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一種延時反饋下多天線中繼預編碼的魯棒構造方法.pdf

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一種 延時 反饋 天線 中繼 預編 構造 方法
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摘要
申請專利號:

CN201210218283.8

申請日:

2012.06.28

公開號:

CN102752037B

公開日:

2015.01.28

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H04B 7/06申請日:20120628|||公開
IPC分類號: H04B7/06; H04L1/00 主分類號: H04B7/06
申請人: 東南大學
發明人: 許威; 梁樂; 沈弘; 趙春明
地址: 210096 江蘇省南京市四牌樓2號
優先權:
專利代理機構: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204 代理人: 夏雪
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210218283.8

授權公告號:

102752037B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.28|||2012.12.19|||2012.10.24

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種延時反饋下多天線中繼預編碼的魯棒構造方法,包括如下步驟:調研中繼站以及小區用戶的平均移動速率,計算相應的多普勒頻偏,獲得基站到中繼站以及中繼站到用戶信道的延時相關系數;然后中繼站和每個用戶通過信道估計分別獲得基站到中繼站以及中繼站到本用戶的下行信道信息,并對所獲信道信息進行量化,再將該量化信息通過有限個比特反饋到前級;最后,基站和中繼站依據經延時反饋獲得的信道信息和本發明給出的魯棒預編碼設計公式計算相應的預編碼,并將待發送數據乘以相應的預編碼后進行發送。本發明能夠顯著提高系統的通信容量,降低誤比特率。

權利要求書

1.一種延時反饋下多天線中繼預編碼的魯棒構造方法,包括如下步驟:
(1)基站調研中繼站的移動速率vr和小區用戶的平均移動速率vu,計算中
繼站的多普勒頻偏f1=fcvr/c和小區用戶的多普勒頻偏f2=fcvu/c,其中,c表
示光速,fc表示載波頻率,再根據克拉克散射模型分別計算出基站到中繼站信道
的延時相關系數ρH=J0(2πf1tH)和中繼站到用戶k信道的延時相關系數
ρk=J0(2πf2tk),k=1、2、…、N,其中,N為用戶數,tH和tk分別表示基站發送
符號長度和中繼站發送到用戶k的符號長度,J0(·)表示第一類零階貝塞爾函數;
(2)每次傳輸開始時,中繼站首先進行信道估計,獲得基站到中繼站的信
道信息H;同時每個用戶通過信道估計,獲得中繼站到本用戶的下行信道信息
gk;
(3)中繼站對所獲信道信息H進行奇異值分解:H=U[Σ0][V?V0]H,其中,
U表示酉矩陣,Σ表示對角元素為H的奇異值的對角陣,V表示另一酉矩陣的
前N列,V0表示該酉矩陣的后M-N列,M和N分別表示基站和中繼站的發射
天線數,滿足M≥N;中繼站根據碼字數為的已有碼本,對矩陣V的列向量
進行量化,量化結果記為接著中繼站將量化后的信息通過B1個比特反饋
給基站,基站依據該信息對發送符號進行預編碼傳輸,預編碼矩陣由下式確定:
W = P 1 / N V ^ ]]>
其中,P1表示基站的發射功率;
(4)用戶k根據碼字數為的已有碼本,對所獲的信道信息gk進行量化,
量化結果記為接著該用戶將量化后的信息通過B2個比特反饋給中繼站,
中繼站將得到的組成系統量化信道矩陣 G ^ = g ^ 1 . . . g ^ N , ]]>記矩陣

并記P2為中繼站的發射功率,I為單位矩陣;中繼站依據下式給出魯棒預編
碼F的構造公式:
F = γ ( G ^ D 2 G ^ H - 1 N ( 1 - τ g ) D 2 + N + P 2 ( 1 + τ g | | D | | F 2 ) P 2 N ( 1 - τ g ) I ) - 1 G ^ DU H ]]>
其中,||·||F表示目標矩陣的歐幾里得范數,τg和γ分別由下式給出:
τ g = 2 - B 2 N - 1 ]]>
γ = P | | ( G ^ D 2 G ^ H - 1 N ( 1 - τ g ) D 2 + N + P 2 ( 1 + τ g | | D | | F 2 ) P 2 N ( 1 - τ g ) I ) - 1 G ^ D | | F 2 ]]>
其中, P = P 1 P 2 ( N + P 1 + P 1 ρ H 2 ( M - ( M - N ) 2 - B 1 M - 1 - 1 ) ) ]]>
并將待轉發數據乘以該預編碼矩陣后進行發送。

說明書

一種延時反饋下多天線中繼預編碼的魯棒構造方法

技術領域

本發明屬于多天線中繼系統中的預編碼設計領域,具體涉及一種延時反饋下
多天線中繼預編碼的魯棒構造方法。

背景技術

中繼技術,作為未來無線通信中一種新的技術手段,通過將基站發送的信號
進行功率增強后轉發給各用戶,能夠顯著提高現有通信系統中小區邊緣用戶的接
收信噪比(SNR),從而擴大蜂窩小區的有效覆蓋范圍,減少甚至消除“通信盲
區”,增大系統的通信容量。另一方面,多輸入多輸出系統(MIMO)通過對信
號進行適當的預編碼處理,將已有的時間和頻率資源進行空間上的復用,進而大
幅提高頻譜資源的使用效率和系統的可達傳輸速率。在現有預編碼方案中,迫零
波束成形預編碼能以較低的實現復雜度,完全消除多用戶間的干擾,在高信噪比
情況下,獲得逼近系統最大容量的傳輸速率。但是在低信噪比情況下,因為噪聲
被放大的原因,迫零波束成形預編碼方案的性能則較差,基于均方誤差最小化準
則的波束成形預編碼方案卻能夠有效的解決這一問題,該預編碼方案可以在不同
的信噪比條件下都獲得較好的性能。

然而,要通過預編碼技術獲得充分的信道復用增益,發射端需要知曉理想的
下行信道信息,而在實際應用場景中,尤其是頻分雙工(FDD)系統中,這一要
求很難得到滿足。在實際FDD系統中,通常由用戶終端來估計下行信道信息,
然后用戶通過反饋鏈路將該信道信息反饋給基站。但是為了滿足反饋鏈路的容量
要求,往往是先將信道信息量化,然后將量化后的信息通過有限個比特反饋給基
站,最后基站根據此反饋信息盡可能多地恢復出信道信息,該方案被稱為有限比
特反饋技術。采用有限比特反饋將導致基站獲得的信道信息與真實的信道信息之
間存在一定的量化誤差,此量化誤差的大小由反饋鏈路的容量決定。此外采用反
饋機制時還存在反饋鏈路的信息延時問題,即基站獲得的反饋信息并不是當前時
刻的信道信息,而是在一段時間之前的信息。在上述諸多因素的影響下,基站獲
得的下行信道信息與真實的信道信息并不完全匹配,基于該信道信息計算得到的
預編碼相較于理想情況而言會產生較大的性能損失。

,因而我們有必要研究實際系統中預編碼的魯棒性設計,從而抵制信道信息
量化誤差和反饋鏈路延時等非理想因素造成的影響,提高實際系統的通信容量和
可靠性。

發明內容

發明目的:針對實際實施過程中采用有限比特反饋技術時普遍存在的信道信
息量化誤差和反饋鏈路延時等問題,為多天線中繼系統設計一種魯棒預編碼,從
而抵制信道信息量化誤差和反饋鏈路延時等非理想因素造成的影響,提高實際系
統的通信容量,降低誤比特率。

技術方案:考慮基站和中繼站分別擁有M和N根天線,每個用戶都是單天
線的兩跳中繼通信系統。

本發明一種延時反饋下多天線中繼預編碼的魯棒構造方法,該魯棒預編碼基
于均方誤差最小化的準則進行設計,考慮了實際系統中采用有限比特反饋技術時
普遍存在的量化誤差和反饋延時的影響,與傳統的迫零波束成形預編碼等方案相
比,能夠獲得更優的系統性能。該方法包括以下步驟:首先系統調研中繼站以及
小區用戶的平均移動速率,計算相應的多普勒頻偏,獲得基站到中繼站以及中繼
站到用戶信道的延時相關系數;然后中繼站和每個用戶通過信道估計分別獲得基
站到中繼站以及中繼站到本用戶的下行信道信息,并對所獲信道信息進行量化,
再將該量化信息通過有限個比特反饋到前級;最后,基站和中繼站依據經延時反
饋獲得的信道信息和本發明給出的魯棒預編碼設計公式計算相應的預編碼,并將
待發送數據乘以相應的預編碼后進行發送。該方法具體包括:

(1)基站調研中繼站的移動速率vr和小區用戶的平均移動速率vu,計算中
繼站的多普勒頻偏f1=fcvr/c和小區用戶的多普勒頻偏f2=fcvu/c,其中,c表
示光速,fc表示載波頻率,再根據克拉克散射模型分別計算出基站到中繼站信道
的延時相關系數ρH=J0(2πf1tH)和中繼站到用戶k信道的延時相關系數
ρk=J0(2πf2tk),k=1、2、…、N,其中,N為用戶數,tH和tk分別表示基站發送
符號長度和中繼站發送到用戶k的符號長度,J0(·)表示第一類零階貝塞爾函數;

(2)每次傳輸開始時,中繼站首先進行信道估計,獲得基站到中繼站的信
道信息H;同時每個用戶通過信道估計,獲得中繼站到本用戶的下行信道信息
gk;

(3)中繼站對所獲信道信息H進行奇異值分解:H=U[Σ0][V?V0]H,其中,
U表示酉矩陣,Σ表示對角元素為H的奇異值的對角陣,V表示另一酉矩陣的
前N列,V0表示該酉矩陣的后M-N列,M和N分別表示基站和中繼站的發射
天線數,滿足M≥N;中繼站根據碼字數為的已有碼本,對矩陣V的列向量
進行量化,量化結果記為接著中繼站將量化后的信息通過B1個比特反饋
給基站,基站依據該信息對發送符號進行預編碼傳輸,預編碼矩陣由下式確定:

W = P 1 / N V ^ ]]>

其中,P1表示基站的發射功率;

(4)用戶k根據碼字數為的已有碼本,對所獲的信道信息gk進行量化,
量化結果記為接著該用戶將量化后的信息通過B2個比特反饋給中繼站,
中繼站將得到的組成系統量化信道矩陣 G ^ = g ^ 1 . . . g ^ N , ]]>記矩陣


并記P2為中繼站的發射功率,I為單位矩陣;針對系統中的反饋鏈路延時及
信道信息量化誤差對性能造成的不良影響,中繼站依據下式給出魯棒預編碼F
的構造公式:

F = γ ( G ^ D 2 G ^ H - 1 N ( 1 - τ g ) D 2 + N + P 2 ( 1 + τ g | | D | | F 2 ) P 2 N ( 1 - τ g ) I ) - 1 G ^ DU H ]]>

其中,||·||F表示目標矩陣的歐幾里得范數,τg和γ分別由下式給出:

τ g = 2 - B 2 N - 1 ]]>

γ = P | | ( G ^ D 2 G ^ H - 1 N ( 1 - τ g ) D 2 + N + P 2 ( 1 + τ g | | D | | F 2 ) P 2 N ( 1 - τ g ) I ) - 1 G ^ D | | F 2 ]]>

其中, P = P 1 P 2 ( N + P 1 + P 1 ρ H 2 ( M - ( M - N ) 2 - B 1 M - 1 - 1 ) ) ]]>

并將待轉發數據乘以該預編碼矩陣后進行發送。

有益效果:1)本發明能夠有效抵制實際系統中采用有限比特反饋技術時普
遍存在的信道信息量化誤差和反饋鏈路延時等非理想因素的影響,提高實際中繼
系統的通信容量,降低誤比特率;

2)本發明與包括迫零波束成形預編碼在內的傳統線性預編碼方案相比,具
有相當的計算復雜度,易于實際系統實現。

附圖說明

圖1是本發明提出的延時反饋下多天線中繼預編碼的魯棒構造方法的系統框
圖;

圖2是不同反饋比特數情況下本發明提出的魯棒預編碼方案與傳統的迫零波
束成形預編碼方案獲得的系統容量隨信噪比增加而變化的曲線圖,其中基站天線
數M=4,中繼站天線數N=4,中繼站的歸一化多普勒頻偏為f1tH=0.05,用
戶的歸一化多普勒頻偏為f2tk=0.05;

圖3是不同反饋比特數情況下本發明提出的魯棒預編碼方案與傳統的迫零
波束成形預編碼方案達到的誤比特率隨信噪比增加而變化的曲線圖,其中基站天
線數M=4,中繼站天線數N=4,中繼站的歸一化多普勒頻偏為f1tH=0.02,
用戶的歸一化多普勒頻偏為f2tk=0.02。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例,進一步闡明本發明,應理解這些實施例僅用于
說明本發明而不用于限制本發明的范圍,在閱讀了本發明之后,本領域技術人員
對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。

如圖1所示:本發明的具體實施步驟如下:

1)系統調研中繼站的移動速率vr和小區用戶的平均移動速率vu,計算中繼
站的多普勒頻偏f1=fcvr/c和小區用戶的多普勒頻偏f2=fcvu/c。再根據克拉克
散射模型分別計算出基站到中繼站信道的延時相關系數ρH=J0(2πf1tH)和中繼
站到用戶k信道的延時相關系數ρk=J0(2πf2tk),由ρk組成延時相關系數對角矩
陣D;

2)每次傳輸開始時,基站和中繼站分別發送導頻信號,接著中繼站進行信
道估計,獲得基站到中繼站的信道信息H,每個用戶通過信道估計,獲得中繼站
到本用戶的下行信道信息gk;

3)中繼站對所獲信道信息H進行奇異值分解,即H=U[Σ0][V?V0]H,再
根據碼字數為的已有碼本,對矩陣V的列向量進行量化,量化結果記為
接著中繼站將量化后的信息通過B1個比特反饋給基站,反饋比特數B1由本級
反饋鏈路容量決定;

4)基站依據由步驟3)所獲反饋信道信息,按照下式計算預編碼矩陣:

W = P 1 / N V ^ ]]>

再將待發送數據乘以該預編碼矩陣后對外發送。其中,p1表示基站的發射功率;

5)用戶k根據碼字數為的已有碼本,對由步驟2)所獲信道信息gk進
行量化,量化結果記為接著該用戶將量化后的信息通過B2個比特反饋給
中繼站,反饋比特數B2由本級反饋鏈路容量決定;

6)中繼站將得到的組成系統量化信道矩陣 G ^ = g ^ 1 . . . g ^ N , ]]>針對系統中
的反饋鏈路延時及信道信息量化誤差對性能造成的不良影響,依據下式設計魯棒
預編碼矩陣:

F = γ ( G ^ D 2 G ^ H - 1 N ( 1 - τ g ) D 2 + N + P 2 ( 1 + τ g | | D | | F 2 ) P 2 N ( 1 - τ g ) I ) - 1 G ^ DU H ]]>

并將待轉發數據乘以該預編碼矩陣后進行發送。其中,P2為中繼站的發射功率,
I為單位矩陣,||·||F表示目標矩陣的歐幾里得范數,τg和γ分別由下式給出:

τ g = 2 - B 2 N - 1 ]]>

γ = P | | ( G ^ D 2 G ^ H - 1 N ( 1 - τ g ) D 2 + N + P 2 ( 1 + τ g | | D | | F 2 ) P 2 N ( 1 - τ g ) I ) - 1 G ^ D | | F 2 ]]>

其中, P = P 1 P 2 ( N + P 1 + P 2 ρ H 2 ( M - ( M - N ) 2 - B 1 M - 1 - 1 ) ) ]]>

圖2是不同反饋比特數情況下本發明提出的魯棒預編碼方案與傳統的迫零波
束成形預編碼方案獲得的系統容量隨信噪比增加而變化的曲線圖,其中基站天線
數M=4,中繼站天線數N=4,中繼站的歸一化多普勒頻偏為f1tH=0.05,用
戶的歸一化多普勒頻偏為f2tk=0.05。從圖中可以發現,本發明提出的魯棒預編
碼在不同信噪比及反饋比特數條件下都能獲得比傳統的迫零波束成形預編碼方
案更高的系統容量,在高信噪比情況下,通信容量將獲得不小于0.5bps/Hz的顯
著增益。

圖3是不同反饋比特數情況下本發明提出的魯棒預編碼方案與傳統的迫零
波束成形預編碼方案達到的誤比特率隨信噪比增加而變化的曲線圖,其中基站天
線數M=4,中繼站天線數N=4,中繼站的歸一化多普勒頻偏為f1tH=0.02,
用戶的歸一化多普勒頻偏為f2tk=0.02。從圖中可以發現,本發明提出的魯棒預
編碼在不同信噪比及反饋比特數條件下都能達到比傳統的迫零波束成形預編碼
方案更小的誤比特率,在大部分情況下,本發明提出的方案將獲得2dB的性能
增益。

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