MIMO-GMC鏈路自適應方法及其DSP實(shí)現

　　0 引言

　　B3G(后第三代移動(dòng)通信系統)追求高效的頻譜利用率和靈活的功率分配，而單天線(xiàn)系統的香農限決定了傳統的技術(shù)無(wú)法達到B3G的高傳輸速率，所以多天線(xiàn)技術(shù)的應用成為必然的趨勢[1]。但與單天線(xiàn)系統相比，多天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信系統的信道環(huán)境更為復雜，移動(dòng)終端在經(jīng)歷不同的場(chǎng)所、以不同的速率移動(dòng)時(shí)，與基站之間的信道可能歷經(jīng)不同的類(lèi)型，其容量隨之有較大的變化。為適應信道的變化，采用適用于各種環(huán)境的統一的信道自適應傳輸方法，將具有更大的潛力。

　　在被提出的眾多鏈路自適應方法中，有最優(yōu)功率分配[2]、自適應調制[3-5]和波束成形[6-7]等，但是單獨應用某一種方法，存在一定的局限性。本文聯(lián)合運用統計空間注水、自適應流控制、自適應調制以及線(xiàn)性預編碼等[8]多種鏈路自適應傳輸方法，以獲得更高的增益。

　　在鏈路自適應算法的實(shí)現中，最為復雜的是信道自相關(guān)陣的特征分解，通常一般的求逆法無(wú)法做到實(shí)時(shí)處理，而且忽略信道自相關(guān)陣的Hermite特性而進(jìn)行奇異值分解也是低效率的做法。本文考慮到自相關(guān)陣的共軛對稱(chēng)特性，在。Householder三對角化后再用QR(正交矩陣一上三角矩陣)隱位移迭代法處理[9]得到結果。這比Jacobi旋轉法等有更快的收斂速度。

　　1 鏈路自適應算法

　　對于離散MIMO(多輸人多輸出)基帶系統，接收信號可表示為：

　　式中：k為子載波號；ι為采樣時(shí)間；p為傳輸路徑號；y(k)為接收端收到的NR×1接收向量；Hp(k)為第p條路徑上的NR×NT信道矩陣；x(k)為發(fā)送端發(fā)送的NT×1發(fā)送向量；z(K)為相應的NR×1噪聲向量；NT和NR分別為發(fā)送天線(xiàn)數和接收天線(xiàn)數。

　　圖1中體現了自適應鏈路控制過(guò)程。接收端通過(guò)信道估計獲得信道統計信息，然后對得到的信道統計信息進(jìn)行量化和編碼，通過(guò)反饋信道傳送至發(fā)送端。發(fā)送端利用信道統計信息計算出鏈路自適應參數，并用于控制編碼調制和計算發(fā)送預編碼陣，發(fā)送端采用特征模式傳輸和隨機虛空選擇發(fā)送方式，同時(shí)，接收端采用相同的鏈路自適應控制參數進(jìn)行自適應接收。

　　要獲得信道的特征模式，首先要根據信道估計的信道沖擊響應Hp(k)計算發(fā)送和接收的自相關(guān)矩陣RT(t)和RR(t)：

　　式中：t為第t幀反饋；β為跟蹤相關(guān)信道的時(shí)變權重；上標H代表共軛轉置。

　　信道統計參數是緩慢變化的，RT(t)和RR(t)用一階IIR(無(wú)限沖擊響應)濾波器來(lái)濾波，并假設多載波之間的統計特性相同，對其平均以平滑統計噪聲。RT(t)和RR(t)具有Hemite特性，對其進(jìn)行特征分解：



　　式中：UT(t)和UR(t)分別為發(fā)送和接收自相關(guān)陣的特征矢量陣；



　　特征值也可以稱(chēng)為信道特征值，按從大到小的順序排列，UT(t)的列向量則定義了信道的特征方向。

　　用統計空問(wèn)注水法在每個(gè)特征值方向分配適當的功率以提高功率效率。信道的注水解可表示為：



　　式中：ε為門(mén)限，是取決于發(fā)送功率的常數。

　　流控制是自適應控制的重要一環(huán)，接收機通過(guò)對信道的統計特性進(jìn)行分析，綜合考慮MIMO的發(fā)送和接收相關(guān)性及直達路徑等因素，從能量的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，確定實(shí)際可傳輸的流的個(gè)數Ns當然，Ns還必須不大于功率分配中非零解的個(gè)數。



　　決定在當時(shí)的MIMO信道條件下可能的數據傳輸速率不但需要流控制信息，還需要估算信道容量的理論上界，并根據接收機實(shí)現復雜度等條件對信道容量進(jìn)行一定的修正。



　　式中：ξ(t)為匹配濾波器的輸出信干比f(wàn)(·，·)為容量的調整函數，在不超過(guò)Conline(t)的總發(fā)送數據比特的約束下，每個(gè)流上遍歷選擇即可得到相應的調制參數。

　　接收端需向發(fā)送端反饋發(fā)送自相關(guān)陣、噪聲方差、自適應流的個(gè)數和每個(gè)流上的調制方式。為了減少在反饋鏈路上傳送的數據量，發(fā)送相關(guān)陣用差分量化傳輸：



　　為了進(jìn)一步保證傳輸可靠性，可以在允許的條件下對△RT(t)編碼。

　　發(fā)送端得到自適應參數后，發(fā)送數據信號生成如下：



　　式中：P(t)=diag{pT,1(t)，pT,2(t)，…pT,N(t)}為功率注水矩陣；W為Walsh擴頻矩陣；為當前幀的發(fā)送成形矩陣(預編碼矩陣)；V(k，ι)為NT×NR選擇矩陣；V(k，ι)隨機從ζ={Vi;i=0，l，中選擇；s(k，ι)為發(fā)送符號。

　　2 特征分解和預編碼陣的求逆運算

　　收、發(fā)自相關(guān)陣的特征分解處理是運算量很大的過(guò)程，必須選擇恰當的方法，保證計算延時(shí)控制在一定的范圍內。在自適應的DSP實(shí)現中，采用復數陣擴展法將自相關(guān)陣轉化為實(shí)數陣[9]，以增加部分計算量為代價(jià)，避免了繁瑣的復數運算，可提高DSP工作效率。同時(shí)，充分考慮了相關(guān)陣的HermitE特性，對稱(chēng)的特性意味著(zhù)操作上三角或下三角矩陣就可達到操作整個(gè)矩陣的目的。對轉化后的實(shí)對稱(chēng)陣用Householder法約化得到三對角陣，然后用QR隱位移法分解成特征值和特征向量。對求得的特征值和特征向量排序也是必須的，最后用實(shí)數分解結果重建復數陣的分解結果。其中，隱位移QR算法是一個(gè)迭代的過(guò)程，非對角元的大小門(mén)限、最大容許迭代次數與分解精度、處理延時(shí)密切相關(guān)，這些可以根據系統要求靈活調整。

　　鏈路自適應對發(fā)送信號進(jìn)行線(xiàn)性預編碼處理，在接收機解碼處理時(shí)需要得到預編碼陣的逆陣。在實(shí)際系統中要加上矩陣的一般求逆將是無(wú)法容忍的。針對線(xiàn)性預編碼陣UT(t)P1/2(t)W中UT(t)和W都是酉矩陣，且P1/2(t)是對角陣，即用UT(t)P1/2(t)W)-1=WH(P1/2(t))-1(UT(t))H表示即可。這樣只要用較少的計算就可以得到預編碼陣的逆陣。

　　3 鏈路自適應系統設計

　　東南大學(xué)研發(fā)的B3G試驗系統上行鏈路采用了該算法。該系統載波頻率為3.5 GHz，將20 MHz帶寬分成若干個(gè)寬為1.28 MHz的子載波，頻帶中間的12個(gè)子載波用于數據傳輸，邊帶的子載波用做保護帶，多載波的處理由多載波濾波器組完成。上行鏈路采用4發(fā)8收的結構，調制方式從QPSK和16QAM中選擇，自適應支持12.5 Mbit/s～100 Mbit/s之間均勻的共8擋傳輸速率，自適應模式共有14種。

　　圖2所示為自適應工作時(shí)序，包括兩個(gè)高速用戶(hù)，當基站側在第K幀時(shí)，取得第K-2幀的9號時(shí)隙和第K-1幀的0～8號時(shí)隙的信道估計參數，通過(guò)這些參數更新信道統計信息，進(jìn)行自適應計算。而計算得到的直接自適應參數用于第K+1幀的O～9號時(shí)隙的迭代干擾抵消和解碼。同時(shí)，基站側將統計信息和部分自適應控制參數分成用戶(hù)1和用戶(hù)2的兩個(gè)部分，分別組人下行鏈路的空口2號和3號子時(shí)隙位置的控制數據部分，發(fā)送至移動(dòng)臺。移動(dòng)臺側根據反饋的數據重建信道統計信息并重復部分接收端的計算過(guò)程，得到與接收端完全一致的自適應控制參數，用于控制第K+1幀O～9號時(shí)隙的數據發(fā)送。

　　基站鏈路自適應處理流程如圖3所示。

　　鏈路自適應處理都在基站側完成，但是為了高效利用反饋鏈路，不可能直接把線(xiàn)性預編碼陣反饋到移動(dòng)臺側。而反饋信道發(fā)送自相關(guān)陣的增量，并在移動(dòng)臺側恢復信道發(fā)送自相關(guān)陣后特征分解求線(xiàn)性預編碼陣，可大大減小反饋的數據量，此方法有更大的優(yōu)勢。接收端自適應處理反映了詳盡的自適應計算過(guò)程。

　　4 仿真和實(shí)驗結果

　　試驗系統載頻工作在3.5 GHz，上行鏈路采用4發(fā)8收。幀長(cháng)為8.375 ms，并把一幀劃分為10個(gè)等長(cháng)的時(shí)隙。仿真中采用了4發(fā)4收和4發(fā)8收，收發(fā)天線(xiàn)相關(guān)因子相同，分別是0和0.5，車(chē)速為5 km/h和120 km/h，信道模型為6徑的Cost207，編碼方式為l/2Turbo碼，每個(gè)采樣點(diǎn)為500幀的平均結果。

　　圖4是仿真曲線(xiàn)。由圖中可知，4收和8收有3 dB的差異。天線(xiàn)問(wèn)的相關(guān)性直接影響信道獨立流的個(gè)數，從而使高相關(guān)性的信道極大地降低了傳輸速率。5 km/s和120 knv/s的車(chē)速凸現了慢衰落和快衰落下的系統性能差異，在低車(chē)速下即使高信噪比仍然無(wú)法達到最高的傳輸速率。

　　圖5是實(shí)際外場(chǎng)測試路線(xiàn)及場(chǎng)景圖。移動(dòng)臺首先靜止在1號點(diǎn)，然后從1～12號點(diǎn)順序遍歷，在12號點(diǎn)掉頭原路返回，最后在0號點(diǎn)停止。

　　圖6顯示了共85組實(shí)測數據，每組是500幀結果的平均。

　　5 結束語(yǔ)

　　仿真表明，該自適應算法能夠在大動(dòng)態(tài)范圍內的信道變化下自適應調節系統傳輸速率，保證系統高效、穩定、可靠地工作。該自適應算法的DSP實(shí)現滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，外場(chǎng)實(shí)測結果是試驗系統能在測試環(huán)境中正常運行，可以達到100 Mbit/s的峰值傳輸速率。