太阳城集团

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一种延时反馈下多天线中继预编码的鲁棒构造方法.pdf

摘要
申请专利号:

太阳城集团CN201210218283.8

申请日:

2012.06.28

公开号:

太阳城集团CN102752037B

公开日:

2015.01.28

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H04B 7/06申请日:20120628|||公开
IPC分类号: H04B7/06; H04L1/00 主分类号: H04B7/06
申请人: 东南大学
发明人: 许威; 梁乐; 沈弘; 赵春明
地址: 210096 江苏省南京市四牌楼2号
优先权:
专利代理机构: 南京苏高专利商标事务所(普通合伙) 32204 代理人: 夏雪
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法律状态
申请(专利)号:

太阳城集团CN201210218283.8

授权太阳城集团号:

太阳城集团102752037B||||||

法律状态太阳城集团日:

2015.01.28|||2012.12.19|||2012.10.24

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明公开了一种延时反馈下多天线中继预编码的鲁棒构造方法,包括如下步骤:调研中继站以及小区用户的平均移动速率,计算相应的多普勒频偏,获得基站到中继站以及中继站到用户信道的延时相关系数;然后中继站和每个用户通过信道估计分别获得基站到中继站以及中继站到本用户的下行信道太阳城集团,并对所获信道太阳城集团进行量化,再将该量化太阳城集团通过有限个比特反馈到前级;最后,基站和中继站依据经延时反馈获得的信道太阳城集团和本发明给出的鲁棒预编码设计公式计算相应的预编码,并将待发送数据乘以相应的预编码后进行发送。本发明能够显著提高系统的通信容量,降低误比特率。

权利要求书

1.一种延时反馈下多天线中继预编码的鲁棒构造方法,包括如下步骤:
(1)基站调研中继站的移动速率vr和小区用户的平均移动速率vu,计算中
继站的多普勒频偏f1=fcvr/c和小区用户的多普勒频偏f2=fcvu/c,其中,c表
示光速,fc表示载波频率,再根据克拉克散射模型分别计算出基站到中继站信道
的延时相关系数ρH=J0(2πf1tH)和中继站到用户k信道的延时相关系数
ρk=J0(2πf2tk),k=1、2、…、N,其中,N为用户数,tH和tk分别表示基站发送
符号长度和中继站发送到用户k的符号长度,J0(·)表示第一类零阶贝塞尔函数;
(2)每次传输开始时,中继站首先进行信道估计,获得基站到中继站的信
道太阳城集团H;同时每个用户通过信道估计,获得中继站到本用户的下行信道太阳城集团
gk;
(3)中继站对所获信道太阳城集团H进行奇异值分解:H=U[Σ0][V V0]H,其中,
U表示酉矩阵,Σ表示对角元素为H的奇异值的对角阵,V表示另一酉矩阵的
前N列,V0表示该酉矩阵的后M-N列,M和N分别表示基站和中继站的发射
天线数,满足M≥N;中继站根据码字数为的已有码本,对矩阵V的列向量
进行量化,量化结果记为接着中继站将量化后的太阳城集团通过B1个比特反馈
给基站,基站依据该太阳城集团对发送符号进行预编码传输,预编码矩阵由下式确定:
W = P 1 / N V ^ ]]>
其中,P1表示基站的发射功率;
(4)用户k根据码字数为的已有码本,对所获的信道太阳城集团gk进行量化,
量化结果记为接着该用户将量化后的太阳城集团通过B2个比特反馈给中继站,
中继站将得到的组成系统量化信道矩阵 G ^ = g ^ 1 . . . g ^ N , ]]>记矩阵

并记P2为中继站的发射功率,I为单位矩阵;中继站依据下式给出鲁棒预编
码F的构造公式:
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表示目标矩阵的欧几里得范数,τg和γ分别由下式给出:
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 ) ) ]]>
并将待转发数据乘以该预编码矩阵后进行发送。

说明书

一种延时反馈下多天线中继预编码的鲁棒构造方法

技术领域

本发明属于多天线中继系统中的预编码设计领域,具体涉及一种延时反馈下
多天线中继预编码的鲁棒构造方法。

背景技术

中继技术,作为未来无线通信中一种新的技术手段,通过将基站发送的信号
进行功率增强后转发给各用户,能够显著提高现有通信系统中小区边缘用户的接
收信噪比(SNR),从而扩大蜂窝小区的有效覆盖范围,减少甚至消除“通信盲
区”,增大系统的通信容量。另一方面,多输入多输出系统(MIMO)通过对信
号进行适当的预编码处理,将已有的太阳城集团和频率资源进行空间上的复用,进而大
幅提高频谱资源的使用效率和系统的可达传输速率。在现有预编码方案中,迫零
波束成形预编码能以较低的实现复杂度,完全消除多用户间的干扰,在高信噪比
情况下,获得逼近系统最大容量的传输速率。但是在低信噪比情况下,因为噪声
被放大的原因,迫零波束成形预编码方案的性能则较差,基于均方误差最小化准
则的波束成形预编码方案却能够有效的解决这一问题,该预编码方案可以在不同
的信噪比条件下都获得较好的性能。

然而,要通过预编码技术获得充分的信道复用增益,发射端需要知晓理想的
下行信道太阳城集团,而在实际应用场景中,尤其是频分双工(FDD)系统中,这一要
求很难得到满足。在实际FDD系统中,通常由用户终端来估计下行信道太阳城集团,
然后用户通过反馈链路将该信道太阳城集团反馈给基站。但是为了满足反馈链路的容量
要求,往往是先将信道太阳城集团量化,然后将量化后的太阳城集团通过有限个比特反馈给基
站,最后基站根据此反馈太阳城集团尽可能多地恢复出信道太阳城集团,该方案被称为有限比
特反馈技术。采用有限比特反馈将导致基站获得的信道太阳城集团与真实的信道太阳城集团之
间存在一定的量化误差,此量化误差的大小由反馈链路的容量决定。此外采用反
馈机制时还存在反馈链路的太阳城集团延时问题,即基站获得的反馈太阳城集团并不是当前时
刻的信道太阳城集团,而是在一段太阳城集团之前的太阳城集团。在上述诸多因素的影响下,基站获
得的下行信道太阳城集团与真实的信道太阳城集团并不完全匹配,基于该信道太阳城集团计算得到的
预编码相较于理想情况而言会产生较大的性能损失。

,因而我们有必要研究实际系统中预编码的鲁棒性设计,从而抵制信道太阳城集团
量化误差和反馈链路延时等非理想因素造成的影响,提高实际系统的通信容量和
可靠性。

发明内容

发明目的:针对实际实施过程中采用有限比特反馈技术时普遍存在的信道信
息量化误差和反馈链路延时等问题,为多天线中继系统设计一种鲁棒预编码,从
而抵制信道太阳城集团量化误差和反馈链路延时等非理想因素造成的影响,提高实际系
统的通信容量,降低误比特率。

技术方案:考虑基站和中继站分别拥有M和N根天线,每个用户都是单天
线的两跳中继通信系统。

本发明一种延时反馈下多天线中继预编码的鲁棒构造方法,该鲁棒预编码基
于均方误差最小化的准则进行设计,考虑了实际系统中采用有限比特反馈技术时
普遍存在的量化误差和反馈延时的影响,与传统的迫零波束成形预编码等方案相
比,能够获得更优的系统性能。该方法包括以下步骤:首先系统调研中继站以及
小区用户的平均移动速率,计算相应的多普勒频偏,获得基站到中继站以及中继
站到用户信道的延时相关系数;然后中继站和每个用户通过信道估计分别获得基
站到中继站以及中继站到本用户的下行信道太阳城集团,并对所获信道太阳城集团进行量化,
再将该量化太阳城集团通过有限个比特反馈到前级;最后,基站和中继站依据经延时反
馈获得的信道太阳城集团和本发明给出的鲁棒预编码设计公式计算相应的预编码,并将
待发送数据乘以相应的预编码后进行发送。该方法具体包括:

(1)基站调研中继站的移动速率vr和小区用户的平均移动速率vu,计算中
继站的多普勒频偏f1=fcvr/c和小区用户的多普勒频偏f2=fcvu/c,其中,c表
示光速,fc表示载波频率,再根据克拉克散射模型分别计算出基站到中继站信道
的延时相关系数ρH=J0(2πf1tH)和中继站到用户k信道的延时相关系数
ρk=J0(2πf2tk),k=1、2、…、N,其中,N为用户数,tH和tk分别表示基站发送
符号长度和中继站发送到用户k的符号长度,J0(·)表示第一类零阶贝塞尔函数;

(2)每次传输开始时,中继站首先进行信道估计,获得基站到中继站的信
道太阳城集团H;同时每个用户通过信道估计,获得中继站到本用户的下行信道太阳城集团
gk;

(3)中继站对所获信道太阳城集团H进行奇异值分解:H=U[Σ0][V V0]H,其中,
U表示酉矩阵,Σ表示对角元素为H的奇异值的对角阵,V表示另一酉矩阵的
前N列,V0表示该酉矩阵的后M-N列,M和N分别表示基站和中继站的发射
天线数,满足M≥N;中继站根据码字数为的已有码本,对矩阵V的列向量
进行量化,量化结果记为接着中继站将量化后的太阳城集团通过B1个比特反馈
给基站,基站依据该太阳城集团对发送符号进行预编码传输,预编码矩阵由下式确定:

W = P 1 / N V ^ ]]>

其中,P1表示基站的发射功率;

(4)用户k根据码字数为的已有码本,对所获的信道太阳城集团gk进行量化,
量化结果记为接着该用户将量化后的太阳城集团通过B2个比特反馈给中继站,
中继站将得到的组成系统量化信道矩阵 G ^ = g ^ 1 . . . g ^ N , ]]>记矩阵


并记P2为中继站的发射功率,I为单位矩阵;针对系统中的反馈链路延时及
信道太阳城集团量化误差对性能造成的不良影响,中继站依据下式给出鲁棒预编码F
的构造公式:

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表示目标矩阵的欧几里得范数,τg和γ分别由下式给出:

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 ) ) ]]>

并将待转发数据乘以该预编码矩阵后进行发送。

有益效果:1)本发明能够有效抵制实际系统中采用有限比特反馈技术时普
遍存在的信道太阳城集团量化误差和反馈链路延时等非理想因素的影响,提高实际中继
系统的通信容量,降低误比特率;

2)本发明与包括迫零波束成形预编码在内的传统线性预编码方案相比,具
有相当的计算复杂度,易于实际系统实现。

附图说明

图1是本发明提出的延时反馈下多天线中继预编码的鲁棒构造方法的系统框
图;

图2是不同反馈比特数情况下本发明提出的鲁棒预编码方案与传统的迫零波
束成形预编码方案获得的系统容量随信噪比增加而变化的曲线图,其中基站天线
数M=4,中继站天线数N=4,中继站的归一化多普勒频偏为f1tH=0.05,用
户的归一化多普勒频偏为f2tk=0.05;

图3是不同反馈比特数情况下本发明提出的鲁棒预编码方案与传统的迫零
波束成形预编码方案达到的误比特率随信噪比增加而变化的曲线图,其中基站天
线数M=4,中继站天线数N=4,中继站的归一化多普勒频偏为f1tH=0.02,
用户的归一化多普勒频偏为f2tk=0.02。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例,进一步阐明本发明,应理解这些实施例仅用于
说明本发明而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员
对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示:本发明的具体实施步骤如下:

1)系统调研中继站的移动速率vr和小区用户的平均移动速率vu,计算中继
站的多普勒频偏f1=fcvr/c和小区用户的多普勒频偏f2=fcvu/c。再根据克拉克
散射模型分别计算出基站到中继站信道的延时相关系数ρH=J0(2πf1tH)和中继
站到用户k信道的延时相关系数ρk=J0(2πf2tk),由ρk组成延时相关系数对角矩
阵D;

2)每次传输开始时,基站和中继站分别发送导频信号,接着中继站进行信
道估计,获得基站到中继站的信道太阳城集团H,每个用户通过信道估计,获得中继站
到本用户的下行信道太阳城集团gk;

3)中继站对所获信道太阳城集团H进行奇异值分解,即H=U[Σ0][V V0]H,再
根据码字数为的已有码本,对矩阵V的列向量进行量化,量化结果记为
接着中继站将量化后的太阳城集团通过B1个比特反馈给基站,反馈比特数B1由本级
反馈链路容量决定;

4)基站依据由步骤3)所获反馈信道太阳城集团,按照下式计算预编码矩阵:

W = P 1 / N V ^ ]]>

再将待发送数据乘以该预编码矩阵后对外发送。其中,p1表示基站的发射功率;

5)用户k根据码字数为的已有码本,对由步骤2)所获信道太阳城集团gk进
行量化,量化结果记为接着该用户将量化后的太阳城集团通过B2个比特反馈给
中继站,反馈比特数B2由本级反馈链路容量决定;

6)中继站将得到的组成系统量化信道矩阵 G ^ = g ^ 1 . . . g ^ N , ]]>针对系统中
的反馈链路延时及信道太阳城集团量化误差对性能造成的不良影响,依据下式设计鲁棒
预编码矩阵:

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 ]]>

并将待转发数据乘以该预编码矩阵后进行发送。其中,P2为中继站的发射功率,
I为单位矩阵,||·||F表示目标矩阵的欧几里得范数,τg和γ分别由下式给出:

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 ) ) ]]>

图2是不同反馈比特数情况下本发明提出的鲁棒预编码方案与传统的迫零波
束成形预编码方案获得的系统容量随信噪比增加而变化的曲线图,其中基站天线
数M=4,中继站天线数N=4,中继站的归一化多普勒频偏为f1tH=0.05,用
户的归一化多普勒频偏为f2tk=0.05。从图中可以发现,本发明提出的鲁棒预编
码在不同信噪比及反馈比特数条件下都能获得比传统的迫零波束成形预编码方
案更高的系统容量,在高信噪比情况下,通信容量将获得不小于0.5bps/Hz的显
著增益。

图3是不同反馈比特数情况下本发明提出的鲁棒预编码方案与传统的迫零
波束成形预编码方案达到的误比特率随信噪比增加而变化的曲线图,其中基站天
线数M=4,中继站天线数N=4,中继站的归一化多普勒频偏为f1tH=0.02,
用户的归一化多普勒频偏为f2tk=0.02。从图中可以发现,本发明提出的鲁棒预
编码在不同信噪比及反馈比特数条件下都能达到比传统的迫零波束成形预编码
方案更小的误比特率,在大部分情况下,本发明提出的方案将获得2dB的性能
增益。

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一种 延时 反馈 天线 中继 预编 构造 方法
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