基于zf接收機的多用戶大規(guī)模mimo系統(tǒng)的自適應調制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于ZF接收機的多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的自適應調制方法，包括如下步驟：1)K個用戶分別向基站發(fā)射導頻序列；所述的基站具有M根天線；2)基站根據接收的導頻信號Y，估計每個用戶到基站的信道狀態(tài)信息G，并將大尺度衰落系數β反饋給用戶；3)用戶k根據獲得的大尺度衰落系數βk計算近似信干噪比并基于近似信干噪比實施自適應調制，調整發(fā)射信號的調制方式或者發(fā)射功率，其中k＝1,2,…,K；4)基站接收到K個用戶的發(fā)射信號后，采用ZF接收機檢測。該自適應調制方法不僅減少了基站向用戶的反饋信息，其次降低了計算復雜度。
【專利說明】
基于ZF接收機的多用戶大規(guī)模ΜI MO系統(tǒng)的自適應調制方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及通信技術領域，具體涉及一種基于ZF接收機的多用戶大規(guī)模ΜΜ0系統(tǒng) 的自適應調制方法。
【背景技術】
[0002] 為了滿足不斷發(fā)展的無線數據服務需求，作為能夠顯著提升系統(tǒng)頻譜效率的大規(guī) 模ΜΜ0技術逐漸獲得越來越多的關注。傳統(tǒng)的ΜΜ0系統(tǒng)是指在發(fā)射端和接收端分別使用多 個發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通 信質量。大規(guī)模Μπω系統(tǒng)將基站端的天線數目放大到一百多，甚至更多。當基站端配備大規(guī) 模天線陣列時，用戶和基站間的隨機信道矢量變得漸進正交;小尺度衰落系數的影響被平 均;通過簡單的信號處理技術就可以消除用戶之間的干擾。因此，大規(guī)模ΜΜ0系統(tǒng)成為5G中 的核心技術。
[0003] 另一方面，自適應調制編碼(AMC)技術是對抗無線信道衰落，提升系統(tǒng)容量的有效 手段。在AMC技術中，發(fā)射端根據接收端反饋的信道狀態(tài)信息(CSI)自適應地調節(jié)發(fā)射功率、 調制編碼方式等，從而克服信道的時變特性，改善通信質量。注意，這里的信道狀態(tài)信息包 括小尺度衰落和大尺度衰落。
[0004]如何在多用戶大規(guī)模Μπω系統(tǒng)中，有效地應用自適應調制編碼技術無疑具有重要 的價值。傳統(tǒng)的自適應調制編碼技術要求發(fā)送端基于瞬時信道狀態(tài)信息進行自適應傳輸， 然而，對于大規(guī)模ΜΜ0系統(tǒng)而言，在用戶端獲取瞬時信道狀態(tài)信息極其困難；同時，傳統(tǒng)的 自適應調制編碼技術主要針對單用戶系統(tǒng)，如何將其應用于多用戶大規(guī)模ΜΜ0系統(tǒng)也極具 挑戰(zhàn)性。
[0005] 現有的自適應調制編碼方法有：（1)基于瞬時信道變化的快速自適應調制技術 (FAM); (2)基于平均^的緩慢自適應調制技術(SAM)。對現有的方法分析后，發(fā)現:方法 (1)需要大量的反饋開銷以適應不斷變化的小尺度衰落系數;方法(2)極大程度上減小了反 饋開銷，但各種調制方式下的閾值很難計算，目前的研究主要集中在單用戶MRC分集接收的 系統(tǒng)中。
[0006] 綜上，本發(fā)明提出了一種相對簡單，而且適用于多用戶大規(guī)模ΜΜ0系統(tǒng)的自適應 調制方法。

【發(fā)明內容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于針對現有的自適應調制編碼方法的局限性，提供一種更實際可 行的基于ZF接收機的多用戶大規(guī)模Μ頂0系統(tǒng)的自適應調制方法。
[0008] 為解決上述技術問題，本發(fā)明所提供的技術方案為：
[0009] 一種基于ZF接收機的多用戶大規(guī)模MBTO系統(tǒng)的自適應調制方法，包括如下步驟：
[0010] 1)Κ個用戶分別向基站發(fā)射導頻序列;所述的基站具有Μ根天線；
[0011] 2)基站根據接收的導頻信號Υ，估計每個用戶到基站的信道狀態(tài)信息G，并將大尺 度衰落系數β反饋給用戶；
[0012] 3)用戶k根據獲得的大尺度衰落系數&計算近似信干噪比S/i凡，并基于近似信干 噪比^,實施自適應調制，調整發(fā)射信號的調制方式或者發(fā)射功率，其中k=l，2,…，K;
[0013] 4)基站接收到K個用戶的發(fā)射信號后，采用ZF接收機檢測。
[0014]在用戶向基站發(fā)射信號前，基站先根據用戶發(fā)送的導頻信號，估計出小區(qū)內每個 用戶的大尺度衰落系數，并將此反饋給用戶。在期望的誤比特率(BER)的限制條件下，用戶k 利用基站反饋信息，計算得到近似信干噪比S/巧凡 ，動態(tài)調整發(fā)射信號的調制方 式或者發(fā)射功率，提升系統(tǒng)的信道容量。其次，為了使用戶之間的信道相互正交，消除用戶 之間的干擾，基站采用ZF檢測。該方法可以用于多用戶自適應調制系統(tǒng)，同時利用大規(guī)模天 線系統(tǒng)的優(yōu)勢，僅僅利用大尺度衰落信道即可實施自適應調制。
[0015] 所述的步驟2)中導頻信號Υ = 6Φ，Φ是由K個長度為τ的導頻序列構成的矩陣。乘 以導頻序列φΚΧτ的共輒轉置，準確估計出所有用戶到基站的信道狀態(tài)信息GeC MXK(包括大 尺度衰落和小尺度衰落）。由于天線個數Μ趨于無窮時，小尺度衰落的影響可以被平均，所以 大尺度衰落系數可以根據估計得到。 Μ
[0016] 所述的步驟2)中信道狀態(tài)信息G^gigfgK]#^
其中k = 1，2，…，K; gk表示用戶k到基站的信道向量;hk表示用戶k到基站的小尺度衰落系數;&表示 用戶k到基站的大尺度衰落系數，/? 其中dk表示第k個用戶到基站的距離，γ為衰減 k 指數，Zk表示一個對數正態(tài)隨機變量。
[0017] 所述的hk服從均值為0方差為1的圓對稱復高斯隨機分布;所述的&包括幾何衰落 和陰影落;所述的zk是一個對數正態(tài)隨機變量，即101 〇g1Q(zk)服從零均值、標準差為〇shadciw 的高斯分布，在不同的場景下，標準差〇shad?有著不同的取值范圍。
[0018] 所述的步驟3)中近似信干噪比，其中pu表示用戶發(fā)射信號的功 率，Μ表示基站具有的天線數量，&表示用戶k到基站的大尺度衰落系數。
[0019] 由于每個用戶的瞬時SINR會受到小尺度衰落系數和大尺度衰落系數的聯合影響， 所以用戶k的SINRk可以表示為：
[0020] '其中H=[hi，h2, · · ·，hK] eCMXK。 ￡
[0021] 按照傳統(tǒng)的自適應調制編碼方法，用戶必須快速并且準確地獲得瞬時的SINR，來 捕獲衰落的變化。所以瞬時的SINR-旦發(fā)生改變，基站就要向用戶進行反饋，調整用戶發(fā)送 信號的調制方式。然而在大規(guī)模ΜΙΜΟ系統(tǒng)中，隨著天線個數Μ的增大，小尺度衰落迅速"硬 化"（即小尺度衰落的影響可以被平均）。因此根據大數定律可得：
[0022]
[0023] 由此可以看出，在大規(guī)模MMO系統(tǒng)中，當基站采用ZF檢測時，用戶的近似信干噪比 僅和自己的大尺度衰落系數有關，與小尺度衰落系數無關。
[0024] 所述的步驟3)中實施自適應調制編碼是指：
[0025] 1)在期望的誤比特率的限制條件下，得到不同調制方式下SINR的閾值{^ti;
[0026] 2)當用戶k的近似信干噪比運元^ =/?uM爲落在區(qū)域內，則用戶k采用 對應的調制方式。
[0027] 所述的不同調制方式是指:BPSK、QPSK、8-PSK、16-QAM、32-QAM 和 64QAM。
[0028]所述的步驟4)中ZF接收機的檢測方法為:基站接收到K個用戶的發(fā)射信號后，根據 估計的信道狀態(tài)信息G，計算出ZF線性檢測矩陣W^GHGrV1，然后處理接收到的發(fā)射信號。
[0029] 同現有技術相比，本發(fā)明的有益效果體現在：
[0030] (1)減少了反饋信息：根據每個用戶的近似信干噪比=&財&進行自適應 調制編碼，用戶的SINR僅和大尺度衰落系數相關，而大尺度衰落系數的相干時間遠大于小 尺度衰落系數的相干時間，減少了基站向用戶的反饋信息。
[0031] (2)降低了計算復雜度:在基于瞬時SINR的自適應調制編碼中，基站需要計算出每 個用戶包含大尺度衰落系數和小尺度衰落系數的SINR，其中包括矩陣求逆運算;然而在大 規(guī)模ΜΠΚ)系統(tǒng)，基于近似信干噪比S/TvT?/、= 的自適應調制編碼，基站只需要向用戶 反饋大尺度衰落系數即可，不需要計算矩陣求逆。
【附圖說明】
[0032]圖1為本發(fā)明應用場景不意圖；
[0033]圖2為本發(fā)明基于ZF接收機的多用戶大規(guī)模ΜΜ0系統(tǒng)的自適應調制方法的流程 圖；
[0034]圖3為本發(fā)明中基于ZF接收機的多用戶大規(guī)模ΜΜ0系統(tǒng)的自適應調制（LAM)和傳 統(tǒng)基于瞬時SINR的自適應調制(FAM)的平均頻譜效率比較的仿真圖。
【具體實施方式】
[0035]下面結合實施例和附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0036]如圖1所示，在多用戶大規(guī)模ΜΙΜΟ系統(tǒng)中，基站具有大規(guī)模天線陣列，天線個數為 Μ，小區(qū)內有Κ個用戶，每個用戶配備單根天線。通過基站的反饋信息，用戶根據僅和大尺度 衰落系數相關的近似信干噪比進行自適應調制。
[0037]如圖2所示，基于ZF接收機的多用戶大規(guī)模ΜΜ0系統(tǒng)的自適應調制方法，包括如下 步驟：
[0038] 1)Κ個用戶分別向基站發(fā)射導頻序列;所述的基站具有Μ根天線；
[0039] 2)基站根據接收的導頻信號Υ，估計每個用戶到基站的信道狀態(tài)信息G，并將大尺 度衰落系數β反饋給用戶；
[0040] 所述的多用戶大規(guī)模ΜΜ0系統(tǒng)在TDD的模式下工作，基站可以通過上行鏈路的導 頻信號Y估計獲得良好的信道狀態(tài)信息G。
[0041] 所述的步驟2)中導頻信號Υ = 6Φ，Φ是由K個長度為τ的導頻序列構成的矩陣。乘 以導頻序列φΚΧτ的共輒轉置，準確估計出所有用戶到基站的信道狀態(tài)信息 GeCMXK(包括大 尺度衰落和小尺度衰落）。由于天線個數Μ趨于無窮時，小尺度衰落的影響可以被平均，所以 大尺度衰落系數可以根據估計得到。 Μ
[0042] 所述的步驟2)中信道狀態(tài)信息G=[gi，g2^_gK];其中
$中讓= 1，2,…，K;gk表示用戶k到基站的信道向量;hk表示用戶k到基站的小尺度衰落系數，服從均 值為〇方差為1的圓對稱復高斯隨機分布;&表示用戶k到基站的大尺度衰落系數，包括幾何 衰落和陰影落，爲其中dk表示第k個用戶到基站的距離，γ為衰減指數，抑表示一個 對數正態(tài)隨機變量，即101〇g1Q(zk)服從零均值、標準差為〇shad?的高斯分布，在不同的場景 下，標準差〇shad?有著不同的取值范圍。
[0043] 3)用戶k根據獲得的大尺度衰落系數&計算近似信干噪比57力凡、并基于近似信干 噪比5/巧:1實施自適應調制，調整發(fā)射信號的調制方式或者發(fā)射功率，其中k=l，2,…，K;
[0044] 所述的步驟3)中近似信干噪比S/及見 ，其中pu表示用戶發(fā)射信號的功 率，Μ表示基站具有的天線數量，&表示用戶k到基站的大尺度衰落系數。
[0045] 近似信干噪比== /丨從爲由以下公式可得，由于每個用戶的瞬時SINR會受到 小尺度衰落系數和大尺度衰落系數的聯合影響，所以用戶k的SINRk可以表示為：
[0046]
'其中Η = [h，h2，…，hK] G CMXK。
[0047] 按照傳統(tǒng)的自適應調制編碼方法，用戶必須快速并且準確地獲得瞬時的SINR，來 捕獲衰落的變化。所以瞬時的SINR-旦發(fā)生改變，基站就要向用戶進行反饋，調整用戶發(fā)送 信號的調制方式。然而在大規(guī)模ΜΙΜΟ系統(tǒng)中，隨著天線個數Μ的增大，小尺度衰落迅速"硬 化"（即小尺度衰落的影響可以被平均）。因此根據大數定律可得：
[0048]
即得涵藤k-pJM%。
[0049] 由此可以看出，在大規(guī)模MBTO系統(tǒng)中，當基站采用ZF檢測時，用戶的近似信干噪比 僅和自己的大尺度衰落系數有關，與小尺度衰落系數無關。
[0050] 所述的步驟3)中實施自適應調制編碼是指:在期望的誤比特率的限制條件下，得 到不同調制方式下SINR的閾值^，所述的不同調制方式是指:BPSK、QPSK、8-PSK、16- QAM、32-QAM和64QAM。當用戶k的近似信干噪比落在區(qū)域內，則用 戶k可以采用;^對應的調制方式。
[0051] 4)基站接收到K個用戶的發(fā)射信號后，采用ZF接收機檢測。
[0052]為了使用戶之間的信道相互正交，消除用戶之間的干擾，基站采用ZF檢測。所述的 步驟4)中ZF接收機的檢測方法為:基站接收到K個用戶的發(fā)射信號后，根據估計的信道狀態(tài) 信息G，計算出ZF線性檢測矩陣W^GHGrV 1，然后處理接收到的發(fā)射信號。
[0053]圖3為基于ZF接收機的多用戶大規(guī)模ΜΜ0系統(tǒng)的自適應調制(LAM)，與傳統(tǒng)基于瞬 時SINR的自適應調制(FAM)，在基站天線個數M= 32和128情況下的平均頻譜效率進行比較， 可以得到隨著基站天線個數的增大，LAM的性能越接近于FAM。而且，隨著基站天線個數進一 步增大，LAM相對于FAM具有減少反饋信息和降低計算復雜度的優(yōu)勢。
【主權項】
1. 一種基于ZF接收機的多用戶大規(guī)模ΜΙΜΟ系統(tǒng)的自適應調制方法，其特征在于，包括 如下步驟： 1) Κ個用戶分別向基站發(fā)射導頻序列;所述的基站具有M根天線； 2) 基站根據接收的導頻信號Υ，估計每個用戶到基站的信道狀態(tài)信息G，并將大尺度衰 落系數β反饋給用戶； 3) 用戶k根據獲得的大尺度衰落系數&計算近似信干噪比SZV/?,.，并基于近似信干噪比 運?實施自適應調制，調整發(fā)射信號的調制方式或者發(fā)射功率，其中k=l，2,…，K; 4) 基站接收到K個用戶的發(fā)射信號后，采用ZF接收機檢測。2. 根據權利要求1所述的基于ZF接收機的多用戶大規(guī)模MMO系統(tǒng)的自適應調制方法， 其特征在于，所述的步驟2)中導頻信號Υ=6Φ，Φ是由K個長度為τ的導頻序列構成的矩陣。3. 根據權利要求2所述的基于ZF接收機的多用戶大規(guī)模MMO系統(tǒng)的自適應調制方法， 其特征在于，所述的步驟2)中信道狀態(tài)信息G= [gl，g2…gK]; 其中其中k=l，2,…，K;gk表示用戶k至Ij基站的信道向量;hk表示用 戶k到基站的小尺度衰落系數;&表示用戶k到基站的大尺度衰落系數，其中dk表 示第k個用戶到基站的距離，γ為衰減指數，Zk表示一個對數正態(tài)隨機變量。4. 根據權利要求1所述的基于ZF接收機的多用戶大規(guī)模MMO系統(tǒng)的自適應調制方法， 其特征在于，所述的步驟3)中近似信干噪比5/巧/& = ，其中pu表示用戶發(fā)射信號的 功率，M表示基站具有的天線數量，&表示用戶k到基站的大尺度衰落系數。5. 根據權利要求4所述的基于ZF接收機的多用戶大規(guī)模MMO系統(tǒng)的自適應調制方法， 其特征在于，所述的步驟3)中實施自適應調制編碼是指： 1) 在期望的誤比特率的限制條件下，得到不同調制方式下SINR的閾值2) 當用戶k的近似信干噪W 應的調制方式。6. 根據權利要求5所述的基于ZF接收機的多用戶大規(guī)模MMO系統(tǒng)的自適應調制方法， 其特征在于，所述的不同調制方式是指:BPSK、QPSK、8-PSK、16-QAM、32-QAM和64QAM。7. 根據權利要求1所述的基于ZF接收機的多用戶大規(guī)模MMO系統(tǒng)的自適應調制方法， 其特征在于，所述的步驟4)中ZF接收機的檢測方法為:基站接收到K個用戶的發(fā)射信號后， 根據估計的信道狀態(tài)信息G，計算出ZF線性檢測矩陣W=(G hG)-1Gh,然后處理接收到的發(fā)射 信號。
【文檔編號】H04L25/02GK105897318SQ201610205444
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月1日
【發(fā)明人】鐘財軍, 周月浩, 張朝陽
【申請人】浙江大學