CN101626264B - 一种无线通信系统中实现开环预编码的方法 - Google Patents

Abstract

本发明所提供的一种无线通信系统中实现开环预编码的方法，利用上下行信道对称性，在开环情况下通过低复杂度的算法实现下行预编码矩阵，根据不同的端口数目对发射数据进行预编码后调制并发射完成UE下行正确的解调，由于本发明不采用用户终端UE闭环反馈，通过低复杂度算法实现下行预编码，充分利用了TDD系统本身的上下行信道对称特性，实现了多端口情况下的下行预编码方案，避免了码本映射带来的系统性能的损失，降低了系统反馈负荷，所以有效地提高了下行接收功率和系统性能，非常利于工程实现。

Description

一种无线通信系统中实现开环预编码的方法

技术领域

本发明涉及通信领域，具体涉及一种在TDD(Time Division Duplex，时分双工)LTE(Long Term Evolution，长期演进)中实现开环预编码的方法。

背景技术

在LTE系统中，通常使用线性空域预编码(Precoding)技术来提高系统的性能；线性空域预编码方法是指：当发射端存在多根发射天线时，可以通过一个线性的预编码操作将多个数据流映射到多根天线上。假设天线数目为N，数据流个数为L，当数据流数目为1时，即将1个数据流映射到N根天线上时，这种空域的线性预编码又可以看作是传统的波束赋形方法。其原理主要在于通过预编码使得发射信号处于信道矩阵的相应正交基上，也就是使得多个数据流分别在正交的空间子信道中传输，降低数据流间的相互干扰，提高了系统性能，与传统的波束赋形算法相比，预编码矩阵一般不是根据终端的方向进行赋形，而是根据降低波束间干扰的需求生成。

LTE FDD(Frequency Division Duplex，频分双工)系统下行多输入多输出MIMO(Multiple Input Multiple Output)方案中，用户终端(UE，UserEquipment)根据对下行空间信道特性的估计生成预编码向量，并利用上行控制信道反馈给基站eNodeB(Enhanced NodeB，LTE协议中表示基站端)侧，只是由于考虑到反馈信息量化的问题，LTE协议中规定了2端口和4端口模式下的反馈权值列表，用户终端UE端实际反馈的PMI(Precodingmatrix indicator，预编码矩阵指示)是权值的索引。

LTE FDD系统下行Precoding方案具体过程描述如下：用x代表发射端天线发射的数据，y代表接收天线所接收的数据，在第t时刻有：

y(t)＝H(t)x(t)+n(t)         (1)

通过对矩阵H(t)进行奇异值分解(SVD)，可得：

H(t)＝U(t)D(t)V(t)^H         (2)

其中U(t)与V(t)为酉阵。

UE利用上行反馈链路将经过码表映射后将V(t)对应的PMI反馈给eNodeB，则在第t+1时刻eNodeB将PMI对应的p做为预编码矩阵，即x＝ps，假设PMI映射过程以及上行传输过程完全理想，则x＝V(t)s。UE端利用t+1时刻奇异值分解得到的U(t+1)做为译码矩阵，即对接收数据y左乘矩阵U(t+1)^H，并且假设前后两个时刻信道基本保持不变，利用酉阵的特性可以得到：

$r(t+1)=U{(t+1)}^{H}y(t+1)$

$=U{(t+1)}^{H}H(t+1)V\left(t\right)s+U{(t+1)}^{H}n---\left(3\right)$

$=\mathrm{Ds}+\hat{n}$

其中，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D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。

具体过程可参照图1所示(以两发两收LTE系统为例)，其中数据流1和数据流2即表示上文中所述的发射信号s，而其中的v₁₁，v₁₂等参数即为上文中所述的V矩阵中的参数，所述的数据流与V矩阵中的各参数相乘的过程即就是预编码Precoding过程；经过预编码后的数据在空间信道中相当于经过2个独立的空间子信道，λ₁，λ₂即表示该空间子信道的增益，为上文所述矩阵D中的对角线元素；之后在接收端利用U矩阵进行译码，其中的u₁₁，u₁₂等参数即为上文中所述的U矩阵中的参数，相乘后即分别得到发射数据流1和发射数据流2的接收端估计值。

在LTE TDD系统中可以沿用FDD模式下的方法，即由UE产生并反馈波束赋形权值索引。但是考虑到TDD系统的上下行之间是按照时间划分的，因此下行反馈时延必然会大于FDD系统，造成UE侧计算权值量化后再反馈造成的系统时延、开销损失以及量化误差大对性能所带来的影响，使系统的性能降低，并且由于LTE系统现有协议只给出了最多4个端口的参考信号位置，对于端口数目大于4的情况下如何获得预编码权值以及保证UE正确解调都是需要解决的问题，所以对现有技术的预编码方法所采取的措施需加以改进。

发明内容

本发明的目的是，针对上述现有技术存在的缺陷提出了一种无线通信系统中实现开环预编码的方法，即在LTE TDD系统中利用上下行信道对称性，在开环情况下获得下行预编码矩阵，并保证端口数目大于4时完成下行UE正确的解调。

本发明的技术方案如下：

一种无线通信系统中实现开环预编码的方法，其中，包括如下步骤：

A、上行UE端多个发射天线连续N个上行时刻依次向基站轮流发射，N为发射天线数目；

B、合并所述N个上行时刻的信道估计，获得与下行对称的上行信道估计矩阵，在开环情况下获得下行预编码矩阵；

C、根据下行发射端口数目，对下行数据预编码后发射，所述UE完成下行发射数据的解调。

所述的方法，其中，所述步骤A进一步包括：

A1、所述上行接收端基站通过天线接收信号，根据已知参考信号估算当前时刻信道估计h_N。

所述的方法，其中，所述步骤B进一步包括：

B1、所述信道估计矩阵是将之前接收到的N-1个上行时刻的信道估计h₁，...，h_N-1与所述当前信道估计h_N合并得到信道估计矩阵H＝[h₁h₂…h_N]^T，其中矩阵H的大小为N×M，M为基站端天线数目，N为发射天线数目；

B2、对所述信道估计矩阵H进行奇异值分解，得到所述下行预编码矩阵V。

所述的方法，其中，所述下行预编码矩阵V的表达式为：

H＝UDV^H

其中，U、V分别为奇异值分解得到的预编码译码和编码酉矩阵，D是特征值组成的矩阵，V的大小为M×v，v表示下行发射数据的层数。

所述的方法，其中，所述步骤C进一步包括：

C1、当端口数目不大于4时，对所述下行待发射的数据预编码；

C2、当端口数目大于4时，对所述下行待发射的数据和小区参考信号共同进行预编码，其中小区参考信号按照发射数据层数进行映射，即不同端口的小区参考信号分别映射在各个发射数据层上。

所述的方法，其中，所述步骤C1还包括：C11、所述UE对接收信号进行OFDM解调后，对下行信道估计进行奇异值分解，利用译码矩阵完成预编码译码，得到对下行发射数据的估计，完成接收解调下行发射数据。

所述的方法，其中，所述步骤C2还包括：C21、所述UE对接收信号进行OFDM解调后，利用下行信道估计进行下行解调，完成接收解调下行发射数据。

本发明所提供的一种无线通信系统中实现开环预编码的方法，在LTETDD系统中利用上下行信道对称性，在开环情况下通过低复杂度的算法实现下行预编码矩阵，根据不同的端口数目对发射数据进行预编码后调制并发射完成下行UE正确的解调，由于本发明不采用用户终端UE闭环反馈，通过低复杂度算法实现下行预编码，充分利用了TDD系统本身的上下行信道对称特性，避免了码本映射带来的系统性能的损失，降低了系统反馈负荷，并实现了多端口预编码，有效提高下行接收功率，提高系统性能，非常利于工程实现。

附图说明

图1为现有技术在LTE FDD无线通信系统中预编码方法的原理图；

图2为本发明在TDD LTE无线通信系统中实现开环预编码的具体实施流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种无线通信系统中实现开环预编码的方法和系统，为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

为了解决在LTE无线通信系统中进行预编码时所出现的系统负荷高和不支持多端口等问题，本发明采用了一种应用在TDD LTE无线通信系统中实现开环预编码的方法，即提供一种在TDD LTE通信系统中包括UE上行发射方法、基站eNodeB预编码权值计算以及UE下行接收的方案，从而使得TDD LTE无线通信系统能够利用上下行信道对称性，即不采取UE闭环反馈的情况下通过该低复杂度算法实现开环预编码，它包括如下方法：UE端上行采用轮流发射，在上行接收下行发射eNodeB基站获得当前时刻信道估计，构造包括所有发射天线的信道估计矩阵，利用奇异值分解获得下行预编码Precoding权值，根据端口数目对发射数据进行预编码后进行正交频分复用OFDM调制并发射，所述UE下行接收端OFDM解调后根据端口数目利用信道估计采用不同算法完成对发射数据的下行解调；所述的方法应用在TDD LTE无线通信系统中，提供了一种在LTETDD帧结构下实现预编码的收发机系统，该系统通过在UE上行发射端上行发射时采用N个发射天线连续N个时刻依次向基站eNodeB轮流发射，在基站eNodeB上行接收端获得当前时刻信道估计、构造包括所有发射天线的信道估计矩阵、利用奇异值分解获得下行预编码权值矩阵、根据基站eNodeB端口数目分别采用对下行数据预编码以及对参考信号和下行数据同时进行预编码的Precoding方案后进行OFDM调制后，通过基站eNodeB的发射天线发送给所述的UE端进行下行解调，来达到在开环情况下通过低复杂度的算法实现多端口的开环预编码。

根据上述所描述，本发明采用了如图2所示的用于无线通信系统中实现开环预编码的方法，下面参见附图2对此进行详细的描述，主要包括以下步骤：

步骤1)、UE上行轮流发射：

在UE上行发射端，假设UE的天线数目为N，则在上行传输数据时连续N个上行时刻对于发射天线采用轮流发射的方法，在TDD系统中保证了实现上下行信道的对称性；解决了现有技术中，LTE系统中UE端在上行单天线发射，多天线同时接收所存在的上下行信道的对称性的问题。步骤2)、上行信道估计：

上行接收端基站eNodeB由接收天线接收信号，根据已知参考信号估算当前时刻信道估计h_N；有多种信道估计方法可供选择，本发明选择以LS算法为例，假设已知参考信号为s_RS，接收到的参考信号为r_RS，则此时信道估计h_N可由下式得到：

h_N＝r_RS/s_RS        (4)

步骤3)、合并信道矩阵：

将之前接收到的N-1个时刻的信道估计h₁，...，h_N-1与当前时刻的信道估计合并得到与所有天线有关的信道估计矩阵H＝[h₁h₂…h_N]^T，其中矩阵H的大小为N×M，M为基站eNodeB端天线数目，N为发射天线数目。

步骤4)、计算预编码Precoding权值矩阵：

对所述的H进行奇异值分解，如下式所示：

H＝UDV^H          (5)

其中U、V分别为奇异值分解得到的预编码Precoding译码和编码酉矩阵，D是由特征值组成的矩阵，其中的非零特征值代表信道中各个独立空间子信道的增益，则所求预编码Precoding编码矩阵为V，其大小为M×v，v表示下行发射数据的层数。

步骤5)、下行数据预编码：

各个子载波的数据根据其所对应的下行Precoding矩阵进行预编码，然后映射在各自的物理资源上，之后进行OFDM调制后发射，其中根据端口数目的情况分为如下步骤：

a、当端口数目不大于4时，只对待发射数据预编码；

具体过程如下式所示：

假设某时刻PDSCH发射数据为d_k，大小为v×1，v为发射数据层数；其所对应Precoding矩阵为V_k，大小为M×v，其中k＝1，2，...，K表示UE带宽内不同的子载波序号，则预编码后数据为：

x_k＝V_kd_k       (6)

x_k的大小为M×1，分别对应下行M根天线的发射数据。

则其中某一发射端口下行发射数据为：

$S_d^m=\mathrm{IFFT}\left({\left[\begin{array}{cccc}{x}_1& x_2& ...& x_K\end{array}\right]}^T\right)---\left(7\right)$

b、当端口数目大于4时，将小区参考信号与待发射数据共同进行预编码；

具体过程如下所示：其中待发射数据的解调保持与端口数目小于4时相同；而小区参考信号按照发射数据层数进行映射，即不同端口的小区参考信号分别映射在各个发射数据层上，并且对其进行预编码，其预编码方法与数据部分相同。

步骤6)、下行数据接收解调：

UE端对来自于基站eNodeB下行数据发射的接收信号进行OFDM解调后，利用下行信道估计对各个子载波上的数据进行下行解调，得到对下行发射数据的估计；其中，接收端需要判断下行发射端口数目情况：

当端口数目不大于4时

假设UE端下行得到的信道估计为h_k，其中h_k为第k子载波经历的实际信道，按照式(5)对h_k进行奇异值分解(SVD)，得到下行译码矩阵U_k，则得到对发射数据的估计如下式所示：

${\tilde{d}}_k={U_k}^H{r}_k$

$={U_k}^H{H}_k{x}_k+{U_k}^H{n}_k---\left(8\right)$

$=D_k{d}_k+{\hat{n}}_k$

D_k是第k个子载波对应MIMO信道中由特征值组成的矩阵。

当端口数目大于4时

假设UE端下行得到的信道估计为其中h_k为第k子载波经历的实际信道。而有多种下行接收解调方法可供选择，本发明选择以ZF算法为例，则得到对发射数据的估计如下式所示：

${\tilde{d}}_k={({\tilde{h}}_k*{\tilde{h}}_k)}^{-1}{\tilde{h}}_k*r_k---\left(9\right)$

其中

为下行UE端进行OFDM解调后接收数据，k＝1，2，...，K表示不同的子载波序号。

综上所述，本发明所公开的一种应用在TDD LTE无线通信系统中实现开环预编码的方法，由于本发明在未增加UE设备复杂度的基础上利用轮流发射的方案保证了上下行信道对称性，在保证预编码性能的同时，避免了利用下行反馈从而降低了系统负载，实现了多天线情况下的下行预编码方案，所以有效提高下行接收功率，提高了系统性能。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种无线通信系统中实现开环预编码的方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、上行UE端多个发射天线连续N个上行时刻依次向基站轮流发射，N为发射天线数目；

B、合并所述N个上行时刻的信道估计，获得与下行对称的上行信道估计矩阵，在开环情况下获得下行预编码矩阵；

C、根据下行端口数目，对下行数据预编码后发射，所述UE完成下行发射数据的解调；

其中，所述步骤C进一步包括：

C1、当端口数目不大于4时，对所述下行待发射的数据预编码；

C2、当端口数目大于4时，对所述下行待发射的数据和小区参考信号共同进行预编码，其中小区参考信号按照发射数据层数进行映射，即不同端口的小区参考信号分别映射在各个发射数据层上。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A进一步包括：

A1、上行接收端通过天线接收信号，根据已知上行参考信号估算当前时刻信道估计h_N。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤B进一步包括：

B 1、所述信道枯计矩阵是将之前接收到的N-1个上行时刻的信道估计h₁，…，h_N-1_与所述当前信道估计h_N合并得到信道估计矩阵H＝[h₁ h₂…h_N]^T，其中矩阵H的大小为N×M，M为基站端天线数目；

B2、对所述信道估计矩阵H进行奇异值分解，得到所述下行预编码矩阵V。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述下行预编码矩阵V的表达式为：

H＝UDV^H

其中，U，V分别为奇异值分解得到的预编码译码和编码酉矩阵，D是特征值组成的矩阵，V的大小为M×v，v表示下行发射数据的层数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C1还包括：

C11、所述UE对接收信号进行OFDM解调后，对下行信道估计进行奇异值分解，利用译码矩阵完成预编码译码，得到对下行发射数据的估计，完成接收解调下行发射数据。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C2还包括：C21、所述UE对接收信号进行OFDM解调后，利用下行信道估计进行下行解调，完成接收解调下行发射数据。

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