专利名称：：一种适用于混合调制方式的自适应传输方法
技术领域：
：本发明是一种自适应传输方法，用于在多载波系统或者多天线系统中，给定各个分配单元(如子信道、天线等)所用的调制方式后，为系统中的各个分配单元分配发送信号的功率，属于无线通信中的自适应调制
技术领域：
。
背景技术：
：多载波系统和多天线系统是当前及未来宽带高速通信系统的核心部分。多载波技术(如OrthogonalFre叫encyDivisionMultiplexing,OFDM,正交频分复用)将整个宽带的传输信道划分成多个窄带的子信道，并通过这些子信道来并行传输数据，能够有效对抗多径信道的频率选择性衰落、降低系统复杂度、提高系统频谱利用率和传输速率。多天线技术(Multiple-InputMultiple-Output,MIM0，多入多出)通过在多个天线上并行传输数据，并对各个天线上传输的数据之间进行编码，能够大大提高系统的频谱利用率。这两种技术的结合也是当前及未来宽带无线通信系统的核心技术。白适应调制技术是一种根据不同时刻的信道传输特性，为系统中的子信道或者天线等分配单元选择合适的调制方式和发送功率，进行信号传输的技术。采用自适应调制技术时，各个分配单元的调制方式或者发送信号功率随着信道状态的变化而S适应的调整。Q适应调制技术能够有效利用多径时变信道的频率/时间选择性衰落特征，提高系统的频谱利用率或功率利用率。白适应调制技术非常适合应用于多载波系统和多天线系统中。在多载波系统中，每个子信道是需要进行调制方式和功率分配的"分配单元"，此外将多个子信道组合在一起，形成一个"等效子信道"，也是多载波系统中采用白适应调制技术时常用的方式，每个"等效子信道"也可以看作是-、个"分配单元"。在多天线系统中，各个收发大线对之间的"等效传输信道"是进行S适应调制方式和功率分配的"分配单元"。分配单元也可以是其他的形式，如不同时隙、不同用户的信道等。凡是需要进行调制方式或者功率分配的物理h、逻辑h的空/时,/频资源块，都可以看作娃h适应调制技中的"分配单元"。根据约束条件和优化目标的不同，自适应调制技术可以大致分为三类有的是在总发射功率和系统误码率一定的条件下，使系统传输速率达到最人；有的是在系统传输速率和误码率一定的条件下，使所需要的总发射功率最小；有的是在系统总发射功率及系统传输速率一定的条件下，使系统的误码率最小(或满足一定误码率时的信噪比余量最大)，等等。本发明所提出的一种适用于混合调制方式的自适应传输方法，其优化目标是在已经给定各个分配单元的调制方式以及系统S标误码率的约束条件—卜'，使系统的发射功率最低。其中各个分配单元所采川的调制方式，可以是二进制移相键控(BPSK，BinaryPhaseShiftKeying)、正交幅度调制(MQAM，M-aryQuadratureAmplitudeModulaUon)、多进制移相键控(MPSK，M-aryPhaseShiftKeying)这三种目前最常用的调制方式中的任意一种。提高系统功率利用率、降低系统的功率消耗，在很多实际应用中都是非常重要的，如手机、笔记本、便携式PDA、卫星等等，这些设备为了延长」:作时间，需要尽可能的降低设备功耗。本发明方法的复杂度比较低，便于实际应用中实现；同时本发明方法能够有效的提高系统的性能，因此适合实际当中的应用。
发明内容在通信系统进行信号的自适应传输时，通常面临的一个问题是在各个分配单元(如子信道、大线等)的调制方式(或者比特数目)确定后，如何根据当前信道传输状态、为各个分配单元确定发送信号的功率，使系统在满足性能要求(如系统误码率要求)的同时，所需要的功率尽可能降低。本发明提供了一种适用于混合调制方式的自适应传输方法，该方法根据通信系统中各个分配单元的调制方式、系统误码率要求，以及不同时刻的信道传输状态，自动为各个分配单元计算并分配发送信号的功率，在保证系统达到系统误码率要求的同时，最大限度的降低了系统的发送信号总功率。系统可以采用混合调制方式，即系统中每个分配单元采用的调制方式可以是二进制移相键控(BPSK)、正交幅度调制(MQAM)、多进制移相键控(MPSK)这三种常用调制方式中的任意一种，因此本发明方法具有很高的灵活性。本发明方法的优化目标可以简述为在系统目标误码率给定、所有参与分配的分配单元调制方式(或比特数目)确定的条件下，为各个参与分配的分配单元分配功率，使系统所需要的发送信号总功率最低。该优化目标及约束条件可以用下面式子表示最小化^r。to/=Z《，同时满足条件S《二A"2^^^2￡r，并且《》0'&,》0，五,之O，！、1,2,…，A^。其中尸,是系统的发送信号总功率，f是系统中第/个分配单元所分配的发送信S-功率'是第个分配单元的分配的比特数B(每个分配单元的比特数目为已知条件)，五,是第/个分配单元的目标误码率。五,是系统的y标误码率，ive是所有参与功率分配的分配单元的总数，是每次分配过程中参与分配的比特总数目。下面对本发明方法的i:要步骤进行详细说明。第一步如果系统中各个分配单元的调制方式未指定，则根据系统中每个分配单兀所分配的比特数目、系统可用调制方式以及系统性能要求，确定每个分配单元所采用的调制方式，每个分配单兀的调制方式在BPSK、MQAM和MPSK三种调制方式中选择其一。如果系统各个分配单元的调制方式巳经指定，直接进入后续步骤。第二步根据信道估计结果，按照公式C,=^2/《为每个分配单元计算噪声功率与信道功率增益的比值，艽中参数/表示分配单元序号.C,表示第i'个分配单元对应的噪声功率与信道功率增益的比值，CT，表示第个分配单元中的噪声功率，a,表示第z'个分配单元的信道功率增益。说第三步根据各个分配单元所采用的调制方式，将所有分配单元划分为三个集合丄、m、w，其中丄表示采用BPSK调制方式的分配单元的集合、iW表示釆用MQM调制方式的分配单元的集合、w表示采用MPSK调制方式的分配单元的集合。第四步统计当前所有被排除不用的分配单元中比特数目的总和/^.，并按照公式5￡.=0.2*《^计算被排除的误比特数目。如果没有分配单元被排除时，被排除的误比特数目&=0。第五步按照公式5*=-ZC,+-SC,(2—1)+——ZC(2綺+1)计算误比特因"bpsk"ivrqAM"mpsk^;v'子的值，其中s表示误比特因子，/、w、"分别表示集合z、m、w中的分配单元序号，q、c,、c分别表示集合丄、m、w中的噪声功率与信道功率增益的比值，6,、《分别表示集合m、w中的分配单元的比特数目，『BPSK、『MQAM、『MPSK、爿为常数，这四个常数均为实数，在一定范围内根据系统性能及复杂度要求进行取值，『BPSK的取值范围是l~1.2，『MQAM的取值范闱是l~2,Pf^w的取值范围是5~9，4的取值范围是1.52.5。第六步按照公式=-/^)/S计算误码率因？的值，其中表示误码率因子，和&分别表示系统目标误码率以及所有分配单元中比特数目的总和。第七步为集合丄、A/、W中的每个分配单元计算目标误码率的值。为集合i中的每个分配单元按照公式=.i<w:7;计算S标误码率^，为集合M中的毎个分配单元按照公式C,',(2'"'-l)=^-^.F目计算S标误码率，为集合tV中的每个分配单元按照公式"MQAM""'C(2執+1)=^-^F目计算目标误码率。"MPSK""第八步检査集合i、M、7V中每个分配单元的目标误码率的值，如果存在某些分配单元的目标误码率的值不小于0.2,将这些分配单元从对应的集合中排除，这些分配单元就是被排除不用的分配单元，然后返回到上述步骤屮的"第四步"。如果所有分配单元的目标误码率的值均小ro.2，则进入下一步。第九步为每个分配单元计算发送信号功率值。对集合丄中最终的每个分配单元，按照公式ifPSK=-ln(5￡/)C,计算发送信号功率PSK;对集合M中最终的每个分配单元，按照公式尸mqam=—n(5、)、一计算发送信号功率户mq舰;对集合iV中最终的每个分配单元，按照公式mW"'、ym"mqam《匿=—ln(5^)c(",+1)计算发送信号功率尸mpsk对所有被排除不用的分配单元，发送信号功"mpsk率值设置为0。第十步根据每个分配单元中调制方式和发送信号功率值，生成对应的发送信号，并进行信号的传输。需要注意的是，将上述步骤"第八歩"中排除分配单元的条件改为"存在某些分配单元的发送信号功率值不大于O,将这些分配单元从对应的集合中排除"，对最终的信号参数不会产生任何影响，因为"发送信号功率值不大于0"与"目标误码率的值不小于O.2"是完全一致的。在实际应用中，根据系统要求，上述各个主要步骤的顺序可以根据需要进行适当调整。此外，在实际应用中，为便丁-实施，也可以将部分步骤合并，不会对最终发送信号以及系统传输性能产牛影响。本发明方法的特点是，本发明方法对各个分配单元的比特数目没有特殊限制，各个分配单元可以采用BPSK、MQAM、MPSK这二种目前最常用的调制方式中的任意一种，系统可以采用混合调制方式，可以根据需耍采用上述三种调制方式的任意组合，放宽了对信号的限制，具冇很高的灵活性和适应性；在各个分配单元比特数S或者调制方式已确定的情况下，通过本发明方法能够为发送信号确定勾信道条件相适应的优化的信号功率，保证系统在满足误码率性能要求的同时，使系统的功耗尽可能的得到降低；本发明方法使各个分配单元的发送信号功率和系统的总功率，均随信道条件的变化而S适应的变化，能够充分利用信道的传输特性；本发明方法中采用了优化设计结果，确保在每次信号传输过程中均能够快速得到优化的传输信号，因此本发明方法具有收敛速度快、时间开销小的优点，非常适合信道变化较快、需要快速进行Q适应传输参数调整的场合。此外，本发明方法各个主要步骤的实现复杂度均比较低，有利寸—-降低系统运行时的功耗，非常适合在需要降低设备功耗、延长设备工作时间的场合中应用。图1是本发明提出的一种适ffl于混合调制方式的自适应传输方法的流程图。具体实施例方式在实际应用中，将本发明方法的各个主要步骤，根据系统耍求进行调整和优化，形成多个子功能单元，然后将这些子功能单元整合在一起，作为一个整体功能单元来实现本发明方法的功能。在FDD(FrequencyDivisionD叩lex，频分双工〉通信系统中，本发明可以放在发射端来实施，作为发射机中的一个功能单元，也可以放在接收端来实施、作为接收机中的一个功能单元。如果本发明放在FDD系统中的发射端来实施，由接收端进行信道估计，接收端对所有分配单元的信道功率增益以及噪声功率值进行估计。估计完成之后，接收端把这些估计信息反馈到发射端。在发射端，由本发明的功能单元为各个分配单元确定发送信号功率，然后生成调制信号，将信号发送到信道中进行传输。接收端根据接收到的自适应调制参数信息，即可对接收到的信号进行解调，获得发送来的数据。如果本发明放在FDD系统中的接收端来实现，仍然由接收端进行信道估计，对所有分配单元的信道功率增益和噪卢功率值进行估计。估计完成之后，由本发明的功能单元确定各个分配单元的发送信号功率，然后接收端将发送信号功率结果传输给发射端。发射端根据反馈回来的参数信息，为各个分配单元生成调制信号，并将信号发送到信道中进行传输。接收端接收到信号后，即可以对接收到的信号进行解调。在TDD(TimeDivisionDuplex,时分双工)通信系统中，除了可以采用与FDD系统相同的实施方式之外，还可以采用如下的工作方式发射端首先根据从接收端发送过来的数据信号或者导频信号，对信道进行估计，得到各分配单元的信道功率增益值和噪卢功率值，然后由本发明的功能单元，确定各个分配单元发送信号功率，最后生成调制后的信号进行传输。本发明的功能单元只是在发送信号功率需要进行调整时工作，当发送信号功率不需要进行调整时，本发明的功能单元不进行工作。在实际应用中，如果系统中各个分配单元的调制方式未指定，根据本发明方法，需耍根据系统中每个分配单元所分配的比特数g、系统可用调制方式以及系统性能要求，确定每个分配单元所采用的调制方式，每个分配单元的凋制方式在BPSK、MQAM和MPSK三种调制方式巾选择其一。下面举例给出了5种情形下为各个分配单元确定调制方式的结果(分配单元1，2，3，4中的比特数目分别为"1","2"，"4","5")。需耍注意的是QPSK和4QAM实质上是相F的调制方式。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>当分配单元中的比特数目为其他值时(如"3"、"6"、"7"、"8"、"9"、"10"等)，按照上述示例相同的方法为分配单元确定调制方式。本发明方法中的"分配单元"在实际应用中，是需要确定调制方式和发送信号功率的物理上或者逻辑上的空/时/频资源块。本发明方法为每个分配单元确定调制方式和发送信号功率。在多载波系统中，不采用对子信道进行分组的方式来进行分配时，将各个独立的子信道作为分配单元。—卩面对这种情况举例说明示例多载波系统中包含4个子信道，不采用将子信道分组进行分配。这4个独立的子信道就是4个分配单元。通过信道估计得到4个子信道的功率增益分别为{0.6;1.5;0.4;0.3},每个子信道的噪声功率均为O.l毫瓦，那么4个分配单元的信道功率增益就为{0.6;1.5;0.4:0.3}，每个分配单元的噪声功率均为0.1毫瓦。在多载波系统中，采用对子信道进行分组的方式来进行分配时，将各个了信道分组生成的"等效子信道"作为分配单元。下面对这种情况举例说明示例多载波系统中包含16个子信道，将4个子信道分为一组，共分为4组。每组中的4个子信道生成一个"等效于信道"，这4个"等效子信道"就是4个分配单元。"等效子信道"的信道功率增益和噪声功率，由对应分组中的4个子信道的信道功率增益和噪声功率生成。通过信道估计，得到16个子信道的功率增益分别为i(0.6，0.9，0.8,0.7);(1.8，1.7,1.5'1.6);(0.76,0.95,0.4，0.64);(0.45，0.76，0.55，0.3)}，每个子信道的噪声功率均为0.1毫瓦。取每个分组中子信道功率增益的最小值作为"等效子信道"的信道功率增益，也就是该分组对应的分配单元的信道功率增益，从而得到4个分配单元的信道功率增益为U).6;1.5;0.4;0.3};取每个分组中噪声功率的平均值作为"等效子信道"的噪声功率值，也就是该分组对应的分配单元的噪声功率值，从而得到每个分配单元的噪声功率均为0.1毫瓦。需要注意的是，生成"等效子信道"的信道功率增益和噪声功率可以#其他的多种选择方法。在多天线系统中，将各个收发天线对之问的"等效传输信道"作为分配单元。十-面对这种情况举例说明示例MIM0-0FDM系统中包含2个子载波，以及收、发天线各2根。通过信道估计，可以得到每个载波上的信道传输矩阵，对每:个载波上的信道传输矩阵进行SVD分解，可以得到2个独立的"等效传输信道"，这样2个载波上共可以得到4个"等效传输信道"，这4个"等效传输信道"就是4个分配单元。通过SVD分解得到4个"等效传输信道"的传输功率增益为(0.6;1.5;0.4;0.3}，那么4个分配单元对应的信道功率增益就为(0.6:1.5;0.4;0.3}。通过信道估计得到4个"等效传输信道"中的噪声功率均为0.1毫瓦，那么每个分配单兀中的噪声功率均为0.1毫瓦。结合上述示例对本发明方法其他步骤进行说明。对上面三个示例，为每个分配单元计算得到噪声功率与信道功率增益的比值为(0.167;0.067;0.250;0.333}。如果4个分配单元所用调制方式为(BPSK;4QAM;16QAM;32PSK},将4个分配单元按照调制方式划分为三个集合丄、M、W:集合丄为{分配单元1}，集合A/为(分配单元2;分配单元3}，集合」V为i分配单元4}。统计当前所有被排除不用的分配单元中比特数目的总和/^.，初始时没有分配单元被排除，则《,.=0，排除的误比特数目&=0。选择常数^^=1.06，『MQAM=1.6,^mpsk:7，爿=1.9，这四个常数的值均在取值范围之内。计算得到误比特因子的值为S=37.12。若系统目标误码率为￡T=10—3，4个分配单元中的比特总数为^=12，可以得到误码率因子的值为=3.23x10",则可以得到4个分配单元的A标误码率分别为分配单元l:五,=5.09xlO—5，分配单元2:五2=2.03x1(T5，分配单元3:五3=1.89x10"，分配单元4:五4=2.23x10—3。由于4个分配单元的目标误码率的值均小于0.2，因此没有分配单元需要排除。接下来，可以得到4个分配单元的发送信号功率值，分别为分配单元l:/fPSK=1.30毫瓦，分配单元2:尸2^^=1.16毫瓦，分配单元3:/fQ崩=16.32毫瓦，分配单元4:P4MPSK=115.10毫瓦。最终得到4个分配单兀的发送信号参数如—卜<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>最后，根据上述发送信号参数，生成对应的发送信号，并对生成的发送信号进行传输，即完成了系统的自适应传输过程。在实际应用中，根据系统要求，Bj以对本发明的各个功能单元进行调整.将部分功能单元合并，以便于系统实现。例如，可以将误比特因子S、误码率因子>'/7;、分配中-元的目标误码率五,(/=1，2,3，4)与分配单元发送信号功率的这几个功能单元合并，成为一个直接计算分配申元发送信号功率的单元。省略掉计算分配单元目标误码率的功能单元时，可以利用修改后的排除分配单元的条件，来排除不使用的分配单元，即"存在某些分配单元的发送信号功率值不大丁-o,将这些分配单兀从对应的集合中排除"，对最终的信号参数不会产生任何影响。权利要求1、一种适用于混合调制方式的自适应传输方法，其特征在于，包括以下步骤(1)如果系统中各个分配单元的调制方式未指定，则根据系统中每个分配单元所分配的比特数目、系统可用调制方式以及系统性能要求，确定每个分配单元所采用的调制方式，每个分配单元的调制方式在BPSK、MQAM和MPSK三种调制方式中选择其一，如果系统各个分配单元的调制方式已经指定，直接进入后续步骤。(2)根据信道估计结果，按照公式为每个分配单元计算噪声功率与信道功率增益的比值，其中参数i表示分配单元序号，Ci表示第i个分配单元对应的噪声功率与信道功率增益的比值，表示第i个分配单元中的噪声功率，ai表示第i个分配单元的信道功率增益。(3)根据各个分配单元所采用的调制方式，将所有分配单元划分为三个集合L、M、N，其中L、M、N分别表示采用BPSK调制方式、MQAM调制方式以及MPSK调制方式的分配单元的集合。(4)统计当前所有被排除不用的分配单元中比特数目的总和KE，并按照公式BE＝0.2·KE计算被排除的误比特数目BE，如果没有分配单元被排除，则BE＝0。(5)按照公式计算误比特因子的值，其中S表示误比特因子，l、m、n分别表示集合L、M、N中的分配单元序号，Cl、Cm、Cn分别表示集合L、M、N中的噪声功率与信道功率增益的比值，bm、bn分别表示集合M、N中的分配单元的比特数目，WBPSK、WMQAM、WMPSK、A为常数，且均为实数，在一定范围内根据系统性能及复杂度要求进行取值，WBPSK的取值范围是1～1.2，WMQAM的取值范围是1～2，WMPSK的取值范围是5～9，A的取值范围是1.5～2.5。(6)按照公式FBER＝(ETRb-BE)/S计算误码率因子的值，其中FBER表示误码率因子，ET和Rb分别表示系统目标误码率以及所有分配单元中比特数目的总和。(7)为集合L、M、N中的每个分配单元计算目标误码率的值，为集合L中的每个分配单元按照公式计算目标误码率El，为集合M中的每个分配单元按照公式计算目标误码率Em，为集合N中的每个分配单元按照公式计算目标误码率En。(8)检查集合L、M、N中每个分配单元的目标误码率的值，如果存在某些分配单元的目标误码率的值不小于0.2，将这些分配单元从对应的集合中排除，并返回到步骤(4)，如果所有分配单元的目标误码率的值均小于0.2，则进入下一步。(9)为每个分配单元计算发送信号功率值，对集合L中最终的每个分配单元按照公式计算发送信号功率对集合M中最终的每个分配单元按照公式计算发送信号功率对集合N中最终的每个分配单元按照公式计算发送信号功率对所有被排除不用的分配单元，发送信号功率值设置为0。(10)根据每个分配单元中调制方式和发送信号功率值，生成对应的发送信号，并进行信号的传输。2、根据权利要求l所述的一种适用于混合调制方式的自适应传输方法，其特征在于在多载波系统中，不采用对子信道进行分组的方式来进行分配时，将各个独立的子信道作为分配单元。3、根据权利要求l所述的一种适用于混合调制方式的自适应传输方法，其特征在于在多载波系统中，采用对子信道进行分组的方式来进行分配时，将各个子信道分组生成的等效子信道作为分配单元。4、根据权利要求l所述的一种适用于混合调制方式的自适应传输方法，其特征在于在多天线系统中，将各个收发天线对之间的等效传输信道作为分配单元。5、根据权利要求1所述的一种适用于混合调制方式的自适应传输方法，其特征在于将排除分配单元的条件改为"存在某些分配单元的发送信号功率值不人-下-o，将这些分配单元从对应的集合中排除"，对最终的信号参数不会产生任何影响。全文摘要本发明是一种适用于混合调制方式的自适应传输方法，该方法根据各个分配单元所采用的调制方式，按照系统误码率要求以及不同时刻信道的传输状态，为各个分配单元优化和分配发送信号的功率，并按照调制方式和功率分配结果进行信号的发送。该方法在保证系统达到系统误码率要求的同时，最大限度的降低系统的发送信号总功率。系统中每个分配单元可以采用二进制移相键控、正交幅度调制、多进制移相键控这三种调制方式中的任意一种。本发明方法具备高灵活性和适应性，并且复杂度低，适合实际当中的应用。文档编号H04L1/00GK101483502SQ200910078260公开日2009年7月15日申请日期2009年2月24日优先权日2009年2月24日发明者刘元安,刘凯明,唐碧华,莉李,胡鹤飞,袁东明,刚谢,高锦春,黎淑兰申请人:北京邮电大学