CN104468054A - 一种基于短波多天线系统的有限反馈预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于短波多天线系统的有限反馈预编码方法，具体包括以下步骤：步骤1：设计一个码本；步骤2：得到短波多天线系统信道下的旋转格拉斯曼码本；步骤3：发送端输入码流，将其调制后乘上预编码向量w生成发送信号向量；步骤4：接收端进行信道估计得到瞬时信道矩阵H；步骤5：根据步骤2得到的旋转格拉斯曼码本，选取最优的码字将w对应的序号通过反馈信道传回到发送端，发送端根据序号更新预编码向量w；步骤6：接收端采用最大似然法进行信号检测，经解调后生成输出码流。与现有技术相比，本发明考虑了短波信道的相关性，降低了短波多天线系统通信的误码率，提高了信号传输的可靠性。

Description

一种基于短波多天线系统的有限反馈预编码方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其是涉及一种基于短波多天线系统的有限反馈预编码方法。

背景技术

短波通信是频率为3-30MHz的无线电通信方式，具有使用灵活、通信距离远、信道不易摧毁等优点，但是短波通信的性能一直受限于窄带、时变的信道特性，导致数据传输速率不高，通信可靠性差。在不增加系统信道带宽和总发射功率的前提下，多天线技术一方面通过空间复用能极大地提高信道容量，另一方面利用空间分集改善系统的误码率性能，有望用于短波通信中以提升系统性能。

有限反馈预编码是空间分集的一种实现方法，它通过反馈信道将实时的信道状态信息反馈回发送端，发送端根据信道条件调整发射天线阵列上的功率分配，从而增大了接收信号信噪比，降低了系统的误码率。具体实现方法是，使收发端共享一个大的码本，接收端进行信道估计后，根据一定的选码准则从码本中选出与当前信道状态信息匹配的最优码字，将该码字的序号反馈回发送端，发送端根据该序号对应的预编码向量进行发射天线阵列上的信号功率分配。

D.J.Love等在IEEE Communications Magazine的文献“Limited feedback unitaryprecoding for spatial multiplexing systems”中提出一种基于格拉斯曼流型的预编码码本设计方法，但是它是基于空间不相关的瑞利衰落信道，没有考虑多天线系统信道的相关性。短波通信的波长位于10～100米，所用的天线尺寸比较大，天线之间、传播模式之间存在一定的相关性，采用传统的格拉斯曼预编码方案对系统性能提升不够明显，因此基于短波多天线系统的有限反馈预编码方法的提出能够利用短波信道的相关性，重新设计码本，改善短波多天线系统通信的误码性能。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于短波多天线系统的有限反馈预编码方法，有效解决了短波信道存在信号相关性的问题，对于部署短波多天线系统有参考意义。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于短波多天线系统的有限反馈预编码方法，其特征在于，根据发射天线相关性、传播模式相关性、接收天线相关性对短波多天线系统信道进行建模，利用发射天线相关矩阵对格拉斯曼码本进行旋转并归一化，从而降低了短波多天线系统通信的误码率，所述的预编码方法具体包括以下步骤：

步骤1：根据格拉斯曼码本设计一个码本目标是最大化码字之间的最小距离；

步骤2：对步骤1中的每个码字左乘上发射天线相关矩阵进行旋转，然后对转换后的码本进行归一化，得到短波多天线系统信道下的旋转格拉斯曼码本储存在发送端和接收端；

步骤3：发送端输入码流，将其调制后乘上预编码向量w生成发送信号向量，然后通过发射天线阵列发送出去；

步骤4；发送信号经过短波无线信道后到达接收天线阵列，接收端进行信道估计得到瞬时信道矩阵H；

步骤5：根据步骤2得到的旋转格拉斯曼码本，选取最优的码字 将w对应的序号通过反馈信道传回到发送端，发送端根据序号更新预编码向量w；

步骤6：接收端采用最大似然法进行信号检测，经解调后生成输出码流。

所述的格拉斯曼码本是基于空间不相关的瑞利衰落信道，设计码本目标是使码字之间的最小距离δ最大化，其中

$\mathrm{\&delta;}=\underset{1\&le;k<l\&le;N}{\min }\sqrt{1-{\left|c_k^{*}{c}_l\right|}^2}$

其中，*表示共轭转置。

所述的旋转格拉斯曼码本中每个码字f_i可以表示为

$f_i=\frac{R_T^{*}{c}_i}{{\left|\right|R_T^{*}{c}_i\left|\right|}_2}$

其中||·||₂表示矩阵的2范数。

所述的输入码流经过调制后变为调制符号左乘上预编码向量变为发送符号向量即

x_k＝ws_k

其中k表示第k个符号周期，n_T表示发射天线的数目，预编码向量w中元素w_i表示在第i个发射天线上的权重和相移，发送符号平均功率满足其中ε为常数。

所述的瞬时信道矩阵H表示为

H＝R_RG₁R_MG₂R_T

其中R_R表示接收天线相关矩阵，R_M表示短波传播模式相关矩阵，R_T表示发射天线相关矩阵，G₁和G₂是元素服从复高斯分布的随机矩阵。

所述的接收端采用最大似然法进行信号检测，接收符号表示为

y＝||Hw||₂s+n

其中是信道矩阵，n是噪声服从正态分布

所述的预编码向量w位于码本接收端根据估计的信道矩阵H选取w使接收端信噪比SNR最大化，表示为

$\mathrm{SNR}=\frac{{\left|\right|\mathrm{Hw}\left|\right|}_2^2\mathrm{\&epsiv;}}{N_0}=\frac{{\mathrm{\&Gamma;}}_r\mathrm{\&epsiv;}}{N_0}$

因为ε和N₀是固定的，码字选取准则：

码字w选取后，接收端将对应的序号反馈回发送端，其中序号的长度为比特，Γ_r表示有效的信道增益。

令||w||₂＝1保证满足发送功率限制，所述的码本是单位向量的集合。

与现有技术相比，本发明考虑了短波多天线系统信道的相关性，基于传统的格拉斯曼预编码方案，利用发射天线相关性对格拉斯曼码本进行旋转并归一化，从而得到适合短波多天线系统的预编码码本，该方法设计的码本可以根据不同的信道相关性进行动态地调整，有效降低了短波多天线系统的通信误码率。

附图说明

图1为本发明的结构原理图；

图2为2*2多天线系统中不同信噪比下不同预编码方法的误码率比较；

图3为4*2多天线系统中不同信噪比下不同预编码方法的误码率比较；

图4为4*2多天线系统中不同信噪比下采用本发明方法不同反馈比特长度的误码率比较。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种基于短波多天线系统的有限反馈预编码方法，如图1所示，该实施例具体包括以下步骤：

步骤1：根据传统格拉斯曼码本设计方法，设计码本目标是使码字之间的最小距离δ最大化，其中

$\mathrm{\&delta;}=\underset{1\&le;k<l\&le;N}{\min }\sqrt{1-{\left|c_k^{*}{c}_l\right|}^2}$

式中，*表示共轭转置。

步骤2：对传统的格拉斯曼码本每个码字，左乘上发射天线相关项进行旋转并归一化，得到短波相关信道下的旋转格拉斯曼码本每个码字f_i可以表示为

$f_i=\frac{R_T^{*}{c}_i}{{\left|\right|R_T^{*}{c}_i\left|\right|}_2}$

式中，||·||₂表示矩阵的2范数。将码本储存在发送端和接收端。

步骤3：输入码流经过调制后变为调制符号左乘上预编码向量变为发送符号向量即

x_k＝ws_k

其中k表示第k个符号周期，n_T表示发射天线的数目。预编码向量w中元素w_i表示在第i个发射天线上的权重和相移。发送符号平均功率满足(常数)。

步骤4：发送信号经过短波无线信道后到达接收天线阵列，接收端进行信道估计得到瞬时信道矩阵H。基于空间相关的短波多天线系统的信道矩阵H可以表示为

H＝R_RG₁R_MG₂R_T

其中表示接收天线相关矩阵，表示短波传播模式相关矩阵，表示发射天线相关矩阵，G₁和G₂是元素服从复高斯分布的随机矩阵。

步骤5：接收端采用最大似然法进行信号检测，接收符号可以表示为

y＝||Hw||₂s+n

其中是信道矩阵，n是噪声服从正态分布

步骤6：预编码向量w位于码本接收端根据估计的信道矩阵H选取w使接收端信噪比SNR最大化，可以表示为

$\mathrm{SNR}=\frac{{\left|\right|\mathrm{Hw}\left|\right|}_2^2\mathrm{\&epsiv;}}{N_0}=\frac{{\mathrm{\&Gamma;}}_r\mathrm{\&epsiv;}}{N_0}$

因为ε和N₀是固定的，码字选取准则：

码字w选取后，接收端将对应的序号(长度为比特)反馈回发送端。

本实例可以应用于典型的短波多天线系统中，接收端信道估计要求准确，便于寻找最优的码字，反馈信道要求无差错传输。

如图2所示，本实施例在不同信噪比下将本发明方法(Rotated)与传统的格拉斯曼预编码方法(Unrotated)、理想的最优预编码方法(Ideal)进行误码率比较，采用2*2的短波多天线系统，反馈信息长度为2比特，本发明方法误码率要低于传统的格拉斯曼预编码方法。

如图3所示，本实施例在不同信噪比下将本发明方法(Rotated)与传统的格拉斯曼预编码方法(Unrotated)、最优预编码方法(Ideal)进行误码率比较，采用4*2的短波多天线系统，反馈信息长度为2比特，本发明方法误码率要低于传统的格拉斯曼预编码方法。

如图4所示，本实施例在不同信噪比下利用本发明方法(Rotated)采用不同的反馈比特长度进行误码率比较，采用4*2的短波多天线系统，随着反馈比特长度从2增加到6，系统误码率也逐渐降低，而且当反馈比特长度为6时本发明方法的误码率曲线接近理想的最优预编码方法。

本发明的实施例表明，短波多天线系统中，本发明方法能利用信道相关性，降低系统的误码率，具有一定的现实意义和前瞻性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例做了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种基于短波多天线系统的有限反馈预编码方法，其特征在于，根据发射天线相关性、传播模式相关性、接收天线相关性对短波多天线系统信道进行建模，利用发射天线相关矩阵对格拉斯曼码本进行旋转并归一化，所述的预编码方法具体包括以下步骤：

步骤1：根据格拉斯曼码本设计一个码本目标是最大化码字之间的最小距离；

步骤2：对步骤1中的每个码字左乘上发射天线相关矩阵进行旋转，然后对转换后的码本进行归一化，得到短波多天线系统信道下的旋转格拉斯曼码本储存在发送端和接收端；

步骤3：发送端输入码流，将其调制后乘上预编码向量w生成发送信号向量，然后通过发射天线阵列发送出去；

步骤4：发送信号经过短波无线信道后到达接收天线阵列，接收端进行信道估计得到瞬时信道矩阵H；

步骤5：根据步骤2得到的旋转格拉斯曼码本，选取最优的码字 将w对应的序号通过反馈信道传回到发送端，发送端根据序号更新预编码向量w；

步骤6：接收端采用最大似然法进行信号检测，经解调后生成输出码流。

2.根据权利要求1所述的一种基于短波多天线系统的有限反馈预编码方法，其特征在于，所述的格拉斯曼码本是基于空间不相关的瑞利衰落信道，设计码本目标是使码字之间的最小距离δ最大化，其中

$\mathrm{\&delta;}=\underset{1\&le;k<l\&le;N}{\min }\sqrt{1-{\left|c_k^{*}{c}_l\right|}^2}$

其中，*表示共轭转置，N是码本长度，k、l是码字的序号。

3.根据权利要求2所述的一种基于短波多天线系统的有限反馈预编码方法，其特征在于，所述的旋转格拉斯曼码本中每个码字f_i可以表示为

$f_i=\frac{R_T^{*}{c}_i}{{\left|\right|R_T^{*}{c}_i\left|\right|}_2}$

其中，是发射天线阵列相关性矩阵，c_i表示原格拉斯曼码本，||·||₂表示矩阵的2范数。

4.根据权利要求3所述的一种基于短波多天线系统的有限反馈预编码方法，其特征在于，所述的输入码流经过调制后变为调制符号左乘上预编码向量变为发送符号向量即

x_k＝ws_k

其中k表示第k个符号周期，n_T表示发射天线的数目，预编码向量w中元素w_i表示在第i个发射天线上的权重和相移，发送符号平均功率满足其中ε为常数。

5.根据权利要求4所述的一种基于短波多天线系统的有限反馈预编码方法，其特征在于，所述的瞬时信道矩阵H表示为

H＝R_RG₁R_MG₂R_T

其中R_R表示接收天线相关矩阵，R_M表示短波传播模式相关矩阵，R_T表示发射天线相关矩阵，G₁和G₂是元素服从复高斯分布的随机矩阵。

6.根据权利要求5所述的一种基于短波多天线系统的有限反馈预编码方法，其特征在于，所述的接收端采用最大似然法进行信号检测，接收符号表示为

y＝||Hw||₂s+n

其中是信道矩阵，n_R是接收天线数目，n_T是接收天线数目，w是预编码向量，s是发送符号，n是噪声服从正态分布N₀是噪声的方差。

7.根据权利要求6所述的一种基于短波多天线系统的有限反馈预编码方法，其特征在于，所述的预编码向量w位于码本接收端根据估计的信道矩阵H选取w使接收端信噪比SNR最大化，表示为

$\mathrm{SNR}=\frac{{\left|\right|\mathrm{Hw}\left|\right|}_2^2\mathrm{\&epsiv;}}{N_0}=\frac{{\mathrm{\&Gamma;}}_r\mathrm{\&epsiv;}}{N_0}$

因为ε和N₀是固定的，码字选取准则：

码字w选取后，接收端将对应的序号反馈回发送端，其中序号的长度为比特，Γ_r表示有效的信道增益，ε是发送符号功率，N₀是噪声的方差。

8.根据权利要求7所述的一种基于短波多天线系统的有限反馈预编码方法，其特征在于，令||w||₂＝1保证满足发送功率限制，所述的码本是单位向量的集合。