CN102130866A - 一种用于高速铁路环境下mimo系统中的自适应预编码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高速铁路环境下MIMO系统中的自适应预编码方法，该方法在基站端执行长时预编码操作，天线的主瓣方向对准用户的来波的方向，执行长时预编码后，从基站到车载台的通道被解除相关性；在非相关的通道上执行短时预编码操作，两路数据流经过短、长时预编码后,迭加形成发送信号，从天线端口发送；该发送信号被人工设置在基站附近的散射体阻碍,形成散射,通过多条路径到达车载台；车载台端利用导频同步估算出有效信道；根据该有效信道,车载台端计算得到最小均方误差均衡器；车载台使用该最小均方误差均衡器检测出两路数据流。该方法能够消除高速铁路环境下MIMO系统中数据流间的干扰，从而提高高速铁路移动通信系统性能。

Description

一种用于高速铁路环境下MIMO系统中的自适应预编码方法
技术领域
本发明涉及的是一种用于高速铁路环境下MIMO系统中的自适应预编码方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
无线通信的传输媒介是无线信道，它是基站天线与用户天线之间的传播路径。无线通信系统的传播条件分成视距和非视距两种环境。视距条件下，无线信号无遮挡地在发信端与接收端之间直线传播，此种环境中，无线通信系统一般会在此视距传播方向上选用波束成型技术；而在有障碍物的情况下，无线信号只能通过反射，散射和衍射方式到达接收端，称之为非视距通信。此时的无线信号通过多种途径被接收，形成多径效应。现代通信系统如长期演进增强型系统中通过引入多输入多输出，把多径传播的不利因素变化有利因素，实现非视距通信。由王欣，罗汉文，畲锋发表的“基于有限回馈的MIMO空分复用预编码优化设计，”上海交通大学学报，2008, 42(4)，该文介绍了MIMO空分复用系统,该系统中利用信道状态信息自适应选择最佳预编码方案,能有效提高系统性能。另外一种自适应码本方案，该方案利用信道相关性来改进反馈的性能，例如，基于发射相关的自适应码本(R1-092389,“Adaptive Codebook Designs for DL MU-MIMO,”Huawei,RAN1#59.)。上述基于码本的预编码方案在蜂窝无线通信系统中均能达到消除多个数据流间的干扰,然而此类预编码方案消除多个数据流间的干扰依赖于实时反馈获得信道信息，高速铁路移动通信网路中，高速铁路信道快速变化，上一时刻的信道信息反馈到下一时刻，造成实际信道参量反馈延迟的现象。
长期演进增强型系统中通过引入基于预编码的空分复用系统成为其标准。其标准化提案（R1-093059, Adaptive Feedback: A New Perspective of the Adaptive Codebook, Huawei, RAN1#58.）中，深圳华为技术有限公司提出终端通过上行探测参考信号获得协方差阵，该协方差阵对已有的码本进行周期性的修正，得到修正的自适应码本，终端在修正后的自适应码本里选出最优的预编码矩阵标号反馈至基站。该提案提出的自适应码本表示为：
Figure 32791DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 581584DEST_PATH_IMAGE002
代表协方差矩阵，
Figure 731943DEST_PATH_IMAGE003
为基于格拉斯曼流形的码本。
上述基于格拉斯曼流形的码本的预编码方法中，其终端是低速移动。在高速铁路移动通信网路中，直接使用标准中的预编码方式，车载台终端通过上行探测参考信号获得信道的协方差矩阵，然后，根据该信道的协方差矩阵，车载台对已有码本进行周期性的修正，得到修正的自适应码本，车载台在修正后的自适应码本里选出最优的预编码矩阵标号反馈至基站。基站端依据该标号从码本集中查找对应的码本，最后执行基于码本的预编码操作，达到消除多个数据流之间干扰。但是，在高速铁路移动通信网路中，车载台高速移动，高速铁路信道快速变化，这种预编码方式存在实际信道参量反馈延迟的现象，不能实时地反映信道的频率选择性或短时特性, 导致错误选择预编码向量或码本,最终引起高速铁路环境下多个数据流之间的干扰。
MIMO为英文Multiple-Input Multiple-Output的缩写，其中文译名为多输入多输出。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于高速铁路环境下MIMO系统中的自适应预编码方法,该方法能够消除高速铁路环境下MIMO系统中的多个数据流之间的干扰，提高高速铁路移动通信网路的系统性能。
为达到上述目的，本发明的构思是：在基站端执行长时预编码操作，天线的主瓣方向对准用户的来波的方向，执行长时预编码后，从基站到车载台的信道被解除相关性；在非相关的信道上执行短时预编码操作，两路数据流经过短、长时预编码后, 迭加形成发送信号，从天线端口发送；该发送信号被人工设置在基站附近的散射体阻碍, 形成散射, 通过多条路径到达车载台；车载台端利用导频同步估算出等效信道；根据该等效信道,车载台计算得到最小均方误差均衡器；车载台使用该最小均方误差均衡器检测出两路数据流。
根据上述构思，本发明采用下述技术方案：
一种用于高速铁路环境下MIMO系统中的自适应预编码方法，其具体步骤如下：
（1）在高速铁路移动通信系统中，基站分别装有全球定位系统GPS、双交叉极性天线，基站附近还人工设置多个散射体，基站位于多个散射体包围之中，基站端选择单位矩阵作为短时预编码；
（2）基站端对发送至车载台的第一路数据流
Figure 61293DEST_PATH_IMAGE004
、第二路数据流执行短时预编码操作；
（3）用全球定位系统GPS估计得到的波束方向，基站为同一极化方向上的子矩阵计算线性预编码权向量
Figure 725810DEST_PATH_IMAGE006
，其具体步骤如下：
（31）对于波束方向为
Figure 984753DEST_PATH_IMAGE007
的波束
Figure 739082DEST_PATH_IMAGE008
，选定第一个复权是1。 其中, 为通过全球定位系统GPS估计得到的波束
Figure 61796DEST_PATH_IMAGE008
方向，其计算式为：
Figure 553957DEST_PATH_IMAGE009
其中, 
Figure 530004DEST_PATH_IMAGE010
表示基站到零点之间的距离, 
Figure 133023DEST_PATH_IMAGE011
表示基站到车载台之间的距离；
（32）选定波束的第二个复权为相位因子﹑0和1组成的矩阵，其中
Figure 899969DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 978784DEST_PATH_IMAGE014
表示波长和
Figure 539078DEST_PATH_IMAGE015
表示天线极子的间距；
（33）由上述步骤得到的两复权共同确定唯一预编码权向量
Figure 45146DEST_PATH_IMAGE016
。
（4）在执行步骤（2）所得到的数据前面插入导频；
（5）对步骤（4）中插入导频的数据，执行长时预编码操作；
（6）执行步骤（5）后，形成发送信号，其中表示转置操作,该信号从基站端双交叉极性天线发送出去，发送信号表示为：
Figure 620987DEST_PATH_IMAGE019
其中，
Figure 563535DEST_PATH_IMAGE020
为自适应预编码，该发送信号被基站端附近人工设置的散射体阻碍, 形成散射, 经多条路径到达车载台；
(7) 车载台利用导频同步估算出基站到车载台之间等效信道
Figure 1469DEST_PATH_IMAGE021
，其中，
Figure 484403DEST_PATH_IMAGE022
为基站到车载台之间的实际信道, 
Figure 956973DEST_PATH_IMAGE023
为
Figure 867160DEST_PATH_IMAGE024
的单位矩阵；
(8) 车载台利用步骤(7)估算基站到车载台之间等效信道计算最小均方误差均衡器, 该最小均方误差均衡器
Figure 792391DEST_PATH_IMAGE025
为：
Figure 16699DEST_PATH_IMAGE026
其中，为车载台端的接收噪声, 为维数与
Figure 165286DEST_PATH_IMAGE029
一致的单位矩阵；
(9) 利用步骤(8)得到的最小均方误差均衡器, 车载台检测出两路数据流。
本发明的一种用于高速铁路环境下MIMO系统中的自适应预编码方法与现有技术相比较具有以下优点：该方法在基站附近人工设置多个散射体，通过GPS定位，实时获得波束方向
Figure 927706DEST_PATH_IMAGE007
，基站端采用特定的两级预编码方式对两路数据流执行预编码后发送，发送信号被散射体阻碍, 形成散射, 通过多条路径到达车载台；车载台端利用等效信道计算最小均方误差均衡器；车载台使用该均衡器检测出两路数据流；该方法消除高速铁路环境下MIMO系统中的数据流之间的干扰，从而提高高速铁路移动通信网路的系统性能。
附图说明
图1 是本发明的一种高铁环境中MIMO系统中的自适应预编码方法的流程图；
图2 是基站到车载台的波束方向
Figure 174535DEST_PATH_IMAGE007
的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述。
如图1所示,本发明的一种用于高速铁路环境下MIMO系统中的自适应预编码方法，其步骤如下：
（1）在高速铁路移动通信网路中，基站分别装有全球定位系统GPS、双交叉极性天线，基站附近还人工设置多个散射体，基站位于多个散射体包围之中，基站端选择单位矩阵作为短时预编码；
（2）基站端对发送至车载台的第一路数据流
Figure 629787DEST_PATH_IMAGE004
、第二路数据流
Figure 591927DEST_PATH_IMAGE005
执行短时预编码操作；
（3）用全球定位系统GPS估计得到的波束方向，基站为同一极化方向上的子矩阵计算线性预编码权向量
Figure 158038DEST_PATH_IMAGE006
，如图1所示，其具体步骤如下：
（31）对于波束方向为
Figure 194127DEST_PATH_IMAGE007
的波束，选定第一个复权是1， 其中, 
Figure 269716DEST_PATH_IMAGE007
为通过全球定位系统GPS估计得到的波束
Figure 436255DEST_PATH_IMAGE008
方向,如图2所示,其计算式为：
Figure 592430DEST_PATH_IMAGE009
其中, 
Figure 451802DEST_PATH_IMAGE010
表示基站到零点之间的距离, 表示基站到车载台之间的距离；
（32）选定波束的第二个复权为相位因子
Figure 307128DEST_PATH_IMAGE012
﹑0和1组成的矩阵，其中
Figure 275084DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 433533DEST_PATH_IMAGE014
表示波长，
Figure 879558DEST_PATH_IMAGE015
表示天线极子的间距；
（33）由上述步骤得到的两复权共同确定唯一预编码权向量
Figure 10325DEST_PATH_IMAGE006
，记为
Figure 211499DEST_PATH_IMAGE016
，其计算式为：
Figure 794927DEST_PATH_IMAGE031
其中，
Figure 104030DEST_PATH_IMAGE032
表示函数；
（4）在执行步骤（2）所得到的数据前面插入导频；
（5）对步骤（4）中插入导频的数据，执行长时预编码操作；
（6）执行步骤（5）后，形成发送信号
Figure 89304DEST_PATH_IMAGE017
，其中
Figure 399062DEST_PATH_IMAGE018
表示转置操作, 该信号从基站端双交叉极性天线发送出去；发送信号表示为：
其中，
Figure 585510DEST_PATH_IMAGE020
为自适应预编码，该发送信号被基站端附近人工设置的散射体阻碍, 形成散射, 经多条路径到达车载台；
(7) 车载台利用导频同步估算出基站到车载台之间等效信道，记为，
Figure 968267DEST_PATH_IMAGE021
                  （7）
其中，
Figure 323025DEST_PATH_IMAGE022
为基站到车载台之间的实际信道，
Figure 180122DEST_PATH_IMAGE023
为
Figure 874409DEST_PATH_IMAGE024
的单位矩阵；
(8) 车载台利用步骤(7)估算基站到车载台之间等效信道计算最小均方误差均衡器, 该最小均方误差均衡器为：
Figure 633603DEST_PATH_IMAGE034
其中，
Figure 91130DEST_PATH_IMAGE027
为车载台端的接收噪声，
Figure 639923DEST_PATH_IMAGE028
为维数与
Figure 727964DEST_PATH_IMAGE029
一致的单位矩阵；
(9) 利用步骤(8)得到的最小均方误差均衡器, 车载台检测出两路数据流。

Claims (1)

1.一种用于高速铁路环境下MIMO系统中的自适应预编码方法，其特征在于，其具体步骤如下：
（1）在高速铁路移动通信系统中，基站分别装有全球定位系统GPS、双交叉极性天线，基站附近还人工设置多个散射体，基站位于多个散射体包围之中，基站端选择单位矩阵作为短时预编码；
（2）基站端对发送至车载台的第一路数据流                                                
Figure 2011100873019100001DEST_PATH_IMAGE001
、第二路数据流
Figure 2011100873019100001DEST_PATH_IMAGE002
执行短时预编码操作；
（3）用全球定位系统GPS估计得到的波束方向，基站为同一极化方向上的子矩阵计算线性预编码权向量
Figure 2011100873019100001DEST_PATH_IMAGE003
，其具体步骤如下： 
（31）对于波束方向为
Figure 2011100873019100001DEST_PATH_IMAGE004
的波束
Figure 287661DEST_PATH_IMAGE005
，选定第一个复权是1， 其中, 
Figure 220982DEST_PATH_IMAGE004
为通过全球定位系统GPS估计得到的波束
Figure 952178DEST_PATH_IMAGE005
方向，其计算式为：
Figure 2011100873019100001DEST_PATH_IMAGE006
其中, 表示基站到零点之间的距离, 表示基站到车载台之间的距离；
（32）选定波束
Figure 335755DEST_PATH_IMAGE005
的第二个复权为相位因子
Figure 2011100873019100001DEST_PATH_IMAGE009
﹑0和1组成的矩阵，其中
Figure 2011100873019100001DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 2011100873019100001DEST_PATH_IMAGE011
表示波长，
Figure 2011100873019100001DEST_PATH_IMAGE012
表示天线极子的间距；
（33）由上述步骤得到的两复权共同确定唯一预编码权向量；
（4）在执行步骤（2）所得到的数据前面插入导频；
（5）对步骤（4）中插入导频的数据，执行长时预编码操作；
（6）执行步骤（5）后，形成发送信号
Figure 2011100873019100001DEST_PATH_IMAGE014
，其中
Figure 2011100873019100001DEST_PATH_IMAGE015
表示转置操作,该信号从基站端双交叉极性天线发送出去，发送信号表示为：
Figure 2011100873019100001DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure 2011100873019100001DEST_PATH_IMAGE017
为自适应预编码，该发送信号被基站端附近人工设置的散射体阻碍, 形成散射, 经多条路径到达车载台；
 (7) 车载台利用导频同步估算出基站到车载台之间等效信道，其中，
Figure 2011100873019100001DEST_PATH_IMAGE019
为基站到车载台之间的实际信道, 
Figure 2011100873019100001DEST_PATH_IMAGE020
为
Figure 2011100873019100001DEST_PATH_IMAGE021
的单位矩阵；
 (8) 车载台利用步骤(7)估算基站到车载台之间等效信道计算最小均方误差均衡器, 该最小均方误差均衡器
Figure 2011100873019100001DEST_PATH_IMAGE022
为：
Figure 2011100873019100001DEST_PATH_IMAGE023
其中，
Figure 2011100873019100001DEST_PATH_IMAGE024
为车载台端的接收噪声, 
Figure 2011100873019100001DEST_PATH_IMAGE025
为维数与
Figure 2011100873019100001DEST_PATH_IMAGE026
一致的单位矩阵； 
     (9) 利用步骤(8)得到的最小均方误差均衡器, 车载台检测出两路数据流。
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