专利名称：多入多出系统中的预编码方法及使用该方法的装置的制作方法
技术领域：
本发明的涉及多入多出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)正
交频分复用(OFDM)的系统，更具体地，涉及一种多入多出多载波 系统中的信号处理方法及使用该方法的装置。
背景技术：
在多个天线的多入多出(MIMO)无线通信系统中，接收端和发送 端在充分散射的环境下可以使用同一个带宽支持多个独立的无线信 道，从而有效地提高系统容量，为未来无线通信解决容量瓶颈问题带 来了希望。在许多实际应用中，如图1所示，能够通过接收端至发 射端的低速率反馈信道获得信道参数，发射机利用这些反馈信息对发 送数据进行预处理(Precoding)，使得接收端获得更大的增益以提高 整个系统的可靠性和通信距离。
图2给出了在正交频分复用(OFDM)系统中实施的一种多入多 出(MIMO)具体方案。发射机102采用多个天线以通过多个OFDM 子载波将多个数据流发射到一个或多个接收设备101上。该多个数 据流表示为S(K)，其中K代表子载波编号(B/KAO， N为子载波 数目，M21是每一子载波的数据流数量，例如，子载波1上的数据
流可表示为
S(l) = , = 1),S2(" 1)，…,^(A = l)]
每一个子载波的数据流经过预编码生成器105后映射为一组新的 数据流x(K偷出
X(K) = V(K)ST(K), X(K) = {早=/0,X2(& = K),…，J^(A: = K)}r
X(K)馈送给Tx个发射天线104中每一个信号均通过快速离散傅立 叶反变换(IDFT) 107、循环前缀插入和并行串行变换器106产生。图3更详细地示出了一种预编码符号生成器105，该预编码符号生
成器105在发射设备102的Tx个IDFT 107上的每一个子载波输入 之前使用。如图3所示，发射设备102的每个预编码符号生成器105
采用由rx x船矩阵r(《)="(《),v2 …, (《)}表示的多入多出预编码 矩阵加权，其中，？;是发射天线的数目，w,为在第K个子载波上传
送的数据流的数量。为了计算r(iQ的值，发射设备102需要一些关 于发射天线104和接收设备101上一个或多个接收天线之间的信道响
应信息。
从图1-3可以很清楚地看出，这种系统需要发射机102知道在发 射和接收阵列间的矩阵频率响应，这在快速变化的频率选择宽带信道 方面造成了困难。例如在采用OFDM (OFDMA)的移动通信系统中遇 到的信道类型。更具体而言，在例如图1所示的基于反馈的多入多 出(MIMO)系统中，需要将发射机采用的预编码加权矩阵馈送回发 射机102并更新，以跟踪为了最佳性能而跨越时间和频率发生的信 道变化。遗憾的是，允许完全跟踪信道响应的机制可能需要接收设备 和发送设备之间禁止级的反馈，因此需要一种用于通信系统内多入多 出(MIMO)传输的方法和装置，其在发送回要由发射设备使用的信 道信息时不需要禁止级的反馈
目前，多入多出OFDM/OFDMA系统的反馈问题是诸如3GPP LTE、 WiMAX及W旧ro等标准化组织的研究热点。在当前的协议或 标准中还没有明确的、最终的解决方案。
发明内容
针对当前解决方案中存在的问题，本发明提供了一种能够有效地 解决多入多出OFDM/ OFDMA系统反馈问题的方法和装置。本发明 利用多入多出OFDM/OFDMA系统中子载波信道响应的相关性，大 大降低反馈给发射设备的预编码加权矩阵的数目。在发射端，采用特 殊的处理方法，恢复出每个子载波的预编码矩阵，用于下行链路数据 的发送。鉴于此，本发明的目的在于针对多入多出OFDM/OFDMA系统给
出一种有效降低反馈量的方法和装置，在满足系统性能需求的前提 下，能够有效地解决系统中存在的限制级反馈量的问题。
根据本发明的一个方面，提出了一种多入多出多载波系统中的信
号处理方法，该方法包括步骤
接收机接收从发射机发送的多个子载波的信号； 依据相邻子载波的相关性将子载波分组为多个子载波块，每个子
载波块包含K个子载波；
为每个子载波块,选择反馈子载波预编码矩阵(f(O)和旋转矩阵 (2(0)，并将子载波块的预编码矩阵及旋转矩阵的信息发送回发射
一山乂而。
根据本发明的另一个方面，提出了一种发射端的信号处理装置，
所述装置包括
接收装置，用于接收从接收端反馈的信息； 码本存储器，存储量化后的码本矩阵；
预编码矩阵处理器，利用接收到的反馈信息和码本存储器中的码 本矩阵，计算并输出多个预编码矩阵(K)，其中包括为每个子载波 计算预编码矩阵。
根据本发明的另一方面，提出了一种接收端的信号处理装置，所
述装置包括
码本存储器，用于存储量化后的码本矩阵
信道估计器，用于根据来自发射端的时频二维导频符号估计出频
域每个子载波处的信道频域响应；
反馈预编码矩阵选择器，用于将子载波划分为多个子载波块，针 对每一个子载波块，根据由信道估计器得到的每个子载波处的信道频 域响应及来自码本存储器的码本矩阵，计算要反馈到发射端的信息， 同时输出后处理矩阵(『)，针对每一个子载波块仅反馈预编码矩阵
(iO和旋转矩阵(2)的信息。本发明实现了一种能够有效地解决多入多出OFDM/OFDMA系统
反馈问题的方法和装置大大降低反馈给发射设备的预编码加权矩阵的 数目。在发射端，采用特殊的处理方法，恢复出每个子载波的预编码 矩阵，用于下行链路数据的发送，提高整个系统的吞吐率性能和通信 范围。如第三代移动通信系统、WiMAX、 Wibro等。
图1示出了可应用本发明的多入多出多载波系统的预编码系统的 方框图2示出了可应用本发明的发射端处理过程流程图3示出了可应用本发明的发射端中预编码符号生成器的框图4示出了可应用本发明的接收端处理过程流程图5示出了可应用本发明的接收端中的多流接收合成处理器框图
(用于子载波k); 图6示出了根据本发明预编码方法的流程图； 图7示出了根据本发明选择反馈预编码矩阵的方法的流程图； 图8示出了根据本发明选择旋转矩阵的方法的流程图9示出了根据本发明反馈信息的帧结构。
具体实施例方式
根据本发明的优选实施例，可以如下构成可实现本发明的系统。 在发射端，如图2所示，可以包括
103:自适应预编码矩阵处理器，用于根据接收机102反馈的信道
信息及本地的码本存储器来重新构造每个子载波上的预编码矩阵，例 如，具体可以利用图3所示的方法来生成预编码矩阵。
104:发射天线，将无线发射机输出的射频信号功率以电磁波的形 式发射出去。
105:预编码符号生成器，根据发射天线的数目Tx和生成的预编 码矩阵，将每个子载波上的符号进行发射前的映射处理，以消弱无线 信道对有用数据符号接收的影响。106:循环前缀及并串处理模块，用于为系统加置循环前缀并将数 据流进行合并处理。
107:信道正交化处理模块， 一般采用逆离散傅立叶变换(IDFT)， 而在接收端的构成。例如，可以如图4所示来构成所述信道正交化 处理模块。
301:信道估计器，用于根据发射端发送的时频二维导频符号估计 出频域每一个子载波处的信道频域响应/^)，(B^AO。
302:反馈预编码矩阵选择器，根据信道估计器得到的每个子载波 上的信道响应//(/),及码本存储器中存储的码本矩阵应用OFDM系统 中子载波的相关性及Trellis的方法，有关Trellis方法的详细介绍可 以参见《OFDM移动通信技术原理与应用》第七章，2003年6月， 人民邮电出版社出版。选择反馈的预编码矩阵F的编号及内插旋转 矩阵Q的编号，并将其反馈回发射端。
303:多流接收合成处理器通过对从化个接收天线304接收的 ^个信号进行预编码后处理加权并求和，来形成多流接收合成处理 器的每个输出。第^个子载波的第/个接收天线的第7'个流的加权系数 为^W。在子载波/t上的多流接收合成处理器的第y个输出表示为 ，,(lq.sAg，并且(i"saO (见图5)
304:接收天线将接收的电磁波信号转化为发射机需要的输入 射频信号功率。
305:串并变换处理器将输入的数据进行采样以实现串行到并 行数据的映射。
306:循环前缀处理器用于为系统去除循环前缀。
307 :信道的解正交化模块，通常通过离散傅立叶变换(DFT) 来完成
本发明提出了一种用于多入多出OFDM/OFDMA系统传输的方 法。如图6所示，根据本发明的方法可以包括步骤接收机接收多 个子载波的信号，依据相邻子载波的相关性将多个子载波分组为多个 子载波块，每个子载波块包含K个子载波；依据Trellis方法和最大容量准则为每个子载波块/选择一个反馈子载波预编码A^xA^矩阵 F(/);依据相应准则及选定的矩阵F(/)为每个子载波块选择一个 MnxM^旋转矩阵2(0;然后将子载波块的预编码矩阵及旋转矩阵信 息反馈发送到发射机。
发射机根据得到的预编码矩阵编号信息、旋转矩阵编号信息及发 射机内的码本存储器中存储的码本矩阵恢复出每个子载波上的预编码 矩阵，用于下行链路数据帧的发送。
根据本发明的接收端还包括一种装置，该装置包括反馈预编码矩 阵选择器，该反馈预编码矩阵选择器具有做为输入的多个子载波信道 响应和码本存储器，并输出多个rxxM预编码矩阵F及旋转矩阵Q，
其中为包含多个子载波的子载波块计算一个预编码矩阵和旋转矩阵。
根据本发明的发射端还包括一种装置，该装置包括预编码矩阵处 理器，该预编码矩阵处理器具有作为输入的反馈信道信息和码本存储
器，并输出每个子载波上的rxx脸预编码矩阵V。
本发明还包括一种最优化反馈预编码矩阵的选择方法，该方法包 括接收机接收多个子载波的信号，估计出每个子载波的频域信道相应
//W，然后基于一种Trellis方法(从r(yt)(B)^AO中选择一组满足最 大化系统容量的预编码矩阵W(W,(0^《7WK-i)，《为子载波块的大 小，并保证两个相邻预编码矩阵F(/)的频率间隔为子载波块的大小。
本发明还包括一种反馈最优化旋转矩阵2的选择方法，该方法包
括接收机根据计算得到的反馈预编码矩阵集(F(/)),((^/《iV/尺-1)，采 用空间插值的方法并根据MSE准则来从码本中为每个子载波块选择 旋转矩阵2W;^'。
本发明还包括一种发射端估计预编码矩阵的方法，该方法包括发 射机根据接收机反馈的预编码矩阵编号和旋转矩阵编号及码本存储器得到W(W,(o ^ " W/《-1)及旋转矩阵'，应用空间内插的方法计
算每个子载波处的预编码矩阵^W,d ^ K AO :
<formula>formula see original document page 12</formula>
并应用恢复得到的每个子载波上的预编码矩阵来对发送的数据进行发 送前的预处理。
在本发明的优选实施例中，使用与图1所述类似的OFDM/OFDMA 系统。然而，在本发明的替代实施例中，也可以采用到应用其它通信 协议的系统，这类协议系统包括具有多载波CDMA系统。因此本发 明在OFDM/QFDMA系统和多载波CDMA系统及其任何其他类似或 混合系统中可用并有效。
为了避免必须为每一个OFDM子载波k反馈不同的r(/t)，在本发 明的优选实施例中，首先将频域分为多个子载波块，每个块包含K 个子载波。对于每个包含K个子载波的频率块，仅向发射端提供一 个要跨K个子载波使用的预编码矩阵F和旋转矩阵Q。
可以假设在整个系统的子载波数为N，在本实施例中的示例数 值为A^24，子载波块的大小为K，在本实施例中的示例数值为K二8; 基站有R根发射天线，移动台有h根接收天线，在本实施例中的示
例数值为^ = 4,^ = 2;每一个子载波上有W个流，在本实施例中的示 例数值为乂=2;循环前缀的长度为￡，在本实施例中的数值为丄=16; 发射端采用QPSK调制；预编码矩阵的码本大小为64，即需要 1(^2 64 = 6比特，化(l),…,r(64》；旋转矩阵的码本大小为4，即需要 10§24 = 2比特，(2d),…2(4));基站的发射功率均匀地分布在每个子载
波上，在发射端不采用任何信道编码，信道模型采用ITU Vehicular Model B模型。如图7所示，接收机根据发射机在时频二维空间插入的导频信号 来估计接收机和发射机间的信道频域响应WWK1'，依据特定准则及
每一个子载波上的信道频域响应z/W，从码本存储器中为每个子载 波选择反馈预编码矩阵r(yfc)，所述特定准则包括但不局限于MSE准 则等。在本实施例中，应用MSE准则(表达式1)来为每个子载波 选择反馈预编码矩阵『W^ (图8中的步骤2):
F(/)= mini{/M (/)//(/,(A;)厂'，B/《24 (表达式
1)
将子载波进行分组，每隔《=8分为一组，共分为3组。
应用Trellis方法选择一组间隔为子载波块大小(《=8)且能够使得 整个系统容量最大化的预编码矩阵组。这里，选择Trellis方法的目 的在于实现整个系统的吞吐最大化。本领域的普通技术人员可以理 解，如果选取目的在于其它，例如系统的容量最大化，可以选择其它 的方法来选择预编码矩阵。 一种具体选择方法的示例如图7中步骤3
所示
首先计算每个预编码矩阵组的参量 ,(/)二^>腿{^^+6《)^7+^尺)},(1《"8,《=8)， (表达式2)
u}代表取矩阵的特征值的最小值 然后，在集合f(/"(ls/^)中选择最大值项对应的预编码矩阵组
fWK(^"2)作为接收机向发射机反馈的预编码矩阵组 {F—)}(0^m^2)。在本实施例中，当/ = 6时，对应的预编码矩阵集 f(6)，P(14)，F(22)}，为了后面表述方便，我们用另一个集合F来代替它， 两者的关系如下尸={尸(1),尸(2),^(3)},其中卩(0 = 7(6 + 8(/-1)),(1《/S3)(如 图7所示)。
由于在发射端仅做欧几里得空间的线性内插，因此无法保证得到
的预编码矩阵各列的正交性及在码本空间(Grassmann manifold)的唯一性，我们为每一个子载波块同时反馈一个旋转矩阵2，用于发 射端在恢复每一个子载波处预编码矩阵时的线性内插处理。由于每个 子载波块的旋转矩阵选择相互独立，所以我们以子载波块1为例来 说明旋转矩阵的选择方法。
如图8所示，从旋转矩阵的码本中顺序取出2(i),2(2),2(3),2(4)并按
照表达式(3-5)计算出G(1)，G(2),G(3),G(4):
Z(/"" = (l-ct)F(/) + Cig(/)F(/ + l) (K"8,0S"2)(表达式3)
f(/《+ ^^") = z(/i: + A:){z"(w: + ^)Z(/i: + A;)}—2 (表达式4)
G(A) = max&(巡五(f (W + A;5))) (表达式5)
选择{(7(/)},1^/《4中最小的值的编号，在本实施例中最小值所对应的 编号为3，所以2(3)作为子载波块的旋转矩阵反馈回发射端。
采用上面所述的方法依次为3个子载波块选择旋转矩阵。在本实
施例中，三个子载波集选择的旋转矩阵分别为2(3),2(2),2(1).
将预编码矩阵^(/))(B/")及旋转矩阵必/)KB/23)的编号(index) 以图9的格式反馈回发射端。在本实施例中共需要比特数为6X3 + 2X3 = 24比特，而若每个子载波均返回预编码矩阵的方法需要反 馈的比特数为6*24 = 144比特。因此，根据本发明的方法大大降低 了需要反馈的比特数。
在发射端，依据从接收端反馈回的预编码矩阵编号及旋转矩阵编 号利用空间内插的方法恢复出每个子载波处的预编码矩阵f("h24，
方法如下単+ A:) = (1 - c JF(/) + c必/)F(/ + 1) (1《"8，0 2 " 2)
应用空间插值方法得到每个子载波上的预编码矩阵^(Q对发送数据进 行预处理，提高系统的性能。
权利要求
1. 一种多入多出多载波系统中的信号处理方法，该方法包括步骤接收机接收从发射机发送的多个子载波的信号；依据相邻子载波的相关性将子载波分组为多个子载波块，每个子载波块包含K个子载波；为每个子载波块i选择反馈子载波预编码矩阵(F(i))和旋转矩阵(Q(i))，并将子载波块的预编码矩阵及旋转矩阵的信息发送回发射端。
2. 如权利要求l所述的方法，其中，所述预编码矩阵及旋转矩阵 的信息包括预编码矩阵的编号及旋转矩阵的编号。
3. 如权利要求l所述的方法，其中，为所述每个子载波块/选择一 个反馈子载波预编码矩阵(F(/))，以使系统容量最大化。
4. 如权利要求3所述的方法，其中，利用以下公式来选择所述反 馈子载波预编码矩阵凶""0其中、 {}代表取矩阵的特征值的最小值//(/ + ^)代表第*个子载波块内第/个子载波发射机和接收 机之间的信道响应；F(/+ M:)代表依据//(/+ M)在码本中的对应值；K为子载波块的大小； AA为子载波的总数。
5. 如权利要求l所述的方法，其中，选择所述旋转矩阵2(0，以使 信道的影响最小并使系统的容量最大化。
6. 如权利要求l所述的方法，其中，选择所述旋转矩阵的步骤包 括逐一地取出旋转矩阵码本中的旋转矩阵e(/),(ia^M)， M为旋转 矩阵码本的大小，并利用以下公式选择所述旋转矩阵Z(/K + "=(卜cji7(/) + c必/)F(/ + 1) (1 " "，0 S / S % -1)，+ A， g ) = Z(/《+ /t) {Z" (/《+ /t)Z(/《+其中 M化(7(A:))(1 "")选择G("中的最小值所对应的旋转矩阵为本子载波块的旋转
7. 如权利要求l所述的方法，其中，还包括步骤，发射机接收所 发送的所述预编码矩阵和旋转矩阵的信息，利用所述预编码矩阵和旋 转矩阵的信息恢复出每个子载波的预编码矩阵，并利用恢复的预编码 矩阵对所有的子载波进行加权处理。
8. 如权利要求2所述的方法，其中，在发射端恢复每个子载波的 预编码矩阵步骤包括采用空间内插的方法，依据从接收端反馈回来 的每个子载波块的预编码矩阵F及旋转矩阵Q，来计算恢复的每个子 载波的预编码矩阵，以使所恢复的预编码矩阵与实际预编码矩阵误差 最小。
9. 如权利要求8所述的方法，其中，采用如下公式来计算恢复的 预编码矢巨阵F(A;),(1《A:《AT):其中、,nU代表取矩阵的特征值的最小值；//(/ + ^)代表第6个子载波块内第/个子载波发射机和接收机之间的信道响应；P(/ + 代表依据(/ + /Uq在码本中的对应值；《为子载波块的大小；矩阵。Z(/K + " = (1 - q )F(/) + c必/)F(/ + 1) (1 " ",0《"% -1)W为子载波的总数。
10. —种发射端的信号处理装置，所述装置包括-接收装置，用于接收从接收端反馈的信息； 码本存储器，存储量化后的码本矩阵；预编码矩阵处理器，利用接收到的反馈信息和码本存储器中的 码本矩阵，计算并输出多个预编码矩阵(K)，其中包括为每个子载波计算预编码矩阵。
11. 如权利要求10所述的装置，其中，所述预编码矩阵处理器为 每个子载波计算预编码矩阵，以使系统容量最大化。
12. 如权利要求ll所述的装置，其中，所述预编码矩阵处理器利用以下公式，计算每个子载波的预编码矩阵<formula>formula see original document page 4</formula>
13. -种接收端的信号处理装置，所述装置包括 码本存储器，用于存储量化后的码本矩阵信道估计器，用于根据来自发射端的时频二维导频符号估计出频 域每个子载波处的信道频域响应；反馈预编码矩阵选择器，用于将子载波划分为多个子载波块，针 对每一个子载波块，根据由信道估计器得到的每个子载波处的信道频 域响应及来自码本存储器的码本矩阵，计算要反馈到发射端的信息， 同时输出后处理矩阵(『)，针对每一个子载波块仅反馈预编码矩阵 (F)和旋转矩阵(0)的信息。
14. 如权利要求13所述的装置，其中，所述预编码矩阵(F)和 旋转矩阵(e)的信息包括预编码矩阵的编号及内插旋转矩阵的编号。
15. 如权利要求13所述的装置，其中，所述反馈预编码矩阵选择 器选择反馈子载波预编码矩阵，以使系统容量最大化。
16. 如权利要求15所述的装置，其中，所述反馈预编码矩阵选择器根据以下公式来选择所述预编码矩阵w/《-1 ( 一 ),f =arg， J] 4lin{//(/ + W,(/ + W)}其中义，U代表取矩阵的特征值的最小值；+w)代表第*个子载波块内第/个子载波发射机和接收机之间的信道响应；7(/ + ^)代表依据//(/ + /^)在码本中的对应值；《为子载波块的大小；W为子载波的总数。
17. 如权利要求13所述的装置，其中，所述反馈预编码矩阵选择器选择内插旋转矩阵e使得信道的影响最小并且系统的容量最大。
18. 如权利要求17所述的装置，其中，所述反馈预编码矩阵选择器逐一地取出旋转矩阵码本中的旋转矩阵2(/),(lS"M)， M为旋转矩 阵码本的大小，并利用以下公式选择所述旋转矩阵Z(仄+ A) = (1 - q )F(/) + c必/)F(/ + 1) (1 S AS Z,O S / S % — 1)+ 、5) = Z(/K + (/〖+ "z(/尺+ "p 其中 MM(F W) = I {/M + " wr(wr'选择G("中最小值所对应的旋转矩阵为本子载波块的旋转矩阵。
全文摘要
提出了一种多入多出多载波系统中的信号处理方法，该方法包括步骤接收机接收从发射机发送的多个子载波的信号；依据相邻子载波的相关性将子载波分组为多个子载波块，每个子载波块包含K个子载波；为每个子载波块i选择反馈子载波预编码矩阵(F(i))和旋转矩阵(Q(i))，并将子载波块的预编码矩阵及旋转矩阵的信息发送回发射端。本发明实现了一种能够有效地解决多入多出OFDM/OFDMA系统反馈问题的方法和装置，大大降低反馈给发射设备的预编码加权矩阵的数目。
文档编号H04L25/03GK101471907SQ20071030783
公开日2009年7月1日 申请日期2007年12月28日 优先权日2007年12月28日
发明者宏 何, 梁宗闯, 程锦霞 申请人:三星电子株式会社;北京三星通信技术研究有限公司