專利名稱：一種多輸入多輸出空間復(fù)用預(yù)編碼矩陣的選擇方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信中的多天線技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及使用多輸入多輸出MIMO(Multiple Input Multiple output)的無線通信系統(tǒng)中預(yù)編碼的空間復(fù)用技術(shù)。

背景技術(shù)：
無線通信領(lǐng)域中MIMO技術(shù)的一個突出特點(diǎn)就是能極大地提高系統(tǒng)的頻譜效率(或系統(tǒng)容量)和無線鏈路的可靠性。基于信息論可以推導(dǎo)出，如果各發(fā)射天線總的發(fā)射功率都相同(即假設(shè)發(fā)射端對信道矩陣沒有先驗(yàn)知識)，MIMO通信系統(tǒng)的容量隨min{Mt，Mr}線性增長，其中Mt、Nr分別為發(fā)射和接收天線數(shù)。同時，一些學(xué)者提出，如果發(fā)射端完全已知或部分已知信道矩陣，且充分利用已知的信道矩陣信息來調(diào)整MIMO通信系統(tǒng)各發(fā)射天線的功率，則能進(jìn)一步提高M(jìn)IMO通信系統(tǒng)的容量。因此，為了使MIMO通信系統(tǒng)的容量盡可能大，很多專利提出了閉環(huán)預(yù)編碼的MIMO系統(tǒng)，即MIMO通信系統(tǒng)的接收機(jī)將估計的全部或部分信道信息反饋給發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)利用接收到的信道信息對發(fā)射信號進(jìn)行預(yù)編碼。
在多輸入多輸出(MIMO)的無線通信系統(tǒng)中，空間復(fù)用(spatial multiplexing)通過將輸入數(shù)據(jù)分成幾路獨(dú)立的并行子序列來同時傳送，從而獲得了較高的頻率利用效率，然而由于多路傳輸技術(shù)在空域上沒有冗余，而易受MIMO信道矩陣秩不足的影響。預(yù)編碼技術(shù)首先將發(fā)送序列分成M個并行子序列，再與預(yù)編碼矩陣相乘后分配到不同的發(fā)射天線，從而可以有效地抑制MIMO信道矩陣的秩不足對系統(tǒng)性能的影響。
對預(yù)編碼的研究，大都基于發(fā)射端完全已知信道狀態(tài)信息這一假設(shè)條件，然而在很多MIMO系統(tǒng)中，上、下行信道不具有互易性，如FDD系統(tǒng)中，此時發(fā)射端只能通過反饋信道來獲取信道的狀態(tài)信息，然而由于有限的頻譜資源，在信道的相干時間內(nèi)反饋信道僅僅可以提供有限的反饋比特數(shù)。這種情況 下如何利用有限的反饋比特數(shù)來提高通信性能，是一個實(shí)用而富有挑戰(zhàn)性的研究課題。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種多輸入多輸出空間復(fù)用預(yù)編碼矩陣的選擇方法，以利用有限的反饋比特數(shù)來提高通信性能。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種多輸入多輸出空間復(fù)用預(yù)編碼矩陣的選擇方法，包括如下步驟 (1)預(yù)先定義一組發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都已知的預(yù)編碼碼本； (2)將所述預(yù)編碼碼本存儲在所述發(fā)射機(jī)和所述接收機(jī)中； (3)所述接收機(jī)根據(jù)估計得到的當(dāng)前信道信息，從所述預(yù)定義的預(yù)編碼碼本中選擇一個預(yù)編碼矩陣。
所述方法進(jìn)一步包括 (4)所述接收機(jī)在信道的相干時間，將該選擇的所述預(yù)編碼矩陣的索引通過反饋信道反饋到所述發(fā)射機(jī)； (5)所述發(fā)射機(jī)根據(jù)接收到的所述預(yù)編碼矩陣的索引，確定當(dāng)前選擇的預(yù)編碼矩陣。
其中，步驟(1)所述預(yù)編碼碼本，是以子空間的投影的二范數(shù)最小距離最大化的原則而被預(yù)先定義，或者是以子空間的Fubini-Study最小距離最大化的原則預(yù)定義，或者是以子空間的弦最小距離最大化的原則預(yù)定義。
其中，所述步驟(3)中，所述接收機(jī)根據(jù)導(dǎo)頻估計得到所述當(dāng)前信道信息。
其中，所述步驟(3)中，所述當(dāng)前信道信息包括當(dāng)前信道的信道狀態(tài)信息。
其中，所述步驟(3)中，所述當(dāng)前信道信息包括當(dāng)前信道的信噪比信息。
其中，所述步驟(3)中，所述從預(yù)定義的預(yù)編碼碼本中選擇一個預(yù)編碼矩陣的步驟，是按照均方誤差矩陣的跡最小化或容量最大化或均方誤差矩陣的行列式最小化的原則選擇的。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的多輸入多輸出空間復(fù)用預(yù)編碼矩陣的選擇方法，在無線通信系統(tǒng)中，僅利用有限的反饋比特數(shù)提高了通信性能。



圖1是本發(fā)明實(shí)施例流程圖； 圖2為基于本發(fā)明的空間復(fù)用的預(yù)編碼方法實(shí)施例流程圖； 圖3是非編碼系統(tǒng)中使用預(yù)編碼的空間復(fù)用的鏈路性能的仿真結(jié)果。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明意欲提供一種多輸入多輸出空間復(fù)用預(yù)編碼矩陣的選擇方法，用在無線通訊系統(tǒng)中使用閉環(huán)MIMO的預(yù)編碼的方法中，利用有限的反饋比特數(shù)提高通信性能，主要包括如下步驟 (101)以子空間的投影的二范數(shù)最小距離最大化的原則，預(yù)先定義一組發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都已知的預(yù)編碼碼本； (102)將預(yù)編碼碼本存儲在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中； (103)接收機(jī)根據(jù)導(dǎo)頻估計得到當(dāng)前的信道信息，包括當(dāng)前信道的信道狀態(tài)信息和信噪比信息，按照均方誤差矩陣的跡最小化或容量最大化或均方誤差矩陣的行列式最小化的原則，從預(yù)定義的預(yù)編碼碼本中選擇一個預(yù)編碼矩陣。
上述方法進(jìn)一步包括 (104)接收機(jī)在信道的相干時間，將該選擇的預(yù)編碼矩陣的索引通過反饋信道反饋到發(fā)射機(jī)； (105)發(fā)射機(jī)根據(jù)接收到的預(yù)編碼矩陣的索引，確定當(dāng)前選擇的預(yù)編碼矩陣。
上述步驟(101)中，還可以根據(jù)子空間的Fubini-Study最小距離最大化或子空間的弦最小距離最大化的原則，預(yù)定義所述發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都已知的預(yù)編碼碼本。
在發(fā)射端，比特流經(jīng)過編碼、調(diào)制以后，然后被解復(fù)用(或者稱為串/并變換)成M路調(diào)制符號流；一個可替代的方案是比特流先被解復(fù)用(或者稱為串/并變換)成M路比特流，然后每一路經(jīng)過編碼、調(diào)制以后成為M路調(diào)制符號流。這樣在時刻k，產(chǎn)生了符號向量Sk＝[Sk，1 Sk，2...Sk，M]T。此符號向量Sk然后乘以一個MtX M預(yù)編碼矩陣F(此預(yù)編碼矩陣的選擇以后會加以描述)產(chǎn)生長度為Mt的向量這里Es是總的發(fā)射功率。如果使用了OFDM調(diào)制，那么每路符號流再進(jìn)行相應(yīng)的OFDM的操作，再通過多根天線發(fā)射出去；如果沒有使用OFDM，則直接通過多根天線發(fā)射出去。
在接收端，接收的基帶等效信號為 這里H是信道矩陣，Vk是噪聲向量。
在接收端使用MMSE(minimum mean-square error)接收機(jī)進(jìn)行譯碼。在此，以線性MMSE接收機(jī)為例 在接收機(jī)端按如下形式進(jìn)行譯碼 這里的信道矩陣H和

可以通過導(dǎo)頻在接收端通過信道估計算法和信噪比估計算法獲得。
接收機(jī)雖然以線性MMSE為例進(jìn)行說明，但是不局限于線性MMSE，對于其他類型的MMSE接收機(jī)同樣適用，例如迭代MMSE接收機(jī)。
在接收端，本發(fā)明按照如下的原則在預(yù)編碼碼本中選擇預(yù)編碼矩陣(即碼字) 其中 trace表示矩陣的跡(即對角元素之和)。
對于使用OFDM的無線通訊系統(tǒng)， 其中Hj表示第j個子載波的信道系數(shù)矩陣。
對發(fā)射機(jī)、接收機(jī)都預(yù)先已知的預(yù)編碼碼本按照如下原則設(shè)計選擇使得任意一對碼字矩陣(預(yù)編碼矩陣)的列空間的投影二范數(shù)中最小值最大的碼本。即預(yù)編碼碼本F的設(shè)計應(yīng)該最大化這里dp2(Fi，F(xiàn)j)表示Fi和Fj所張的子空間的投影二范數(shù)，定義如下 按照此原則設(shè)計，對于4根發(fā)射天線2根接收天線4比特反饋的閉環(huán)的空間復(fù)用系統(tǒng)最優(yōu)的碼本如下 表14根發(fā)射天線2根接收天線4比特反饋的碼本 表1所示的預(yù)編碼碼本有如下特點(diǎn)此預(yù)編碼碼本是酉碼本，其中的任意一個預(yù)編碼矩陣的列向量是相互正交的，其中列向量是相互正交滿足如下條件 FgHFg＝IM，g＝1，...，G，G＝2B； B是反饋的比特數(shù)。
接收機(jī)按照(均方誤差矩陣的跡最小化)的原則(這里，也可以是容量最大化原則或均方誤差矩陣的行列式最小化原則)從預(yù)定義的碼本中選擇一個預(yù)編碼矩陣，并且通過反饋信道在信道的相干時間內(nèi)將此預(yù)編碼矩陣的索引反饋到發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)根據(jù)此預(yù)編碼矩陣的索引來獲得預(yù)編碼矩陣(預(yù)編碼碼本預(yù)先存儲在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中)，然后根據(jù)此預(yù)編碼矩陣對發(fā)射信號向量進(jìn)行預(yù)編碼操作，從而形成一個閉環(huán)的預(yù)編碼的空間復(fù)用的過程。
如圖2所示，為基于本發(fā)明的空間復(fù)用的預(yù)編碼方法實(shí)施例流程圖。包括如下步驟 按子空間的投影的二范數(shù)最小距離最大化的原則定義一個優(yōu)化的預(yù)編碼的碼本(步驟201)； 發(fā)射機(jī)對符號流進(jìn)行空時編碼(步驟202)； 發(fā)射機(jī)根據(jù)預(yù)編碼矩陣索引選擇相應(yīng)的預(yù)編碼矩陣，并且進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)編碼操作(步驟203)； 接收機(jī)按照均方誤差矩陣的跡最小化的原則從預(yù)編碼的碼本中選擇一個最佳的預(yù)編碼矩陣(步驟204)； 接收機(jī)通過反饋信道在信道的相干時間內(nèi)將此預(yù)編碼矩陣的索引反饋到發(fā)射機(jī)(步驟205)。
如圖3所示，為非編碼系統(tǒng)中使用預(yù)編碼的空間復(fù)用的鏈路性能的仿真結(jié)果，其仿真條件如下 帶寬5MHz； 頻點(diǎn)2GHz； OFDM相關(guān)參數(shù) 子載波間隔9.6KHz； FFT點(diǎn)數(shù)512； 有用子載波個數(shù)480； 保護(hù)子載波個數(shù)32； 天線配置4根發(fā)射天線，2根接收天線； 信道模型簡化的SCM信道模型； 接收機(jī)線性MMSE接收機(jī)； 信道估計理想信道估計。
圖3中所示的文獻(xiàn)[1]為3GPP2 TSG-C WG3 ContributionC30-20060731-039R2，”Fourier-based MIMO Precoders”； 所示的文獻(xiàn)[2]為3GPP2 TSG-C WG3 Contribution C30-20060911-072，”MIMO Design for LBC-FDD”。
權(quán)利要求
1.一種多輸入多輸出空間復(fù)用預(yù)編碼矩陣的選擇方法，用以提高無線通信系統(tǒng)的通信性能，其特征在于，包括如下步驟
(1)預(yù)先定義一組發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都已知的預(yù)編碼碼本；
(2)將所述預(yù)編碼碼本存儲在所述發(fā)射機(jī)和所述接收機(jī)中；
(3)所述接收機(jī)根據(jù)估計得到的當(dāng)前信道信息，從所述預(yù)定義的預(yù)編碼碼本中選擇一個預(yù)編碼矩陣。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括
(4)所述接收機(jī)在信道的相干時間，將該選擇的所述預(yù)編碼矩陣的索引通過反饋信道反饋到所述發(fā)射機(jī)；
(5)所述發(fā)射機(jī)根據(jù)接收到的所述預(yù)編碼矩陣的索引，確定當(dāng)前選擇的預(yù)編碼矩陣。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(1)所述預(yù)編碼碼本，是以子空間的投影的二范數(shù)最小距離最大化的原則而被預(yù)先定義，或者是以子空間的Fubini-Study最小距離最大化的原則預(yù)定義，或者是以子空間的弦最小距離最大化的原則預(yù)定義。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(3)中，所述接收機(jī)根據(jù)導(dǎo)頻估計得到所述當(dāng)前信道信息。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(3)中，所述當(dāng)前信道信息包括當(dāng)前信道的信道狀態(tài)信息。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(3)中，所述當(dāng)前信道信息包括當(dāng)前信道的信噪比信息。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(3)中，所述從預(yù)定義的預(yù)編碼碼本中選擇一個預(yù)編碼矩陣的步驟，是按照均方誤差矩陣的跡最小化或容量最大化或均方誤差矩陣的行列式最小化的原則選擇的。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在4根發(fā)射天線2根接收天線4個反饋比特的情況下，所述發(fā)射機(jī)和所述接收機(jī)預(yù)定義預(yù)編碼碼本是酉碼本，其中的任意一個預(yù)編碼矩陣的列向量是相互正交的。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在4根發(fā)射天線2根接收天線4個反饋比特的情況下，所述預(yù)編碼矩陣是
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多輸入多輸出空間復(fù)用預(yù)編碼矩陣的選擇方法，主要包括步驟首先，預(yù)先定義一組發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都已知的預(yù)編碼碼本；將所述預(yù)編碼碼本存儲在所述發(fā)射機(jī)和所述接收機(jī)中；所述接收機(jī)根據(jù)估計得到的當(dāng)前信道信息，從所述預(yù)定義的預(yù)編碼碼本中選擇一個預(yù)編碼矩陣。在此基礎(chǔ)上，所述接收機(jī)在信道的相干時間，將該選擇的所述預(yù)編碼矩陣的索引通過反饋信道反饋到所述發(fā)射機(jī)；所述發(fā)射機(jī)根據(jù)接收到的所述預(yù)編碼矩陣的索引，確定當(dāng)前選擇的預(yù)編碼矩陣。本發(fā)明利用有限的反饋比特數(shù)提高了通信性能。
文檔編號H04L27/26GK101146078SQ200610156109
公開日2008年3月19日 申請日期2006年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月27日
發(fā)明者暉 沈, 雨 辛, 朱曉光 申請人:中興通訊股份有限公司