專利名稱：基于瞬時和統(tǒng)計信道信息的多天線信道反饋方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種提高無線通信數(shù)據(jù)率、降低多天線信道的反饋信息和提高多天線系統(tǒng)的魯棒性的技術(shù)方法，屬于高速無線通信傳輸技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前及即將到來的無線通信要求數(shù)據(jù)率達到上行50Mbps和下行100Mbps，頻譜效率的要求也比較高。如果只是簡單地提高發(fā)射功率已經(jīng)不能夠滿足未來無線通信要求，因此基于多天線發(fā)射和多天線接收的多天線技術(shù)開始得到應(yīng)用。理論和試驗證明，在空間不相關(guān)信道條件下，和單天線系統(tǒng)同樣發(fā)射功率的多天線系統(tǒng)可以成倍地提高系統(tǒng)的頻譜效率。
多天線技術(shù)分為開環(huán)和閉環(huán)發(fā)射兩種方案，開環(huán)發(fā)射不需要任何信道的信息，實現(xiàn)起來相對簡單，但是系統(tǒng)的容量比閉環(huán)發(fā)射方法要小很多。為了盡量挖掘多天線系統(tǒng)的潛力，閉環(huán)發(fā)射方法成為了高速無線通信的主流實現(xiàn)技術(shù)方案，相應(yīng)的各種具體實現(xiàn)技術(shù)非常多。在工程實現(xiàn)過程中，決定一種閉環(huán)多天線發(fā)射方案容量大小的因素是反饋的信道信息的多少，如果發(fā)射機知道了全部信道信息，則可以采用最優(yōu)的功率注水發(fā)射方法，得到非常高的系統(tǒng)容量，其缺點是需要反饋的信息量大。反之，采用反饋信息量少的方法得到的系統(tǒng)容量也少。此外，移動終端的運動、反饋信息的延時和反饋誤差將降低多天線系統(tǒng)的容量，因此，如何設(shè)計一種性能良好、穩(wěn)健的多天線信道反饋方法是需要深入研究的課題。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明旨在給出一種低反饋量、適用于不同終端速度、傳播環(huán)境和收發(fā)天線數(shù)的、穩(wěn)健的基于瞬時和統(tǒng)計信道信息的多天線信道反饋方法，該方法具有良好的抗反饋誤差性能。
技術(shù)方案本發(fā)明的基于瞬時和統(tǒng)計信道信息的多天線信道反饋方法，其特征在于該方法包括統(tǒng)計信道信息反饋和瞬時信道信息反饋兩種方式支持多種發(fā)射模式，根據(jù)移動終端的多普勒頻率和反饋鏈路的信噪比高低決定采用哪一種反饋方式，如果是瞬時信道信息反饋，則每個子幀反饋一次，按瞬時信道信息格式反饋；如果是統(tǒng)計信道信息反饋，則多個子幀反饋一次，按統(tǒng)計信道信息格式反饋；在計算統(tǒng)計信道信息時，完成統(tǒng)計信道信息計算與壓縮、統(tǒng)計數(shù)據(jù)流個數(shù)計算、統(tǒng)計信道信息的預(yù)測與反饋誤差的修正；在計算瞬時信道信息時，將數(shù)據(jù)流進行自適應(yīng)編碼調(diào)制，分別映射到對應(yīng)的發(fā)射正交基矢量上。
根據(jù)移動終端的多普勒頻率和反饋鏈路的信噪比高低決定采用相應(yīng)的反饋方法是當多普勒頻率比較高、反饋鏈路的信噪比低時，采用統(tǒng)計信道信息反饋方法；其它情況用瞬時信道信息反饋方法。反饋是分層進行，瞬時信道信息是每個子幀反饋一次；統(tǒng)計信道信息是多個子幀反饋一次。
多種發(fā)射模式為接收端根據(jù)信道條件判斷采用相應(yīng)的發(fā)射方法，計算對應(yīng)的發(fā)射編碼、調(diào)制方式，并反饋選定的發(fā)射方法的代號及其編碼調(diào)制方式代號。瞬時信道反饋信息格式包括反饋模式標志、發(fā)射方法選擇標志、單/多流編碼調(diào)制方式和數(shù)據(jù)流個數(shù)。統(tǒng)計信道反饋信息格式包括反饋模式標志、發(fā)射方法選擇標志、統(tǒng)計信道信息和數(shù)據(jù)流個數(shù)。完成統(tǒng)計信道信息計算與壓縮時，統(tǒng)計信道信息的迭代計算與統(tǒng)計信息的矢量量化壓縮。統(tǒng)計信道信息的預(yù)測與反饋誤差的修正是在統(tǒng)計信道信息反饋條件下，實現(xiàn)統(tǒng)計信道信息的預(yù)測與反饋誤差的修正。
由于無線通信面臨的環(huán)境復(fù)雜，尤其在移動環(huán)境下一種多天線工作方式無法滿足無線通信系統(tǒng)的要求。同時閉環(huán)多天線發(fā)射可以大大提高系統(tǒng)性能、容量和可靠性，相應(yīng)地，閉環(huán)反饋也有多種方式。
本發(fā)明基于上述考慮，提出了基于瞬時信道信息和統(tǒng)計信道信息聯(lián)合設(shè)計多天線系統(tǒng)的反饋信道，本發(fā)明包括七個方面(1)瞬時與統(tǒng)計信道信息的分層反饋；(2)多種發(fā)射方法的支持；(3)瞬時信道反饋信息格式的確定；
(4)統(tǒng)計信道反饋信息格式的確定；(5)統(tǒng)計信道信息計算與壓縮；(6)統(tǒng)計數(shù)據(jù)流個數(shù)計算；(7)統(tǒng)計信道信息的預(yù)測與反饋誤差的修正。
本發(fā)明首先進行瞬時與統(tǒng)計信道信息的分層反饋；如圖1所示，在多天線系統(tǒng)中接收機首先完成每個子幀的信道估計，根據(jù)移動終端的多普勒頻率和反饋鏈路的信噪比高低決定采用什么反饋方法，當多普勒頻率比較高、反饋鏈路的信噪比低時，采用統(tǒng)計信道信息反饋方法；其它情況用瞬時信道信息反饋方法。
本發(fā)明支持多種發(fā)射方法，根據(jù)信道估計出的相關(guān)性大小、前向鏈路的信噪比高低決定采用相應(yīng)的發(fā)射方法，比如采用空間分集、空間復(fù)用、波束形成或它們的組合，使得系統(tǒng)性能最優(yōu)。該發(fā)射方法由后面介紹的發(fā)射方法選擇標志指明。
本發(fā)明還包括瞬時信道反饋信息格式的確定，如圖2所示，瞬時信道反饋信息格式包括反饋模式標志、發(fā)射方法選擇標志、單/多流編碼調(diào)制方式和數(shù)據(jù)流個數(shù)，每個子幀反饋一次瞬時信道信息。反饋模式標志是1比特，此時指明瞬時信道信息反饋。單/多流編碼調(diào)制方式和數(shù)據(jù)流個數(shù)的計算如下將瞬時估計的信道矩陣H(t-k)投影到與選定發(fā)射方法對應(yīng)的一組正交基矢量上{v1，...，vM}，即qm=vmHH(t-k)HH(t-k)vm]]>m＝1，…，M(公式1)這里H(t-k)表示第t個子幀段中第k個子幀的M×N維信道矩陣，每個子幀段包含K個子幀，上標H表示共軛轉(zhuǎn)置運算。
從{q1，…，qM}中選擇出投影值大的J個流，對應(yīng)的投影值分別為{μ1，…，μJ}，那么相應(yīng)的J個數(shù)據(jù)流的編碼調(diào)制方式由下面公式計算 j＝1，…，J(公式2)這里 表示在一組設(shè)定的編碼調(diào)制表里面、小于對應(yīng)的流容量并具有最大傳輸數(shù)據(jù)率的某個編碼調(diào)制方式。數(shù)據(jù)率個數(shù)J也將反饋到發(fā)射端。
本發(fā)明還包括統(tǒng)計信道反饋信息格式的確定，如圖3所示，統(tǒng)計信道反饋信息格式包括反饋模式標志、發(fā)射方法選擇標志、統(tǒng)計信道信息和數(shù)據(jù)流個數(shù)，多個子幀反饋一次統(tǒng)計信道信息。
本發(fā)明包括統(tǒng)計信道信息的計算與壓縮；我們利用估計出來的連續(xù)多個子幀的信道矩陣計算發(fā)射相關(guān)矩陣，得到當前子幀段的平均發(fā)射相關(guān)矩陣。該平均矩陣與前一個子幀段計算出來的統(tǒng)計發(fā)射相關(guān)矩陣加權(quán)求和，得到當前子幀段的統(tǒng)計發(fā)射相關(guān)矩陣，用數(shù)學(xué)表達式表示為R(t)=(1-β)R(t-1)+β1KΣk=1KHH(t-k)H(t-k)]]>(公式3)這里β表示加權(quán)因子，R(t)是第t個子幀段時的統(tǒng)計發(fā)射相關(guān)矩陣。對R(t)的對角元素及嚴格下三角矩陣元素進行矢量量化，壓縮后的數(shù)據(jù)作為反饋信息。
本發(fā)明還包括統(tǒng)計數(shù)據(jù)流個數(shù)計算；將R(t)投影到與選定的發(fā)射方法對應(yīng)的一組正交基矢量上{v1，...，vM}可得pm=vmHR(t)vm]]>m＝1，…，M (公式4)這組正交基矢量可以是固定的基矢量，如傅立葉變換基矢量，也可以是統(tǒng)計發(fā)射相關(guān)矩陣的特征矢量。
我們將公式(4)計算出來的投影值按從大到小得到新的一組數(shù)值，即λ1≥λ2≥…≥λM(公式5)它們對應(yīng)的正交基矢量為{u1，...，uM}，該組矢量是由前面的基矢量重新排序形成的?，F(xiàn)在我們選擇前面的L個投影值，且L滿足L≤min{M,N}Σl=1LλlΣm=1Mλm≥α]]>(公式6)這里α是一個小于且接近于1的常數(shù)。L就是統(tǒng)計發(fā)射數(shù)據(jù)流個數(shù)。
本發(fā)明還包括統(tǒng)計信道信息的預(yù)測與反饋誤差的修正；由于統(tǒng)計信道信息隨著時間是慢變的，因此我們可以用前面兩次反饋的信息預(yù)測當前反饋信息，即R^(t)=γR(t-1)+(1-γ)R(t-2)]]>(公式7)這里γ是一個大于0.5的預(yù)測系數(shù)，將預(yù)測矩陣里面的每個數(shù)據(jù)的實部和虛部與反饋過來的統(tǒng)計發(fā)射相關(guān)矩陣的對應(yīng)數(shù)據(jù)逐個比較，如果兩者的差大于設(shè)定的一個值，說明反饋誤差存在，用預(yù)測值代替反饋值。


圖1是多天線系統(tǒng)及信道反饋原理圖。
圖2是瞬時信道信息反饋示意圖。
圖3是統(tǒng)計信道信息反饋示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的具體實施過程如下1、接收機利用正交性比較好的導(dǎo)頻序列采用MMSE方法估計信道矩陣，用公式表示為Y＝H(t-k)S+Nt(公式8)這里Y、S和Nt分別是M×P維接收信號矩陣、N×P維導(dǎo)頻符號矩陣和M×P維噪聲矩陣，P是導(dǎo)頻序列在時間上的數(shù)目。那么信道矩陣的估計方法為H(t-k)=YSH(SSH+σn2IN)-1]]>(公式9)2、利用控制信道和接收機估計的信道矩陣判斷反饋鏈路的信噪比高低以及移動終端的多普勒頻率；3、根據(jù)移動終端的多普勒頻率和反饋鏈路的信噪比高低決定采用什么反饋方法。
(1)當多普勒頻率比較高、反饋鏈路的信噪比低時，采用統(tǒng)計信道信息反饋方法，用迭代更新方法計算統(tǒng)計發(fā)射相關(guān)矩陣和發(fā)射數(shù)據(jù)流個數(shù)，利用矢量量化方法壓縮統(tǒng)計協(xié)方差矩陣。
(2)當多普勒頻率不高且反饋鏈路的信噪比不低時，采用瞬時信道信息反饋方法，計算單/多流編碼調(diào)制方式，確定它們對應(yīng)的發(fā)射數(shù)據(jù)流個數(shù)。
4、統(tǒng)計與瞬時信道信息的分層反饋，該反饋信道設(shè)計支持多種發(fā)射模式并根據(jù)發(fā)射方法選擇標志進行切換。
當進行統(tǒng)計信道信息反饋時，多個子幀反饋反饋模式指示標志、發(fā)射方法選擇標志、壓縮后的統(tǒng)計發(fā)射相關(guān)矩陣和數(shù)據(jù)流個數(shù)，具體格式見圖2所示。發(fā)射方法選擇標志進行編碼，如第一種發(fā)射方法的編號對應(yīng)000，第二種發(fā)射方法的編號對應(yīng)001，如此進行，有幾種發(fā)射方法，就按順序編幾種編號。
當進行瞬時信道信息反饋時，每一個子幀反饋反饋模式指示標志、發(fā)射方法選擇標志、單/多流編碼調(diào)制方式和數(shù)據(jù)流個數(shù)，具體格式見圖3所示。對應(yīng)瞬時信道信息反饋的發(fā)射方法不一定和統(tǒng)計信道信息反饋時的相同，同樣，此時發(fā)射方法也進行編號，方法同前面所述。
5、發(fā)射端接收到從接收機傳過來的反饋信息，如果反饋模式指示標志表明是統(tǒng)計信道信息反饋，通過前兩次反饋信息預(yù)測當前反饋有無錯誤，并進行修正。發(fā)射端根據(jù)反饋信息確定單/多流發(fā)射編碼調(diào)制方式和發(fā)射方法，對單/多數(shù)據(jù)流進行線性預(yù)編碼映射到各個天線上，發(fā)射出去。接收機接收發(fā)射數(shù)據(jù)，完成譯碼、解調(diào)等工作。系統(tǒng)實現(xiàn)如圖1所示。
權(quán)利要求
1.一種基于瞬時和統(tǒng)計信道信息的多天線信道反饋方法，其特征在于該方法包括統(tǒng)計信道信息反饋和瞬時信道信息反饋兩種方式支持多種發(fā)射模式，根據(jù)移動終端的多普勒頻率和反饋鏈路的信噪比高低決定采用哪一種反饋方式，如果是瞬時信道信息反饋，則每個子幀反饋一次，按瞬時信道信息格式反饋；如果是統(tǒng)計信道信息反饋，則多個子幀反饋一次，按統(tǒng)計信道信息格式反饋；在計算統(tǒng)計信道信息時，完成統(tǒng)計信道信息計算與壓縮、統(tǒng)計數(shù)據(jù)流個數(shù)計算、統(tǒng)計信道信息的預(yù)測與反饋誤差的修正；在計算瞬時信道信息時，將數(shù)據(jù)流進行自適應(yīng)編碼調(diào)制，分別映射到對應(yīng)的發(fā)射正交基矢量上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于瞬時和統(tǒng)計信道信息的多天線信道反饋方法，其特征在于根據(jù)移動終端的多普勒頻率和反饋鏈路的信噪比高低決定采用相應(yīng)的反饋方法是當多普勒頻率比較高、反饋鏈路的信噪比低時，采用統(tǒng)計信道信息反饋方法；其它情況用瞬時信道信息反饋方法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于瞬時和統(tǒng)計信道信息的多天線信道反饋方法，其特征在于反饋是分層進行，瞬時信道信息是每個子幀反饋一次；統(tǒng)計信道信息是多個子幀反饋一次。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于瞬時和統(tǒng)計信道信息的多天線信道反饋方法，其特征在于多種發(fā)射模式為接收端根據(jù)信道條件判斷采用相應(yīng)的發(fā)射方法，計算對應(yīng)的發(fā)射編碼、調(diào)制方式，并反饋選定的發(fā)射方法的代號及其編碼調(diào)制方式代號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于瞬時和統(tǒng)計信道信息的多天線信道反饋方法，其特征在于瞬時信道反饋信息格式包括反饋模式標志、發(fā)射方法選擇標志、單/多流編碼調(diào)制方式和數(shù)據(jù)流個數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于瞬時和統(tǒng)計信道信息的多天線信道反饋方法，其特征在于統(tǒng)計信道反饋信息格式包括反饋模式標志、發(fā)射方法選擇標志、統(tǒng)計信道信息和數(shù)據(jù)流個數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于瞬時和統(tǒng)計信道信息的多天線信道反饋方法，其特征在于完成統(tǒng)計信道信息計算與壓縮時，統(tǒng)計信道信息的迭代計算與統(tǒng)計信息的矢量量化壓縮。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于瞬時和統(tǒng)計信道信息的多天線信道反饋方法，其特征在于統(tǒng)計信道信息的預(yù)測與反饋誤差的修正是在統(tǒng)計信道信息反饋條件下，實現(xiàn)統(tǒng)計信道信息的預(yù)測與反饋誤差的修正。
全文摘要
基于瞬時和統(tǒng)計信道信息的多天線信道反饋方法是一種提高無線通信數(shù)據(jù)率、降低多天線信道的反饋信息和提高多天線系統(tǒng)的魯棒性的技術(shù)方法，該方法包括統(tǒng)計信道信息反饋和瞬時信道信息反饋兩種方式支持多種發(fā)射模式，根據(jù)移動終端的多普勒頻率和反饋鏈路的信噪比高低決定采用哪一種反饋方式，如果是瞬時信道信息反饋，則每個子幀反饋一次，按瞬時信道信息格式反饋；如果是統(tǒng)計信道信息反饋，則多個子幀反饋一次，按統(tǒng)計信道信息格式反饋；在計算統(tǒng)計信道信息時，完成統(tǒng)計信道信息計算與壓縮、統(tǒng)計數(shù)據(jù)流個數(shù)計算、統(tǒng)計信道信息的預(yù)測與反饋誤差的修正；在計算瞬時信道信息時，將數(shù)據(jù)流進行自適應(yīng)編碼調(diào)制，分別映射到對應(yīng)的發(fā)射正交基矢量上。
文檔編號H04L1/00GK1801686SQ200610037610
公開日2006年7月12日 申請日期2006年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月4日
發(fā)明者王炎, 尤肖虎 申請人:東南大學(xué)