多用户mimo中基于多重时延估计的跨层设计方法
【专利摘要】本发明以下一代移动通信为背景，涉及多用户MIMO系统中基于时延反馈信息的跨层设计。在目标误包率(PER)的约束条件下，基于多重估计信息，提出了一种联合自适应调制和自动重传请求以及多用户调度的跨层设计方法。针对通常跨层设计中所采用的近似PER不够准确和全面，本发明通过拟合真实PER，给出各种不同调制方式的近似PER计算方法，并以此提供相应的自适应门限。为了提高系统性能，还提出了一种多重时延信道估计方法，以充分利用过期的信道估计信息，提高估计准确性。基于此，给出了多用户跨层系统中平均频谱效率和PER计算方法，可实现系统性有效评估。与通常单重估计的跨层系统相比，所提多重估计的跨层系统可以获得更高的频谱效率。
【专利说明】多用户MIMO中基于多重时延估计的跨层设计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线通信领域，涉及无线通信的跨层设计方法，更具体的说涉及多用户多输入多输出(ΜΙΜ0,Multiple-1nput Multiple-Output)系统中基于不完全反馈信息的跨层设计方法。
【背景技术】
[0002]随着当今无线通信技术的飞速发展，有限的频谱资源和日益增长的用户需求成为一种不可调和的矛盾。在未来的无线通信发展中，如何有效提高无线链路的数据传输速率成为充满挑战性的关键问题。跨层设计技术在满足服务质量(QoS)前提下能够大幅度提高系统吞吐量，使其成为下一代无线通信技术发展的一项关键技术。该方法充分利用各层之间的相关信息进行无线网络协议的整体优化，从而实现对网络资源的有效分配，提高网络的综合性能。其中对物理层和数据链路层这两层的跨层设计，作为无线通信跨层设计的基本组成部分，已受到极大的关注和研究。2004年，明尼苏达大学的Qing Liu和G.B.Giannakis等联合考虑了物理层的AMC技术和数据链路层的ARQ技术，提出了一种在完全CSI下新的跨层设计方法。Maaref等人将该跨层设计推广到MIMO系统中，获得了比单天线更好的性能。Xiangbin Yu等人将跨层设计应用到天线选择系统,给出了系统平均频谱效率(SE)和误包率(PER)的闭式表达式。此基础上，Sang-Do Lee等人研究了不完全CSI下单用户系统的跨层设计性能以及门限值的选定。Tingting Zhou等人研究了不完全CSI下采用空时编码(STBC)的跨层设计，给出了系统平均SE和PER的闭式解。
[0003]现有设计方案中，有关多用户MIMO跨层设计方案研究相对较少，本发明将针对反馈时延引起的不完全CSI的情况，给出多用户MMO中联合物理层AM和数据链路层ARQ以及多用户调度的跨层设计方法以及自适应门限近似计算方法，以此来提高系统频谱效率和实用性。在目标PER的约束条件下，利用所给的近似PER计算方法，得到自适应切换门限值。并在基础上，基于延时反馈信息，提出一种基于多重时延估计的多用户MMO跨层设计方法，利用多重延时信道估计方法，降低了时延对系统性能的影响。与通常采用一重时延估计的跨层方法相比，采用多重估计的跨层设计系统可以获得更高的频谱效率，而且可维持目标PER到更长的时延。
[0004]以下将通过具体实施例结合附图对本发明的目的及特性进行详细描述，这些具体实施是说明性的，不具有限制性。
【发明内容】
[0005]本发明是针对多用户MMO系统，研究了基于不完全反馈信息的跨层设计方法。目的是使得系统在目标PER的约束条件下，进一步提高系统SE。本发明提出的基于不完全反馈信息的跨层设计方法采用了以下步骤:
[0006](I)给出反馈时延CSI的情况下，多用户MMO系统跨层设计原理图以及数学模型。
[0007]附图1给出了有着时延信道信息时多用户MMO系统中结合AM和ARQ以及多用户调度的跨层设计原理框图。在接收端，每一用户通过良好的信道估计获得各自的CSI以便自适应解调；同时反馈给链路层的ARQ生成器，其在保证系统QoS的情况下决定重传次数，直至最大重传次数。在发送端，根据有时延的反馈信息进行用户选择、AM、天线选择后将信号发送出去。
[0008]我们考虑多用户MMO系统的下行链路，采用平坦的瑞利衰落环境下K个用户共用发送端。发送端天线数为~，接收端各用户对称，分别有％个接收天线。如果发送机选择一个任意的天线i用于数据传输，则在接收端接收的信号为
[0009]
【权利要求】
1.多用户MIMO系统中基于多重时延估计的跨层设计方法，其特征在于包括步骤如下: (1)在多用户MIMO系统中，给出多重时延信道估计方法。实际中，信道状态信息反馈是有延时的，故可利用反馈之前的多个过期/延时信道信息，来增加当前信道估计的可靠性。该算法基于不同时延时信道相关性的原则，提供了一种实用性较强的设计方法。 (2)结合物理层离散速率自适应调制(AM)和数据链路层的自动请求重传(ARQ)以及多用户调度算法进行跨层设计，通过拟合法得到不同种调制方案时误包率(PER)近似公式的系数，并得到相应的切换门限值。从而提供了一种近似PER的计算方法，可大大简化精确PER的计算，便于实际应用。 (3)联合多重延时信道估计方法和切换门限值，给出基于不完全信道的多用户MIMO跨层设计系统平均频谱效率(ASE)与平均误包率(PER)计算方法，用来进行系统的性能评估。
2.根据权利要求1所述的跨层设计方法，其特征在于所述步骤(I)包括: (Ia)对于有着反馈延时的信道H(t)，大多设计都采用一个延时τ前的延时信息H(t- τ )作为估计信道，系统性能大大受限。为了充分利用先前的信道信息，本发明提出采用多重延时信道估计方法，即结合当前估计之前的多个延时信道信息作为真实信道的估计值。 (Ib)通过对真实信道矩阵与估计信道矩阵之间的相关性分析，得到两者之间的相关系数P。根据步骤(Ia)所述，通过多重估计可以有效增大P，从而提高系统信道估计的可靠性，改善了系统性能。
3.根据权利要求1所述的跨层设计方法，其特征在于所述步骤(2)包括: (2a)在接收端，通过良好的信道估计获得完全CSI用来自适应解调，并通过反馈信道有时延地反馈给发送端。发送端根据过期信道信息；进行用户选择、离散速率AM、天线选择。若译码出错，则利用ARQ控制器通知发送端进行数据重传，直至最大重传次数。 (2b)根据步骤(2a)所述的跨层设计方案，求得离散速率AM的切换门限值。通过将瞬时PER的近似值与准确值编程拟合，得到相应近似表达式的系数使得二者吻合度较高，方便了实际应用时的性能评估。
4.根据权利要求1所述的跨层设计方法，其特征在于所述步骤(3)包括: (3a)通过多重延时信道估计方法及拟合法，我们得到系统有效信噪比的概率密度函数以及离散率AM的切换门限值。 (3b)根据多重估计下跨层设计系统的信道特性和(3a)中离散速率自适应门限值，推导了有着反馈延迟时多用户MMO跨层系统中平均PER和平均SE的闭式表达式。最后利用Matlab仿真平台进行相应的验证，验证本发明方案的有效性。
【文档编号】H04L25/02GK103560987SQ201310587178
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月21日 优先权日:2013年11月21日
【发明者】殷馨, 刘岩, 谭文婷, 虞湘宾, 党小宇, 李洋, 陈小敏 申请人:南京航空航天大学