CN101567765B - 基于信道角度域信息的分布式空时预编码传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信道角度域信息的分布式空时预编码传输方法，其关键是接收端把通过信道估计得到的信道角度域信息，包括平均入射角、角度扩展和归一化接收天线距离，反馈给发射端，收到反馈信息后，发射端首先构建出信道的统计信息，包括均值和相关矩阵，然后利用这些信息设计最佳的预编码矩阵，对预先设计好的空时码字进行预处理。这种基于信道角度域信息的分布式空时预编码传输方法一方面可以得到更加精确的信道统计信息，另一方面可以进一步减少所需的反馈量。

Description

基于信道角度域信息的分布式空时预编码传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于信道角度域信息的分布式空时预编码传输方法。

背景技术

作为一种特殊的多天线***，分布式天线***(DAS)把各个天线单元分布在整个小区中，并把它们用光纤或者微波和中央处理单元连接起来，这样一方面保证了发射天线间的独立性，同时由于把收发装置与处理***分离，这样可以使得***具有很强的可扩展性，并可以降低***的建设成本。与传统的集中式多天线***相比，分布式***可以进一步提高***吞吐率、增强传输可靠性、减少发射功率和扩大覆盖范围。尤其是，分布式天线***与现有的TDMA、FDMA和CDMA等多址接入方式兼容，并适用于2G、3G、Wi-Fi和WiMax等无线通信技术标准，因此它具有很好的应用前景。

分布式天线***除了固有的宏分集外，还可以利用分布式空时编码获得发射和接收分集，但是空时编码不能获得***的阵增益。研究表明，如果在发射端可以获得全部或者部分信道信息，并且利用这些信息对空时码字进行预处理，使得这些空时码字能够随着信道波动做自适应的变化，就可以进一步提高***的性能。当前，由于分布式***的信道量化方法还不成熟，主要利用天线选择这一方式来进行预处理。清华大学的韩双锋等人在《Outage Probability BasedOptimal Transmission of Space Time Block Codes over Correlated DistributedAntenna》一文中以最小化中断概率为目标，提出了一种最佳的天线选择方案，并给出了相应的功率分配策略。

近年来，不少文献提出利用信道的统计信息来设计预编码矩阵，由于信道统计信息不随信道的波动而变化，因此它比反馈信道瞬时信息具有更高的可靠性。在前面的文献中，信道的统计信息，包括信道均值和自相关矩阵，主要利用对瞬时信道实现取时间平均来代替统计平均，这种方法只有在反馈大量的信道实现时才有足够的精确度，这就会大大增加***的反馈量。另一方面，目前很少有文献讨论利用统计信息来设计Ricean衰落中的预编码矩阵设计问题，特别是关于Ricean K因子对码字设计的影响。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述各方案中性能低、反馈量大，信道统计信息精度不够高以及很少涉及Ricean衰落中预编码矩阵设计等问题，提出一种基于信道角度域信息的分布式空时预编码传输方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种基于信道角度域信息的分布式空时预编码传输，包括如下步骤：

1)接收端通过信道估计，得到对应于每一个发射天线的视距分量入射角θ_m、非视距分量平均入射角θ_m、角度扩展σ_m ²、归一化接收天线距离Δ_r和K因子等角度域信息，并把它们反馈给发射端；

2)发射端收到反馈信息后，分别根据基于角度域信息的信道均值和信道自相关矩阵构建方法，得到相应的信道均值H和信道自相关矩阵∑；

3)如果K＝0，则信道H为瑞利衰落，这时如果发射信噪比小于10dB，则采用单天线功率分配法设计预编码矩阵，如果发射信噪比大于10dB，则采用平均功率分配法设计预编码矩阵；

4)如果K不等于零但是它小于20，这时如果发射信噪比小于10dB，则采用单波束法设计预编码矩阵，如果发射信噪比大于10dB，则采用平均功率分配法设计预编码矩阵；

5)如果K大于20时，利用基于奇异值分解的预编码设计法设计预编码矩阵；

6)在得到预编码矩阵后，发射端对设计好的分布式正交空时码字进行预处理，然后把它发射出去，接收端对收到的空时码字进行最大似然解码，恢复出所发送的空时码字。

进一步地，所述的基于角度域信息的信道均值构建方法为：

${\stackrel{\‾}{H}}^{\left(m\right)}=a_m\exp \left(\frac{-j2\mathrm{\π}{f}_c{d}_m}{c}\right)e\left({\mathrm{\θ}}_m\right),$

其中，H^(m)为信道均值H的第m列， $a_m=d_m^{-4}$ 为路径损失，d_m为第m根发射天线到接收端的距离，f_c为载波频率，c表示光速， $e\left({\mathrm{\θ}}_m\right)=1/\sqrt{N_t}{[1\exp (-j2{\mathrm{\π\Δ}}_r\cos \left({\mathrm{\θ}}_m\right))...\exp (-j2\mathrm{\π}(N_t-1){\mathrm{\Δ}}_r\cos \left({\mathrm{\θ}}_m\right))]}^T,$ N_t为发射天线数。

进一步地，所述的基于角度域信息的信道自相关矩阵构建方法为：信道自相关矩阵可表示为一个N_tN_r×N_tN_r的块对角矩阵 $\mathrm{\Σ}=\mathrm{diag}\{{\mathrm{\Σ}}^{\left(1\right)}...{\mathrm{\Σ}}^{\left(N_t\right)}\},$ 其中∑^(m)为对应于第m根发射天线的接收天线自相关矩阵，N_r为接收天线数。∑^(m)的第1行第n列元素∑_l，n ^(m)表示第1和n根接收天线的相关系数，其可以通过如下式子计算得到：

${\mathrm{\Σ}}_{l,n}^{\left(m\right)}=a_m^2\exp (-j2\mathrm{\π}|l-n\left|{\mathrm{\Δ}}_r\cos \left({\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_m\right)\right)\exp (-\frac{1}{2}{\left(2\mathrm{\π}\right|l-n\left|{\mathrm{\Δ}}_r\sin \left({\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_m\right){\mathrm{\σ}}_m\right)}^2)$

进一步地，所述的单天线功率分配法为：把发射功率分配给信道增益最大的天线，即预编码矩阵F＝diag{0…1…0}，其中1所在的位置可由下式确定：

$i=\arg \underset{1\≤i\≤N_t}{\max }\mathrm{tr}\left({\mathrm{\Σ}}^{\left(i\right)}\right)$

其中tr(∑⁽ⁱ⁾)表示求矩阵∑⁽ⁱ⁾的迹。

进一步地，所述的平均功率分配法为：把发射功率平均分配给所有的发射天线，即预编码矩阵为 $F=\frac{1}{\sqrt{N_t}}U,$ 其中U为任意N_t×N_t的酉矩阵。

进一步地，所述的单波束功率功率分配法为：把发射功率分配给信道增益最大的发射波束，即预编码矩阵为F＝V^(k)U，其中V^(k)为信道均值H的最大奇异值所对应的右奇异值矢量，U为任意N_t×N_t的酉矩阵。

进一步地，所述的基于特征值分解的预编码矩阵设计法为：将信道均值H进行奇异值分解QDV^H，则预编码矩阵为F＝VU，其中U为任意N_t×N_t的酉矩阵。

本发明具有的有益效果是：本发明利用信道角度域信息，构建出信道的均值和自相关矩阵，并在此基础上得到了空时预编码矩阵，这种方法由于只要反馈信道的角度域信息，可以有效的降低***的反馈量，另一方面，它比原来利用时间平均得到的信道信息更加精确，因此可以提高***的性能。此外，本专利分别给出了Rayleign和Ricean衰落时的子最佳预编码矩阵设计方法，这种方法可以在保持***性能的同时，有效的较低设计的复杂度。另外，本发明还给出了K因子较高时的预编码矩阵设计方法，这种预编码矩阵可以渐近取得***性能的上限。

附图说明

图1是***整体框图；

图2是采用不同空时预编码传输时，***误符号率(SER)性能的比较图；

图3是不同路径损耗时，***误符号率(SER)性能的比较图；

图4是不同接收天线数时，***误符号率(SER)性能的比较图；

图5是不同归一化天线距离(NAS)时，***误符号率(SER)性能的比较；

图6是不同Ricean K因子时，***误符号率(SER)性能的比较图。

具体实施方式

下面根据附图详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

本发明的基于信道角度域信息的分布式空时预编码传输方法包括如下步骤：

1)接收端通过信道估计，得到对应于每一个发射天线的视距分量入射角θ_m、非视距分量平均入射角θ_m、角度扩展σ_m ²、归一化接收天线距离Δ_r和K因子等角度域信息，并把它们反馈给发射端；

图1为一个N_r×N_t的分布式天线***，其中基站(BS)有N_t根天线(即接入点)，分布在整个小区内，并用光纤或者微波把它们同中央处理单元(CPU)连接起来，各接入点只负责信号的收发，所有的信号处理都在中央处理单元实现，这样有利于***的可扩展性，随时可以根据***的要求增加或者减少接入点的数目。在移动用户端(MU)，配置有N_r根集中式天线。

在发送所需传输的数据前，发射端先发送一段训练序列，接收端利用这些训练序列，估计出每个发射天线所对应信号的平均入射角θ_m和角度扩展σ_m ²，m＝1，…，N_t，并把它们同归一化接收天线距离Δ_r和Ricean衰落K因子一起反馈给发送端。

2)发射端收到反馈信息后，分别根据基于角度域信息的信道均值和信道自相关矩阵构建方法，得到相应的信道均值H和信道自相关矩阵∑；

通常情况下，信道矩阵H可表示为 $H=\sqrt{\frac{K}{K+1}}\stackrel{\‾}{H}+\sqrt{\frac{1}{K+1}}\tilde{H},$ 其中H表示信道的固定部分，即信道矩阵，为信道的可变部分，它是由多径衰落引起的。我们先考虑信道的可变部分

根据电磁传播原理，由天线m发射的信号，经散射体散射后，以多径的形式到达接收端，其平均入射角为θ_m，角度扩展为σ_m ²，这样，

的自相关矩阵可表示为

$\mathrm{\Σ}=\left[\begin{array}{ccccc}{\mathrm{\Σ}}^{\left(1\right)}& .& .& .& 0_{N_r\×N_r}\\ .& .& & & .\\ .& & .& & .\\ .& & & .& .\\ 0_{N_r\×N_r}& .& .& .& {\mathrm{\Σ}}^{\left(N_t\right)}\end{array}\right]$

其中，∑^(m)为相对于天线m的接收天线自相关矩阵，它的第1行第n列元素可表示为 ${\mathrm{\Σ}}_{l,n}^{\left(m\right)}=a_m^2\exp (-j2\mathrm{\π}|l-n\left|{\mathrm{\Δ}}_r\cos \left({\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_m\right)\right)\exp (-\frac{1}{2}{\left(2\mathrm{\π}\right|l-n\left|{\mathrm{\Δ}}_r\sin \left({\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_m\right){\mathrm{\σ}}_m\right)}^2).$ 对于信道不变部分H，其第m列可表示为

${\stackrel{\‾}{H}}^{\left(m\right)}=a_m\exp \left(\frac{-j2\mathrm{\π}{f}_c{d}_m}{c}\right)e\left({\mathrm{\θ}}_m\right)$

其中，H^(m)为信道均值H的第m列， $a_m=d_m^{-4}$ 为路径损失，d_m为第m根发射天线到接收端的距离，f_c为载波频率，c表示光速， $e\left({\mathrm{\θ}}_m\right)=1/\sqrt{N_t}{[1\exp (-j2{\mathrm{\π\Δ}}_r\cos \left({\mathrm{\θ}}_m\right))...\exp (-j2\mathrm{\π}(N_t-1){\mathrm{\Δ}}_r\cos \left({\mathrm{\θ}}_m\right))]}^T.$

3)如果K＝0，则信道H为瑞利衰落，这时如果发射信噪比较低(小于10dB)，则采用单天线功率分配法设计预编码矩阵，如果发射信噪比较高(大于10dB)，则采用平均功率分配法设计预编码矩阵。

在本发明中，以空时编码的成对错误概率为优化目标来设计预编码矩阵。当信道为Rayleigh衰落时，其优化目标可表示为 $J_1=\det (I+\frac{\mathrm{\μ\γ}}{4}{\mathrm{\Σ}}^{1/2}\mathrm{\Φ}{\mathrm{\Σ}}^{1/2}),$ 其中 $\mathrm{\Φ}=I_{N_r}\⊗{\mathrm{FF}}^{*}.$ 当发射信噪比γ较小时，对J₁进行泰勒展开，舍去其高阶项，其优化目标简化为J₂＝tr(∑^1/2Φ∑^1/2)，利用拉格朗日乘子法求解这一优化问题，可得预编码矩阵F＝diag{0…1…0}，其中1所在的位置可由下式确定： $i=\arg \underset{1\≤i\≤N_t}{\max }\mathrm{tr}\left({\mathrm{\Σ}}^{\left(i\right)}\right),$ 其中tr(∑⁽ⁱ⁾)表示求矩阵∑⁽ⁱ⁾的迹，即把发射功率分配给信道增益最大的那根天线。

当发射信噪比γ较大时，优化目标可简化为J₂＝det(∑^1/2Φ∑^1/2)，求解这一问题，可得预编码矩阵为 $F=\frac{1}{\sqrt{N_t}}U,$ 其中U为任意N_t×N_t的酉矩阵，即把发射功率平均分配给所有的发射天线。

图2对Rayleign衰落条件下的空时预编码传输策略的性能进行了比较，本发明给出的预编码矩阵设计方法，具有很低的设计复杂度，但是它与最佳的预编码矩阵具有很接近的性能。图3是不同路径损耗时，本发明提出的空时预编码传输策略的性能的变化，当天线间的路径损耗相差越大时，这种预编码策略的性能越好，并且两种策略切换的信噪比门限越往后推延。图4为不同接受天线数时，本发明提出的空时预编码策略的性能的变化，随着接受天线数的增加，可以的获得的分集阶数也得到相应的增大，这是***的性能也得到相应的提高。图5为不同归一化接受天线距离时，***性能的比较，随着天线间距离的增大，它们之间的相关系数不断减小，这样预编码策略可以获得的分集和编码增益就随之增加，所以***的可靠性不断增强。

4)如果K不等于零但是它较小(小于20)，这时如果发射信噪比较低(小于10dB)，则采用单波束法设计预编码矩阵，如果发射信噪比较高(大于10dB)，则采用平均功率分配法设计预编码矩阵。

当K不等于零时，信道为Ricean衰落，这时***的优化目标可表示为

$J_4=\frac{\exp (-{\mathrm{vec}}^{*}\left(\mathrm{\μ}\right)V_{\mathrm{\Φ}}{\left(V_{\mathrm{\Φ}}^{*}({\left(\frac{\mathrm{\μ\γ}}{4}\mathrm{\Φ}\right)}^{-1}+\mathrm{\Σ})V_{\mathrm{\Φ}}\right)}^{-1})V_{\mathrm{\Φ}}^{*}\mathrm{vec}\left(\mathrm{\μ}\right)}{\det (I+\frac{\mathrm{\μ\γ}}{4}{\mathrm{\Σ}}^{1/2}{\mathrm{\Φ\Σ}}^{1/2})}$

当发射信噪比γ较小时，这一优化目标可简化为J₅＝tr(HFF^*H^*)，求解这一优化问题，可得预编码矩阵为F＝V^(k)U，其中V^(k)为信道均值H的最大奇异值所对应的右奇异值矢量，U为任意N_t×N_t的酉矩阵，即把发射功率全部分配给信道增益最大的那个波束。

当γ较小时，上述优化目标可简化为J₆＝det(∑^1/2Φ∑^1/2)，求解这一问题，可得预编码矩阵为 $F=\frac{1}{\sqrt{N_t}}U,$ 其中U为任意N_t×N_t的酉矩阵，即把发射功率平均分配给所有的发射天线。

图6为不同K因子时，***性能的比较，从图中可知，采用本发明提出的空时预编码策略，在Ricean衰落条件下能比Rayleigh衰落条件下取得更好的性能，并且随着K的增大，所能获得的性能增益不断增加。

5)如果K较大时(大于20)，利用基于奇异值分解的预编码设计法设计预编码矩阵。由于K足够大时，信道的可变项

可以忽略不计，这时发送端几乎可以完全知道信道信息，这时，利用信道的右奇异值矩阵对空时码字进行预编码，可以取得最大的性能。

6)在得到预编码矩阵后，发射端对设计好的分布式正交空时码字进行预处理，然后把它发射出去，接收端对收到的空时码字进行最大似然解码，恢复出所发送的空时码字。

本发明的自适应的随机波束模式选择方法和***能够在最小化对主用户网络干扰的前提下，最大化从用户网络的容量，从而显著提高***的频谱效率。

Claims (7)

1.一种基于信道角度域信息的分布式空时预编码传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)接收端通过信道估计，得到对应于每一个发射天线的视距分量入射角

非视距分量平均入射角

角度扩展

归一化接收天线距离Δ_r和K因子角度域信息，并把它们反馈给发射端；

2)发射端收到反馈信息后，分别根据基于角度域信息的信道均值和信道自相关矩阵构建方法，得到相应的信道均值

和信道自相关矩阵∑；

3)如果K＝0，则信道H为瑞利衰落，这时如果发射信噪比小于10dB，则采用单天线功率分配法设计预编码矩阵，如果发射信噪比大于10dB，则采用平均功率分配法设计预编码矩阵；

4)如果K不等于零但是它小于20，这时如果发射信噪比小于10dB，则采用单波束功率分配法设计预编码矩阵，如果发射信噪比大于10dB，则采用平均功率分配法设计预编码矩阵；

5)如果K大于20时，利用基于奇异值分解的预编码设计法设计预编码矩阵；

6)在得到预编码矩阵后，发射端对设计好的分布式正交空时码字进行预处理，然后把它发射出去，接收端对收到的空时码字进行最大似然解码，恢复出所发送的空时码字。

2.根据权利要求1所述的基于信道角度域信息的分布式空时预编码传输方法，其特征在于，所述的基于角度域信息的信道均值构建方法为：

其中，

为信道均值

的第m列，

为路径损失，d_m为第m根发射天线到接收端的距离，f_c为载波频率，c表示光速，

N_t为发射天线数。

3.根据权利要求2所述的基于信道角度域信息的分布式空时预编码传输方法，其特征在于，所述基于角度域信息的信道自相关矩阵构建方法为：信道自相关矩阵可表示为一个N_tN_r×N_tN_r的块对角矩阵

其中∑^(m)为对应于第m根发射天线的接收天线自相关矩阵，N_r为接收天线数；∑^(m)的第l行第n列元素

表示第l和n根接收天线的相关系数，其可以通过如下式子计算得到：

${\mathrm{\Σ}}_{l,n}^{\left(m\right)}=a_m^2\exp (-j2\mathrm{\π}|l-n\left|{\mathrm{\Δ}}_r\cos \left({\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_m\right)\right)\exp (-\frac{1}{2}{\left(2\mathrm{\π}\right|l-n\left|{\mathrm{\Δ}}_r\sin \left({\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_m\right){\mathrm{\σ}}_m\right)}^2).$

4.根据权利要求3所述的基于信道角度域信息的分布式空时预编码传输方法，其特征在于，所述的单天线功率分配法为：把发射功率分配给信道增益最大的天线，即预编码矩阵F＝diag{0…1…0}，其中1所在的位置可由下式确定：

$i=\arg \underset{1\≤i\≤N_t}{\max }\mathrm{tr}\left({\mathrm{\Σ}}^{\left(i\right)}\right);$

其中tr(∑⁽ⁱ⁾)表示求矩阵∑⁽ⁱ⁾的迹。

5.根据权利要求1所述的基于信道角度域信息的分布式空时预编码传输方法，其特征在于，所述的平均功率分配法为：把发射功率平均分配给所有的发射天线，即预编码矩阵为

其中U为任意N_t×N_t的酉矩阵，N_t为发射天线数。

6.根据权利要求1所述的基于信道角度域信息的分布式空时预编码传输方法，其特征在于，所述的单波束功率分配法为：把发射功率分配给信道增益最大的发射波束，即预编码矩阵为F＝V^(k)U，其中V^(k)为信道均值

的最大奇异值所对应的右奇异值矢量，U为任意N_t×N_t的酉矩阵。

7.根据权利要求1所述的基于信道角度域信息的分布式空时预编码传输方法，其特征在于，所述的基于奇异值分解的预编码矩阵设计法为：将信道均值

进行奇异值分解QDV^H，则预编码矩阵为F＝VU，其中U为任意N_t×N_t的酉矩阵。

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