专利名称：一种降低通讯系统功耗和误码率的信号调制解调技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通讯系统中调制解调技术，特别是在MIMO OFDM多用户通信系统中的一种降低通讯系统功耗和误码率的信号调制解调技术。
背景技术：
目前我国的3G网络已经建成并开始投入运营，日本和韩国的3G网络发展较早，市场已经成熟。这种通信系统的升级换代为人们的生活带来了娱乐和资讯方面深刻的变革。随着人们对资讯需求的迅速增加，还会对通信网络服务提出更高的要求，即更高的传输速率，更大的信息量以及系统容量。因此，国际上已经开始了对3G下一代通信系统的研究，这就是第四代移动通信系统(4G)。第四代移动通信系统可以提供更高的数据传输速率，而MIMO和OFDM提高了频谱效率，从而提供高传输速率和系统容量的技术。两者的结合已经成为第四代移动通信技术研究中的热点，大多数研究人员认为OFDM技术是4G的核心技术，它已经成为新的欧洲数字音频广播(DAB)标准。通过这两种技术的优势互补，可以为系统提供高传输速率，同时也能提高系统容量，降低成本。随着传输速率以及传输的信息量的大幅提高，带来了两个方面的问题。一方面是如何降低误码率；另一方面，传输速率以及信息量的提高，随之而来的是所需数据发送功耗的大幅度增加。功耗问题在未来一定会成为制约通信系统发展的瓶颈之一。
传输功耗与通信系统的调制解调方案密切相关。目前国际上对于面向接收端(RO)的多输入多输出(MIMO)系统下行链路的调制解调方案是TxMMSE(MinimumSquare Error modulator)，即最小均方差检测算法。其基本的技术路线是计算经线性变换的接收数据和传统检测器的软判决输出之间的均方差，使之最小的矩阵即为所求线性变换。MMSE检测器考虑了背景噪声的存在，并利用接收信号的功率值进行相关计算，在消除MAI干扰和不增强背景噪声之间取得了一个平衡点。但此方案发射信号的功耗并未达到最优化，仅仅考虑到了误码率方面的性能要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种使通讯系统中误码率和传输功耗最小化的调制解调技术。本发明着眼于RO(Receiver Oriented)传输方案，即面向接收端的传输方案。在这种方案中，接收端的复杂度较低，而发射端的复杂度较高。因此这种方案特别适合于移动通信的下行链路。通过对TxZF(迫零预编码)和TxMF(匹配滤波器预编码)这两种方案的研究，综合了这两种方案各自的优势，充分克服了现有技术的不足。
本发明解决现有技术问题的关键是调制解调的技术方案，称之为MEPP(Minimum Error Probability Predistortion)，可以用数学公式表示为 即以最优化的传输功耗和可接受得误码率来传输数据。为了实现这种技术方案，本发明引入了一个参数k以确定TxZF和TxMF方案在MEPP技术方案中所占的比重。通过选取适当的参数k，我们可以得到最优化的数据传输功耗。
本发明的优点与积极效果在通信系统中应用MEPP调制器可以大大减少传输数据所需的功耗，降低噪声和干扰对系统的影响，同时得到可接受的误码率。这预示了MEPP调制器在新一代通信系统中，对于改善系统性能和减少系统传输功耗方面的潜力和前景。减少系统传输功耗在实际应用中的优点——节省发射和接收的费用；减少了对其他通信链路的干扰；降低电磁辐射对人体健康的损害。
图1、本发明的线性传输系统总体结构示意图， 图2、第一象限误码率计算示意图， 图3、第二象限误码率计算示意图， 图4、第三象限误码率计算示意图， 图5、第四象限误码率计算示意图， 图6、计算机模拟结果示意图， 图7、本技术方案实现的流程示意图。
具体实施方法 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明 1)系统调制器的技术方案 本发明实施的关键在于系统调制器的技术方案。首先我们来看一下传输系统的总体构架，见附图1。其中M即为我们需要确定的调制矩阵，本发明中M是按以下公式确定的 其中i为发射端所传输的数据向量d的可能性个数，例如对于4PSK来说，传输的数据向量d的可能性个数为44＝256。
2)最优化k值的确定 式(1)中koptl(i)是通过计算所有信道最优化k值的平均值得到的 j是信道的数量。每一个数据向量d(i)都对应一个由相应向量kopt(i)确定的MEPP调制公式。其中L表示PSNRγ的长度，即对应于每一个固定的PSNRγ和信道矩阵Hj都有一个最优的kl(i，j)，l＝1...L，相对应。
而k是通过对最小误码率PS_min(i，j)(γ)的计算来确定的 for 0≤k≤1，j＝1...n (3) PS_min(i，j)(γ)所对应的k值即为所求. 3)最后，把这种调制信号的方法通过逻辑电路烧制到调制芯片中，配合系统中其余不同的功能模块，参看图1，即可实现节约功耗的技术效果。
推导及说明 对于图1的说明 数据向量调制矩阵M；发射向量t＝Md；传输t所需的发射功耗信道矩阵H；接收到的有用数据向量e＝Ht＝HMd；受到干扰的接收数据向量r＝e+n＝HMd+n；接收端估算的发射数据向量解调矩阵D(在本发明涉及的面向接收端系统中D＝I)。
对于图6的说明 图中横轴表示PSNRγ/dB；纵轴表示误码率Ps。伪信噪比PSNR(Pseudo-Signal-To-Noise-Ratio) γ＝T/σ2 对于公式(1)的说明 MEPP方案引入了一个参数k以确定TxZF和TxMF方案在MEPP方案中所占的比重，如下式 M＝MTxMMSE＝kMTxMF+(1-k)MTxZF ＝k(DH)H(diag[DH(DH)H]-1)+(1-k)(DH)H[DH(DH)H]-1 其中0≤k≤1。
公式(3)的推导 最后让我们来看一下误码率Ps(γ)的计算。不同的调制方式具有不同的误码率Ps(γ)，本发明仅以目前普遍采用的4PSK为例进行计算。对于4PSK，在发送端入口被传输的数据向量为 d＝(d1，d2，d3，d4) 对于4PSK调制方式，我们分四种情况来计算其误码率. 第一种情况见图2发送的信号落在第一象限，我们接收到
和
kM＝1，2...KM，分别是估算数据向量
接收到的有用数据向量e以及噪声向量n的元素，图3中a，X和b，Y是e和
的实部和虚部.X和Y可以由以下公式来确定 以上两式中的nr和ni分别是
的实部和虚部.噪声向量n具有零均值和方差σ2.X和Y是高斯随机变量.现在我们来计算X和Y的平均值μX，μY以及方差σX2，σY2. μX＝E{X}＝E{a+nr}＝a+E{nr}＝a， μY＝E{Y}＝E{b+ni}＝b+E{ni}＝b， 因此有 如果噪声干扰使得估算的向量d落在图3的阴影区域，就发生了错误判定。因此，第一种情况下的误码率为 PS1＝PX(x＜0)+PY(y＜0)-PX(x＜0)PY(y＜0)， (a) PX(x＜0)和PY(y＜0)按下式计算 相应的可以得到 把式(b)和(c)带入(a)就得到第一种情况下的误码率 第二种情况见图3，同理可以得到 当一个在第三象限的数据向量被发送时，见图4，我们得到 同样地，当一个在第四象限的数据向量被发送时，见图5，我们得到 根据式(d)，(e)，(f)和(g)我们可以计算出每一个di的Pi，i＝1...4.于是传输的数据向量d的误码率为 对图7的说明 A循环的次数为k的取值个数； B循环的次数为可能得数据向量个数； C循环的次数为信道个数。
生成信道矩阵H。
生成数据向量矩阵d。
生成比例因子k，0≤k≤1，每一个循环过后k的取值递增一个步进，例如一个步进定义为0.01，那末一个循环后的k值将为前一个循环中k值加上一个步进0.01，即ki+1＝ki+0.01。
计算k取一个固定值时，对于一个信道和一个数据向量情况下的误码率PS，最后得到一组PS对应于每个k的取值。
通过对所有k值对应的的误码率PS的比较，最低的PS值所对应的k即为最优值。通过循环对一个固定信道上所有可能的数据向量所对应的最优k值求平均值。通过循环对每一个信道所对应的最优k值进行计算，然后对所有最优k值求平均，最终得到我们需要的最优化k值，并以此来确定我们的调制矩阵M。
本发明(TxMEPP方案)与现有TxMMSE方案相比具有以下优点 首先，本发明的技术路线与现有方案TxMMSE是不同的。TxMMSE技术路线是计算经线性变换的接收数据和传统检测器的软判决输出之间的均方差，而本发明的技术路线是引入一个参数k，0≤k≤1，来确定TxZF和TxMF方案在TxMEPP方案中所占的比重，并且通过选择最优化的k值，达到综合TxZF和TxMF这两种方案优点的目的。
其次，从计算机模拟的结果，见图6，我们可以清楚地看出，在一定的误码率下，TxMEPP方案的PSNRγ是相对较低的，即在达到同样误码率的条件下，TxMEPP方案的功耗是最小的。TxMEPP方案较之现有的TxMMSE方案的优势所在。同样是基于TxZF，TxMF方案基础之上，TxMEPP方案在相同误码率下的功耗得到了优化，这也是这种方案的最大特点。正因为此方案具有这种特性，而目前世界范围内对节能问题的关注，使之拥有很好的发展前景和市场潜力。
权利要求
1、一种降低通讯系统功耗和误码率的信号调制解调技术，其特征是调制解调的算法技术方案，称之为MEPP，可以用数学公式表示为
即以最优化的传输能量和可接受得误码率来传输数据。
2、根据权利要求1所述的调制解调技术，其特征是koptl(i)是通过计算所有信道最优化k值的平均值得到的
3、根据权利要求1所述的调制解调技术，其特征是k是通过对最小误码率PS_min(i，j)(γ)的计算来确定的
全文摘要
本发明公开了一种降低通讯系统功耗和误码率的信号调制解调技术，涉及通讯技术中调制解调技术，特别是在MIMO OFDM多用户通信系统中的调制解调算法技术。其技术关键是调制解调的算法技术方案，称之为MEPP(Minimum ErrorProbability Predistortion)，可以用上式数学公式表示，即以最优化的传输功耗和可接受得误码率来传输数据。为了实现这种技术方案，本发明引入了一个参数k以确定TxZF和TxMF算法在MEPP技术方案中所占的比重。通过选取适当的参数k，我们可以得到最优化的数据传输功耗。在通信系统中应用MEPP调制器可以大大减少传输数据所需的功耗，同时得到可接受的误码率。这预示了MEPP调制器在新一代通信系统中，对于改善系统性能和减少系统传输功耗方面的潜力和前景。
文档编号H04L27/26GK101616119SQ200910023318
公开日2009年12月30日 申请日期2009年7月14日 优先权日2009年7月14日
发明者张若锋 申请人:张若锋