专利名称：Mimo系统中基于不完全信道状态信息的跨层优化设计方法
技术领域：
本发明属于无线通信领域，涉及无线通信的跨层优化设计方法，更具体的说涉及 MIMO系统中基于不完全信道状态信息(CSI，Channel State Information)和功率分配的跨层优化设计方法。
背景技术：
目前，无线通信技术已广泛地应用于社会生活各方面，而各种无线通信数据业务对容量需求呈现爆炸性的增长，尤其是互联网的无线接入和多媒体应用对信息吞吐量需求的增长，已经超过已有技术所支持的数据速率，一种使得数据速率得以有效增长的重要技术就是在系统发送端和接收端安置多副天线，即多输入多输出(MIM0，Multiple Input and Multiple Output)技术，其核心思想是空时信号处理，技术主要包括空间分集和空间复用等。空间分集是用来克服无线传输中的信道衰落的，其利用多天线实现空间多个重复信号的独立传输，可以有效提高系统的可靠性。空间分集可分为接收分集和发射分集。当发射信号到达不同接收天线的信道衰落不相关时，通过合并不同接收天线收到的信号，可实现接收分集。而对于发射分集，又以空时分组编码(STBC，Space Time Block Coding)技术最令人关注。然而，现有STBC是基于开环发射方案的，即无需知道当前的信道状态信息(CSI， Channel State ^formation)，使得系统性能提高受限。与开环发射方案相对的即为闭环方案，发射端根据接收端反馈来的CSI自适应调整传输模式等参数，从而更好地优化无线 MIMO通信系统的性能。特征波束成形(Eigen-BF，Eigen-Beamforming)技术，作为闭环ΜΙΜΟ 发射技术之一，可利用反馈的CSI设置权值来对发射机进行优化，增强发射的期望信号，已成为第三代合作伙伴计划(3GPP，3rd Generation Partnership Project) LTE的关键技术之一。同时，为了更好地适应无线通信环境，充分利用有限的无线网络资源来实现优化设计，人们提出了跨层设计方案，其主要思想是指通过在协议栈的各层之间传递特定的信息，来协调协议栈各层之间的工作，使得在无线通信环境切实保证多媒体业务的服务质量 (QoS,Quality of Service)，跨层设计的结构如附
图1所示。由附图1可以看出，跨层设计就是在传统的分层协议栈的基础上增加了一个跨层设计模块，该模块与协议栈的各层相连接，存储和协调各层的关键参数，使得信息可以在协议栈的各层之间传递，而不再是仅限定在相邻的两层之间，所有层作为一个整体来设计，这样才能使有限的无线资源得到最大的利用，提高无线通信系统的性能。在众多跨层设计方案中，点到点的跨层设计，即数据链路层以上的各层无需考虑，一般只考虑物理层和数据链路层这两层的跨层设计，作为无线通信跨层设计的基本组成部分，已受到极大的关注和研究。为了提高无线通信系统的频谱效率，在物理层提出自适应调制(AM，Adaptive Modulation)技术，目的是让信息传输速率与时变的信道相匹配。然而要在物理层达到高的可靠性，就要降低调制速率或者编码速率。另一种提高信息传输可靠性的办法就是引入链路层的自动请求重传(ARQ，Automatic Repeatre-Quest)机制，接收端在接收数据包出错的时候，请求发送端重发，但重传次数增多将会降低系统频谱效率。为了解决信息传输速率和可靠性之间的矛盾，将联合物理层的AM和链路层的ARQ进行跨层设计。在数据链路层，使用ARQ可以修正偶然的误包，这就减少了物理层AM的错误控制请求，从而使用高速率的调制方式，达到提高系统频谱效率的目的。针对无线通信环境的特点，研究MIMO系统跨层设计成为近年来的热点课题。 A. Maaref和X. F. Lu分别利用STBC来实现MIMO系统的跨层设计。W. Chen提出完全CSI下跨物理层和网络层的跨层设计，给出了用户间的最优功率分配和速率分配。当然，由于存在估计误差，实际中无法获得完全CSI。为此，W. Hassan等人分析了在不完全CSI下，利用基于反馈判决的发射天线选择方案来优化基于空间分集的MIMO系统的跨层设计。郭丽丽也在不完全信道估计下，提出MIMO技术结合最大比合并(MRC，Maximal Ratio Combining)的闭环跨层设计方案，可以改善无线通信网络的频谱效率(SE，SpeCtral Efficiency)。针对空时编码ΜΙΜΟ系统中不完全CSI反馈，G. Jongren等人通过最小化成对差错概率的上界值， 获得最优功率分配方案，但需要通过大量迭代搜索进行求解，故复杂度较高。S. L. ^lou等人提出了一种通过最小化误符号率的贝叶斯准则来优化系统发送功率，给出了基于注水准则的次优功率分配方案，但需要判断平均信噪比是否在阈值范围内。L. Xian等人则通过最大化接收信噪比进行功率分配优化，并利用数值搜索得到相应的功率因子，分析结果表明基于此功率分配的系统性能要优于等功率分配的情况。然而，已有研究中没有充分利用功率分配分案进行跨层优化设计，使得系统性能提高有限。因此，本发明将针对反馈时延引起的不完全CSI情况，设计STBC-MIM0系统中基于发射天线功率分配的跨层优化方法，以此来提高系统的频谱效率。主要通过系统的平均频谱效率(ASE，Average Spectral Efficiency)与功率分配因子之间的关系，以最大化系统ASE为目标来进行功率的优化分配。为了减小最优解的计算复杂度，采用一种最大化压缩信噪比的方法，设计一种低复杂度的次优功率分配方案，可获得闭式解。而且与最优功率分配算法有着相似的性能，从而本发明方法实现了复杂度和性能的有效折中。以下将通过具体实施例结合附图对本发明的目的及特性进行详细描述，这些具体实施例是说明性的，不具有限制性。
发明内容
本发明是针对STBC-MIM0系统，研究了基于不完全CSI和功率分配的跨层优化设计方法，其中所提功率分配算法是以最大化系统ASE为目标进行优化的。本发明提出的跨层优化设计方法采用了以下步骤(1)给出了反馈时延引起的不完全CSI的情况下，MIMO系统中结合功率分配和特征波束成形的跨层优化设计原理图以及数学模型。MIMO系统的跨层优化设计原理图如附图2所示。附图2给出了不完全CSI的情况下，MIMO系统中结合功率分配和特征波束成形的跨层优化设计原理图。调制信号经过STBC编码后进行功率优化分配，再结合特征波束成形来调整发射信号波束方向，最后从各发射天线上发送出去；在接收端，通过良好的信道估计获得CSI，用来STBC译码和自适应解调，同时反馈给ARQ生成器来决定重传次数，另外还需要反馈给发送端来进行AM、功率分配以及特征波束成形。
考虑一个无线MIMO通信系统有Nt副发射天线和N,副接收天线，其信道增益矩阵
用凡XNt维矩阵H = [/ν,,]::来表示，其中元素\ i表示为从第i副发射天线到第j副接
收天线的信道增益。在接收端，假设t时刻估计的信道矩阵为 ,对应的接收信噪比为？，然后通过反馈链路有时延τ地反馈给发送端，则此时(t+τ时刻)的系统接收信噪比为Y， 信道矩阵为H，与 之间的关系可表示为11 = /90 + ￡,表达式1其中，ρ为同一分布的不同时刻信道增益的相关系数， 与估计误差E相互独立。输入符号经STBC编码后进行功率分配和特征波束成形，其形成的系统输入和输出关系为
权利要求
1.MIMO系统中基于不完全信道状态信息(CSI)的跨层优化设计方法，其特征在于包括步骤如下(1)MIMO系统中，利用反馈时延引起的不完全CSI，结合物理层自适应调制(AM)、功率分配、特征波束成形和数据链路层的自动请求重传(ARQ)进行跨层优化设计的建模；(2)通过对系统性能进行分析，利用系统平均频谱效率(ASE)与平均误包率(PER)之间的关系，给出与系统ASE相联系的误包率性能表达式，即，其表示调制方式η基于过期 CSI的瞬时误包率，以实现优化系统频谱效率；(3)结合压缩信噪比(SNR)的方法，给出基于最大化ASE的闭式功率分配因子解。
2.根据权利要求1所述的跨层优化设计方法，其特征在于所述步骤(1)包括(Ia)首先，调制信号经过空时分组编码(STBC)后进行功率优化分配，再结合特征波束成形来调整发射信号波束方向，最后从各发射天线上发送出去；在接收端，通过良好的信道估计获得CSI，用来STBC译码和自适应解调，同时反馈给ARQ生成器来决定重传次数，另外还需要反馈给发送端来进行自适应调制、功率分配以及特征波束成形；(Ib)根据步骤(Ia)所述的无线MIMO通信系统，求解出系统瞬时接收信噪比Y。
3.根据权利要求1至2所述的跨层优化设计方法，其特征在于所述步骤( 包括 (2a)由系统的数学分析可知，步骤(Ib)所述的系统接收信噪比Y的概率密度函数不容易求出，故无法依此优化系统平均频谱效率以及相应的功率分配方案。因此需要将优化问题进行等价转化。通过分析，最大化系统ASE等价于最小化瞬时误包率其可以通过相应的数学计算获得闭式解；(2b)功率优化问题就转化为在发射功率一定的约束条件下，最小化& 。通过利用拉格朗日乘子法对上述优化问题进行建模求解，获得相应的功率分配因子。
4.根据权利要求1所述的跨层优化设计方法，其特征在于所述步骤C3)包括(3a)由于步骤Ob)所述的优化问题建模后，需要通过迭代搜索求解最后的功率分配因子。因此，利用压缩接收信噪比Ya来进行优化，以期获得功率分配因子的闭式解。 首先利用最小化？Tr 等价于最大化信噪比的原则，在发射功率一定的约束条件下最大化 Ya，利用拉格朗日乘子法获得Pi与压缩因子a (0< a < 1)的关系表达式，进而表示为
5.根据权利要求4所述的跨层优化设计方法，其特征在于所述步骤(3b)包括 CBbl)将获得的μ值代入Pi关于μ的函数中，即可获得闭式的功率分配因子，大大简化了已有的最优功率分配算法的计算复杂度。(3b2)利用优化得到的功率分配因子，结合自适应调制和自动请求重传，可极大地提高系统的频谱效率，实现了跨层优化设计。
全文摘要
本发明涉及无线空时编码MIMO系统中基于不完全信道状态信息(CSI)和天线发射功率分配的跨层优化设计方法，其中所提功率分配算法是以最大化系统平均频谱效率(ASE)为目标进行优化的。为了简化优化问题求解的复杂度，根据系统ASE与平均误包率(PER)之间的关系，将此问题转化为最小化系统平均PER。为了避免已有最优功率分配算法的多次迭代计算，提出了一种基于最大化压缩信噪比的功率分配方法，可获得闭式功率分配。该算法不需要任何迭代计算，且能满足正功率要求，而且由于较好的近似，可获得与已有最优算法非常接近的性能，实现了复杂度与性能有效折中。通过matlab仿真平台表明，该跨层优化设计能有效地利用反馈的不完全CSI进行率和功率自适应以及自动请求重传，极大地提高了系统的频谱效率。
文档编号H04B7/06GK102571179SQ201210064029
公开日2012年7月11日 申请日期2012年3月13日 优先权日2012年3月13日
发明者刘晓帅, 周婷婷, 朱秋明, 杨颖 , 殷馨, 虞湘宾, 陈小敏 申请人:南京航空航天大学