专利名称：Mimo系统中鲁棒的自适应调制方法
技术领域：
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种MIMO系统的自适应调制技术， 在保证系统误比特率和发送功率受限的情况下，利用有误差的信道状态信息最 大化系统的信息传输速率。
背景技术：
自适应调制技术可以才艮据信道状态信息自适应地调整MIMO系统中各发送 天线上信息比特和功率的分布，从而提高系统频谱效率、保证信息传输质量， 在无线通信研究领域受到广泛关注。信道状态信息是自适应调制的基础，其质 量对自适应调制方法的性能有显著影响，然而在实际系统中，由于信道随^l变 化、信道估计误差和处理时延等各方面因素的影响，自适应调制模块几乎不可 能获得发送时刻精确的信道状态信息。传统的基于精确信道状态信息假设的自 适应调制方法会有 一定的性能损失，甚至因为不能满足系统通信质量要求而不 可用。因此，基于不精确信道状态信息的自适应调制方法更具实际意义，是现 在重要的一个研究热点。
基于不精确信道状态信息的MIMO系统中的鲁棒自适应调制方法根据其优 化目标大致可以分为三类发送功率和误比特率受限的情况下最大化频谱效率、 信息传输速率和误比特率受限的情况下最小化发送功率以及固定调制方式在功 率受限的情况下最小化系统误比特率。其中，随着因特网和多媒体业务的发展， 信息传输速率要求逐渐提高，所以第一种是现在研究的热点之一。
发明内容
本发明的目的在于提供在系统误比特率和发送功率受限的条件下，利用不 精确信道状态信息最大化信息传输速率的鲁棒自适应调制方法。本发明不但可 以在不精确信道状态信息下满足系统传输质量要求，并且能够提供较高的频谱效率。
本发明首先分析了MIMO系统中不精确信道状态信息条件下奇异值分解后 各等效子信道的信干噪比；然后将系统误比特率受限近似等效为每个平行子信 道的瞬时误比特率受限，得到各子信道上比特数、功率值和误比特率门限之间 的显式关系；进而在实数域内将比特和功率分配问题构造成凸优化问题并计算 出每个子信道比特分配结果；最后根据实际系统提供的特定调制模式对应的频 i普效率的要求，进行比特数调整，使得各平行子信道比特数是系统可选调制模 式频语效率的其中之一且其对应功率满足发送总功率限制，此时完成了比特和 功率分配。
本发明具体实现步骤如下
1、 分析不精确信道状态信息条件下各等效子信道的信干噪比，并建立 MIMO系统各子信道比特数、发送功率和误比特率门限之间的显式关系。
2、 将整个系统的误比特率受限近似等效为各个子信道的瞬时误比特率受 限，并将自适应调制目标构造为实数域内关于比特数的非线性最优化问题
3、 利用优化目标函数的单调性和拉格朗日方法计算各天线上的发送比特 数，步骤1至步骤3称为首次比特分配。
4、 因为在实际的自适应系统中可选调制模式一定，各子信道比特数必须是 调制模式频谱效率的其中一个，本发明提供两种比特调整方案，以获得符合实 际可选调制模式需要且对于功率满足实际发送功率要求的离散比特数，称为二 次比特分配。下面是两种方案的说明。
方案一
(1) 、如果首次比特分配的比特数为正值，则对应子信道为激活信道，否则为 非激活子信道。
(2) 、对于所有激活子信道利用与首次比特分配类似的方法重新计算比特数， 并重新统计激活子信道个数。如果激活子信道tt与原来的激活子信道数相同， 则到步骤(3)，否则继续步骤(2)。(3) 、对于所有非激活子信道，其对应比特数和功率值赋为零。而激活子信道 的比特数调整到其最接近的调制模式对应的比特数，并利用子信道比特数、发 送功率和误比特率门限之间的显式关系计算其对应的功率值。
(4) 、计算所有激活子信道上的功率总和。如果功率总和不等于系统功率值， 则需对各激活子信道的比特数进行调整。
a、 如果各激活子信道的功率和大于发送功率限制值，各激活子信道取整后的 比特数减去根据公式计算的比特数，把差值的大小按P条序排列，从排序后的第 一个开始，其比特数调整至距其最近的低阶调制模式对应的比特数并计算对应 的功率，如果此时各激活子信道的功率和大于系统功率限制值，到排序后的第 二个，依次类推，直至各激活子信道功率和满足系统功率限制。
b、 如果各激活子信道的功率和小于发送功率限制值，各激活子信道取整后的 比特数减去根据公式计算的比特数，把差值的大小按升序排列，从排序后的第 一个开始，其比特数调整至距其最近的高阶调制模式对应的比特数并计算对应 的功率，如果此时各激活子信道的功率和小于系统功率限制值，到排序后的第 二个，依次类推，直至各激活子信道功率和大于系统功率限制值。最后把最后 一次调整的激活子信道比特数再调整至距其最近的低阶调制模式对应的比特 数，并计算出对应功率值。
方案二
(1) 、令首次比特分配的比特数小于零的子信道为非激活子信道，其比特数和 功率值赋为0。首次比特分配的比特数大于零的子信道为激活子信道，其比特数 调整至距其最近的调制模式所对应的比特数，并利用各子信道比特数、发送功 率和误比特率门限之间的显式关系计算其对应的功率值。
(2) 、计算所有激活子信道上的功率总和。如果功率总和不等于系统功率值， 则需对各激活子信道的比特数进行调整。
a、如果各激活子信道的功率和大于系统功率限制值，各激活子信道取整后的 比特数减去根据公式计算的比特数，把差值的大小按降序排列，从排序后的第一个开始，如果对应的调整数已经等于零，则跳过，否则其比特数调整至距其 最近的低阶调制模式对应的比特数并计算对应的功率，如果此时各激活子信道 的功率和大于发送功率限制值，到排序后的第二个，依次类推，如果直到最后
一个，仍然无法使得各激活子信道功率和不大于系统功率限制值，再从排序后 的第 一个开始调整，直至系统所需功率满足发送功率限制。
b、如果各激活子信道的功率和小于系统功率限制值，各激活子信道取整后的 比特数减去根据公式计算的比特数，把差值的大小按升序排列，从排序后的第 一个开始，其比特数调整至距其最近的高阶调制模式对应的比特数并计算对应 的功率，如果此时各激活子信道的功率和小于发送功率限制值，到排序后的第 二个，依次类推，直至各激活子信道功率和大于系统功率限制值。最后把最后 一次调整的激活子信道比特数再调整至距其最近的低阶调制模式对应的比特 数，并计算出对应功率值。
实施本发明的优点在于在不精确信道状态信息条件下满足系统传输质
量要求，并且能够提供高的频谱效率。
图l是采用本发明所提供自适应调制方法的MIMO系统基本原理框图。
图2是二次比特分配方案一流程图。
图3是二次比特分配方案二流程图。
图4是实际误比特率仿真图。
图5是信息传输速率仿真图。
图6是频语效率仿真图。
具体实施例方式
下面通过附图和实施例对本发明进行详细阐述。
本发明提供的自适应调制方法适用于MIMO系统，或MIMO-OFDM系统。 下面以MIMO系统为例进行描述。图1是采用本发明提供的自适应调制方法的MIMO系统框图。在接收端通 过信道估计或信道预测得到有误差的信道矩阵H ,将A进行奇异值分解后得到 收、发信机加权矩阵(^和々以及奇异值矩阵A,(,f表示矩阵共轭转置。将
收、发信机加权矩阵分别反馈给发送端和接收端，而奇异值矩阵A反馈给自适 应调制模块。自适应调制模块利用子信道的信道增益、噪声方差《以及信道误 差方差of进行比特和功率分配，并将分配结果通知调制器、功率分配模块和检 测器。在发送端，调制器根据自适应调制模块得到的比特分配结果将数据比特 映射成相应星座中的信号，功率分配模块根据自适应调制模块得到的功率分配 结杲对相应信号进行功率调整，最后发送向量乘以发信机加权矩阵々后通过多
才艮发射天线发送至无线信道；在接收端，多才艮接收天线得到的接收向量乘以收
信机加权矩阵亡"后，通过检测器检测输出信息比特。 一、系统模型
不精确的信道状态信息fi和实际信道状态信息H之间的关系可以建模为
H = fi + E (1)
其中，E是信道误差矩阵，其每一个元素都服从均值为0,方差为of的高斯分
布。而H的奇异值分解可以表示为
"tj入々w (2) 其中，t^和々分别是收、发信机加权矩阵，其维度分别是iVxA^和A^xW,
是H的秩，入是对角线矩阵，其维度是7VxiV，对角线元素是{#,...，;}。
在发送端，输入信息比特经过调制器后得到复符号向量X—Xp…,J^f ，其
中(.f表示矩阵转置。将自适应调制模块得到的功率分配结果用对角矩阵P表
示，其对角元素为(^…T^)，则经过功率调制后的复信道向量可以表示为
x' = Px (3)
最后，复符号向量x'乘以发信机加权矩阵々得到发送符号向量
s二々Px (4)对于MIMO系统，其输入和输出信号之间的关系为
r = Hs + n (5)
上式中，11=[巧"2…"^:t表示噪声向量，其元素服从均值为o，方差为^
的复高斯分布，A^表示接收天线数目；r = [^ r2 ... ;t表示接收信号向量；
H是iV,xA^维的信道矩阵，其元素服从均值为O,方差为1的复高斯分布。将 式(4)带入式(5)得到
r = HVPx + n (6)
乘以收信机加权矩阵后得到
y = APx + EPx + fi (7) 其中，y = U"r ， E = UHE々，A = t^n。 二、等效子信道分析
第/个子信道上接收到的信号为
X = V化X, + S < ^ ~ + a (8)
期望信号 c^L
信号干扰和噪声
其中l和分别是￡和A的元素。由于(j和廿的列向量是正交的，〈和",.为均
值为Q方差分别为《和o^的复高斯变量。 则第,个子信道的信干噪比可以表示为
麵,；^i5_ (9)
三、首次比特分配方法
在此自适应调制MIMO系统中，可以选用的调制才莫式为方形M-QAM,其 频i普效率分别为{2,4,6,...}。总发送功率和误比特率受限条件下最大化信息传输 速率的自适应调制方法目标可以表示为<formula>formula see original document page 10</formula>
其中和S^ target分别是系统的误比特率和系统可容忍的误比特率门限。
《arget是最大总发送功率，&和《分别表示第/个信道的比特数和对应功率值。
为了简化问题(IO),将系统误比特率受限近似等效为各个子信道的瞬时误 比特率受限。对于未编码方形QAM自适应系统，假设第Z'个子信道传输比特数
为6,.,可以表示为2^ €{0，1，2，3...}),将^称为比特单元数，每个比特单元中有 2个比特。第z'个子信道的误比特率近似为
扁,- 0.2exp(-ll^L)，1化AT
为满足系统误比特率的要求，此子信道所需最小发送功率为
(11)<formula>formula see original document page 10</formula>
(12)
在下面的分析中，为了筒便，令^，=1。把式(12)代入优化问题(10)中， 可以得到
ln(5朋/ 咖敏X《+ 2)(，-l)<formula>formula see original document page 10</formula>
(13)
& = 1,層，D, e {0，1，2...}，5 2 0.
将式(12)代入^^=1,则有
台A ln(5朋U(《+《)
(14)不考虑现实系统对比特单元数和功率值的约束，在实数域内最优化问题可 以表示为
<formula>formula see original document page 11</formula>(15)
台 台A 1n(5朋及一)(crX)
利用拉格朗日最优化方法，可以得到第/个子信道分配的比特单元数和功 >别<formula>formula see original document page 11</formula>(16)
(17)<formula>formula see original document page 11</formula>
其中，
TV
<formula>formula see original document page 11</formula>(18)
、ln(5纖卿t)
图2为第一种二次比特分配方案的流程图。该方案的具体流程如下 步骤1 、令^ >0 ，l二/二iV对应的信道为激活子信道，其他为非激活子信道。 将激活信道的个数记为乂 ,如果A^二iV，则到步骤3，否则到步骤2。 步骤2、对于A^个激活子信道，利用下面公式重新计算比特单元数
<formula>formula see original document page 11</formula>(19)
考察新的激活子信道的个数，记为^'。 。如果^。 =〃'。 ，则跳至步骤3，否则， 把iV'。n赋值给A^，转至步骤2。
步骤3、将激活子信道的比特单元数进行四舍五入取整，记为《并利用公 式(17)计算对应的功率值^。并把所有非激活子信道的比特单元数和功率值赋 值为零。
步骤4、如果各激活子信道功率之和不等于最大总发送功率，即target,则进行如下调整
<formula>formula see original document page 12</formula>(1) 、计算各激活子信道上调整后的比特单元数与根据公式计算的比特单元
数之差，《=W = D。" °
(2) 、降序排列所有《，将排序后的元素记为《。从《开始，其对应的比特 单元数调整为距其最近的低阶调制模式对应的比特单元数并计算此时对应的功
率值，然后计算各激活子信道功率之和。如果l;《〉/^get,依次向后类推，直
<formula>formula see original document page 12</formula>(1) 、计算各激活子信道上调整后的比特单元数与根据公式计算的比特单元
数之差，i = l,.."A^ 。
(2) 、升序排列《，将排列顺序的元素记为《:。从^开始，其对应的比特单 元数更改为距其最近的高阶调制模式对应的比特单元数并计算对应的功率值，
然后计算各激活子信道功率之和。如果^f^i^et，依次向后类推，直到 ts〉尸target结束。最后，将最后 一次对应的比特单元数调整为距其最近的低阶
/二1
调制模式对应的比特单元数并计算出此子信道对应的功率值。
图3为第二种二次比特分配方案的流程图，该方案流程步骤如下
步骤1、如果4<0,1^/2〃，令《=0,对应子信道为非激活子信道。对
于< > 0 ，1S K TV对应的信道为激活子信道，将激活子信道数记为W。
。
步骤2、对所有激活子信道的比特单元数进行四舍五入取整并存为《并根据《,计算各激活子信道对应的功率值。
步骤3、如果各激活子信道功率之和不等于功率限制值t《^i^get，则进
行如下调整
a、 如果f g>iLget，则按照下面的方式调整
(1) 、计算各激活子信道上取整后的比特单元数与根据公式计算的比特单元 数之差，z' = l，.."A^。
(2) 、降序排列《，排列顺序后的元素记为《。从《开始，如果《=0，跳 过，否则其对应的比特单元数《调整为距其最近的低阶调制模式对应的比特单 元数并计算此时需要的功率，然后计算各激活子信道功率之和，如果
i^>^rget,依次向后类推，如果直到《"仍然无法满足f;s《/^et，则再从《 开始循环，直到l;《^《，t结束。
b、 如果fs〈尸t^t,则按照下面的步骤调整
;=1
(1) 、计算各激活子信道上取整后的比特单元数与根据公式计算的比特单元
数之差即& / = 1,...，W。 。
(2) 、升序排列《，将排列顺序后的元素记为《。从《开始，其对应的比特 单元数改变为距其最近的高阶调制模式对应的比特单元数并计算此时需要的功
率值，然后计算各激活子信道功率之和，如果i;《^/Lget，依次向后类推，直
到fs >/^一结束。最后将最后一次对应的比特单元数调整为距其最近的低阶
调制模式对应的比特单元数并计算出对应的功率值。
上述两种方案均可以得到比特功率分配结果。两种方法相比，前者复杂度不确定，但相对后者较高。
图4和图5分别示出了本发明提供的两种自适应调整方案在误比特率和总 发送功率受限条件下实际误比特率和信息传输速率的比较结果。仿真环境为 4x4MIMO系统，信道服从均值为0方差为l独立复高斯分布。所使用的调制 模式都是方形QAM，其频谱效率分别为{2，4，6，...}。并且系统限制功率i^get为
1,误比特率门限万五《，t分别为l(^和l(r3，噪声方差设为cr，二l(T1。
图4中橫坐标为信道误差方差o;2，纵坐标为系统实际的误比特率。在相同
的o;M青况下，比较了本发明提供方法与基于精确信道假设的贪婪方法的系统误
比特率。
图5中横坐标为信道误差方差c7e2,纵坐标为系统的信息传输速率。在相同 的of情况下，比较了本发明提供方法与基于精确信道假设的贪婪方法的信息传 输速率。
图6中横坐标为系统误比特率，纵坐标表示系统的频谱效率。在实际系统 的误比特率相同的情况下，比较了本发明提供方法与基于精确信道假设的贪婪 方法的频谱效率。其中信道估计误差方差为《=10一1 。
权利要求
1、一种适用于发送端已知不精确信道状态信息的MIMO系统的鲁棒自适应调制方法，在系统误比特率和发送功率受限的情况下最大化信息传输速率，其处理过程包含如下步骤将系统误比特率受限近似等效为每个平行子信道的瞬时误比特率受限，建立MIMO系统各子信道比特数、发送功率和误比特率门限之间的显式关系。在实数域内将比特和功率分配问题构造成凸优化问题并计算出每个子信道比特分配结果，此过程称为首次比特分配。通过首次比特分配结果，考虑自适应调制系统可选调制模式比特数实际要求，对各子信道分配的比特数进行调整使之是可选调制模式对应比特数集合中的一个且其对应功率满足系统总发送功率要求，此过程称为二次比特调整。本发明中提供了两种二次比特调整方案。
2、 根据权利要求书l所述的首次比特分配，首先对非精确信道状态信息条 件下各子信道等效信噪比进行了分析；然后建立功率、比特数以及误比特率之 间的显示关系，并在实数域内将比特和功率分配问题构造成凸优化问题；最后 根据拉格朗日最优化方法在实数域内计算出各子信道对应的比特数。
3、 根据权利要求书l所述的二次比特调整，方案一的处理方法为如果每 个子信道上首次比特分配的比特数都大于零，则对各子信道比特数进行取整。 否则判定大于零的比特数对应的子信道为激活子信道，而小于零的比特数对应 的子信道为非激活子信道。对激活子信道根据与首次比特分配类似的方法重新 进行比特数分配，并重新统计激活子信道个数，直到新的激活子信道数相比原 来的激活子信道数不再发生变化为止，然后对各激活子信道比特数进行取整。
4、 对权利要求书3中的比特数进行取整，其取整方法是把非激活子信道对 应的比特数和功率值都赋值为零，激活子信道的比特数取距其最近的调制模式 对应的比特数。在此取整中，上述方法也可以变化为取距其最近的低阶调制模 式对应的比特数。
5、 根据权利要求书1所述的二次比特分配以及权利要求书4中的取整结 果，计算各子信道的对应的功率值，并计算各子信道功率和。如果各激活子信道功率和大于发送限定值，计算各激活子信道取整后的比 特数与根据公式计算出的比特数之差，按降序排列，从排列后的第一个开始， 其对应的比特数变更为距其最近的低阶调制模式对应的比特数并计算对应的功 率值。然后判断各激活子信道功率和与总发送功率限定值的关系，如果各激活 子信道功率和仍然大于发送限定值，则对排序后的下一个子信道进行上述调整。 上述过程直到各激活子信道的功率和不大于发送限定值结束。如果各激活子信道功率和小于发送限定值，计算各激活子信道取整后的比 特数与根据公式计算出的比特数之差，按升序排列，从排列后的第一个开始， 其对应的比特数变更为距其最近的高阶调制模式对应的值并计算对应的功率 值。判断各激活子信道功率总和与最大总发送功率的关系，如果各激活子信道 功率和仍然不大于发送限定值，则对排序后的下一个子信道进行上述调整。上 述过程直到各激活子信道的功率和大于发送限定值为止。最后，再把最后一次 调整的比特数变更为距其最近的低阶调制模式对应的比特数并计算对应的功率 值。
6、 根据权利要求书l所述的二次比特调整，第二种二次比特调整方案直接 对首次比特分配结果取整，其方法和权利要求书4相同，调整方案和权利要求书 5相似。
7、 本发明提供的自适应调制方法不仅适用于MIMO系统，还适用于 MIMO-OFDM系统。
全文摘要
本发明公开了一种适用于MIMO系统的鲁棒自适应调制方法，在发送端无法精确获得信道状态信息且系统误比特率和总发送功率受限的情况下最大化系统信息传输速率。其主要特点是首先根据有误差的信道状态信息矩阵奇异值分解后对应子信道的信道增益、信道误差方差和噪声方差通过简单公式推导得到实数域的比特和功率分配结果；然后通过对实比特数进行调整得到满足实际系统需要的离散比特数和相应的功率结果，其中本发明提供了两种调整实比特数的方案。本发明不仅适用于MIMO系统，对于MIMO-OFDM系统也同样适用。本发明提供的自适应调制方法不但可以在不精确信道状态信息条件下满足系统传输质量要求，并且能够提供较高的频谱效率。
文档编号H04L1/02GK101309252SQ20081011661
公开日2008年11月19日 申请日期2008年7月14日 优先权日2008年7月14日
发明者罡 刘, 刘思杨, 唐碧华, 张然然, 杨爱敏, 林晓峰, 刚 谢 申请人:北京邮电大学