专利名称：无线通信系统中使用的低复杂度比特和功率分配方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及多天线无线通信系统中的自适应传输。特别是，涉及在无线通信系统中使用的低复杂度的比特和功率分配方法和装置，能够降低用于传输比特和功率分配的域的维数，从而简化比特和功率分配算法。
背景技术：
随着无线网络和因特网的逐渐融合，人们对无线通信业务的类型和质量的要求越来越高。为满足无线多媒体和高速率数据传输的要求，需要开发新一代无线通信系统。其中多天线输入和输出(MIMO)和正交频分复用(OFDM)相结合的MIMO-OFDM技术越来越受到人们的关注。
在MIMO系统中，发送端利用多根天线进行信号的发送，接收端利用多根天线进行信号的接收。研究表明，相比于传统的单天线传输方法，MIMO技术可以显著地提高信道容量，从而提高信息传输速率。另外，MIMO系统采用的发送和接收天线数愈多，其可提供的信息传输速率就愈高。由于空间的天线资源相比较于时频资源几乎是无限可利用的，因此MIMO技术有效地突破了传统研究中的瓶颈，成为了下一代无线通信系统的核心技术之一。除此之外，OFDM技术亦是目前解决高速无线数据传输的主流技术之一。
OFDM技术的原理是将要传输的高速数据用许多个正交的子载波来传输，每个子载波上的数据速率相对较低。与通常的频分复用系统相比，OFDM中子载波的正交交迭使系统具有更高的频谱利用率。OFDM中将整个信号带宽划分为多个很窄的子载波频带，由于每个子载波带宽小于信道的相干带宽，从而是平坦衰落。这样，与单载波系统相比，OFDM中的均衡要容易实现的多。
自适应传输技术也可以有效地提高衰落信道中的信息传输速率。自适应调制与编码(AMC)技术是一种重要的自适应传输技术。其基本思想是根据当前的信道特性自适应地改变发送时采用的调制和编码参数以及发送功率。通过在信道条件好时多传输信息，在信道条件差时少传输信息来提高系统的性能。因此，自适应传输技术具有更高的信息传输速率，更低的误码率(BER)，以及更低的发送功率。
因此，如果将MIMO-OFDM与AMC技术相结合，将可以获得比单纯使用一种技术更高的系统性能。
图1所示为通常的采用AMC技术的MIMO-OFDM系统的结构示意图。
如图1所示，在该结构中，发送端包括串/并(S/P)变换单元101，自适应调制和编码单元102，发送功率控制单元103，串/并(S/P)变换单元104，反快速傅立叶变换(IFFT)单元105，并/串(P/S)变换单元106，循环前缀(CP)插入单元107，和发送天线108。接收端包括接收天线109，循环前缀(CP)去除单元110，串/并(S/P)变换单元111，快速傅立叶变换(FFT)单元112，并/串(P/S)变换单元113，信道估计单元114，AMC参数选取及功率分配单元115，和MIMO检测单元116。
发送端和接收端分别采用nT和nR个天线进行信号的发送和接收。在发送端，待发送的频域数据首先经过串/并变换单元101分成nT路数据子流，每个数据子流对应一个发送天线。然后，自适应调制和编码单元102分别对每个数据子流根据其当前的信道传输特性进行自适应调制和编码，发送功率控制单元103对经过自适应调制和编码的数据子流进行发送功率控制。接下来，将发送功率控制单元103输出的频域符号通过串/并变换单元104，反快速傅立叶变换(IFFT)单元105，和并/串变换单元106转换成时域信号。最后，循环前缀(CP)插入单元107在并/串变换单元106的输出信号之上进行插入循环前缀的操作，再从各自对应的发送天线108上发送出去。
在发送端，对每个数据子流进行AMC操作和发送功率控制操作所需的诸如调制与编码(M)和发送功率(P)之类的参数均来自于接收端的估计，并通过反馈信道117进行的反馈。另外，发送端还需要根据接收端反馈的AMC的参数M控制串/并转换单元101输出的每个数据子流的长度。
在接收端，首先由nR个接收天线109将空间全部信号接收下来。然后，循环前缀(CP)去除单元110分别对每个天线上的接收信号进行去除CP的操作。接下来，再将循环前缀(CP)去除单元110输出的时域信号通过串/并变换单元111，快速傅立叶变换(FFT)单元112，和并/串变换单元113转换成频域信号。然后，由信道估计单元114根据该接收信号中的导频信号或采用其他方法进行信道估计，以便估计出当前的信道转移函数矩阵H。此后，AMC参数选取及功率分配单元115根据矩阵H来确定发送端进行自适应传输时所采用的参数，并将为每个数据子流分配好的调制与编码参数M以及发送功率P通过反馈信道117发送回发送端，用于发送端在进行AMC和功率控制时的实际操作。最后，MIMO检测单元116根据信道特性矩阵H，以及AMC参数选取及功率分配单元115输出的各子流的调制编码参数和功率分配结果，对各个发送数据子流进行检测，并得到原始的发送数据。
这里，MIMO检测可以采用多种方法，比如常用的迫零(ZF)，最小均方误差(MMSE)，或者其他方法。MIMO检测一般包含了两部分操作用检测子解出发送端的各天线发送的信号；对每个信号进行解调和译码。在实际的MIMO检测中，解出各天线发送的信号与解调译码这两部分往往并非是独立进行的。前者的输出送给后者，而前者的进行又往往需要后者的输出。这也就是一般把解调与译码模块也归入MIMO检测模块的原因。
需要注意的是，对于MIMO-OFDM系统来说，其信道转移函数矩阵H是一个三维矩阵，或者表示成一个二维矩阵组。具体地说，H＝{H1，H2，...，HNc}，其中Hc是MIMO-OFDM中第c个子载波上的信道转移函数矩阵(c＝1，2，...，Nc)，Hc是一个nR*nT的矩阵，其中第i行，第j列上的元素Hc(i，j)是OFDM中第c个子载波信号在第j个天线上发送，在第i个天线上接收后的信道频域增益，i＝1，2，...，nR，j＝1，2，...，nT。
自适应传输中的一个重要问题是对每个传输单元上传输的信息比特数和发送功率进行分配，其中对传输信息比特数的分配即等同于AMC参数的选取(信息比特数与选取的AMC参数一一对应，两者可以认为是等价的)。对于MIMO-OFDM来说，其自适应传输单元的结构如图2所示。
图2示出了MIMO-OFDM中的自适应传输单元结构的示意图。
从图2中由频域和空域组成的二维结构可见，在一个自适应传输间隔时间内共包含Nc*nT个自适应传输单元，其中Nc和nT分别表示MIMO-OFDM中的子载波总数，和发送端所采用的发送天线总数。对图2中每个传输单元进行比特和功率的分配实际上就是对每个传输单元内传输的数据子流进行AMC参数的选取和发送功率的分配。在图2中，用si，j表示MIMO-OFDM中第i个子载波在第j个发送天线上发送的传输数据单元，或者说是数据子流，其中i＝1，2，...，Nc，j＝1，2，..nT。
在传统的MIMO-OFDM-AMC中，其接收端的AMC参数选取及功率分配单元115可以进一步用图3表示。
图3所示为传统的AMC参数选取和功率分配装置的示意图。
如图3所示，在传统的MIMO-OFDM-AMC中，其AMC参数选取及功率分配装置115包含两个子单元信号干扰比(SINR)增益计算单元301和传输比特数和发送功率分配单元302。其处理过程如下(1)首先由SINR增益计算单元301利用信道估计单元114所得的信道传输特性矩阵H来计算MIMO-OFDM中每个自适应单元所对应的发送数据子流si，j经MIMO检测后的信号与干扰噪声比(SINR)增益Gi，j，其中i＝1，2，...，Nc，j＝1，2，..nT。
这里，SINR增益Gi，j的大小除了与H有关外，还与具体所采用的MIMO检测方法有关。许多参考文献都给出了相关的计算公式。比如，对于ZF检测来说，第i个子载波，第j个发送天线上发送的数据子流si，j经MIMO检测后的SINR增益Gi，j为Gi,j=1[(Hi)*Hi]jj-1,]]>其中Hi表示OFDM中第i个子载波上的信道转移函数矩阵。
(2)接下来，由传输比特数和发送功率分配单元302根据上述计算所得的Gi，j，在频域一空域对每个发送子流si，j上所分配的传输信息比特数mi，j和发送功率pi，j进行联合优化，其中i＝1，2，...，Nc，j＝1，2，..nT目前，可用于自适应传输中的比特和功率优化的算法有多种，比如著名的贪心(Greedy)算法。采用Greedy算法优化mi，j和pi，j的过程如图4所示。
图4所示为采用Greedy算法对分配比特和发送功率进行优化的流程图。具体地说，该优化包括以下步骤。
初始时，在步骤S401，每个发送子流si，j上所分配的传输信息比特数mi，j和发送功率pi，j均为0。在步骤S402，计算所有子流si，j提升一级AMC参数所需增加的发送功率p’i，j，其中i＝1，2，...，Nc，j＝1，2，..nT。增加的发送功率可以用下面的公式(1)表示。
p′i,j=SBER(mi,j+1)-SBER(mi,j)Gi,j---(1)]]>其中SBER(n)表示为了满足系统给定的比特误差率(BER)的要求，当传输的平均信息比特数为n时，接收端所需的接收功率阈值。SBER(1)，SBER(2)，...的数值在初始时一般都已通过仿真或公式计算得到。
此后，在步骤S403，比较所有的p’i，j值，并得到最小值p’i*，j*。即表示在所有的发送子流中，在子流si*，j*上多传输一个信息比特(等效于步骤S402中的提升一级AMC参数)所需增加的发送功率值最小。在步骤S404，在子流si*，j*上多传输1个信息比特，即提升一级AMC参数。然后，在步骤S405判断此时是否已满足目标吞吐的需要。可以假设系统要求所有子流si，j上的总平均吞吐值为Rb，比较Rb与此时的实际吞吐R=ΣiΣjmi,j.]]>如果R＜Rb，则表示此时的比特分配还未能满足系统目标吞吐的要求。这种情况下，流程回到步骤S402，进行下一个比特的分配。否则，整个比特分配工作在步骤S406结束。此时所得的每个mi，j数值即为子流si，j上最终的比特分配结果，pi，j可以通过下面的公式(2)计算得到。
pi,j=SBER(mi,j)Gi,j---(2)]]>如前所述，在传统的MIMO-OFDM-AMC中，对每个发送子流si，j上所分配的传输信息比特数mi，j和发送功率pi，j在频域-空域上进行联合优化，主要体现在步骤S403中。在步骤S403中，对频域上的所有子载波，空域上的所有发送天线所对应的所有发送子流进行比较。简单地讲，该算法中每分配一个比特，便将所有的Nc*nT个子流遍历和比较一遍。
显然，传统的MIMO-OFDM-AMC中所采用在频域-空域上进行联合优化比特和功率分配的方法会带来很高的实现复杂度，尤其是在系统目标吞吐Rb较高时更是如此。通过对容量的理论研究表明，在自适应传输中，单纯在空域进行自适应分配，与在频域-空域上进行联合分配相比，前者带来的信道容量上的损失很小。也就是说，如果将传统所采用在频域-空域上进行联合优化比特和功率分配的方法，改为单纯在空域进行比特和功率分配的方法，将不会带来多大的系统性能损失。而与前者相比，后者的实现复杂度要低很多。更为重要的时，在这种情况下，还可以充分利用MIMO-OFDM中相邻子载波上信道特性的相关性，将比特和功率分配算法进一步简化。
发明内容
本发明的目的是提供一种MIMO-OFDM中一种低复杂度的比特和功率分配方法和装置，该方法和装置仅在空域为每个发送子流进行传输比特和功率分配上的优化。
为了实现本发明的目的，根据本发明的一个方面提供一种用于多天线输入和输出无线通信系统的传输比特和发送功率分配方法，包括步骤计算每个发送子流经多天线输入和输出检测后的信号与干扰噪声比增益；根据所得到的信号与干扰噪声比增益，对频域中某个子载波上的全部发送子流在空域进行传输比特和功率分配优化以确定分配参数；和依次利用已确定分配参数的子载波上所分配的参数信息，对其相邻子载波进行传输比特和功率分配优化。
根据本发明的另一个方面，提供一种用于多天线输入和输出无线通信系统的传输比特和发送功率分配装置，包括信号干扰比增益计算装置，利用估计的信道传输特性矩阵H计算多天线输入和输出数据中每个自适应单元所对应的发送数据子流经多天线输入和输出检测后的信号干扰比增益；传输比特和功率分配优化装置，用于根据所得到的信号与干扰噪声比增益，对频域中某个子载波上的全部发送子流在空域进行传输比特和功率分配优化以确定分配参数；和相邻子载波传输比特和功率优化装置，依次利用已确定分配参数的子载波上所分配的参数信息，为其相邻子载波进行传输比特和功率分配优化。
根据本发明的方法和装置，单纯在空域进行比特和功率分配，降低了用于传输比特和功率分配的域的维数，与传统的方法相比可以有效地降低实现复杂度。更为重要的是，此时还可以利用相邻子载波上信道特性的相关性，以达到将比特和功率分配算法进一步简化的目的。
通过阅读和理解下面参考附图对本发明优选实施例所做的详细描述，将使本发明的这些和其它目的、特征、和优点变得显而易见。其中图1是现有技术中采用AMC技术的MIMO-OFDM系统结构的示意图；图2是MIMO-OFDM中的自适应传输单元的结构示意图；图3是现有技术中采用的AMC参数选取和功率分配模块的示意图；图4是现有技术中采用Greedy算法对分配比特和发送功率进行优化的方法的流程图；图5是根据本发明实施例的自适应调制与编码(AMC)参数选取和功率分配装置的示意图；和图6是根据本发明实施例采用的传输比特和功率分配方法的流程图。
具体实施例方式
下面参照附图对本发明的实施例进行详细的说明，在描述过程中省略了对于本发明来说是不必要的细节和功能，以防止对本发明的理解造成混淆。
图5所示为根据本发明的AMC参数选取和功率分配装置的示意图。下面结合图5描述根据本发明的AMC参数选取及功率分配装置的实施例。
本发明的AMC参数选取及功率分配装置与图3所示的现有技术中的AMC参数选取及功率分配装置115不同。为了简化起见，下面仅对本发明与现有技术的不同之处进行描述。如图5所示，本发明的AMC参数选取及功率分配装置中包含信号干扰比(SINR)增益计算单元501，传输比特和功率分配优化单元502，和相邻子载波传输比特和功率优化单元503。
下面说明AMC参数选取及功率分配装置的操作。
在接收端，信号干扰比(SINR)增益计算单元501利用信道估计单元114所得的信道传输特性矩阵H计算MIMO-OFDM中每个自适应单元所对应的发送数据子流si，j经MIMO检测后的SINR增益Gi，j，其中i＝1，2，...，Nc，j＝1，2，..nT。
这一过程同前面介绍的现有技术的方法中计算SINR增益的过程一样。然后，由传输比特和功率分配优化单元502对频域某一子载波上的全部发送子流在空域做传输比特和功率分配上的优化。这里，可以采用任何一种现有的用于自适应传输中的比特和功率优化的算法，例如，贪心(Greedy)算法。这一过程与图3所示的现有技术中的单元302的区别在于这里仅对频域某一个子载波上的nT个发送子流进行发送参数的优化，而且优化的范围仅在空域。
接下来，由相邻子载波传输比特和功率优化单元503依次利用已确定分配参数的子载波上所分配的参数信息，为其相邻子载波进行传输比特和功率分配上的优化。已知的是，在MIMO-OFDM中频域相邻的子载波上的信道特性是十分相近的，那么相邻子载波上最终分配到的自适应传输参数亦应该是非常相近的。这就意味着，在自适应参数分配过程中，如果某一子载波上的比特和功率分配已经过优化，那么只需要对该分配的结果进行微小的调整，即可以得到其相邻子载波上的参数分配结果。前面，已经通过子载波传输比特和功率优化单元502得到了频域某一子载波上参数优化的结果。因此，只需要对这一参数进行调整，从而实现对频域所有子载波上的传输参数选取。与对每个子载波进行重复的比特和功率分配相比，采用这样的方法可以大大降低系统的实现复杂度。
图5中给出了本发明的AMC参数选取和功率分配装置的结构，其操作流程由图6来描述。
图6所示的是根据本发明采用的传输比特和功率分配方法的流程图。
具体说来，首先在步骤S601，通过信道估计单元114得到下一个发送时刻的信道转移函数矩阵H，H＝{H1，H2，...，HNc}，其中Hc为MIMO-OFDM中第c个子载波上的信道转移函数矩阵(c＝1，2，...，Nc)。初始时集合U为空，U表示为已完成传输比特和发送功率分配的子载波组成的集合。在步骤S602，计算MIMO-OFDM中每个自适应单元所对应的发送数据子流si，j经MIMO检测后的SINR增益Gi，j，其中i＝1，2，...，Nc，j＝1，2，..nT。步骤S602中的计算过程同上面介绍的现有技术中计算SINR增益的过程一样，直接根据实际的MIMO检测方法和H采用相应的公式进行计算即可。接下来，在步骤S603，为频域某一子载波k上的全部发送子流在空域做传输比特和功率分配上的优化，得到Mk和Pk。其中Mk和Pk分别表示子载波k内每个子流上的传输比特和发送功率分配结果，即Mk＝{mk，1，mk，2，...，mk，nT}和Pk＝{pk，1，pk，2，...，pk，nT}。
这里，可以采用任一种现有的用于自适应传输中的比特和功率优化的算法，例如Greedy算法。其分配和计算方法亦可参照前面的描述，但是需要注意的是这里对频域子载波k上的nT个发送子流进行发送参数的优化时，优化的范围仅限于空域。具体说来，在图4的步骤S402中只需要计算子载波k上的子流sk，1，sk，2，...，sk，nT这nT个子流提升一级参数所需增加的发送功率p’k，1，p’k，2，...，p’k，nT。同时，在图4的步骤S403的比较中，也仅限于空域，即限于子载波k上这nT个数值p’k，1，p’k，2，...，p’k，nT之间的比较。
然后，依次利用已确定分配参数的子载波上所分配的参数信息，为其相邻子载波进行传输比特和功率分配上的优化，得到除子载波k之外其余全部子载波全部子流上的传输比特和功率分配结果。
具体地讲，在步骤S605，判断已完成参数分配的子载波组成的集合U中是否存在如下所述的子载波，即该子载波上相邻子载波还没有进行传输比特和发送功率的分配，并将这两个子载波分别表示成子载波1和子载波1’。在此之前，在步骤S604中，需要将在步骤S603中已分配参数的子载波k加入集合U中。在步骤S605的判断，如果不存在这样的子载波，则表明此时MIMO-OFDM中全部Nc个子载波上都已完成了传输比特和发送功率的分配，该流程结束。否则，这里将子载波1和子载波1’挑选出来，目的是在下面可以利用已分配参数的子载波1上所分配的参数信息，对与其相邻的子载波1’进行自适应参数的分配。
接下来，在步骤S606，将子载波1上分配的传输比特最终参数M1＝{m1，1，m1，2，...，m1，nT}作为子载波1’上分配的传输比特初始参数，即M1’＝M1。然后，再在该初始参数的基础上进行进一步调整。具体地说，在步骤S607，将子载波1’上全部子流都降一级参数，并比较哪个子流上节省的发送功率最大，将其记做子流n，可以由下面的公式(3)表示。
n=argmaxj{SBER(ml′,j)-SBER(ml′,j-1)Gl′,j}---(3)]]>公式(3)中参数的含义与前面所述的相同。
然后，在步骤S608，将子载波1’上全部子流都升一级参数，并比较哪个子流上需增加的发送功率最小，将其记做子流n’，可以由公式(4)表示。
n′=argminj{SBER(ml′,j+1)-SBER(ml′,j)Gl′,j}---(4)]]>此后，在步骤S609，比较n和n’，如果两者数值相等，则表示对子载波1’上的传输比特参数M1’已没有继续调整的必要，流程转到步骤S610。否则，流程转到步骤S607，对M1’继续调整。
在步骤S610，得到子载波1’上的最终的传输比特参数M1’，这里，将子载波1’加入集合U中，并转到步骤S605。
当MIMO-OFDM中所有Nc*nT个子流上传输的比特数完毕后，即得到最终的mi，j结果，其中i＝1，2，...，Nc，j＝1，2，..nT。接下来，再通过公式pi,j=SBER(mi,j)Gi,j]]>可以容易的计算出每个子流上。
至此，通过如上所述的流程可以得到传输比特参数M1’和应分配的发送功率数值。
根据本发明的方案，单纯在空域进行比特和功率分配，降低了用于传输比特和功率分配的域的维数，从而有效地降低了实现复杂度。同时，还可以利用相邻子载波上信道特性的相关性，达到了将比特和功率分配算法进一步简化的目的。
上面已经结合优选实施例对本发明进行了描述。本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不应该被理解为被局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。
权利要求
1.一种用于多天线输入和输出无线通信系统的传输比特和发送功率分配方法，包括步骤计算每个发送子流经多天线输入和输出检测后的信号与干扰噪声比增益；根据所得到的信号与干扰噪声比增益，对频域中某个子载波上的全部发送子流在空域进行传输比特和功率分配优化以确定分配参数；和依次利用已确定分配参数的子载波上所分配的参数信息，对其相邻子载波进行传输比特和功率分配优化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述对频域中某个子载波上的全部发送子流在空域进行传输比特和功率分配优化的步骤包括采用贪心算法进行传输比特和功率分配优化计算的步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括计算所述某个子载波上的子流提升一级参数所需增加的发送功率的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括计算所述某个子载波上的子流提升一个传输比特所需增加的发送功率的步骤。
5.根据权利要求3或4所述的方法，进一步包括计算针对所有子流提升一级自适应调制与编码参数所需增加的发送功率，并比较所有发送功率的值，以得到最小值的步骤。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括判断是否存在相邻子载波还没有进行传输比特和发送功率分配的子载波。
7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括利用已分配参数的子载波上所分配的参数信息，对与其相邻的子载波进行自适应参数的分配的步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括将所述子载波上分配的传输比特最终参数作为所述相邻子载波上分配的传输比特初始参数的步骤。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括根据所述初始参数，对相邻子载波上全部子流降一级参数，并比较哪个子流上节省的发送功率最大的步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括将相邻子载波上的全部子流提升一级参数，并比较哪个子流上需要增加的发送功率最小，并得到最终的传输比特参数。
11.根据权利要求1至10中的任何一项所述的方法，其中所述多天线输入和输出无线通信系统是多天线输入和输出正交频分复用无线通信系统。
12.一种用于多天线输入和输出无线通信系统的传输比特和发送功率分配装置，包括信号干扰比增益计算装置，利用估计的信道传输特性矩阵H计算多天线输入和输出数据中每个自适应单元所对应的发送数据子流经多天线输入和输出检测后的信号干扰比增益；传输比特和功率分配优化装置，用于根据所得到的信号与干扰噪声比增益，对频域中某个子载波上的全部发送子流在空域进行传输比特和功率分配优化以确定分配参数；和相邻子载波传输比特和功率优化装置，依次利用已确定分配参数的子载波上所分配的参数信息，为其相邻子载波进行传输比特和功率分配优化。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述多天线输入和输出无线通信系统是多天线输入和输出正交频分复用无线通信系统。
全文摘要
本发明提供了一种用于多天线输入和输出无线通信系统的传输比特和发送功率分配方法，包括步骤计算每个发送子流经多天线输入和输出检测后的信号与干扰噪声比增益；根据所得到的信号与干扰噪声比增益，对频域中某个子载波上的全部发送子流在空域进行传输比特和功率分配优化以确定分配参数；和依次利用已确定分配参数的子载波上所分配的参数信息，对其相邻子载波进行传输比特和功率分配优化。本发明单纯在空域进行比特和功率分配，降低了用于传输比特和功率分配的域的维数，与传统的方法相比可以有效地降低实现复杂度。
文档编号H04B7/005GK1835415SQ20051005630
公开日2006年9月20日 申请日期2005年3月16日 优先权日2005年3月16日
发明者佘小明, 李继峰 申请人:松下电器产业株式会社