MIMO-GMC鏈路自適應(yīng)方法及其DSP實(shí)現(xiàn)

　　0 引言

　　B3G(后第三代移動(dòng)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(wú)法達(dá)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(shì)[1]。但與單天線系統(tǒng)相比，多天線無(wú)線通信系統(tǒng)的信道環(huán)境更為復(fù)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(dú)應(yīng)用某一種方法，存在一定的局限性。本文聯(lián)合運(yùn)用統(tǒng)計(jì)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(shí)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(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(duì)稱特性，在。Householder三對(duì)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(duì)于離散MIMO(多輸人多輸出)基帶系統(tǒng)，接收信號(hào)可表示為：

　　式中：k為子載波號(hào)；ι為采樣時(shí)間；p為傳輸路徑號(hào)；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(guò)程。接收端通過(guò)信道估計(jì)獲得信道統(tǒng)計(jì)信息，然后對(duì)得到的信道統(tǒng)計(jì)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(tǒng)計(jì)信息計(jì)算出鏈路自適應(yīng)參數(shù)，并用于控制編碼調(diào)制和計(jì)算發(fā)送預(yù)編碼陣，發(fā)送端采用特征模式傳輸和隨機(jī)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(yīng)控制參數(shù)進(jìn)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(jì)的信道沖擊響應(yīng)Hp(k)計(jì)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(quán)重；上標(biāo)H代表共軛轉(zhuǎn)置。

　　信道統(tǒng)計(jì)參數(shù)是緩慢變化的，RT(t)和RR(t)用一階IIR(無(wú)限沖擊響應(yīng))濾波器來(lái)濾波，并假設(shè)多載波之間的統(tǒng)計(jì)特性相同，對(duì)其平均以平滑統(tǒng)計(jì)噪聲。RT(t)和RR(t)具有Hemite特性，對(duì)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(jì)空問注水法在每個(gè)特征值方向分配適當(dāng)?shù)墓β室蕴岣吖β市?。信道的注水解可表示為?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(jī)通過(guò)對(duì)信道的統(tǒng)計(jì)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(dá)路徑等因素，從能量的觀點(diǎn)出發(fā)，確定實(shí)際可傳輸?shù)牧鞯膫€(gè)數(shù)Ns當(dāng)然，Ns還必須不大于功率分配中非零解的個(gè)數(shù)。



　　決定在當(dāng)時(shí)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(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度等條件對(duì)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(diào)整函數(shù)，在不超過(guò)Conline(t)的總發(fā)送數(shù)據(jù)比特的約束下，每個(gè)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(gè)數(shù)和每個(gè)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(jìn)一步保證傳輸可靠性，可以在允許的條件下對(duì)△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(hào)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(kuò)頻矩陣；為當(dāng)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(jī)從ζ={Vi;i=0，l，中選擇；s(k，ι)為發(fā)送符號(hào)。

　　2 特征分解和預(yù)編碼陣的求逆運(yùn)算

　　收、發(fā)自相關(guān)陣的特征分解處理是運(yùn)算量很大的過(guò)程，必須選擇恰當(dāng)?shù)姆椒?，保證計(jì)算延時(shí)控制在一定的范圍內(nèi)。在自適應(yīng)的DSP實(shí)現(xiàn)中，采用復(fù)數(shù)陣擴(kuò)展法將自相關(guān)陣轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù)陣[9]，以增加部分計(jì)算量為代價(jià)，避免了繁瑣的復(fù)數(shù)運(yùn)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(duì)稱的特性意味著操作上三角或下三角矩陣就可達(dá)到操作整個(gè)矩陣的目的。對(duì)轉(zhuǎn)化后的實(shí)對(duì)稱陣用Householder法約化得到三對(duì)角陣，然后用QR隱位移法分解成特征值和特征向量。對(duì)求得的特征值和特征向量排序也是必須的，最后用實(shí)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(gè)迭代的過(guò)程，非對(duì)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(shí)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(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行線性預(yù)編碼處理，在接收機(jī)解碼處理時(shí)需要得到預(yù)編碼陣的逆陣。在實(shí)際系統(tǒng)中要加上矩陣的一般求逆將是無(wú)法容忍的。針對(duì)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(duì)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(jì)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(jì)

　　東南大學(xué)研發(fā)的B3G試驗(yàn)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(gè)寬為1.28 MHz的子載波，頻帶中間的12個(gè)子載波用于數(shù)據(jù)傳輸，邊帶的子載波用做保護(hù)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(shí)序，包括兩個(gè)高速用戶，當(dāng)基站側(cè)在第K幀時(shí)，取得第K-2幀的9號(hào)時(shí)隙和第K-1幀的0～8號(hào)時(shí)隙的信道估計(jì)參數(shù)，通過(guò)這些參數(shù)更新信道統(tǒng)計(jì)信息，進(jìn)行自適應(yīng)計(jì)算。而計(jì)算得到的直接自適應(yīng)參數(shù)用于第K+1幀的O～9號(hào)時(shí)隙的迭代干擾抵消和解碼。同時(shí)，基站側(cè)將統(tǒng)計(jì)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(gè)部分，分別組人下行鏈路的空口2號(hào)和3號(hào)子時(shí)隙位置的控制數(shù)據(jù)部分，發(fā)送至移動(dòng)臺(tái)。移動(dòng)臺(tái)側(cè)根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)重建信道統(tǒng)計(jì)信息并重復(fù)部分接收端的計(jì)算過(guò)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(hào)時(shí)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(dòng)臺(tái)側(cè)。而反饋信道發(fā)送自相關(guān)陣的增量，并在移動(dòng)臺(tái)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(shì)。接收端自適應(yīng)處理反映了詳盡的自適應(yīng)計(jì)算過(guò)程。

　　4 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　試驗(yàn)系統(tǒng)載頻工作在3.5 GHz，上行鏈路采用4發(fā)8收。幀長(zhǎng)為8.375 ms，并把一幀劃分為10個(gè)等長(zhǎng)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(gè)采樣點(diǎn)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(dú)立流的個(gè)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(wú)法達(dá)到最高的傳輸速率。

　　圖5是實(shí)際外場(chǎng)測(cè)試路線及場(chǎng)景圖。移動(dòng)臺(tái)首先靜止在1號(hào)點(diǎn)，然后從1～12號(hào)點(diǎn)順序遍歷，在12號(hào)點(diǎn)掉頭原路返回，最后在0號(hào)點(diǎn)停止。

　　圖6顯示了共85組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，每組是500幀結(jié)果的平均。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　仿真表明，該自適應(yīng)算法能夠在大動(dòng)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(shí)現(xiàn)滿足實(shí)時(shí)性要求，外場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果是試驗(yàn)系統(tǒng)能在測(cè)試環(huán)境中正常運(yùn)行，可以達(dá)到100 Mbit/s的峰值傳輸速率。