MIMO-GMC鏈路自適應(yīng)方法及其DSP實現(xiàn)

　　0 引言

　　B3G(后第三代移動通信系統(tǒng))追求高效的頻譜利用率和靈活的功率分配，而單天線系統(tǒng)的香農(nóng)限決定了傳統(tǒng)的技術(shù)無法達到B3G的高傳輸速率，所以多天線技術(shù)的應(yīng)用成為必然的趨勢[1]。但與單天線系統(tǒng)相比，多天線無線通信系統(tǒng)的信道環(huán)境更為復(fù)雜，移動終端在經(jīng)歷不同的場所、以不同的速率移動時，與基站之間的信道可能歷經(jīng)不同的類型，其容量隨之有較大的變化。為適應(yīng)信道的變化，采用適用于各種環(huán)境的統(tǒng)一的信道自適應(yīng)傳輸方法，將具有更大的潛力。

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

　　在鏈路自適應(yīng)算法的實現(xiàn)中，最為復(fù)雜的是信道自相關(guān)陣的特征分解，通常一般的求逆法無法做到實時處理，而且忽略信道自相關(guān)陣的Hermite特性而進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(jié)果。這比Jacobi旋轉(zhuǎn)法等有更快的收斂速度。

　　1 鏈路自適應(yīng)算法

　　對于離散MIMO(多輸人多輸出)基帶系統(tǒng)，接收信號可表示為：

　　式中：k為子載波號；ι為采樣時間；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(yīng)的NR×1噪聲向量；NT和NR分別為發(fā)送天線數(shù)和接收天線數(shù)。

　　圖1中體現(xiàn)了自適應(yīng)鏈路控制過程。接收端通過信道估計獲得信道統(tǒng)計信息，然后對得到的信道統(tǒng)計信息進行量化和編碼，通過反饋信道傳送至發(fā)送端。發(fā)送端利用信道統(tǒng)計信息計算出鏈路自適應(yīng)參數(shù)，并用于控制編碼調(diào)制和計算發(fā)送預(yù)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，接收端采用相同的鏈路自適應(yīng)控制參數(shù)進行自適應(yīng)接收。

　　要獲得信道的特征模式，首先要根據(jù)信道估計的信道沖擊響應(yīng)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)信道的時變權(quán)重；上標H代表共軛轉(zhuǎn)置。

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



　　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(tǒng)計空問注水法在每個特征值方向分配適當?shù)墓β室蕴岣吖β市省Ｐ诺赖淖⑺饪杀硎緸椋?BR>


　　式中：ε為門限，是取決于發(fā)送功率的常數(shù)。

　　流控制是自適應(yīng)控制的重要一環(huán)，接收機通過對信道的統(tǒng)計特性進行分析，綜合考慮MIMO的發(fā)送和接收相關(guān)性及直達路徑等因素，從能量的觀點出發(fā)，確定實際可傳輸?shù)牧鞯膫€數(shù)Ns當然，Ns還必須不大于功率分配中非零解的個數(shù)。



　　決定在當時的MIMO信道條件下可能的數(shù)據(jù)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(jù)接收機實現(xiàn)復(fù)雜度等條件對信道容量進行一定的修正。



　　式中：ξ(t)為匹配濾波器的輸出信干比f(·，·)為容量的調(diào)整函數(shù)，在不超過Conline(t)的總發(fā)送數(shù)據(jù)比特的約束下，每個流上遍歷選擇即可得到相應(yīng)的調(diào)制參數(shù)。

　　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(yīng)流的個數(shù)和每個流上的調(diào)制方式。為了減少在反饋鏈路上傳送的數(shù)據(jù)量，發(fā)送相關(guān)陣用差分量化傳輸：



　　為了進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(yīng)參數(shù)后，發(fā)送數(shù)據(jù)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(yù)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(yù)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程，必須選擇恰當?shù)姆椒?，保證計算延時控制在一定的范圍內(nèi)。在自適應(yīng)的DSP實現(xiàn)中，采用復(fù)數(shù)陣擴展法將自相關(guān)陣轉(zhuǎn)化為實數(shù)陣[9]，以增加部分計算量為代價，避免了繁瑣的復(fù)數(shù)運算，可提高DSP工作效率。同時，充分考慮了相關(guān)陣的HermitE特性，對稱的特性意味著操作上三角或下三角矩陣就可達到操作整個矩陣的目的。對轉(zhuǎn)化后的實對稱陣用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，最后用實數(shù)分解結(jié)果重建復(fù)數(shù)陣的分解結(jié)果。其中，隱位移QR算法是一個迭代的過程，非對角元的大小門限、最大容許迭代次數(shù)與分解精度、處理延時密切相關(guān)，這些可以根據(jù)系統(tǒng)要求靈活調(diào)整。

　　鏈路自適應(yīng)對發(fā)送信號進行線性預(yù)編碼處理，在接收機解碼處理時需要得到預(yù)編碼陣的逆陣。在實際系統(tǒng)中要加上矩陣的一般求逆將是無法容忍的。針對線性預(yù)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(yù)編碼陣的逆陣。

　　3 鏈路自適應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計

　　東南大學研發(fā)的B3G試驗系統(tǒng)上行鏈路采用了該算法。該系統(tǒng)載波頻率為3.5 GHz，將20 MHz帶寬分成若干個寬為1.28 MHz的子載波，頻帶中間的12個子載波用于數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)，調(diào)制方式從QPSK和16QAM中選擇，自適應(yīng)支持12.5 Mbit/s～100 Mbit/s之間均勻的共8擋傳輸速率，自適應(yīng)模式共有14種。

　　圖2所示為自適應(yīng)工作時序，包括兩個高速用戶，當基站側(cè)在第K幀時，取得第K-2幀的9號時隙和第K-1幀的0～8號時隙的信道估計參數(shù)，通過這些參數(shù)更新信道統(tǒng)計信息，進行自適應(yīng)計算。而計算得到的直接自適應(yīng)參數(shù)用于第K+1幀的O～9號時隙的迭代干擾抵消和解碼。同時，基站側(cè)將統(tǒng)計信息和部分自適應(yīng)控制參數(shù)分成用戶1和用戶2的兩個部分，分別組人下行鏈路的空口2號和3號子時隙位置的控制數(shù)據(jù)部分，發(fā)送至移動臺。移動臺側(cè)根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)重建信道統(tǒng)計信息并重復(fù)部分接收端的計算過程，得到與接收端完全一致的自適應(yīng)控制參數(shù)，用于控制第K+1幀O～9號時隙的數(shù)據(jù)發(fā)送。

　　基站鏈路自適應(yīng)處理流程如圖3所示。

　　鏈路自適應(yīng)處理都在基站側(cè)完成，但是為了高效利用反饋鏈路，不可能直接把線性預(yù)編碼陣反饋到移動臺側(cè)。而反饋信道發(fā)送自相關(guān)陣的增量，并在移動臺側(cè)恢復(fù)信道發(fā)送自相關(guān)陣后特征分解求線性預(yù)編碼陣，可大大減小反饋的數(shù)據(jù)量，此方法有更大的優(yōu)勢。接收端自適應(yīng)處理反映了詳盡的自適應(yīng)計算過程。

　　4 仿真和實驗結(jié)果

　　試驗系統(tǒng)載頻工作在3.5 GHz，上行鏈路采用4發(fā)8收。幀長為8.375 ms，并把一幀劃分為10個等長的時隙。仿真中采用了4發(fā)4收和4發(fā)8收，收發(fā)天線相關(guān)因子相同，分別是0和0.5，車速為5 km/h和120 km/h，信道模型為6徑的Cost207，編碼方式為l/2Turbo碼，每個采樣點為500幀的平均結(jié)果。

　　圖4是仿真曲線。由圖中可知，4收和8收有3 dB的差異。天線問的相關(guān)性直接影響信道獨立流的個數(shù)，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的車速凸現(xiàn)了慢衰落和快衰落下的系統(tǒng)性能差異，在低車速下即使高信噪比仍然無法達到最高的傳輸速率。

　　圖5是實際外場測試路線及場景圖。移動臺首先靜止在1號點，然后從1～12號點順序遍歷，在12號點掉頭原路返回，最后在0號點停止。

　　圖6顯示了共85組實測數(shù)據(jù)，每組是500幀結(jié)果的平均。

　　5 結(jié)束語

　　仿真表明，該自適應(yīng)算法能夠在大動態(tài)范圍內(nèi)的信道變化下自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)傳輸速率，保證系統(tǒng)高效、穩(wěn)定、可靠地工作。該自適應(yīng)算法的DSP實現(xiàn)滿足實時性要求，外場實測結(jié)果是試驗系統(tǒng)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。