CN103607262B - 空时分组编码mimo系统中的两阶段预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种空时分组编码MIMO系统中的两阶段预编码方法，包括如下步骤：（1）对空时分组编码后的信号，根据预编码设计准则构建第一阶段预编码矩阵；（2）根据构建好的第一阶段预编码矩阵，结合空时编码过程，对空时分组编码之前的信号进行预均衡，实现第二阶段预编码矩阵的构建；（3）发送端根据第一阶段预编码矩阵和第二阶段预编码矩阵进行发送传输信号，接收端进行常量处理和共轭处理，恢复发送信号。本发明采用的两阶段预编码设计方法，第一阶段预编码设计是为提高MIMO系统性能，第二阶段预编码设计是进行预均衡，降低接收端的复杂度。两阶段预编码设计方法充分利用信道状态信息，有效发挥了预编码和空时编码两者的优势。

Description

空时分组编码MIMO系统中的两阶段预编码方法

技术领域

本发明涉及一种空时分组编码MIMO系统中基于最大容量、最小成对错误概率、迫零准则和最小均方误差准则的预编码设计方法，属于通信技术领域。

背景技术

随着移动通信系统以及Internet的飞速发展，未来移动通信系统的设计目标不仅要求通信速率的提高，还要求实现更大的系统容量和更好的通信质量，同时如何降低手机终端的接收复杂度，使其在全球范围内更好地实现无缝漫游及为用户提供包括语音、数据和图像等的多媒体业务也是我们追求的目标。如何实现这个目标已成为世界通信和信息科学学术界研究的热点。为了在有限的频谱资源上提高传输速率，MIMO技术已成为一种重要的物理层传输技术，主要包括空间复用和空间分集两种形式。正交空时分组编码是一种典型的空间分集形式，它能有效地抵抗无线信道的衰落。发射端在获得信道状态信息的情况下，MIMO系统利用信道状态信息对发送信号进行预处理，能够提高系统的性能。MIMO系统的预编码技术主要是为了抵抗信道衰落造成的干扰，提高频带利用率，减少多用户的干扰以及适应信道传输等，同时预编码技术还可以用于预均衡。

预编码技术可以有效地利用信道信息，将其和空时编码相结合，可以充分发挥两者的优势，因此成为了一个重要的研究方向。

对于空时编码MIMO系统中的预编码设计问题，在已有的研究中，主要侧重基于空时编码的基础上进行预编码的设计以提高系统性能，或者是将预编码矩阵和空时编码的设计相结合构建出新的空时编码矩阵，此时的空时编码矩阵可能不再正交。如何以简单的预编码设计来改善系统性能并简化某侧设备的复杂度，正是本发明的出发点。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种空时分组编码MIMO系统中的两阶段预编码方法，针对2根发送天线和1根接收天线的MIMO系统，设计了两阶段的预编码方案，一次预编码在空时编码之前进行，一次预编码在空时编码之后进行，其目的各不相同。空时编码之后的预编码设计是为了提高系统的性能（容量或误符号率），空时编码之前的预编码设计是为了进行预均衡以降低接收端的复杂度。此两阶段预编码设计与其它方案相比，更充分利用了信道信息，实现简单，提高了系统性能，减少了接收复杂度。

技术方案：一种空时分组编码MIMO系统中的两阶段预编码方法，包括如下步骤：

（1）对空时分组编码后的信号，根据预编码设计准则进行设计，即进行第一阶段预编码矩阵设计；

（2）根据第一阶段预编码矩阵的设计结果，结合空时编码过程，对空时分组编码之前的信号进行预均衡，即第二阶段预编码设计；

（3）接收端进行常量处理和共轭处理，恢复发送信号。

所述的步骤（1）包括：

系统定义预编码矩阵，并根据设计准则——最小成对错误概率或最大系统容量，建立优化问题表达式，同时考虑发送功率约束条件，然后求解出最优预编码矩阵。

所述的步骤（2）包括：

A、把步骤（1）的预编码设计结果代入系统发送传输过程中，建立新的传输过程表达式；

B、根据空时分组编码的正交性对系统传输过程表达式进行一定的转换；

C、根据新建立的表达式，设定第二阶段预编码设计准则——迫零准则或最小均方误差准则，结合发送功率约束条件，建立优化问题表达式，并求解。

所述的步骤（3）包括：

发送端采用设计好的预编码矩阵进行发送后，接收端只需要做简单常量处理和共轭处理，并判定接收信号，即可恢复发送信号。

所述第一阶段预编码矩阵设计是为提高MIMO系统性能，第二阶段预编码矩阵设计是进行预均衡，降低接收端的复杂度。第一阶段的预编码设计位于空时编码之后，第二阶段预编码设计位于空时编码之前。

本发明中，步骤（1）包括

所述的预编码矩阵设计包含三个部分，分别为整形部分、波束成型部分和功率分配部分。

即其中，所述的为输入整形部分，为波束成型部分，为功率分配部分。

步骤A包括：

把步骤（1）中求解出的预编码矩阵F₁代入接收信号的表达式，此时F₁当作已知量，隐含的未知量仅为需要设计的第二阶段预编码矩阵F₂。

所述的步骤B包括：

根据空时分组编码的正交性，对接收信号的某个元素取共轭，对表达式进行转换，以建立关于预编码矩阵F₂的显性表达式。

所述的步骤C包括：

经步骤B转换后得到的表达式中，某些矩阵具有正交性，导致迫零准则和最小均方误差准则等效。

所述的空时分组编码MIMO系统中的两阶段预编码方法，还包括：

计算中用到的信道信息矩阵可以是用到的信道信息矩阵可以是已知的理想信道信息矩阵，也可以是接收端利用信道估计方法估计并反馈到发送端的信道信息矩阵。

本发明的空时分组编码MIMO系统中的两阶段预编码方法，适用于各种调制方式。

本发明的空时分组编码MIMO系统中的两阶段预编码方法适用于各类系统，包括OFDM系统以及非OFDM系统。

有益效果：由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明采用的两阶段预编码设计方法，充分利用信道状态信息，一方面提高了系统性能，另一方面在发送端进行了预均衡，降低了接收端的复杂度，且两次预编码设计实现简单，有效发挥了预编码和空时编码两者的优势。

附图说明

图1是本发明适用系统的结构示意图；

图2是本发明中两阶段预编码方法的原理框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

空时分组编码MIMO系统中的两阶段预编码设计方法，采用2根发送天线和1根接收天线实现预编码设计过程。首先要建立关于传输模型表达式，明确各阶段的设计目标，然后分阶段完成预编码的设计。

系统结构图参见图1，发送端可以增加各种信号处理过程，只要在接收端进行相应的逆处理过程即可。

具体实现过程参见附图2，叙述如下：

步骤1：设定空时编码后的预编码矩阵为F₁，根据信号传输过程，根据最大系统容量准则或最小成对错误概率准则，代价函数可写为E_H[logdet(αγHF₁QF₁ ^*H^*+I)]，并考虑发送功率约束tr(F₁F₁ ^*)＝1，其中为信噪比；α为一常数（不同的准则取值不同）；H为发送天线到接收天线的信道信息矩阵，维数为N_r×N_t（N_t为发送天线数，N_r为接收天线数）；Q为空时编码码字的归一化自相关矩阵，维数为N_t×N_t；F₁为N_t×N_t的预编码矩阵，其设计可分成三个部分，其中，为输入整形部分，它等于Q奇异值分解后的左奇异值矩阵U_Q（Q的奇异值分解为即由于Q=I，所以 为波束成型部分，它等于MIMO信道矩阵H奇异值分解后的右奇异值矩阵V_H，即（H的奇异值分解为），为功率分配部分，是一对角矩阵，采用注水定理进行对角元素的求解，即p_i＝(μ-σ²σ_i ^-2)⁺，其中μ是一水平常数，σ²为噪声功率，σ_i为信道矩阵H的第i个奇异值， ${\left(x\right)}^{+}=\left\{\begin{array}{cc}x& x\&GreaterEqual;0\\ 0& x<0\end{array}\right..$

步骤2：根据步骤1得出的预编码矩阵F₁，代入系统传输过程表达式，求解预编码矩阵F₂；

（1）把步骤1中求解出的预编码矩阵F₁代入接收信号表达式其中空时编码采用Alamouti方案，即 $C=\left[\begin{array}{cc}{x}_1& -x_2^{*}\\ x_2& x_1^{*}\end{array}\right],$ 并对表达式两边进行转置，得 $r=\left[\begin{array}{c}{r}_1\\ r_2\end{array}\right]=\frac{1}{\mathrm{\&beta;}}(\left[\begin{array}{cc}{x}_1& x_2\\ {-x}_2^{*}& x_1^{*}\end{array}\right]{\left({\mathrm{HF}}_1\right)}^T+n),$ 其中β为接收端的功率缩放因子，HF₁＝[hequ₁ hequ₂]，n＝[n₁ n₂]^T为接收端的高斯白噪声；

（2）对r的第2个元素取共轭，得 $\left[\begin{array}{c}{r}_1\\ r_2^{*}\end{array}\right]=\frac{1}{\mathrm{\&beta;}}(\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{hequ}}_1& {\mathrm{hequ}}_2\\ {\mathrm{hequ}}_2^{*}& -{\mathrm{hequ}}_1^{*}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{n}_1\\ n_2^{*}\end{array}\right]),$ 将 $x=\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right]=F_{2}s$ 代入，得 $\left[\begin{array}{c}{r}_1\\ r_2^{*}\end{array}\right]=\frac{1}{\mathrm{\&beta;}}(\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{hequ}}_1& {\mathrm{hequ}}_2\\ {\mathrm{hequ}}_2^{*}& -{\mathrm{hequ}}_1^{*}\end{array}\right]F_{2}s+\left[\begin{array}{c}{n}_1\\ n_2^{*}\end{array}\right])=\frac{1}{\mathrm{\&beta;}}(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{Hequ}}{F}_{2}s+\left[\begin{array}{c}{n}_1\\ n_2^{*}\end{array}\right]),$ 其中 $\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{Hequ}}=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{hequ}}_1& {\mathrm{hequ}}_2\\ {\mathrm{hequ}}_2^{*}& -{\mathrm{hequ}}_1^{*}\end{array}\right]$ 代表区共轭变化后得到的等效信道矩阵，s＝[s₁ s₂]^T为原始发送信号，F₂为空时编码之前的预编码矩阵；

（3）根据迫零准则，其中 根据最小均方误差准则，可得其中 此处P为总的发送功率，为符号功率，由于为一正交矩阵，（a为一常数），所以迫零准则和最小均方误差准则等效。

步骤3：利用求得的预编码矩阵F₁和F₂进行发送端的传输，接收端进行简单的常量处理和共轭处理，并判决，即可恢复原始发送信号；

具体为， $\tilde{s}=\left[\begin{array}{c}{r}_1\\ r_2^{*}\end{array}\right],$ 其中，为信号s的估计值。

本发明所述的方法主要包括三个处理过程：（1）建立系统传输过程模型，对空时分组编码后的预编码矩阵设定设计准则并考虑功率约束条件进行设计求解；（2）利用已求解出的预编码矩阵，对第二阶段预编码，即空时编码前的预编码，依据迫零或最小均方误差准则考虑功率约束条件进行设计求解；（3）根据两阶段的预编码矩阵进行发送传输，在接收端进行相应的简单处理恢复发送信号。

本发明中，通过在发送端添加各种信号处理方式，在接收端对各种信号处理方式进行逆处理，本发明提供的两阶段预编码设计方法对于其他系统也是适用的。

Claims (5)

1.一种空时分组编码MIMO系统中的两阶段预编码方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)对空时分组编码后的信号，根据预编码设计准则构建第一阶段预编码矩阵；

(2)根据构建好的第一阶段预编码矩阵，结合空时编码过程，对空时分组编码之前的信号进行预均衡，实现第二阶段预编码矩阵的构建；

(3)发送端根据第一阶段预编码矩阵和第二阶段预编码矩阵进行发送传输信号，接收端进行常量处理和共轭处理，恢复发送信号；

所述步骤(1)构建第一阶段预编码矩阵的过程包括：

定义第一阶段预编码矩阵，并根据最小成对错误概率或最大系统容量准则，建立优化问题表达式，同时考虑发送功率约束条件，然后求解出最优预编码矩阵，即第一阶段预编码矩阵；

所述步骤(2)包括：

A、把步骤(1)的第一阶段预编码矩阵代入系统发送传输过程中，即代入接收信号的表达式中，建立传输过程表达式，此时第一阶段预编码矩阵当作已知量，需构建的第二阶段预编码矩阵为未知量；

B、根据空时分组编码的正交性，对接收信号的某个元素取共轭，将接收信号的表达式进行转换，以建立关于第二阶段预编码矩阵的显性表达式；

C、根据新建立的显性表达式，设定第二阶段预编码矩阵设计准则——迫零准则或最小均方误差准则，结合发送功率约束条件，建立优化问题表达式，并求解，得到第二阶段预编码矩阵。

2.如权利要求1所述的空时分组编码MIMO系统中的两阶段预编码方法，其特征在于，第一阶段预编码矩阵包含三个部分，分别为整形部分、波束成型部分和功率分配部分；设第一阶段预编码矩阵为F₁，即其中，所述的为输入整形部分，为波束成型部分，为功率分配部分。

3.如权利要求1所述的空时分组编码MIMO系统中的两阶段预编码方法，其特征在于，计算中用到的信道信息矩阵可以是已知的理想信道信息矩阵，也可以是接收端利用信道估计方法估计并反馈到发送端的信道信息矩阵。

4.如权利要求1所述的空时分组编码MIMO系统中的两阶段预编码方法，其特征在于，该方法适用于各种调制方式。

5.如权利要求1所述的空时分组编码MIMO系统中的两阶段预编码方法，其特征在于，该方法适用于OFDM系统以及非OFDM系统。