用于多入多出系统的性能抽象方法和装置与流程

本发明的实施方式一般涉及通信领域，并且具体地涉及用于多入多出(MIMO)系统的性能抽象方法和装置。

背景技术：
MIMO技术在现代无线系统(诸如，UMTS的长期演进(LTE)、微波存取全球互通(WIMAX)中起到核心作用；而快速跨层调度是提高频谱效率的另一个关键技术。为了设计和评估各种MIMO方案和调度算法，接收机的抽象模型对于性能抽象与精确评估而言是必需的。例如，在系统级仿真时，将在虚拟系统中部署几十个基站(BS)和几千个用户设备(UE)；因此，不可能在空口上对所有的分组数据包(可能是每秒几十万个分组)执行真实的“编码-解码”和“发送-均衡”操作。抽象接收机可以非常快速和精确地模仿真实的“解码”和“均衡”操作，从而使得系统级仿真成为可能。又如，在实际系统中，UE侧使用抽象接收机来估计和预测下行无线信道质量(特别是MIMO信道)，然后将信道质量报告给BS，作为跨层调度的参考权重。抽象均衡器和抽象解码器是抽象接收机的两个最重要的部分。众所周知，BitMI模型可以精确地描述涡轮码解码器(Turbo-Decoder)。经典的MIMO均衡器是最小均方误差(MIMSE)均衡器。对于MIMSE的抽象模型是相当简单和精确的。对于给定的MIMO信道矩阵H和噪声方差N，第l层的信噪比(SNR)可被写为：SNRl＝([(HHH+I·N)-1]l，l)-1；然后SNR可以容易地转换成比特级互信息(BitMI)。相对于MMSE均衡器，MIMO的最大似然均衡器(MLD)以复杂度为代价，可以显著地提高性能；而且随着硬件技术的发展，MLD均衡器在BS和UE二者中都变得可行。建立MLD均衡器的抽象模型可以取得更多的潜在增益。然而，相比于线性的MMSE均衡器，MLD均衡器是非线性的；即使不考虑复杂性，也不容易给出精确的MLD抽象模型。在现有技术的文献中仅仅公开了几种2×2MIMOMLD的抽象模型。例如，在文献IEEE802.16m-08/004r5，IEEE802.16mEvaluationMethodologyDocument中公开了直接计算比特交互信息的每比特平均互信息(MMIB)算法和基于每个接收符号块的比特互信息(RBIR)算法。但是，无论MIMB还是RBIR均被设计为仅能用于在多入多出传输系统的各个层之间采用相同的星座调制(诸如，QPSK+QPSK，16QAM+16QAM)和采用有限几种编码速率的情况。OdedRedlich等人2009年发表的论文“SNREstimationinMaximumLikelihoodDecodedSpatialMultiplexing”，CoRRabs/0909.1209公开一种算法。该方法通过模拟MLD求解过程中的星座点组合操作，计算MLD均衡器下星座点之间的最小欧式距离(MED)来确定MLD的性能。但是，根据该方法所估计的系统性能值与真实的系统性能还是具有较大的偏差(3-6dB)。此外，在文献“APhysicalLayerAbstractionforMaximumLikelihoodDemodulationofMIMOSignals”，RameshR.，KoorapatyH.，Jung-FuCheng，BalachandranK.，VTCSpring2009以及文献“EESMBasedLinkErrorPredictionforAdaptiveMIMO-OFDMSystem”，HaoLiu，LiyuCai，HongweiYang，DongLi，VTC2007-Spring也公开了用于MLD抽象均衡器性能抽象的算法。但是，以上这些现有的算法在覆盖范围和/或自适应性和/或精确性和/或复杂性，甚至是基本原理方面均具有缺陷，从而不能完全取得MLD带来的潜在性能增益。

技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种新颖的多入多出传输系统中均衡器性能抽象的技术方案，通过基于预先构建的参数-性能表格，以内插参数执行多维线性内插来确定多入多出传输系统的性能。根据本发明的一个方面的实施方式，提供一种用于多入多出传输系统中性能抽象的方法。该方法包括：利用信道噪声方差N对信道矩阵H进行归一化，以获得归一化信道矩阵G；对于该多入多出传输系统的两个或更多层中的一层，通过对该归一化信道矩阵G或由列置换而得到的变形进行QR分解来获得对于该层的上三角矩阵R；基于预先构建的参数-性能表格，利用该矩阵R中的各个非零元素作为内插参数执行多维线性内插，确定该多入多出传输系统的该层的性能。根据本发明的另一方面的实施方式，提供一种用于多入多出传输系统中性能抽象的装置。该装置包括：用于利用信道噪声方差N对信道矩阵H进行归一化，以获得归一化信道矩阵G的装置；用于对于该多入多出传输系统的两个或更多层中的一层，通过对该归一化信道矩阵G或由列置换而得到的变形进行QR分解来获得对于该层的上三角矩阵R的装置；用于基于预先构建的参数-性能表格，利用该矩阵R中的各个非零元素作为内插参数执行多维线性内插，确定该多入多出传输系统的该层的性能的装置。根据本发明的另一方面的实施方式，提供一种用户设备，包括根据本发明一个实施方式的用于多入多出传输系统中性能抽象的装置，以及存储器用于存储该预先构建的参数-性能表格。根据本发明的另一方面的实施方式，提供一种基站设备，包括根据本发明一个实施方式的用于多入多出传输系统中性能抽象的装置，以及存储器用于存储该预先构建的参数-性能表格。根据本发明各个实施方式的技术方案，能够获得优异的抽象模型精度，其性能抽象的估算精度可以达到[-0.5，+0.5]dB。通过以离线方式预先构建参数-性能表格，有效地降低了在线处理的计算复杂度。而且，根据本发明各个实施方式的技术方案，能够广泛地适应于MIMO传输系统的各种调制方式以及编码速率的组合，而不会降低性能抽象的精度。附图说明结合附图并参考以下详细说明，本发明各实施方式的特征、优点及其他方面将变得更加明显，在此以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式。在附图中：图1示出了能够在其中应用根据本发明的实施方式的MIMO传输系统的示意图；图2示出了根据本发明的一个实施方式的用于多入多出传输系统中性能抽象的方法；图3示出了根据本发明的一个实施方式的抽象均衡器的功能框图。具体实施方式图1示出了能够在其中应用根据本发明的实施方式的MIMO传输系统的示意图。作为示例，图1示出了2×2的MIMO信道：在基站BS110上的发射天线Tx1上的发射数据分别被用户设备UE120上的Rx1与Rx2收到。同理BS110上的发射天线Tx2也是如此，其发射信号分别被用户设备UE120上的Rx1与Rx2收到。从接收天线的角度，UE120的接收天线Rx1上可以同时收到Tx1与Tx2上发出的信号，同理Rx2也是如此，可以同时收到Tx1与Tx2上发出的信号。上述传输过程可以表达为：其中，r1与r2是接收信号；x1与x2是发送信号；H是信道矩阵；n1和n2是各种噪声与干扰，其噪声方差为N。这样，在接收端并不能直接得到发送信号x1与x2，而需要利用“均衡器”从r1与r2中将x1与x2解出来。在现代通信系统中，为了配合跨层调度和/或系统级仿真，在给定H与N的情况下，需要快速的计算估算“均衡器”的性能，也即需要提供有效的抽象均衡器模型。抽象均衡器模型可以用于以下几个场景中：用于基站内部，测量上行信道的性能，作为调度的依据。用于用户设备内部，测量下行信道的性能，上报给基站作为调度的依据。用于基站与用户设备的系统级联合仿真，用于模拟空口上的链路性能。图2示出了根据本发明的一个实施方式的用于多入多出传输系统中性能抽象的方法。如图2所示，在步骤S210中，利用信道噪声方差N对信道矩阵H进行归一化，以获得归一化信道矩阵G。例如，在一个实施方式中，归一化信道矩阵G可以表示为：G＝H/sqrt(N)1)以图1所描述的2×2多入多出传输系统为例，归一化信道矩阵G例如可以表示为：在步骤S220中，对于多入多出传输系统的两个或更多层中的一层，通过对归一化信道矩阵G或由列置换而得到的G的变形进行QR分解来获得对于该层的上三角矩阵R。根据本发明的一个或多个实施方式，当对多入多出传输系统中的第l层进行性能抽象时，则将通过循环列置换，将归一化信道矩阵的G的第l列作为第1列而得到矩阵G的变形(例如，当G存在3列时，G的变形G’的列排列可以是第2列、第3列、第1列以及第3列、第1列、第2列；等等)，进而利用G的变形进行QR分解来获得对于该层的上三角矩阵R。当然，若l＝1，则可直接利用归一化信道矩阵G进行QR分解，而无需执行列置换。以图1所描述的2×2多入多出传输系统为例，对于2×2多入多出传输系统的第1层，对归一化信道矩阵G进行QR分解来获得对于所述第1层的上三角矩阵R1，其中对于2×2多入多出传输系统的第2层，对归一化信道矩阵G由列置换而得到的变形G’，其中对G的变形G’进行QR分解来获得对应于2×2多入多出传输系统第2层的上三角矩阵R2，其中在步骤S230中，基于预先构建的参数-性能表格，利用上三角矩阵R中的各个非零元素作为内插参数执行多维线性内插，确定多入多出传输系统的该层的性能。对于上三角矩阵R中的非零的复数元素，其实部和虚部的系数均是内插参数。以图1所描述的2×2多入多出传输系统为例，对于2×2多入多出传输系统的第1层，利用式3)所示R1中的A1、Br1、Bi1和C1作为内插参数执行多维线性内插，确定所述2×2多入多出传输系统的所述第1层的性能。利用式4)所示R2中的A2、Br2、Bi2和C2作为内插参数执行多维线性内插，确定所述2×2多入多出传输系统的所述第二层的性能。在本发明的一个或多个实施方式中，预先构建的参数-性能表格是通过大量离线模拟来构建的。在一个优选实施方式中，可以针对所述多入多出传输系统的各层所采用的调制方式的任一组合，基于对应于所述内插参数的各个参数在一定取值范围内的选取的多个特定值，来计算相应的性能值。例如，对于图1所描述的2×2多入多出传输系统，参数-新能表格中的每个数据项是以给定的一组N、A、Br、Bi和C作为键值参数而计算的多入多出传输系统的抽象性能，例如BitMI值。以下将以2×2多入多出传输系统作为非限制性的示例，来描述一个示例性的离线构建参数-新能表格的过程。给定的两种不同调制方式的调制阶数ModLvl1与ModLvl2，对于某个特定的计算相应的第一层的BitMI，例如步骤如下：i)根据调制阶数，随机生成比特两组比特b1与b2，其中b1中含有ModLvl1个比特，b2中含有ModLvl2个比特。ii)通过对应的调制方式，将比特组b1与b2映射为发送星座点x1与x2。iii)随机生成噪声样本n1、n2，将发送星座点x1与x2经历信道R，得到接收信号r1与r2。即：iv)根据r1、r2、R、N及调制阶数ModLvl1与ModLvl2，进行星座调制、经历信道H(含噪声)，调用MLD均衡器，计算出发送比特的估计值，通常以对数似然比(LLR)表示，记为L1与L2。为简单起见，以L1为例进行说明。对于L2的处理与L1类似。L1中包括多个LLR值，每个LLR值对于b1中的一个比特的发送比特的估计值。重复i)～iv)的计算过程足够多次(如数千次)，收集每次计算生成的L1，记为SetL1。将SetL1根据相应的发送比特0和1分为两类，记为Set0L1与Set1L1。Set0L1与Set1L1中分别为若干个数据。分别计算Set0L1与Set1Set1L1的分布函数P0(1)与P1(l)。则系统性能BitMIL1可以计算为：总结上述处理，对于一组给定的A、Br、Bi、C可以计算出一个取值在0～1之间的BitMI。需要注意的是，噪声方差N实际上已经体现在对归一化信道矩阵G进行QR分解后所得的上三角阵R中，也即体现在参数A、Br、Bi、C中。针对特定的调制阶数ModLvl1与ModLvl2，在A、Br、Bi、C的合理范围内，选取特定的数值点，对于每一个数值点计算一个BitMI值，就生成了对于特定调制阶数ModLvl1与ModLvl2的4维的参数-性能表格。例如，A、Br、Bi、C的取值范预定义为-10到10，以1为间隔步长，以穷举方式计算(A、Br、Bi、C)所有整数取值点即-10、-9、-8、-7、-6、-5、-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10的组合对应的BitMI。例如，对于(A＝-10、Br＝-5、Bi＝4、C＝3)计算一个BitMI，对于(A＝-10、Br＝-5、Bi＝5、C＝10)又计算一个BitMI，等等，直到遍历所有的整数取值点组合。虽然上文以固定步长的穷举方式为例，示例性的说明了如何构造针对2×2多入多出传输系统的参数-性能表格，但是本领域的技术人员可以理解还可以采用任何其它适当的方式来构建该参数-性能表格，来对上述构造方法进行适当变形。例如，可以对例如A、Br、Bi、C的参数的取值范围与步长可以进行不同的优化，可以采用均匀的步长或非均匀的步长。又如，除了正常的“线性域”外，还可以在“对数域”、“BitMI域”上对各个参数进行离散取值。根据本发明的一个优选实施方式，可以利用各个参数的对称性降低所述参数-性能表格的尺寸，由此降低存储该预先构建的参数-性能表格的开销。本领域的技术人员可以以类似方式构造对于更高阶数的多入多出传输系统的参数-性能表格。基于预先构建的参数-性能表格，对于那些不处于表格中已知参数点上的BitMI数据，可以采用“多维线性插值方法”来计算相应的BitMI。此外，若如上文示例中所述针对不同的调制方式组合构造不同的参数-性能表格，则在图2所示的方法流程图中，在步骤S230中确定多入多出传输系统的相应层的性能之前还可以包括根据多入多出传输系统的两个或更多层中各个层的调制方式来选择适合的预先构建的参数-性能表格的步骤。由此，在步骤S230中基于针对特定的调制方式组合的参数-性能表格，通过线性差值来确定系统性能。根据本发明的如图2所示的实施方式，本领域技术人员还可以做出各种修改和变形。例如，在步骤S210中，除了使用噪声方差N以外，还可以使用A，Br，Bi，C中的任意一个参数对信道矩阵进行规一化。但是，应该看到利用噪声方差N对信道矩阵进行归一化可以获得更优的对称性。图3示出了根据本发明的一个实施方式的抽象均衡器的功能框图。图3所示的该实施方式是用于2×2多入多出传输系统的抽象均衡器。本领域的技术人员可以理解，用于更高阶的多入多出传输系统的抽象均衡器具有类似的结构。如图3所示，抽象均衡器300包括归一化模块310、QR分解模块320和线性内插模块330。归一化模块310被配置为利用信道噪声方差N对信道矩阵H进行归一化，以获得归一化信道矩阵G。例如，在一个实施方式中，归一化模块310可以利用式1)计算归一化信道矩阵G。QR分解模块320被配置为对于多入多出传输系统的两个或更多层中的一层，通过对归一化信道矩阵G或由列置换而得到的G的变形进行QR分解来获得对于该层的上三角矩阵R。根据本发明的一个或多个实施方式，当对多入多出传输系统中的第l层进行性能抽象时，则将通过循环列置换，将归一化信道矩阵的G的第l列作为第1列而得到矩阵G的变形G’，进而由QR分解模块320利用G的变形进行QR分解来获得对于该层的上三角矩阵R。当然，若l＝1，则QR分解模块320可直接利用归一化信道矩阵G进行QR分解，而无需执行列置换。作为一个示例，对于2×2多入多出传输系统的第1层，QR分解模块320可以被配置为对归一化信道矩阵G进行QR分解来获得对于所述第1层的上三角矩阵R1，如式3)所示。对于2×2多入多出传输系统的第2层，QR分解模块320可以被配置为对归一化信道矩阵G由列置换而得到的变形G’，如式4)所示。对G的变形G’进行QR分解来获得对应于2×2多入多出传输系统第2层的上三角矩阵R2，如式5)所示。线性内插模块330被配置为基于预先构建的参数-性能表格，利用上上三角矩阵R中的各个非零元素作为内插参数执行多维线性内插，确定多入多出传输系统的该层的性能。以图1所描述的2×2多入多出传输系统为例，对于2×2多入多出传输系统的第1层，线性内插模块330可以被配置为利用式3)所示R1中的A1、Br1、Bi1和C1作为内插参数执行多维线性内插，确定所述2×2多入多出传输系统的所述第1层的性能。对于2×2多入多出传输系统的第2层，线性内插模块330利用式4)所示R2中的A2、Br2、Bi2和C2作为内插参数执行多维线性内插，确定所述2×2多入多出传输系统的所述第2层的性能。根据一个优选的实施方式，输入线性内插模块330的参数-性能表格是通过表格选择模块340所选择的与多入多出传输系统的各个层的调制方式匹配的参数-性能表格。表格选择模块340被配置为根据各个层的调制等级ModLvl选择适合的预先构建的参数-性能表格。第1层调制等级(星座等级)为ModLvl1，而第2层调制等级(星座等级)为ModLvl2。例在常见的2×2多入多出传输系统中，每层的调制方式可能有QPSK(ModLvl1＝2或/和ModLvl2＝2)、16QAM(ModLvl1＝4或ModLvl2＝4)、64QAM(ModLvl1＝6或/和ModLvl2＝6)三种，两两组合共可能存在9种组合。可以在设备的存储器中存储通过大量离线模拟而预先构建的参数-性能表格。在上文中已经参照2×2多入多出传输系统详细的描述了如何构建参数-性能表格，在此不再赘述。根据本发明实施方式的抽象均衡器，例如抽象均衡器300可以被包括在诸如基站110的基站设备，还可以被包括在诸如用户设备120的用户设备中，以用来实现对于多入多出传输系统的性能抽象。用户设备或者基站设备可以分别包括多个发送天线、多个接收天线，并通过多个收发天线进行信号的收发，由此构成多入多出传输系统。用户设备或者基站设备可以包括诸如数字处理器、微控制器、微处理器的一个或多个数据处理单元、存储器等用于实现其设备功能的常规构件。需要指出的是，包括在用户设备和基站设备中的抽象均衡器可以使用上述常规构件的功能性来实现。例如，通过由一个或多个数据处理单元执行存储在存储器中的程序指令，来实现例如根据图2所示实施方式的用于多入多出传输系统中性能抽象的方法。可以在用户设备或者基站设备的存储器中存储预先构建的参数-性能表格，以便在执行相应处理时使用。根据本发明各个实施方式的技术方案，能够获得优异的抽象模型精度，其性能抽象的估算精度可以达到[-0.5，+0.5]dB。通过以离线方式预先构建参数-性能表格，有效地降低了在线处理的计算复杂度。而且，根据本发明各个实施方式的技术方案，能够广泛地适应于MIMO传输系统的各种调制方式以及编码速率的组合，而不会降低抽象模型的精度。本发明的实施方式可以在软件、硬件、应用逻辑或软件、硬件和应用逻辑的组合中实现。在示例性实施方式中，应用逻辑、软件或指令集合维持在各种常规计算机可读介质的任何一个上。在本文的上下文中，“计算机可读介质”可以是能包含、存储、传送、传播或传输供诸如计算机之类的指令执行系统、装置或设备使用的或者与诸如计算机之类的指令执行系统、装置或设备有关的指令的任何介质或装置。计算机可读介质可以包括计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是能包含或存储供诸如计算机之类的指令执行系统、装置或设备使用的或者与诸如计算机之类的指令执行系统、装置或设备有关的指令的任何介质或装置。必要时，这里讨论的不同功能可以按照不同顺序执行和/或彼此并行执行。此外，必要时，上述功能中的一个或多个功能可以是可选的或者可以进行组合。尽管在独立权利要求中阐明了本发明的各个方面，但本发明的其它方面包括来自所述实施方式和/或具有独立权利要求特征的从属权利要求的特征的其它组合，而不仅仅包括权利要求中明确阐明的组合。这里还应注意的是，尽管上面描述了本发明的示例性实施方式，但这些描述不应在限制的意义上来看。相反，在不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围的情况下可以进行各种变形和修改。