CN102315872A - 一种lte-a系统中非码本预编码的传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种LTE-A系统上行链路中非码本预编码的传输方法，属于无线移动通信领域。终端利用获得的信道信息进行几何均值分解得到预编码矩阵并完成发送信号的预编码；基站计算得到酉矩阵Q和上三角矩阵R后采用基于QR分解的PIC算法对接收信号进行MIMO检测译码，然后采用信道子空间跟踪技术，利用酉矩阵Q对信号进行预编码后发往终端；终端可以通过同样的方法计算得到酉矩阵P，进而利用酉矩阵P对接收信号进行检测，同时对发送信号进行预编码。本发明的算法复杂度较低，并且反馈码本序号占用信道资源较少，可以提高信道利用率，在不放大噪声的基础上，消除了某一子信道信号受到前面层子信道的干扰，并且进一步有效降低误差传递效应。

Description

一种LTE-A系统中非码本预编码的传输方法

技术领域

本发明涉及一种LTE-A系统中非码本预编码的传输方法，特别涉及一种LTE-A系统上行链路中非码本预编码的传输方法，属于无线移动通信领域。

背景技术

为了提供更高速率的分组业务，提高频谱利用率，在第三代移动通信的基础上进一步长期演进，并最终形成了超三代的长期演进移动通信系统。

LTE-A系统(Long Term Evolution-Advanced，高级长期演进系统)是LTE系统的下一代演进系统。为了获得更高的数据速率，LTE-A系统上行使用了SU-MIMO(Single User MIMO，单用户的空间复用)技术，支持上行2根或者4根发送天线配置。这时，终端作为发送端，基站作为接收端。在LTE-A系统中，物理上行共享信道(Physical Uplink Shared Channel，PUSCH)可采用单天线端口传输，也可采用多天线端口传输。多天线端口传输时，LTE-A支持基于一个或两个码字(Codeword，CW)的空间复用，每个码字对应一个传输块(Transport Block，TB)。码字要进一步映射到层(layer)，每个码字映射为一层或者两层数据。预编码模块完成层到天线的映射。层交织模块可以以调制符号或者时隙为时间单位，将每一个时间单位上的所有层进行打散交织。层交织模块在发送端是可选配置，即在某些情况下可以关闭此功能模块。

现有的3GPP LTE-A协议规定的上行MIMO技术方案都是基于码本反馈方式的预编码方案。在这种方案下，基站需要知道完全的空域信道信息，以便生成量化的预编码矩阵索引，反馈到终端，再由终端进行最终的MIMO预编码操作。现有LTE-A上行链路基于码本预编码算法复杂度比较高，并且反馈码本序号占用信道资源，使信道利用率较低。

目前对预编码技术的研究主要分为基于码本的预编码和基于非码本的预编码。当发送端已知信道信息时，基于非码本的预编码技术可以使发送数据更好的匹配信道，带来更高的波束赋形增益。在基于非码本的预编码中广泛应用奇异值分解算法，基于SVD(Singular value decomposition，奇异值分解)的发送接收算法在理论上的传输速率可以达到信道容量。

基于SVD信道分解的预编码是以信道容量最大化为出发点，将信道进行奇异值分解，对其去耦合，成为多个独立并行子信道，利用注水原则对各子信道进行能量分配；该方法在中低信噪比下能够增大频谱利用率同时减小比特差错性能(BER)，但“注水算法”在高信噪比下将失效，且特征值较小的子信道在低信噪比下无法利用，因而，对于空间复用系统，无法通过SVD及能量注水算法获得较大的分集增益。而GMD(几何均值分解)算法可使各子信道得以充分利用，使MIMO系统性能在频谱利用率与差错概率之间进行折衷，即在获得较好信道容量同时有效降低误码率。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有LTE-A上行链路基于码本预编码算法复杂以及反馈码本序号占用信道资源的缺点，提出了一种LTE-A系统上行链路中非码本预编码的传输方法。

本发明的一种LTE-A系统上行链路中非码本预编码的传输方法，其核心思想在于，终端利用获得的信道信息进行几何均值分解(GMD)得到预编码矩阵，并根据该预编码矩阵对发送信号完成预编码；基站首先根据有关信息进行计算得到酉矩阵Q和上三角矩阵R，并利用酉矩阵Q和上三角矩阵R采用基于QR分解的PIC算法对接收信号进行MIMO检测译码，然后基站利用TD-LTE系统上下行信道的对称性，采用信道子空间跟踪技术，利用酉矩阵Q对信号进行预编码后发往终端；终端可以通过同样的方法计算得到酉矩阵P，进而利用酉矩阵P对接收信号进行检测，同时对发送信号进行预编码。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种LTE-A系统上行链路中非码本预编码的传输方法，涉及到终端和基站两个操作端的传输操作，其步骤如下：

步骤S101：对于某一时刻t，终端通过信道估计获得t-τ时刻的信道状态信息，并对其进行几何均值分解，获得预编码矩阵P；

上述τ为实际信道产生时刻与通过导频估计得到信道时刻之间的时间差；

步骤S102：终端根据步骤S101获取的预编码矩阵P，对经信道编码和符号调制的待发信号s执行预编码，并将预编码后的数据、特定导频序列、以及发送信号功率

送入t时刻传输信道中；其中，特定导频序列为一段特定全0序列，相对于用于信道估计的导频序列要简单的多，它仅用于估计噪声功率；

步骤S201：基站接收到信号后，根据特定导频序列计算出传输过程中噪声功率

步骤S202：由于GMD预编码方案采用相同的信号星座和统一功率分配，所以发送信号s的协方差矩阵是一个量化的单位矩阵，即

由 $\hat{y}=\mathrm{HPs}+n,$ 得到 ${\mathrm{\σ}}_{\hat{y}}^2={\mathrm{HH}}^H{\mathrm{\σ}}_s^2+{\mathrm{\σ}}_n^{2}I,$ 可得到 ${\mathrm{HH}}^H=({\mathrm{\σ}}_{\hat{y}}^2-{\mathrm{\σ}}_n^{2}I)/{\mathrm{\σ}}_s^2,$ 此时HH^H由已知的

计算得出；其中I为单位矩阵，为接收信号，

为接受信号功率；设定矩阵U、Λ、V为信道矩阵H的SVD分解，即H＝UΛV，由HH^H＝UΛV(UΛV)^H＝UΛ²U^H，计算得出矩阵U和Λ；

步骤S203：基站根据矩阵U和Λ得到酉矩阵Q和上三角矩阵R，其中R的对角线上元素为信道矩阵H的几何均值，也即存在

其中λ_i为信道矩阵H的奇异值，

为三角矩阵R的对角元素，M_t为信道矩阵H的维数；

步骤S204：基站采用基于QR分解的PIC算法对步骤S201接收到的信号进行MIMO检测译码，其处理过程为：

用步骤S203得到的酉矩阵Q对步骤S201接收到的信号进行处理，在不放大噪声的基础上，消除了某一子信道信号受到前面层子信道的干扰；通过串行干扰删除技术，逐层完成MIMO子信道的检测；对已检测的所有信号分量进行PIC运算更新；将更新后的信号分量用于下一信号分量的检测；直到全部信号分量得到检测；

步骤S205：基站发送下行信号

信号的功率表示为

其中

为的复共轭，将

带入上式计算得出HH^H，其中s_rev为下行发送信号，n_rev为下行噪声信号，为下行接收信号的功率；

步骤S301：终端收到信号后对信号进行处理，得到H^HH＝VΛ²V^H，进而由矩阵V和Λ估计得到上三角矩阵R以及酉矩阵P，终端在不需要信道估计的情况下可直接采用得到的酉矩阵P对上行发送信号进行预编码；

步骤S302：终端根据酉矩阵P，对经信道编码和符号调制的待发信号s‘执行预编码，并将预编码后的数据、特定导频序列、以及发送信号功率

于下一时刻t’送入传输信道中；

步骤S303：转入步骤S201执行循环操作。

有益效果

本发明的算法复杂度较低，并且反馈码本序号占用信道资源较少，可以提高信道利用率；本发明在不需要知道信道信息的情况下进行MIMO解码，从而有效地降低了由于信道估计引入的算法复杂度同时减少了导频序列所占的信道资源；本发明在不放大噪声的基础上，消除了某一子信道信号受到前面层子信道的干扰；本发明能够有效地减小信道时变性以及MIMO信道互相之间的干扰，并且进一步有效降低误差传递效应，相比于传统的MMSE-SIC算法其性能更加优异且算法复杂度相当；本发明中，当信道为慢衰落时，在一定时间范围内进一步采用了信道子空间跟踪技术，这样终端无需进行信道估计以及GMD分解操作，有效地降低了终端算法复杂度。

附图说明

图1为本发明实施例中上行链路非码本预编码的传输处理流程图；

图2为本发明实施例中基于GMD的MIMO预编码系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明和详细描述。

实施例1

一种LTE-A系统上行链路中非码本预编码的传输方法，涉及到终端和基站两个操作端的传输操作，其步骤如图1所示，主要包括：

对于终端，

步骤S101：对于某一时刻t，通过信道估计获得t-τ时刻的信道状态信息，并对其进行几何均值分解(GMD)，获得预编码矩阵P；

步骤S102：如图2所示，根据所述预编码矩阵P，对经信道编码和符号调制的待发信号s执行预编码，并将预编码后的数据、特定导频序列、以及发送信号功率

送入t时刻传输信道中；其中特定导频序列为一段特定全0序列；对于基站，

步骤S201：根据特定导频序列计算得出传输过程中噪声功率

特定全0序列经过信道后，接收信号即为噪声，接收信号的功率即为噪声功率

步骤S202：由于本发明中GMD预编码方案采用相同的信号星座和统一功率分配，所以发送信号s的协方差矩阵是一个量化的单位矩阵，即由 $\hat{y}=\mathrm{HPs}+n,$ 得到 ${\mathrm{\σ}}_{\hat{y}}^2={\mathrm{HH}}^H{\mathrm{\σ}}_s^2+{\mathrm{\σ}}_n^{2}I.$

由上面推导可得到由已知的

计算得出HH^H；

已知矩阵U，Λ，V为信道矩阵H的SVD分解，即H＝UΛV，则有HH^H＝UΛV(UΛV)^H＝UΛ²U^H，则可计算得出矩阵U，Λ；

步骤S203：本发明采用的GMD分解算法是在SVD分解的基础上计算得出的，计算酉矩阵Q、上三角矩阵R只需要知道Λ和右歧义矩阵U，因此可由矩阵U，Λ得到酉矩阵Q和上三角矩阵R；

步骤S204：为了尽量减小由于信道时变性带来的干扰，本发明在排序QR分解检测算法的基础上采用了基于QR分解的PIC算法对接收信号进行检测；

进一步地，当信道为慢衰落时，根据TD-LTE系统上下行信道的对称性，本发明根据信道变化具体情况可选择在2-10个时隙内采用信道子空间跟踪技术，能够有效减少由于信道估计产生的算法复杂度以及导频序列所占的信道资源。

步骤S205：基站在发送信号时，可将前面的收发端调换，表示为： ${\hat{y}}_{\mathrm{rev}}=H^T{Q}^H{s}_{\mathrm{rev}}+n_{\mathrm{rev}},$ 则 ${\mathrm{\σ}}_{\hat{y}}^2=E\left[\stackrel{\‾}{{\hat{y}}_{\mathrm{rev}}}{{\hat{y}}_{\mathrm{rev}}}^H\right],$ 其中

为

的复共轭；

步骤S301：终端收到信号后对信号进行处理，得到：H^HH＝VΛ²V^H，进而由矩阵V和Λ估计得到上三角矩阵R以及酉矩阵P，终端在不需要信道估计的情况下可直接采用得到的酉矩阵P对上行发送信号进行预编码。

步骤S302：终端根据所述酉矩阵P，对经信道编码和符号调制的待发信号s执行预编码，并将预编码后的数据、特定导频序列、以及发送信号功率

于下一时刻t’送入传输信道中；

步骤S303：转入步骤S201执行循环操作。

终端在不需要信道估计的情况下可直接采用得到的酉矩阵P对上行发送信号进行预编码；能够有效减少由于信道估计产生的算法复杂度以及导频序列所占的信道资源。

综上所述，本实施例发送端基于GMD分解的预编码以及接收端MIMO子信道检测算法相结合。终端通过信道估计获得之前的下行信道信息，由TD-LTE系统特有的信道互惠性获得上行信道信息，并利用该信道信息进行GMD分解操作得到的预编码矩阵对发送信号执行预编码；终端根据得到的信息可直接计算得到MIMO解码处理矩阵Q，从而在不需要知道信道信息的情况下进行MIMO解码，从而有效地降低了由于信道估计引入的算法复杂度同时减少了导频序列所占的信道资源。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种LTE-A系统非码本预编码的传输方法，用于LTE-A系统上行链路中，涉及到终端和基站两个操作端的传输操作，其特征在于传输方法的步骤如下：

步骤S101：对于某一时刻t，终端通过信道估计获得t-τ时刻的信道状态信息，并对其进行几何均值分解，获得预编码矩阵P，上述τ为实际信道产生时刻与通过导频估计得到信道时刻之间的时间差；

步骤S102：终端根据步骤S101获取的预编码矩阵P，对经信道编码和符号调制的待发信号s执行预编码，并将预编码后的数据、特定导频序列、以及发送信号功率送入t时刻传输信道中；

步骤S201：基站接收到信号后，根据特定导频序列计算出传输过程中噪声功率

步骤S202：基站将发送信号功率

和噪声功率

代入到式

中，计算得出HH^H；其中I为单位矩阵，

为接收信号，

为接受信号功率；设定矩阵U、Λ、V为信道矩阵H的SVD分解，即H＝UΛV，由HH^H＝UΛV(UΛV)^H＝UΛ²U^H，计算得出矩阵U和Λ；

步骤S203：基站根据矩阵U和Λ得到酉矩阵Q和上三角矩阵R，其中R的对角线上元素为信道矩阵H的几何均值，也即存在

其中λ_i为信道矩阵H的奇异值，

为三角矩阵R的对角元素，M_t为信道矩阵H的维数；

步骤S204：基站采用基于QR分解的PIC算法对步骤S201接收到的信号进行MIMO检测译码；

步骤S205：基站发送下行信号

信号的功率表示为其中

为

的复共轭，将

带入上式计算得出HH^H，其中s_rev为下行发送信号，n_rev为下行噪声信号，

为下行接收信号的功率；

步骤S301：终端收到信号后对信号进行处理，得到H^HH＝VΛ²V^H，进而由矩阵V和Λ估计得到上三角矩阵R以及酉矩阵P，终端直接采用得到的酉矩阵P对上行发送信号进行预编码；

步骤S302：终端根据酉矩阵P，对经信道编码和符号调制的待发信号s‘执行预编码，并将预编码后的数据、特定导频序列、以及发送信号功率

于下一时刻t’送入传输信道中；

步骤S303：转入步骤S201执行循环操作。

2.根据权利要求1所述的一种LTE-A系统非码本预编码的传输方法，其特征在于：步骤S102中所述特定导频序列为一段全0序列。

3.根据权利要求1所述的一种LTE-A系统非码本预编码的传输方法，其特征在于：

步骤S204中基站采用基于QR分解的PIC算法对步骤S201接收到的信号进行MIMO检测译码的处理过程为：用步骤S203得到的酉矩阵Q对步骤S201接收到的信号进行处理；通过串行干扰删除技术，逐层完成MIMO子信道的检测；对已检测的所有信号分量进行PIC运算更新；将更新后的信号分量用于下一信号分量的检测；直到全部信号分量得到检测。

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