专利名称：一种克服弱散射的多天线码本选择调制方法
技术领域：
本发明涉及一种数字通信系统中的调制方法，特别是一种适用于弱散射强相关的 信道条件下，通过新的码本选取准则使多天线码本预编码与旋转调制方案的结合，使得信 道编码增益与时间分集、空间分集和调制分集有效结合联合优化的调制方法，是一种高效、 高频谱利用率的基于码本预编码的MIMO系统下的调制方法，属于通信技术领域。
背景技术：
随着蜂窝移动通信，因特网和多媒体业务的发展，世界范围内无线通信的容量需 求在迅速增长，另一方面，可利用的无线频谱是有限的。如果通信频谱的利用率没有得到 显著提高，就不能满足通信容量的需要。在单天线链路系统中，采用先进的信道编码(如 Turbo码和低密度校验码)，可以接近香农信道容量，通过增加发射端和接收端的天线数 量，可以进一步显著提高频谱利用率。多输入多输出MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)系统，该技术最早是由 Marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于 普通的单输入单输出SISO(Single-Input Single-Output)系统，ΜΙΜΟ的信道容量随着天 线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增 加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。预编码技术是LTE (Long Term Evolution，长期演进)里下行MIMO空间复用中的 一项重要技术，空间复用本身可以成倍的提高系统的谱效率，但属于干扰受限系统，所以需 要在发射端采用预编码技术来降低天线间，用户间的干扰，从而进一步提高用户和系统的 吞吐量。常用的预编码技术分为两类，一类是非码本预编码，一类是基本码本预编码方式。在非码本的预编码方式中，预编码矩阵在发射端获得。发射端利用预测的信道状 态信息，进行预编码矩阵的计算，常见的有奇异值分解，均勻信道分集等。基于码本的预编 码系统，在闭环系统中预编码矩阵在接收端获得。接收端利用预测信道状态信息，在预定的 码本中进行预编码矩阵的选择，并将选定的预编码矩阵的序号反馈给发射端；在开环TDD 系统中，可以利用信道的的互异性，发射端根据上行导频获得下行信道的估计信道响应，进 而选择用于下行通信的预编码码本。在衰落信道中，分集显得尤为重要。在最佳分集情况下，错误概率会随着平均信噪 比的增加呈指数下降。比特交织编码调制技术(BICM)是目前被3GPP和3GPP LTE采用的 在衰落信道里比特交织编码调制技术。在BICM情况下，虽然比特交织调制增大了编码调制 的时间分集度，然而由于没有用到调制分集，因此其抗衰落抗干扰的性能有限。如何解决这 个问题。成为业界人士比较关注的热点。
发明内容
本发明的发明目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种高效、高频谱利用 率的基于码本预编码的MIMO系统下的调制方法，该方法适用于弱散射强相关的信道条件下，通过新的码本选取准则使多天线码本预编码与旋转调制方案的结合，将信道编码增益 与时间分集、空间分集和调制分集有效结合联合优化，从而减低传输差错率，提高传输可靠 性。本发明的发明目的是通过下述技术方案予以实现的一种克服弱散射的多天线码本选择调制方法，其特征在于该方法包括以下几个 操作步骤(1)系统通过发送导频信号获得系统下行信道的等效信道响应，根据该等效信道 响应选取预编码矩阵，并使发射端获得预编码矩阵检索；(2)发射端根据每根天线上的编码码率R和码长N的要求，确定每根天线上的信息 比特长度K，并对其做编码调制处理；再依照设定的旋转角度对调制后符号的同相分量和 正交分量进行D维旋转调制处理，然后对旋转调制后的数据块符号进行存储；(3)对其全部Nt根发射天线上的I、Q路信号分别做空间分层交织处理；(4)发射端根据步骤(1)中所得到的预编码矩阵检索来选择预编码矩阵，对空间 分层交织处理后的符号块矢量进行预编码操作，并对其做存储处理；(5)接收端收到数据后，根据步骤(1)中的等效信道响应对接收端的数据做预解 码处理；(6)接收端先对Nr根接收天线上预解码后的数据做空间I、Q路分别做空间分层 解交织处理，再对每根天线上的数据做旋转解调和译码运算，得到所需的数据比特信息。所述步骤(3)还包括所述发射天线根数Nt与旋转调制维数D相等。所述步骤(1)进一步包括下述操作步骤(Ila)发射端发射导频信号，接收端根据接收到的导频信号得到信道响应H，并根 据码本集合V得到等效信道响应Hv ；(12a)根据等效信道响应Hv计算检测系数矩阵 W" = i(//vf (Hv) + σ\ 丁1 (Hvf从而得到接收端第m根天线匪SE处理后信号
LJ，
rm = Vx + am2X2 + …+ + Kl^ + KinI + …办·其中，χ 为信号矢
量，χ = j、···、1，η为零均值高斯随机变量，方差为σ 2，a· G A，A = WhHV, A是Nt*Nt维矩
阵，bmn e B，B = WH，B是Nt*Nr维矩阵，所述Nt为发射天线的根数，Nr为接收天线的根数；(13a)根据(12a)中得到的接收端第m根天线匪SE处理后的信 号rm，计算得到接收端每个子载波信号在第m根天线上的信号干扰噪声比
■Rm = ΓΤ-T^——Λ——
Σ 丨丨、Il2 + Σ H Il2 卜-2
i^rnV iJ .(14a)根据每个子载波位置的信干比SINRim, SINRiffl表示的 是第m根天线上选择第i个码本时对应的信干比，计算预编码矩阵v，
ν = axgmaxsum、SINRn,SINRi2,".SINRin) ζ· = 1,2,3... χ 表示码本序列号；(15a)根据预编码矩阵ν生成码本检索，并返回给发射端。
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所述步骤(3)进一步包括下述操作步骤(31)发射端对全部Nt根发送天线上的I路符号进行空间分层交织处理按 照设定规则对每个时刻的全部Nt根发送天线上旋转调制后的信号符号位置进行重 新排列，其重排规则是假设空间分层交织处理前的t时刻第i根天线上的I路旋转 调制符号为乂，空间分层交织处理后的t时刻第k根天线上的空间交织符号为Af，则 χ,1； = x/t,k = (i+ 2t+ [2t/Nt})modNt-,自然数i和k都是发送天线序号，其取值范围都 是[1，Nt]，时刻t的取值范围是1，2，...，G，G是每根发射天线上发送的总符号数丄」代 表向下取整，mod代表取余操作；(32)发射端对全部Nt根发送天线上的Q路符号进行空间分层交织处理按 照设定规则对每个时刻的全部Nt根发送天线上Q路旋转调制后的信号符号位置进行 重新排列，其重排规则是假设空间分层交织处理前的t时刻第i根天线上的I路旋转 调制符号为气丨，空间分层交织处理后的t时刻第k根天线上的空间交织符号为xef，则 xQkt =xQ't,k^(i + 2t + l2t/Nt] +1)modNt ；式中，自然数i和k都是发送天线序号，其取值范 围都是[1，Nt]，时刻t的取值范围是1，2，...，G，G是每根发送天线上发送的总符号数， L」代表向下取整，mod代表取余操作；(33)将交织后的信号重新组合得到信号(巧f，xef)，自然数i和k都是发送天线序 号，其取值范围都是[1，Nt]，时刻t的取值范围是1，2，...，G，G是每根发送天线上发送的 总符号数；记全部Nt根发送天线上的符号块矢量为X= Ix1,…Xi，...XNt}T，式中，Xi是每 根发射天线上长度为G的符号块矢量，自然数i是发送天线序号，其取值范围是[1，Nt]。所述步骤(2)进一步包括下述操作步骤(21)根据公式K = NXR计算出每根天线上的比特数；(22)对每根天线上的K比特信息进行编码调制；(23)对调制符号进行D维旋转调制处理设旋转矩阵为冊，旋转调制之后的信号 向量X= (X1, X2,…，Xe)，满足X = UXRM;其中，X是旋转调制后的信号向量，包含G个信 号，u是旋转前的信号向量；(24)分别对旋转调制后的各个符号块矢量进行存储。所述步骤(4)进一步包括下述操作内容(41)假设步骤(3)空间分层交织处理后的全部Nt根发送天线上的符号块矢量为 X= Ix1,…Xi，. ..xNt}T，式中，Xi是每根发射天线上长度为G的符号块矢量，自然数i是发 送天线序号，其取值范围是[1，Nt]；(42)根据步骤(1)中得到码本检索选择出对应的码本作为预编码矩阵V，然后将 V与符号块矢量X相乘得到经过预编码处理生成的、与符号块矢量X的长度相同的符号块 矢量Z:Z = vX= IZ1, ".Zi,..., ZnJt，式中，Zi是每根天线上经过预编码处理的符号块矢
Mo所述步骤(5)进一步包括下述操作步骤(51)假设接收端的全部Nr根接收天线上接收到的符号块矢量为y= {Yl,… Yi,..., yNJT，式中，Yi是每根接收天线上接收到的符号块矢量，自然数i是接收天线序号， 其取值范围是[l，Nr]；
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(52)将得到的符号块矢量y = Iy1, -Yi, ...，yNJT通过预解码计算得到预解码 处理后的信号。所述步骤(52)中的预解码计算过程如下(521)接收端根据接收到的导频信号得到信道响应H，并根据码本集合V得到等效 信道响应Hv ；(522)根据等效信道响应Hv计算检测系数矩阵
WH =
(Hv)" {Ην)+ σ2Int '\hv)h从而得到接收端第m根天线匪SE处理后信号 “ J ,
rm = amlXl + am2X2 + …+ a^Nr+ K^ + Kl^h + …氏 《购(1 < 術 < 乂)；其中，χ 为信号矢
量，λ = {χ ...χΝι }，η为零均值高斯随机变量，方差为O 2，amn e A，A = WhHv, A是Nt*Nt维矩 阵，bmn e B，B = WH，B是Nt*Nr维矩阵，所述Nt为发射天线的根数，Nr为接收天线的根数；(523)对MMSE处理后的信号rm进行相位补偿乘以f’，使得输出信号具有如下形
式rm =\amm\xm+···+α^τχΝΓ +KinI ^KinI。所述步骤(6)进一步包括下述操作步骤(61)接收端先对全部Nr根接收天线上预解码处理后的信号的I、Q路分别做空 间解交织处理接收天线上符号块矢量的实部和虚部分别进行重新排列，重新排列的原则 设重排前的第i根接收天线上的符号块矢量为(巧丨，φ，则重排后的第k根接收天线上实
vf = x7;,A: = (/-2i-| ItINt I)modM
部虚部信号满足下述公式k t , ^ ,, /ΛΓ , 」υ，式中，mod代表取余操
= xe;, A:=(卜 2卜 L2"灿」_ D mod 价
作；|_」表示向下取余的操作；xj表示解交织后的实部信号，表示解交织后的虚部信号；(62)对每根天线上的符号采用最大似然解调方式进行旋转解调处理；以经过衰 落信道后的旋转星座图为解调参考星座图，通过计算接收到的数据符号中的每个符号与其 参考星座图中个星座点的欧式距离，分别得到映射成为每个符号的各个比特的对数似然 比，用于译码；(63)将每根天线上的数据块符号还原成为码长为N的比特信息，再进行译码操 作；根据编码方式选择相对应的译码方式将每根天线上的每组用户数据块符号还原成K个 比特的信息比特。本发明的有益效果是该多天线码本选择调制方法通过新的码本选取准则使多天 线码本预编码与旋转调制方案的结合，将信道编码增益与时间分集、空间分集和调制分集 有效结合联合优化，从而减低传输差错率，提高传输可靠性。
图1为本发明用于MIMO系统的多天线码本选择调制方法流程图；图2(a)、(b)分别为旋转调制前后星座图的比较；
图3(a)、(b)分别为对角空间分层交织前后传输矩阵的比较图；图4为本发明中的解调星座图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。本发明是一种基于MIMO系统的旋转调制方法，该方法适用于弱散射强相关的信 道条件下，通过新的码本选取准则使多天线码本预编码与旋转调制方案的结合，将信道编 码增益与时间分集、空间分集和调制分集有效结合联合优化，从而减低传输差错率，提高传 输可靠性。参见图1，介绍本发明用于MIMO系统的多天线码本选择调制方法，该方法包括以 下几个操作步骤(1)系统通过发送导频信号获得系统下行信道的等效信道响应，根据该等效信道 响应选取预编码矩阵，并使发射端获得预编码矩阵检索(PMI)；(2)发射端根据每根天线上的编码码率R和码长N的要求，确定每根天线上的信息 比特长度K，并对其做编码调制处理；再依照设定的旋转角度对调制后符号的同相分量和 正交分量进行D维旋转调制处理，然后对旋转调制后的数据块符号进行存储；(3)对其全部Nt根发射天线上的I、Q路信号分别做空间分层交织处理；这里，所述步骤(3)中的发射天线根数Nt以及步骤(2)中旋转调制的维数D可以 任意设置。但是，如果要实现发射天线与旋转调制的满分集增益，从而获得最大化的分集增 益，应当设置所述发射天线根数Nt与旋转调制维数D相等。比如对于2*2系统，我们采用 二维旋转调制；对于4*4系统，我们采用4维旋转调制；更高阶同理可知。这样可以通过空 间交织技术将D维旋转后的各维信号均勻分散到各个天线上。(4)发射端根据步骤(1)中所得到的预编码矩阵检索(PMI)来选择预编码矩阵，对 空间分层交织处理后的符号块矢量进行预编码操作，并对其做存储处理；(5)接收端收到数据后，根据步骤(1)中的等效信道响应对接收端的数据做预解 码处理；(6)接收端先对Nr根接收天线上预解码后的数据做空间I、Q路分别做空间分层 解交织处理，再对每根天线上的数据做旋转解调和译码运算，得到所需的数据比特信息。基于上述调制方案的本发明用于MIMO系统的多天线码本选择调制方法，其设计 要点在于通过旋转调制技术与空间时间交织器的使用使得信号在天线间尽量均勻的分 布，基于这一特点，本发明在步骤(1)中设计了新的码本选取准则使多天线码本预编码与 旋转调制方案的结合获得更大的分集增益。MIMO技术和旋转调制技术的优点，旋转调制星 座图引入信号分集增益，空间交织器使得发送后的符号在传输过程中产生的同相分量(I 路)和正交分量(Q路)的彼此独立传输，尽量消除发送信号I路和Q路衰落系数的相关性， 调制分集与空间交织器的结合是取得分集增益的关键所在，在本发明中设计了更高阶数的 调制分集与空间交织器的设计方案，以获得更大的分集增益。另外，为了获得更大的空间分 集增益，本发明在步骤3中设计了与多维旋转调结合使用的空间分层交织器，尤其在调制 维数与发射天线数相等的情形下，可以将分集增益最大化。比如对于2*2系统，我们采用 二维旋转调制；对于4*4系统，我们采用4维旋转调制；更高阶同理可知。这样可以通过空间交织技术将D维旋转后的各维信号均勻分散到各个天线上，使得各维信号经过不同的衰 落，实现空间分集增益利用理想信道估计的信道值对发射端的数据做预编码处理。本发明的步骤(1)中，系统通过发送导频信号使发射端获得预编码矩阵检索的过 程即可以在闭环系统中实现，也可以在开环TDD (Time Division Duplexing，时分双工)系 统中实现。下面就具体给出本发明在这两种系统中通过发送导频信号使发射端获得预编码 矩阵检索的流程步骤。在闭环系统中，所述步骤(1)进一步包括下述操作步骤(Ila)发射端发射导频信号，接收端根据接收到的导频信号得到信道响应H，并根 据码本集合V得到等效信道响应Ην。本发明实施例中采用协议36. 211中规定的单用户双流信号码本集合
权利要求
一种克服弱散射的多天线码本选择调制方法，其特征在于该方法包括以下几个操作步骤(1)系统通过发送导频信号获得系统下行信道的等效信道响应，根据该等效信道响应选取预编码矩阵，并使发射端获得预编码矩阵检索；(2)发射端根据每根天线上的编码码率R和码长N的要求，确定每根天线上的信息比特长度K，并对其做编码调制处理；再依照设定的旋转角度对调制后符号的同相分量和正交分量进行D维旋转调制处理，然后对旋转调制后的数据块符号进行存储；(3)对其全部Nt根发射天线上的I、Q路信号分别做空间分层交织处理；(4)发射端根据步骤(1)中所得到的预编码矩阵检索来选择预编码矩阵，对空间分层交织处理后的符号块矢量进行预编码操作，并对其做存储处理；(5)接收端收到数据后，根据步骤(1)中的等效信道响应对接收端的数据做预解码处理；(6)接收端先对Nr根接收天线上预解码后的数据做空间I、Q路分别做空间分层解交织处理，再对每根天线上的数据做旋转解调和译码运算，得到所需的数据比特信息。
2.如权利要求1所述的多天线码本选择调制方法，其特征在于所述步骤(3)还包括 所述发射天线根数Nt与旋转调制维数D相等。
3.如权利要求1所述的多天线码本选择调制方法，其特征在于所述步骤(1)进一步 包括下述操作步骤(Ila)发射端发射导频信号，接收端根据接收到的导频信号得到信道响应H，并根据码 本集合V得到等效信道响应Hv ；(12a)根据等效信道响应Hv计算检测系数矩阵
4.如权利要求1所述的多天线码本选择调制方法，其特征在于所述步骤(1)进一步SINR包括下述操作步骤(lib)接收端发射上行导频探测信号信号，从而在发射端获得上行信道估计响应H*，然 后根据信道互异性获得下行信道估计响应H，并根据码本集合V得到等效信道响应Hv ； (12b)根据等效信道响应Hv计算检测系数矩阵
5.如权利要求1所述的多天线码本选择调制方法，其特征在于所述步骤(3)进一步 包括下述操作步骤(31)发射端对全部Nt根发送天线上的I路符号进行空间分层交织处理按照 设定规则对每个时刻的全部Nt根发送天线上旋转调制后的信号符号位置进行重新 排列，其重排规则是假设空间分层交织处理前的t时刻第i根天线上的I路旋转 调制符号为<，空间分层交织处理后的t时刻第k根天线上的空间交织符号为<，则
6.如权利要求5所述的多天线码本选择调制方法，其特征在于所述步骤(33)还包括 所述发射天线根数Nt与旋转调制维数D相等。
7.如权利要求1所述的多天线码本选择调制方法，其特征在于所述步骤(2)进一步 包括下述操作步骤(21)根据公式K= NXR计算出每根天线上的比特数；(22)对每根天线上的K比特信息进行编码调制；(23)对调制符号进行D维旋转调制处理设旋转矩阵为冊，旋转调制之后的信号向量 X = (X1, X2,…，Xe)，满足X = UXRM ；其中，X是旋转调制后的信号向量，包含G个信号，U 是旋转前的信号向量；(24)分别对旋转调制后的各个符号块矢量进行存储。
8.如权利要求1所述的多天线码本选择调制方法，其特征在于所述步骤(4)进一步 包括下述操作内容(41)假设步骤(3)空间分层交织处理后的全部Nt根发送天线上的符号块矢量为X= Ix1,…Xi，. . . xNt}T，式中，Xi是每根发射天线上长度为G的符号块矢量，自然数i是发送天 线序号，其取值范围是[1，Nt]；(42)根据步骤(1)中得到码本检索选择出对应的码本作为预编码矩阵V，然后将V与 符号块矢量X相乘得到经过预编码处理生成的、与符号块矢量X的长度相同的符号块矢量 Z =Z = vX = (Z1, -Zi, ZNt}T，式中，Zi是每根天线上经过预编码处理的符号块矢量。
9.如权利要求1所述的多天线码本选择调制方法，其特征在于所述步骤(5)进一步 包括下述操作步骤(51)假设接收端的全部Nr根接收天线上接收到的符号块矢量为y={Yl,…yi;...， yNr}τ，式中，Yi是每根接收天线上接收到的符号块矢量，自然数i是接收天线序号，其取值范 围是[1，Nr]；(52)将得到的符号块矢量y= Iy1, -Yi, ...，yNJT通过预解码计算得到预解码处理 后的信号。
10.如权利要求7所述的多天线码本选择调制方法，其特征在于所述步骤(52)中的 预解码计算过程如下(521)接收端根据接收到的导频信号得到信道响应H，并根据码本集合V得到等效信道 响应Hv ；(522)根据等效信道响应Hv计算检测系数矩阵Wh =「(//V)" (Hv) + G2Ith Τ' [Hvf从而得到接收端第m根天线匪SE处理后信号 L ，^m=Vl +am2x2 + …+ c^Xnt ^bmxYIx +Ijm2U2 +...b^/i, (l<OT<iVr)；其中，X为f言号矢量，χ = jb…、j，n为零均值高斯随机变量，方差为σ 2，amn e A，A = WhHV, A是Nt*Nt维矩 阵，bmn e B，B = WH，B是Nt*Nr维矩阵，所述Nt为发射天线的根数，Nr为接收天线的根数；(523)对匪SE处理后的信号rm进行相位补偿乘以j^’，使得输出信号具有如下形式rn, =KJxm+ …+amNTXNr +K1H1 +bm2n2 +..Jymti nmNR)a
11.如权利要求1所述的多天线码本选择调制方法，其特征在于所述步骤(6)进一步 包括下述操作步骤(61)接收端先对全部Nr根接收天线上预解码处理后的信号的I、Q路分别做空间解交 织处理接收天线上符号块矢量的实部和虚部分别进行重新排列，重新排列的原则设重 排前的第i根接收天线上的符号块矢量为(而丨，~丨)，则重排后的第k根接收天线上实部虚部x.k=x'k = (i-2t-\ ItINt I)modM信号满足下述公式k , , ... ι. /λΛ 」ν，式中，mod代表取余操作；| .表示向下取余的操作；Y表示解交织后的实部信号，Xe,4表示解交织后的虚部信号；(62)对每根天线上的符号采用最大似然解调方式进行旋转解调处理；以经过衰落信 道后的旋转星座图为解调参考星座图，通过计算接收到的数据符号中的每个符号与其参考 星座图中个星座点的欧式距离，分别得到映射成为每个符号的各个比特的对数似然比，用 于译码；(63)将每根天线上的数据块符号还原成为码长为N的比特信息，再进行译码操作；根 据编码方式选择相对应的译码方式将每根天线上的每组用户数据块符号还原成K个比特 的信息比特。
全文摘要
本发明提供了一种克服弱散射的多天线码本选择调制方法，该方法通过设计了新的码本选取准则使多天线码本预编码与旋转调制方案的结合获得更大的分集增益。在本发明通过设计了更高阶数的调制分集与空间交织器的设计方案，以获得更大的分集增益。另外，为了获得更大的空间分集增益，本发明设定了发射天线根数Nt等于旋转调制维数D。这样可以通过空间交织技术将D维旋转后的各维信号均匀分散到各个天线上，使得各维信号经过不同的衰落，实现空间分集增益利用理想信道估计的信道值对发射端的数据做预编码处理。
文档编号H04L1/00GK101986587SQ20101052587
公开日2011年3月16日 申请日期2010年10月25日 优先权日2010年10月25日
发明者吴湛击, 张力岭, 王文博 申请人:北京邮电大学