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CN105262525B - 多输入多输出正交频分复用系统子载波分簇预编码方法 - Google Patents

多输入多输出正交频分复用系统子载波分簇预编码方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种多输入多输出正交频分复用系统子载波分簇预编码方法，包括利用训练序列Ts估计信道自相关R(t,f)；利用绝对容量损失公式或相对信道容量损失公式计算出容量损失阈值Th约束下的信道相关阈值ζ。根据分簇规则对子载波进行分簇；利用训练序列Ts估计分簇中心子载波(nc,kc)上的信道衰落矩阵并更新信道自相关函数；计算中心载波上的信道容量，并根据损失后的容量分配码流速率。最后，针对载波分簇结果对传输码流进行分簇预编码；返回分簇预编码后的信号序列Ps。

Description

多输入多输出正交频分复用系统子载波分簇预编码方法
技术领域
本发明隶属智能大容量无线通信领域，处理多输入多输出正交频分复用(MIMO-OFDM)系统中子载波智能分簇预编码的问题。
背景技术
MIMO-OFDM系统结合了多输入多输出(MIMO)技术的大容量、抗衰落特性与正交频分复用(OFDM)技术的抗多径、抗频率选择性衰落的优点，在提高通信系统传输速率的同时有效提高系统可靠性。
为了支持接收端MIMO信号的解调，发送端需要在已知完整信道状态(CSI)的情况下对发送信号进行预编码，预编码操作可降低接收端解调复杂度、提升信道利用率，但在很大程度上增加了发送端的编码复杂度。在天线数与子载波数目较多的情况下，对通信系统而言，该复杂度会引起严重的系统资源开销。目前有效的解决方案就是对子载波进行分簇，利用簇中心子载波的CSI近似刻画同簇的子载波信道状态并进行预编码，显著地降低预编码矩阵的阶数，从而降低编码复杂度。然而，该子载波分簇方法会在编码与子载波信道之间引入一定的失配，造成信道容量损失。
考虑一个MIMO-OFDM通信系统如图1所示。发送端天线数目为Nt，接收端天线数目为Nr，OFDM子载波数目为K。在该系统中，每一路天线上的信号在发送端经串并转换并进行K阶-IFFT操作后即被分配到K个OFDM子载波上。将每个子载波上的信号单独提取出来即为每个OFDM子载波上的MIMO信号。将邻近的几个子载波划分为一簇，同一簇中的子载波数目记为分簇大小S，使用统一的预编码矩阵对同一簇中的S个子载波进行预编码，即为子载波分簇预编码算法。使用该种算法可以有效降低预编码复杂度，但同时也引入了信道与编码矩阵之间的失配，造成容量损失。因此，在容量损失与系统复杂度之间存在某种权衡。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种根据信道容量损失阈值自适应调节分簇预编码中子载波分簇大的方法。
为达到上述发明目的，本发明多输入多输出正交频分复用系统子载波分簇预编码方法，所述方法包括：
利用训练序列Ts估计信道自相关R(t,f)；
预定信道容量损失阈值Th；
计算所述信道容量损失阈值Th约束下的信道自相关阈值ζ；
基于分簇规则将符合分簇规则的子载波(n,k)分为一簇，所述的分簇规则为：其中
表示第k个子载波与第kc个子载波之间的频率差；
表示第n个时隙与第nc个时隙之间的时间差；
k为载波下标，表示当前子载波为K个子载波中第k个子载波；
kc为中心子载波下标，表示载波分组后中心子载波的下标；
n为时隙下标，表示从信号传输开始第n个时隙；
nc中心时隙下标，表示载波分组后中心子载波所在时隙的下标；
进一步地，还包括：
利用训练序列Ts估计分簇中心子载波(nc,kc)上的信道衰落矩阵
计算中心载波上的信道容量，并根据损失后的容量分配码流速率；
基于载波分簇结果对传输码流进行分簇预编码，得到分簇预编码后的信号序列Ps。
具体地，信道容量损失阈值Th与信道自相关阈值ζ的关系为：
与
其中，
fABloss为绝对信道容量损失，fREloss为相对信道容量损失；
其中，当以第nc时隙、第kc个子载波上的CSI对第n个时隙、第k个子载波进行预编码时，信道容量损失随信道失配的变化而变化，信道容量损失的上界为：
其中为每根天线上的功率；
为失配信道的等效信噪比；
为第n个时隙、第k个子载波上的信道状态，公式表示为：
对上述公式(3)取期望得遍历容量损失为：
其中，
发送端与接收端天线数中的最大值u＝max{Nt,Nr},v＝min{Nt,Nr}；
常数ζ＝0.577215649…，αk＝γkv(v-1)…(v-k+1)/k；
α1k与α2k为分别代入适配与失配等效信噪比γe情况下的αk；
等效信噪比γe定义如下
信道自相关与信道失配的关系表示如下；
其中，是子载波k与kc之间的频率差；
表示的是频域自相关值；
是时隙n与nc之间的时间差
表示的是时域自相关值。
具体地，每一簇中子载波数目S为
其中Bt、Bf分别为时域与频域子载波间隔。
本发明多输入多输出正交频分复用系统子载波分簇预编码方法，针对MIMO-OFDM预编码技术中子载波自适应分簇问题，提供一种根据系统服务质量需求来智能调节子载波分簇大小的方法。从而实现对系统服务质量的有效控制，并使得系统能够在容量损失与复杂度开销之间取得有效折中。在信道质量较差时，系统能够通过缩减子载波分簇大小的方式来降低容量损失阈值，即通过增加系统复杂度开销获得了较佳的系统服务质量；而在良好的信道环境之下，用户对系统服务质量的降低并不敏感，系统则可以通过适当增加子载波分簇大小的方式来降低系统复杂度开销。
附图说明
图1是本发明MIMO-OFDM通信系统模型图；
图2是本发明多输入多输出正交频分复用系统子载波分簇预编码方法，使用一系列菱形在不同时间段、不同情境下对载波进行分簇的示意图载波分簇示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述。
如图1所示，一个MIMO-OFDM通信系统模型图。发送端天线数目为Nt，接收端天线数目为Nr，OFDM子载波数目为K。在该系统中，每一路天线上的信号在发送端经串并转换并进行K阶-IFFT操作后即被分配到K个OFDM子载波上。将每个子载波上的信号单独提取出来即为每个OFDM子载波上的MIMO信号。将邻近的几个子载波划分为一簇，同一簇中的子载波数目记为分簇大小S，使用统一的预编码矩阵对同一簇中的S个子载波进行预编码，即为子载波分簇预编码算法。使用该种算法可以有效降低预编码复杂度，但同时也引入了信道与编码矩阵之间的失配，造成容量损失。因此，在编码复杂度与信道容量之间存在权衡置换。
实施例1
本实施例多输入多输出正交频分复用系统子载波分簇预编码方法，所述方法包括：
利用训练序列Ts估计信道自相关R(t,f)；
预定信道容量损失阈值Th；
计算所述信道容量损失阈值Th约束下的信道自相关阈值ζ；
基于分簇规则将符合分簇规则的子载波(n,k)分为一簇，所述的分簇规则为：其中
表示第k个子载波与第kc个子载波之间的频率差；
表示第n个时隙与第nc个时隙之间的时间差；
k为载波下标，表示当前子载波为K个子载波中第k个子载波；
kc为中心子载波下标，表示载波分组后中心子载波的下标；
n为时隙下标，表示从信号传输开始第n个时隙；
nc中心时隙下标，表示载波分组后中心子载波所在时隙的下标。
本实施例，根据信道容量损失阈值自适应调节分簇预编码中子载波分簇大小S的方法。本实施例，根据信道容量损失阈值Th反推出自相关阈值ζ(一一对应关系由绝对信道容量损失fABloss与相对信道容量损失fREloss的单调性保证)，可得分簇方案为将所有满足分簇规则的子载波(n,k)分为一簇进行预编码。
以下为本实施例容量损失阈值Th反推出自相关阈值ζ的具体推导过程。
当以第nc时隙、第kc个子载波上的CSI对第n个时隙、第k个子载波进行预编码时，信道容量损失随信道失配的变化而变化，信道容量损失的上界为：
其中为每根天线上的功率；
为失配信道的等效信噪比；
为第n个时隙、第k个子载波上的信道状态，公式表示为：
对上述公式(3)取期望得遍历容量损失为：
其中，
发送端与接收端天线数中的最大值u＝max{Nt,Nr},v＝min{Nt,Nr}；
常数ζ＝0.577215649…，αk＝γkv(v-1)…(v-k+1)/k；
α1k与α2k为分别代入适配与失配等效信噪比γe情况下的αk；
等效信噪比γe定义如下
信道自相关与信道失配的关系表示如下；
其中，是子载波k与kc之间的频率差；
表示的是频域自相关值；
是时隙n与nc之间的时间差
表示的是时域自相关值。
本实施例中，信道容量损失阈值Th与信道自相关阈值ζ的关系为：
与
其中，
fABloss为绝对信道容量损失，fREloss为相对信道容量损失。
进一步地，根据独立散射条件下的自相关函数可拆分性，可将该编码方案直观地表述为：使用时域方向对角线长频域方向对角线长的一系列菱形对载波平面进行划分，在同一个菱形中的子载波分为一簇。如图2所示，为使用一系列菱形在不同时间段、不同情境下对载波进行分簇的示意图。a、b、c、d四部分图形代表了随着信道自相关的不断变化，系统分组参数不断调节的过程。例如，a部分中的分组参数由于信道自相关随时间变化而不再符合当时的系统容量要求，因此针对新的信道自相关参数制定新的分组参数如绿色部分所示，时间分组长度得到加长、频率分组长度得到缩减。
依照本实施例所述方法对子载波进行分簇，每一簇中子载波数目S为
其中Bt、Bf分别为时域与频域子载波间隔。
实施例2
本实施例本实施例多输入多输出正交频分复用系统子载波分簇预编码方法，在实施例1的基础上还包括如下步骤也即对传输码流进行预编码，其中所述预编码方法如下：
利用训练序列Ts估计分簇中心子载波(nc,kc)上的信道衰落矩阵
计算中心载波上的信道容量，并根据损失后的容量分配码流速率；
基于载波分簇结果对传输码流进行分簇预编码，得到分簇预编码后的信号序列Ps。
本发明所述的方法的运行过程如下：
输入：
MIMO-OFDM结构{Nt,Nr,K}；
训练序列Ts；
接收端工作信噪比
容量损失阈值Th；
输出：
分簇预编码后的信号序列Ps。
本发明中的符号与其对应的含义详见下表。
以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种多输入多输出正交频分复用系统子载波分簇预编码方法，其特征在于，所述方法包括：
利用训练序列Ts估计信道自相关R(t,f)；
预定信道容量损失阈值Th；
计算所述信道容量损失阈值Th约束下的信道自相关阈值ζ；
基于分簇规则将符合分簇规则的子载波(n,k)分为一簇，所述的分簇规则为：其中
表示第k个子载波与第kc个子载波之间的频率差；
表示第n个时隙与第nc个时隙之间的时间差；
k为载波下标，表示当前子载波为K个子载波中第k个子载波；
kc为中心子载波下标，表示载波分组后中心子载波的下标；
n为时隙下标，表示从信号传输开始第n个时隙；
nc中心时隙下标，表示载波分组后中心子载波所在时隙的下标；
还包括：
利用训练序列Ts估计分簇中心子载波(nc,kc)上的信道衰落矩阵
计算中心载波上的信道容量，并根据损失后的容量分配码流速率；
基于载波分簇结果对传输码流进行分簇预编码，得到分簇预编码后的信号序列Ps；
信道容量损失阈值Th与信道自相关阈值ζ的关系为：
与
其中，
fABloss为绝对信道容量损失，fREloss为相对信道容量损失；
其中，当以第nc时隙、第kc个子载波上的CSI对第n个时隙、第k个子载波进行预编码时，信道容量损失随信道失配的变化而变化，信道容量损失的上界为：
其中为每根天线上的功率；
为失配信道的等效信噪比；
为第n个时隙、第k个子载波上的信道状态，公式表示为：
对上述公式(3)取期望得遍历容量损失为：
其中，
发送端与接收端天线数中的最大值u＝max{Nt,Nr},v＝min{Nt,Nr}；
常数ζ＝0.577215649…，αk＝γkv(v-1)…(v-k+1)/k；
α1k与α2k为分别代入适配与失配等效信噪比γe情况下的αk；
等效信噪比γe定义如下
信道自相关与信道失配的关系表示如下:
其中，是子载波k与kc之间的频率差；
表示的是频域自相关值；
是时隙n与nc之间的时间差
表示的是时域自相关值；
每一簇中子载波数目S为
其中Bt、Bf分别为时域与频域子载波间隔。
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