中，信道状态信息是时时变化的，获取信道状态信息的方法可以用不同的实现方法，例如可以用训练帧加判决反馈跟踪的方法或判决反馈跟踪加导频符号的方法，也可以使用信道预测的方法等。本发明采用的是判决反馈跟踪加导频符号方法： 

根据对信道估计精度的不同要求，可以在频域插入不同数目的导频符号，导频符号的最少数目为信道时域脉冲响应的长度，插入导频符号比较多时可能达到较高的信道估计精度，但要浪费较多的发射功率和可用频谱，本实施例的仿真结果是采用导频符号数目等于循环前缀，导频插入采用梳妆导频。其具体实现方法为：将导频均匀的分布在子信道中，导频点上发送的信息D是已知的，根据导频点处的频域接收信号，计算出该导频点处的信道特性，非导频点子载波上的信道特性是根据对导频子载波上的信道特性进行插值得到。从而得到所有子信道的信道状态信息。 

在时变信道中，发射端需要知道更新的CSI，而信道估计是在接收端完成的。因此需要设置合理的回传策略，取得性能和回传量之间的折中。本发明根据系统误码性能要求判断是否需要重新更新子信道标记信息及信道秩信息。其具体实现方法为：按照系统要求达到的误比特性能，确定出需要达到的均衡后信噪比的范围，即在这个范围内误码新能的波动时系统可以接受的，例如[SNR_req-2，SNR_req+3]。根据子信道个数M_S和信道秩个数S监测 出每帧的均衡后信噪比： 

并与SNR_req作比较，确定是否在限定的信噪比范围内，如果在所设的范围内，保持当前的信道标识信息D及信道秩信息B不变；否则按照 

最大化M_S×S重新选取可用子信道个数M_S和信道秩个数S，并形成新的信道标识信息D及信道秩信息B，然后把更新后的信道标识信息和秩信息回传给发端。 

本发明的有益效果：本发明采用了一种简单预编码方法结合选频来对抗信道的缺秩，并且在相同频谱利用率下，系统性能通常会远高于非自适应MIMO-SCFDE系统，具有低反馈速率，有效地解决了时变信道下需要频繁地回传大量的反馈信息；通过选择均衡放大噪声小的频域子信道传输信息使得误比特性能不会过度恶化；该系统的BER(Bit Error Rate，误比特率)性能具有简单可控性；克服了现有移动MIMO宽带无线信道中自适应选频分块传输方法中回传信息量大、系统性能难以保证的问题。本发明可以在保证系统性能的前提下较好的解决了反馈回传信息量过大的问题；较好的解决了频率选择性和时间选择性衰落的问题。 

附图说明

图1是实现本发明所提出方法的系统框图； 

其中：1、信源模块，2、比特映射模块，3、FFT模块(M_S点)，4、预编码和可用频域子信道映射模块，5、IFFT模块(N点)，6、加循环前缀(CP)模块，7、D/A模块，8、中频及射频调制模块，9、信道，10、射频及中频解调模块，11、A/D模块，12、去CP模块，13、FFT模块(N点)，14、可用频域子信道逆映射模块，15、均衡模块，16、IFFT模块(M_S点)，17、判决及符号逆映射模块，18、信道估计模块，19、自适应选频及信道秩判断模块，20、选取可用子信道及信道秩模块，21、反向信道，22、同步模块。 

具体实施方式

下面结合实施例和附图说明对本发明作进一步说明： 

在实施例中给出的是基带仿真结果，不考虑同步误差的影响，即同步为理想同步。附图给出了实现发明所提出方法的系统框图，各模块作用如下： 

信源模块1：产生要传输的比特信息。根据反向信道21传回的结果和采用的调制进制 数，产生与所选的可用子信道数目M_s对应长度的S个等效时域数据帧。 

比特映射模块2：将信源产生的数据根据所采用的调制方式映射到星座图对应点上。在本实施例中，采用了4QAM调制。 

FFT模块(M_s点)3：将原始等效时域数据帧变换到等效频域。 

预编码和可用频域子信道映射模块4：该模块根据反向信道模块21的信道秩信息生成预编码矩阵，并对原始等效频域信息符号进行预编码。在本实施例中，收发双方实现约定好预编码矩阵的列选取方式为前几列，即根据信道秩信息得到信道的最佳秩为S，预编码矩阵为 

根据反向信道模块21的子信道标识信息，生成频域子信道映射矩阵并将等效频域信息符号映射到可用频域子信道上，而禁用频域子信道不传输信息符号，生成N维的频域信息符号向量。此模块需要按照本发明介绍的方法编程，由通用数字信号处理芯片实现。在本实施例中，收发双方实现约定好频域子信道映射矩阵为满足 

且P中的元素仅(k_q+1，q+1)为1而该列其它元素为0的阶梯形矩阵。 

IFFT模块(N点)5：将可用频域子信道映射后得到的频域信号变换到时域。 

加CP模块6：将得到的每帧数据加上循环前缀。 

D/A模块7：将数字信号变换为模拟信号。 

中频及射频调制模块8：信号调制到中频上进行中频放大，再做射频调制，最后将已调信号由天线发射。 

信道9：传输信号的频域选择性MIMO信道。 

射频及中频解调模块10：将接收天线接收下来信号的频谱从射频或者中频上搬移到低频。在解调之前需要用频率同步数据纠正信号传输过程中引起的频偏。 

A/D模块11：将解调后模拟信号变换为数字信号。A/D变换需要对模拟信号进行抽样，提供时钟信号的晶振需要跟发射机D/A模块的晶振频率相同，否则就会导致抽样率误差。因此在A/D变换之前要进行抽样率同步。 

去CP模块12：将循环前缀去掉。这时就存在判断一帧数据从哪开始的问题，则去CP之前需要做定时同步。 

FFT模块(N点)13：将去掉CP的时域信号变换到频域。 

可用频域子信道逆映射模块14：根据反向信道模块21送来的子信道标识信息，选出接收信号中由M_S个可用频域子信道携带的等效频域信号。此模块需要按照本发明介绍的方法 编程，由通用数字信号处理芯片实现。 

均衡模块15：用信道估计模块18送来的CSI及反向信道模块21送来的信道秩信息，生成均衡矩阵进行均衡。本实施例采用了ZF均衡。 

IFFT模块(M_s点)16：将均衡后的等效频域符号变换到等效时域。 

判决及符号逆映射模块17：判决出发送符号，并将其逆映射成比特信息。 

信道估计模块18：进行信道状态信息获取。在本实施例中采用判决反馈跟踪加导频符号的方法获取信道状态信息。反向信道模块21利用估计出的CSI信息，确定预编码矩阵的秩及可用频域子信道，并将生成的子信道标识信息传送给可用频域子信道映射模块和预编码模块4和可用频域子信道逆映射模块14，将信道秩信息传送给可用频域子信道映射模块和预编码模块4和均衡模块15。同时将估计得CSI送给均衡模块15。 

自适应选频及信道秩判断模块19：该模块根据信道估计模块18传来的每帧更新的信道状态信息，得到所有频域子信道的信道矩阵A^k(k＝0，1，…，N-1)，确定出的最佳秩S和可用子信道个数M_s进行判断。可以采用不同的判断规则。如果判断结果是需要进行重新选频及信道秩，则控制选取可用子信道及信道秩模块20工作；发端在发送新的一帧数据时，总是按照最近获得的子信道标记信息工作。 

根据系统误码性能要求判断是否需要重新选频及信道秩的自适应准则可以有多种，例如： 

(a)计算出当前的均衡后信噪比，记为实际的均衡后信噪比，与期望均衡后信噪比作差值，为这个差值设定上限和下限，如果所得的差值在所设定的上限和下限之间，保持当前的信道标记信息不变；如果所得的差值超出了上限或下限，重新选频；这种自适应准则可以保证系统的误码性能在要求的范围内。 

(b)如果可以得到全部的信道状态信息，即包括可用子信道和不用的子信道的信道状态信息；假设噪声功率一定，计算出当前的均衡后信噪比，记为实际的均衡后信噪比；在信道状态信息更新后的全部子信道中选取使均衡后信噪比为最大的子信道组，并且子信道数目为当前可用子信道数目，记这个最大的均衡后信噪比为最优均衡后信噪比；将实际的均衡后信噪比与最优均衡后信噪比作差值，为这个差值设定上限和下限，如果所得的差值在所设定的上限和下限之间，保持当前的信道标记信息不变；如果所得的差值超出了上限或下限，重新选频。这种自适应准则也可以保证系统的误码性能在要求的范围内。 

选取可用子信道及信道秩模块20：该模块由自适应选频及信道秩模块19的结果决定是否需要进行重新选频及信道秩。如果需要重新选取，则该模块工作，根据系统所要求的误 比特性能，进行预编码矩阵的秩选择及可用子信道选择，同时生成子信道标记信息和信道秩信息，将子信道标记信息和信道秩信息同时送给可用频域子信道逆映射模块14和反向信道21，通过反向信道发回发端的预编码和可用频域子信道映射模块4；此模块需要按照本发明介绍的方法进行编程，有数字信号处理芯片实现。 

反向信道模块21：将子信道标记信息和信道秩信息传回发端。 

同步模块22：通过参数估计(例如：盲估计和基于辅助数据的估计)的办法得到系统需要的各种同步数据。同步模块将频率同步数据送给射频及中频解调模块10；将抽样率同步数据送给A/D模块12；将定时同步数据送给去CP模块12。在本实施例，假设为同步理想。 

该实例仿真参数： 

仿真环境：MATLAB R2009b 

子信道总数：N＝1024 

CP长度：256 

调制方式：2PSK，4QAM，16QAM 

仿真所选的平均接受信噪比SNR：13dB，20dB 

最大多普勒频率fd：111Hz，166Hz，222Hz 

抽样率：20M bps 

仿真信道环境：采用4×4MIMO时变信道 

时变信道：采用IMT2000车载环境的A模型(ITU IMT2000 Vehicular Test Environmentchannel model A)，可参考国际电信联盟建议第M.1225号(RECOMMENDATION ITU-RM.1225GUIDELINES FOR EVALUATION OF RADIO TRANSMISSION TECHNOLOGIES FOR IMT-2000)。 

仿真中用于信道估计的训练帧比普通数据帧的信噪比高3dB 

仿真中没有考虑同步误差(包括载波同步误差、抽样率同步误差和帧定时同步误差)对系统的影响，即假设所有同步参数的误差都为0；没有考虑反向信道回传子信道标识信息及信道秩信息时的传输时延和传输误码的影响，即假设传输时延和误码都为0；没有考虑其他非理想因素的影响(例如器件的非线性等)。 

仿真结果： 

下面给出采用本发明提出的车速移动自适应MIMO-SCFDE系统与不采用自适应算法的MIMO-SCFDE系统的对比。表1为平均接收信噪比为13dB时，本发明采用的自适应算法与非自适应算法的比较。表2为平均接收信噪比为20dB时，本发明采用的自适应算法与非自适应算法的比较。由仿真结果可以看出：在相同频谱利用率下，本发明提出的车速移动自适应MIMO-SCFDE系统性能会远高于非自适应MIMO-SCFDE系统。 

(1)平均接收信噪比：SNR＝13dB 

表1 

(2)平均接收信噪比：SNR＝20dB 

表2 

为避免混淆，本说明书中所提到的一些名词或符号做以下解释： 

1、频域子信道：MIMO-SCFDE的频域子信道概念，等同于MIMO-OFDM中的子载波的概念。 

2、等效时域符号：M_S点FFT前及M_S点IFFT后的符号。 

3、等效频域符号：M_S点FFT后及M_S点IFFT前的符号。 

4、时域信号：N点FFT前及N点IFFT后的符号。 

5、频域信号：N点FFT后及N点IFFT前的符号。 

6、 

矩阵的M-P逆。 

Claims (4)

1.一种车速移动MIMO-SCFDE系统的自适应传输方法，该方法包括以下步骤：

(1)对于N_T×N_R的自适应MIMO-SCFDE系统，收发双方建立通信后，收端根据当前的信道状态信息、所要求的系统误比特性能，从全部的N个频域子信道中选择出可用的M_S个子信道并且确定信道矩阵的最佳秩S，生成子信道标识信息及信道秩信息，并将该子信道标识信息及信道秩信息经由反馈信道发送给发端；其中，N_T：发送天线数目；N_R：接收天线数目；N：未加保护间隔的一帧SC-FDE帧的长度；M_S：所选的频域子信道数目；

(2)发端根据所采用的调制方式和子信道标识信息及信道秩信息，形成S个原始的等效时域数据帧，经过M_S点FFT，将原始数据帧的等效时域符号变换成等效频域符号，然后根据子信道标记信息及信道秩信息和收发双方约定的频域子信道映射矩阵将该等效频域符号预编码后映射到M_S个可用频域子信道上，生成N_T个N维频域向量，再利用N点IFFT变回到时域，串并变换加CP后同时被N_T个发射天线发送出去；

(3)收端将N_R个接收天线接收到的数据帧去CP后，利用FFT变换到频域，根据子信道标识信息和频域子信道逆映射矩阵选出M_S个可用频域子信道上传输的信号，然后根据信道秩信息和信道状态信息生成均衡矩阵进行均衡，变换回等效时域并完成判决；

其特征是，收端进行信道估计得到更新的信道状态信息，根据自适应判决规则，判断是否需要更新子信道标记信息及信道秩信息，如果需要更新，收端根据系统误码性能的要求更新子信道标记信息及信道秩信息，并通过反向信道反馈到发端；当发射天线上发送新的一帧数据时，发端总是根据收到的最新子信道标记信息和信道秩信息进行信号变换。

2.如权利要求1所述的一种车速移动MIMO-SCFDE系统的自适应传输方法，其特征是，所述获取信道状态信息方法用：训练帧加判决反馈跟踪的方法、判决反馈跟踪加导频符号的方法或使用信道预测的方法。

3.如权利要求2所述的一种车速移动MIMO-SCFDE系统的自适应传输方法，其特征是，所述获取信道状态信息方法用判决反馈跟踪加导频符号的方法，其具体实现方法为：采用导频符号数目等于循环前缀，导频插入采用梳妆导频；将导频均匀的分布在子信道中，导频点上发送的信息D是已知的，根据导频点处的频域接收信号，计算出该导频点处的信道特性，非导频点子载波上的信道特性是根据对导频子载波上的信道特性进行插值得到，从而得到所有子信道的信道状态信息。

4.如权利要求1所述的一种车速移动MIMO-SCFDE系统的自适应传输方法，其特征是，判断是否需要更新子信道标记信息及信道秩信息的具体实现方法为：按照系统要求达到的误比特性能，确定出需要达到的均衡后信噪比的范围，根据子信道个数M_S和信道秩个数S监测出每帧的均衡后信噪比SNR_post，并与NSR_req作比较，确定是否在限定的信噪比范围内；如果在所设的范围内，保持当前的信道标识信息D及信道秩信息B不变；否则按照SNR_post≥SNR_req，最大化M_S×S重新选取可用子信道个数M_S和信道秩个数S，并形成新的信道标识信息D及信道秩信息B，然后把更新后的信道标识信息和秩信息回传给发端；其中SNR_req为采用某种调制方式并考虑系统非理想因素后所要求的系统误比特性能所对应的等效时域均衡后信噪比；SNR_post为均衡后信噪比；SNR_pre为均衡前信噪比。

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