CN101166047B - 利用信道几何均值分解的多天线通信系统的发送装置、接收装置、发送方法及接收方法 - Google Patents

Abstract

一种利用信道几何均值分解的多天线通信系统的发送装置、接收装置、发送方法及接收方法，在所述接收装置中通过对信道进行分析以获得信道矩阵，并对信道矩阵进行几何均值分解及量化处理以得到信道特征信息，再将信道特征信息反馈回发送装置使其进行相应预编码处理，同时接收装置根据信道特征信息对信道矩阵进行修正及分解以得到均衡矩阵，再根据所述均衡矩阵对接收信号进行均衡处理以实现通信的正常进行，从而可解决因接收端反馈回发射端的信道特征信息存在量化误差而导致所述通信系统难以正常工作的问题，并提出了一种增加通信系统吞吐量的子信道的选择方法，采用本发明可有效降低通信系统的复杂度，使其便于在实际中推行。

Description

利用信道几何均值分解的多天线通信系统的发送装置、接收装置、发送方法及接收方法

技术领域

本发明涉及一种利用信道几何均值分解的多天线通信系统的发送装置、接收装置、发送方法及接收方法。

背景技术

近年来，在发射端和接收端同时使用多天线(MIMO)的通信系统受到了人们极大地重视，因为相对于传统的单天线通信系统而言，多天线通信系统能极大地提高数据传输率及性能，大量的研究表明，多天线系统的性能和容量取决于发射端的信道状态信息(CSIT)和接收端的信道状态信息(CSIR)，即使仅利用部分CSIT，也能极大地提高系统的性能和容量，因此，对于发射端采用无需信道状态信息(channel state information，CSI)的开环多天线技术，当其信道条件变差(如天线间具有衰落相关)时，其通信系统的性能将变差，为此，现已提出众多有效利用信道状态信息的技术，其包括利用预编码的闭环空分复用系统、闭环空时编码系统及联合最优收发技术。在一些现有文献中也已证明了预编码技术能使发射信号与当前信道条件相适应，可有效地提高空分复用系统对各种信道条件的鲁棒性及空-时编码系统的阵列增益。签于闭环多天线技术具有能提高通信系统性能和容量的优点，目前闭环多天线技术已开始运用于实际通信系统中，如在第三代合作伙伴计划(3GPP)宽带码分多址(WCDMA)中在基站发射端利用信道状态信息进行特征波束形成；在3GPP LTE的TR 25.814中也充分地讨论了用于增强通信链路质量和提高数据率的多天线技术；在3GPP的一些提案中，研究了不同信道条件下不同发射模式(空分复用、空间分集及波束形成)之间的切换以使系统的性能达到最优；在UTRA MIMO的评估中，着重讨论了基于发射自适应阵列(TxAA)的MIMO方案及采用PARC的MIMO方案；3GPP LTE的提案中评估了基于发射自适应阵列(TxAA)的MIMO方案的系统级仿真结果并分析了单数据流和双数据流两种模式的性能；另一提案中比较了采用线性最小均方误差(LMMSE)接收机时TxAA与PARC的性能。在基于PARC的MIMO方案中，由于每根发射天线上数据流的调制与编码方式的需要独立控制，所以这种方案的缺点是所需的反馈量比较多，而且调制与编码方式的选择比较复杂。而基于预编码的MIMO方案及基于预编码的MIMO方案的反馈方法则具有很多优点，这类技术通过对发射信号进行预编码，使之适应当前的信道条件，从而提高多天线通信系统的性能及数据的传输率，使多码流之间的干扰最小，而且能降低接收机的复杂度，由于基于预编码技术的PRAC的性能优于不采用预编码技术的PRAC的性能，且实现的复杂度比较低，这类基于预编码的MIMO通信系统已成为解决实用、鲁棒MIMO方案的一个主要研究方向。

但是，目前这些MIMO收发方案常采用信道矩阵的奇异值(SVD)分解，将MIMO信道分成多个并行特征子信道，由于各特征子信道的增益相差很大，因此这些方案具有调制与编码方式复杂、功率分配复杂、接收端算计复杂等缺点，进而使这些方案难以达到实用化阶段。以下将更为具体说明目前这些方案中存在的缺陷与不足之处：

当发射端和接收端都具有完全信道状态信息时，在上面所提到的基于预编码的闭环MIMO收发方案中，最常用的一种方案是，通过利用奇异值分解(singular value decomposition，SVD)将MIMO信道分解成并行特征子信道，并利用“注水算法”(waterfilling algorithm)将功率分配到这些特征子信道上，这种方案可达到MIMO信道的最大容量。在最近提出的很多基于预编码技术的LTE提案中均使用基于信道矩阵SVD分解的预编码技术。

然而，由于在SVD分解中，各子信道上的信道增益不同，通常差别很大，因此为了达到最大信道容量和预先规定的误码率(BER)，常需要复杂的功率分配和调制方式的选择，这样不仅增加了编码与解码的复杂度，而且因为星座的有限性，导致实际信道容量将产生损失。此外，这类方案除了反馈用于MIMO发射预处理的预编码矩阵外，还需要反馈回各特征子信道的增益以进行调制编码方式的选择及功率分配。所以，基于SVD的MIMO收发方案的反馈量较多，从而反馈开销比较大。在与无线局域网(WLANs)有关的欧洲标准HIPERLAN/2和IEEE 802.11标准中，采用了一种降低复杂度的方法，即在所有的子信道上使用相同的星座(即调制方式)，然而，对于这种方法，其误码率(BER)由增益最低的特征子信道所决定，为了优化BER性能，要求使用“逆注水”之类的算法分配功率，较差的子信道上分配到较多的功率，其结果是导致比较大的容量损失。由上可知，这类基于SVD的MIMO收发方案在BER性能和数据率两个方面难于同时实现最优。

因此，如何解决现有多天线技术存在的问题实已成为本领域亟待解决的技术课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用信道几何均值分解的多天线通信系统的发送装置及发送方法，利用信道的几何均值分解以实现各子信道采用相同调制和编码方式，并使用平均功率分配，以有效降低通信系统的复杂度，使其便于在实际中推行。

本发明的另一目的在于提供一种在于提供一种利用信道几何均值分解的多天线通信系统的接收装置，通过对多天线通信系统的子信道的选择，以实现所述通信系统吞吐量的增加。

本发明的再一目的在于提供一种利用信道几何均值分解的多天线通信系统的接收方法，以解决因接收端反馈回发射端的信息存在量化误差而导致所述通信系统难以正常工作的问题

为了达到上述目的，本发明提供一种利用信道几何均值分解的多天线通信系统的发送装置，其包括：用于接收所述多天线通信系统接收端反馈回的信道信息，并重构信道特征信息和信道质量指示(CQI)信息的重构模块、用于根据所述信道特征信息将待发射的输入比特流转换为各数据流的串并转换模块、用于根据信道质量指示信息确定调制与编码方式的第一控制模块，分别用于根据所述信道特征信息及调制与编码方式对各数据流进行编码调制以得到相应的符号流的多个编码调制模块、用于根据所述信道特征信息确定各符号流的功率的功率分配模块、用于根据所述信道特征信息对已确定功率的各符号流进行预编码的预编码模块、分别用于发射经过预编码的各符号流的多个发射模块。

其中，每一编码调制模块包括：用于对数据流进行编码的编码单元、用于对编码后的数据流进行交织处理的交织单元、用于对交织后的数据流进行调制的调制单元，所述重构模块为重构信道特征信息为预编码矩阵的模块，其中，所述预编码矩阵由多天线通信系统信道矩阵经几何均值分解所得到，即若信道矩阵为任意秩为K且其奇异值为λ₁≥λ₂≥λ₃≥…≥λ_K＞0的矩阵 $H\∈C^{M_r\×N_t}$ ，且若子信道数目为L，则信道矩阵H经过几何均值分解后可得：H＝QRP^H，其中，Q和P为酉阵，R为具有相同对角元素的上三角矩阵，且其对角元素为 $r_{\mathrm{ii}}=\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}={\left({\mathrm{\Π}}_{n=1}^K{\mathrm{\λ}}_n\right)}^{1/L},$ 1≤i≤L，其中L≤K，P即为所述预编码矩阵，所述多个编码调制模块每次编码调制时被采用的模块数目根据所述子信道数目确定，且每一被采用的编码调制模块为采用相同的调制和编码方式的模块，所述功率分配模块为根据所述子信道的数目将预设的总发射功率平均分配至各符号流的平均功率分配模块，所述预编码模块为根据所述预编码矩阵进行预编码处理的模块。

本发明还提供一种利用信道几何均值分解的多天线通信系统的接收装置，其包括：分别用于接收所述多天线通信系统发送端发送的信号的多个接收模块、用于对接收到的信号进行分析以获得信道矩阵的信道估计模块、用于根据所述信道矩阵确定子信道的数目，并根据所述子信道的数目对所述信道矩阵进行几何均值分解后以获得相应信道特征信息的信道特征提取模块、用于根据所述信道矩阵及量化后的信道特征信息计算有效信道矩阵、并根据所述有效信道矩阵进行分解后所得到的信息对接收到的信号进行均衡处理、以及根据接收到的信号和均衡处理方法计算信道质量指示信息的均衡模块、用于对所述信道特征信息和信道质量指示信息进行量化并反馈回所述多天线通信系统发送端的量化模块、用于根据接收到的信息获得调制与编码的方式的第二控制模块、用于根据所述调制与编码方式对经过均衡处理的信号进行解调解码的多个解调解码模块、用于对经过解调解码的信号进行并串转换以得到数据流的并串转换模块。

其中，每一解调解码模块包括：用于对经过均衡处理的信号进行解调的解调单元、用于对经过解调的信号进行解交织的解交织单元、用于对经过解交织单元进行解码的解码单元，所述信道特征提取模块用于根据线性方法或二分法求解最大信道容量以确定子信道数目，也用于根据信道矩阵的奇异值分解并使用注水算法分配发射功率所得到的发射功率分配值高于注水功率电平的特征子信道的个数确定子信道的数目，所述信道特征提取模块根据所确定的子信道的数目L对秩为K的信道矩阵H进行几何均值分解为：H＝QRP^H，其中，Q和P为酉阵，R为具有相同对角元素的上三角矩阵，且其对角元素为 $r_{\mathrm{ii}}=\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}={\left({\mathrm{\Π}}_{n=1}^L{\mathrm{\λ}}_n\right)}^{1/L},$ 1≤i≤L，其中L≤K，λ_n为H的第n个奇异值，P即为预编码矩阵，所述子信道数目和预编码矩阵构成所述信道特征信息，所述均衡模块根据所述信道矩阵H及经过量化后的所述信道特征信息

计算出的有效信道矩阵为H_eff，其中， $H_{\mathrm{eff}}=H\hat{P},$ 其对有效信道矩阵H_eff进行QR分解后得到 $H_{\mathrm{eff}}=\hat{Q}\hat{R},$ 其中，为酉阵，为上三角矩阵，所述均衡矩阵为的转置矩阵

本发明还提供一种利用信道几何均值分解的多天线通信系统的发送方法，其包括步骤：1)接收所述多天线通信系统接收端反馈回的信道信息，并重构信道特征信息和信道质量指示信息；2)根据信道特征信息将待发射的输入比特流通过串并转换为各数据流；3)根据信道质量指示信息确定调制与编码方式；4)分别根据调制与编码方式对各数据流进行编码调制以得到相应的符号流；5)根据所述信道特征信息确定各符号流的功率；6)根据所述信道特征信息对已确定功率的各符号流进行预编码；7)分别发射经过预编码的各符号流。

其中，所述信道特征信息包括预编码矩阵和子信道数目，所述预编码矩阵由多天线通信系统信道矩阵经几何均值分解所得到，即若信道矩阵为任意秩为K且其奇异值为λ₁≥λ₂≥λ₃≥…≥λ_K＞0的矩阵 $H\∈C^{M_r\×N_t},$ 且若子信道数目为L，则信道矩阵H经过几何均值分解后可得：H＝QRP^H，其中，Q和P为酉阵，R为具有相同对角元素的上三角矩阵，且其对角元素为 $r_{\mathrm{ii}}=\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}={\left({\mathrm{\Π}}_{n=1}^L{\mathrm{\λ}}_n\right)}^{1/L},$ 1≤i≤L，其中L≤K，P即为所述预编码矩阵，根据所述子信道数目确定数据流的个数，所述各数据流采用相同的调制和编码方式，所述步骤5)根据所述子信道数目将预设的总发射功率平均分配至各符号流上，所述步骤6)根据所述预编码矩阵对各符号流进行预编码。

本发明还提供一种利用信道几何均值分解的多天线通信系统的接收方法，其包括步骤：1)分别接收所述多天线通信系统发送端所发送的信号；2)对接收到的信号进行分析以获得信道矩阵；3)根据所述信道矩阵确定相应的子信道数目；4)根据所述子信道数目对所述信道矩阵进行几何均值分解后将相应的信道特征及信道质量指示信息进行量化处理后反馈回所述多天线通信系统发送端；5)根据所述信道矩阵及量化后的所述信道特征信息计算有效信道矩阵，并根据所述有效信道矩阵进行分解后获得的信息对接收到的信号进行均衡处理，并根据所述均衡处理方法和接收到的信号计算信道质量指示信息；6)根据接收到的信号确定编码及调制方式，并根据所述编码及调制方式对经过均衡处理的信号进行解调解码；7)对经过解调解码的信号进行并串转换以得到数据流。

其中，所述步骤3)中确定子信道数目的方法为：首先采用奇异值分解法对信道矩阵进行分解，然后使用注水算法分配发射功率，根据发射功率分配值高于注水功率电平的特征子信道的个数确定子信道的数目，也可根据线性方法或二分法求解最大信道容量以确定子信道数目，在所述步骤4)中，若所述信道矩阵为H且其秩为K，根据所确定的子信道数目L对其进行几何均值分解后为：H＝QRP^H，其中，Q和P为酉阵，R为具有相同对角元素的上三角矩阵，且其对角元素为 $r_{\mathrm{ii}}=\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}={\left({\mathrm{\Π}}_{n=1}^L{\mathrm{\λ}}_n\right)}^{1/L},$ 1≤i≤L，其中L≤K，λ_n为H的第n个奇异值，P即为预编码矩阵，P及L构成信道特征信息，所述步骤5)计算有效信道矩阵的方法为： $H_{\mathrm{eff}}=H\hat{P},$ 其中，H_eff为有效信道矩阵，

为经过量化后的预编码矩阵，所述有效信道矩阵的分解方法为QR分解法，即 $H_{\mathrm{eff}}=\hat{Q}\hat{R},$ 其中，

为酉阵，

为上三角矩阵，相应的

的转置矩阵

为所述均衡矩阵。

综上所述，本发明的利用信道几何均值分解的多天线通信系统的发送装置、接收装置、发送方法及接收方法，有效地利用了信道的几何均值分解，使得各码流上可采用相同的调制和编码方式，并可使用平均功率分配，进而有效降低了通信系统的复杂度，使其便于在实际中推行，同时通过对子信道的选择可提高所述通信系统的吞吐量，此外，更是解决了因接收端反馈回发射端的信息存在量化误差而导致所述通信系统难以正常工作的问题。

附图说明

图1为本发明的利用信道几何均值分解的多天线通信系统的发送装置的结构示意图。

图2为本发明的利用信道几何均值分解的多天线通信系统的接收装置的结构示意图。

图3至图12为本发明的利用信道几何均值分解的多天线通信系统的发送装置及接收装置所组成的系统的各仿真结果示意图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明的利用信道几何均值分解的多天线通信系统的发送装置主要包括：串并转换模块、重构模块、第一控制模块、多个编码调制模块、功率分配模块、预编码模块以及多个发射模块，以下将对前述各部件进行详细描述。

所述重构模块用于接收所述多天线通信系统接收端反馈回的信道信息，并重构信道特征信息和信道质量指示信息，通常，所述重构模块根据接收到的反馈信息确定信道特征信息中的子信道数目并通过查找码本(此为通信领域常用的矢量量化码本，为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述)以重构信道特征信息中的预编码矩阵，所述重构模块经过查找码本以获得信道质量指示信息，此外，在本实施方式中，所述信道特征信息为预编码矩阵和子信道数目，且所述预编码矩阵由多天线通信系统信道矩阵经几何均值分解所得到，即若信道矩阵为任意秩为K且其奇异值为λ₁≥λ₂≥λ₃≥…≥λ_K＞0的矩阵 $H\∈C^{M_r\×N_t},$ 且若子信道数目为L，则信道矩阵H经过几何均值分解后可得：H＝QRP^H，其中，Q和P为酉阵，R为具有相同对角元素的上三角矩阵，且其对角元素为 $r_{\mathrm{ii}}=\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}={\left({\mathrm{\Π}}_{n=1}^L{\mathrm{\λ}}_n\right)}^{1/L},$ 1≤i≤L，其中L≤K，P即为所述预编码矩阵，λ为各子信道增益，P经过量化后得到

由此可见，各子信道增益相同，须注意的是，信道矩阵的几何均值分解过程是在所述多天线通信系统接收端进行的，此外，信道质量指示信息为均衡处理后的信干噪比(SINR)，其计算方法可参见文献(E.N.Onggosanusi，A.G.Dabak，“基于反馈的自适应多天线方案”Conference Record of theThirty-Sixth Asilomar Conference on Signals，Systems and Computers，2002年11月，第2卷，页码：1694-1698(E.N.Onggosanusi，A.G.Dabak，“A feedback-based adaptivemulti-input multi-output signaling scheme，”Conference Record of the Thirty-SixthAsilomar Conference on Signals，Systems and Computers，3-6Nov.2002，vol.2，pp.1694-1698))。

所述串并转换模块用于根据子信道数目将待发射的输入比特流转换为各数据流。

所述第一控制模块用于根据信道质量指示信息确定调制与编码方式，例如，可选择四相相移键控(QPSK)调制、或16正交幅度(QAM)调制、或64 QAM调制。

所述多个编码调制模块分别用于根据调制与编码方式对各数据流进行编码调制以得到相应的符号流，为简化图示，本实施方式中仅采用了两个编码调制模块，但并非以本实施方式为限，在此予以说明，每一编码调制模块都包括用于对数据流进行编码的编码单元、用于对编码后的数据流进行交织处理的交织单元、用于对交织后的数据流进行调制的调制单元，需注意的是，所述多个编码调制模块每次编码调制时被采用的模块数目根据所述子信道数目确定，且各编码调制模块采用相同的调制和编码方式，并使用平均功率分配。

所述功率分配模块用于根据所述信道特征信息确定各符号流的功率，例如，总发射功率为P，所述子信道数目为3，则每一符号流的功率均为P/3。

所述预编码模块用于根据所述信道特征信息中的预编码矩阵对已确定功率的各符号流进行预编码以使各符号流中增加冗余信息，即根据所述重构模块提供的

对所发送的各符号流进行相应的预编码。

所述多个发射模块分别用于发射经过预编码的各符号流，通常，发射模块即为天线，为简化图示，本实施方式中仅采用了两个发射模块，但并非以本实施方式为限，在此予以说明。

再请参阅图2，本发明的利用信道几何均值分解的多天线通信系统的接收装置主要包括：多个接收模块、信道估计模块、信道特征提取模块、均衡模块、量化模块、第二控制模块、多个解调解码模块以及并串转换模块，以下将对前述各部件进行详细描述。

所述多个接收模块分别用于接收所述多天线通信系统发送端发送的信号，通常，接收模块为天线，为简化图示，本实施方式中仅采用了两个接收模块，但并非以本实施方式为限，在此予以说明。

所述信道估计模块用于对接收到的信号进行分析以获得信道矩阵，例如，对于一个由N_t根发射天线和M_r根接收天线构成的MIMO系统，假设信道为非相关瑞利平坦衰落，信道输入 $s\∈C^{N_t}$ 与信道输出 $r\∈C^{M_r}$ 之间的关系可表示为：r＝Hs+n，其中， $n\∈C^{M_r}$ 为加性噪声矢量，假设为独立同分布(i.i.d)的复高斯噪声，其各项的方差为σ²，因此，根据接收到的信息r及预先设定的通信规则，经分析即可得到相应信道矩阵H，通常，信道矩阵H由通用的基于训练序列或基于导频的信道估计方法计算得出，此处采用的信道估计方法可参考文献(Xiaohong Meng  J.K.Tugnait，“利用隐训练序列的多天线信道估计方法”IEEEInternational Conference on Communications，2004年6月，第5卷，页码：2663-2667(Xiaohong Meng  J.K.Tugnait，”MIMO channel estimation using superimposedtraining，”IEEE International Conference on Communications，20-24June 2004，vol.5，pp.2663-2667))。

所述信道特征提取模块用于根据所述信道矩阵确定子信道的数目，并根据所述子信道的数目对所述信道矩阵进行几何均值分解以获得信道特征信息，可根据线性方法或二分法求解最大信道容量以确定子信道数目L，也可根据信道矩阵的奇异值分解并使用注水算法分配发射功率所得到的发射功率分配值高于注水功率电平的特征子信道的个数确定子信道的数目L，再根据所确定的子信道数目L对秩为K的信道矩阵H进行几何均值分解后可得：H＝QRP^H，其中，Q和P为酉阵，R为具有相同对角元素的上三角矩阵，且其对角元素为 $r_{\mathrm{ii}}=\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}={\left({\mathrm{\Π}}_{n=1}^L{\mathrm{\λ}}_n\right)}^{1/L},$ 1≤i≤L，其中L≤K，λ_n为H的第n个奇异值，P即为预编码矩阵，预编码矩阵和子信道数目即构成信道特征信息。

所述均衡模块用于根据所述信道矩阵及量化后的信道特征信息计算有效信道矩阵，并对所述有效信道矩阵进行分解以得到均衡矩阵，并根据所述均衡矩阵对接收到的信号进行均衡处理，并用于根据均衡处理方法和接收到的信号计算信道质量指示信息，所述信道质量指示信息为均衡处理后的信干噪比(SINR)，其计算方法可参见文献(E.N.Onggosanusi，A.G.Dabak，“基于反馈的自适应多天线方案”Conference Record of the Thirty-Sixth AsilomarConference on Signals，Systems and Computers，2002年11月，第2卷，页码：1694-1698(E.N.Onggosanusi，A.G.Dabak，“A feedback-based adaptive multi-inputmulti-output signaling scheme，”Conference Record of the Thirty-Sixth AsilomarConference on Signals，Systems and Computers，3-6Nov.2002，vol.2，pp.1694-1698))。在本实施方式中，所述信道矩阵为H，量化后的所述预编码矩阵为

(需注意的是，

是由量化模块所提供，请容后详述)，所述均衡模块计算出的有效信道矩阵H_eff为 $H_{\mathrm{eff}}=H\hat{P},$ 其对有效信道矩阵H_eff进行QR分解后得到 $H_{\mathrm{eff}}=\hat{Q}\hat{R},$ 其中，

为酉阵，

为上三角矩阵，所述均衡矩阵即为

的转置矩阵

所述量化模块用于对所述信道特征信息和信道质量指示信息进行量化并反馈回所述多天线通信系统发送端，即所述量化模块将所述信道特征提取模块提供的子信道数目反馈回所述多天线通信系统的发射端，并将所述信道特征提取模块提供的P经基于码本的矢量量化后得到的

反馈回所述多天线通信系统的发射端，需注意的是，也可根据实际情况将子信道增益λ量化后反馈回所述所述多天线通信系统的发射端。

所述第二控制模块用于根据接收到的信息获得调制与编码的方式，即根据接收到的信令信息即可确定调制与编码方式，为简化图示，所述第二控制模块与所述多个接收模块之间的信号传输并未予以标示，在此予以说明。

所述多个解调解码模块用于根据所述调制与编码方式对经过均衡处理的信号进行解调解码，每一解调解码模块包括：用于对经过均衡处理的信号进行解调的解调单元、用于对经过解调的信号进行解交织的解交织单元、用于对经过解交织单元进行解码的解码单元，需注意的是，为简化图示，本实施方式中仅采用了两个解调解码模块，但并非以本实施方式为限，在此予以说明。

所述并串转换模块用于对经过解调解码的信号进行并串转换以得到数据流。

本发明的利用信道几何均值分解的多天线通信系统的发送方法主要包括以下步骤：

一、接收所述多天线通信系统接收端反馈回的信道信息，并重构信道特征信息和信道质量指示信息，通常是根据接收到的反馈信息确定子信道数目，通过查找矢量量化码本以重构相应的预编码矩阵，所述预编码矩阵由多天线通信系统信道矩阵经几何均值分解及量化后所得到，即若信道矩阵为任意秩为K且其奇异值为λ₁≥λ₂≥λ₃≥…≥λ_K＞0的矩阵 $H\∈C^{M_r\×N_t},$ 且子信道数目为L，则信道矩阵H经过几何均值分解后可得：H＝QRP^H，其中，Q和P为酉阵，R为具有相同对角元素的上三角矩阵，且其对角元素为 $r_{\mathrm{ii}}=\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}={\left({\mathrm{\Π}}_{n=1}^L{\mathrm{\λ}}_n\right)}^{1/L},$ 1≤i≤L，其中L≤K，λ为各子信道增益，由此可见，所述多天线通信系统各子信道的增益相同，P经基于码本的矢量量化后得到

其中，

为量化后的预编码矩阵。

二、根据子信道数目将待发射的输入比特流通过串并转换为各数据流。

三、根据信道质量指示信息确定调制与编码方式。

四、分别根据所述信道特征信息及调制与编码方式对各数据流进行编码调制以得到相应的符号流，即根据所述信道特征信息确定数据流的个数，各数据流采用相同的调制和编码方式。

五、根据所述信道特征信息确定各符号流的功率，即将总的发射功率平均分配至各符号流上。

六、根据所述信道特征信息对已确定功率的各符号流进行预编码以使各符号流中增加冗余信息，即根据由重构模块所得到的预编码矩阵

对已确定功率的各符号流进行预编码处理。

七、发射经过预编码的各符号流。

本发明的利用信道几何均值分解的多天线通信系统的接收方法主要包括以下步骤：

一、分别接收所述多天线通信系统发送端所发送的信号。

二、对接收到的信号进行分析及计算以获得信道矩阵和信道质量指示信息，例如，对于一个由N_t根发射天线和M_r根接收天线构成的MIMO系统，假设信道为非相关瑞利平坦衰落，信道输入 $s\∈C^{N_t}$ 与信道输出 $r\∈C^{M_r}$ 之间的关系可表示为：r＝Hs+n，其中， $n\∈C^{M_r}$ 为加性噪声矢量，假设为独立同分布(i.j.d)的复高斯噪声，其各项的方差为σ²，因此，根据接收到的信息r，经分析即可得到信道矩阵H，通常，信道矩阵H由通用的基于训练序列或基于导频的信道估计方法计算得出，此处采用的信道估计方法可参考文献(Xiaohong Meng  J.K.Tugnait，“利用隐训练序列的多天线信道估计方法”IEEEInternational Conference on Communications，2004年6月，第5卷，页码：2663-2667(Xiaohong Meng  J.K.Tugnait，”MIMO channel estimation using superimposedtraining，”IEEE International Conference on Communications，20-24 June 2004，vol.5，pp.2663-2667))。

三、根据所述信道矩阵确定相应的子信道数目，可根据线性方法或二分法求解最大信道容量以获得子信道数目，即信道容量

$C_n=n\log (1+\sqrt[n]{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{\λ}}_i^2}\frac{P_T}{n}),$ 1≤n≤K

达到最大值时的n即为子信道数目，需说明的是，该计算式的获得依据及其式中各参数的涵义容后予以详述，此外，也可根据其它算法确定子信道的数目，例如，对于一个由N_t根发射天线和M_r根接收天线构成的MIMO系统，假设信道为非相关瑞利平坦衰落，信道输入 $s\∈C^{N_t}$ 与信道输出 $r\∈C^{M_r}$ 之间的关系可表示为：

r＝Hs+n                                          (1)

式中， $n\∈C^{M_r}$ 为加性噪声矢量，假设为独立同分布(i.i.d)的复高斯噪声，其中各项的方差为σ²，信道矩阵H的秩表示为K＝min(M_r，N_t)，发射功率约束为E[s^Hs]≤P_T，利用信道矩阵H的奇异值分解(SVD，singular value decomposition)，可将MIMO信道分解为并行的、互不干扰的单输入单输出(SISO，single-input single-output)特征子信道，令信道矩阵H的SVD为H＝U DV^H，其中U和V为酉阵，D为对角阵D＝diag(λ₁，λ₂，…，λ_K，0，…，0)，因此，式(1)可写为

$\tilde{r}=D\tilde{s}+\tilde{n}---\left(2\right)$

式中， $\tilde{r}=U^{H}r,$ $\tilde{s}=\mathrm{Vs},$ $\tilde{n}=U^{H}n,$ 由式(2)可知，利用SVD，MIMO信道分解为K个等价的SISO特征子信道，且各子信道的增益由λ₁，λ₂，…，λ_K给出，利用注水法(Waterfilling)将发射功率分配到这些并行子信道上，此时信道容量为

$C_{\mathrm{WF}}{=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{{\log }_2\left({\mathrm{\μ\λ}}_i^2\right)}^{+}}_{b/s/\mathrm{Hz}}---\left(3\right)$

式中[a]⁺定义为max{a，0}，μ为注水功率且满足功率约束 ${\mathrm{\Σ}}_{i=1}^K{[\mathrm{\μ}-{\mathrm{\λ}}_i^{-2}]}^{+}=P_T,$ 发射功率分配值高于注水功率电平的特征子信道的个数L₂即为子信道的数目，此时信道容量为

$C_{L_2}=L_2\log (1+\sqrt[n]{\underset{i=1}{\overset{L_2}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{\λ}}_i^2}\frac{P_T}{L_2})---\left(4\right).$

四、根据所确定的子信道数目对所述信道矩阵进行几何均值分解以获得预编码矩阵，并将由所述子信道数目和预编码矩阵构成的信道特征信息及信道质量指示信息进行量化处理后反馈回所述多天线通信系统发送端，其中所述预编码矩阵由多天线通信系统信道矩阵经几何均值分解所得到，即若信道矩阵为任意秩为K且其奇异值为λ₁≥λ₂≥λ₃≥…≥λ_K＞0的矩阵 $H\∈C^{M_r\×N_t},$ 且若子信道数目为L，则对信道矩阵H进行几何均值分解得到：H＝QRP^H，其中，Q和P为酉阵，R为具有相同对角元素的上三角矩阵，且其对角元素为 $r_{\mathrm{ii}}=\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}={\left({\mathrm{\Π}}_{n=1}^L{\mathrm{\λ}}_n\right)}^{1/L},$ 1≤i≤L，其中L≤K，λ_n为H的第n个奇异值，P即为预编码矩阵，并将P经基于码本的矢量量化后得到

以下将进一步说明信道矩阵进行几何均值分解后其各子信道的容量，在通信系统发送端，利用线性预编码矩阵P，将信息符号s预编码为x＝Ps，此时，得到等价数据模型为

y＝QRx+z                                   (5)

在接收端利用常用的VBLAST进行均衡，即用Q^H乘以式(5)的两边后得到

$\tilde{y}=\mathrm{Rx}+\tilde{z}---\left(6\right)$

忽略误差传递效应后，所得到的子信道可视为独立且增益相同的K个子信道：

y_i＝λx_i+z_i，i＝1，…，K                      (7)

若子信道选择算法采用的准则是使信道容量最大，则令信道矩阵的奇异值按从大到小的次序排列为λ₁≥λ₂≥…≥λ_K＞0，如果GMD被约束到前n≤K个子信道，则得到如下n个相同子信道：

y_i＝λx_i+z_i，i＝1，…，n                     (8)

其中

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}=\sqrt[n]{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{\λ}}_i}---\left(9\right)$

此时，其信道容量为

$C_n=n\log (1+\sqrt[n]{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{\λ}}_i^2}\frac{P_T}{n})---\left(10\right)$

因此，步骤三中可根据线性方法或二分法求解如下问题

$\underset{1\≤n\≤K}{\max }n\log (1+\sqrt[n]{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{\λ}}_i^2}\frac{P_T}{n})---\left(11\right)$

使式(11)达到最大值的n即为所需的子信道数目L。

五、由信道矩阵H和量化后的信道特征信息

计算有效信道矩阵H_eff，即 $H_{\mathrm{eff}}=H\hat{P},$ 再将H_eff进行QR分解，即 $H_{\mathrm{eff}}=\hat{Q}\hat{R},$ 其中，

为酉阵，

为上三角矩阵，并将分解后的所述

的共轭转置矩阵

作为均衡矩阵对接收到的信号进行均衡处理，此即为修正的利用信道几何均值分解的VBLAST算法(GMD-VBLAST算法)的步骤流程。

六、根据接收到的信号确定编码及调制方式，并根据所述编码及调制方式对经过均衡处理的信号进行解调解码。

七、对经过解调解码的信号进行并串转换以得到数据流。

需注意的是，上述各编码单元、交织单元、调制单元及解码单元、解交织单元、解调单元都为通信领域的技术人员所熟悉的部件，在此，对该等部件的结构及功能不再予以详述，同时本发明所采用的编码方法、交织方法及调制方法也为通信领域现行所采用的通行方法，在此亦不再赘述。

以下将用实例具体说明本发明在第三代/第四代(B3G/4G)无线通信系统中的应用。下表1给出了链路级仿真中所使用的参数，在所有实例中，信道假设为独立同分布瑞利平坦衰落信道，仿真结果为10,000个子帧的统计结果，所用的调制方式为四相相移键控(QPSK)调制，16正交幅度(QAM)调制和64-QAM调制，采用文献(IEEE 802.16d标准，“IEEE的局域网及城域网标准第16部分：固定宽带无线接入系统的空中接口，”IEEE 802.16的标准-2004年(IEEE Std P802.16d.″IEEE standard for local and metropolitan area networks part16：Air interface for fixed broadband wireless access systems，″IEEE Std 802.16-2004))中规定的星座映射图，使用1/3码率turbo码(rate 1/3 turbo-code)，该rate 1/3 turbo-code由2个1/2码率的成员编码器(constituent encoders)和1个Turbo码内交织器组成，Turbo编码器的生成多项式(g₀，g₁)取为(13，15)，成员编码器的存储器长度及约束长度分别为3和4，Max-Log-Map算法(请参见文献T.H.Liew，B.L.Yeap，C.H.Wong，L.Hanzo，“色散信道中Turbo编码的自适应调制与空-时网格码的比较，”IEEE Transactions on WirelessCommunications，第3卷第6期，页码：2019-2029，2004年11月(T.H.Liew，B.L.Yeap，C.H.Wong，L.Hanzo，“Turbo-coded adaptive modulation versus space-time trelliscodes for transmission over dispersive channels.”IEEE Transactions on WirelessCommunications，vol.3，no.6，November 2004，pp.2019-2029))用于解turbo卷积码，且Max-Log-Map算法的迭代次数取为8。通过不同的打孔模式，可由1/3码率turbo码得到更高编码率的turbo码。不同的打孔模式及相应的编码率请参见下表2，表中的打孔模式由2部分组成，具体而言，相关的不同打孔模式分别表示第1个和第2个编码器的奇偶位的打孔模式。使用随机的turbo内交织和随机的信道交织，需使得各子信道上的数据块能独立解码。归一化的吞吐量可表示为子信道个数L及误块率(block error rate，BLER)的函数具体如下式：

T_total＝L·R·log₂M·[1-BLER)，(BPS，比特每符号(bits per symbol))     (12)

式中，M表示M-QAM星座中的点数，R为Turbo码的编码率，BLER为误块率。该公式表示的是完全错误检测，其中当且仅当一个数据块内的全部数据比特(Bit)都无误时，称该数据块被正确地检测。

图3至图5给出了本发明的利用信道几何均值分解(GMD)的多天线通信系统的发送装置及接收装置所组成的系统在不同编码和调制方式时误码率(BER)，误帧率(FER)和吞吐量。由图可知，在不同的调制和编码方式下，利用GMD的MIMO收发方案均有优良的性能，而且其吞吐量随调制等级的增加而增加。

图6和图7给出了本发明的利用信道几何均值分解(GMD)的多天线通信系统的接收方法提出的采用奇异值分解法确定子信道数目与采用线性方法确定子信道数目时通信系统的BER性能及吞吐量的比较。由图6和图7可知，采用奇异值分解法确定子信道数目时，利用GMD的MIMO收发方案的BER性能稍微变差，而其吞吐量却变大。

图8、图9和图10分别给出了利用矢量量化反馈回预编码矩阵时利用信道几何均值分解的VBLAST算法(GMD-VBLAST)及本发明所给出的修正GMD-VBLAST两种算法的误码率(bit errorrate，BER)、误帧率(FER，frame error rate)及吞吐量。其中，所用的调制为四相相移键控(QPSK)，所用编码为1/3码率turbo码。由此可知，当预编码矩阵存在量化误差时，现有的GMD-VBLAST无法正常工作，而本发明所提出的修正GMD-VBLAST算法仍能正常的工作，并具有良好的性能。

最后，比较了本发明提出的利用GMD的MIMO收发方案与现有的利用SVD的MIMO收发方案的性能与吞吐量。其中利用GMD的MIMO收发方案中使用原有的子信道选择方案。利用SVD的收发方案中，各码流上使用平均功率分配，且使用相同的调制方式和编码方式。图11和图12分别给出了本发明所提出的利用信道GMD的MIMO收发方案与现有利用SVD的MIMO收发方案的BER和吞吐量比较结果。由图11和图12可知，在性能(BER，FER)和吞吐量两方面，利用GMD的MIMO收发方案明显优于利用SVD的MIMO收发方案。

综上所述，本发明利用信道的几何均值分解(geometric mean decomposition，GMD)，提出一种复杂度较低的、实用的MIMO收发方案。由于GMD将信道分解成具有相同增益的多个并行子信道，因此该方案具有调制与编码及其自适应方式简单，功率分配简单等优点，此外，本发明给出了一种采用奇异值分解法的新型子信道选择方法，增加了MIMO通信系统的吞吐量，再有，当由接收端反馈回发射端的预编码矩阵存在量化误差时，本发明利用有效信道的QR分解，提出一种修正的GMD-VBLAST方法，实验结果验证了利用GMD的MIMO收发方案的可行性，即使当预编码矩阵存在量化误差时，通过利用本专利中所提出的修正GMD-VBLAST算法，利用GMD的MIMO收发方案仍然能正常工作，且具有优良的性能。

表1：仿真参数

参数	值
		传输带宽	5MHz
仿真子帧数	10,000
		TTI长度	0.5ms
帧长	10ms
		子帧长	0.5ms
子帧内的符号数	140
		信道编码	1/3码率Turbo编码
信道解码	Max-LOG-MAP解码算法，且迭代次数取为8
		调制方式	QPSK，16-QAM，64-QAM
信道模型	平坦瑞利衰落
		发射天线数	4
接收天线数	4
		信道估计	理想
反馈误差	无

表2：打孔模式及相应的编码率

Claims (18)

1.一种利用信道几何均值分解的多天线通信系统的发送装置，其特征在于包括：重构模块，用于接收所述多天线通信系统接收端反馈回的信道信息，并重构信道特征信息和信道质量指示信息；

串并转换模块，用于根据所述信道特征信息将待发射的输入比特流转换为各数据流；

第一控制模块，用于根据所述信道质量指示信息确定调制与编码方式；

多个编码调制模块，分别用于根据所述调制与编码方式对各数据流进行编码调制以得到相应的符号流；

功率分配模块，用于根据所述信道特征信息确定各符号流的功率；

预编码模块，用于根据所述信道特征信息对已确定功率的各符号流进行预编码；

多个发射模块，分别用于发射经过预编码的各符号流；

所述重构模块为重构信道特征信息为预编码矩阵和子信道数目的模块，其中，所述预编码矩阵由多天线通信系统信道矩阵经几何均值分解所得到，即若信道矩阵为任意秩为K且其奇异值为λ₁≥λ₂≥λ₃≥…≥λ_K＞0的矩阵

且若子信道数目为L，其中L≤K，则信道矩阵H经过几何均值分解后可得：H＝QRP^H，其中，Q和P为酉阵，R为具有相同对角元素的上三角矩阵，且其对角元素为

1≤i≤L，P即为所述预编码矩阵，

即为各子信道增益，信道质量指示信息为均衡处理后的信干噪比。

2.如权利要求1所述的利用信道几何均值分解的多天线通信系统的发送装置，其特征在于每一编码调制模块包括：

编码单元，用于对数据流进行编码；

交织单元，用于对编码后的数据流进行交织处理；

调制单元，用于对交织后的数据流进行调制。

3.如权利要求2所述的利用信道几何均值分解的多天线通信系统的发送装置，其特征在于：所述多个编码调制模块每次编码调制时被采用的模块数目由所述子信道数目确定，且每一被采用的编码调制模块为采用相同的调制和编码方式的模块。

4.如权利要求2所述的利用信道几何均值分解的多天线通信系统的发送装置，其特征在于：所述功率分配模块为根据所述子信道的数目将预设的总发射功率平均分配至各符号流的功率分配模块。

5.如权利要求2所述的利用信道几何均值分解的多天线通信系统的发送装置，其特征在于：所述预编码模块为根据所述预编码矩阵进行预编码处理的模块。

6.一种利用信道几何均值分解的多天线通信系统的接收装置，其特征在于包括：

多个接收模块，分别用于接收所述多天线通信系统发送端发送的信号；

信道估计模块，用于对接收到的信号进行分析以获得信道矩阵；

信道特征提取模块，用于根据所述信道矩阵确定子信道的数目，并根据所述子信道的数目对所述信道矩阵进行几何均值分解后以获得相应信道特征信息；

均衡模块，用于根据所述信道矩阵及量化后的信道特征信息计算有效信道矩阵、并根据所述有效信道矩阵进行分解后所得到的信息对接收到的信号进行均衡处理、以及根据所述均衡处理方法及接收到的信号计算信道质量指示信息；

量化模块，用于对所述信道特征信息和信道质量指示信息进行量化并反馈回所述多天线通信系统发送端；

第二控制模块，用于根据接收到的信息获得调制与编码的方式；

多个解调解码模块，用于根据所述调制与编码方式对经过均衡处理的信号进行解调解码；

并串转换模块，用于对经过解调解码的信号进行并串转换以得到数据流；

所述信道特征提取模块用于根据所确定的子信道数目L对秩为K的信道矩阵H进行几何均值分解，使其分解为：H＝QRP^H，其中，Q和P为酉阵，R为具有相同对角元素的上三角矩阵，且其对角元素为

1≤i≤L，其中L≤K，λ_n为H的第n个奇异值，P即为预编码矩阵，所述子信道数目和预编码矩阵构成信道特征信息；信道质量指示信息为均衡处理后的信干噪比；

所述均衡模块用于根据所述信道矩阵H及量化后的所述信道特征信息计算有效信道矩阵H_eff，其为

并用于对有效信道矩阵H_eff进行QR分解，分解后为

其中，还用于根据

的转置矩阵

对接收的信号进行均衡处理。

7.如权利要求6所述的利用信道几何均值分解的多天线通信系统的接收装置，其特征在于每一解调解码模块包括：

解调单元，用于对经过均衡处理的信号进行解调；

解交织单元，用于对经过解调的信号进行解交织；

解码单元，用于对经过解交织单元进行解码。

8.如权利要求6所述的利用信道几何均值分解的多天线通信系统的接收装置，其特征在于包括：所述信道特征提取模块用于根据线性方法或二分法求解最大信道容量以确定子信道数目L。

9.如权利要求6所述的利用信道几何均值分解的多天线通信系统的接收装置，其特征在于包括：所述信道特征提取模块用于根据信道矩阵的奇异值分解并使用注水算法分配发射功率所得到的发射功率分配值高于注水功率电平的特征子信道的个数确定子信道的数目L。

10.一种利用信道几何均值分解的多天线通信系统的发送方法，其特征在于包括以下步骤：

1)接收所述多天线通信系统接收端反馈回的信道信息，并重构信道特征信息和信道质量指示信息；

2)根据信道特征信息将待发射的输入比特流通过串并转换为各数据流；

3)根据信道质量指示信息确定调制与编码方式；

4)根据调制与编码方式对各数据流进行编码调制以得到相应的符号流；

5)根据所述信道特征信息确定各符号流的功率；

6)根据所述信道特征信息对已确定功率的各符号流进行预编码；

7)分别发射经过预编码的各符号流；

所述重构信道特征信息为预编码矩阵和子信道数目，其中，所述预编码矩阵由多天线通信系统信道矩阵经几何均值分解所得到，即若信道矩阵为任意秩为K且其奇异值为λ₁≥λ₂≥λ₃≥…≥λ_K＞0的矩阵

且若子信道数目为L，其中L≤K，则信道矩阵H经过几何均值分解后可得：H＝QRP^H，其中，Q和P为酉阵，R为具有相同对角元素的上三角矩阵，且其对角元素为

1≤i≤L，P即为所述预编码矩阵，

即为各子信道增益，信道质量指示信息为均衡处理后的信干噪比。

11.如权利要求10所述的利用信道几何均值分解的多天线通信系统的发送方法，其特征在于：所述信道特征信息包括预编码矩阵和子信道数目。

12.如权利要求10所述的利用信道几何均值分解的多天线通信系统的发送方法，其特征在于：所述步骤6)根据所述预编码矩阵对各符号流进行预编码。

13.如权利要求10所述的利用信道几何均值分解的多天线通信系统的发送方法，其特征在于：所述步骤2)根据所述子信道数目确定数据流的个数。

14.如权利要求13所述的利用信道几何均值分解的多天线通信系统的发送方法，其特征在于：所述步骤4)中各数据流采用相同的调制和编码方式。

15.如权利要求10所述的利用信道几何均值分解的多天线通信系统的发送方法，其特征在于：所述步骤5)根据所述子信道数目将预设的总发射功率平均分配至各符号流上。

16.一种利用信道几何均值分解的多天线通信系统的接收方法，其特征在于包括以下步骤：

1)接收所述多天线通信系统发送端所发送的信号；

2)对接收到的信号进行分析及计算以获得信道矩阵和信道质量指示信息；

3)根据所述信道矩阵确定相应的子信道数目；

4)根据所述子信道数目对所述信道矩阵进行几何均值分解后将相应的信道特征信息及信道质量指示信息进行量化处理后反馈回所述多天线通信系统发送端；

5)根据所述信道矩阵及量化后的所述信道特征信息计算有效信道矩阵，并根据所述有效信道矩阵进行分解后获得的信息对接收到的信号进行均衡处理，并根据所述均衡处理方法和接收到的信号计算信道质量指示信息；

6)根据接收到的信号确定编码及调制方式，并根据所述编码及调制方式对经过均衡处理的信号进行解调解码；

7)对经过解调解码的信号进行并串转换以得到数据流；

所述步骤4)包括根据所确定的子信道数目L对秩为K的信道矩阵H进行几何均值分解，使其分解为：H＝QRP^H，其中，Q和P为酉阵，R为具有相同对角元素的上三角矩阵，且其对角元素为

1≤i≤L，其中L≤K，λ_n为H的第n个奇异值，P即为预编码矩阵，所述子信道数目和预编码矩阵构成信道特征信息；信道质量指示信息为均衡处理后的信干噪比；

所述步骤5)计算有效信道矩阵的方法为：

其中，H_eff为有效信道矩阵，为经过量化后的预编码矩阵，所述有效信道矩阵的分解方法为QR分解法，即

其中，相应的的转置矩阵即为均衡矩阵。

17.如权利要求16所述的利用信道几何均值分解的多天线通信系统的接收方法，其特征在于：所述步骤3)中确定子信道数目的方法为：首先采用奇异值分解法对信道矩阵进行分解，然后使用注水算法分配发射功率，根据发射功率分配值高于注水功率电平的特征子信道的个数确定子信道的数目L。

18.如权利要求17所述的利用信道几何均值分解的多天线通信系统的接收方法，其特征在于：在所述步骤3)中根据线性方法或二分法求解最大信道容量以确定子信道数目L。

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