CN113364504B - 一种适用于高相关mimo信道的预编码方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于高相关MIMO信道的预编码方法，用于降低系统误码率和增加系统容量，其技术方案是，所述方法根据高相关闭环MIMO‑PLC系统的信道传递函数，计算出相位旋转预编码矩阵F，并用计算出的预编码矩阵F对发送信号S进行调制，从而通过相位旋转将码距较小点的码距增大，以达到增加系统容量和降低系统误码率的目的。本发明结合MIMO系统实际信道特点，通过调整发射端信号的相位使其在接收端的码距达到最大，在有效利用各传输信道的同时，降低了MIMO系统的误码率，增加了MIMO系统的信道容量。

Description

一种适用于高相关MIMO信道的预编码方法

技术领域

本发明涉及一种适用于高相关MIMO信道的预编码方法，可有效降低系统误码率和增加系统容量，属于通信技术领域。

背景技术

多输入多输出(MIMO)技术指在发射端和接收端分别使用多个发射端口和接收端口，使信号通过发射端与接收端多个端口传送和接收，从而改善通信质量。多输入多输出技术可以在提升通信系统容量的同时提高通信系统的抗衰落能力。在假设发射端和接收端信号的空间衰落不相关，即发送或接收端信道之间相关系数是独立分布的通信系统中，MIMO预编码技术是解决多用户干扰问题的主要方法，也是增加信道信噪比(SNR)和降低误码率(BER)的最有效的技术之一。然而在实际信道环境中由于物理和空间结构的特殊性使得特定MIMO信道具有很高的相关性，相邻信道信号会串扰和相互影响。

信道特性具备高相关性的MIMO系统所使得信道容量减少和误码率增加，最终使得MIMO系统整体性能降低。针对这一状况，部分研究人员提出一种基于奇异值分解(SVD)的信道矩阵分解方案，通过将MIMO信道分解成多个相互独立的子信道来达到消除互相间干扰的目的，最终实现信道容量的提升。然而基于SVD分解得到的各子信道间的信噪比存在较大差异，各子信道的增益系数又影响系统的误码性能，因此较差子信道的系统误码率性能比较差，容量也会受到极大的损失。因此寻求一种适用于高相关MIMO信道的预编码方法，以有效降低系统误码率和增加系统容量是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种适用于高相关MIMO信道的预编码方法，以降低系统误码率和增加系统容量。

本发明所述问题是以下述技术方案解决的：

一种适用于高相关MIMO信道的预编码方法，所述方法根据高相关MIMO-PLC系统的信道传递函数，计算出相位旋转预编码矩阵F，并用计算出的预编码矩阵F对发送信号矩阵S进行调制，通过相位旋转将码距较小点的码距增大，以增加系统容量和降低系统误码率。

所述相位旋转预编码矩阵F的计算方法如下：

针对高相关MIMO信道特性情景，对信道传输特性做近似处理，信道参数进行如下转换：

式中H为信道传递矩阵，h_co为信道传递矩阵主对角线变量对应的信道特性，其所带表的信道衰减和相位具有高度相关性，h_cr为信道传递矩阵副对角线变量对应的信道特性，其所带表的信道衰减和相位具有高度相关性，μ为主对角线信道和副对角线信道之间的衰减数值比，α为对角线信道和副对角线信道之间的相位比；

将相位旋转预编码矩阵F设置为

式中θ_opt为最佳旋转角度，其表达式为：

其中：

式中mod为取模运算符，k₀、k₁、k₂、k₃、t₁、t₂、t₃为系数。

在最佳旋转角度θ_opt的表达式中，各系数的取值的获得方法如下：

①首先固定μ值，以α作为自变量，提取QPSK调制方式下两端口星座向量组合下d_cm的最小值，记录下α在[0,2π)内变化时，min(d_cm(θ))达到的最大时的θ值，d_cm(θ)为

的代数值,s_c为发送信号向量，s_m为误判信号向量，θ为旋转角度；②之后固定α值，以μ作为自变量，提取QPSK调制方式下两端口星座向量组合下d_cm的最小值，记录下μ在[0.5,1]内变化时，min(d_cm(θ))达到的最大时的θ值；③以三次函数对所记录的α与θ的数值对应关系进行描述，并结合所记录的μ与θ间关系用三次函数对前一拟合关系进行修正，得到最终的最佳θ值θ_opt，所述三次函数为

上述适用于高相关MIMO信道的预编码方法，取θ_opt＝π/4，作为相位旋转的粗略估计值，以提升误码性能和降低相位旋转预编码计算量。

上述最佳旋转角度θ_opt的表达式中，各系数的取值通过具体实施方式再作进一步介绍。

有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

①本方案是基于MIMO信道特点而设计的预编码方案，相对于传统预编码方案，本方案对MIMO系统的适用性更好，最终的误码率表现也更出色；

②基于传统预编码方案分解得到的各子信道间的信噪比存在较大差异，各子信道的增益系数又影响系统的误码性能，因此较差子信道的系统误码率性能比较差，容量也会受到极大的损失，本发明由于是对系统整体相位的调整，其对子信道的增益系数表现并不敏感，不会对最终的系统容量产生明显影响，因此该方案在MIMO系统中表现出良好的可靠性。

本发明结合MIMO系统实际信道特点，通过调整发射端信号的相位使其在接收端的码距达到最大，在有效利用各传输信道的同时，降低了MIMO系统的误码率，增加了MIMO系统的信道容量。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1是具备旋转预编码功能的MIMO通信系统模型；

图2(a)、图2(b)是未采用本方法前易误判点码距；

图3(a)、图3(b)是采用本方法后易误判点码距；

图4是将本发明方法引用于一实际MIMO系统进行仿真分析的结果。

图中和文中各符号为：MIMO为多输入多输出，SNR为信噪比，BER为误码率，CSI为信道状态，SVD为奇异值分解，H为信道传递函数，E_e为发送信号总能量，N_T为发送端口数，s为发送信号向量，r为接收信号向量，n为噪声向量，ML为最大似然估计，

为接收端检测到的信号，P(s_c-s_m|H)为误检的成对差错概率，s_c为发送信号向量，s_c1为发送符号1，s_c2为发送符号2，s_m为误判信号向量，s_m1为误判符号1，s_m2为误判符号2，h_co为信道传递矩阵主对角线信道衰减参数，h_cr为信道传递矩阵副对角线信道衰减参数，σ_m为噪声功率，μ为信道传递矩阵主对角线信道衰减参数与副对角线信道衰减参数的数值比,C为星座符号集，F为预编码矩阵，

的代数值,α为主对角线信道衰减参数与副对角线信道衰减参数的相位比，θ为旋转角度，θ_opt为最佳旋转角度，Im为虚部，Re为实部。

具体实施方式

本发明在结合MIMO系统实际信道特点的前提下，提出一种基于发射端信道状态(CSI)来调整预编码矩阵参数，通过调整发射端信号相位使其在接收端的码距达到最大，最终实现有效利用各传输信道的同时降低系统误码率和增加系统容量的目的。

本发明中的高相关指的是信道频域衰减特性相关系数r大于等于0.5，两条信道间频域衰减特性相关系数计算公式如下：

式中，H_m、H_n分别表示第m条和第n条信道的传递函数模值，代表该条信道的频域衰减特性。Cov(H_m,H_n)为H_m与H_n的协方差，Var[H_m]为H_m的方差，Var[H_n]为H_n的方差。

针对高相关MIMO信道特性情景，对信道传输特性做近似处理，信道参数可以进行如下转换：

式中H为信道传递矩阵，h_co为信道传递矩阵主对角线变量对应的信道特性，h_cr为信道传递矩阵副对角线变量对应的信道特性，μ为主对角线信道和副对角线信道之间的衰减数值比，α为对角线信道和副对角线信道之间的相位比。

在未采用本发明方法前：

用传统方法对接收端信号特征进行预估，接收端信号为：

式中E_e为发送信号总能量，N_T为发送端口数，s是发送信号向量，r为接收信号向量，n为噪声向量。

接收端采用最大似然估计(ML)进行信号口检测，检测到的信号

为：

式中C为星座符号集；

在该接收条件下发生误检的成对差错概率为：

式中s_c为发送信号向量，s_m为误判信号向量；

利用切尔诺夫边界公式上式可转化为：

式中σ_m为噪声功率。

采用本发明所用方法后：

在MIMO系统中要降低系统误码率可以通过预编码矩阵的调整来降低成对差错概率，在本发明中采用预编码矩阵F来调整接收端码距，F被设置为

此系统模型如图1所示。该预编码系统构建在闭环系统的基础上，在译码端用到的信道信息H同样需要反馈到信号发送端，信号发送端将对该信道信息进行处理，计算出最优预编码矩阵F，并用该矩阵对发送信号S进行调制。

在预编码矩阵F的作用下，接收端接收到的信号为:

预编码矩阵对码距的调整作用为：通过相位旋转将易误判点(即码距较小点)的码距增大，从而降低误判可能。在图2(a)中，s₁与易误判点s₁’间码距为d₁，在图2(b)中，s₂与易误判点s₂’间码距为d₂，在经预编码矩阵F调制后，在图3(a)中，s₁与易误判点s₁’间码距变为d₁’，在图3(b)中，s₂与易误判点s₂’间码距变为d₂’。|d₁’+d₂’|的值远大与|d₁+d₂|的值，因此通过预编码矩阵的调制将极大地降低误判概率，降低系统误码率。

在经过预编码矩阵F调制后检测到的信号为：

误检的成对差错概率转化为：

当前条件下，我们需保证

在F的调整下达到最小值，我们用d_cm(θ)来表示

的范数值，则有：

上式中，d₁＝[(s_c1-s_m1)+μe^j(α+θ)(s_c2-s_m2)]²，d₂＝[μe^jα(s_c1-s_m1)+e^jθ(s_c2-s_m2)]²；

在该条件限制下，最佳旋转角度θ_opt值为：

最佳θ_opt获取步骤如下：

①首先固定μ值，以α作为自变量，提取QPSK调制方式下两端口星座向量组合下d_cm的最小值，记录下α在[0,2π)内变化时，min(d_cm(θ))达到的最大时的θ值；

②之后固定α值，以μ作为自变量，提取QPSK调制方式下两端口星座向量组合下d_cm的最小值，记录下μ在[0.5,1]内变化时，min(d_cm(θ))达到的最大时的θ值；

③以三次函数对所记录的α与θ的数值对应关系进行描述，并结合所记录的μ与θ间关系用三次函数对前一拟合关系进行修正，得到最终的最佳θ值θ_opt。

关于不同α与μ值的拟合公式如下：

其中：

式中mod为取模运算符，k₀、k₁、k₂、k₃、t₁、t₂、t₃为系数。

最终，通过将已知的信道参数数值带入以上公式计算出最佳预编码角度θ_opt，以此构建预编码矩阵F完成对发端QPSK信号的与调制，达到降低系统误码率的效果。

实施例：

将本预编码方案引用于如下MIMO系统进行仿真分析

中的系数值如下表：

仿真结果如图4所示。

由图4所示的仿真结果可以看到，发明所提出的相位旋转预编码方案对高相关MIMO系统的可靠性提高起到了良好的效果，当信噪比达到20dB时采用相位旋转预编码方案的系统误码率仅相当于未采用本发明系统的1/3。随着系统信噪比的提升，本方案对系统的可靠性提升呈指数上涨，即系统信噪比越高，本方案对系统误码率降低作用越明显。此外本预编码方案相较于基于SVD分解的预编码方案，其对MIMO-PLC系统的针对性更强，因此在仿真结果里也表现出了更好的可靠性，尤其是当信噪比大于10dB时，相位旋转预编码方案的误码率要比基于SVD分解的预编码方案低一倍以上。

综上，本发明提出的相位旋转预编码方案对高相关MIMO系统的可靠性提升有着显著的提升效果。

Claims (2)

1.一种适用于高相关MIMO信道的预编码方法，其特征是，所述方法根据高相关闭环MIMO-PLC系统的信道传递函数，计算出相位旋转预编码矩阵F，并用计算出的预编码矩阵F对发送信号S进行调制，通过相位旋转将码距增大，以增加系统容量和降低系统误码率；

所述相位旋转预编码矩阵F的计算方法如下：

针对高相关MIMO信道特性情景，对信道传输特性做近似处理，信道参数进行如下转换：

式中H为信道传递矩阵，h_co为信道传递矩阵主对角线变量对应的信道特性，h_cr为信道传递矩阵副对角线变量对应的信道特性，μ为主对角线信道和副对角线信道之间的衰减数值比，α为对角线信道和副对角线信道之间的相位比；

将相位旋转预编码矩阵F设置为

式中θ_opt为最佳旋转角度，其表达式为：

其中：

式中mod为取模运算符，k₀、k₁、k₂、k₃、t₁、t₂、t₃为系数；

在最佳旋转角度θ_opt的表达式中，各系数的取值的获得方法如下：

①首先固定μ值，以α作为自变量，提取QPSK调制方式下两端口星座向量组合下d_cm的最小值，记录下α在[0,2π)内变化时，min(d_cm(θ))达到的最大时的θ值，d_cm(θ)为

的代数值,s_c为发送信号向量，s_m为误判信号向量，θ为旋转角度；②之后固定α值，以μ作为自变量，提取QPSK调制方式下两端口星座向量组合下d_cm的最小值，记录下μ在[0.5,1]内变化时，min(d_cm(θ))达到的最大时的θ值；③以三次函数对所记录的α与θ的数值对应关系进行描述，并结合所记录的μ与θ间关系用三次函数对前一拟合关系进行修正，得到最终的最佳θ值θ_opt，所述三次函数为

2.根据权利要求1所述的适用于高相关MIMO信道的预编码方法，其特征是，作为特例取θ_opt＝π/4，作为相位旋转的一粗略估计值，以提升误码性能和降低相位旋转预编码计算量。

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