专利名称：一种多输入多输出无线通信系统中的数据预编码方法
技术领域：
本发明涉及一种多输入多输出无线通信系统中的数据预编码方法，属于无线数据传输技术领域。
背景技术：
在无线通信中为了支持更高的传输速率，达到更高的频谱利用率，采用多输入多输出(以下简称MIMO)技术是一种有效的方法。同时，为了支持高速的数据传输速率，必然要求通信设备具备较高的数据处理速度与之相匹配。由于现场可编程门阵列(以下简称FPGA)具有便于并行性设计、处理速度快的特点，因此在高速数据传输系统的硬件实现中经常采用FPGA。
在无线通信系统中采用MIMO技术时为了获得更好的性能，通常要在发送端有效地利用无线MIM0信道状态信息对发送端待发送的数据进行预编码，这就要求接收端首先要对所获得的无线MIM0信道矩阵进行较复杂的矩阵运算，以获得相应的预编码矩阵，然后通过一定的反馈信道将预编码矩阵或压縮后的预编码矩阵传送到发送端。而由于FPGA不适宜进行较复杂的矩阵计算，尤其是像奇异值分解(以下简称SVD分解)、正交对角阵分解(以下简称QR分解)等矩阵分解运算，因此要在无线多输入多输出通信系统中使用FPGA实现预编码技术，以获得更好的系统性能是比较困难的。
发明内容
本发明的目的是提出一种多输入多输出无线通信系统中的数据预编码方法，充分利用PC机处理矩阵计算的灵活性和高效性来配合FPGA实现MIM0无线通信系统中的预编码，以解决在使用FPGA实现的MIMO无线通信系统中采用预编码技术时遇到的矩阵计算复杂度过高的问题，将较复杂的预编码矩阵的计算部分从FPGA转移到了 PC机，从而实现了 PC机处理矩阵计算的灵活性、高效性与FPGA处理信号的高效性、实时性优点的有机结合。
本发明提出的多输入多输出无线通信系统中的数据预编码方法，根据方法中三种不同的反馈信道，可以有以下三种不同的方案
第一种方法包括以下步骤(1 一 1 )无线收发系统中接收端的现场可编程门阵列将接收到的基带信号中的导频信
4号发送至接收端的计算机；
(l一2)接收端计算机利用上述接收到的导频信号，估计出多输入多输出无线通信系统的信道矩阵，并计算预编码矩阵，然后将预编码矩阵发送至接收端的现场可编程门阵列；
(l一3)接收端的现场可编程门阵列将上述预编码矩阵通过多输入多输出无线反馈信道发送到发送端的现场可编程门阵列，或将预编码矩阵经过压縮处理后通过多输入多输出无线反馈信道发送到发送端的现场可编程门阵列；
(l一4)发送端的现场可编程门阵列利用上述接收的预编码矩阵，对待发送数据进行预编码。
第二种方法包括以下步骤
(2 — 1)无线收发系统中接收端的现场可编程门阵列将接收到的基带信号中的导频信号发送至接收端的计算机；
(2_2)接收端计算机利用上述接收到的导频信号，估计出多输入多输出无线通信系统的信道矩阵，并计算预编码矩阵；
(2 — 3)接收端计算机将预编码矩阵，或预编码矩阵经过压縮处理后，经接收端计算机至发送端现场可编程门阵列之间的反馈信道，发送到发送端的现场可编程门阵列；
(2 — 4)发送端的现场可编程门阵列利用上述接收的预编码矩阵，对待发送数据进行预编码。
第三种方法包括以下步骤
(3 — 1)无线收发系统中接收端的现场可编程门阵列将接收到的基带信号中的导频信号发送至接收端的计算机；
(3—2)接收端计算机利用上述接收到的导频信号，估计出多输入多输出无线通信系统的信道矩阵，并计算预编码矩阵；
(3_3)接收端计算机将预编码矩阵，或预编码矩阵经过压縮处理后，经接收端计算机到发送端计算机之间的反馈信道，发送到发送端计算机；
(3_4)发送端计算机将接收到的上述预编码矩阵传送到发送端现场可编程门阵列；
(3 — 5)发送端现场可编程门阵列利用上述接收的预编码矩阵，对待发送数据进行预编码。
本发明提出的多输入多输出无线通信系统中的数据预编码方法，其特点为接收端PC机与接收端FPGA，或者发送端PC机与发送端FPGA,均是通过数据接口相连接的，由收或发或收发两端的PC机与FPGA共同完成MIMO无线通信系统中的预编码。其中，接收端FPGA将接收到的导频信号传送到接收端PC机中进行预编码矩阵的计算。计算得到的预编码矩阵通过利用各种不同的反馈信道传送到发送端FPGA或PC机，最终由发送端FPGA完成对待发送数据的预编码。其中，上述通过反馈信道传输的预编码矩阵可以在接收端先经过压縮处理再传送，包括时间上的稀疏化和频域上的稀疏化。
本发明提出的多输入多输出无线通信系统中的数据预编码方法，将计算预编码矩阵这一相对复杂的矩阵计算由接收段FPGA转移到接收端PC机中，这样可以充分利用PC机强大的矩阵计算能力。同时，由于接收端PC机只完成预编码矩阵的计算部分，接收段其他信号处理功能大部分仍保留在接收端FPGA中完成，所以并不会影响上述MIM0无线通信系统的数据处理速度。实验证明，采用本发明所提出的方法可以在保证MIMO无线通信系统数据处理速度的前提下有效地进行MIMO预编码。
图1为本发明方法中反馈信道利用MIMO无线信道建立起来时的通信示意图。图2为本发明方法中反馈信道为接收端PC机与发送端FPGA之间的通信示意图。图3为本发明分中反馈信道为接收端PC机与发送端PC机之间的通信示意图。
具体实施例方式第一种方法是，反馈信道是利用MIMO无线信道建立起来的，即反馈信息通过MIMO通信系统的接收端与发送端之间部分或全部收发天线所构成的反馈信道进行传输，如错误！未找到引用源。所示。此方法包括接收端FPGA将接收到的导频信号通过数据接口传送给接收端PC机，接收端PC机利用接收的导频计算出相应的预编码矩阵并将结果传回接收端FPGA，接收端FPGA直接将预编码矩阵通过上述MIMO通信系统的接收端与发送端之间部分或全部收发天线所构成的反馈信道传送到发送端FPGA，或者上述经过反馈信道传输的预编码矩阵是经过压縮处理后再传输的。发送端的FPGA根据接收到的预编码矩阵对待发送数据进行预编码。而其中上述预编码矩阵的压縮方法则可以包括将预编码矩阵在时间上稀疏化和频域稀疏化。时间上稀疏化是指在信道随时间变化比较慢即信道为准静态的情况下利用预编码矩阵的时间相关性进行压缩；而频域稀疏化是指在采用多载波调制且信道的频域选择性衰落比较小的情况下利用预编码矩阵的频域相关性进行压縮。
第二种方法是，反馈信道是接收端PC机与发送端FPGA之间所构成的反馈信道，此时反馈信道可以是有线信道(例如，用电缆或者网线连接接收端PC机与发送端FPGA的信道)，也可以是无线信道(例如，通过无线以太网接口连接接收端PC机与发送端FPGA的信道)，如错误！未找到引用源。2所示。该方法包括接收端FPGA将接收到的导频信号通过数据接口传送给接收端PC机，接收端PC机利用接收的导频计算出相应的预编码矩阵，并将结果经接收端PC机与发送端FPGA之间所构成的反馈信道传送到发送端FPGA，或者上述经过反馈信道传输的预编码矩阵是经过压縮处理后再传输的。
第三种方法是，反馈信道是接收端PC机与发送端PC机之间所构成的反馈信道，此时反馈信道可以是有线信道(例如，用电缆或者网线连接接收端PC机与发送端PC机的信道)，也可以是无线信道(例如，通过无线以太网接口连接接收端PC机与发送端PC机的信道)，如错误！未找到引用源。3所示。该方法包括接收端FPGA将接收到的导频信号通过数据接口传送给接收端PC机，接收端PC机利用接收的导频计算出相应的预编码矩阵，并将结果经接收端PC机与发送端PC机之间所构成的反馈信道传送到发送端PC机，或者上述经过反馈信道传输的预编码矩阵是经过压縮处理后再传输的。发送端PC机将上述接收到的预编码矩阵传送到发送端FPGA，由发送端FPGA对待发送数据进行预编码。
本发明方法中，预编码矩阵的压縮处理为时间稀疏压縮、频域稀疏压縮或时间稀疏压縮和频域稀疏压縮中的任何一种。其中时间稀疏压縮是利用预编码矩阵的时间相关性对预编码矩阵进行压縮。频域稀疏压縮是利用预编码矩阵的频域相关性对预编码矩阵进行压縮。
下面，结合附图和三个不同实施方案对本发明提出的多输入多输出无线通信系统中的数据预编码方法进行详细说明。
第一种方案中的通信系统采用MIM0与正交频分复用(以下简称OFDM)相结合的技术，为一种经典的双向MIMO无线通信系统,其反馈信道是嵌入在反向MIMO无线数据信道中的，即反馈信息通过反向MIM0无线数据信道进行传输，且接收端FPGA与接收端PC机通过以太网口相连接，如图31所示。下面以发送端到接收端的单向MIM0无线数据通路为例对本发明提出的PC机与FPGA相结合的MIM0无线通信系统预编码方法作以下说明。
首先接收端FPGA将接收到的OFDM符号数据中所含有的导频信号通过以太网口接口送给接收端PC机，接收端PC机利用上述导频信号根据最大似然准则或者最小均方误差准则等方法得到OFDM符号数据中各个子载波上的信道响应矩阵。接收端PC机再进一步对上述信道响应矩阵进行SVD分解或者QR分解等矩阵运算，获得相应的预编码矩阵。
当MIMO无线信道随时间变化比较慢即为准静态时，可以利用预编码矩阵的时间相关性对预编码矩阵采取时间稀疏化处理。具体方法是发送端将发送的OFDM符号分成较长的 帧，接收端对应接收到的每一帧数据只向发送端反馈对应一个OFDM符号的预编码矩阵， 从而极大地降低了实时反馈所有OFDM符号所有子载波上预编码矩阵所需要的海量反馈数 据。通常，由于接收端PC机与接收端FPGA通过以太网接口传输数据的延时以及接收端 PC机处理速度的限制，预编码矩阵时间上的稀疏化处理是必然的也是必要的。如果MIMO 无线信道的频率选择性衰落比较小，即相邻若干个子载波上的预编码矩阵也可以近似认为 是变化不大的，则此时可以按照一定的子载波间隔只反馈OFDM符号中部分子载波上的预 编码矩阵，即采取频域上的稀疏化处理。此时，接收端PC机只需将需要反馈的那些OFDM 子载波上的预编码矩阵传送给接收端FPGA，然后接收端FPGA将这些预编码矩阵与接收端 要同时发送到发送端的数据一起接收端到发送端的MIMO无线数据信道传送到发送端。
发送端FPGA接收到上述若干OFDM符号的部分或全部子载波上预编码矩阵以后，通过 时间或/频域或时间和频域拟合的方法得到各个OFDM符号的各个子载波上的预编码矩阵， 然后对待发送到接收端的数据进行预编码之后再发送出去。
上述方法中的MIMO无线通信系统具有双向的MIMO无线通信链路，而反馈的预编码矩 阵信息经上述时域或频域压縮后所需要传输的数据率将得到极大的降低，因此将反馈的预 编码矩阵信息打包在反向待传输的数据中一起传送是比较方便而且有效的。
第二种方案中的MIMO无线通信系统仅具有单向(发送端到接收端)的MIMO无线数据 传输链路，而反馈信道采用接收端PC机与发送端FPGA之间的无线或者有线连接，接收端 PC机与接收端FPGA之间的数据接口为以太网接口，如图42所示。本实施例通常存在于 单向高速数据传输场景中，尤其适用于如下场景，即采用MIMO无线链路作为单向高速数 据传输链路，而反馈信道为既有的接收端PC机与发送端FPGA之间的无线连接(例如，接 收端PC机与发送端FPGA之间无线局域网传输链路)或有线连接(例如，接收端PC机与 发送端FPGA的以太网接口之间的电缆连接传输链路)。
第二种方案中，MIMO无线通信系统预编码的具体实施方法为接收端的FPGA将接 收到的导频信号通过以太网接口传送给接收端PC机，接收端PC机利用上述导频信号根据 最大似然准则或者最小均方误差准则等方法得到OFDM符号数据中各个子载波上的信道响 应矩阵;接收端PC机再进一步对上述信道响应矩阵进行SVD分解或者QR分解等矩阵运算， 获得相应的预编码矩阵；然后接收端PC机将上述预编码矩阵经过与实施例1相同的时间 稀疏化和频域稀疏化压縮处理后，通过接收端PC机与发送端FPGA之间的反馈信道传送到 发送端的FPGA，发送端FPGA再对相应待发送数据进行预编码。本发明的第三种方案中的MIM0无线通信系统也仅具有单向(发送端到接收端)的MIM0 无线数据传输链路，而反馈信道采用接收端PC机到发送端PC机之间的无线或者有线连接， 接收端PC机与接收端FPGA之间以及发送端PC机与发送端FPGA之间的数据接口均为以太 网接口，如图4所示。本实施例也通常存在于单向高速数据传输场景中，尤其适用于如 下场景，即采用MIMO无线链路作为单向高速数据传输链路，而反馈信道为接收端PC机与 发送端PC机之间既有的无线连接(例如，接收端PC机与发送端PC机之间无线局域网传 输链路)或有线连接(例如，接收端PC机与发送端PC机以太网接口之间的电缆连接传输 链路)。
由上述多个不同方案可见，在本发明的MIMO无线通信系统数据预编码方法中，将获 得预编码矩阵信息所需要的复杂矩阵计算以及信道估计等功能由接收端FPGA转移到接收 端PC机中，这样就充分利用了通用计算机的强大计算能力。实验证明，采用本发明提出 的方法可以在保证通信系统数据处理速度的前提下有效地实现MIMO无线通信系统的预编 码。
以上所述仅为本发明的各个较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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权利要求
1、一种多输入多输出无线通信系统中的数据预编码方法，其特征在于该方法包括以下步骤(1—1)无线收发系统中接收端的现场可编程门阵列将接收到的基带信号中的导频信号发送至接收端的计算机；(1—2)接收端计算机利用上述接收到的导频信号，估计出多输入多输出无线通信系统的信道矩阵，并计算预编码矩阵，然后将预编码矩阵发送至接收端的现场可编程门阵列；(1—3)接收端的现场可编程门阵列将上述预编码矩阵通过多输入多输出无线反馈信道发送到发送端的现场可编程门阵列，或将预编码矩阵经过压缩处理后通过多输入多输出无线反馈信道发送到发送端的现场可编程门阵列；(1—4)发送端的现场可编程门阵列利用上述接收的预编码矩阵，对待发送数据进行预编码。
2、 一种多输入多输出无线通信系统中的数据预编码方法，其特征在于该方法包括以 下步骤(2 — 1)无线收发系统中接收端的现场可编程门阵列将接收到的基带信号中的导频信 号发送至接收端的计算机；(2—2)接收端计算机利用上述接收到的导频信号，估计出多输入多输出无线通信系 统的信道矩阵，并计算预编码矩阵；(2 — 3)接收端计算机将预编码矩阵，或预编码矩阵经过压縮处理后，经接收端计算 机至发送端现场可编程门阵列之间的反馈信道，发送到发送端的现场可编程门阵列；(2 — 4)发送端的现场可编程门阵列利用上述接收的预编码矩阵，对待发送数据进行 预编码。
3、 一种多输入多输出无线通信系统中的数据预编码方法，其特征在于该方法包括以 下步骤(3 — 1)无线收发系统中接收端的现场可编程门阵列将接收到的基带信号中的导频信 号发送至接收端的计算机；(3—2)接收端计算机利用上述接收到的导频信号，估计出多输入多输出无线通信系 统的信道矩阵，并计算预编码矩阵；(3—3)接收端计算机将预编码矩阵，或预编码矩阵经过压縮处理后，经接收端计算机到发送端计算机之间的反馈信道，发送到发送端计算机；(3—4)发送端计算机将接收到的上述预编码矩阵传送到发送端现场可编程门阵列；(3 — 5)发送端现场可编程门阵列利用上述接收的预编码矩阵，对待发送数据进行预编码。
4、 如权利要求l、 2或3所述的方法，其特征在于，其中所述的预编码矩阵的压縮处理为时间稀疏压縮、频域稀疏压縮或时间稀疏压縮和频域稀疏压縮中的任何一种。
5、 如权利要求4所述的方法，其特征在于，其中所述的预编码矩阵的压縮处理中时间稀疏压縮是利用预编码矩阵的时间相关性对预编码矩阵进行压縮。
6、 如权利要求4所述的方法，其特征在于，其中所述的预编码矩阵的压縮处理中频域稀疏压缩是利用预编码矩阵的频域相关性对预编码矩阵进行压縮。
7、 如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述的多输入多输出无线反馈信道为由接收端与发送端之间部分或全部收发天线所构成的反馈信道。
8、 如权利要求2所述的方法，其特征在于，其中所述的接收端计算机至发送端现场可编程门阵列之间的反馈信道为有线信道或无线信道。
9、 如权利要求3所述的方法，其特征在于，其中所述的接收端计算机至发送端计算机之间的反馈信道为有线信道或者无线信道。
全文摘要
本发明涉及一种多输入多输出无线通信系统中的数据预编码方法，属于无线数据传输技术领域。首先接收端FPGA将接收到的OFDM符号数据中所含有的导频信号通过以太网口接口送给接收端PC机，接收端PC机利用上述导频信号根据最大似然准则或者最小均方误差准则等方法得到OFDM符号数据中各个子载波上的信道响应矩阵。接收端PC机再进一步对上述信道响应矩阵进行SVD分解或者QR分解等矩阵运算，获得相应的预编码矩阵。发送端的现场可编程门阵列利用预编码矩阵，对待发送数据进行预编码。实验证明，采用本发明所提出的方法可以在保证MIMO无线通信系统数据处理速度的前提下有效地进行MIMO预编码。
文档编号H04L25/03GK101478512SQ200910077820
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月22日 优先权日2009年1月22日
发明者周春晖, 张秀军, 京 王, 王燕敏, 肖立民, 许希斌, 明 赵, 赵熠飞, 翔 陈 申请人:清华大学