北京邮电大学学报格式

文章编号：1007-5321（2005）04-0000-00一种自适应调制V-BLAST系统的功率受限分配算法宋扬1,常永宇1,张欣1,2,杨大成1(1.北京邮电大学电信工程学院,北京100876;2.东南大学移动通信国家重点实验室,南京210096)摘要:提出了一种自适应调制垂直－贝尔实验室分层空时结构（V-BLAST）系统的低复杂度比特、功率分配算法，满足总平均功率和单根发射天线峰值功率受限条件下使比特率最大化。该算法可以达到与比特递增分配算法相同的最优分配结果，而计算量大幅度降低。仿真结果表明，在满足目标误码率条件下单天线功率限制会使比特率降低。关键词:垂直－贝尔实验室分层空时结构;自适应调制;分配算法;功率受限中图分类号:TN911.22文献标识码:AALoadingAlgorithmwithPowerConstraintsinAdaptiveModulationforV-BLASTSystemsSONGYang1,CHANGYong-yu1,ZHANGXin1,2,YANGDa-cheng1(1.SchoolofTelecommunicationEngineering,BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,Beijing100876,China;2.StateKeyLaboratoryofMobileCommunications,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)Abstract:Abitloadingandpowerallocationalgorithmwithlowcomplexityinadaptivemodulationforvertical-Belllaboratorylayeredspace-timesystemswasproposedtoimplementtheratemaximization,satisfyingpeakpowerconstraintoneachantennaaswellastheaveragetotalpowerlimit.Theproposedalgorithmisofthesameoptimalallocationastheincrementalalgorithmwhilethecomputationcomplexitydeclinessignificantly.Thesimulationresultsshowthatthelimitationofper-antennapeakpowerwilldecreasethebitrateunderthetargetbiterrorrate.Keywords:vertical-Belllaboratorylayeredspace-time;adaptivemodulation;loadingalgorithm;powerconstraint多输入多输出(MIMO,multipleinputmultipleoutput)系统和链路自适应技术都已成为下一代移动通信系统的关键技术[1]，二者的结合能够进一步提高系统容量或性能[2]，通过变换处理可以将MIMO信道分成多个独立的子信道，从而分配比特和功率。自适应调制会导致垂直－贝尔实验室分层空时(V-BLAST,vertical-Belllaboratorylayeredspace-time)系统各发射天线功率放大器的动态范围非常大，因此除总平均功率受限外，单根发射天线的峰值瞬时功率也应当有所限制，否则，功率放大器将工作在非线性区而引起信号失真[3]。本文给出了一种自适应调制V-BLAST系统的低复杂度的比特、功率分配算法，实现满足单天线峰值瞬时发射功率和总平均功率均受限条件下比特率最大化问题[4,5]。最后给出仿真结果和分析。1自适应调制V-BLAST系统自适应调制V-BLAST系统如图1所示，共有M根发射天线、N(M)根接收天线。发射机根据信道状态信息(CSI,channelstateinformation)确定每根发射天线的调制方式和功率。接收信号为yHSxn(1)其中，12[,,,]TMxxxx为发送符号向量，每个符号具有单位平均功率；12[,,,]TNyyyy为接收信收稿日期:2005-01-01基金项目：作者简介:宋扬(1974—)，男，博士生，E-mail:[e-mail].作者简介:作者姓名(1970-),男,职称.E-mail:[e-mail]号向量；NMH为信道矩阵，其中元素nmh表示从第m根发射天线到第n根接收天线的信道衰落[6]，本文讨论在强散射环境下的非相关平坦瑞利衰落信道，此时H中的元素是独立同分布的复高斯随机变量，均值为0，方差为1；发送功率矩阵是对角阵12diag(,,,)MSSSS；12[,,,]TNnnnn为零均值的加性高斯白噪声(AWGN,additiveGaussianwhitenoise)，且2()HnNEnnI，2n为噪声功率。()T和()H分别表示矩阵的转置和共轭转置。接收机根据调制和发送功率信息自适应地检测每个符号。信道状态信息V-BLAST自适应调制比特、功率分配串/并V-BLAST自适应检测比特、功率分配信息自适应解调并/串…发送比特接收比特SNMH调制星座11Sx22SxMMSx1y2yNy1ˆx2ˆxˆMx………1R2RMRS图1自适应调制V-BLAST系统框图2比特、功率分配算法2.1问题描述功率受限的速率最大化问题可以描述为1maxMmmR(2)满足t1MmmSS，s()mmSSR，并且tmPP，{1,2,,}mM。其中，M为子信道即发射天线数目；mS、mR、mP分别为分配给第m个子信道的平均功率、每符号比特数和误码率(BER,biterrorrate)；tS为系统允许的最大总平均功率；sS为单根发射天线的峰值瞬时功率；()mR为与调制方式(mR)有关的峰均值比(PAR,peak-to-averageratio)；tP为目标误码率。定义22||mmnh为第m个子信道的瞬时信道噪声比(CNR,channel-to-noiseratio)[4]，||表示求模运算。若达到mRbit/symbol/s/Hz所需的信噪比(SNR,signal-to-noiseratio)为()mR，则()mmmRS。在AWGN信道下，各种调制的BER是()mR的函数[5]，因此，mS为mR、m和tP的函数。2.2算法步骤比特递增分配算法，如Hughes-Hartogs算法初始为所有子信道分配全零比特，每次为增加Rbits所需能量最小的子信道分配Rbits，直至达到设置的总功率或累积BER为止。然而，当子信道数目很大时，递增算法计算量非常大[5]，而且未考虑单天线功率限制。本文提出一种快速算法，它能够满足上述功率限制条件，有以下步骤。(1)初始分配.先假设所有子信道等功率分配tSM，根据m和tP计算满足s()mmSSR且使各子信道获得最大比特数的初始比特、功率分配(,)mmRS。可将计算出的在tP下各种调制方式所需CNR列成表格，以便查表比较。(2)比特交换.分别查找去掉Rbits减少能量最多的子信道和增加Rbits所需能量最少的子信道，加、减Rbits的功率差为()()mmmmRRRS(3a)()()mmmmRRRS(3b)设集合{1,2,,}MM，则有max,argmaxmmSSmSMM(4a)\{}\{}min,argminmmmmSSmSMM||(4b)式中S、m分别为加(减)Rbits所需的最小(最大)能量以及对应的子信道号；\{}mM表示从集合M中去掉元素m。如果SS，且符合单天线峰值功率条件s()mmSSSRR时交换比特，即在(,)mmRS上减掉(,)RS，并在(,)mmRS上增加(,)RS；否则，\{}mMM，再依式(4b)查找新的(,)Sm。注意到，经过此步，系统的总功率只会降低。(3)重复步骤(2)直到不能再交换比特。(4)递增分配.在集合{1,2,,}MM中查找增加Rbits所需能量最小的子信道为min,argminmmSSmSMM(5)若s()mmSSSRR且t1MmmSSS，则在(,)mmRS上增加(,)RS；否则\{}mMM。(5)重复步骤(4)直到不能再分配比特。2.3算法分析与Hughes-Hartogs算法全零比特的初始分配不同，本算法初始时已经有了相当数目的比特分配，从而节省了以后逐比特分配的迭代次数。然而，初始分配所需的总功率未必是最少的。比特交换的作用便是进一步优化初始分配，在初始分配基础上得到总功率最小的分配。最后，为达到系统所能容纳的最大比特数，按照递增算法使分配比特数量达到最大。本算法可以得到与递增算法完全相同的结果，在满足目标BER的前提下既获得最大比特率，又使总功率最小且满足功率条件。假设系统在某时刻能达到的最大比特数为Rbits，传统的比特递增分配算法需要迭代RR次；若本算法初始已经分配0Rbits，除比特交换外，还要进行0()RRR次迭代。可见，初始分配越接近于最优功率分配，比特交换次数越少；初始分配越接近于系统能达到的总比特数，递增迭代次数越少。3检测方法文献[7]给出了针对各天线不等发射功率情况下的一种改进V-BLAST检测算法。对于迫零(ZF,zeroforcing)检测，迫零向量可以写作iiikkkSww,(6)其中ikw是MSI时第i级检测的迫零向量。第{1,2,,}ikM个符号的检测后SNR可以写为22221||||||||iiiikknknkSww(7)其中1||||ikw可以被认为是子信道ik的等效增益[2]。分配功率便可参考子信道ik的等效CNR，即21(||||)iiknkw。为了提高自适应调制系统的比特率，传统的V-BLAST迫零算法的“正序”检测顺序变为“逆序”[2]，即121{,,}argmax||{([])}||iiijkjkkkH(8)其中，()表示矩阵的Moore-Penrose伪逆，{}j是矩阵的第j行，[]ik为将矩阵的1,,ikk列置零所得到的矩阵。4仿真结果在仿真中，假设发射机、接收机均确知信道状态信息。若无说明，4MN。最大总平均功率t4S，单天线峰值功率sS分别为16QAM与64QAM的PAR值1.8、2.33以及无限制。tP为310，使用系统的CNR，即等功率分配时的接收SNR作为比较的参考。M-QAM星座集合为：{0,4,16,64}，即2Rbits，至多6bit/symbol/s/Hz。图2(a)画出了分别在3个sS下的比特、功率分配算法计算复杂度的仿真统计。“IIt”表示传统递增算法的平均迭代次数，“FEx”、“FIt”表示本文的快速算法的平均比特交换次数和递增迭代次数。图2(b)则给出了s2.33S时不同天线数目使用快速算法在信噪比10dB、20dB、25dB复杂度的统计，次数为0则无法在对数坐标系上显示。可以看到，快速算法的交换次数接近0，说明初始分配接近于最佳功率分配，比较合理；并且快速算法特别时在高CNR下非常有效，迭代次数显著降低。BER-CNR曲线示于图3，BER均低于310。图4所示为平均比特率，同时也画出了使用注水算法分配功率的V-BLAST系统遍历信道容量加以比较。由图可见，较低的sS限制，比特率降低更多。如图5所示，总平均功率明显受到sS的影响：sS越低，系统的总平均功率越低；此外，信道条件很差时，系统发射的功率、比特数较少；随着CNR的增加，总功率再次降低，这是因为仿真使用的调制阶数较