基于延时信道状态信息的MIMO-OFDM系统比特分配方法

摘要

基于延时信道状态信息的MIMO-OFDM系统比特分配方法，包括：根据延时的信道状态信息估计当前的实际信道；计算空间子信道的星座距离参数

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信系统资源分配技术，尤其针对MIMO-OFDM系统物理层的一种基于 延时信道状态信息的比特分配方法。

背景技术

各种无线通信系统如蜂窝移动通信网、无线局域网和城域网的发展很快，但也面临着不 断到来的各种挑战，其根本问题是用户对服务质量（速率，误码率等）要求的不断提高和无 线信道有限的传输能力之间的矛盾。数据业务、多媒体业务的增长，使这个矛盾更加突出。 但无线信道属于时变衰落信道，而且是带限的，其容量有限而且随机。面对业务的多样化、 用户对服务质量要求不断提高的趋势，必须使系统无线资源尽可能发挥出最大的效用，自适 应传输技术成为了无线通信系统的关键技术之一。

自适应传输技术根据信道、网络状况等自适应的调整各种传输参数，达到系统速率最大 化或功率消耗最小化等目标，如自适应编码调制、自适应功率分配等等。

MIMO-OFDM系统比特分配也属于自适应传输的范畴，它根据传输时刻的信道状态自适 应的为每个子信道分配比特，在满足服务质量要求的同时使系统发射功率最小化。传统的比 特分配方法将通过反馈获得的信道状态信息直接用于自适应传输，没有考虑由于接收机信道 估计、反馈等产生的延时，在时变衰落信道中往往导致反馈的信道信息与实际信道状态之间 的失配，产生传输差错与性能损失。另一方面，很多传统的比特分配方法复杂度很高，虽然 达到了优异的性能，但是在实时通信系统中实现起来很困难，硬件、软件成本也很高。

发明内容

本发明目的是提供一种降低算法复杂度并保持通信系统较优异的性能的基于延时信道状 态信息的MIMO-OFDM系统比特分配方法，其具体技术方案如下：

所述系统比特分配方法，其特征在于包括：

发射端根据延时的信道状态信息，估计当前的实际信道；

根据估计的当前实际信道与误码率BER要求，计算每个MIMO空间子信道的星座距离参 数

根据MIMO-OFDM信道的特征，将所有空间子信道分成两组，并确定两组分配的比特数的 分布；

依据所确定的比特数分布、系统总速率需求，将系统总速率分配到两组，并分配每组比特 分布参数；

根据各组所分配的速率及空间子信道的星座距离参数，为组内每个空间子信道计算分配的 比特数以及相应的发射功率；

其中n表示子载波序号，n=1,2，…N_C。

所述系统比特分配方法进一步的设计在于，所述延时的信道状态信息为发射端通过反馈 通道获得的自接收端发出包含N_C个子载波的信道状态信息H^f(n)，与比特传输发生时的信道 H(n)相比，延时的信道状态信息H^f(n)是有一定时间滞后的信道状态信息。

所述系统比特分配方法进一步的设计在于，所述发射端获得的延时的信道状态信息 H^f(n)与当前信道H(n)之间存在相关系数ρ

ρ=J₀(2πf_DT_delay)；

其中：J₀(·)第一类零阶Bessel函数，T_delay为反馈时延，f_D为Doppler频移。

所述系统比特分配方法进一步的设计在于，所述发射端根据延时的信道状态信息估计当 前信道具体为：

$\hat{H}\left(n\right)=\rho H^f\left(n\right)+\Xi \left(n\right),n=\mathrm{0,1},...,N_C-1$

其中：Ξ(n)是估计误差的随机矩阵，服从复高斯分布是信道矩阵中各 元素的估计误差的方差，是无线链路的平均功率增益，f_D为Doppler频移， T_delay为反馈时延。

所述系统比特分配方法进一步的设计在于，所述计算每个空间子信道的星座距离参数包括：

分别对信道矩阵与H^f(n)进行奇异值分解，且H^f(n)、H(n)与都是N_T×N_R矩 阵，则奇异值分解为，

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\rho H}}^f\left(n\right)=\bar{U}\left(n\right)\bar{\Lambda }\left(n\right){\bar{V}}^H\left(n\right)\\ ={\Sigma }_{i=1}^{M_S}{\bar{u}}_i\left(n\right){\bar{\lambda }}_i\left(n\right){\bar{v}}_i^H\left(n\right)\end{array}\right),$

$\left(\begin{array}{c}\hat{H}\left(n\right)=\bar{U}\left(n\right)\hat{\Lambda }\left(n\right){\bar{V}}^H\left(n\right)\\ ={\Sigma }_{i=1}^{M_S}{\bar{u}}_i\left(n\right){\hat{\lambda }}_i\left(n\right){\bar{v}}_i^H\left(n\right)\end{array}\right);$

计算最小平方欧氏距离

$d_{i,E}^2\left(n\right)=4g\left(b_i\left(n\right)\right)P_i\left(n\right)T_s;$

归一化的平方欧氏距离参数

$\left(\begin{array}{c}{d}_i^2\left(n\right)=d_{i,E}^2\left(n\right)/\left({4T}_s\right)\\ =g\left(b_i\left(n\right)\right)P_i\left(n\right)\end{array};\right)$

确定第i个子空间信道上近似的误码率BER_i(n)

${\mathrm{BER}}_i\left(n\right)\approx 0.2·\exp ({-\lambda }_i^2\left(n\right)d_i^2\left(n\right)/{\sigma }^2)$

确定第i个子空间信道上的平均误码率

${\overline{\mathrm{BER}}}_i\left(n\right)\approx 0.2{\left(\frac{1}{1+d_i^2\left(n\right){\sigma }_{ϵ}^2/{\sigma }^2}\right)}^{N_R}·\exp \left(\frac{{\bar{\lambda }}_i^2\left(n\right)d_i^2\left(n\right)/{\sigma }^2}{1+d_i^2\left(n\right){\sigma }_{ϵ}^2/{\sigma }^2}\right)$

给定第i个子信道上的目标误码率达到目标误码率所需的最小可以从上 述求得；

其中：为奇异值，为奇异值的均值，且为的随机变量；

M_T和M_R分别表示发射和接收端分别配置天线的个数；M_S是H(n)进行奇异值分解产生 的空间子信道个数，M_S=min(M_T,M_R)；分别是对ρH^f(n)进行奇异值分解 时产生的左奇异矩阵、奇异值矩阵、右奇异矩阵；分别是对ρH^f(n)进行奇异值分 解时产生的左奇异向量、右奇异向量g(b)是关于比特数b的函数，$g\left(b\right)=\left(\begin{array}{c}\frac{6}{5·2^b-4},b=1,3,5,...\\ \frac{6}{4·2^b-4},b=\mathrm{2,4,6},...\end{array}\right),$b_i(n)、P_i(n)分别是第n个子载波上第i个空间子信道加载的比特数和功率，TS是去除循环前缀 之后的OFDM符号周期。

所述系统比特分配方法进一步的设计在于，所述所有空间子信道分成两组的方法包括：

每个OFDM载波上的空间子信道1和空间子信道2划分入第一组，其他子信道划分入第二 组；

如果每个OFDM载波上只有两个空间子信道，则子信道1划分入第一组，子信道2划分入 第二组。

所述系统比特分配方法进一步的设计在于，所述两组分配的比特数的分布包括：b_max与 b_max-2；b_max-2与b_max-4；b_max是待比特数并为偶数。

所述系统比特分配方法进一步的设计在于，所述比特数分布的具体参数的确定包括：

a.令b_max＝4；

b.第一组全部子信道加载b_max-2比特，第二组全部加载b_max-4比特；

c.若步骤b中所得比特数小于0，则取为0比特，两组信道达到的总的速率R_total；

d.若R_total>R_need，进入下一步e；否则b_max＝b_max+2，返回b；

e.b_max＝b_max-2；

则：两组分配的比特数分别为b_max与b_max-2以及b_max-2与b_max-4；

若上述比特数出现负值，则取为0比特，即保证分配的比特数是非负值。

所述系统比特分配方法进一步的设计在于，所述组内每个空间子信道计算所分配的比特 数的方法包括：

a.令第一组子信道全部加载b_max-2比特所达到的速率为R_a，第二组子信道全部加载b_max-4比特所所达到的速率为R_b，则剩余比特为R_rem＝R_need-R_a-R_b；

b.为第一组分配比特数R₁＝R_a＋R_rem/2，第二组分配比特数R₂＝R_b＋R_rem/2；

所述系统比特分配方法进一步的设计在于，所述组内每个空间子信道根据分配相应的发 射功率的方法包括：

设定第p(p=1,2)组内两个比特数分别为b_up与b_low，且该组分配的总比特数是R_p。

将组内所有升序排列，形成数组$d=[d_{i.1}^2\left(j\right),...,d_{i,m}^2\left(k\right),...,d_{i,N}^2\left(l\right)];$

对(R_p-b_low)/2向上取整，得到整数N₁，则数组中前N₁个对应的子信道都加载b_up比 特；剩余子信道都加载b_low比特；

根据子信道上加载的比特数得到相应功率需求因子F，得到相应的发射功率

对所有子信道的发射功率求和，就得到系统的发射功率。

本发明利用延时的信道状态信息计算星座距离参数并考虑延时的影响，从而降低了信道 失配的影响；利用OFDM/MIMO信道的特点，简单有效的实现了信道分组，降低了算法复杂 度；通过组间分配、组内分配两步法，降低了比特分配的复杂度，最终获得每个空间子信道 上的比特数以及相应的发射功率。由此，本发明方法产生如下有益技术效果：1）降低总发射 功率；2）降低通信系统中比特加载的复杂度；3）避免由于延时产生的CSI失配与算法性能 降低。

具体实施方式

下面根据具体实施例对本发明做进一步的说明。

本发明的系统比特分配方法主要包括下述的步骤：

1）估计当前的实际信道

发射端接收自接收端发出包含N_C个子载波的当前信道状态信息H(n)，通过反馈通道获 得具有延时的信道状态信息H^f(n)，发射端根据延时的信道状态信息H^f(n)，估计当前的实 际信道

2）计算星座距离参数

根据估计的当前实际信道与误码率BER要求，计算每个MIMO空间子信道的星座距离 参数

3）子信道分组及分配每组比特分布参数

依据所确定的比特数分布、系统总速率需求，将系统总速率分配到两组，并确定比特分 布参数；

4）分配的比特数以及相应的发射功率

根据各组所分配的速率，以及空间子信道的星座距离参数，为组内每个空间子信道计算 所分配的比特数以及相应的发射功率。

上述步骤中的所述延时的信道状态信息H^f(n)是指与比特传输发生时的信道相比，有一定 时间滞后的信道状态信息。在频分双工系统中，经过反馈通道到达发射端。采用Jakes模型 描述信道时变特征，反馈时延为T_delay秒，Doppler频移为f_D。那么发射端得到的信道状态信 息H^f(n)即有延时的信道状态信息，它与当前信道H(n)之间的相关系数为ρ=J₀(2πf_DT_delay)， J₀(·)是第一类零阶Bessel函数。发射端根据H^f(n)估计当前信道为

$\hat{H}\left(n\right)=\rho H^f\left(n\right)+\Xi \left(n\right),n=\mathrm{0,1},...,N_C-1---\left(1\right)$

式(1)中Ξ(n)是表征估计误差的随机矩阵，服从复高斯分布是信道矩 阵中各元素的估计误差的方差，是无线链路的平均功率增益。

本发明的子信道是MIMO空间子信道，它是在每个OFDM子载波上通过奇异值分解 （SVD）产生的空间子信道。假设MIMO-OFDM系统在发射和接收端分别配置M_T和M_R个 天线，共有N_C个子载波；每对发射-接收天线间经历统计特性相同的频率选择性衰落。那么， 经过收发两端联合处理后，在第n个子载波上得到平坦衰落MIMO信道矩阵 H(n)=[H_μν(n)],1≤μ≤M_T,1≤ν≤M_R。如果天线间距足够远，H_μν(n)之间将互不相关。对H(n) 进行奇异值分解（SVD）产生M_S=min(M_T,M_R)个空间子信道，即

$\left(\begin{array}{c}H\left(n\right)=U\left(n\right)\Lambda \left(n\right)V^H\left(n\right)\\ ={\Sigma }_{i=1}^{M_S}{u}_i\left(n\right){\lambda }_i\left(n\right)v_i^H\left(n\right)\end{array}\right)---\left(2\right)$

式(2)中λi(n)是按降序排列的奇异值，u_i(n)与v_i(n)分别是与λi(n)对应的左/右奇异向量。

所述星座距离指空间子信道上使用QAM星座时，经过归一化的平方欧氏距离参 数。去除循环前缀之后的OFDM符号周期为T_S，第n个子载波上第i个空间子信道加载的比 特数和功率为{b_i(n),P_i(n)}。在使用正方形和矩形QAM星座的条件下，星座的最小平方欧氏 距离为

$d_{i,E}^2\left(n\right)=4g\left(b_i\left(n\right)\right)P_i\left(n\right)T_s---\left(1\right)$

其中

$g\left(b\right)=\left(\begin{array}{c}\frac{6}{5·2^b-4},b=1,3,5,...\\ \frac{6}{4·2^b-4},b=\mathrm{2,4,6},...\end{array}\right)---\left(2\right)$

归一化的平方欧氏距离参数为

$\left(\begin{array}{c}{d}_i^2\left(n\right)=d_{i,E}^2\left(n\right)/\left({4T}_s\right)\\ =g\left(b_i\left(n\right)\right)P_i\left(n\right)\end{array}---\left(3\right)\right)$

在定义了归一化的平方欧氏距离参数之后，子信道i上的误码率（BER）可以近似为

${\mathrm{BER}}_i\left(n\right)\approx 0.2·\exp ({-\lambda }_i^2\left(n\right)d_i^2\left(n\right)/{\sigma }^2)---\left(4\right)$

上式中σ²是空间子信道i上的噪声功率。

对基于延时信道状态信息的估计值进行奇异值分解如下

$\left(\begin{array}{c}\hat{H}\left(n\right)=\bar{U}\left(n\right)\hat{\Lambda }\left(n\right){\bar{V}}^H\left(n\right)\\ ={\Sigma }_{i=1}^{M_S}{\bar{u}}_i\left(n\right){\hat{\lambda }}_i\left(n\right){\bar{v}}_i^H\left(n\right)\end{array}\right)---\left(5\right)$

那么第i个子空间信道上的平均BER为

${\overline{\mathrm{BER}}}_i\left(n\right)\approx 0.2{\left(\frac{1}{1+d_i^2\left(n\right){\sigma }_{ϵ}^2/{\sigma }^2}\right)}^{N_R}·\exp \left(\frac{{\bar{\lambda }}_i^2\left(n\right)d_i^2\left(n\right)/{\sigma }^2}{1+d_i^2\left(n\right){\sigma }_{ϵ}^2/{\sigma }^2}\right)---\left(6\right)$

给定第i个子信道上的目标误码率达到目标误码率所需的最小可以在式(8) 的基础上求得。

空间子信道分组与组间比特分布：在OFDM系统中，其子载波信道之间具有连续变化的 特点。而MIMO信道中，最强的两个空间子信道具有更大的增益，其也较其他空间子 信道小得多。从这两个特点出发，将所有空间子信道按照顺序划分为两组：每个OFDM载波 上的空间子信道1和空间子信道2划分入第一组，其他子信道划分入第二组。那么两组之内 的动态范围在16倍以内；两组之间有一定的重叠区域。当组内所有信道的的 动态范围在16倍以内，可以近似认为各子信道上加载的比特数是两个连续的偶数之一，与最 优比特加载方法相比，引起的额外功率增长极小。于是据此设定两组子信道的比特数分别为 为：b_max与b_max-2以及b_max-2与b_max-4（b_max是一个待定的偶数）。然后根据需要传输的 比特总数R_need，以及每组子信道上的星座距离确定比特分布参数b_max。

确定两组信道各自的速率R₁、R₂：两组内所有子信道分别加载b_max-2、b_max-4比特之 后，如果还有剩余的比特，则采用剩余比特平均分配的准则，将剩余的比特在两组间平均分 配，得到两组信道各自的速率R₁、R₂，具体包括：

a.令第一组子信道全部加载b_max-2比特所达到的速率为R_a，第二组子信道全部加载b_max-4比特所所达到的速率为R_b，则剩余比特为R_rem＝R_need-R_a-R_b；

b.为第一组分配比特数R₁＝R_a＋R_rem/2，第二组分配比特数R₂＝R_b＋R_rem/2；

每组内按照二分法分配所有比特，按照分配的比特数为所有子信道计算需要的发射功率， 具体包括：

a.两组分别按照二分法加载比特，设第p(p=1,2)组内两个比特数分别为b_up与b_low；R_p是 为第p组分配的总比特数；

b.将组内所有升序排列，形成数组下标中的m是 元素在数组d中的序号，圆括号中的字母是其所在子载波的序号；

c.对(R_p-b_low)/2向上取整，得到整数N₁，则数组中前N₁个对应的子信道都加载 b_up比特；剩余子信道都加载b_low比特；

d.根据子信道上加载的比特数从下表1得到相应功率需求因子F，通过计算得 到相应的发射功率。

e.对所有子信道的发射功率求和，就得到系统的发射功率。

目前实际系统中，调制一个符号所用的比特数低于10。

两组之内均按照上述方法为每个空间子信道分配了比特，并分别计算相应的发射功率； 所有子信道加载的比特数之和即为系统的目标速率R_need，所有子信道的发射功率之和即为系 统的总发射功率。

本发明的比特加载方法为物理层各子信道、OFDM各载波分配适当的比特数，以便进行 后续的调制、MIMO空分复用等操作。目的是在满足系统对信息传输速率与通信质量（误码 率）的前提下，尽可能降低系统发射功率；同时降低执行比特加载算法的复杂度。