CN105162504B - 一种快速mimo系统发射端预编码方法 - Google Patents

一种快速mimo系统发射端预编码方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快速MIMO系统发射端预编码方法，包括如下步骤：S1采用SVD技术对信道矩阵进行分解，得到N个平行子信道，S2根据经典注水法针对第i个子信道的信噪比γi来进行功率分配，得到功率分配矩阵ΣCWF，S3根据调制分集星座图旋转方法构造一个调制分集酉矩阵VM以减少星座点重叠，S4将S1中的原始预编码矩阵VH与S2中矩阵ΣCWF及S3中矩阵VM的乘积作为发射端预编码矩阵，即G＝VHΣCWFVM，得到本发明的预编码方法，并利用该矩阵发射信号。本发明减小预编码的计算时间开销，提高信道互信息，满足实际应用需求。

Description

一种快速MIMO系统发射端预编码方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种快速MIMO系统发射端预编码方法。
背景技术
多天线技术是指在无线通信的发射端或接收端采用多副天线，同时结合先进的信号处理技术实现的一种综合技术。如果在发射端和接收端同时采用多副天线，则称为多输入多输出技术(MIMO,Multiple Input Multiple Output)。MIMO是无线通信领域智能天线技术的重大突破，其能在不增加带宽的前提下，利用空时分组码与空间复用码技术成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。
MIMO系统发射端预编码技术需要发射端准确获得信道状态信息(CSI,ChannelSide Information)。对于慢变信道，如无线局域网(WLAN,Wireless Local Area Network)的发射端可通过反馈或时分双工(TDD,Time Division Duplex)对称原则获得CSI。实际上，在3G标准WCDMA中，发射端信道状态信息(CSIT,Chanel Side Information At TheTransmitter)与接收端信道状态信息(CSIR,Chanel Side Information At TheReceiver)均可在闭环分集或发送自适应阵列技术中获得。基于此基础，发射端预编码技术得到了飞速发展。基于不同的设计标准，预编码技术也不同。例如，最小均方误差准则(MMSE)、最大信噪比准则(SNR)、最大互信息准则(MI)，或者最小误码率准则(BER)等。预编码技术根据发射端的预处理方式，可分为线性预编码与非线性预编码。众所周知的是奇异值分解(SVD,Singular Value Decomposition)预编码技术，它通过将MIMO信道分解成等效平行子信道，并且应用发射端的功率分配技术以达到系统的最大信道容量。
目前SVD预编码技术存在着几种方法，分别是信道对角化预编码(CD,ChannelDiagonalization Precoder)、经典注水预编码(CWF,Classic Water-filling Precoder)、最大分集预编码(MD,Max Diversity Precoder)、基于调制分集的穷举预编码(MDE,Modulation Diversity-Exhaustive Precoder)，还有最优预编码(OP,Optimal Precoder)等等。然而这几种预编码方法都有不足之处，例如信道对角化、经典注水和最大分集预编码虽然计算时间开销小但达到的信道互信息也小，难以满足实际应用需求；基于调制分集的穷举预编码和最优预编码虽然达到的信道互信息大但计算时间开销也大，在实际应用中难以实现。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种快速MIMO系统发射端预编码方法。
本发明采用如下技术方案：
一种快速MIMO系统发射端预编码方法，包括如下步骤：
S1采用SVD技术在发射端对信道矩阵H进行分解，得到N个平行子信道，所述H分解成是VH的共轭转置矩阵，二者可互相转换，ΣH表示,H的奇异值矩阵；
S2根据经典注水法针对第i个子信道的信噪比γi来进行功率分配，得到功率分配矩阵ΣCWF，其中σi是对角矩阵ΣH的第i个奇异值，P是总发射功率，σ2是噪声功率；
S3采用调制分集星座图旋转方法，构造一个调制分集酉矩阵VM，具体为：
其中，Nt是发射天线数，Nr是接收天线数，qM则依不同的调制方式而定，j表示虚数单位，即j×j＝-1；
S4将S1中的原始预编码矩阵VH与S2中得到的功率分配矩阵ΣCWF及S3中得到的调制分集酉矩阵VM的乘积作为发射端预编码矩阵，即G＝VHΣCWFVM，并利用该矩阵发射信号。
S1中式即给定的信道矩阵H应用奇异值分解可分解成等号右边三个矩阵相乘。
所述S2中经典注水法具体实现依照下述公式：
其中Pi表示第i个平行子信道分配到的功率，γ0是一个阈值，具体依信道矩阵H而定。
所述S2中，在信噪比低的情况下，所有功率都分配在最大的子信道。
所述qM其选取原则为使发射信号向量构成的复合星座图的星座点之间的欧氏距离尽量大。
本发明基于经典注水的MIMO系统发射端预编码方法，该方法将经典注水的功率分配方法和调制分集星座图旋转方法相结合。首先采用SVD技术，将MIMO信道分解成等效平行子信道，然后根据各平行子信道的信道状况，依据经典注水策略进行功率分配，再结合星座图旋转方法避免星座点重叠。从而设计出满足实际应用需求的预编码方法。
本发明的有益效果：
本发明以最大互信息准则，使用经典注水方法进行功率分配，降低计算时间开销；使用调制分集星座图旋转方法提高接收端的误码性能。两者相结合，一方面降低预编码方法的计算量，另一方面提高信道互信息，从而满足实际应用需求。
附图说明
图1是本发明的工作流程图；
图2是MIMO系统多天线信道模型；
图3是MIMO系统等效平行子信道模型；
图4是本发明的经典注水功率分配策略；
图5是本实施例中2×2MIMO-BPSK调制采用不同预编码方法的信道互信息曲线；
图6是本实施例中2×2MIMO-QPSK调制采用不同预编码方法的信道互信息曲线；
图7是本实施例中4×4MIMO-BPSK调制采用不同预编码方法的信道互信息曲线；
图8是本实施例中4×4MIMO-QPSK调制采用不同预编码方法的信道互信息曲线。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种快速MIMO系统发射端预编码方法，核心是两个主要步骤分别得到矩阵ΣCWF和VM，最终目标是得到预编码矩阵G。
图2是一个Nt根发射天线和Nr根接收天线的MIMO系统信道模型，由图可以看出，总共存在共NrNt条不同的耦合信道。
考虑MIMO系统的基带等效模型为：y＝HGx+n。
其中x是Nt×1的发射复向量，y是Nr×1的接收复向量，H是Nr×Nt的复信道矩阵，G是Nt×Nt的预编码矩阵。同样对预编码矩阵G进行SVD分解可得到：
本发明的预编码方法中，预编码矩阵G的左边酉矩阵UG取VH，对角矩阵ΣG则依据经典注水功率分配方法取ΣCWF，右边酉矩阵取VM，于是本发明的预编码方法为：G＝VHΣCWFVM。
图3是一个SVD分解的MIMO等效平行子信道模型，总共分解成N个子信道，其中N＝ min(Nt,Nr)。由上述公式可得：变形可得： 其中解耦合的MIMO系统模型中，ΣH和ΣCWF都是对角矩阵。和分别是这两个矩阵的第i个奇异值，前者反映信道状态，后者代表功率分配权 值。
图4是经典注水功率分配策略。图中每一个容器都是一个等效平行子信道。经典注水的过程是：首先往每个容器灌注高度为1/γi的固体基质，接下来，往所有的容器里灌注水，直到水面高度上升到1/γ0。这里假设容器壁对水是可穿透的，对固体基质不可穿透。于是每个容器的水柱高度pi就是我们所要得到的功率分配权值，pi＝Pi/P。
本实例首先建立一个两根发射天线和两根接收天线的MIMO系统，并采用二元相移 键控(BPSK)调制，选取的信道矩阵是以下是核心的两个主要步骤分别得到功 率分配矩阵ΣCWF和调制分集矩阵VM。
第一步，先采用SVD技术对信道矩阵H进行分解，得到两个等效平行子信道并由此确定功率分配矩阵ΣCWF。根据经典注水算法得到两个子信道的功率分配如下表1所示：(假设总发射功率为2)
表1
信噪比(dB) 子信道1 子信道2
-20 2 0
-17.5 2 0
-15 2 0
-12.5 2 0
-10 2 0
-7.5 2 0
-5 2 0
-2.5 2 0
0 2 0
2.5 2 0
5 2 0
7.5 2 0
10 1.670820393 0.329179607
12.5 1.377230029 0.622769971
15 1.212132034 0.787867966
17.5 1.119290609 0.880709391
20 1.067082039 0.932917961
则当信噪比为-20dB时，
第二步，确定调制分集矩阵VM。由于采用BPSK调制，qM＝1；若是采用正交相移键控 (QPSK)调制，qM＝1/2。于是本实例的调制分集矩阵为：所以我们就得 到本发明的预编码矩阵：G＝VHΣCWFVM。
本实例的仿真结果使用仿真软件Matlab获得。信道互信息的计算采用下界公式，从而简化计算。
仿真结果如图5所示，可以看到，图中分别列出了五种预编码方法在不同信噪比情况下的信道互信息。这五种方法分别是本发明的一种快速MIMO系统发射端预编码方法(Modified CWF)、基于调制分集的穷举预编码(Exhaustive Method)、经典注水预编码(Classic WF)、信道对角化预编码(Channel Diagonalization)和最大分集预编码(MaxDiversity)。由图可知，Modified CWF和Exhaustive Method达到的互信息基本相同，是图中五种方法中最优的；而Max Diversity在大于-7.5dB时是次优的；在大于-5dB时ClassicWF是最差的，而Channel Diagonalization是次差的。而且Modified CWF和ExhaustiveMethod收敛到极限都是最快的，然而前者的计算时间开销较小。
采用QPSK调制的仿真结果如图6所示。和图5相似，Modified CWF和ExhaustiveMethod的性能基本一致，都是图中最优的。
四根发射天线和四根接收天线的MIMO系统采用BPSK调制的仿真结果如图7所示。和前两种情况不同，这时Modified CWF和Exhaustive Method的性能不再一致，在-5dB到2.5dB区间内，前者达到的互信息较后者差一点，然而在-2.5dB相差最大时前者也达到了后者98.9％的互信息。该情况的仿真结果是用Intel Core i5-4590 3.30GHZ的CPU运行得到的，采用Modified CWF的运行时间为3.2801s，而采用Exhaustive Method的运行时间为3.0827min，是前者约56倍。
采用QPSK调制的仿真结果如图8所示。同样Modified CWF和Exhaustive Method的性能不再一致，在-2.5dB到10dB区间内，前者达到的互信息较后者差一点，在2.5dB相差最大时前者达到了后者95％的互信息，而此时Max Diversity仅达到Exhaustive Method互信息的89％。该情况的仿真结果同样是用Intel Core i5-4590 3.30GHZ的CPU运行得到的，采用Modified CWF的运行时间为4.113s，而采用Exhaustive Method的运行时间为16.5995h，是前者约145629倍。由此可见前者的计算时间开销远远小得多，而后者随着调制阶数和天线数目的增多其时间开销是呈指数增长的，在实际工程应用中以至大规模多天线(MassiveMIMO)的实际应用中是很难实现的。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或步骤可以用硬件如DSP和FPGA、处理器执行的软件程序，或者二者的结合来实施。软件程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种快速MIMO系统发射端预编码方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1采用SVD技术在发射端对信道矩阵H进行分解，得到N个平行子信道，所述H分解成 是VH的共轭转置矩阵，二者可互相转换，∑H表示H的奇异值矩阵；
S2根据经典注水法针对第i个子信道的信噪比γi来进行功率分配，得到功率分配矩阵∑CWF，其中σi是对角矩阵∑H的第i个奇异值，P是总发射功率，σ2是噪声功率；
S3根据调制分集星座图旋转方法构造一个调制分集酉矩阵VM，具体构造如下：
其中，Nt是发射天线数，Nr是接收天线数，qM则依不同的调制方式而定，j表示虚数单位，即j×j＝-1；
S4将S1中的原始预编码矩阵VH与S2中得到的功率分配矩阵∑MWF及S3中得到的调制分集酉矩阵VM的乘积作为发射端预编码矩阵，即G＝VH∑MWFVM，并利用该矩阵发射信号；
建立一个两根发射天线和两根接收天线的MIMO系统，并采用二元相移键控BPSK调制，选取的信道矩阵是然后分别得到功率分配矩阵ΣCWF和调制分集矩阵VM；
第一步，先采用SVD技术对信道矩阵H进行分解，得到两个等效平行子信道并由此确定功率分配矩阵ΣCWF；当信噪比为-20dB时，
第二步，确定调制分集矩阵VM；由于采用BPSK调制，qM＝1；若是采用正交相移键控(QPSK)调制，qM＝1/2；于是本实例的调制分集矩阵为：得到本发明的预编码矩阵：G＝VH∑CWFVM；
所述S2中经典注水的过程是：首先往每个容器灌注高度为1/γi的固体基质，接下来，往所有的容器里灌注水，直到水面高度上升到1/γ0；容器壁对水是可穿透的，对固体基质不可穿透；最后每个容器的水柱高度pi就是得到的功率分配权值，pi＝Pi/P；经典注水法具体实现依照下述公式：
其中pi表示第i个平行子信道分配到的功率，γ0是一个阈值，具体依H而定；
SVD将MIMO等效平行子信道模型分解成N个子信道，其中N＝min(Nt，Nr)，由公式可得：变形可得：其中解耦合的MIMO系统模型中，ΣH和ΣCWF都是对角矩阵；是ΣH的第i个奇异值，是ΣCWF矩阵的第i个奇异值，反映信道状态，代表功率分配权值。
2.根据权利要求1所述的预编码方法，其特征在于，S1中式即给定的信道矩阵H应用奇异值分解可分解成等号右边三个矩阵相乘。
3.根据权利要求1所述的预编码方法，其特征在于，所述S2中，在信噪比低的情况下，所有功率都分配在最大的子信道。
4.根据权利要求1所述的预编码方法，其特征在于，所述qM其选取原则为使发射信号向量构成的复合星座图的星座点之间的欧氏距离尽量大。
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