CN100553184C - 一种信号预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信号预编码方法，其特征在于，该方法包括：将各个发射天线上的信号进行延迟；对各个延迟信号进行相位加权。应用上述预编码过程处理后的信号到达接收端后，对其进行原始信号的检测时，需要消除加权的相位和延迟的时间，等效于对信道矩阵进行了改造。这样，在后续的检测过程中，对于依照原本的信道矩阵会出现奇异的求逆矩阵，这时将不再奇异，因此大大提高系统的信号检测性能。

Description

一种信号预编码方法

技术领域

本发明涉及移动通信系统的信号发送技术，特别涉及一种信号预编码方法。

背景技术

在移动通信系统中，发送端发送各种信号，该信号经过无线信道到达接收端后，可能发生了某种变化，接收端利用一定的算法将接收到的信号恢复为发送信号的过程，称为信号检测。

假定接收端接收到的信号为Y＝Hd+n    (1)

其中，A为信道矩阵，表示发送信号在传输过程中经过的信道特性，d为发送信号，表示发送端的实际信息，n为信道噪声。接收端进行信号检测时，通常采用的方式为：首先求得加权因子W，再根据Y＝Wd估计发送信号。

不同的信号检测算法，其加权因子W的求解方法各不相同。迫零(ZF)算法和最小均方差线性块均衡(MMSE)算法均是常用的信号检测方法，尤其在多入多出(MIMO)系统中，如TD-SCDMA，ZF和MMSE得到了广泛的应用。

如果利用ZF算法对上述(1)式表示的接收信号进行检测，则检测过程中所需的加权因子为

$W_{\mathrm{ZF}}={\left(H^H{R}_n^{-1}H\right)}^{-1}{H}^H{R}_n^{-1}---\left(2\right)$

如果利用MMSE算法对上述(1)式表示的接收信号进行检测，则检测过程中所需的加权因子为

$W_{\mathrm{MMSE}}={(H^H{R}_n^{-1}H+R_d^{-1})}^{-1}{H}^H{R}_n^{-1}---\left(3\right)$

由(2)式和(3)可以看出，ZF和MMSE算法在求解加权因子时，都涉及到矩阵的求逆过程。为了研究的方便，这里假设噪声n是高斯白噪声，其协方差矩阵为单位阵，即

R_n＝I

以ZF算法中加权因子的求解方法为例，其加权因子可以简化为

W_ZF＝(H^HH)^-1H^H    (4)

在某些情况下，(4)式中矩阵H^HH的求逆可能发生奇异。

下面举1个具体的例子进行说明。图1为两发两收的MIMO系统。在该系统中，假设天线1、2在单位时间T内的发送信号为d1，d2，在接收端以N倍的速率进行采样，则接收信号为

$\left[\begin{array}{c}{y}_{11}\\ y_{12}\\ .\\ .\\ .\\ y_{1N}\\ y_{21}\\ y_{22}\\ .\\ .\\ .\\ y_{2N}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{h}_{11}& h_{21}\\ h_{11}& h_{21}\\ .& .\\ .& .\\ .& .\\ h_{11}& h_{21}\\ h_{12}& h_{22}\\ h_{12}& h_{22}\\ .& .\\ .& .\\ .& .\\ h_{12}& h_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}d1\\ d2\end{array}\right]+n---\left(6\right)$

式(6)可以简化为

Y＝Hd+n    (7)

为了说明的方便，这里假设h₁₁，h₁₂，h₂₁，h₂₂都是1，下面如没特别说明，此假设成立，很显然H^HH，是一个奇异矩阵，无法进行求解，则无法求得加权因子，进而无法正确估计发送信号d，这样就将严重的降低系统的性能。在MIMO系统中，当信道为高斯信道或信道各支路间相关性较强时，矩阵H^HH发生奇异的可能性较大，严重的情况下，会导致MIMO系统无法正常检测信号。

事实上，对于其它的信号检测算法，在进行信号检测的过程中，也可能涉及到某矩阵的求逆过程，如果该矩阵发生奇异，都会出现信号检测性能下降的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种信号预编码方法，提高MIMO系统在高斯信道或相关性较强的信道环境下的信号检测性能。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种信号预编码方法，其特征在于，该方法包括：

a、对各个发射天线上的信号进行延迟；

b、对各个延迟信号进行随机相位加权，其中，用于加权的随机相位为：

α_l，l＝1，2，...，L和β_m，m＝1，2，...，M是随机变化的相位加权值，W为DFT变换中的基频分量，且有 $W=e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{L}},$ L为可以处理的最大时延数，M为发射天线的数目。

较佳地，其特征在于，所述进行延迟为：对每个发射天线上的信号独立的延迟一个或多个抽样时间。

较佳地，在步骤a中，可以根据信道窗长，确定对各个发射天线上信号延迟的时间。

较佳地，所述确定对各个发射天线上信号延迟的时间可以为：

对所有发射天线上的信号，延迟相同的时间，且所述相同的时间小于或等于信道窗长；或者，

对不同发射天线上的信号，延迟不同的时间，且延迟的最长时间小于或等于信道窗长。

由上述技术方案可以看出，本发明中，对于各个发射天线上的信号，首先进行延迟，然后对各个延迟信号进行相位加权，经过上述处理后再进行发送。应用上述预编码过程处理后的信号到达接收端后，对其进行原始信号的检测时，需要消除加权的相位和延迟的时间，等效于对信道矩阵进行了改造。这样，在后续的检测过程中，对于依照原本的信道矩阵会出现奇异的求逆矩阵，这时将不再奇异，因此大大提高系统的信号检测性能。尤其使MIMO系统在高斯信道或相关性较强的信道下，大大降低了信号检测过程中出现求逆矩阵发生奇异的机率，改善了MIMO系统的工作性能。

附图说明

图1为两发两收MIMO系统的结构示意图。

图2为本发明一种信号预编码方法的总体流程图。

图3为本发明实施例的一种信号预编码方法的具体流程图。

图4为本发明与现有技术的信号检测仿真比较图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术手段和优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明做进一步详细说明。

本发明的基本思想是：对于各个发射天线上的信号，首先延迟一定的时间，然后对各个延迟信号的相位进行加权，经过上述处理后再进行发送。

图2为本发明一种信号预编码方法的总体流程图。如图2所示，该方法包括：

步骤201，将各个发射天线上的信号进行延迟。

步骤202，对各个延迟信号进行相位加权。

应用上述方法将发送信号d进行信号预编码，得到在发射天线上发送的信号 $\tilde{d}=\mathrm{Td},$ 这样在接收端，接收信号就可写成 $Y=\mathrm{HTd}+n=\tilde{H}d+n,$ 如能适当的选取预编码矩阵T，将使矩阵

发生奇异的可能性极小。这种方式也等效于将信道矩阵进行了改造，改造后的等效信道矩阵可以表示为：

$\tilde{H}=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{H}_l\mathrm{diag}\left({\mathrm{\θ}}_l\right)---\left(8\right)$

其中，L为可以处理的最大时延数，H_l为第l径所对应的信道矩阵，θ_l为随机相位矢量，diag(·)表示对角矩阵。

上式中，α_l，l＝1，2，...，L和β_m，m＝1，2，...，M是随机变化的相位加权值，W为DFT变换中的基频分量，且有 $W=e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{L}}.$ 通过上述方式也即得到了预编码矩阵T。

当然也可使用别的方法来求得随机相位，此方法不唯一，其目的是使等效信道矩阵尽量满足 ${\tilde{H}}^H\tilde{H}=I$ 的条件。

在上述步骤202中，对延迟信号进行相位加权时，可以采用两种方式：

一、对于有反馈链路的信道，在已知特定信道特性的情况下，可以根据信道特性，计算对应的延迟信号加权时利用的相位，从而得到预编码矩阵T。

二、在未知特定信道特性的情况下，可以直接将延迟信号加权时利用的相位随机化，从而得到预编码矩阵T。

下面以图1所示的MIMO系统为例，结合本发明的具体实施例，说明在上述两种相位加权情况下，本发明的信号预编码方法的具体实施方式。

实施例：

本实施例中，假定图1所示的MIMO系统进一步为TD-SCDMA系统，其上行和下行业务信道是对称的，因此可以获取信道矩阵。

本实施例继续采用式(6)所示的接收信号模型，并且将其简化为

$\left[\begin{array}{c}{y}_{11}\\ y_{12}\\ y_{21}\\ y_{22}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{h}_{11}& h_{21}\\ h_{11}& h_{21}\\ h_{12}& h_{22}\\ h_{12}& h_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}d1\\ d2\end{array}\right]+n---\left(10\right)$

对(10)式中的发送信号d1，d2进行预编码，从而提高系统的信号检测性能。

图3为本发明实施例的一种信号预编码方法的具体流程图。如图3所示，该方法包括：

步骤301，将各个发射天线上的信号进行延迟。

通常，信号进行延迟发送时，延迟的时间均以抽样时间为单位，延迟一个或多个抽样时间。对于不同的发射天线上的信号，可以延迟相同的时间发送，或者各自延迟不同的时间发送。

延迟时间的确定可以以信道窗长为依据，延迟的时间最好不要超过信道窗长，以免发生信号间干扰。具体地，当所有发射天线上的信号延迟相同的时间发送时，延迟的时间小于或等于信道窗长；当不同发射天线上的信号延迟不同的时间发送时，延迟的最长时间小于或等于信道窗长。

步骤302，对信道特性进行估计。

本实施例中，由于系统是TD-SCDMA，上下行的业务信道互相对称，信道特性可以认为是相同的。发送端可以根据接收端发来的训练序列估计出接收端到发送端的信道特性，将估计出的该信道特性作为发送端到接收端的信道特性，形成信道矩阵H。

步骤303，根据步骤302得到的信道矩阵，确定用于加权的相位。

为了简便，只考虑一个接收天线，这样对于式(10)的接收信号，若发送信号经加权后发送，则接收信号可以写成

$\left[\begin{array}{c}{y}_{11}\\ y_{12}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{e}^{j{\mathrm{\θ}}_1}{h}_{11}& e^{j{\mathrm{\θ}}_2}{h}_{21}\\ e^{j{\mathrm{\θ}}_3}{h}_{11}& e^{j{\mathrm{\θ}}_4}{h}_{21}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}d1\\ d2\end{array}\right]+n=\left[\begin{array}{cc}{e}^{j{\mathrm{\θ}}_1}& e^{j{\mathrm{\θ}}_2}\\ e^{j{\mathrm{\θ}}_3}& e^{j{\mathrm{\θ}}_4}\end{array}\right]\·H\left[\begin{array}{c}d1\\ d2\end{array}\right]+n=\tilde{H}d+n---\left(11\right)$

其中，θ_i为加权的相位， $\tilde{H}=\left[\begin{array}{cc}{e}^{{\mathrm{j\θ}}_1}& e^{{\mathrm{j\θ}}_2}\\ e^{{\mathrm{j\θ}}_3}& e^{{\mathrm{j\θ}}_4}\end{array}\right]\·H.$ 由于为单位矩阵时系统的性能最佳，且不会发生奇异，因此在确定加权的相位θ_i时，优选的方式为：根据步骤302得到的信道矩阵H，计算当等效矩阵

满足 ${\tilde{H}}^H\tilde{H}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]$ 时，加权相位θ_i的值。

步骤304，利用步骤303中确定的加权的相位θ_i对延迟信号进行加权。

至此，本实施例中的信号预编码方法流程结束。应用上述方法处理后的发送信号，在到达接收端后，其等效的信道矩阵满足条件：

为单位矩阵。这样，在利用ZF、MMSE算法计算加权因子时，求逆矩阵发生奇异的可能性就很小了，可以大大提高系统的信号检测性能。

尤其对于相关性很强的信道，就信道本身而言，信道矩阵满足H^HH发生奇异的可能性较大。在此类系统中应用本发明的方法，能够显著改善系统的信号检测性能，使系统正常工作。对于多径信道，上述方法也能很好地发挥作用。

在上述实施例中，步骤301对信号进行延迟的操作和步骤302对信道特性进行估计的操作是顺序执行的。在实际系统中，步骤301和302可以同时执行或以任意顺序执行。

上述实施例中，对延迟信号进行的相位加权，是根据已知的信道特性进行的。在某些未知信道特性的条件下，从统计意义上讲，将加权的相位随机化，也可以使得等效矩阵满足为单位矩阵的条件。这时，在对延迟信号进行相位加权时，可以不需要执行步骤302和303，直接执行步骤304，对延迟信号进行随机相位加权，具体计算θ_i时可以采用前述的式(8)和(9)所示的方式。

下面通过与现有技术的仿真对比说明本发明实施例中信号预编码方法对系统检测性能的改善效果。

在一个两根发射天线、八根接收天线的MIMO系统中，分别利用本发明和现有技术的方法进行信号发送，再利用相同的MMSE算法对接收信号进行检测。图4为两种情况下信号检测后信噪比与误块率的关系图。

其中，曲线401对应的是现有技术的发送信号，该信号自形成后未经过处理直接在各个发射天线上进行发送；曲线402对应的是本发明的发送信号，该信号是经过图3所示的方法进行信号预编码后在各个发射天线上发送的，并且，相位加权采用的是随机加权的方式。

由图4可以看出，按照现有技术的方法发送信号后，系统在进行信号检测时，无法正确检测出信号，而应用本发明的方法对信号进行预编码后，系统在进行信号检测时，可以正常工作，对信号进行检测，并且随信噪比的提高，性能提高越大。

由上述实施例以及仿真结果可以看出，本发明中，对于各个发射天线上的信号，首先延迟一定的时间，然后对各个延迟信号的相位进行加权，经过上述处理后再进行发送。应用上述预编码过程处理后的信号到达接收端后，对其进行原始信号的检测时，需要消除加权的相位和延迟的时间，等效于对信道矩阵进行了改造。这样，在后续的检测过程中，对于依照原本的信道矩阵会出现奇异的求逆矩阵，这时将不再奇异，因此大大提高系统的信号检测性能。尤其使MIMO系统在高斯信道或相关性较强的信道下，大大降低了信号检测过程中出现求逆矩阵发生奇异的机率，改善了MIMO系统的工作性能。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1、一种信号预编码方法，其特征在于，该方法包括：

a、对各个发射天线上的信号进行延迟；

b、对各个延迟信号进行随机相位加权，其中，用于加权的随机相位为：

α_l，l＝1，2，..，L和β_m，m＝1，2，..，M是随机变化的相位加权值，W为DFT变换中的基频分量，且有 $W=e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{L}},$ L为可以处理的最大时延数，M为发射天线的数目。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进行延迟为：

对每个发射天线上的信号独立的延迟一个或多个抽样时间。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤a中，根据信道窗长，确定对各个发射天线上信号延迟的时间。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述确定对各个发射天线上信号延迟的时间为：

对所有发射天线上的信号，延迟相同的时间，且所述相同的时间小于或等于信道窗长；或者，

对不同发射天线上的信号，延迟不同的时间，且延迟的最长时间小于或等于信道窗长。

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