CN101212281A

CN101212281A - 基于多输入多输出系统的通信方法及设备

Info

Publication number: CN101212281A
Application number: CNA2006100638785A
Authority: CN
Inventors: 刘建国; 杨绿溪; 薛丽霞; 李斌
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Zhang Man
Priority date: 2006-12-31
Filing date: 2006-12-31
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2026-12-31
Also published as: CN101212281B; WO2008083576A1

Abstract

本发明涉及无线通信领域，公开了一种基于多输入多输出系统的通信方法及设备，对信道衰落条件具有鲁棒性，使得在高速和低速情况下MIMO系统都可以有较令人满意的性能。本发明中，接收端根据当前信道状态选择最优预编码矩阵，并将代表该预编码矩阵的信息反馈给发送端；发送端对需要传输的信息进行正交空时编码，再乘以接收端反馈的信息所代表的预编码矩阵后发送；接收端将收到的信号乘以发送端所用预编码矩阵的共扼转置，再进行正交空时解码后得到发送端需要传输的信息。此外本发明还提出了设计预编码码本和从码本中选择最优的码字矩阵的实用方法。

Description

基于多输入多输出系统的通信方法及设备

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及基于多输入多输出的通信技术。

背景技术

多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，简称“MIMO”)技术是在第三代移动通信(The Third Generation，简称“3G”)和未来移动通信系统中实现高数据速率、高系统容量、高传输质量的重要途径。目前空时发送分集技术已经成为后3G(Beyond 3G，简称“B3G”)/4G的关键技术之一，发送分集可以提高系统容量，并将编码调制分集技术有机地结合起来。

为了提高MIMO系统的性能，目前有两种技术方案。

一种方案使用了正交空时编码，正交空时编码作为MIMO系统中的一种开环发射分集技术，因其能够有效对抗衰落并具有极低的解码复杂度，获得了广泛关注，是目前最为实用的空时发送分集技术之一。不过作为一种开环发射分集技术，在低速情况下因缺少信道状态信息使得其性能变差。

另一种方案使用了闭环分集技术。在频分双工(Frequency DivisionDuplex，简称“FDD”)模式下，如果所有用户反馈瞬时信道状态信息(ChannelState Information，简称“CSI”)给基站，在用户数较多时这种机制开销太大，在无线通信中也不太现实。正交空时编码系统常采用线性预编码来获取反馈增益。在实际的点对点MIMO系统预编码设计时，为了减少反馈信息量，经常采用码本方式。基于正交空时编码系统的码本设计方案，以较少的反馈信息量获得了较大的阵列增益，该方案在发送端和接收端都维护一个相同的预编码码本(Codebook)，基于瞬时信道状态接收端从有限码本集中选取最优的一个码字矩阵，并将该码字序号发送给发送端，发送端将此序号的码字矩阵作为发射预编码矩阵，与正交空时编码的码字矩阵相乘后发送出去。

闭环分集技术的问题在于在高速情况性能较差。一方面反馈信息本身无法保证被正确地传到发送端，另一方面信道变化太快易使反馈的信息失效，从而使得高速性能下降。

闭环分集技术的另一个问题在于如何设计预编码码本和如何从码本中选择最优的码字矩阵，在目前的公开文献中，没有较好的方法。

发明内容

本发明各实施方式要解决的主要技术问题是提供一种基于多输入多输出系统的通信方法及设备，使得在高速和低速情况下MIMO系统都可以有较令人满意的性能。

本发明的实施方式公开了一种基于多输入多输出系统的通信方法，包含以下步骤：

接收端根据当前信道状态选择最优预编码矩阵，并将代表该预编码矩阵的信息反馈给发送端；

所述发送端对需要传输的信息进行正交空时编码，再乘以所述接收端反馈的信息所代表的预编码矩阵后发送；

所述接收端将收到的信号乘以所述发送端所用预编码矩阵的共扼转置，再进行正交空时解码后得到所述发送端需要传输的信息。

本发明的实施方式还公开了一种基于多输入多输出系统的接收设备，包含，

根据当前信道状态选择最优预编码矩阵的单元；

将代表该预编码矩阵的信息反馈给发送端的单元；

将收到的信号乘以所述发送端所用预编码矩阵的共扼转置的单元；

对乘以所述预编码矩阵的共扼转置后的信号进行正交空时解码的单元。

本发明的实施方式还公开了一种基于多输入多输出系统的发送设备，包含，

从接收端获得反馈信息的单元；

对需要传输的信息进行正交空时编码的单元；

将经所述正交空时编码的信号乘以所述接收端反馈的信息所代表的预编码矩阵后发送的单元。

本发明各实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

提出了闭环正交空时编码方案，即，接收端根据当前信道状态选择预编码矩阵并将相关信息反馈到发送端，发送端将经正交空时编码的信号乘以接收端所选的预编码矩阵后发送。对信道衰落条件具有鲁棒(Robust)性，在低速时，因为使用了闭环的CSI反馈，以较少的反馈信息量，在获得发射分集增益的同时，提高了系统阵列增益，所以MIMO系统有较好的传输性能；在高速时，尽管反馈信息的正确性无法保证，因为使用了正交空时编码，使系统保持了开环正交空时编码发射分集增益，所以在高速时MIMO系统依然有较好的性能。

可以在发送端和接收端设置相同的码本，接收端从码本中选择最优预编码矩阵，仅向发送端反馈该最优预编码矩阵在码本中的序号，从而减少了在反馈上的资源消耗。

接收端所选的最优预编码矩阵是码本中使‖HF‖_F ²最大的预编码矩阵，其中H为信道矩阵，F为码本中的预编码矩阵，‖‖_F ²代表2范数。从而解决了目前公开文献中没有较好的预编码矩阵选择方法的问题。

本发明的实施方式还提出了一种用于码本生成的优化搜索方法，可以使得到的码本中的码字在Grassmanian空间中的最小距离最大化，使码本在给定的空间内各态历经分布。

附图说明

图1是根据本发明较佳实施方式的基于MIMO系统的通信方法流程图；

图2是根据本发明较佳实施方式的一个MIMO系统模型示意图；

图3是码本长度和移动速度不同的情况下本发明实施方式的仿真结果；

图4是码本长度不同的情况下本发明实施方式的仿真结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

本发明的较佳实施方式中，基于MIMO系统的通信方法流程如图1所示。

在步骤110中，接收端根据当前信道状态选择最优预编码矩阵。接收端在收到信号时，可以根据信号的接收情况估计当前的信道状态。

可以在接收端和发送端都保存相同的码本，其中包含多个预编码矩阵，接收端从码本中选择最匹配当前信道状态的预编码矩阵作为最优预编码矩阵。

最优预编码矩阵是码本中使‖HF‖_F ²最大的预编码矩阵，其中H为信道矩阵，F为所述码本中的预编码矩阵，‖‖_F ²代表2范数。最优预编码矩阵的具体选择方法和码本的生成方法将在后文中详细描述。

此后进入步骤120，接收端将代表最优预编码矩阵的信息反馈给发送端。本实施方式中，代表预编码矩阵的信息是该预编码矩阵在码本中的序号。通过使用码本，可以大大减少需要反馈的信息量。

当然本发明也可以不使用码本，而是采用其它方式选择最优预编码矩阵并反馈相关信息，只要接收端可以唯一地确定与发送端一致的预编码矩阵即可。例如，可以反馈经压缩的最优预编码矩阵的全部信息，或者先在码本中找到与最优预编码矩阵最接近的码字，将该码字的序号和最优预编码矩阵与该码字的差值以压缩形式反馈。

此后进入步骤130，发送端对需要传输的信息进行正交空时编码。

此后进入步骤140，发送端将经正交空时编码的信号乘以接收端反馈的信息所代表的预编码矩阵后发送。发送设备保存有与接收端相同的码本，发送端根据接收端反馈的序号，在码本中找到相应的预编码矩阵。

此后进入步骤150，接收端将收到的信号乘以发送端所用预编码矩阵的共扼转置。这里所称的发送端所用预编码矩阵就是步骤120中接收端向发送端反馈那个最优预编码矩阵。

此后进入步骤160，接收端进行进行正交空时解码。

需要说明的是，步骤110、120与步骤150、160可以是由同一个信号触发的。接收端收到信号后，一方面通过步骤150和160解出这个信号，另一方面通过步骤110和120向发送端反馈，反馈的信息被发送端用于之后的信息发送。

在图2中，以基站向移动台发送信息为例，图示了上述流程的一个系统模型。

考虑采用正交空时编码的MIMO系统下行链路，基站配置了N_t根发射天线，用户端分配置了N_r根天线。假设在发射天线和接收天线周围存在丰富的散射体，且信道系数h_nm(为从第m根发射天线到第n根接收天线之间信道的响应)服从高斯分布CN(0，1)。假设信道在T个时隙间隔内保持准静态。因此在这T个时隙内用户的等效基带接收信号模型可以表示为：

Y = \sqrt{\frac{E_{s}}{M}} HFC + W - - - (1)

其中Y为N_r×T维的接收信号矩阵，E_s为用户发射天线总功率，N_r×N_t维的信道矩阵H由复的高斯随机变量组成，W为N_r×T维的高斯白噪声矩阵，其元素为独立同分布的

分布随机变量，F为N_t×M维的预编码矩阵；C为用户的发送符号经正交空时编码后的M×T维发送码字矩阵，由星座图s中q个相互独立的调制符号S_c＝{s¹，……，s^q}组成，每符号服从功率约束E[sⁱsⁱ]＝1，并有

{CC}^{H} = (Σ_{i = 1}^{q} {| s^{i} |}^{2}) I_{M},

其中E[·]为期望运算符，[·]^H为共轭转置操作。M为数据流的个数。

在基站已经知用户信道状态信息的条件下，式(1)中预编码矩阵F可通过适当优化准则来设计获得，但是当系统采用频分双工(Frequency DivisionDuplex，简称“FDD”)模式时，用户需要反馈全部CSI给基站，当系统用户数比较大时，这种机制开销太大，并且在无线通信系统中，基站获取所有用户全部CSI也不太现实。针对上述情况，为了减少反馈信息量，在对实际的点对点MIMO系统，经常采用码本进行预编码设计。

下面详细地说明如何选择最优预编码码字。

假设基于正交空时编码的MIMO无线通信系统用户接收的M×T维的含错码字矩阵为E，在信道矩阵为H，预编码矩阵为F，发送的码字矩阵为C的条件下，正交空时编码系统最大似然估计序列码字的条件错误概率上界可表示为：

\Pr (C &RightArrow; E | H) \leq (\exp - γ {| | HF | |}_{F}^{2}) - - - (2)

其中，‖‖_F ²代表2范数，γ为与数据流大小M、每用户接收天线的平均信噪比ρ以及星座图s有关的函数，在一次发送过程中γ保持不变，因此正交空时编码的码字的条件错误概率与发射分集增益‖HF‖_F ²有关，码字的条件错误概率随着‖HF‖_F ²的增加成指数下降。在一次发送过程中，为使码字的条件错误概率最小，应设计编码矩阵F使‖HF‖_F ²最大，因此最优预编码矩阵由以下约束确定：

f (H) = \underset{F}{\arg \max} {| | HF | |}_{F}^{2} - - - (3)

在基站已知用户信道状态信息的条件下，假设H＝UΛV^H，V为V的前M列，则矩阵最优预编码矩阵为F_opt＝V。在实际系统中常采用码本来设计预编码矩矩阵，最优预编码矩阵F将从给定码本Ω中选择使满足条件(3)的码字作为其预编码矩阵，并将选择的码字在码本中的序号反馈给基站，基站将此序号的码字矩阵作为发射预编码矩阵，与正交空时编码的码字矩阵相乘后发送出去，其中F∈Ω＝{P₁，……，P_N}满足

P_{k}^{H} P_{k} = I_{M},

N为码本长度。

下面举例说明如何构建正交空时编码的预编码码本：

定义码本空间Ω元素F_i，F_j间弦距离d_c(F_i，F_j)为：

d_{c} (F_{i}, F_{j}) = \frac{1}{2} {| | F_{i} F_{i}^{H} - F_{j} F_{j}^{H} | |}_{F} = tr (I_{M} - F_{j}^{H} F_{i} F_{i}^{H} F_{j}) - - - (4)

基于聚类分析的正交空时编码的预编码酉码本的设计方法如下：

1)设k＝0，给定初始化码本

F_{i}^{k} = Θ_{i} F_{DFT},

i∈{1，…，N}，其中

为0到2π之间均匀分布的随机变量，F_DFT为N_r×M的离散傅立叶变换(Discrete Fourier Transformation，简称“DFT”)矩阵。定义Ω^k＝{F₁，…，F_N}，并计算码本最小弦距离

\min_d (k) = \min_{1 \leq i < j \leq N} d_{c} (F_{i}, F_{j}),

F_i，F_j∈Ω^k

2)随机生成N_s个N_r×M维态各态历经列正交的酉矩阵U，为了使U具有遍历性应使N_s足够大。

3)设k＝k+1，采用聚类分析方法把U分成N类，使U_j，j＝1，…，N_s都成各类中的一个成员：

R_{i} = {U| d_{c} (U, F_{i}) < d_{c} (U, F_{j}), &ForAll; j &NotEqual; i, F_{j}, F_{i} &Element; Ω^{k}}, i = 1, \cdot \cdot \cdot, N - - - (5)

这里简单举例介绍一下聚类分析的含义：

初始化一个码本，可称为旧码本，此码本由16个码字构成。随机产生10000个样品样本码字，每个样品样本码字分别和16个码字计算距离，得到最小距离对应的码字，那么这个样品样本码字就和最小距离对应得码字分为一类，这样就可以归为16类，这就是聚类分析的方法。

4)对每个类求最优码字矩阵：

F_{i}^{opt} = \arg \min_{F} \frac{1}{N_{i}} \underset{U_{n} &Element; R_{i}}{Σ} d_{c} (U_{n}, F) = \arg \max_{F} tr (F^{H} (\frac{1}{N_{i}} \underset{U_{n} &Element; R}{Σ} U_{n} U_{n}^{H}) F^{H}), i = 1, \cdot \cdot \cdot, N - - - (6)

5)定义

Ψ_{i} = \frac{1}{N_{i}} \underset{U_{n} &Element; R_{i}}{Σ} U_{n} U_{n}^{H},

对ψ_i进行特征值分解ψ_i＝VΛV^H，因此最优码字矩阵F_i ^opt应为特征矢量V的前M个最大特征对应的特征矢量，定义

Ω^{opt} = {F_{1}^{opt}, \cdot \cdot \cdot, F_{N}^{opt}},

并计算码本Ω^opt的最小弦距离

\min_d (k) = \min_{1 \leq i < j \leq N} d_{c} (F_{i}^{opt}, F_{j}^{opt}),

F_{i}^{opt}, F_{j}^{opt} &Element; Ω^{opt},

其中，N_i为类R_i中的成员总数，i＝1，2，...N

6)如果min_d(k)≥min_d(k-1)则Ω^k＝Ω^opt，否则Ω^k＝Ω^k-1。继续回到步骤(2)，直到

\max \min_{1 \leq i < j \leq N} d_{c} (F_{i}, F_{j}),

F_i，F_j∈Ω^k经过多次迭代后不再增加为止。

从上面的说明可以看出，基于聚类分析的码本空间最小距离可通过迭代方式达到最大，使码本在给定的空间内各态历经分布。基于正交空时编码的最优预编码矩阵为信道矩阵前M个奇异值对应的右特征矢量组成，因此针对特定的信道条件，比如相关信道、Rice信道等，可以通过对信道进行Monte-Carlo仿真，并对信道对进行最优预编码生成N_r×M维态各态历经矩阵U，再聚类分析生成码本。该方法生成码本更符合实际的预编码的统计属性，可用于自适应码本设计。

该码本设计方可用于任意的天线配置和任意的码本长度，下面例举几个仿真结果。

本发明实施方式的仿真试验考虑一个采用有限反馈预编码的正交空时编码的多用户MIMO系统。假设基站配置了4根天线，每用户各自配置了1根天线，基站向每个用户发送2数据流，并对发送符号采用2根发射天线的Alamouti编码。

图3给出了码本长度和移动速度不同的情况下，所提出的闭环正交空时编码方案、基站配置的根天线的IEEE802.20 Rate-One方案以及开环Alamouti编码方案的系统误符号率性能随基站天线发射总功率变化曲线。可以看出在相同的码本大小和移动速率下，本发明实施方式的符号错误率均低于IEEE802.20中的方案。

图4给出了速率为3km/h、码本长度不同的情况下，所提出的码本与IEEE802.20中码本(Codebook index＝2)的系统误符号率性能随基站天线发射总功率变化曲线。可以看出，在相同的码本大小下，本发明实施方式的符号错误率均低于IEEE802.20中的方案。

图3、图4的仿真结果均使用了正交转换相键(Quadrature PhasesshiftKeying，简称“QPSK”)。

下面说明本发明较实施方式中的接收设备和发送设备。

接收设备包含：

根据当前信道状态选择最优预编码矩阵的单元；

将代表该预编码矩阵的信息反馈给发送端的单元；

将收到的信号乘以发送端所用预编码矩阵的共扼转置的单元；

对乘以预编码矩阵的共扼转置后的信号进行正交空时解码的单元。

接收设备中保存有与发送端相同的码本，该码本中包含至少一个预编码矩阵；接收设备从码本中选择最匹配当前信道状态的预编码矩阵作为最优预编码矩阵；代表预编码矩阵的信息是该预编码矩阵在码本中的序号。

发送设备包含：

从接收端获得反馈信息的单元；

对需要传输的信息进行正交空时编码的单元；

将经正交空时编码的信号乘以接收端反馈的信息所代表的预编码矩阵后发送的单元。

所述发送设备保存有与所述接收端相同的码本，该码本中包含至少一个预编码矩阵；

接收端反馈的代表预编码矩阵的信息是该预编码矩阵在码本中的序号。

需要说明的是，本发明的实施方式中所说的各种单元都是逻辑概念，物理上可以在不同装置中实现，也可以在同一装置中实现。这些单元可以有各种各样的名称，但只要具有上述功能就可以实现本发明的效果，就属于本发明的保护范围。

综上所述，在本发明的各实施方式中，对信道衰落条件具有鲁棒(Robust)性，在低速时，因为使用了闭环反馈，所以MIMO系统有较好的传输性能；在高速时，因为使用了正交空时编码，所以MIMO系统依然有较好的性能。总体来说，使用本发明的技术方案后，MIMO系统的性能比较均衡，不会因为终端移动速度的变化使系统性能发生较大的波动。

虽然通过参照本发明的某些优选实施例，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种基于多输入多输出系统的通信方法，其特征在于，包含以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于多输入多输出系统的通信方法，其特征在于，

在所述接收端和发送端都保存相同的码本，其中包含至少一个预编码矩阵；

所述接收端从所述码本中选择最匹配当前信道状态的预编码矩阵作为所述最优预编码矩阵；代表所述预编码矩阵的信息是该预编码矩阵在所述码本中的序号。

3.根据权利要求2所述的基于多输入多输出系统的通信方法，其特征在于，

所述最优预编码矩阵是所述码本中使||HF||_F ²最大的预编码矩阵，其中H为信道矩阵，F为所述码本中的预编码矩阵，|| ||_F ²；代表2范数。

4.根据权利要求2所述的基于多输入多输出系统的通信方法，其特征在于，

通过以下步骤得到所述码本：

通过优化搜索找到N个N_r×M维各态历经列正交的酉矩阵U作为所述码本的码字，该优化搜索的目标函数是这些码字在Grassmanian空间中最小距离，使该目标函数值最大的的N个U即所述码本的码字；

其中N_r是接收天线个数，M为数据流个数，N为码本长度。

5.根据权利要求4所述的基于多输入多输出系统的通信方法，其特征在于，

通过以下步骤实现所述优化搜索：

A生成初始码本；

B生成N_s个U；

C将N_s个U分为N类，每个类中成员

R_{i} = {U | d_{c} (U, F_{i}) < d_{c} (U, F_{j}), &ForAll; j &NotEqual; i, F_{j}, F_{i} &Element; Ω^{κ}};

D对每个类求最优码字矩阵

F_{i}^{opt} = \arg \min_{F} \frac{1}{N_{i}} \underset{U_{n} &Element; R_{i}}{Σ} d_{c} (U_{n}, F),

i＝1，…，N

E以每个类的最优码字矩阵构成候选码本Ω^opt，并计算该候选码本的最小弦距离

\min_d (k) = \min_{1 \leq i < j \leq N} d_{c} (F_{i}^{opt}, F_{j}^{opt}),

F_i ^opt，

F_{j}^{opt} &Element; Ω^{opt};

F如果候选码本的最小弦距离大于或等于当前码本的最小弦距离，则将候选码本Ω^opt作为新的当前码本Ω^k；

重复以上步骤B至F，直到候选码本的最小弦距离小于或等于当前码本的最小弦距离的连续次数达到预定门限；

其中，N_s为正整数且N_s＞N，d_c表示两个矩阵的弦距离。

6.根据权利要求5所述的基于多输入多输出系统的通信方法，其特征在于，

所述初始码本

F_{i}^{k} = Θ_{i} F_{DFT},

i∈{1，…，N}，其中

为0到2π之间均匀分布的随机变量，F_DFT为N_r×M的离散傅立叶变换DFT矩阵。

7.一种基于多输入多输出系统的接收设备，其特征在于，包含，

根据当前信道状态选择最优预编码矩阵的单元；

将代表该预编码矩阵的信息反馈给发送端的单元；

8.根据权利要求7所述的基于多输入多输出系统的接收设备，其特征在于，

所述接收设备中保存有与发送端相同的码本，该码本中包含至少一个预编码矩阵；

所述接收设备从所述码本中选择最匹配当前信道状态的预编码矩阵作为所述最优预编码矩阵；代表所述预编码矩阵的信息是该预编码矩阵在所述码本中的序号。

9.根据权利要求8所述的基于多输入多输出系统的接收设备，其特征在于，

所述最优预编码矩阵是所述码本中使||HF||_F ²最大的预编码矩阵，其中H为信道矩阵，F为所述码本中的预编码矩阵，|| ||_F ²代表2范数。

10.一种基于多输入多输出系统的发送设备，其特征在于，包含，

从接收端获得反馈信息的单元；

对需要传输的信息进行正交空时编码的单元；

11.根据权利要求10所述的基于多输入多输出系统的发送设备，其特征在于，所述发送设备保存有与所述接收端相同的码本，该码本中包含至少一个预编码矩阵；

所述接收端反馈的代表所述预编码矩阵的信息是该预编码矩阵在所述码本中的序号。