专利名称：一种适合于分布式系统的下行发送天线的选择方法
技术领域：
本发明属于无线通信的下行发送技术领域，特别涉及适合于分布式无线通信系统下行发送天线的选择方法。
背景技术：
清华大学微波与数字通信国家重点实验室首次提出分布式无线通信系统的概念，即采用分布式天线、分布式光纤、分布式计算和分布式网络的框架实现新一代无线通信。分布式无线通信系统采用分布式天线和分布式处理结构，因此传统意义上的以地理位置为依据的小区划分机制不复存在，取而代之的是以用户为单位的虚拟小区。具体而言，实时测量各分布式天线到每用户的信道增益，始终由与用户信道质量最好的多根分布式天线联合组成该用户的虚拟小区。当移动台所处环境发生改变(如位置移动)时，移动台所对应的虚拟小区也会发生相应的变化。对于多用户情况，各用户的虚拟小区可能会发生重叠。在分布式无线通信系统中，仅用户的虚拟小区的天线负责该用户信号的收发。如何选择恰当的发送天线是分布式通信系统中首先要解决的重要问题。
为了适应未来高数据率的无线通信，在分布式系统中采用空间复用的层次发送技术(BLAST)，它把每根天线看作是一层，在接收端逐层进行检测，并且将先检测的层上的数据对接收端的影响从接收信号中减掉，再进行下一层的检测。这是一种很好的选择，它通过各个发送天线等功率等速率的传输独立的数据来实现高的数据传输速率。由于分布式系统信道和普通的MIMO信道有很大不同，各天线到用户的大尺度衰落(路径衰落和阴影衰落)往往不同，使得BLAST结构中的等功率、等速率发送变的很不经济。对于给定的用户，如何选择与其通信的分布式天线是必须要解决的问题，如果天线个数太少或太多，都可能会导致系统的性能下降，我们需要确定最佳的发送天线的集合。对于采用层次干扰消除方式的接收机来说，各层的分集阶数是不同的，再加上各层对应的大尺度衰落往往不同，还有必要调整选择的天线上的发送功率和速率。同时，对于分层干扰抵消接收的系统来说，不同的检测顺序所带来的性能是不同的，因此还要同时确定最优的检测顺序。由于全部的信道信息在接收端是获知的，利用全部信道信息进行发送端的天线集合的选择和功率速率调整，就需要信道信息从接收端到发送端的反馈，这就会增加很大的系统开销，而且容易受到反馈误差和延迟的影响。大尺度的信道信息变化缓慢，从接收端到发送端的反馈只需要很小的开销，因此利用大尺度的信息进行相应的天线集合的选择和功率速率调整是可行的。
在已经发表的文献中，有一种基于大尺度信道信息进行天线选择和功率速率分配的方法，它适合于接收端采用迫零(ZF)的检测方式，而迫零检测方法的性能是很差的。而对于具有较强性能的串行干扰抵消的检测方式，还没有相关的工作。
发明内容
本发明的目的是为解决已有下行发送天线选择技术存在的问题，即在分布式信道中等功率和等速率的发送很不经济，必须要进行发送天线集合的选择和功率速率的调整。为此提出一种适合于分布式系统的下行发送天线的选择方法，具有更好的性能和实用性。
本发明提出的一种适合于分布式系统的下行发送天线的选择方法，其特征在于，它适合用于n根基站天线发送、m根用户天线接收(n≤m)的空间复用系统BLAST，基于各层的平均误符号率/误码率的表达式从n根基站天线中进行天线的选择，利用大尺度信道衰落信息对各天线的发送功率、速率和发送天线集综合进行优化，确保各层的平均误符号率/误码率相同，接收端采用固定检测顺序的串行干扰抵消的检测方式。最优检测顺序在天线选择的过程中同时获得；第k层的平均误符号率/误码 的一个普遍的表达式(只是表明平均误符号率/误码率由哪些参数决定。不同的检测方式，比如迫零和串行干扰抵消、最小均方误差和串行干扰抵消、最大似然检测等所得到的具体的平均误符号率/误码率的表达式是不同的)是Pe,k‾=f(K(Mk),dmin2(Mk),αj,wkρ,Aiij,k,m),(1≤k≤|Aiij|,1≤j≤|Aiij|)---(1)]]>其中K(Mk)为第k个子数据流的星座图的相邻点数目的平均值，dmin(Mk)为第k个子数据流(数据率为R(Mk)，R(Mk)大于0，各子数据流的数据率之和为传输速率Rt=Σk=1|Aiij|R(Mk))]]>的单位能量星座图的最小距离，总发送信噪比为ρ(定义发送信噪比为发送端的功率与接收端的噪声功率之比)，wkρ为第k根分布式天线的发送信噪比，Σk=1|Ai|wk=1,]]>αj为检测的第k层对应的大尺度信息，α1≥α2≥...≥α|Ai|,]]>Ai为发送天线集合，且|Aiij|＝i，即只包括i个具有最大的路径增益的发送天线，也就是天线集合Ai1只包括具有最大路径增益的发送天线，天线集合Ai2包括路径增益α1，α2的发送天线，依次类推，天线集合Ain包括所有的n根发送天线，这样总共的天线集合个数为n，k表示正在检测的层，m为接收天线的个数，函数f表明 与K(Mk)，dmin2(Mk)，αj，wkρ，Aiij和k的对应关系；本发明在不同的条件下，进行相应的天线选择和各天线上功率、速率的分配，使得各层的平均误符号率/误码率相同；包括以下三种不同条件下的三种选择方法一、在已知总发送信噪比ρ和传输速率Rt的条件下，采用最小化平均误符号率/误码率的选择准则进行天线选择，具体包括以下步骤1)首先给定一个发送天线的集合Aij，同时给定一个接收端的检测顺序(共有n个不同的天线集合和|Aiij|！种不同的检测顺序，则有n|Aiij|！种不同的天线集合和检测顺序的组合)；2)根据各层平均误符号率相同，即Pe,1‾=Pe,2‾=....=Pe,|Aiij|‾,]]>总数据率Rt=Σk=1|Aiij|R(Mk),]]>和发送总信噪比为ρ，即ρ=Σk=1|Aiij|wkρ,]]>按所述给定检测顺序对给定的天线集合进行功率和速率的分配；a)首先根据(1)式和Pe,1‾=Pe,2‾=....=Pe,|Aiij|‾]]>得到各层的发送信噪比的表达式，该表达式是平均误符号率/误码率和各层数据速率的函数；b)利用发送总信噪比为ρ的条件，即ρ=Σk=1|Aiij|wkρ]]>得出各层传输速率的分配方式与平均误符号率/误码率的关系式。进而得到各层所需要的发送信噪比(不同的速率分配方式将决定系统所能达到的平均误符号率/误码率，当给定一种速率的分配方式后，根据(1)，就能够得到各层所需要的发送信噪比)；c)根据Rt=Σk=1|Aiij|R(Mk),]]>从各种可能的速率分配方式中，找出相对于给定天线集合和接收端检测顺序的最佳的功率和速率的分配方式，使得平均误符号率/误码率最小；3)对所有n|Aiij|！种的天线集合和检测顺序的组合，重复所述步骤2)中的功率和速率的分配，从中选取使得平均误符号率/误码率最小的天线集合、检测顺序以及功率和速率的分配方式。
二、在已知平均误符号率/误码率 和传输速率Rt的条件下，采用最小化总发送功率的天线选择准则选择天线，具体包括以下步骤
1)首先给定一个发送天线的集合Aij，同时给定一个收端的检测顺序(共有n个不同的天线集合和|Aiij|！种不同的检测顺序，则有n|Aiij|！种不同的天线集合和检测顺序的组合)；2)根据各层平均误符号率相同且等于 即Pe‾=Pe,1‾=Pe,2‾=....=Pe,|Aiij|‾,]]>利用传输速率Rt=Σk=1|Aiij|R(Mk),]]>按所述给定检测顺序对给定的天线集合进行功率和速率的分配；a)首先根据(1)式和Pe‾=Pe,1‾=Pe,2‾=....=Pe,|Aiij|‾]]>得出各层所需要的发送信噪比的表达式，它决定于各层的速率分配方式。任给一种各层传输速率的分配方式，相应的可以得到各层所需要的发送信噪比；b)相应的可以得到各层所需的总发送信噪比；c)根据Rt=Σk=1|Aiij|R(Mk),]]>从各种可能的速率分配方式中，找出相对于给定天线集合和接收端检测顺序的最佳的功率和速率的分配方式，使得总发送功率最小；3)遍历所有n|Aiij|！种的天线集合和检测顺序的组合，重复2)中的功率和速率的分配。从中选取使得发送功率最小的天线集合、检测顺序以及功率和速率的分配方式。
三、在已知总发送信噪比ρ和平均误符号率/误码率 的条件下，采用最大化传输速率的天线选择准则进行天线选择，具体包括以下步骤1)首先给定一个发送天线的集合Aij，同时给定一个收端的检测顺序(共有n个不同的天线集合和|Aiij|！种不同的检测顺序，则有n|Aiij|！种不同的天线集合和检测顺序的组合)；2)根据各层平均误符号率相同且等于 即Pe‾=Pe,1‾=Pe,2‾=....=Pe,|Aiij|‾,]]>和发送总信噪比为ρ，即Σk=1|Aiij|wkρ=ρ,]]>按所述给定检测顺序对给定的天线集合进行功率和速率的分配；a)首先从(1)式和Pe‾=Pe,1‾=Pe,2‾=....=Pe,|Aiij|‾]]>得出各层所需要的发送信噪比的表达式，它决定于各层的速率分配方式；b)利用发送总信噪比为ρ的条件，即ρ=Σk=1|Aiij|wkρ,]]>得到各层传输速率的分配方式(可能有多种分配方式)，对于每种速率分配方式，从(1)式中得到相应的功率分配方式；c)在各种可能的速率分配方式中，找出相对于给定天线集合和接收端检测顺序的最佳的功率和速率的分配方式，使系统的传输速率最大化；3)遍历所有n|Aiij|！种的天线集合和检测顺序的组合，重复2)中的功率和速率的分配。从中选取使得传输速率最大化的天线集合、检测顺序以及功率和速率的分配方式。
本发明的原理为本发明提出的发送端进行天线选择和功率速率分配的目的是使各层的平均误符号率/误码率相同，这样就不至于使某层太好或太坏，而使系统达到均衡的性能，因为系统的误符号率/误码率决定于性能最差的层。
在(n，m)的分布式天线系统中，n根分布式天线在空间上散布，其间并不存在相关性，从各个分布式天线收发的信号经历了不同的大尺度衰落。用户的移动台上装有m根集中放置的天线，分布式天线则空间散布在用户的周围，这种散布可以是单根天线散布也可以是簇状天线的散布。由于本发明是以大尺度衰落为基础的，无论分布式天线如何放置，都可以按照各天线的大尺度衰落的情况等效成单根天线的散布放置。因此在下面的分析中，只考虑单根天线散布放置的情况。考虑在移动台周围的n根分布式天线与用户建立下行链接，单用户准静态平衰落信道模型为y＝Hx+n＝HwF1/2x+n (2)其中，H为信道矩阵，x为n×1发送向量，y为m×1接收向量，n为m×1加性复高斯白噪声向量，其每一个分量为独立同分布宽平稳复高斯随机过程，均值为0，方差为σ2。对于下行，信道矩阵H可以如下给出，H＝HwF1/2，其中Hw的所有元素独立且同分布，服从0均值单位方差的复高斯分布，它代表信道的小尺度衰落。而大尺度衰落则由一个对角阵F来表示。阴影衰落和路径衰落都体现在F的对角元素中，F＝diag(α1，α2，…，αn)。
设可用的MQAM调制集合为M，第k个子数据流的调制方式为Mk(Mk∈M)，相应的速率为R(Mk)。活动天线集定义为A＝{k|R(Mk)＞0，k}。为了简化天线选择的过程，假定天线集合Ai1只包括i个具有最大的路径增益的发送天线，即|Aiij|＝i，也就是天线集合Ai1只包括具有最大路径增益的发送天线，天线集合Ai2包括路径增益α1，α2的发送天线，依次类推，天线集合Aiij包括所有的n根发送天线。这样总共的天线集合个数为n。本发明中的天线选择就是要从这n个天线集合中选择一个最佳的。总数据率定义为Rt=Σk=1|Ai|R(Mk).]]>定义发送信噪比为发送端的功率与接收端的噪声功率之比，假定总发送信噪比为ρ，wkρ为第k根分布式天线的发送信噪比，Σk=1|Ai|wk=1.]]>基于大尺度信道衰落信息对各天线的发送功率、速率和发送天线集综合进行优化，确保各层的平均误符号率/误码率相同。它适合于串行干扰抵消的空间复用系统BLAST，接收端采用固定的检测顺序，检测顺序在天线选择的过程中同时获得。给定一个发送天线集合Ai和一个检测顺序(第k层检测具有大尺度信息αj的天线，k和j不一定相同)，对于采用串行干扰抵消的检测算法，需要首先检测出具有最大的信噪比的层上的数据，然后将此数据对接收端的影响从接收的信号中减掉，重新进行检测过程。假设上一层的检测结果并不影响下一层的检测，而且每层的数据流采用独立的最大似然解调。这样就得到各层的平均误符号率/误码率的表达式，它是大尺度信息、发送天线集合，检测顺序、各层的功率和各层的速率的表达式。所述第k层的平均误符号率/误码率 的表达式为Pe,k‾=f(K(Mk),dmin2(Mk),αj,wkρ,Aiij,k,m),(1≤k≤|Aiij|,1≤j≤|Aiij|)]]>其中K(Mk)为第k个子数据流的星座图的相邻点数目的平均值，dmin(Mk)为第k个子数据流的单位能量星座图的最小距离，αj为检测的第k层对应的大尺度信息，α1≥α2≥...≥α|Ai|,]]>wkρ为第k根分布式天线的发送信噪比，Σk=1|Ai|wk=1,]]>Ai为发送天线集合，且|Aiij|＝i，即只包括i个具有最大的路径增益的发送天线，k表示正在检测的层，m为接收天线的个数，函数f表明 与K(Mk)，dmin2(Mk)，αj，wkρ，Aiij和k的对应关系；本发明的特点及技术效果本发明所提出的方法是在发送端利用大尺度的信道信息进行天线的选择和功率速率的调整，同时确定最优的检测顺序。在接收端，利用发端确定的检测顺序进行检测。这种基于大尺度信道信息的天线选择方案考虑了小尺度衰落的平均影响，只有当大尺度信息改变后，发送端才会相应的进行调整。在发送端知道全部的信道信息后，同样可以进行相应的选择，只是全部信道信息的反馈会造成很大的开销，而且运算复杂度很高，是很不现实的方法。本发明提出的方法利用很少的大尺度信息，在发送端进行功率和速率的调整以及检测顺序的确定，与等功率等速率全部天线发送的方案相比，性能有了极大的提高，而且运算简单，非常适合于实际的系统。
图1为基于大尺度信道信息的天线选择的效果比较曲线图。
具体实施例方式
本发明提出的适合于分布式系统的下行发送天线的选择方法，结合实施例进一步说明如下本发明方法的实施例用于采用迫零和串行干扰抵消(ZF-SIC)接收机的空间复用层次发送技术(V-BLAST)系统，考虑一个单用户的(n，m)分布式天线系统，基站天线有n根，用户天线有m根。接收端通过信道估计获知准确的及时信道信息，发送端根据从接收端反馈的大尺度信道信息从n根基站天线中进行天线选择，并且在选择的天线集合上分配适当的功率和速率。接收端采用固定检测顺序的ZF-SIC方式，检测顺序从发送端的天线选择过程中获得。
本实施例各层的平均误符号率的表达式的具体推导如下给定一个发送天线的集合Ai和一个检测顺序(现在只是任意给定，最佳的天线集合和检测顺序需要从所有的集合和检测顺序中选择)，大尺度信息的下标j和检测顺序k并不一定相同。经过迫零算法后，第k个子数据流的检测后的信噪比ηk为一个具有2(m-|Ai|+1)个自由度的加权x2分布的随机变量，其概率密度函数为fηk(x)=e-x/(αjwkρ)αjwkρ(m-|Aiij|)!(xαjwkρ)m-|Aiij|,(x≥0,1≤k≤|Aiij|,1≤j≤|Aiij|)---(4)]]>假设每个子数据流采用独立的最大似然解调，则第k个子数据流的平均误符号率的一个上界是Pe,k‾≤K(Mk)·E{e-dmin2(Mk)ηk/4}]]>=K(Mk)(1+dmin2(Mk)αjwkρ4)-(m-|Aiij|+1),(1≤k≤|Aiij|,1≤j≤|Aiij|)---(5)]]>不等式(5)根据Chernoff界导出。
采用串行干扰抵消的方法，首先检测出第一层的数据，对应的分集增益为m-|Aiij|+1。然后将此检测出来的数据对接收端的影响从接收的信号中消除，这样在检测第二层时，就相当于i-1根天线发送，m根天线接收，对应的分集增益为m-|Aiij|+2，后面的层依次类推。假设上一层的检测结果并不影响下一层的检测，而且每层的数据流采用独立的最大似然解调。这样就得到各层的平均误符号率的表达式，它是大尺度信息、发送天线集合，检测顺序、各层的功率和各层的速率的表达式。得出第k层平均误符号率的表达式Pe,k‾=K(Mk)(1+dmin2(Mk)αjwkρ4)-(m-|Aiij|+k),(1≤k≤|Aiij|,1≤j≤|Aiij|)---(6)]]>基于上述各层的平均误符号率表达式，发送天线的集合需要根据总发送信噪比ρ、总数据率Rt和平均的误符号率 进行选择，使得各层的平均误符号率相同。在不同的条件下，有下面三种天线选择的准则。
一、在已知总发送信噪比ρ和传输速率Rt的条件下，采用最小化平均误符号率的选择准则进行天线选择，具体包括以下步骤1)先给定一个发送天线的集合Aij，同时给定一个收端的检测顺序(共有n个不同的天线集合和|Aiij|！种不同的检测顺序，则有n|Aiij|！种不同的天线集合和检测顺序的组合)2)根据各层平均误符号率相同，即Pe,1‾=Pe,2‾=....=Pe,|Aiij|‾,]]>总数据率Rt=Σk=1|Aiij|R(Mk),]]>和发送总信噪比为ρ，即ρ=Σk=1|Aiij|wkρ,]]>按所述给定检测顺序对给定的天线集合进行功率和速率的分配；a)首先根据(6)式和Pe,1‾=pe,2‾=....=Pe,|Aiij|‾]]>得到各层的发送信噪比的表达式，即由Pe‾=Pe,k‾=K(Mk)(1+dmin2(Mk)αjwkρ4)-(m-|Aiij|+k)]]>推出wkρ=4((K(Mk)/Pe‾)1/(m-|Aiij|+k)-1)dmin2(Mk)αj---(7)]]>b)利用发送总信噪比为ρ的条件，得出各层传输速率的分配方式与平均误符号率的关系式由ρ=Σk=1|Aiij|wkρ,]]>推出Σk=1|Aiij|4((K(Mk)/Pe‾)1/(m-|Aiij|+k)-1)dmin2(Mk)αj=ρ---(8)]]>当给定一种速率的分配方式后(意味着所有的dmin2(Mk)将被确定下来)，就可以得到系统所能达到的平均误符号率 得到平均误符号率 后，各层的发送信噪比便可以由(7)式确定。
c)根据Rt=Σk=1|Aiij|R(Mk),]]>从各种可能的速率分配方式中，找出相对于给定天线集合和接收端检测顺序的最佳的功率和速率的分配方式，使得平均误符号率 最小；3)对所有n|Aiij|！种的天线集合和检测顺序的组合，重复所述步骤2)中的功率和速率的分配，从中选取使得平均误符号率 最小的天线集合、检测顺序、功率和速率的分配方式。
二、已知平均误符号率 和传输速率Rt的条件下，采用最小化总发送功率的天线选择准则进行天线的选择1)先给定一个发送天线的集合Aij，同时给定一个接收端的检测顺序(共有n个不同的天线集合和|Aiij|！种不同的检测顺序，则有n|Aiij|！种不同的天线集合和检测顺序的组合)；2)根据据Pe‾=Pe,1‾=Pe,2‾=....=Pe,|Aiij|‾]]>以及Rt=Σk=1|A|R(Mk)]]>的约束条件，按所述给定检测顺序对给定的天线集合进行功率和速率的分配a)根据(6)式和Pe‾=Pe,1‾=Pe,2‾=....=Pe,|Aiij|‾]]>得出各层所需要的发送信噪比的表达式由Pe‾=Pe,k‾=K(Mk)(1+dmin2(Mk)αjwkρ4)-(m-|Aiij|+k)]]>推出wkρ=4((K(Mk)/Pe‾)1/(m-|Aiij|+k)-1)dmin2(Mk)αj.---(9)]]>b)相应的可以得到各层所需的总发送信噪比ρ=Σk=1|Aiij|4((K(Mk)/Pe‾)1/(m-|Aiij|+k)-1dmin2(Mk)αj---(10)]]>给定一种各层传输速率的分配方式，由(9)式得到各层的发送信噪比，由(10)式相应的可以得到总发送信噪比。
c)根据Rt=Σk=1|Aiij|R(Mk),]]>在各种可能的速率分配方式中，找到一种相对于给定天线集合和接收端检测顺序的最佳的功率和速率的分配方案，使系统的总发送功率最小。
3)遍历所有n|Aiij|！种的天线集合和检测顺序的组合，重复2)中的功率和速率的分配。从中选取使得总发送功率最小的天线集合、检测顺序、功率和速率的分配方式。
三、已知总发送信噪比ρ和平均误符号率 的条件下，采用最大化传输速率的天线选择准则进行天线的选择1)首先给定一个发送天线的集合Aij，同时给定一个接收端的检测顺序(共有n个不同的天线集合和|Aiij|！种不同的检测顺序，则有n|Aiij|！种不同的天线集合和检测顺序的组合)；2)根据Pe‾=Pe,1‾=Pe,2‾=....=Pe,|Aiij|‾]]>以及ρ=Σk=1|Aiij|wkρ,]]>按所述给定检测顺序对给定的天线集合进行功率和速率的分配a)根据(6)式和pe‾=Pe,1‾=Pe,2‾=....=Pe,|Aiij|‾]]>得出各层所需要的发送信噪比的表达式由Pe‾=Pe,k‾=K(Mk)(1+dmin2(Mk)αjwkρ4)-(m-|Aiij|+k)]]>推出wkρ=4((K(Mk)/Pe‾)1/(m-|Aiij|+k)-1)dmin2(Mk)αj.---(11)]]>b)利用发送总信噪比为ρ的条件，即ρ=Σk=1|Aiij|wkρ,]]>得到各层传输速率的分配方式，可能有多种分配方式。对于每种速率分配方式，从(11)式中得到相应的功率分配方式。
c)在各种可能的速率分配方式中，找到一种相对于给定天线集合和接收端检测顺序的最佳的功率和速率分配方式，使系统的传输速率最大化。
3)遍历所有n|Aiij|！种的天线集合和检测顺序的组合，重复2)中的功率和速率的分配。从中选取使得系统的传输速率最大化的天线集合、检测顺序、功率和速率的分配方式。
根据不同的条件，可以利用上面提出的三种天线选择准则。由于三种选择准则的原理和基本步骤相似，在此仅给出一个最小化平均误符号率的天线选择准则进行发送端的天线选择和功率速率的分配。
本发明的最小化平均误符号率的天线选择准则的实施例说明如下在一个(3，3)的分布式系统中，用户的天线个数为3，用户周围的分布基站天线个数为3，但是实际向该用户发送的天线则需要进行天线选择，也就是说可能为天线1，天线1和2，天线1，2和3。大尺度的信息为F＝diag(8×10-5，5×10-5，1×10-5)，调制方式有三种选择，4QAM，16QAM和64QAM。已知发送总信噪比ρ＝107，发送的总速率为6比特/秒/赫兹。
本实施例的具体步骤如下给定发送天线集合Ai3，检测顺序为天线1、天线2、天线3，此时只有一种速率的分配方式，各天线调制方式都是4QAM，各层的平均误符号率和各层功率的分配关系是Pe,1‾=2(1+2×8×10-5w1ρ4)-1,]]>Pe,2‾=2(1+2×5×10-5w2ρ4)-2,]]>Pe,3‾=2(1+2×10-5w3ρ4)-3]]>由于功率和速率分配的最终结果是让各层的平均误符号率相同，有Pe‾=Pe,1‾=Pe,2‾=Pe,3‾,]]>可以得到Pe‾=Pe,1‾=Pe,2‾=Pe,3‾=0.0062,]]>w1＝0.8，w2＝0.07，w3＝0.13。
给定发送天线集合Ai3，检测顺序为天线1、天线3、天线2时，各天线调制方式都是4QAM，各层的平均误符号率和各层功率的分配关系是Pe,1‾=2(1+2×8×10-5w1ρ4)-1,]]>Pe,2‾=2(1+2×10-5w2ρ4)-2,]]>Pe,3‾=2(1+2×5×10-5w3ρ4)-3]]>可以得到Pe‾=Pe,1‾=Pe,2‾=Pe,3‾=0.0074,]]>w1＝0.67，w2＝0.32，w3＝0.01。
给定发送天线集合Ai3，检测顺序为天线2、天线1、天线3时，各天线调制方式都是4QAM，各层的平均误符号率和各层功率的分配关系是Pe,1‾=2(1+2×5×10-5w1ρ4)-1,]]>Pe,2‾=2(1+2×8×10-5w2ρ4)-2,]]>Pe,3‾=2(1+2×10-5w3ρ4)-3]]>
可以得到Pe‾=Pe,1‾=Pe,2‾=Pe,3‾=0.0092,]]>w1＝0.86，w2＝0.03，w3＝0.11。
给定发送天线集合Ai3，检测顺序为天线2、天线3、天线1时，各天线调制方式都是4QAM，各层的平均误符号率和各层功率的分配关系是Pe,1‾=2(1+2×5×10-5w1ρ4)-1,]]>Pe,2‾=2(1+2×10-5w2ρ4)-2,]]>Pe,3‾=2(1+2×8×10-5w3ρ4)-3]]>可以得到Pe‾=Pe,1‾=Pe,2‾=Pe,3‾=0.0105,]]>w1＝0.73，w2＝0.26，w3＝0.01。
给定发送天线集合Ai3，检测顺序为天线3、天线1、天线2时，各天线调制方式都是4QAM，各层的平均误符号率和各层功率的分配关系是Pe,1‾=2(1+2×10-5w1ρ4)-1,]]>Pe,2‾=2(1+2×8×10-5w2ρ4)-2,]]>Pe,3‾=2(1+2×5×10-5w3ρ4)-3]]>可以得到Pe‾=Pe,1‾=Pe,2‾=Pe,3‾=0.041,]]>w1＝0.98，w2＝0.012，w3＝0.08。
给定发送天线集合Ai3，检测顺序为天线3、天线2、天线1时，各天线调制方式都是4QAM，各层的平均误符号率和各层功率的分配关系是。
Pe,1‾=2(1+2×10-5w1ρ4)-1,]]>Pe,2‾=2(1+2×5×10-5w2ρ4)-2,]]>Pe,3‾=2(1+2×8×10-5w3ρ4)-3]]>可以得到Pe‾=Pe,1‾=Pe,2‾=Pe,3‾=0.0405,]]>w1＝0.978，w2＝0.012，w3＝0.01。
给定发送天线集合Ai2，检测顺序为天线1、天线2，调制方式分别为4QAM和16QAM。各层的平均误符号率和各层功率的分配关系是Pe,1‾=2(1+2×8×10-5w1ρ4)-2,]]>Pe,2‾=3(1+2/9×5×10-5w2ρ4)-3]]>可以得到Pe‾=Pe,1‾=Pe,2‾=0.00025,]]>w1＝0.21，w2＝0.79给定发送天线集合Ai2，检测顺序为天线1、天线2，调制方式分别为16AM和4QAM。各层的平均误符号率和各层功率的分配关系是
Pe,1‾=3(1+2/9×8×10-5w1ρ4)-2,]]>Pe,2‾=2(1+2×5×10-5w2ρ4)-2]]>可以得到Pe‾=Pe,1‾=Pe,2‾=0.00157,]]>w1＝0.98，w2＝0.02给定发送天线集合Ai2，检测顺序为天线2、天线1，调制方式分别为16QAM和4QAM。各层的平均误符号率和各层功率的分配关系是Pe,1‾=3(1+2/9×5×10-5w1ρ4)-2,]]>Pe,2‾=2(1+2×8×10-5w2ρ4)-3]]>可以得到Pe‾=Pe,1‾=Pe,2‾=0.0037,]]>w1＝0.99，w2＝0.01给定发送天线集合Ai2，检测顺序为天线2、天线1，调制方式分别为4QAM和16QAM。各层的平均误符号率和各层功率的分配关系是Pe,1‾=2(1+2×5×10-5w1ρ4)-2,]]>Pe,2‾=3(1+2/9×8×10-5w2ρ4)-3]]>可以得到Pe‾=Pe,1‾=Pe,2‾=0.000167,]]>w1＝0.43，w2＝0.57给定发送天线集合Ai1，调制方式为64QAM。平均误符号率和功率的关系是Pe‾=3.5(1+2/49×8×10-5ρ4)-3]]>可以得到Pe‾=0.0045,]]>w1＝0.43，w2＝0.57在以上所有的天线集合和功率速率的分配方式中，发送天线集合为Ai2，检测顺序为天线2、天线1，调制方式分别为4QAM和16QAM时，系统所能达到的平均误符号率最低。
为了验证本发明描述的天线选择方法的优越性，在上面提到的(3，3)的分布式系统中，比较两种发送方案的性能。第一种是按照本发明提出的天线选择准则1进行发送的V-BLAST方案，接收端采用固定检测顺序的ZF-SIC接收机，检测顺序从天线选择的过程中获得；2)第二中是采用等功率等速率全部天线发送的V-BLAST方案，接收端采用普通的ZF-SIC的接收机，也就是根据每一次信道的实现，按照迫零检测后各层信噪比从大到小的顺序进行检测。如图1所示，图中带三角的曲线为等功率和速率的全部天线发送方案的性能。带圆圈的曲线为采用本发明提出的天线选择准则1进行发送的方案的性能。可以看出和等功率等速率的全部天线发送的V-BLAST系统相比，这种利用大尺度信道信息的天线选择算法在性能方面有很大的提高，而且运算简单，非常适合于实际的系统。例如在发送信噪比ρ＝107时，本发明中提出的方法仅仅选择了1、2两根天线进行发送，检测顺序为天线2、天线1，调制方式分别为4QAM和16QAM时。在误符号率10-2时，采用天线准则1后系统的性能提高3dB。
权利要求
1.一种适合于分布式系统的下行发送天线的选择方法，其特征在于，用于n根基站天线发送、m根用户天线接收的空间复用系统BLAST，n≤m；各发送天线发送独立的子数据流，接收端采用串行干扰抵消的方法逐层进行检测；发送端根据从接收端反馈的大尺度信道信息从n根基站天线中基于各层的平均误符号率/误码率的表达式进行天线的选择，对各天线的发送功率、速率和发送天线集综合进行优化，确保各层的平均误符号率/误码率相同；第k层的平均误符号率/误码率 的表达式为Pe,k‾=f(K(Mk),dmin2(Mk),αj,wkρ,Aiij,k,m),(1≤k≤|Aiij|,1≤j≤|Aiij|)]]>其中K(Mk)为第k个子数据流的星座图的相邻点数目的平均值，dmin(Mk)为第k个子数据流的单位能量星座图的最小距离，数据率为R(Mk)，R(Mk)大于0，各子数据流的数据率之和为传输速率Rt=Σk=1|Aiij|R(Mk);]]>αj为检测的第k层对应的大尺度信息，α1≥α2≥...≥α|Ai|,]]>总发送信噪比为ρ，定义发送信噪比为发送端的功率与接收端的噪声功率之比，wkρ为第k根分布式天线的发送信噪比，Σk=1|Ai|wk=1,]]>Ai为发送天线集合，且|Aiij|＝i，即只包括i个具有最大的路径增益的发送天线，k表示正在检测的层，m为接收天线的个数，函数f表明 与K(Mk)，dmin2(Mk)，αj，wkρ，Aiij和k的对应关系；当已知总发送信噪比ρ和传输速率Rt，采用最小化平均误符号率/误码率的选择准则进行天线选择，具体包括以下步骤1)从n|Aiij|！种不同的天线集合和检测顺序的组合中任选出一个发送天线的集合Aiij，同时给定一个接收端的检测顺序，其中n为天线集合的个数；2)根据各层平均误符号率/误码率相同的要求，即Pe,1‾=Pe,2‾=....=Pe,|Aiij|‾,]]>利用传输速率Rt=Σk=1|Aiij|R(Mk),]]>和发送总信噪比为ρ=Σk=1|Aiij|wkρ]]>的已知条件，按所述给定检测顺序对给定的天线集合进行功率和速率的分配；a)根据所述平均误符号率/误码率的表达式和Pe,1‾=Pe,2‾=....=Pe,|Aiij|‾]]>得到各层的发送信噪比的表达式，该表达式是平均误符号率/误码率和各层数据速率的函数；b)利用发送总信噪比为ρ的条件，得出各层传输速率的分配方式与平均误符号率/误码率的关系式；从任意一种传输速率的分配方式都可以得到相应的平均误符号率/误码率，进而得到各层所需要的发送信噪比；c)根据Rt=Σk=1|Aiij|R(Mk),]]>从各种可能的速率分配方式中，找出相对于给定天线集合和接收端检测顺序的最佳的功率和速率的分配方式，使得平均误符号率/误码率最小；3)对所有n|Aiij|！种的天线集合和检测顺序的组合，重复所述步骤2)中的功率和速率的分配方法，从中选取使得平均误符号率/误码率最小的天线集合、检测顺序以及功率和速率的分配方式。
2.如权利要求1所述的选择方法，其特征在于，所述空间复用系统BLAST采用迫零和串行干扰抵消(ZF-SIC)接收机，接收端采用固定检测顺序的ZF-SIC方式，检测顺序从发送端的天线选择过程中获得；所述第k层的平均误符号率的表达式为Pe,k‾=K(Mk)(1+dmin2(Mk)αjwkρ4)-(m-|Aiij|+k),(1≤k≤|Aiij|,1≤j≤|Aiij|);]]>所述各层的发送信噪比的表达式为wkρ=4((K(Mk)/Pe‾)1/(m-|Aiij|+k)-1)dmin2(Mk)αj;]]>所述各层传输速率的分配方式与平均误符号率的关系式为Σk=1|Aiij|4((K(Mk)/Pe‾)1/(m-|Aiij|+k)-1)dmin2(Mk)αj=ρ.]]>
3.一种适合于分布式系统的下行发送天线的选择方法，其特征在于，用于n根基站天线发送、m根用户天线接收的空间复用系统BLAST，n≤m；各发送天线发送独立的数据流，接收端采用串行干扰抵消的方法逐层进行检测；发送端根据从接收端反馈的大尺度信道信息从n根基站天线中基于各层的平均误符号率/误码率的表达式进行天线的选择，对各天线的发送功率、速率和发送天线集综合进行优化，确保各层的平均误符号率/误码率相同；第k层的平均误符号率/误码率 的表达式为Pe,k‾=f(K(Mk),dmin2(Mk),αj,wkρ,Aiij,k,m),(1≤k≤|Aiij|,1≤j≤|Aiij|)]]>其中K(Mk)为第k个子数据流的星座图的相邻点数目的平均值，dmin(Mk)为第k个子数据流的单位能量星座图的最小距离，数据率为R(Mk)，R(Mk)大于0，各子数据流的数据率之和为传输速率Rt=Σk=1|Aiij|R(Mk);]]>αj为检测的第k层对应的大尺度信息，α1≥α2≥...≥α|Ai|,]]>总发送信噪比为ρ，定义发送信噪比为发送端的功率与接收端的噪声功率之比，wkρ为第k根分布式天线的发送信噪比，Σk=1|Ai|wk=1,]]>Ai为发送天线集合，且|Aiij|＝i，即只包括i个具有最大的路径增益的发送天线，k表示正在检测的层，m为接收天线的个数，函数f表明 与K(Mk)，dmin2(Mk)，αj，wkρ，Aiij和k的对应关系；当已知平均误符号率/误码率 和传输速率Rt，采用最小化总发送功率的天线选择准则选择天线，具体包括以下步骤1)从n|Aiij|！种不同的天线集合和检测顺序的组合中任选出一个发送天线的集合Aiij，同时给定一个收端的检测顺序，其中n为天线集合的个数；2)根据各层平均误符号率/误码率相同且等于 即Pe‾=Pe,1‾=Pe,2‾=....=Pe,|Aiij|‾,]]>利用传输速率Rt=Σk=1|Aiij|R(Mk)]]>的已知条件，按所述给定检测顺序对给定的天线集合进行功率和速率的分配；a)根据所述平均误符号率/误码率的表达式和Pe‾=Pe,1‾=Pe,2‾=....=Pe,|Aiij|‾]]>得到各层的发送信噪比的表达式，各层的发送信噪比取决于速率的分配方式；b)相应的可以得到各层所需的总发送信噪比；c)根据Rt=Σk=1|Aiij|R(Mk),]]>从各种可能的速率分配方式中，找出相对于给定天线集合和接收端检测顺序的最佳的功率和速率的分配方式，使得总发送功率最小；3)对所有n|Aiij|！种的天线集合和检测顺序的组合，重复所述步骤2)中的功率和速率的分配方法，从中选取使得总发送功率最小的天线集合、检测顺序以及功率和速率的分配方式。
4.如权利要求3所述的选择方法，其特征在于，所述空间复用系统BLAST采用迫零和串行干扰抵消(ZF-SIC)接收机，接收端采用固定检测顺序的ZF-SIC方式，检测顺序从发送端的天线选择过程中获得；所述第k层的平均误符号率的表达式为Pe,k‾=K(Mk)(1+dmin2(Mk)αjwkρ4)-(m-|Aiij|+k),(1≤k≤|Aiij|,1≤j≤|Aiij|);]]>所述各层的发送信噪比的表达式为wkρ=4((K(Mk)/Pe‾)1/(m-|Aiij|+k)-1)dmin2(Mk)αj;]]>所述各层所需的总发送信噪比为ρ=Σk=1|Aiij|4((K(Mk)/Pe‾)1/(m-|Aiij|+k)-1)dmin2(Mk)αj;]]>
5.一种适合于分布式系统的下行发送天线的选择方法，其特征在于，用于n根基站天线发送、m根用户天线接收的空间复用系统BLAST，n≤m；各发送天线发送独立的子数据流，接收端采用串行干扰抵消的方法逐层进行检测；发送端根据从接收端反馈的大尺度信道信息从n根基站天线中基于各层的平均误符号率/误码率的表达式进行天线的选择，对各天线的发送功率、速率和发送天线集综合进行优化，确保各层的平均误符号率/误码率相同；第k层的平均误符号率/误码率 的表达式为Pe,k‾=f(K(Mk),dmin2(Mk),αj,wkρ,Aiij,k,m),(1≤k≤|Aiij|,1≤j≤|Aiij|)]]>其中K(Mk)为第k个子数据流的星座图的相邻点数目的平均值，dmin(Mk)为第k个子数据流的单位能量星座图的最小距离，数据率为R(Mk)，R(Mk)大于0，各子数据流的数据率之和为传输速率Rt=Σk=1|Aiij|R(Mk);]]>αj为检测的第k层对应的大尺度信息，α1≥α2≥...≥α|Ai|,]]>总发送信噪比为ρ，定义发送信噪比为发送端的功率与接收端的噪声功率之比，wkρ为第k根分布式天线的发送信噪比，Σk=1|Ai|wk=1,]]>Ai为发送天线集合，且|Aiij|＝i，即只包括i个具有最大的路径增益的发送天线，k表示正在检测的层，m为接收天线的个数，函数f表明 与K(Mk)，dmin2(Mk)，αj，wkρ，Aiij和k的对应关系；当已知总发送信噪比ρ和平均误符号率/误码率 采用最大化传输速率的天线选择准则进行天线选择，具体包括以下步骤1)从n|Aiij|！种不同的天线集合和检测顺序的组合中任选出一个发送天线的集合Aiii，同时给定一个收端的检测顺序，其中n为天线集合的个数；2)根据各层平均误符号率/误码率相同且等于 即Pe‾=Pe,1‾=Pe,2‾=...=Pe,|Aiij|‾,]]>利用发送总信噪比为ρ=Σk=1|Aiij|wkρ]]>的已知条件，按所述给定检测顺序对给定的天线集合进行功率和速率的分配；a)根据所述平均误符号率/误码率的表达式和P‾e=Pe,1‾=Pe,2‾=...=Pe,|Aiij|‾]]>得出各层所需要的发送信噪比的表达式；b)利用发送总信噪比为ρ的条件，得到各层传输速率的多种分配方式，对于每种速率分配方式，从所述平均误符号率/误码率的表达式中得到相应的功率分配方式；c)从各种可能的速率分配方式中，找出相对于给定天线集合和接收端检测顺序的最佳的功率和速率的分配方式，使得传输速率最大化；3)对所有n|Aiij|！种的天线集合和检测顺序的组合，重复所述步骤2)中的功率和速率的分配方法，从中选取使得传输速率最大化的天线集合、检测顺序以及功率和速率的分配方式。
6.如权利要求5所述的选择方法，其特征在于，所述空间复用系统BLAST采用迫零和串行干扰抵消(ZF-SIC)接收机，接收端采用固定检测顺序的ZF-SIC方式，检测顺序从发送端的天线选择过程中获得；所述第k层的平均误符号率的表达式为Pe,k‾=K(Mk)(1+dmin2(Mk)αjwkρ4)-(m-|Aiij|+k),(1≤k≤|Aiij|,1≤j≤|Aiij|);]]>所述各层所需要的发送信噪比的表达式wkρ=4((K(Mk)/Pe‾)1/(m-|Aiij|+k)-1)dmin2(Mk)αj.]]>
全文摘要
本发明涉及一种适合于分布式系统的下行发送天线的选择方法，属于无线通信的下行发送技术领域。该方法采用空间复用的发送方案BLAST，各发送天线发送独立的子数据流，接收端采用串行干扰抵消的方法逐层进行检测；发送端根据从接收端反馈的大尺度信道信息从n根基站天线中基于各层的平均误符号率/误码率的表达式进行天线的选择，对各天线的发送功率、速率和发送天线集综合进行优化，确保各层的平均误符号率/误码率相同；本发明在发送端根据信道的大尺度衰落特性，综合考虑发送天线的选择以及各天线功率和速率的分配，根据一定的准则选择最优的天线集，实现功率和速率的最优分配，同时确定最优的检测顺序。可以有效的提高系统的性能。
文档编号H04B7/06GK1604497SQ200410091128
公开日2005年4月6日 申请日期2004年11月19日 优先权日2004年11月19日
发明者周世东, 王京, 韩双锋 申请人:清华大学