CN101494489B - 基于时分双工系统的预编码多天线输入输出系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于时分双工系统的预编码多天线输入输出方法和系统，该方法中用于下一子帧进行编解码处理的预编码矩阵是这样得到的：提取信道矩阵中每个子信道的功率最大的信道冲激响应抽头组成信道重组矩阵，对该信道重组矩阵进行奇异值分解得到下一子帧的预编码矩阵和译码矩阵。本发明采用预编码技术，对信道矩阵进行重组，可以保证接收机分离出独立的数据流，有效地提高系统容量和数据传输速率，并能够大大的降低用户设备端运算的复杂度。

Description

基于时分双工系统的预编码多天线输入输出系统和方法

技术领域

本发明涉及通信系统，更具体的说，是一种基于TDD系统并结合基于预编码的多天线输入输出MIMO技术。

背景技术

无线通信系统中，MIMO(多输入多输出)最大的特点就是大大提高了系统的容量，如果MIMO系统的接收机将估计的部分或者全部信道信息反馈到发射机，发射机利用接收到的信道信息对发射信号进行预编码，则可以进一步的提高系统容量，增加传输速率。在TDD(时分双工)系统中，容量和速率的问题更是非常突出。因此，我们提出在TDD系统中采用预编码MIMO技术来提高系统容量，增加传输速率。

预编码MIMO是一种闭环的多天线传输技术。接收端通过预编码矩阵的形式把接收端的信道信息反馈给发射端，发射端根据这个信道信息进行发射数据的预处理。对于MIMO天线系统来说，如果信道的秩为M，则通过预编码矩阵和接收解码矩阵，可以形成M个正交的子信道，可以在这M个信道中分别传输独立的数据流。由于各个不同的数据流在彼此正交的信道上传输，所以，便于接收机检测。预编码MIMO系统是在调制映射之后对M个不同的数据流进行预编码，通过多天线发射，而对应的在接收机端首先进行相应的解码处理分离出不同的独立数据流，然后解调译码得到恢复的信息数据。但是在多径信道环境中如何构成信道矩阵进行奇异值分解得到预编码矩阵和接收解码矩阵是个难题，在接收端不能分离出不同的独立数据流来，系统容量和传输速率并没有增加。

专利申请号为CN200510033643的中国专利申请“用于多入多出通信系统的发射方法、装置和系统”，存在以下不足：

该专利申请根据发射机接收到接收机反馈的全部或部分信道信息，其中包含每个子信号流的信噪比，获得预编码矩阵，并根据每个子信号流的信噪比非平均的分配每个子信号流的功率增益，并且公布了发射机的结构。但是在多径信道环境中如何得到预编码矩阵和解码矩阵，在接收端将不同的独立数据流分离开来无法保证。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于时分双工系统的预编码的多天线输入输出方法和系统，以增加多径信道环境中系统的速率和容量。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于时分双工系统的预编码多天线输入输出方法，该方法中用于下一子帧进行编解码处理的预编码矩阵是这样得到的：提取信道矩阵中每个子信道的功率最大的信道冲激响应抽头组成信道重组矩阵，对该信道重组矩阵进行奇异值分解得到下一子帧的预编码矩阵和译码矩阵。

进一步地，该方法包括以下步骤：

(a)发射机接收接收机反馈的预编码矩阵；

(b)发射机根据得到的预编码矩阵对每个调制编码后的子信号数据流进行预编码，预编码后的数据送到发射天线发射；

(c)接收机接收到经过信道传输过来的数据，并进行信道估计得到信道矩阵，进行译码得到译码数据；

(d)接收机提取步骤(c)得到的信道矩阵中每个子信道的功率最大的信道冲激响应抽头组成信道重组矩阵，并对该矩阵进行奇异值分解得到下一子帧的预编码矩阵和译码矩阵；

(e)对步骤(c)得到的信道矩阵进行编解码处理，将处理后的信道矩阵和步骤(c)得到的译码数据一起进行信号检测。

进一步地，所述接收机为用户设备，步骤(c)中用户设备检测到小区系统信息，同时得到本小区的训练序列、扩频码和扰码信息，根据训练序列信息对接收训练序列信号进行信道冲激响应估计，得到所对应的信道冲激响应组成信道矩阵。

进一步地，步骤(c)中用户设备接收小区系统信息，其中用户数据部分为 $R_{\mathrm{data}}={[R_{\mathrm{data}1}^T,R_{\mathrm{data}2}^T]}^T,$ 训练序列部分为 $R_{\mathrm{mid}}={[R_{\mathrm{mid}1}^T,R_{\mathrm{mid}2}^T]}^T,$ 对各个流的训练序列部分 $R_{\mathrm{mid}}={[R_{\mathrm{mid}1}^T,R_{\mathrm{mid}2}^T]}^T$ 进行信道估计处理得到所对应的信道冲激响应组成信道矩阵

其中i表示发射天线序号，j表示接收天线序号。

进一步地，步骤(d)中从每个子信道的信道冲激相应

中提取功率最大的信道冲激响应抽头，记为

利用这些抽头重新组成一个信道重组矩阵对

进行奇异值分解，即 ${\hat{H}}_{\mathrm{pre}}=D_n\mathrm{\Σ}{P_n}^H,$ 得到下一子帧的预编码矩阵P_n和解码矩阵D_n。

进一步地，骤(e)中利用上一子帧得到的预编码矩阵和解码矩阵对信道矩阵

进行编解码处理，即： ${\hat{H}}^{\′}=D_{n-1}^H{\hat{H}}_n{P}_{n-1},$ 得到处理后的信道矩阵

进一步地，步骤(c)中利用上一子帧的译码矩阵对接收端用户数据部分 $R_{\mathrm{data}}={[R_{\mathrm{data}1}^T,R_{\mathrm{data}2}^T]}^T$ 进行译码处理，即： ${R_{\mathrm{data}}}^{\′}=D_{n-1}^H*R_{\mathrm{data}},$ 得到译码数据R_data′。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种基于时分双工系统的预编码多天线输入输出系统，该系统包括待发送数据前期处理模块、预编码及数据发射模块、信道矩阵获取及数据译码模块、信道矩阵处理模块及信号检测模块，其中，

待发送数据前期处理模块用于对待发送数据进行编码、调制、扩频加扰；

预编码及数据发射模块用于根据接收机反馈来的预编码矩阵对每个调制编码后的子信号流数据进行预编码，并发送预编码后的数据；

信道矩阵获取及数据译码模块用于根据小区的信息进行信道冲激响应估计获得信道矩阵及对数据进行译码；

信道矩阵处理模块用于提取信道矩阵中每个子信道的功率最大的信道冲激响应抽头组成信道重组矩阵，对该信道重组矩阵进行奇异值分解得到下一子帧的预编码矩阵和译码矩阵，并根据上一子帧的预编码矩阵和译码矩阵对信道矩阵进行编解码处理；

信号检测模块用于对编解码处理后的信道矩阵和译码数据进行信号检测，得到目标用户设备的期望数据。

本发明基于TDD系统采用多天线发射多天线接收技术，并采用预编码技术，对信道矩阵进行重组，可以保证接收机分离出独立的数据流，有效地提高系统容量及数据传输速率，并能够大大的降低用户设备(UE)端运算的复杂度。

附图说明

图1是时分双工系统空间信号与天线示意图.

图2是本发明时分双工系统中基站端发射信号处理过程示意图.

图3是本发明时分双工系统中UE端接收信号处理过程示意图.

图4是本发明时分双工系统的预编码多天线输入输出系统示意图。

具体实施方式

本发明基于时分双工系统的预编码多天线输入输出方法的基本思想是用于下一子帧进行编解码处理的预编码矩阵是这样得到的：提取信道矩阵中每个子信道的功率最大的信道冲激响应抽头组成信道重组矩阵，对该信道重组矩阵进行奇异值分解得到下一子帧的预编码矩阵和译码矩阵。

本发明基于时分双工系统的预编码多天线输入输出方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：发射机接收到接收机反馈的预编码矩阵；

步骤二：根据得到的预编码矩阵对每个调制编码后的子信号数据流进行预编码，预编码后的数据送到发射天线发射；

步骤三：接收机接收经过信道传输过来的小区系统信息，同时得到本小区的训练序列、扩频码和扰码信息，根据训练序列信息对接收训练序列信号进行信道冲激响应估计得到信道矩阵，对数据部分进行译码；

以上所说的接收机为用户设备，用户设备接收的是专用物理信道的下行普通语音或者数据业务信息。

步骤四：提取信道矩阵中每个子信道的功率最大的信道冲激响应抽头组成信道重组矩阵，对得到的信道重组矩阵进行奇异值分解得到下一子帧的预编码矩阵和译码矩阵；

步骤五：对步骤三得到的信道矩阵进行编解码处理，将处理后得到的信道矩阵和第三步得到的译码数据一起进行信号检测，

本发明提供了一种基于TDD系统并结合基于预编码的多天线输入输出MIMO技术。下面结合附图对基于TDD系统并结合基于预编码的多天线输入输出MIMO技术进行说明：

图1是本发明的空间信号与天线示意图，MIMO系统使用多个(N_T)发射天线和多个(N_R)接收天线用于数据传输：N_T个发射天线和N_R个接收天线形成的MIMO信道被分解成N_S个独立子信道，其中N_S≤min{N_T，N_R}。Ns个独立信道的每个也被称为MIMO信道的传输信道。传输信道数目由MIMO信道矩阵H的秩确定。

信道响应矩阵H的元素由独立的高斯随机变量组成，如下：

那么对应于Nt根发射天线与Nr根接收天线之间有Ns个独立传输子信道，其物理含义如图1所示：

x代表天线发射的数据，y代表接收天线所接收的数据，那么H表示在发射天线与接收天线之间的的信道冲激响应矩阵，比如h₁₃代表第3根发射天线与第1根接收天线间的信道冲激响应。

y＝Hx+n

信道矩阵H可以奇异值分解为：

H＝D∑P^H

给等式两端同时左乘矩阵D^H，将x分解为x＝PS，那么可以得到：

$r=D^H\mathrm{HPS}+D^{H}n=\mathrm{\ΣS}+\hat{n}$

S代表空间子信道的发射信号，r代表空间子信道的接收信号，奇异值分解得到的∑是由奇异值组成的矩阵，每一个奇异值代表这个独立空间子信道的增益。所对应的关系为：x＝Ps；r＝D^Hy，其中P为预编码矩阵，译码矩阵为G＝D^H。

图2是本发明发射端发射信号处理流程图，发射端两个数据流经过201编码复用、调制、扩频加扰得到的数据流为S1，S2，S＝[S₁ S₂]^T。设预编码矩阵为P， $P=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\ω}}_1& {\mathrm{\ω}}_3\\ {\mathrm{\ω}}_2& {\mathrm{\ω}}_4\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{p}_{11}& p_{21}\\ p_{12}& p_{22}\end{array}\right],$ 其中P_ij，i表示预编码输入数据流编号，j表示预编码输出数据流编号。经过202预编码后的各天线数据为Y1，Y2，Y＝[Y₁ Y₂]^T，其中Y_i，i表示天线序号，可以由下式表示： $Y=P*S=\left[\begin{array}{cc}{p}_{11}& p_{21}\\ p_{12}& p_{22}\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}{S}_1\\ S_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{p}_{11}{S}_1+p_{21}{S}_2\\ p_{12}{S}_1+p_{22}{S}_2\end{array}\right].$ 再经过203对各个天线上的数据流加midamble(训练序列)形成待发射的基带数据。

图3是本发明接收端接收信号处理流程图，该流程包括以下步骤：

步骤301，用户设备接收小区的信息，其中用户数据部分为 $R_{\mathrm{data}}={[R_{\mathrm{data}1}^T,R_{\mathrm{data}2}^T]}^T,$ 训练序列部分为 $R_{\mathrm{mid}}={[R_{\mathrm{mid}1}^T,R_{\mathrm{mid}2}^T]}^T,$ 对各个流的训练序列部分 $R_{\mathrm{mid}}={[R_{\mathrm{mid}1}^T,R_{\mathrm{mid}2}^T]}^T$ 进行信道估计处理得到所对应的信道冲激响应组成信道矩阵

由下式表示 ${\hat{H}}_n=\left[\begin{array}{cc}{\hat{H}}_{11}& {\hat{H}}_{21}\\ {\hat{H}}_{12}& {\hat{H}}_{22}\end{array}\right],$

中i，j＝1，2，i表示发射天线序号，j表示接收天线序号。

步骤302，将从

中提取功率最大的信道冲激响应抽头，记为利用这些抽头重新组成一个信道冲激响应矩阵 ${\hat{H}}_{\mathrm{pre}}=\left[\begin{array}{cc}{h}_{11}& h_{21}\\ h_{12}& h_{22}\end{array}\right].$ 对

进行奇异值分解，即 ${\hat{H}}_{\mathrm{pre}}=D_n\mathrm{\Σ}{P}_n^H,$ 得到下一子帧的预编码矩阵P_n和译码矩阵D_n。

如果概括来讲，信道矩阵为

其中，i表示发射天线序号，j表示接收天线序号，相应的，信道重组矩阵为：

步骤303，利用上一子帧得到的预编码矩阵和译码矩阵对信道矩阵

进行编解码处理，即： ${\hat{H}}^{\′}=D_{n-1}^H{\hat{H}}_n{P}_{n-1},$ 得到

处理完后的矩阵

是个斜对角矩阵，可以方便后面的信号检测。

步骤304，利用上一子帧的解码矩阵对接收端用户数据部分 $R_{\mathrm{data}}={[R_{\mathrm{data}1}^T,R_{\mathrm{data}2}^T]}^T$ 进行译码处理，即： ${R_{\mathrm{data}}}^{\′}=D_{n-1}^H*R_{\mathrm{data}},$ 得到R_data′。

步骤305，

同R_data′一起送入信号检测模块，得到目标用户得期望数据。

本发明还提供了一种TDD系统预编码多天线输入输出MIMO系统，该系统包括接收机和发射机，其中发射机用于对待发送数据进行进行处理并向接收机发射处理后数据，包括待发送数据前期处理模块401和预编码及数据发射模块402，其中：

待发送数据前期处理模块401，用于对待发送数据进行编码、调制、扩频加扰；

预编码及数据发射模块402，用于根据接收机反馈来的预编码矩阵对每个调制编码后的子信号流数据进行预编码，并发送预编码后的数据；

接收机用于根据接收到的数据获得信道矩阵，提取信道矩阵中每个子信道的功率最大的信道冲激响应抽头组成信道重组矩阵，根据该信道重组矩阵获得预编码矩阵和译码矩阵，对信道矩阵编解码处理及对数据译码后进行信号检测，包括信道矩阵获取及数据译码模块、信道矩阵处理模块和信号检测模块，其中：

信道矩阵获取及数据译码模块403，用于根据小区的信息进行信道冲激响应估计获得信道矩阵及对数据进行译码；

信道矩阵处理模块404，用于提取信道矩阵中每个子信道的功率最大的信道冲激响应抽头组成信道重组矩阵，并对该矩阵进行奇异值分解得到下一子帧的预编码矩阵和译码矩阵，根据上一子帧的预编码矩阵和译码矩阵对信道矩阵进行编解码处理；

信号检测模块405，用于对编解码处理后的信道矩阵和译码数据进行信号检测，得到目标用户设备的期望数据。

综上所述，本发明基于TDD系统采用多天线发射多天线接收技术，并采用预编码技术，利用上一子帧预编码矩阵和解码矩阵对接收到的信息进行处理，能够保证接收机分离出独立的信号流，有效地提高系统容量，提高数据传输速率，并能够大大的降低用户设备(UE)端运算的复杂度。

本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。

Claims (8)

1.一种基于时分双工系统的预编码多天线输入输出方法，其特征在于，用于下一子帧进行编解码处理的预编码矩阵是这样得到的：提取信道矩阵中每个子信道的功率最大的信道冲激响应抽头组成信道重组矩阵，对该信道重组矩阵进行奇异值分解得到下一子帧的预编码矩阵和译码矩阵。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(a)发射机接收接收机反馈的预编码矩阵；

(b)发射机根据得到的预编码矩阵对每个调制编码后的子信号数据流进行预编码，预编码后的数据送到发射天线发射；

(c)接收机接收到经过信道传输过来的数据，并进行信道估计得到信道矩阵，进行译码得到译码数据；

(d)接收机提取步骤(c)得到的信道矩阵中每个子信道的功率最大的信道冲激响应抽头组成信道重组矩阵，并对该信道重组矩阵进行奇异值分解得到下一子帧的预编码矩阵和译码矩阵；

(e)对步骤(c)得到的信道矩阵进行编解码处理，将处理后的信道矩阵和步骤(c)得到的译码数据一起进行信号检测。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述接收机为用户设备，步骤(c)中用户设备检测到小区系统信息，同时得到本小区的训练序列信息、扩频码信息和扰码信息，根据训练序列信息对接收训练序列信号进行信道冲激响应估计，得到所对应的信道冲激响应组成信道矩阵。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤(c)中用户设备接收小区系统信息，其中用户数据部分为

训练序列部分为

对各个流的训练序列部分

进行信道估计处理得到所对应的信道冲激响应组成信道矩阵

其中i表示发射天线序号，j表示接收天线序号。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤(d)中从每个子信道的信道冲激响应

中提取功率最大的信道冲激响应抽头，记为

利用这些抽头重新组成一个信道重组矩阵

对

进行奇异值分解，即

得到下一子帧的预编码矩阵P_n和译码矩阵D_n。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤(e)中利用上一子帧得到的预编码矩阵和译码矩阵对信道矩阵

进行编解码处理，即：得到处理后的信道矩阵

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤(c)中利用上一子帧的译码矩阵对接收端用户数据部分进行译码处理，即：

得到译码数据R_data′。

8.一种基于时分双工系统的预编码多天线输入输出系统，其特征在于，该系统包括待发送数据前期处理模块、预编码及数据发射模块、信道矩阵获取及数据译码模块、信道矩阵处理模块及信号检测模块，其中，

待发送数据前期处理模块用于对待发送数据进行编码、调制、扩频加扰；

预编码及数据发射模块用于根据接收机反馈来的预编码矩阵对每个调制编码后的子信号流数据进行预编码，并发送预编码后的数据；

信道矩阵获取及数据译码模块用于根据小区的信息进行信道冲激响应估计获得信道矩阵及对数据进行译码；

信道矩阵处理模块用于提取信道矩阵中每个子信道的功率最大的信道冲激响应抽头组成信道重组矩阵，对该信道重组矩阵进行奇异值分解得到下一子帧的预编码矩阵和译码矩阵，并根据上一子帧的预编码矩阵和译码矩阵对信道矩阵进行编解码处理；

信号检测模块用于对编解码处理后的信道矩阵和译码数据进行信号检测，得到目标用户设备的期望数据。

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