CN101552631A - 一种多输入多输出预编码方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多输入多输出预编码方法及装置，在该方法中，根据预先设置的码流个数以及发射天线数目，确定仿酉矩阵形式的码流变换矩阵；根据预先设置的码流个数构造待发送信号，利用码流变换矩阵对流间干扰消除后的待发送信号进行码流变换。在本发明的预编码装置中，包括：码流变换处理模块和干扰消除模块。本发明的方案能够有效地提高MIMO系统中的信号传输质量。

Description

一种多输入多输出预编码方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域中的信号发射技术，尤其涉及一种多输入多输出(Multiple Input and Multiple Output，MIMO)系统中的汤姆林森-哈拉希玛预编码(Tomlinson-Harashima Precoding，THP)方法及预编码装置。

背景技术

预编码技术是提高MIMO系统性能的一种关键技术，这种技术能够实现MIMO系统中信号传输过程的干扰消除，获得较好的信号传输质量。其中，THP技术是一种由发射端执行的非线性预编码技术。

图1示出了采用现有THP预编码方法的单用户MIMO系统中的信号传输示意图。参见图1，在采用THP技术的单用户MIMO系统中，发射端根据对信道状态信息矩阵H进行QR分解后的结果，确定反馈矩阵，然后对调制后的待发送信号进行取模处理，再利用该反馈矩阵进行反馈处理后，发送给接收端。接收端通过自身的接收天线接收到信号后，对信道矩阵H进行QR分解，即G＝F^HR，确定酉矩阵F，其中F^H表示取矩阵F的共轭转置(Hermiten)矩阵，并利用三角阵R中的对角线元素以及发射天线数目确定对角矩阵G。然后，接收端利用矩阵GF^H和取模操作进行信号还原，再经过取模处理和解调处理后，得到原始信号。

从上述描述可见，现有单用户MIMO系统的接收端在还原信号时，利用了矩阵GF^H，其中矩阵G中的对角线元素为信道矩阵H被QR分解后得到的三角阵R中对角线元素的取逆结果，即R_ii ^-1。可以看出，三角阵R的对角线元素的绝对值最小值越小，通过矩阵GF^H对噪声的放大程度越大。可见，信道状态信息矩阵H是信噪比的决定因素。在信道状态信息矩阵H中存在奇异值时，三角阵R中的对角线元素非常小，例如，小于0.0001，此时MIMO系统中的信噪比较低。由于目前待发送信号中通常包含与发射天线数目相等的码流个数，当信噪比较低时，每个码流对应的信噪比会更低，这样MIMO系统中接收端收到的信号中存在较大的干扰并且有效部分所占比例较低，因此误码率较高，信号质量较差，从而导致MIMO系统的性能较差。

发明内容

本发明提供一种MIMO预编码方法，能够提高MIMO系统中的信号传输质量。

在本发明的预编码方法中，包括：

根据预先设置的码流个数以及发射天线数目，确定仿酉矩阵形式的码流变换矩阵；

根据预先设置的码流个数构造待发送信号，利用码流变换矩阵对流间干扰消除后的待发送信号进行码流变换。

其中，所述根据预先设置的码流个数以及发射天线数目，确定仿酉矩阵形式的码流变换矩阵为：设所述码流个数为n，将行数等于发射天线数目、列数为n的仿酉矩阵确定为码流变换矩阵。

其中，所述利用所述码流变换矩阵对流间干扰消除后的待发送信号进行码流变换为：将所述码流变换矩阵乘以所述流间干扰消除后的待发送信号。

较佳地，其特征在于，所述根据预先设置的码流个数构造待发送信号之后，进一步包括：

利用信道状态信息矩阵和所述码流变换矩阵得到等价信道矩阵，根据得到的等价信道矩阵确定反馈矩阵；

对所构造的待发送信号进行调制和取模处理，并利用所确定的反馈矩阵进行反馈处理，得到所述流间干扰消除后的待发送信号。

其中，所述利用信道状态信息矩阵和所述码流变换矩阵得到等价信道矩阵为：将所述信道状态信息矩阵与所述码流变换矩阵相乘，得到所述等价信道矩阵；

所述根据得到的等价信道矩阵确定反馈矩阵为：对所述等价信道矩阵进行QR分解，得到三角阵，根据该三角阵确定下三角归一化矩阵，再利用该下三角归一化矩阵计算出所述反馈矩阵。

其中，所述对等价信道矩阵进行QR分解为：

按照公式HM＝F^HR对所述等价信道矩阵进行QR分解，其中HM为等价信道矩阵，H为信道状态信息矩阵，M为码流变换矩阵，R为三角阵，F为酉矩阵，F^H表示取矩阵F的共轭转置矩阵。

较佳地，所述根据预先设置的码流个数构造待发送信号之前，进一步包括：利用预先设置的码书中的每个预编码矩阵、信道状态信息矩阵以及所述码流变换矩阵得到等价信道矩阵，进行分解后得到各预编码矩阵对应的三角阵，选择对角线元素绝对值的最小值最大的三角阵对应的预编码矩阵；

利用码流变换矩阵对流间干扰消除后的待发送信号进行码流变换之后，进一步包括：利用所选择的预编码矩阵对码流变换后的待发送信号进行预编码操作。

其中，所述利用预先设置的码书中的每个预编码矩阵、信道状态信息矩阵以及所述码流变换矩阵得到等价信道矩阵为：将所述信道状态信息矩阵、所述码书中的每个预编码矩阵与所述码流变换矩阵相乘，得到每个预编码矩阵对应的等价信道矩阵；

所述进行分解后得到各预编码矩阵对应的三角阵为：对每个预编码矩阵对应的等价信道矩阵进行QR分解，得到所述各预编码矩阵对应的三角阵。

其中，所述对每个预编码矩阵对应的等价信道矩阵进行QR分解为：

按照公式HW_iM＝F_i ^HR_i对所述每个预编码矩阵对应的等价信道矩阵进行QR分解，其中HW_iM为所述每个预编码矩阵对应的等价信道矩阵，H为信道状态信息矩阵，W_i为所述码书中的第i个预编码矩阵，i为大于或等于1的整数，M为所述码流变换矩阵，R_i为三角阵，F_i为酉矩阵，F_i ^H表示取矩阵F_i的共轭转置矩阵。

较佳地，所述相乘之前，进一步包括：对所述信道状态信息矩阵进行最小均方误差MMSE处理。

较佳地，所述MMSE处理之后，进一步包括：对MMSE处理结果进行排序操作，将排序结果作为所述信道状态信息矩阵，执行所述相乘操作。

较佳地，所述相乘之后，进一步包括：对得到的乘积进行排序操作，将排序结果作为所述每个预编码矩阵对应的等价信道矩阵。

较佳地，所述相乘之前，进一步包括：对所述信道状态信息矩阵进行排序处理，将排序结果作为所述信道状态信息矩阵。

较佳地，所述相乘之后，进一步包括：对得到的乘积进行排序操作，将排序结果作为所述等价信道矩阵。

较佳地，所述选择对角线元素绝对值的最小值最大的三角阵对应的预编码矩阵之后，进一步包括：根据所选择的预编码矩阵对应的三角阵确定反馈矩阵；

所述进行码流变换处理之前，进一步包括：对所构造的待发送信号进行调制和取模处理，并利用所确定的反馈矩阵进行反馈处理，得到所述流间干扰消除后的待发送信号。

较佳地，该方法进一步包括：根据信道状态信息矩阵的秩，或者根据信噪比，设置所述码流个数。

其中，所述根据信道状态信息矩阵的秩设置所述码流个数为：将所述码流个数设置为小于或者等于所述信道状态信息矩阵的秩的正整数。

其中，所述根据信噪比设置所述码流个数为：利用各种码流个数对应的信噪比/吞吐率关系或者信噪比/频谱效率关系，选择所述信噪比下最大吞吐率或者最大频谱效率的码流个数。

本发明还提供一种MIMO预编码装置，能够提高MIMO系统中的信号传输质量。

在本发明的预编码装置中，包括：码流变换处理模块和干扰消除模块，其中，

所述码流变换处理模块用于根据预先设置的码流个数以及发射天线数目，确定仿酉矩阵形式的码流变换矩阵，根据预先设置的码流个数构造待发送信号，并利用所述码流变换矩阵对流间干扰消除后的待发送信号进行码流变换；

所述干扰消除模块用于对所构造的待发送信号进行流间干扰消除处理。

较佳地，所述码流变换处理模块包括：选择子模块和处理子模块，其中，

所述选择子模块用于根据所述码流个数以及发射天线数目，确定仿酉矩阵形式的码流变换矩阵；

所述处理子模块用于按照所述码流个数构造待发送信号，并且通过将所述码流变换矩阵乘以所述流间干扰消除后的待发送信号，进行所述码流变换处理。

较佳地，所述处理子模块进一步用于在构造待发送信号之后，利用信道状态信息矩阵和所述码流变换矩阵得到等价信道矩阵；

所述干扰消除模块根据所述等价信道矩阵确定反馈矩阵，对所述处理子模块构造的待发送信号进行调制和取模处理，并利用所确定的反馈矩阵进行反馈处理，得到所述流间干扰消除后的待发送信号。

较佳地，所述码流变换处理模块进一步包括：码流个数确定子模块，用于根据信道状态信息矩阵的秩，或者根据信噪比，设置所述码流个数。

其中，所述码流个数确定子模块将所述码流个数设置为小于或者等于所述信道状态信息矩阵的秩的正整数。

或者，所述码流个数确定子模块利用各种码流个数对应的信噪比/吞吐率关系或者信噪比/频谱效率关系，选择所述信噪比下最大吞吐率或者最大频谱效率的码流个数。

较佳地，该装置进一步包括：预编码矩阵选择模块和预编码模块，其中，

所述预编码矩阵选择模块用于利用预先设置的码书中的每个预编码矩阵、信道状态信息矩阵和所述码流变换矩阵得到等价信道矩阵，进行分解后得到各预编码矩阵对应的三角阵，选择对角线元素绝对值的最小值最大的三角阵对应的预编码矩阵；

所述预编码模块用于利用所述预编码矩阵选择模块选择的预编码矩阵，对码流变换后的待发送信号进行预编码操作。

较佳地，所述预编码矩阵选择模块包括计算子模块和比较子模块，其中，

所述计算子模块用于将信道状态信息矩阵、所述码书中的每个预编码矩阵以及所述码流变换矩阵相乘，得到每个预编码矩阵对应的等价信道矩阵，并且对每个预编码矩阵对应的等价信道矩阵进行QR分解，得到各预编码矩阵对应的三角阵；

所述比较子模块用于选择对角线元素绝对值的最小值最大的三角阵对应的预编码矩阵。

较佳地，所述干扰消除模块根据所述预编码矩阵选择模块选择的预编码矩阵对应的三角阵，确定反馈矩阵；对所述码流变换处理模块构造的待发送信号进行调制和取模处理，并利用所确定的反馈矩阵进行反馈处理，得到流间干扰消除后的待发送信号。

由上述方案可见，本发明根据预先设置的码流个数构造待发送信号，使得该信号中包含的码流个数低于发射端天线数目。当信噪比较低时，由于本发明中传输的码流个数有所减少，每个码流能够享有的资源相应增加，与现有的THP预编码方案相比，本发明中每个码流的信噪比均有所提高，因此能够提高信号质量。此外，本发明中根据码流个数从预先设置的备选酉矩阵中选择出组成码流变换矩阵的元素，利用该码流变换矩阵与信道状态信息矩阵得到信道等价矩阵，并在预编码过程中将该信道等价矩阵作为基础。对于接收端，可以将发射端进行码流变换所使用的码流变换矩阵看作为信道的一部分，因此在还原信号时，无需增加额外的操作，具有良好的实用性与兼容性。

进一步，本发明在减少码流个数的同时，还可以根据三角阵对角线元素绝对值的最小值最大化原则，从预先设置的码书中选择预编码矩阵，使得原本相对固定的信道矩阵变得可以调整，从而使得三角阵R中的对角线元素可调，降低接收端还原信号时对噪声的放大程度，进一步在各种信噪比情况下军能够降低信号的误码率，有效地提高信号传输质量。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：

图1为采用现有THP预编码方法的单用户MIMO系统中的信号传输示意图；

图2为本发明中THP预编码方法的示例性流程图；

图3为本发明中THP预编码装置的示例性结构图；

图4为采用实施例1中THP预编码方法的单用户MIMO系统中信号传输示意图；

图5为本发明实施例1中预编码方法的流程图；

图6为本发明实施例1中THP预编码装置的结构示意图；

图7为不同码流个数下本发明实施例1中THP预编码方法的性能仿真图；

图8为本发明实施例2中THP预编码方法的流程图；

图9为本发明实施例2中THP预编码装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明做进一步的详细说明。

为了提高MIMO系统的信号传输质量，本发明在进行THP预编码时，首先按照预先设置的码流个数将待发送信号中的码流个数减少至小于发射天线数目，而后再经过码流变换处理。

图2示出了本发明中THP预编码方法的示例性流程图。参见图2，该方法包括：

在步骤201中，根据预先设置的码流个数以及发射天线数目，确定仿酉矩阵形式的码流变换矩阵。

在步骤202中，根据预先设置的码流个数构造待发送信号，利用码流变换矩阵对流间干扰消除后的待发送信号进行码流变换。

图3示出了本发明中THP预编码装置的示例性结构图。参见图3，该装置包括：码流变换处理模块和干扰消除模块。

其中，码流变换处理模块用于根据预先设置的码流个数以及发射天线数目，确定仿酉矩阵形式的码流变换矩阵，根据预先设置的码流个数构造待发送信号，并利用码流变换矩阵对流间干扰消除后的待发送信号进行码流变换。干扰消除模块用于对所构造的待发送信号进行流间干扰消除处理。

本发明中仿酉矩阵形式的码流变换矩阵是指，当其为方阵时，该矩阵为酉矩阵；当其行数与列数不相等，即不是方阵时，该矩阵满足UU^H＝I或U^HU＝I，其中U^H表示取矩阵U的共轭转置矩阵。

从上述描述可见，本发明中根据预先设置的码流个数构造待发送信号，使得该信号中包含的码流个数低于发射端天线数目。当信噪比较低时，由于本发明中传输的码流个数有所减少，每个码流能够享有的资源相应增加，与现有的THP预编码方案相比，本发明中每个码流的信噪比均有所提高，因此能够提高信号质量。此外，本发明中根据码流个数从预先设置的备选酉矩阵中选择出组成码流变换矩阵的元素，利用该码流变换矩阵与信道状态信息矩阵得到信道等价矩阵，并在预编码过程中将该信道等价矩阵作为基础。对于接收端，可以将发射端进行码流变换所使用的码流变换矩阵看作为信道的一部分，因此在还原信号时，无需增加额外的操作，具有良好的实用性与兼容性。

以下将通过两个实施例分别说明本发明方案的具体应用。

实施例1

本实施例针对单用户的MIMO系统，即接收端仅为一个用户，该接收端可以具有至少一根接收天线。

图4为采用本实施例THP预编码方法的单用户MIMO系统中信号传输示意图。参见图4，本实施例中，在信号传输之前，预先设置码流个数n，n＜发射天线数目，并且还预先设置备选酉矩阵，该酉矩阵矩阵的行数和列数等于发射天线数目；根据码流个数从备选酉矩阵中选择前n列元素，组成码流变换矩阵，并将信道状态信息矩阵与码流变换矩阵相乘后得到信道等价矩阵，根据得到的等价信道矩阵确定反馈矩阵(B-I)。在信号传输过程中，首先按照预先设置的码流个数构造待发送信号，经过调制、取模和利用反馈矩阵(B-I)的反馈处理后，再经过码流变换矩阵的码流变换处理，完成THP预编码。然后，经过THP预编码的待发送信号连同码流个数信息经过信道H，传输给接收端。接收端通过自身的接收天线接收到信号后，利用接收到的码流个数信息，确定矩阵G和F。在确定矩阵G时，首先按照码流个数n，取对信道等价矩阵进行QR分解后得到的三角阵R的前n个对角线元素，再对每个对角线元素取倒数，得到 $G=\mathrm{diag}(R_{11}^{-1},R_{22}^{-1},...,R_{\mathrm{nn}}^{-1}),$ 其中运算符号diag(*)表示以括号内的内容作为对角线元素的矩阵，n为码流个数，R_ii ^-1表示

然后，接收端利用矩阵GF^H和取模操作进行信号还原，再经过取模处理和解调处理后，得到原始信号。

本实施例中单用户MIMO系统在发射端减少待发送信号的码流数量，并且在完成信号的流间干扰消除后，执行码流变换操作。对于单用户的MIMO系统而言，在码流数量减少后，每个流的信噪比均能够得到有效地增加，则误码率可以有较大幅度的降低，因此信号传输质量可以得到有效地改善。

图5为本实施例中THP预编码方法的流程图。参见图5，该方法包括：

在步骤501中，根据预先设置的码流个数以及发射天线数目，确定仿酉矩阵形式的码流变换矩阵。

本实施例中，可以通过两种方式确定码流变换矩阵。一种方式为从备选酉矩阵中选择元素，组成行数等于发射天线数目、列数等于码流个数的仿酉矩阵形式的码流变换矩阵；另一种方式为直接构造出行数等于发射天线数目、列数等于码流个数的仿酉矩阵形式的码流变换矩阵。

对于第一种方式，当发射天线数目为N_t时，备选酉矩阵的大小可以为N_t×N_t。这里按照码流个数n，从该备选酉矩阵中选择出前n列元素，组成码流变换矩阵M，则M的行数为发射天线数目N_t，列数为码流个数n。

例如，存在4根发射天线，则预先设置的备选酉矩阵可以为：

$\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& -1& 1& -1\\ 1& 1& -1& -1\\ 1& -1& -1& 1\end{array}\right].$

当码流个数为2时，选择备选酉矩阵的前2列元素，组成码流变换矩阵M，即 $M=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\\ 1& 1\\ 1& -1\end{array}\right].$

对于第二种方式，直接构造出行数为发射天线数目N_t、列数为码流个数n的码流变换矩阵。例如：前述4×2大小的码流变换矩阵M。

在步骤502中，将信道状态信息矩阵与码流变换矩阵相乘，得到等价信道矩阵。

本步骤中，信道状态信息矩阵H与码流变换矩阵M相乘后，得到的等价信道矩阵为：HM。这里的等价信道矩阵可以看作为利用码流变换矩阵对信道矩阵进行改进，以适应后续步骤中被减少码流个数的待发送信号。

在步骤503中，对等价信道矩阵进行QR分解，得到三角阵。

本步骤中QR分解的对象是信道状态信息矩阵H与码流变换矩阵M相乘后得到的等价信道矩阵HM。按照公式HM＝F^HR进行QR分解，其中R为三角阵，F为酉矩阵，F^H表示取矩阵F的共轭转置矩阵。

在步骤504～505中，根据三角阵确定下三角归一化矩阵B，并根据下三角归一化矩阵B确定反馈矩阵(B-I)，其中I为单位矩阵。

这里在确定下三角归一化矩阵B时，首先取等价信道矩阵被QR分解后得到的三角阵R的前n个对角线元素，n为码流个数，再对每个对角线元素取倒数后组成矩阵G。然后，根据公式B＝GR，得到对角线元素为1的下三角归一化矩阵B。

在步骤506中，按照预先设置的码流个数构造待发送信号，经过调制后进行取模处理，并利用反馈矩阵(B-I)进行反馈处理。

本步骤中按照小于发射天线数目的码流个数n来构造待发送信号，使得该信号中包含的码流个数小于现有THP预编码方案中的待发送信号。然后，为了实现待发送信号的流间干扰消除，对调制后的待发送信号中的第一路信号进行取模处理，并在取模结果上乘以反馈矩阵(B-I)；再将第一路信号反馈处理后的结果加上待发送信号的第二路信号，取模处理后，乘以反馈矩阵(B-I)；依此类推，直到最后一路信号为止，得到与调制后的待发送信号路数相同的信号。

在步骤507中，利用码流变换矩阵对经过取模和反馈处理的待发送信号进行码流变换处理，得到THP预编码后的待发送信号。

由于码流变换矩阵M的列数与码流个数相等、行数与发射天线数目相等，则本步骤中，发射端将码流变换矩阵乘以取模和反馈处理后的待发送信号，即可将包含n个码流的待发送信号转换为与发射天线数目相同的路数，以便在信号传输时能够被分配到各个发射天线上，并且这样的信号在经过信道H后，接收端能够还原出信噪比较高的原始信号。

本实施例中，可以根据信道状态信息矩阵的秩或者信噪比等参数来确定码流个数。

对于根据信道状态信息矩阵的秩确定码流个数的方式，码流个数小于或者等于前述信道信息状态矩阵的秩。举例来说，对于4发4收的MIMO系统，假设信道状态信息矩阵的秩为3，若采用高于3的码流个数，则会出现至少一个码流的误码率总是较高的情况；而若按照本实施例的方式，码流个数为小于或者等于3的正整数，例如，2或者3，此时，不会存在误码率总是很高的码流，因此，本实施例中全部待发送信号对应的信号质量较高，从而系统性能较高。当然也可以根据与该信道状态信息矩阵的秩相关的其他参数来确定码流个数。

对于根据信噪比确定码流个数的情况，可以利用仿真或者测量得到各种码流个数对应的信噪比/吞吐率或者信噪比/频谱效率关系曲线，并根据该关系曲线，选择预先确定的信噪比下具有最大吞吐率或者最大频谱效率的关系曲线对应的码流个数。这种情况可以理解为，在高信噪比条件下，采用较大的码流个数，每个码流均采用高阶调制；而在低信噪比条件下，采用较小的码流个数，每个码流采用低阶调制。与现有的码流个数等于发射天线数目的方案相比，这种选择码流个数的方式在相同频谱效率下可以取得更好的信号质量。而且可以提高小区边缘的用户通信质量或扩大覆盖区域。当然也可以根据与信噪比相关的其他参数来确定码流个数。

至此，结束本实施例中的THP预编码流程。以上操作均由发射端完成。此后，发射端将THP预编码后的信号分配到发射天线上，向接收端发送。

除了上述常规QR分解之外，本实施例中还可以采用排序的QR分解或者最小均方误差(MMSE)QR分解或者MMSE排序的QR分解等方式。

在排序的QR分解中，可以首先对信道状态信息矩阵进行排序操作后，再与码流变换矩阵相乘，得到等价信道矩阵；或者，首先将信道状态信息矩阵与码流变换矩阵相乘，再对得到的乘积进行排序操作，得到等价信道矩阵。

在MMSE QR分解中，首先将噪声加入到每个预编码矩阵对应的等价信道矩阵中，再与码流变换矩阵相乘，得到等价信道矩阵。

在MMSE排序的QR分解中，首先对信道状态信息矩阵进行MMSE处理，将噪声加入到该矩阵中，再进行排序后，将排序结果与码流变换矩阵相乘，得到等价信道矩阵；或者，首先对信道状态信息矩阵进行MMSE处理，将噪声加入到该矩阵中，再将处理结果与码流变换矩阵相乘，并对乘积排序后，得到等价信道矩阵。

图6示出了本实施例中THP预编码装置的结构示意图。参见图6，本实施例对图3中的码流变换处理模块进行了细化。具体来说，本实施例中的码流变换处理模块包括：选择子模块和处理子模块。其中，选择子模块用于根据预先设置的码流个数以及发射天线数目，确定仿酉矩阵形式的码流变换矩阵；处理子模块用于按照预先设置的码流个数构造待发送信号，并且通过将所述码流变换矩阵乘以所述流间干扰消除后的待发送信号，进行所述码流变换处理，得到THP预编码后的待发送信号。

此外，本实施例中的码流变换处理模块还包括：码流个数确定子模块，用于根据信道状态信息矩阵的秩或者信噪比等参数来确定码流个数，并将所确定的码流个数发送给码流变换处理模块中的选择子模块和处理子模块。对于根据信道状态信息矩阵的秩确定码流个数的方式，码流个数确定子模块将码流个数设置为小于或者等于前述信道信息状态矩阵的秩。对于根据信噪比确定码流个数的情况，码流个数确定子模块利用仿真或测量得到各种码流个数对应的信噪比/吞吐率或者信噪比/频谱效率关系曲线，并根据该关系曲线，选择预先确定的信噪比下具有最大吞吐率或者最大频谱效率的关系曲线对应的码流个数。

进一步，本实施例中的处理子模块还用于在构造待发送信号之后，利用信道状态信息矩阵和所述码流变换矩阵得到等价信道矩阵；这样，本实施例中的干扰消除模块根据上述处理子模块得到的等价信道矩阵确定反馈矩阵，对处理子模块构造的待发送信号进行调制和取模处理，并利用所确定的反馈矩阵进行反馈处理，得到所述流间干扰消除后的待发送信号。

本实施例中采用减少码流个数的方式来提高每个码流的信噪比，从而降低该信号的误码率，提高信号传输质量，从而避免信道状态信息矩阵中存在奇异值时导致的系统性能急剧恶化。

图7示出了不同码流个数下本实施例中THP预编码方法的性能仿真图。参见图7，带有方块的线条表示待发送信号中两个码流时本实施例中的THP预编码方法，带有圆圈的线条表示待发送信号中包含四个预编码矩阵时本实施例中的THP预编码方法。从图7中可见，在相同的符号信噪比(Es/N0)下，待传输信号中包含的码流个数越少，对应的误码率(BER)越低，信号传输质量较现有方法提高得越明显。

本实施例在发送端的THP预编码过程中加入了改变码流个数的操作后，接收端可以将码流变换矩阵看作为信道状态信息的一部分，那么在对信号进行还原时，无需执行码流逆变换操作，而是可以采用与现有技术相同的方式进行处理，即可还原出原始信号。因此本实施例并未增加接收端的操作复杂度，也未对接收端设备提出新的要求，其实用性和兼容性均较好。

实施例2

本实施例仍针对单用户的MIMO系统。

考虑到接收端在还原信号时，利用了矩阵GF^H，其中对角矩阵G中的对角线元素为信道矩阵H被QR分解后得到的三角阵R中对角线元素的取逆结果，即R_ii ^-1。可以看出，三角阵R的对角线元素的绝对值最小值越小，通过矩阵GF^H对噪声的放大程度越大。本实施例在实施例1的基础上，还根据三角阵R对角线元素绝对值的最小值最大化原则，从预先设置的码书中选择预编码矩阵，使得原本相对固定的信道矩阵H变得可以调整，从而使得三角阵R中的对角线元素可调，降低接收端还原信号时对噪声的放大程度，进一步在各种信噪比情况下均能够降低信号的误码率，有效地提高信号传输质量。

与实施例1相似，本实施例中也预先设置码流个数n，n＜发射天线数目，并且还预先设置备选酉矩阵，该酉矩阵矩阵的行数和列数等于发射天线数目。

图8示出了本实施例中THP预编码方法的流程图。参见图8，该方法包括：

在步骤801中，根据预先设置的码流个数以及发射天线数目，确定仿酉矩阵形式的码流变换矩阵。

本步骤中的操作与实施例1中的步骤501相同。并且，可以采用与实施例1相同的方式来预先设置码流个数。

在步骤802中，将信道状态信息矩阵H、预先设置的码书中的每个预编码矩阵与码流变换矩阵相乘，得到每个预编码矩阵对应的等价信道矩阵。

假设预先设置的码书为{W₁，W₂，…W_n}，其中共包括n个预编码矩阵。信道状态信息矩阵H、每个预编码矩阵以及码流变换矩阵M相乘后，得到的等价信道矩阵为：HW₁M，HW₂M，…HW_nM。这里的等价信道矩阵可以看作为利用预编码矩阵和码流变换矩阵对信道矩阵进行改进，使得原本相对固定的信道矩阵能够在预编码矩阵和码流变换矩阵的影响下达到可调整的目的。

在步骤803中，对每个预编码矩阵对应的等价信道矩阵进行QR分解，得到各预编码矩阵对应的三角阵。

这里QR分解的对象是信道状态信息矩阵H、预编码矩阵以及码流变换矩阵M相乘后得到的等价信道矩阵。以预编码矩阵W_i为例，按照公式HW_iM＝F_i ^HR_i进行QR分解，其中R_i为三角阵，F_i为酉矩阵，F_i ^H表示取矩阵F_i的共轭转置矩阵，i为大于或等于1的整数。

在步骤804中，比较各预编码矩阵对应的三角阵中的对角线元素绝对值的最小值，选择对角线元素绝对值的最小值最大者对应的预编码矩阵作为本次预编码预编码矩阵。

仍以码书{W₁，W₂，…W_n}为例，在得到每个预编码矩阵对应的三角阵R₁，R₂，…R_n后，确定每个三角阵中的对角线元素最小值，再对这些对角线元素绝对值的最小值进行比较，找出对角线元素绝对值的最小值最大的那个三角阵对应的预编码矩阵。由于三角阵R的对角线元素越小，接收端对噪声的放大程度越大，信号传输质量越差，可见信号传输质量与三角阵R的对角线元素最小值之间存在直接的关系。当对角线元素绝对值的最小值较大时，信号传输质量会相应地提高。基于这一原则，本步骤中寻找使得三角阵对角线元素绝对值的最小值最大的预编码矩阵，目的在于后续步骤中利用这一预编码矩阵对信号预编码后能够将接收端的噪声放大控制在尽量小的程度，以改善信号传输的误码率。

在步骤805～806中，根据本次预编码矩阵对应的三角阵，确定下三角归一化矩阵B；并且根据下三角归一化矩阵B确定反馈矩阵(B-I)，其中I为单位矩阵。

这里在求取下三角归一化矩阵B以及反馈矩阵(B-I)时，根本依据均为由信道状态信息矩阵H、本次预编码矩阵以及码流变换矩阵M的乘积确定的等价信道矩阵。

在步骤807中，按照预先设置的码流个数构造待发送信号，经过调制后进行取模处理，并利用反馈矩阵(B-I)进行反馈处理。

本步骤中的取模和反馈处理的操作与实施例1中的步骤506相同。

在步骤808中，利用码流变换矩阵对经过取模和反馈处理的待发送信号进行码流变换处理。

由于码流变换矩阵M的列数与码流个数相等、行数与发射天线数目相等，则本步骤中，发射端将码流变换矩阵乘以取模和反馈处理后的待发送信号，即可将包含n个码流的待发送信号转换为与发射天线数目相同的路数，以便后续步骤中能够顺利执行预编码操作并被分配到各个发射天线上。

在步骤809中，利用本次预编码矩阵对经过码流变换的待发送信号进行预编码操作，得到THP预编码后的待发送信号。

本步骤中利用前述步骤804中选择的本次预编码矩阵进行预编码操作，即将经过码流变换的待发送信号与本次预编码矩阵相乘，则该信号在经过信道H后，能够便于接收端还原出高质量的原始信号。

至此，结束本实施例中的THP预编码流程。以上操作均由发射端完成。此后，发射端将THP预编码后的信号分配到发射天线上，向接收端发送。

本实施例中还可以采用排序的QR分解或者MMSE QR分解或者MMSE排序的QR分解等方式替代上述的QR分解。

在排序的QR分解中，可以首先对信道状态信息矩阵进行排序操作后，再与码书中的每个预编码矩阵和码流变换矩阵相乘，得到每个预编码矩阵对应的等价信道矩阵；或者，首先将信道状态信息矩阵、每个预编码矩阵以及码流变换矩阵相乘，再对得到的乘积进行排序操作，得到每个预编码矩阵对应的等价信道矩阵。

在MMSE QR分解中，首先将噪声加入到每个预编码矩阵对应的等价信道矩阵中，再与每个预编码矩阵和码流变换矩阵相乘，得到每个预编码矩阵对应的等价信道矩阵。

在MMSE排序的QR分解中，首先对信道状态信息矩阵进行MMSE处理，将噪声加入到该矩阵中，再进行排序后，将排序结果与每个预编码矩阵和码流变换矩阵相乘，得到每个预编码矩阵对应的等价信道矩阵；或者，首先对信道状态信息矩阵进行MMSE处理，将噪声加入到该矩阵中，再将处理结果与每个预编码矩阵和码流变换矩阵相乘，并对乘积排序后，得到每个预编码矩阵对应的等价信道矩阵。

本实施例中一方面采用减少码流个数的方式来提高每个码流的信噪比，从而提高信号传输质量；另一方面还通过选择使得三角阵对角线元素绝对值的最小值最大化的预编码矩阵，实现接收端噪声放大程度的有效降低。因此，本实施例能够在实施例1的基础上进一步提高单用户MIMO系统中的信号传输质量。

此外，与实施例1相似，本实施例在发送端的THP预编码过程中加入了利用选择预编码矩阵和利用预编码矩阵预编码以及改变码流个数的操作后，接收端仍然可以将所加入的预编码矩阵以及码流变换矩阵看作为信道状态信息的一部分，那么在对信号进行还原时，无需执行额外的操作，而是可以采用与现有技术相同的方式进行处理，即可还原出原始信号。因此本实施例并未增加接收端的操作复杂度，也未对接收端设备提出新的要求，其实用性和兼容性均较好。

图9示出了本实施例中THP预编码装置的结构示意图。参见图9，本实施例中的THP预编码装置在实施例1的基础上增加了预编码矩阵选择模块和预编码模块。

本实施例中的码流变换处理模块包括选择子模块和处理子模块。其中，选择子模块与实施例1中的作用相同，即用于根据预先设置的码流个数以及发射天线数目，确定仿酉矩阵形式的码流变换矩阵；处理子模块仅执行实施例1处理子模块的一部分操作，即本实施例中的处理子模块用于按照预先设置的码流个数构造待发送信号，并且通过将码流变换矩阵乘以流间干扰消除后的待发送信号，进行码流变换处理。

进一步，本实施例中的码流变换处理模块还包括：码流个数确定子模块，用于根据信道状态信息矩阵的秩或者信噪比等参数来确定码流个数，并将所确定的码流个数发送给码流变换处理模块中的选择子模块和处理子模块。对于根据信道状态信息矩阵的秩确定码流个数的方式，码流个数确定子模块将码流个数设置为小于或者等于前述信道信息状态矩阵的秩。对于根据信噪比确定码流个数的情况，码流个数确定子模块利用仿真或测量得到各种码流个数对应的信噪比/吞吐率或者信噪比/频谱效率关系曲线，并根据该关系曲线，选择预先确定的信噪比下具有最大吞吐率或者最大频谱效率的关系曲线对应的码流个数。

预编码矩阵选择模块用于利用预先设置的码书中的每个预编码矩阵、信道状态信息矩阵和码流变换处理模块中确定的码流变换矩阵得到等价信道矩阵，进行分解后得到各预编码矩阵对应的三角阵，选择对角线元素绝对值的最小值最大的三角阵对应的预编码矩阵。

该预编码矩阵选择模块包括计算子模块和比较子模块。其中的计算子模块用于将信道状态信息矩阵H、预先设置的码书中的每个预编码矩阵以及来自于码流变换处理模块的码流变换矩阵M相乘，得到每个预编码矩阵对应的等价信道矩阵，并且对每个预编码矩阵对应的等价信道矩阵进行QR分解，得到各预编码矩阵对应的三角阵；比较子模块用于比较各预编码矩阵对应的三角阵中的对角线元素绝对值的最小值，选择对角线元素绝对值的最小值最大者对应的预编码矩阵。

相应地，干扰消除模块用于根据预编码矩阵选择模块中比较子模块确定的本次预编码矩阵对应的三角阵，确定下三角归一化矩阵B，再根据下三角归一化矩阵B确定反馈矩阵(B-I)，其中I为单位矩阵；对码流变换处理模块中的处理子模块构造的待发送信号进行调制和取模处理，并利用反馈矩阵(B-I)进行反馈处理，得到流间干扰消除后的待发送信号。

此外，本实施例中的预编码模块利用来自于预编码矩阵选择模块中比较子模块的本次预编码矩阵，对经过码流变换处理的待发送信号进行预编码操作，得到THP预编码后的待发送信号。

经过仿真证明，在相同频谱效率下，待发送信号中包含的码流个数越少，信号的信噪比越大，误码率越低，信号质量越高；连同选择预编码矩阵所降低的误码率，本实施例的THP预编码方法能够获得远远高于现有THP预编码方法的信号质量和系统性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (27)

1、一种多输入多输出MIMO预编码方法，其特征在于，该方法包括：

根据预先设置的码流个数以及发射天线数目，确定仿酉矩阵形式的码流变换矩阵；

根据预先设置的码流个数构造待发送信号，利用码流变换矩阵对流间干扰消除后的待发送信号进行码流变换。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据预先设置的码流个数以及发射天线数目，确定仿酉矩阵形式的码流变换矩阵为：设所述码流个数为n，将行数等于发射天线数目、列数为n的仿酉矩阵确定为码流变换矩阵。

3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述利用所述码流变换矩阵对流间干扰消除后的待发送信号进行码流变换为：将所述码流变换矩阵乘以所述流间干扰消除后的待发送信号。

4、如权利要求1或2中任意一项所述的方法，其特征在于，所述根据预先设置的码流个数构造待发送信号之后，进一步包括：

利用信道状态信息矩阵和所述码流变换矩阵得到等价信道矩阵，根据得到的等价信道矩阵确定反馈矩阵；

对所构造的待发送信号进行调制和取模处理，并利用所确定的反馈矩阵进行反馈处理，得到所述流间干扰消除后的待发送信号。

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述利用信道状态信息矩阵和所述码流变换矩阵得到等价信道矩阵为：将所述信道状态信息矩阵与所述码流变换矩阵相乘，得到所述等价信道矩阵；

所述根据得到的等价信道矩阵确定反馈矩阵为：对所述等价信道矩阵进行QR分解，得到三角阵，根据该三角阵确定下三角归一化矩阵，再利用该下三角归一化矩阵计算出所述反馈矩阵。

6、如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对等价信道矩阵进行QR分解为：

按照公式HM＝F^HR对所述等价信道矩阵进行QR分解，其中HM为等价信道矩阵，H为信道状态信息矩阵，M为码流变换矩阵，R为三角阵，F为酉矩阵，F^H表示取矩阵F的共轭转置矩阵。

7、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据预先设置的码流个数构造待发送信号之前，进一步包括：利用预先设置的码书中的每个预编码矩阵、信道状态信息矩阵以及所述码流变换矩阵得到等价信道矩阵，进行分解后得到各预编码矩阵对应的三角阵，选择对角线元素绝对值的最小值最大的三角阵对应的预编码矩阵；

利用码流变换矩阵对流间干扰消除后的待发送信号进行码流变换之后，进一步包括：利用所选择的预编码矩阵对码流变换后的待发送信号进行预编码操作。

8、如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述利用预先设置的码书中的每个预编码矩阵、信道状态信息矩阵以及所述码流变换矩阵得到等价信道矩阵为：将所述信道状态信息矩阵、所述码书中的每个预编码矩阵与所述码流变换矩阵相乘，得到每个预编码矩阵对应的等价信道矩阵；

所述进行分解后得到各预编码矩阵对应的三角阵为：对每个预编码矩阵对应的等价信道矩阵进行QR分解，得到所述各预编码矩阵对应的三角阵。

9、如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述对每个预编码矩阵对应的等价信道矩阵进行QR分解为：

按照公式HW_iM＝F_i ^HR_i对所述每个预编码矩阵对应的等价信道矩阵进行QR分解，其中HW_iM为所述每个预编码矩阵对应的等价信道矩阵，H为信道状态信息矩阵，W_i为所述码书中的第i个预编码矩阵，i为大于或等于1的整数，M为所述码流变换矩阵，R_i为三角阵，F_i为酉矩阵，F_i ^H表示取矩阵F_i的共轭转置矩阵。

10、如权利要求5或8所述的方法，其特征在于，所述相乘之前，进一步包括：对所述信道状态信息矩阵进行最小均方误差MMSE处理。

11、如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述MMSE处理之后，进一步包括：对MMSE处理结果进行排序操作，将排序结果作为所述信道状态信息矩阵，执行所述相乘操作。

12、如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述相乘之后，进一步包括：对得到的乘积进行排序操作，将排序结果作为所述等价信道矩阵。

13、如权利要求5或8所述的方法，其特征在于，所述相乘之前，进一步包括：对所述信道状态信息矩阵进行排序处理，将排序结果作为所述信道状态信息矩阵。

14、如权利要求5或8所述的方法，其特征在于，所述相乘之后，进一步包括：对得到的乘积进行排序操作，将排序结果作为所述等价信道矩阵。

15、如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述选择对角线元素绝对值的最小值最大的三角阵对应的预编码矩阵之后，进一步包括：根据所选择的预编码矩阵对应的三角阵确定反馈矩阵；

所述进行码流变换处理之前，进一步包括：对所构造的待发送信号进行调制和取模处理，并利用所确定的反馈矩阵进行反馈处理，得到所述流间干扰消除后的待发送信号。

16、如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：根据信道状态信息矩阵的秩，或者根据信噪比，设置所述码流个数。

17、如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述根据信道状态信息矩阵的秩设置所述码流个数为：将所述码流个数设置为小于或者等于所述信道状态信息矩阵的秩的正整数。

18、如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述根据信噪比设置所述码流个数为：利用各种码流个数对应的信噪比/吞吐率关系曲线或者信噪比/频谱效率关系，选择所述信噪比下具有最大吞吐率或者最大频谱效率的码流个数。

19、一种多输入多输出MIMO预编码装置，其特征在于，该装置包括：码流变换处理模块和干扰消除模块，其中，

所述码流变换处理模块用于根据预先设置的码流个数以及发射天线数目，确定仿酉矩阵形式的码流变换矩阵，根据预先设置的码流个数构造待发送信号，并利用所述码流变换矩阵对流间干扰消除后的待发送信号进行码流变换；

所述干扰消除模块用于对所构造的待发送信号进行流间干扰消除处理。

20、如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述码流变换处理模块包括：选择子模块和处理子模块，其中，

所述选择子模块用于根据所述码流个数以及发射天线数目，确定仿酉矩阵形式的码流变换矩阵；

所述处理子模块用于按照所述码流个数构造待发送信号，并且通过将所述码流变换矩阵乘以所述流间干扰消除后的待发送信号，进行所述码流变换处理。

21、如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述处理子模块进一步用于在构造待发送信号之后，利用信道状态信息矩阵和所述码流变换矩阵得到等价信道矩阵；

所述干扰消除模块根据所述等价信道矩阵确定反馈矩阵，对所述处理子模块构造的待发送信号进行调制和取模处理，并利用所确定的反馈矩阵进行反馈处理，得到所述流间干扰消除后的待发送信号。

22、如权利要求20或21所述的装置，其特征在于，所述码流变换处理模块进一步包括：码流个数确定子模块，用于根据信道状态信息矩阵的秩，或者根据信噪比，设置所述码流个数。

23、如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述码流个数确定子模块将所述码流个数设置为小于或者等于所述信道状态信息矩阵的秩的正整数。

24、如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述码流个数确定子模块利用各种码流个数对应的信噪比/吞吐率关系或者信噪比/频谱效率关系，选择所述信噪比下最大吞吐率或者最大频谱效率的码流个数。

25、如权利要求20所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括：预编码矩阵选择模块和预编码模块，其中，

所述预编码矩阵选择模块用于利用预先设置的码书中的每个预编码矩阵、信道状态信息矩阵和所述码流变换矩阵得到等价信道矩阵，进行分解后得到各预编码矩阵对应的三角阵，选择对角线元素绝对值的最小值最大的三角阵对应的预编码矩阵；

所述预编码模块用于利用所述预编码矩阵选择模块选择的预编码矩阵，对码流变换后的待发送信号进行预编码操作。

26、如权利要求25所述的装置，其特征在于，所述预编码矩阵选择模块包括计算子模块和比较子模块，其中，

所述计算子模块用于将信道状态信息矩阵、所述码书中的每个预编码矩阵以及所述码流变换矩阵相乘，得到每个预编码矩阵对应的等价信道矩阵，并且对每个预编码矩阵对应的等价信道矩阵进行QR分解，得到各预编码矩阵对应的三角阵；

所述比较子模块用于选择对角线元素绝对值的最小值最大的三角阵对应的预编码矩阵。

27、如权利要求25或26所述的装置，其特征在于，所述干扰消除模块根据所述预编码矩阵选择模块选择的预编码矩阵对应的三角阵，确定反馈矩阵；对所述码流变换处理模块构造的待发送信号进行调制和取模处理，并利用所确定的反馈矩阵进行反馈处理，得到流间干扰消除后的待发送信号。

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