CN103701511A - 一种lte系统下行mimo技术的查表实现系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LTE系统下行MIMO技术的查表实现系统及方法，调制模块，对输入信息按照调制方式产生对应查找地址，到调制幅度查找表中查找对应的幅度值；层映射预编码系数产生模块，根据不同的天线配置模式、MIMO方式、开环闭环方案、码字到层的映射关系、预编码码本、天线端口等信息进行两级查表，得到相应的定点系数值；功率控制模块，查找功率转换表得到对应的线性增益；运算模块得到映射到各天线端口的实部（虚部）。根据本发明实现的LTE系统MIMO技术，支持单天线、两天线及四天线配置模式下MIMO传输分集和空间复用技术；本发明还适用于LTE-A系统和其他使用MIMO技术的系统，具有扩展性好的特点。

Description

一种LTE系统下行MIMO技术的查表实现系统及方法

技术领域

本发明属于移动通信多用户MIMO技术领域，特别涉及一种LTE系统下行MIMO技术的查表实现系统及方法。 

背景技术

LTE是第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project,3GPP）对通用移动通信系统（Universal Mobile Telecommunications System,UMTS）技术的长期演进（Long Term Evolution,LTE），始于2004年3GPP的多伦多会议。LTE是3G与4G技术之间的一个过渡，是3.9G的全球标准，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。 

为了满足LTE通信系统高数据速率和高系统容量方面的需求，LTE系统支持多天线MIMO技术，包括传输分集、空间复用、波束赋形。而在多用户MIMO系统中，一个主要的问题就是需要消除各个用户信号之间的相互干扰。在下行链路中，由于各个移动台之间地理位置上是分散的，移动台之间无法实现相互协作，因此不能利用上行链路中使用的接收算法联合检测出发射信号。此时可以在发射端采用多用户MIMO系统预编码技术，对发射信号进行预处理，使各用户接收到“纯净”的不受其它用户干扰的信号。该技术有三个主要的优势：一是通过发射端的预编码处理，可以有效地消除多用户干扰，从而大大提高系统容量；二是可以大大简化接收机的算法，解决移动台的功耗和体积问题；三是由于发射端能准确知道各用户的信道状态信息，所以在发射端采用反馈干扰抵消的方法不存在误码扩散问题，性能更优。 

根据3GPP TS36.211V9.1.0协议对层映射及预编码的定义，层映射按照不同天线配置和使用不同的MIMO技术，不同的码字到层的映射共有8种不同的情况；预编码在层映射基础上，按照开环闭环情况、不同的码本及映射到不同的天线端口，又细化为400多种不同的情况，还不包括对PHICH信道,PSS,SSS,RS信号的处理。如此多的处理分支，如果用分支逻辑实现将需要大量的代码行，大量的分支逻辑一方面处理速度提升不上去，另一方面在测试验证时不利于检错纠错。 

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明提供一种支持多天线配置、处理速度快、扩展性好的LTE系统下行MIMO技术的查表实现系统及方法。 

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案： 

一种LTE系统下行MIMO技术的查表实现系统，包括调制模块、层映射预编码系数产生模块、功率控制模块、运算模块；运算模块分别与调制模块、层映射预编码系数产生模块、功率控制模块连接，层映射预编码系数产生模块与功率控制模块连接；运算模块包括乘法器和加法器。 

各模块实现的功能如下： 

调制模块：对映射到不同层上的数据根据对应的调制方式产生相应的调制幅度查找地址，在调制幅度查找表Amplitude LUT中查找对应的幅度值； 

层映射预编码系数产生模块：根据不同的天线配置模式、预编码方式、开环闭环方案、码字到层的映射关系、预编码码本、天线端口信息，查找对应的预编码类型查找表，得到码字经过层映射预编码之后映射到各层及各天线端口上对应复数值的系数查找地址，再进入系数值查找表Factor Value LUT中查找对应的定点系数值； 

功率控制模块：根据上层配置的RS参考功率，DCI功控参数、PDSCH功率以及采用不同调制方式需要的功率补偿，得到控制信道或业务信道总的功控参数索引值，然后根据该索引值到功率转换表DB to Linear LUT中查找对应的线性增益； 

运算模块：首先根据调制模块的调制幅度值与层映射预编码系数产生模块的定点系数值，按照预编码推导公式进行相乘、相加运算，得到映射到各天线端口上每层的I,Q信息，然后与功率调制模块得到的线性增益相乘得到各层功率调整后的I,Q信息，再累加各天线端口上每层的I/Q信息得到映射到各天线端口最终预编码之后的I/Q信息，最后按照后续模块的数据格式要求进行截位、饱和操作后送入后续模块。 

一种基于上述系统进行的LTE系统下行MIMO技术的查表实现方法，包括以下步骤： 

步骤1：从协议定义出发，一步推导出调制、层映射及预编码之后映射到各 天线端口上的信息与调制后数据的对应关系，简化中间处理过程，有利于实现； 

步骤2：按照层映射中“层”的概念，将推导的较复杂关系式进行分解简单的乘加关系式，得到映射到各层上预编码之后的信息，再次简化处理及实现； 

步骤3：对映射到各层上预编码之后的较简单的乘加关系式进一步分解，得到组成乘加关系式的最小元素，包括系数与调制幅度，进一步进行简化实现，为查表实现提供指导； 

步骤4、根据分解的最小元素（系数和调制幅度），在层映射预编码系数产生模块中建立对应的系数值查找表（Factor Value LUT）及在调制模块中建立调制幅度查找表(Amplitude LUT)； 

根据处理的物理信道或物理信号、天线配置模式、MIMO方式、开环闭环方案、码字到层的映射关系、码本及天线端口等信息，对所有需要处理的类型进行分组，并在层映射预编码系数产生模块中建立预编码类型查找表（Precode Type LUT）； 

根据RS参考功率、DCI功控参数、PDSCH功率控制参数及针对不同调制方式进行的功率补偿，在功率控制模块中建立线性功率转换表（dB to linear LUT）； 

步骤5：首先根据预编码类型查找表Precode Type LUT查找得到进行处理的预编码类型，包括系数值查找表地址index及调制幅度查找表地址index，然后到系数值查找表Factor Value LUT和调制幅度查找表Amplitude LUT中查找得到映射到各层上分解为最小元素的系数值及幅度值； 

步骤6：根据推导的预编码输出计算公式，将各最小元素进行对应的乘加运算，得到映射各个天线端口每一层上的实部和虚部；然后与线性功率转换表dB to linear LUT输出的下行功率控制参数相乘并叠加，得到最终映射到各天线端口的实部及虚部；最后按照要求进行截位、饱和操作后输出。 

所述的调制模块利用调制后的符号位或固定的address offset控制调制幅度查找地址的产生。 

所述的层映射预编码系数产生模块包含两级查表，第一级为对预编码控制信息进行编码，产生10bits查找地址，查找预编码类型查找表（precod_type_LUT）得到80bits系数编码信息；第二级为对80bits系数编码信息进行分解，得到4层上用于计算real,imag的预编码之前、层映射之后映射到各层上的调制符号的 实部re和虚部im前的系数对应的5bits系数查找地址，查找系数值查找表（Factor Value LUT）得到16位定点之后的系数值。 

所述的功率控制模块是以地址index的形式进行运算，得到总的功率index后查线性功率转换表（dB to linear LUT）得到线性功率值。 

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点和有益效果： 

1.本发明简化了整个调制、层映射及预编码处理过程，一步推导出前后的对应关系，并将复杂的关系式按照“层”的概念分解为映射到各层上简单关系式，简化整个处理过程； 

2.本发明按照分解的简单关系式的各组成元素的特点，建立相应查找表，简化设计过程； 

3.本发明对各种天线模式下预编码类型按照天线模式、处理信息类型、上层配置等进行分类、编码，并建立一一对应的预编码类型查找表，有利于快速定位测试中的问题； 

4.本发明可扩展性好，该方案也适用于LTE-A系统和其他使用MIMO技术的系统。 

总之，本发明从LTE标准协议出发，根据递推关系式的特点进行分解、设计，极大简化了MIMO技术的处理实现，特别是简化了逻辑设计、提高处理速度，是一种较为理想的技术解决方案。 

附图说明

图1为本发明中的LTE系统下行MIMO技术的查表实现系统的示意图。 

图2为本发明中的LTE系统下行MIMO技术的查表实现方法的示意图。 

图3为现有技术中PDSCH信道常用的几种调制方式。 

图4为计算每一层上实部real或虚部imag的时序图。 

图5为功率控制模块的内部结构示意图。 

图6为根据预编码计算公式计算映射到每个天线端口上实部和虚部的时序图。 

具体实施方式

本实施例中，选取ant_mode为4天线模式；选取precode_type为空间复用；选取CW_to_layer为2码字映射到3层；选取CDD_type为开环（large CDD）； 

选取eNodeB与UE之间的预编码码本配置Code_book为12，即满足,

为码字q的调制符号数。根据36.211协 

议可以得到预编码的输出： 

$\left[\begin{array}{c}{y}^{\left(0\right)}\left(i\right)\\ y^{\left(1\right)}\left(i\right)\\ y^{\left(2\right)}\left(i\right)\\ y^{\left(3\right)}\left(i\right)\end{array}\right]=\frac{1}{\sqrt{3}}{W}_{12}^{\left\{123\right\}}D\left(i\right)U\left[\begin{array}{c}{x}^{\left(0\right)}\left(i\right)\\ x^{\left(1\right)}\left(i\right)\\ x^{\left(2\right)}\left(i\right)\end{array}\right]=\frac{1}{\sqrt{3}}\left[\begin{array}{ccc}0.5& 0.5& 0.5\\ 0.5& 0.5& -0.5\\ 0.5& -0.5& 0.5\\ -0.5& 0.5& 0.5\end{array}\right]*\frac{1}{\sqrt{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& e^{-j2\mathrm{\π}/3}& e^{-j4\mathrm{\π}/3}\\ 1& e^{-j4\mathrm{\π}/3}& e^{-j8\mathrm{\π}/3}\end{array}\right]*\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& e^{-j2\mathrm{\πi}/3}& 0\\ 0& 0& e^{-j4\mathrm{\πi}/3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{d}^{\left(0\right)}\left(i\right)\\ d^{\left(1\right)}\left(2i\right)\\ d^{\left(1\right)}(2i+1)\end{array}\right]$

$=\frac{1}{3}*\frac{1}{2}\left\{\begin{array}{c}\left[\begin{array}{ccc}3& 0& 0\\ 1& 1-\sqrt{3}j& 1+\sqrt{3}j\\ 1& 1+\sqrt{3}j& 1j-\sqrt{3}j\\ 1& -1& -j2\end{array}\right],i\mathrm{mod}2=0\\ \left[\begin{array}{ccc}0& 0& 3\\ 1-\sqrt{3}j& 1+\sqrt{3}j& 1\\ 1+\sqrt{3}j& 1-\sqrt{3}j& 1\\ -2& -2& 1\end{array}\right],i\mathrm{mod}2=1\\ \left[\begin{array}{ccc}0& 3& 0\\ 1+\sqrt{3}j& 1& 1-\sqrt{3}j\\ 1-\sqrt{3}j& 1& 1+\sqrt{3}j\\ -2& 1& -2\end{array}\right],i\mathrm{mod}2=2\end{array}\right\}\left[\begin{array}{c}{d}^{\left(0\right)}\left(i\right)\\ d^{\left(1\right)}\left(2i\right)\\ d^{\left(1\right)}(2i+1)\end{array}\right]$

进一步展开可得到： 

式中，

为层数v=3时，选取码本配置为12时的预编码矩阵；D(i)为支持循环延迟分集的对角阵，随i值变化；d⁽⁰⁾(i)为码字0的复值调制符号，其中 

d⁽¹⁾(2i)和d⁽¹⁾(2i+1)为码字1的复值调制符号，其中，

为码字q的调制符号index。 

图1、图2为本发明的LTE系统下行MIMO技术的一种查表实现系统及方法的结构和原理示意图，详细地描述了每个模块内部具体实现方案及过程。 

图3示出了LTE系统下行物理信道除PHICH、PSS/SSS外的其他物理信道或RS信号所用的调制方式，包括QPSK,16QAM,64QAM。从图2可以看出，QPSK,16QAM,64QAM星座图上分别有4,16,64个点，根据调制方式分别产生深度为4，16，64的查找表，用来查找调制后的I,Q对应的幅度index；各种调制方式中每个点对应的二进制符号的高两位对应I,Q数据的符号位，0为正，1为负；将I,Q分别对应的sign和index进行一个“并”操作（sign&index），得到最后的调制幅度查找地址，查找得到调制后的I,Q幅度。例如：调制方式为16QAM，待调制符号为“0110”，mod_layerX_sgn_re=0(positive)，mod_layerX_idx_re=3 

mod_layerX_sgn_im=1(negative)，mod_layerX_idx_re=2 

于是得到调制后的I,Q对应1024x18调制幅度查找表(amplitude LUT)地址mod_layerX_re_addr=3,mod_layerX_im_addr=18，根据该地址查表后得到调制后18位定点化的I,Q数据分别为+130206，-43402。 

表1为根据上述公式推导得到的两码字三层开环空间复用code_book=12时预编码映射信息表。根据上述推导公式，将映射到每个天线端口上的实部和虚部表达式按照层数进行分离，先计算出映射到每一层上的实部real和虚部imag，然后将各层上的计算结果进行相加得到最终的预编码之后的结果。从推导公式还可以看出，预编码之后每个天线端口、每一层上的real和imag可以看做码字q（q取值0,1）经过层映射之后的调制符号，经如下运算得到：real(imag)=f1*re+f2*im。其中，re,im分别为预编码之前、层映射之后映射到该层上的调制符号的实部和虚部；f1,f2为按照预编码计算公式得到的各层上的相应系数。表1中precoding为码本为12，即满足

时，选取相应的D(i)矩阵得到的各 天线上的不同情况。 

表1 

表2为综合3GPP TS36.211V9.1.0协议上定义的传输分集、空间复用的各种预编码情况，按照表1的形式，将预编码推导得到的所有系数(f1,f2)按照Q(1,15)的形式进行小数定点化。其中将单天线、两天线、四天线模式下传输分集及空间复用，phich及RS/PSS/SSS推导式中所有的系数进行编码得到一个5位的查找地址，到32x16的系数值查找表（Factor Value LUT）中查找得到定点后的16位有符号系数，进行后续运算。 

表2 

图4示出了预编码之后计算每一层上实部real时序图。图4中amp_real_re/im分别为预编码之前、层映射之后映射到该层上的调制符号的实部和虚部，对应表1中的re/im；fac_real_re/im为按照预编码公式计算后得到的每一层上re/im前的系数，对应表1中的

根据表1中得到的layer1/2/3/4上计算real/imag的表达式，按照real(imag)=f1*re+f2*im的形式，利用两个有符号18x16乘法器，一个18位加法器实现每一层上real（imag）的计算，见图2。 

表3列举了空间复用2码字映射到3层开环码本12及闭环码本0、1情况下，10bits预编码控制信息precod_ctr_info构成表。precod_ctr_info是预编码类型查找表（precod_type_LUT）的查找地址，对应表1中的precode_type。表中 

各参数意义定义如下： 

Offset；不同情况下的地址偏移； 

CDD；开环闭环指示，0代表闭环；1代表开环； 

Layer；码字到层的映射，00代表1码子映射到1层；01代表1码子映射到2层或2码字映射到2层；10代表2码子映射到3层；11代表2码子映射到4层；Code_book：空间复用预编码码本，闭环时，码本取值0-15，由上层配置；开环时，取值0-3，分别代表码本配置12，13，14，15。开环时码本配置由i和层数v决定； 

Antenna_id；天线端口指示，取值0-3，支持单天线、两天线及四天线模式； 

Distinguish；区分比特，仅在开环时使用；根据开环码本选取表达式

中i和v的不同取值得到同一码本下的不同情况； 

由于天线模式的不同，传输分集与PHICH由offset,antenna_id及必要的distinguish组成预编码类型查找表（precod_type_LUT）查找地址；RS/PSS/SSS不需要进行层映射预编码，直接利用查找地址304对应的系数进行运算。 

表3 

表4为表3列举的空间复用2码字映射到3层开环码本12在预编码类型查找表（precod_type_LUT）中查找地址384-399对应的系数编码。预编码类型查找表宽度为80bits。每个地址存储用于计算real/imag的预编码之前、层映射之后映射到各层上的调制符号的实部re和虚部im前的系数查找地址，通过这个系数查找地址到系数值查找表（表2）中查找得到定点后的16位有符号系数，再与调制幅度查找表(amplitude LUT)查找得到的18位有符号re/im值按照real(imag)=f1*re+f2*im的形式，计算得到各层上的real/imag。 

表4 

表5为综合不同天线模式下传输分集、空间复用、PHICH、RS/PSS/SSS的 预编码控制信息，即预编码类型查找表（precod_type_LUT）查找地址。预编码类型查找表深度为1024，宽度为80bits。不同天线模式下传输分集、空间复用、PHICH、RS/PSS/SSS都对应着相应的查找地址，这有助于在仿真测试过程中快速定位、检测相应处理是否正确；同时表中部分预留未使用的地址可根据后续协议的演进需要做出相应的调整。 

表5 

图5为功率控制模块的内部结构图。首先求出业务信道映射到层v上的总的功控参数： 

global_power_v 

=offset_power_v+ref_power_v+comp_power_v 

+pdcch_pc_v 

其中，offset_power对应协议36.213第5.2中描述的ρ_B或ρ_A，指示一个时隙中包含或不包含RS符号的PDSCH功率控制参数；ref_power为高层下发的RS参考功率；comp_power是根据采用不同调制方式产生的一个功率补偿；pdcch_pc为DCI的功控参数，在ref_power生效时，pdcch_pc为0，因为控制信道与业务信道不在同一个符号上。求得一个总的功率参数后，再对这个参数进行一个简单 的消峰限制clipping，以保证进入后续IFFT处理的信号功率在合理范围内。总的功率参数计算是以地址index的形式进行，计算得到的总的功率index送入深度为1024的功率转换表（dB to linear LUT）中查找得到16位线性功率值，功率值范围为-102.3dB～0dB，地址0对应-102.3dB，地址1023对应0dB，步进0.1dB。功率增益和线性值的对应关系如下： 

$\mathrm{PowerCompensationGaimTable}(i+1)=\mathrm{round}\left({10}^{(i-1023){/}_{10*20*}}{2}^{16}\right)$

其中，i取值为0～1023。 

图6为计算预编码之后映射到每个天线端口上的real/imag时序图。图中ainX为该天线端口上映射到层X上的real/imag，binX为该天线端口上层X上的总的功控参数，ainX*binX得到该天线端口上映射到层X上功率调整后的real/imag，再按照推导的相关预编码计算公式，叠加4层上的计算结果，得到各天线端口上最终的计算结果。实现上，利用DSP48采用pipeline方式，实现4层上的real/imag的乘加运算。 

本发明支持单天线、两天线及四天线三种天线配置模式下MIMO传输分集技术及MIMO空间复用技术，利用少量的存储资源实现复杂的逻辑设计，极大地减少设计代码量，避免在设计过程中因为逻辑级数过多造成的时序问题；同时，该实现方案同样适用于LTE-A系统和其他使用MIMO技术的系统，具有扩展性好的特点。 

本发明的某些特征或者方案所使用的特殊术语不应当用于表示在这里重新定义该术语，以限制与该术语相关的本发明的某些特定特点、特征或者方案。总之，不应当将在随附的权利要求书中使用的术语解释为将本发明限定在说明书中公开的特定实施。因此，本发明的实际范围不仅包括所公开的实施例，还包括按照权利要求书实施或者执行本发明的所有等效方案。 

Claims (5)

1.一种LTE系统下行MIMO技术的查表实现系统，其特征在于：包括调制模块、层映射预编码系数产生模块、功率控制模块、运算模块；运算模块分别与调制模块、层映射预编码系数产生模块、功率控制模块连接，层映射预编码系数产生模块与功率控制模块连接；运算模块包括乘法器和加法器。

2.一种基于权利要求1所述的系统进行的LTE系统下行MIMO技术的查表实现方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1：从协议定义出发，一步推导出调制、层映射及预编码之后映射到各天线端口上的信息与调制后数据的对应关系，简化中间处理过程，有利于实现；

步骤2：按照层映射中“层”的概念，将推导的较复杂关系式进行分解简单的乘加关系式，得到映射到各层上预编码之后的信息，再次简化处理及实现；

步骤3：对映射到各层上预编码之后的较简单的乘加关系式进一步分解，得到组成乘加关系式的最小元素，包括系数与调制幅度，进一步进行简化实现，为查表实现提供指导；

步骤4、根据处理的物理信道或物理信号、天线配置模式、MIMO方式、开环闭环方案、码字到层的映射关系、闭环码本、天线端口、RS、PHICH以及开环模式下根据输入码流index选取不同的码本信息，对所有需要处理的类型进行分组，并在层映射预编码系数产生模块中建立预编码类型查找表Precode Type LUT；根据分解的最小元素，包括系数和调制幅度，在层映射预编码系数产生模块中建立对应的系数值查找表Factor Value LUT及在调制模块中建立调制幅度查找表Amplitude LUT；根据RS参考功率、DCI功控参数、PDSCH功率控制参数及针对不同调制方式进行的功率补偿，在功率控制模块中建立线性功率转换表dB to linear LUT；

步骤5：首先根据预编码类型查找表Precode Type LUT查找得到进行处理的预编码类型，包括系数值查找表地址index及调制幅度查找表地址index，然后到系数值查找表Factor Value LUT和调制幅度查找表Amplitude LUT中查找得到映射到各层上分解为最小元素的系数值及幅度值；

步骤6：根据推导的预编码输出计算公式，将各最小元素进行对应的乘加运算，得到映射各个天线端口每一层上的实部和虚部；然后与线性功率转换表dB to linear LUT输出的下行功率控制参数相乘并叠加，得到最终映射到各天线端口的实部及虚部；最后按照要求进行截位、饱和操作后输出。

3.如权利要求2所述的一种LTE系统下行MIMO技术的查表实现方法，其特征在于：所述的调制模块利用调制后的符号位或固定的address offset控制调制幅度查找地址的产生。

4.如权利要求2所述的一种LTE系统下行MIMO技术的查表实现方法，其

特征在于：所述的层映射预编码系数产生模块包含两级查表：第一级为对预编码控制信息进行编码，产生10 bits查找地址，查找预编码类型查找表precod_type_LUT得到80 bits系数编码信息；第二级为对80 bits系数编码信息进行分解，得到4层上用于计算real, imag的预编码之前、层映射之后映射到各层上的调制符号的实部re和虚部im前的系数对应的5 bits系数查找地址，查找系数值查找表Factor Value LUT得到16位定点之后的系数值。

5.如权利要求2所述的一种LTE系统下行MIMO技术的查表实现方法，其特征在于：所述的功率控制模块是以地址index的形式进行运算，得到总的功率index后查线性功率转换表dB to linear LUT得到线性功率值。

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