CN101453258A - Svd预编码方法、预解码方法及使用所述方法的系统 - Google Patents

Abstract

一种在发射端使用的预编码方法，包括步骤：对接收到的信息比特进行信道编码；对已编码数据进行基带调制，根据UL Sounding信号估计信道矩阵(H^T)，并利用所述信道矩阵(H^T)，基于奇异值分解得到发射矩阵(V)，利用所述发射矩阵(V)对调制数据进行预编码；将结果分配到OFDM子载波上，并发射得到的数据码元。利用本发明的方法，可以很好地解决TDD系统中反馈式闭环中反馈信道占用较多空口资源的缺点。此外，与采用导频信号来估计信道相比较，本发明采用占据分配子带的所有子载波的UL Sounding信号来估计信道要更加准确，从而提高了预编码的性能。

Description

SVD预编码方法、预解码方法及使用所述方法的系统

技术领域

本发明涉及无线通信系统中的编码方法，更具体地，涉及一种基于Uplink Sounding的奇异值分解预编码方法、预解码方法及使用所述方法的系统。

背景技术

由于现在无线业务变得越来越重要，对更高网络容量和更高性能的需求不断增长。几种选择方式如更高带宽、优化的调制方式甚至代码复用系统实际上提高频谱效率的潜力有限。多输入多输出(MultipleInput Multiple Output，MIMO)系统通过采用天线阵列，利用空间复用技术来提高所使用带宽的效率。在很多实际应用中，信道参数能够通过接收端至发送端的反馈信道获得(假设反馈延时远小于信道相干时间)。另外，在时分双工(TDD)系统中，当数据接收和发送间隔在乒乓时间内完成，信道在接收模式下的估计值能够被用于发送模式中(假设乒乓时间远小于信道相干时间)。

因此，存在的问题在于：如何利用这些信道估计值来优化发射机的发送方案以及设计相应的最优接收机。目前的研究中主要分为线性和非线性优化预编码(Pre-coding)技术。其中，非线性预编码方案虽然具有较优的性能但其复杂度远远高于线性方案，因此线性预编码技术是研究的主流。线性预编码技术充分利用全部或部分信道状态信息(Channel State Information，CSI)获得尽可能多的波束成形增益。在线性预编码技术中最常用的方法为奇异值分解(Singular ValueDecomposition，SVD)，基于SVD分解的线性预编码技术在理论上的传输速率可以达到信道容量。基于SVD分解的线性预编码技术需要发射端尽可能的知道信道的状态信息(CSI)。

基于SVD分解的线性预编码技术的基本原理如下：

考虑在平坦衰落信道下，一个带有N_t个发射天线和N_r个接收天线的MIMO系统。设x表示为一个数据码元的复向量，H表示为一个N_r×N_t的服从瑞利(Rayleigh)分布的信道矩阵，n表示为附加高斯白噪声向量(Additive White Gaussian Noise，AWGN)，则在接收端的接收码元的矢量表示为：

y＝Hx+n                                  (1)

利用SVD分解将信道矩阵H分解成为3个矩阵，即SVD{H}＝{U，∑，V}，在该公式中，U和V表示为酉矩阵；∑表示为信道矩阵H的奇异值对角矩阵并且该矩阵按照降序排列。信道矩阵H的SVD分解表达式为：

H＝U∑V^＊                               (2)

根据现有技术的基于SVD分解的MIMO系统框图如图1所示。从图1可以看出，发送端的数据码元向量x与预编码矩阵V相乘以后通过N_t个天线发送出去，数据信号经过MIMO信道到达接收端；接收端利用Nr个天线接收信号，并且利用预解码矩阵U^＊来去除信道影响。接收向量y可以表示为：

y＝U^＊HVx+U^＊n

 ＝U^＊U∑V^＊Vx+U^＊n                     (3)

 ＝∑x+U^＊n

在MIMO系统中，如果要进行基于SVD分解的预编码处理，需要发射端通过两种方式来获得预编码矩阵V。一种方式是发射端在获得信道矩阵H后，利用SVD分解来获得预编码矩阵V。另一种方式是发射端通过接收端反馈来获得预编码矩阵V的信息。通信系统在FDD模式下，由于上下行通信链路占用不同的频带，所以只能用第二种方式通过接收端反馈来获得预编码矩阵V的信息。在TDD模式下，则两种方式都可以运用。如果在TDD模式下，发射端能够准确的获得预编码矩阵V就可以提高系统的性能，并降低接收端的复杂度。因此，在TDD模式下，发射端如何准确获得预编码矩阵V是本发明研究的重点。

对于通过接收端反馈的码本来获得预编码矩阵V的方法，这种方法在FDD模式下是非常适用的。这是因为在FDD模式下的移动通信系统上下行信道采用不同的频率，因而上下行信道不具备互惠性。因此只能通过接收端反馈来获得预编码矩阵V的信息。

但是在TDD模式下，通过接收端反馈的码本来获得预编码矩阵V的方法，就会有浪费带宽资源、能量和迟延等缺点。这是因为TDD模式下，移动通信系统的上下行链路信道冲激响应具有互惠性，这导致可以通过估计上行链路的信道冲激响应来得到下行链路的信道冲激响应。目前，在TDD模式下，对于MIMO—OFDM系统主要是通过在数据帧中插入离散导频信道(Pilot)来估计信道响应。但是由于要估计信道冲激矩阵H，就必须通过对估计的离散信道响应进行插值，但通常不能得到比较准确的信道冲激响应H。

因此，本发明的目的在于，在TDD的模式下，利用UL Sounding信号来支持基于SVD分解的线性预编码从而获得比较准确的信道冲激矩阵H。这样可以提高系统的性能并且降低了接收端的复杂度，同时其性能也好于利用码本这种方式来进行预编码。

发明内容

根据本发明的一个方面，提出了一种在发射端使用的预编码方法，包括步骤：

a)对接收到的信息比特进行信道编码；

b)对已编码数据进行基带调制，根据UL Sounding信号估计信道矩阵(H^T)，并利用所述信道矩阵(H^T)，基于奇异值分解得到发射矩阵(V)，利用所述发射矩阵(V)对调制数据进行预编码；

c)将结果分配到OFDM子载波上，并发射得到的数据码元。

根据本发明的另一方面，提出了一种在接收端使用的预解码方法，包括步骤：

对接收到的数据码元进行解调；

利用导频序列估计信道矩阵；

利用估计的信道矩阵(H)，基于奇异值分解得到预解码矩阵(U^*)，并利用所述预解码矩阵(U^*)对解调数据进行预解码。

根据本发明的另一方面，提出了一种包括接收端和发射端的通信系统，所述通信系统包括：

发射端处的信道编码模块，用于对接收到的信息比特进行信道编码；

发射端处的调制模块，用于对已编码数据进行基带调制；

发射端处的预编码模块，用于向接收端发送请求UL Sounding信号的指令，根据接收到的UL Sounding信号估计信道矩阵(H^T)，并利用所述信道矩阵，基于奇异值分解得到发射矩阵(V)，利用所述发射矩阵(V)对调制数据进行预编码；

发射端处的发射模块，用于将结果分配到OFDM子载波上，并发射得到的数据码元；

接收端处的解调模块，用于对接收到的数据码元进行解调；

接收端处的信道估计模块，用于利用导频序列估计信道矩阵(H)；

预解码模块，用于响应发射端的指令向发射端发送UL Sounding，并利用估计的信道矩阵(H)，基于奇异值分解得到预解码矩阵(U^*)，并利用所述预解码矩阵(U^*)对解调数据进行预解码。

由于本发明利用SVD分解技术，其对信道的抑制作用要优于采用Codebook的方法。在方法简单的同时还可以简化接收机的复杂度。

此外，本发明采用的UL Sounding信号可以很好地解决TDD系统中反馈式闭环中反馈信道占用较多空口资源的缺点。

此外，本发明采用占据分配子带的所有子载波的UL Sounding信号来估计信道要比采用导频信号(pilot)来估计信道要更加准确，从而提高了预编码的性能。

同时，本发明采用的是第j帧的UL Sounding和第j+1帧中的导频序列(Preamble)来估计信道矩阵同时得到预编码矩阵V和U^*。由于两个信号发送的时间间隔比较小，所以估计出的信道响应的准确度比较高。

附图说明

图1示出了根据现有技术的基于SVD分解的MIMO系统框图；

图2示出了根据本发明的通信系统实现数据预编码和预解码的方框图；

图3示出了根据本发明的预编码方法使用的帧结构；以及

图4示出了根据本发明的预编码方法的信令图。

具体实施方式

本发明针对在TDD模式下，如何在MIMO-OFDM系统中获得准确的信道冲激响应H。下文的实施例中详细描述了根据本发明的系统框图及说明、系统的帧结构设计、UL Sounding信号说明以及基于ULSounding的调度算法流程。

系统框图

在TDD模式下，基于Uplink Sounding的SVD预编码的系统框图如图2所示。从图2中可以看出，该系统包括发射端、接收端及MIMO信道模块。发射端主要包括：信道编码模块、调制模块、预编码SVD分解模块、快速傅立叶逆变换模块、多天线发射模块及信道估计模块。接收端主要包括：多天线接收模块、快速傅立叶变换模块、预解码SVD分解模块、信道解码模块及信道估计模块。

在发射端，首先通过信道编码模块对信息比特进行信道编码。编码后的数据通过调制模块进行基带调制。这里，可以采用的基带调制方法包括但不局限于：QAM(正交幅度调制)、QPSK(正交相移键控)等本领域公知的调制方法。

然后，预编码SVD分解模块基于SVD分解，将调制信号与发射矩阵V进行相乘，最后分配到OFDM子载波上并发射出去。其中，对于基于SVD分解的矩阵V，首先，利用从接收端接收到的UL Sounding信号估计信道矩阵H，然后，根据TDD系统的信道互惠理论，计算出SVD中的发射矩阵V，用于发射数据码元。

在接收端，数据码元通过信道到达接收端。首先，接收端通过快速傅立叶变换模块对接收到的数据码元进行变换，从而对数据码元进行解调。然后，信道估计模块利用导频序列(Preamble)估计出信道矩阵H，再基于SVD分解，得到预解码矩阵U^*。接收端利用基于SVD分解得到的U^*进行预解码，然后通过解调模块将数据码元映射成比特流。然后，接收端利用信道解码模块对比特数据进行纠错，最后输出信息比特。

帧结构设计

根据本发明的帧结构如图3所示。从图3中可以看出，系统的帧结构可以分为五部分：控制信道子帧、导频信号序列、下行负载、上行负载、UL Sounding信号。系统通过控制信道要求接收端发射一个ULSounding来估计信道响应矩阵H，从而得到SVD分解中的发射矩阵V，并且通知接收端准备进行预编码接收。然后，发射端开始发射导频信号序列、下行负载。接收端接收到控制信道子帧后，会在上行链路中会发射UL Sounding信号。

UL Sounding信号

在IEEE 802.16e系统中，系统采用TDD模式进行工作。当用户(MS)在很长时间需要在同一个信道上发射数据的时候，同时需要实时知道下行链路(BS→MS)的信道响应，但是又不希望采用反馈方式得到信道状态信息，因为这种方式会占用太多资源，开销很大。同时希望得到比较准确的信道就矩阵；这是就会选择MS发射UL Sounding信号来估计信道响应H的方式。因为这种方式较采用Pilot这种方式更能准确的估计出信道响应矩阵H这样可以提高系统的性能，降低系统的复杂度，较小开销。

UL Sounding信号的主要作用在于：在TDD系统中，接收端发射一些已知码元给发射端，用于发射端估计上行信道的信道矩阵H，从而利用TDD模式中上下行信道具有互惠性的特性，来确定发射端到接收端的下行信道的响应。

传统的方式是接收端根据发射端在数据码元中插入的已知导频信号(pilot)通过插值算法来获得信道矩阵H。这一方法估计的信道不够准确，降低了预编码方法的性能。

在IEEE 802.16e协议中，UL Sounding信号发射方式有两种：第一种方式为离散型，即在所分配的频带上离散地插入UL Sounding信号。该方式主要是根据接收端发射的UL sounding信号来判断信道质量，选择最好的子载波来发射数据码元。第二种方式为接收端在所分配的频带上连续地插入UL Sounding信号，用于估计信道状态信息。

本发明主要是利用UL Sounding信号来估计信道，从而支持基于SVD分解的预编码技术。这种方法主要是发射端发射信令通知接收端要进行预编码处理，同时要求接收端发射UL Sounding信号并且该信号要占据分配子带的所有子载波，这样可以抑制采用导频信号(pilot)来估计信道所带来的误差，从而提高预编码方法的性能。

基于UL Sounding的调度算法

接下来将参考图4来详细描述根据本发明的基于UL Sounding的调度算法。从图4中可以看出，首先，发射端发送控制信令给接收端，要求接收端在第j帧(Frame(j))在分配子带的所有子载波上发送ULSounding信号。接收端接收到信令后，第j帧(Frame(j))在分配子带的所有子载波上发送UL Sounding信号。发射端接收到UL Sounding后，估计出信道矩阵H^T，根据TDD系统上下行信道具有互惠特性，推导出下行信道矩阵H，再根据信道矩阵H计算出预编码SVD分解中的发射矩阵V，然后对第j+1帧的数据部分进行预编码，最后匹配到OFDM子载波上并发射出去。

接收端接收到第j+1帧后，通过FFT进行OFDM解调，利用第j+1帧(Frame(j+1))中的导频序列估计信道矩阵H，计算SVD分解中的矩阵U^*(即接收端的预解码矩阵)。同时接收端利用计算出的矩阵U^*来预解码第j+1帧(Frame(j+1))中的数据。

本发明采用第j帧的UL Sounding和第j+1帧中的导频序列(Preamble)来估计信道矩阵，同时得到预编码矩阵V和U^*。由于两个通信时间间隔比较小，所以估计出的信道响应的准确度比较高。

Claims (8)

1.一种在发射端使用的预编码方法，包括步骤：

a)对接收到的信息比特进行信道编码；

b)对已编码数据进行基带调制，根据UL Sounding信号估计信道矩阵(H^T)，并利用所述信道矩阵(H^T)，基于奇异值分解得到发射矩阵(V)，利用所述发射矩阵(V)对调制数据进行预编码；

c)将结果分配到OFDM子载波上，并发射得到的数据码元。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，接收端响应来自发射端的请求，向发射端发送所述UL Sounding信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，接收端在分配子带的所有子载波上发送UL Sounding信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤b)中，利用ULSounding信号估计信道矩阵，并根据TDD系统的信号互惠理论来计算所述奇异值分解矩阵。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，发射端利用第j帧的ULSounding信号来得到第j+1帧信号的奇异值分解矩阵。

6.一种在接收端使用的预解码方法，包括步骤：

对接收到的数据码元进行解调；

利用导频序列估计信道矩阵；

利用估计的信道矩阵(H)，基于奇异值分解得到预解码矩阵(U^*)，并利用所述预解码矩阵(U^*)对解调数据进行预解码。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，接收端利用第j+1帧的导频序列来估计第j+1帧数据的信道矩阵(H)。

8.一种包括接收端和发射端的通信系统，所述通信系统包括：

发射端处的信道编码模块，用于对接收到的信息比特进行信道编码；

发射端处的调制模块，用于对已编码数据进行基带调制；

发射端处的预编码模块，用于向接收端发送请求UL Sounding信号的指令，根据接收到的UL Sounding信号估计信道矩阵(H^T)，并利用所述信道矩阵，基于奇异值分解得到发射矩阵(V)，利用所述发射矩阵(V)对调制数据进行预编码；

发射端处的发射模块，用于将结果分配到OFDM子载波上，并发射得到的数据码元；

接收端处的解调模块，用于对接收到的数据码元进行解调；

接收端处的信道估计模块，用于利用导频序列估计信道矩阵(H)；

预解码模块，用于响应发射端的指令向发射端发送UL Sounding，并利用估计的信道矩阵(H)，基于奇异值分解得到预解码矩阵(U^*)，并利用所述预解码矩阵(U^*)对解调数据进行预解码。

Images