CN1838578A - 多天线无线通信系统、发送/接收处理单元及其联合处理方法 - Google Patents

Abstract

一般的多天线系统中，由于各个子信道的增益不同，低信道增益的子信道将降低整个系统的误比特率性能。因此，本发明提出了一种用在多天线无线通信系统中的联合处理方法，包括：在接收端，对信道矩阵进行几何平均分解，得到线性变换矩阵Q、上三角矩阵R和预滤波矩阵P，其维数均为K×K，将预滤波矩阵P和线性变换矩阵Q反馈到发送端，利用Q^H对接收信号进行线性变换；在发送端，利用预滤波阵P对信号进行线性预编码，利用Q^H对信号进行线性变换；以及在接收端，对串行干扰删除信号进行检测，恢复与各个子信道对应的天线端的发射信号。通过联合发送、接收的闭环模式处理，达到了降低系统误比特率，同时提高容量的目的。

Description

多天线无线通信系统、发送/接收处理单元及其联合处理方法

技术领域

本发明涉及一种多天线无线通信系统(包括单/多载波的多天线系统)、发送/接收处理单元及其联合处理方法。

背景技术

随着无线网络、多媒体技术和因特网的逐渐融合，人们对无线通信业务的类型和质量的要求越来越高。为满足无线多媒体和高速率数据传输的要求，需要开发新一代无线通信系统。其中多天线输入和输出(MIMO)和正交频分复用(OFDM)相结合的MIMO OFDM技术受到广泛关注。

MIMO和OFDM相结合的MIMO OFDM系统具有两者的优点，它既通过OFDM调制把频率选择性MIMO衰落信道分解成一组并行平坦衰落信道，又利用MIMO提高了系统容量。

采用MIMO技术能获得空间分集或复用增益，在无需耗费额外功率和带宽的条件下大大增加了系统容量，同时能显著提高传输链路质量，适用于传输高速率的音、视频等多媒体业务。目前，一些高速无线接入技术标准，如IEEE 802.11n、802.16等均采用了MIMO和OFDM相结合的技术方式。一般的MIMO OFDM系统中，为获得最优系统容量，采用特征值分解方法把信道矩阵分解为多个并行独立的子信道，然后利用注水算法对每个子信道进行功率分配。但功率分配要求射频功放器件的动态范围较宽，以便能连续地分配功率，故实现困难。另一方面，为提高系统的误比特率性能，系统采用了自适应调制，且当对每个天线支路采用了相同的调制方式时，该方法存在的缺点是，由于各个子信道增益不一样，低信道增益的子信道将会影响系统的误比特率。因此，本发明提出一种设计方法，它能获得高的系统容量，同时降低系统的误比特率。

参考文献列表：

[1]A.J.Paularj等人发表在Proceedings of IEEE、2004年2月、第92卷、第2号、第198～218页上的题为“An Overview of MIMOCommunications-A Key to Gigabit Wireless”的文章。

[2]Y.Jiang、W.W.Hager和J.Li于2003年12月公开发表的题为“The Geometric Mean Decomposition，Linear Algebra and ItsApplications”的文章。

[3]B.Hassibi于2000年11月发表在第34届Asilomar Conf.第1255～1259页上的题为“A Fast Square-Root Implementation forBLAST”的文章。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于多天线通信系统的方法和装置，使用该方法及其装置能降低系统的误比特率，同时提高容量。

本发明的思想是通过对信道矩阵进行几何平均分解，使得天线各个子信道的增益相同。这样，当每个天线支路采用相同的调制方式时，系统的误比特率性能不会因某一子信道存在深度衰落而降低。且系统采用闭环的发射、接收联合处理，降低了系统容量损失。

为了实现上述目的和思想，根据本发明的第一方面，提出了一种用在多天线无线通信系统中的联合处理方法，包括：在接收端，对信道矩阵进行几何平均分解，得到线性变换矩阵Q、上三角矩阵R和预滤波矩阵P，其维数均为K×K，将预滤波矩阵P和线性变换矩阵Q反馈到发送端，利用线性变换矩阵Q的Hermitian转置矩阵Q^H对接收信号进行线性变换；在发送端，利用预滤波阵P对信号进行线性预编码，利用线性变换矩阵Q的Hermitian转置矩阵Q^H对信号进行线性变换；以及在接收端，对串行干扰删除信号进行检测，恢复与各个子信道对应的天线端的发射信号。

优选地，所述串行干扰删除信号检测步骤包括：从第k个子信道开始，用该子信道接收信号减去第(k+1)个子信道的接收信号；然后，再除以上三角矩阵R的对角元r_kk，恢复与第k个子信道对应的天线端的发射信号；更新k＝k-1；并判断k是否小于1，如果k＜1，则结束，若k≥1，则针对更新后的k继续进行处理。

优选地，所述联合处理方法还可以包括：在发送端，发射导频信号到信道；以及在接收端，估计信道矩阵的增益系数。

根据本发明的第二方面，提出了一种用在多天线无线通信系统中的联合处理方法，包括：发送端发射导频信号到信道，接收端估计信道矩阵的增益系数；对信道矩阵进行几何平均分解，得到线性变换矩阵Q、上三角矩阵R和预滤波矩阵P，其维数均为K×K；将预滤波阵P和线性变换矩阵Q反馈到发送端；发送端利用预滤波阵P对信号进行线性预编码；发送端利用线性变换矩阵Q的Hermitian转置矩阵Q^H对信号进行线性变换，同时，接收端也利用线性变换矩阵Q的Hermitian转置矩阵Q^H对接收信号进行线性变换；对串行干扰删除信号进行检测：从第k个子信道开始，用该子信道接收信号减去第(k+1)个子信道接收信号后，再除以R的对角元r_kk，恢复与第k个子信道对应的天线端的发射信号；以及更新k＝k-1，并判断k是否小于1，如果k＜1，则结束；若k≥1，则转上述串行干扰删除信号检测步骤继续处理。

根据本发明的第三方面，提出了一种在多天线无线通信系统中使用的发送处理单元，包括：预编码模块，利用从接收端发送过来的预滤波阵P对信号进行线性预编码；以及线性变换模块，利用从接收端发送过来的线性变换矩阵Q的Hermitian转置矩阵Q^H对信号进行线性变换。

根据本发明的第四方面，提出了一种在多天线无线通信系统中使用的接收处理单元，包括：信道分解模块，对信道矩阵进行几何平均分解，得到线性变换矩阵Q、上三角矩阵R和预滤波矩阵P，其维数均为K×K；线性变换模块，利用线性变换矩阵Q的Hermitian转置矩阵Q^H对接收信号进行线性变换；以及迭代处理模块，对串行干扰删除信号进行检测，恢复与各个子信道对应的天线端的发射信号。

优选地，所述迭代处理模块从第k个子信道开始，用该子信道接收信号减去第(k+1)个子信道的接收信号；然后，再除以上三角矩阵R的对角元r_kk，恢复与第k个子信道对应的天线端的发射信号；更新k＝k-1；并判断k是否小于1，如果k＜1，则结束，若k≥1，则针对更新后的k继续进行处理。

根据本发明的第五方面，提出了一种多天线无线通信系统及其操作方法，其特征在于包括根据本发明的发送处理单元和接收处理单元。

同时，本发明提出的联合处理方法可用于所有的多天线通信系统，如单载波的MIMO CDMA和多载波的MIMO OFDM等。

附图说明

下面，将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述，其中：

图1示出了根据本发明的MIMO系统发送端的示意图；

图2示出了根据本发明的MIMO系统接收端的示意图；

图3示出了根据本发明的联合处理方法的流程图；以及

图4示出了根据本发明的MIMO系统的操作性能的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作具体说明。应该指出，所描述的实施例仅是为了说明的目的，而不是对本发明范围的限制。

考虑一个单用户MIMO OFDM通信链路，其发送和接收端分别如图1和2所示，发送端和接收端分别安装N_T幅发送天线101～101’和N_R幅接收天线106～106’。在发送端，信息符号流输入到复用器103，复用器103以空分复用方式把符号流送入每个发送天线支路端；在每支路端，逆快速傅里叶变换(IFFT)模块102～102’对符号流进行OFDM调制；调制后的符号从每幅天线101～101’发送到信道。在接收端，每幅天线106～106’接收到的信号送入快速傅里叶变换(FFT)模块107～107’，在FFT模块107～107’内完成OFDM解调；信道估计模块108利用每幅天线接收到的导频序列估计每条传播路径的信道增益；解复用器109把各天线符号转换为串行输出符号流。发送、接收端的联合处理模块(104～105、110～112)，利用信道估计值，进行一系列发射、接收处理，其中在发送端完成预处理操作，在接收端完成后处理操作。

下面分析发送、接收联合处理的原理。对于一般的MIMO系统，接收信号为

Y＝HX+n                                    (1)

式中，Y为N_R×1维接收信号向量，发射信号向量 $X\∈C^{N_T\×1}$ 的方差为σ_x ²I，白高斯噪声向量n的方差为σ_n ²I，故信噪比 $\mathrm{SNR}={\mathrm{\σ}}_x^2/{\mathrm{\σ}}_n^2.$ 信道矩阵 $H\∈C^{N_R{\×N}_T}$ 的秩为K，H中的元素h_ji为发射天线i到接收天线j的信道衰落系数。

对于空分复用MIMO系统，当发送端未知信道状态信息(CSI)时，一般的接收信号检测方法是串行干扰删除算法。例如，从第N_R幅天线开始，利用线性均衡(如匹配滤波、迫零(ZF)均衡、最小均方误差(MMSE)均衡)等方法恢复该幅天线接收信号；从接收信号中减去第N_R幅天线接收信号后，继续从第N_R-1幅天线开始，恢复该幅天线信号；依次进行处理，直到恢复最后一幅天线的接收信号。该处理方法属于开环工作模式，存在一定的系统容量损失。当接收端获得信道增益信息并反馈到发送端后，即收、发端均获得信道状态信息，则系统工作在闭环模式下。这时，可采用如下等效处理方法。

对信道矩阵H进行QR分解得到，

$H=Q_{N_T\×K}{R}_{K\×K}---\left(2\right)$

式中，Q_NT×K为列正交阵，R_K×K为上三角阵。故式(1)重写为

Y＝QRX+n                                    (3)

式(3)两边同乘以Q^H，(·)^H表示Hermitian转置(复共轭)，得到

Y＝RX+ n                                    (4)

展开即为

根据式(5)进行串行信号检测，即对所有的K个子信道开始，计算 ${\stackrel{\‾}{x}}_i\←({\stackrel{\‾}{y}}_i-\underset{j=i+1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ij}}{\stackrel{\‾}{x}}_j)/r_{\mathrm{ii}},$ 并把它映射为解调符号。

可以看到，通过对信道矩阵H的QR分解，MIMO信道被分解为K个并行子信道，即

y_i＝r_iix_i+ n_i，i＝1，2，…，K。                (6)

与矩阵的SVD分解相同，信道矩阵QR分解后的子信道仍为呈现随机衰落特征，如前所述，深衰落子信道将降低系统整体误比特率性能。为此，在本发明中，采用参考文献[2]所提出的几何平均分解(GMD)方法，对信道传输矩阵进行几何平均分解，

$H=Q_{N_R\×K}{R}_{K\×K}{P}_{N_T\×K}^H---\left(7\right)$

这里，半酉矩阵Q、P分别为在发射、接收端进行预滤波和后滤波处理；上三角阵R具有相等的对角元r_ii＝ λ， λ定义为

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}={\left(\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{\λ}}_k\right)}^{1/K}---\left(8\right)$

其中，λ_k为对信道矩阵H进行特征值分解(SVD)得到的对角阵diag[γ₁…γ_K]的非零对角元，即H的非零特征值。可见，通过GMD分解，得到的矩阵R的对角元为H的特征值的几何平均值，使各子信道增益相同，故可降低由于各子信道衰落不同对系统整体性能的影响。GMD的实现可通过对称置换和一对Givens旋转操作来完成。

当引入线性预编码矩阵P对发射信号预处理后，接收信号为

Y＝HPX+n                                      (9)

把式(7)代入式(9)得到

$Y=\mathrm{QR}{P}^H\mathrm{PX}+\tilde{n}=\mathrm{QRX}+\tilde{n}---\left(10\right)$

两边同乘Q^H得到与式(4)相同的表示式， Y＝RX+ n，由此，可利用前述的干扰删除方法来恢复信号。

根据以上分析，参考图3，对根据本发明的系统联合处理方法进行详细的描述。

在步骤S001，发射导频信号到信道，接收端估计信道矩阵的增益系数；

在步骤S002，对信道矩阵进行几何平均分解，得到矩阵Q、R和P，其维数均为K×K；

在步骤S003，把预滤波阵P和Q反馈到发送端；

在步骤S004，发送端利用预滤波阵P对信号进行线性预编码；

在步骤S005，发送端利用Q^H对信号作线性变换，同时，接收端也利用Q^H对接收信号作处理；

在步骤S006，串行干扰删除信号检测：从第k个子信道开始，用该子信道接收信号减去第(k+1)个子信道接收信号后，再除以r_kk(R的对角元)，恢复与第k个子信道对应的天线端的发射信号；

在步骤S007，更新k＝k-1，并判断k是否小于1，如果k＜1，则结束；若k≥1，则转到步骤S006进行循环处理。

具体地讲，MIMO OFDM系统中的联合处理装置用以实现上述步骤，发射、接收端联合处理装置如图1、2中虚线框内各个模块所示，包括以下模块：信道分解模块110，对信道矩阵进行几何平均分解；预编码模块104，利用矩阵分解得到的预编码器P对发射信号进行线性预编码；线性变换模块105和111，分别利用矩阵分解得到的矩阵Q^H在发送、接收端对信号进行线性变换；迭代处理模块112，执行信号处理恢复信号的算法，并判断是否已经完成对所有子信道的信号恢复。

结合图1、图2和图3，对本发明所提出的MIMO OFDM系统的操作描述如下。

复用器103以空分复用方式把符号流送入每个发送天线支路端。在每个支路端，IFFT模块102～102’对符号流进行OFDM调制。调制后的符号从每幅天线101～101’发送到信道。发送端发射导频信号到信道，接收端估计信道矩阵的增益系数。每幅天线106～106’接收到的信号送入FFT模块107～107’。在FFT模块107～107’内完成OFDM解调。信道估计模块108计算信道矩阵增益系数。解调后的符号送入解复用器109恢复为串行输出符号流。信道分解模块110对信道矩阵进行几何平均分解得到的矩阵Q、R和P，其维数均为K×K。接收端把预滤波阵P和Q反馈到发送端。预编码模块104利用预滤波阵P对信号进行线性预编码。线性变换模块105利用Q^H对信号进行线性变换，同时，线性变换模块111也利用Q^H对接收信号进行线性变换。迭代处理模块112进行串行干扰删除信号的检测：从第k个子信道开始，用该子信道接收信号减去第(k+1)个子信道接收信号后，再除以r_kk(R的对角元)，恢复与第k个子信道对应的天线端的发射信号，更新k＝k-1，并判断k是否小于1，如果k＜1，则处理结束，若k≥1，则针对更新后的k继续进行处理。

图4示出了根据本发明的MIMO系统的操作性能的仿真结果。仿真参数为：发送、接收天线数均为4；OFDM子载波数64，其循环前缀16；BPSK调制；未编码；平坦瑞利衰落信道。系统的误比特率(BER)性能如图4所示。

本发明中，通过对信道矩阵进行几何平均分解，使得天线的各个子信道增益相同。这样，当每个天线支路采用相同的调制方式时，系统的误比特率性能不会因某一子信道存在深度衰落而受影响。且系统采用闭环的发射、接收的联合处理，相对开环多天线处理，降低了系统容量损失。因此，本发明提出的设计方法能同时获得系统容量和误比特率性能的增益。

尽管已经针对典型实施例示出和描述了本发明，本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其他的改变、替换和添加。因此，本发明不应该被理解为被局限于上述特定实例，而应当由所附权利要求所限定。

Claims (17)

1、一种用在多天线无线通信系统中的联合处理方法，包括：

在接收端，对信道矩阵进行几何平均分解，得到线性变换矩阵Q、上三角矩阵R和预滤波矩阵P，其维数均为K×K，将预滤波矩阵P和线性变换矩阵Q反馈到发送端，利用线性变换矩阵Q的Hermitian转置矩阵Q^H对接收信号进行线性变换；

在发送端，利用预滤波阵P对信号进行线性预编码，利用线性变换矩阵Q的Hermitian转置矩阵Q^H对信号进行线性变换；以及

在接收端，对串行干扰删除信号进行检测，恢复与各个子信道对应的天线端的发射信号。

2、根据权利要求1所述的联合处理方法，其特征在于所述串行干扰删除信号检测步骤包括：从第k个子信道开始，用该子信道接收信号减去第(k+1)个子信道的接收信号；然后，再除以上三角矩阵R的对角元r_kk，恢复与第k个子信道对应的天线端的发射信号；更新k＝k-1；并判断k是否小于1，如果k＜1，则结束，若k≥1，则针对更新后的k继续进行处理。

3、根据权利要求1或2所述的联合处理方法，其特征在于还包括：在发送端，发射导频信号到信道；以及在接收端，估计信道矩阵的增益系数。

4、一种用在多天线无线通信系统中的联合处理方法，包括：

发送端发射导频信号到信道，接收端估计信道矩阵的增益系数；

对信道矩阵进行几何平均分解，得到线性变换矩阵Q、上三角矩阵R和预滤波矩阵P，其维数均为K×K；

将预滤波阵P和线性变换矩阵Q反馈到发送端；

发送端利用预滤波阵P对信号进行线性预编码；

发送端利用线性变换矩阵Q的Hermitian转置矩阵Q^H对信号进行线性变换，同时，接收端也利用线性变换矩阵Q的Hermitian转置矩阵Q^H对接收信号进行线性变换；

对串行干扰删除信号进行检测，从第k个子信道开始，用该子信道接收信号减去第(k+1)个子信道接收信号后，再除以R的对角元r_kk，恢复与第k个子信道对应的天线端的发射信号；以及

更新k＝k-1，并判断k是否小于1，如果k＜1，则结束；若k≥1，则转上述串行干扰删除信号检测步骤继续处理。

5、一种在多天线无线通信系统中使用的发送处理单元，包括：

预编码模块(104)，利用从接收端发送过来的预滤波阵P对信号进行线性预编码；以及

线性变换模块(105)，利用从接收端发送过来的线性变换矩阵Q的Hermitian转置矩阵Q^H对信号进行线性变换。

6、根据权利要求5所述的发送处理单元，其特征在于所述发送处理单元应用于多天线输入和输出码分多址系统。

7、根据权利要求5所述的发送处理单元，其特征在于所述发送处理单元应用于多天线输入和输出正交频分复用系统。

8、根据权利要求5到7之一所述的发送处理单元，其特征在于所述发送处理单元位于基站或移动终端中。

9、一种在多天线无线通信系统中使用的接收处理单元，包括：

信道分解模块(110)，对信道矩阵进行几何平均分解，得到线性变换矩阵Q、上三角矩阵R和预滤波矩阵P，其维数均为K×K；

线性变换模块(111)，利用线性变换矩阵Q的Hermitian转置矩阵Q^H对接收信号进行线性变换；以及

迭代处理模块(112)，对串行干扰删除信号进行检测，恢复与各个子信道对应的天线端的发射信号。

10、根据权利要求9所述的接收处理单元，其特征在于所述迭代处理模块(112)从第k个子信道开始，用该子信道接收信号减去第(k+1)个子信道的接收信号；然后，再除以上三角矩阵R的对角元r_kk，恢复与第k个子信道对应的天线端的发射信号；更新k＝k-1；并判断k是否小于1，如果k＜1，则结束，若k≥1，则针对更新后的k继续进行处理。

11、根据权利要求9或10所述的接收处理单元，其特征在于所述接收处理单元应用于多天线输入和输出码分多址系统。

12、根据权利要求9或10所述的接收处理单元，其特征在于所述接收处理单元应用于多天线输入和输出正交频分复用系统。

13、根据权利要求9到12之一所述的接收处理单元，其特征在于所述接收处理单元位于移动终端或基站中。

14、一种多天线无线通信系统，其特征在于包括根据权利要求5所述的发送处理单元和根据权利要求9所述的接收处理单元。

15、根据权利要求14所述的多天线无线通信系统的操作方法，其特征在于包括步骤：

信道分解模块(110)对信道矩阵进行几何平均分解，得到线性变换矩阵Q、上三角矩阵R和预滤波矩阵P，其维数均为K×K；

预编码模块(104)利用从接收端发送过来的预滤波阵P对信号进行线性预编码；

线性变换模块(105)利用从接收端发送过来的线性变换矩阵Q的Hermitian转置矩阵Q^H对信号进行线性变换；

线性变换模块(111)利用线性变换矩阵Q的Hermitian转置矩阵Q^H对接收信号进行线性变换；以及

迭代处理模块(112)对串行干扰删除信号进行检测，恢复与各个子信道对应的天线端的发射信号。

16、一种多天线无线通信系统，其特征在于包括根据权利要求5所述的发送处理单元和根据权利要求10所述的接收处理单元。

17、根据权利要求16所述的多天线无线通信系统的操作方法，其特征在于包括步骤：

信道分解模块(110)对信道矩阵进行几何平均分解，得到线性变换矩阵Q、上三角矩阵R和预滤波矩阵P，其维数均为K×K；

预编码模块(104)利用从接收端发送过来的预滤波阵P对信号进行线性预编码；

线性变换模块(105)利用从接收端发送过来的线性变换矩阵Q的Hermitian转置矩阵Q^H对信号进行线性变换；

线性变换模块(111)利用线性变换矩阵Q的Hermitian转置矩阵Q^H对接收信号进行线性变换；以及

所述迭代处理模块(112)从第k个子信道开始，用该子信道接收信号减去第(k+1)个子信道的接收信号；然后，再除以上三角矩阵R的对角元r_kk，恢复与第k个子信道对应的天线端的发射信号；更新k＝k-1；并判断k是否小于1，如果k＜1，则结束，若k≥1，则针对更新后的k继续进行处理。

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