CN110176951B - 一种无线通信系统中多路信号复用传输预编码的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无线通信系统中多路信号复用传输预编码的方法，应用于发射机有一根或者多根天线的系统，一个或者多个用户的M层在时域或者频域或者其他域有交叠的并行调制符号S₁,S₂,…,S_M，经过发射机干扰消除预编码矩阵V(N乘M维)进行预编码，形成N层预编码数据D₁,D₂,…,D_N，每一层数据是符号S₁,S₂,…,S_M的叠加；经过数模转换，载波调制等处理后N层预编码数据从一根或者多根天线发送出去；接收机对接收到的信号按照一定采样率进行抽样，得到发送的N层预编码数据的采样序列，并恢复出原始的M层调制符号。

Description

一种无线通信系统中多路信号复用传输预编码的方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种无线通信系统中多路信号复用传输预编码的方法。

背景技术

现有的通信系统中，在同一个时间、频率、空间、码字等资源上，从发射机到接收机，只能有一个信号符号被传输。如果有多个符号同时、同频、同空间信道、同码字传输的话，符号之间会有很大的干扰。

发明内容

本发明为至少在一定程度上克服上述现有技术存在的系统容量较低，难以满足未来无线通信容量需求的缺陷问题，提供了一种无线通信系统中多路信号复用传输预编码的方法，实现多个信息符号在相同的资源上叠加，并通过一根或者多根天线发送出去。由于采用了预编码的方法，在接收端可以做到多路信号的更好的接收。

本发明采用的技术方案如下：

一种无线通信系统中多路信号复用传输预编码的方法，在发射机：一个或者多个用户的M层在时域或者频域或者其他域有交叠的并行调制符号S₁,S₂,..,S_M，经过发射机干扰消除预编码矩阵V(N乘M维)进行预编码，形成N层预编码数据D₁,D₂,..,D_N，每一层数据是符号S₁,S₂,..,S_M的叠加；经过数模转换，载波调制等处理后N层预编码数据从一根或者多根天线发送出去；接收机对接收到的信号按照一定采样率进行抽样，得到发送的N层预编码数据的采样序列，并恢复出原始的M层调制符号。

所述M层并行调制符号的每一层都有对应的层标识，发射机显性或者隐性的告知接收机其数据所在的层标识；接收机对收到的N层数据的采样方式告知发射机，或者按照双方约定的方式。

所述发射机根据N层预编码数据在接收机采样位置的干扰关系计算基带波形干扰矩阵R(N*N维)，发射机把矩阵R做SVD分解后得到URV＝D，其中矩阵U和V是N*N维的酉矩阵，D为对角阵；并把R信息(或者矩阵U和D)发送给接收机；或者接收机根据N层预编码数据在接收机采样位置的干扰关系计算基带波形干扰矩阵R，把矩阵R做SVD分解后得到URV＝D，并把R信息(或者矩阵V以及矩阵D)发送给发射机。

所述发射机或者接收机根据N层基带波形之间在接收机采用的采样点处的干扰来计算干扰矩阵，对于按照延迟大小顺序采样(比如先在延迟最小的第一个波形采样，然后在第二、第三、….，直到延迟最大的第N个基带波形)来说，得到N*N维发射机干扰矩阵R，其中第(a,b)个元素(a＝1,…,N,b＝1,…,N)代表第b层波形对于第a层波形的干扰电平，当a＝b时，代表第a层波形的电平。

当用单天线发送多路并行数据时：每层预编码数据通过一层时域或者频域有一定延迟的基带波形进行传输；N层波形在数字域叠加(在数字域叠加然后经过数模转换)再变换到模拟域，或者在模拟域叠加(每层波形经过数模转换到模拟域后再叠加)，然后经过载波调制等处理后从一根天线发送出去。

当用多天线发送单流多路数据时：当M层调制符号作为一个数据流经过L根天线发送时，经过干扰消除预编码后，每一层预编码数据输入到MIMO预编码器(L*1维列向量)，不同层的MIMO预编码器相同，每层输出L个预编码符号，在第k(k＝1,…,L)根天线，每层(n＝1,…,N)预编码数据的第k(k＝1,…,L)个MIMO预编码符号按照时域或者频域的延迟Delay(n)通过基带波形发送，每根天线上的N个基带波形在数字域叠加(在数字域叠加然后经过数模转换)再变换到模拟域，或者在模拟域叠加(每层波形经过数模转换到模拟域后再叠加)，然后经过载波调制等处理后发送出去。

当用多天线发送多流并行数据时：发射机用L根天线发送S流数据时，第s(s＝1,…,S)流数据包含并行的M层调制符号，第s(z＝1,…,S)流数据的M层调制符号经过干扰消除预编码后，输出N个预编码符号，每一流数据的第n(n＝1,…,N)层预编码符号(共S层预编码符号)输入到相同的MIMO预编码器(L*S维)，输出L层预编码符号，在第k(k＝1,…,L)根天线，每个MIMO预编码矩阵输出的第k(k＝1,…,L)个MIMO预编码符号按照一定的时域或者频域的延迟通过基带波形发送，每根天线上的S个基带波形在数字域叠加(在数字域叠加然后经过数模转换)再变换到模拟域，或者在模拟域叠加(每层波形经过数模转换到模拟域后再叠加)，然后经过载波调制等处理后发送出去。

M层调制符号中的每层符号可以是信息比特经过信道编码、交织、星座调制后形成的复数符号，比如QAM、MPSK符号等。也可以是信息比特经过信道编码、交织、星座调制后的符号生成的OFDM符号(包含串并变换、IFFT、并串变换、添加CP等操作)。还可以是星座调制后的符号经过其他变换生成的符号，比如DFT-S-OFDM、GFDM、f-OFDM、w-OFDM等。

接收机对于发射机发送出的多路数据的处理：接收机对发射机发送的N路预编码数据进行采样，得到N路接收采样序列Y(N*1维)，然后对Y左乘矩阵U，进而完成M路并行的调制符号的解调，当发射机采用多天线发送单流或者多流数据时，在接收端要先经过MIMO接收的处理，恢复出每流的数据，然后再从每流数据中恢复出原始的M层调制符号。

当发射机对OFDM系统中的二维时频域数据进行预编码时：在发送端对IFFT操作之前的二维时频域中的复数数据(N*M维矩阵A，N为系统子载波个数，M为OFDM符号数)做预编码，使得预编码后每个复数数据是预编码之前的二维时频域复数数据的线性叠加，得到N*M维矩阵B或者B1。

1)第一种预编码方法：B＝XAY，其中X为N*N维预编码矩阵，Y为M*M维预编码矩阵；

2)第二种预编码方法：把N*M个时频域数据A写成列向量形式(L)，在此列向量左边乘以N*M行N*M列的预编码矩阵(P)，得到N*M个预编码复数数据列向量(Q)，Q＝P*L，然后把Q再变换到N*M维矩阵的形式，得到矩阵B1。

预编码矩阵X和Y，或者P，由发送端告知接收端，或者提前协商好；导频在预编码操作之前或者之后插入二维时频数据中，导频图样由发送端告知接收端，或者提前协商好；每个OFDM符号的N个子载波的功率根据子载波的信道估计值进行调整，比如按照N个并行子载波的和容量最大化的准则进行功率注水；信道估计参考信号在时频域等功率发送，解调参考信号按照调整后的功率值在不同子载波进行发送；预编码后的数据进行OFDM调制并发送；对于第一种预编码方法，接收端通过信道均衡得到矩阵B后，对B处理得到矩阵A，A＝X^{- 1}BY^-1，其中X^-1为X的逆矩阵，Y^-1为Y的逆矩阵；对于第二种预编码方法，接收端通过信道均衡得到矩阵B1后，首先把B1变换到列向量Q，然后对Q左乘矩阵P^-1，得到列向量L，然后再变换到矩阵A。

本发明的有益效果：

本发明所提出的无线通信系统中多路信号复用传输预编码的方法，一个或者多个用户并行的多路数据首先经过干扰消除预编码，然后通过并行的时域或者频域波形由一根天线或者多根天线传输，可以显著的提升系统的容量和频谱效率。同时，还可以很好的和现有的MIMO以及OFDM等主流标准化技术相结合，有很好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例的发射机通过一根天线发送多路数据的原理框图；

图2为本发明一个实施例的发射机通过一根天线发送多路OFDM符号的原理框图；

图3为本发明一个实施例的发射机通过一根天线发送多路OFDM符号的更详细的原理框图；

图4为本发明一个实施例的发射机通过多根天线发送单流多路数据的原理框图；

图5为本发明一个实施例的发射机通过多根天线发送多流多路数据的原理框图；

图6为本发明一个实施例的发射机通过多根天线发送多流多路OFDM数据的原理框图；

图7为本发明一个实施例的并行基带波形采样示意图。

图8为本发明一个实施例的OFDM系统中时频二维数据预编码的发送和接收原理示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1、图2、图3，一种无线通信系统中多路信号复用传输预编码的方法，采用多个信息符号在相同的资源上叠加传输的无线通信方式，资源包括时间、频率、扩频码等。

在发射机，一个或者多个用户的M层在时域或者频域或者其他域有交叠的并行调制符号S₁,S₂,..,S_M，经过发射机干扰消除预编码矩阵V(N乘M维)进行预编码，形成N层预编码数据D₁,D₂,..,D_N，每一层数据是符号S₁,S₂,..,S_M的叠加；经过数模转换，载波调制等处理后N层预编码数据从一根或者多根天线发送出去。

所述M层调制符号中的每层符号可以是信息比特经过信道编码、交织、星座调制后形成的复数符号，比如QAM、MPSK符号等，如图1所示。也可以是信息比特经过信道编码、交织、星座调制后的符号生成的OFDM符号(包含串并变换、IFFT、并串变换、添加CP等操作)，如图2和3所示。还可以是星座调制后的符号经过其他变换生成的符号，比如DFT-S-OFDM、GFDM、f-OFDM、w-OFDM等。

所述M层并行调制符号的每一层都有对应的层标识，发射机显性或者隐性的告知接收机其数据所在的层标识；接收机对收到的N层数据的采样方式告知发射机，或者按照双方约定的方式。

发射机根据N层预编码数据在接收机采样位置的干扰关系计算基带波形干扰矩阵R(N*N维)，发射机把矩阵R做SVD分解后得到URV＝D，其中矩阵U和V是N*N维的酉矩阵，D为对角阵；并把R信息(或者矩阵U和D)发送给接收机；或者接收机根据N层数据的干扰关系计算基带波形干扰矩阵R，把矩阵R做SVD分解后得到URV＝D，并把R信息(或者矩阵V以及矩阵D)发送给发射机。

干扰矩阵R的计算方法，发射机或者接收机根据N层基带波形之间在接收机采样点处的干扰关系来计算发射机干扰矩阵。如果按照延迟大小顺序采样(比如先在延迟最小的第一个波形采样，然后在第二、第三、….，直到延迟最大的第N个基带波形)，如图3所示，对于每层基带波形说，在采样点处存在其他层波形的干扰。得到N*N维干扰矩阵R，其中第(a,b)个元素(a＝1,…,N,b＝1,…,N)代表第b层波形对于第a层波形的干扰电平X_b，当a＝b时，代表第a层波形的电平X_a。所述波形之间的干扰包含多径和多普勒的影响。R＝[X_1,0,0,0,...,0；X_1,X₂,0,0,...,0；X_1,X₂,X₃,0,...,0；....；X_1,X₂,X₃,...,X_N]。

所述基带波形包括方波、sinc函数、升余弦，以及其他波形；所述N层基带波形的功率可以不同。

本发明的一个实施例是单天线发送和接收：如图1和2所示，经过干扰消除预编码后，输出的N层预编码数据中的每一层通过一层时域或者频域的相互之间有一定延迟的基带波形进行传输；N层波形在数字域叠加(在数字域叠加然后经过数模转换)再变换到模拟域，或者在模拟域叠加(每层波形经过数模转换变到模拟域后再叠加)，然后经过载波调制等处理后从一根天线发送出去，如图1和2所示，其中图2是发送OFDM符号时的原理框图，图3是较详细的OFDM符号发送框图。

本发明的第二个实施例是多天线单数据流发送：其特征在于当M层调制符号作为一个数据流经过L根天线发送时，如图4所示，经过干扰消除预编码后，每一层预编码数据输入到MIMO预编码器(L*1维列向量)，不同层的MIMO预编码器相同，输出L个预编码符号。在第k(k＝1,…,L)根天线，每层(n＝1,…,N)预编码数据的第k(k＝1,…,L)个MIMO预编码符号按照一定的时域或者频域的延迟通过基带波形发送，每根天线上的N个基带波形在数字域叠加(在数字域叠加然后经过数模转换)再变换到模拟域，或者在模拟域叠加(每层波形经过数模转换到模拟域后再叠加)，然后经过载波调制等处理后发送出去。

本发明的第三个是实施例多天线多数据流发送：如图5所示，发射机用L根天线发送S流数据时，第s(s＝1,…,S)流数据包含并行的M层调制符号。第s(z＝1,…,S)流数据的M层调制符号经过干扰消除预编码后，输出N个预编码符号。每一流数据的第n(n＝1,…,N)层预编码符号，共S层预编码符号，输入到相同的MIMO预编码器(L*S维)，输出L层预编码符号。在第k(k＝1,…,L)根天线，每个MIMO预编码矩阵输出的第k(k＝1,…,L)个MIMO预编码符号按照一定的时域或者频域的延迟通过基带波形发送，每根天线上的S个基带波形在数字域叠加(在数字域叠加然后经过数模转换)再变换到模拟域，或者在模拟域叠加(每层波形经过数模转换到模拟域后再叠加)，然后经过载波调制等处理后发送出去；当发送多流OFDM符号时，发送框图如图6所示。

在接收端，对于发射机单天线发送的情况，接收机对发射机发送的N路混合数据序列进行采样，如图7所示，接收机对发射机发送的N路预编码数据进行采样，得到N路接收采样序列Y(N*1维)，然后对Y左乘矩阵U，进而完成M路并行的调制符号的解调。

在接收端，当发射机采用多天线发送单流或者多流数据时，在接收端要先经过MIMO接收的处理，恢复出每流的数据，然后再从每流数据中恢复出原始的M层调制符号。

本发明的另一个实施例是OFDM系统中时频域二维数据预编码的发送和接收。在发送端对IFFT操作之前的二维时频域中的复数数据(N*M维矩阵A，N为系统子载波个数，M为OFDM符号数)做预编码，使得预编码后每个复数数据是预编码之前的二维时频域复数数据的线性叠加，得到N*M维矩阵B或者B1。

1)第一种预编码方法：B＝XAY，其中X为N*N维预编码矩阵，Y为M*M维预编码矩阵；

2)第二种预编码方法：把N*M个时频域数据A写成列向量形式(L)，在此列向量左边乘以N*M行N*M列的预编码矩阵(P)，得到N*M个预编码复数数据列向量(Q)，Q＝P*L，然后把Q再变换到N*M维矩阵的形式，得到矩阵B1。

预编码矩阵X和Y，或者P，由发送端告知接收端，或者提前协商好；导频在预编码操作之前或者之后插入二维时频数据中，导频图样由发送端告知接收端，或者提前协商好；每个OFDM符号的N个子载波的功率根据子载波的信道估计值进行调整，比如按照N个并行子载波的和容量最大化的准则进行功率注水；信道估计参考信号在时频域等功率发送，解调参考信号按照调整后的功率值在不同子载波进行发送；预编码后的数据进行OFDM调制并发送；对于第一种预编码方法，接收端通过信道均衡得到矩阵B后，对B处理得到矩阵A，A＝X^{- 1}BY^-1，其中X^-1为X的逆矩阵，Y^-1为Y的逆矩阵；对于第二种预编码方法，接收端通过信道均衡得到矩阵B1(实际是数据B1加噪声矩阵n)后，首先把B1变换到列向量Q，然后对Q左乘矩阵P^-1，得到列向量L，然后再变换到矩阵A；作为示例，图8描述了第二种预编码方法的发送和接收原理框图。

综上所述，本发明实施例的无线通信系统中多路信号复用传输预编码的方法，可以解决有限的时频资源中传输更多的数据，增加通信系统的容量。同时，还可以很好的和现有的MIMO以及OFDM等主流标准化技术相结合，有很好的应用前景。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种无线通信系统中多路信号复用传输预编码的方法，其特征在于，在发射机：一个或者多个用户的M层在时域或者频域或者其他域有交叠的并行调制符号S₁,S₂,.., S_M，经过发射机干扰消除预编码矩阵V进行预编码，形成N层预编码数据D₁,D₂,.., D_N，每一层数据是符号S₁,S₂,.., S_M的叠加，其中，矩阵V为N乘M维矩阵；经过数模转换，载波调制等处理后N层预编码数据从一根或者多根天线发送出去；接收机对接收到的信号按照一定采样率进行抽样，得到发送的N层预编码数据的采样序列，并恢复出原始的M层调制符号，每层预编码数据通过一层时域或者频域有一定延迟的基带波形进行传输；N层波形在数字域叠加再变换到模拟域，或者经过数模转换到模拟域后在模拟域叠加，然后经过载波调制等处理后从一根天线发送出去，当M层调制符号作为一个数据流经过L根天线发送时，经过干扰消除预编码后，每一层预编码数据输入到MIMO预编码器，不同层的MIMO预编码器相同，每层输出L个预编码符号，在第k根天线，每层预编码数据的第k个MIMO预编码符号按照时域或者频域的延迟通过基带波形发送，k=1,…,L，每根天线上的N个基带波形在数字域叠加再变换到模拟域，或者经过数模转换到模拟域后在模拟域叠加，然后经过载波调制等处理后发送出去，发射机用L根天线发送S流数据时，第s流数据包含并行的M层调制符号，第s流数据的M层调制符号经过干扰消除预编码后，输出N个预编码符号，s=1,…,S，每一流数据的第n层预编码符号输入到相同的MIMO预编码器，输出L层预编码符号，n=1,…,N，在第k根天线，每个MIMO预编码矩阵输出的第k个MIMO预编码符号按照一定的时域或者频域的延迟通过基带波形发送，每根天线上的S个基带波形在数字域叠加再变换到模拟域，或者经过数模转换到模拟域后在模拟域叠加，然后经过载波调制等处理后发送出去。

2.如权利要求1所述的无线通信系统中多路信号复用传输预编码的方法，其特征在于，M层并行调制符号的每一层都有对应的层标识，发射机显性或者隐性的告知接收机其数据所在的层标识；接收机对收到的N层数据的采样方式告知发射机，或者按照双方约定的方式。

3.如权利要求1所述的无线通信系统中多路信号复用传输预编码的方法，其特征在于，发射机根据N层预编码数据在接收机采样位置的干扰关系计算基带波形干扰矩阵R，发射机把矩阵R做SVD分解后得到URV=D，其中矩阵R为N*N维矩阵，矩阵U和V是N*N维的酉矩阵，D为对角阵；并把R信息发送给接收机；或者接收机根据N层预编码数据在接收机采样位置的干扰关系计算基带波形干扰矩阵R，把矩阵R做SVD分解后得到URV=D，并把R信息发送给发射机；对于按照延迟大小顺序采样来说，得到N*N维发射机干扰矩阵R，其中第（a,b）个元素代表第b层波形对于第a层波形的干扰电平，当a=b时，代表第a层波形的电平，a=1,…,N, b=1,…,N。

4.如权利要求1所述的无线通信系统中多路信号复用传输预编码的方法，其特征在于，M层调制符号中的每层符号可以是信息比特经过信道编码、交织、星座调制后形成的复数符号，也可以是信息比特经过信道编码、交织、星座调制后的符号生成的OFDM符号。

5.如权利要求1所述的无线通信系统中多路信号复用传输预编码的方法，其特征在于，接收机对发射机发送的N路预编码数据进行采样，得到N路接收采样序列Y，Y为N*1维，然后对Y左乘矩阵U，进而完成M路并行的调制符号的解调，当发射机采用多天线发送单流或者多流数据时，在接收端要先经过MIMO接收的处理，恢复出每流的数据，然后再从每流数据中恢复出原始的M层调制符号。

6.如权利要求4所述的无线通信系统中多路信号复用传输预编码的方法，其特征在于，在发送端对IFFT操作之前的二维时频域中的复数数据做预编码，使得预编码后每个复数数据是预编码之前的二维时频域复数数据的线性叠加，得到N*M维矩阵B或者B1，其中，第一种预编码方法：B=XAY，其中X为N *N维预编码矩阵，Y为M*M维预编码矩阵；第二种预编码方法：把N*M个时频域数据A写成列向量形式L，在此列向量左边乘以N*M行N*M列的预编码矩阵P，得到N*M个预编码复数数据列向量Q，Q=P*L，然后把Q再变换到N*M维矩阵的形式，得到矩阵B1。

7.如权利要求6所述的无线通信系统中多路信号复用传输预编码的方法，其特征在于，预编码矩阵X和Y，或者P，由发送端告知接收端，或者提前协商好；导频在预编码操作之前或者之后插入二维时频数据中，导频图样由发送端告知接收端，或者提前协商好；每个OFDM符号的N个子载波的功率根据子载波的信道估计值进行调整；信道估计参考信号在时频域等功率发送，解调参考信号按照调整后的功率值在不同子载波进行发送；预编码后的数据进行OFDM调制并发送； 对于第一种预编码方法，接收端通过信道均衡得到矩阵B后，对B处理得到矩阵A，A=X^-1BY^-1，其中X^-1 为X的逆矩阵，Y^-1 为Y的逆矩阵；对于第二种预编码方法，接收端通过信道均衡得到矩阵B1后，首先把B1变换到列向量Q，然后对Q左乘矩阵P^-1，得到列向量L，然后再变换到矩阵A。

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