一种mimo系统的预编码方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，特别设及一种MIMO系统的预编码方法。
【背景技术】
[0002] 多输入多输出（下文简称，MIMO)技术是新一代无线通信的主流技术，在很多超高 速无线局域网(WLAN)的标准中都有应用，例如IE邸802. Ilac协议等。基于MIMO的预编码技 术能够消除发送数据流之间的干扰，提高MIMO信道的容量，从而提高整个系统的吞吐率和 数据可靠性，因此成为超高速无线局域网中的关键技术之一。
[0003] 常见的用于硬件实现的预编码算法中，基于迫零(下文简称，ZF)的方法最为简单， 然而系统在低信噪比时对噪声十分敏感，会放大噪声的影响，使得预编码性能并不理想;且 在系统天线数增多时，会设及到高阶复矩阵的求逆，对硬件资源消耗较多。奇异值分解 (Singular化Iue Decomposition,下文简称SVD)的方法将MIMO信道分解成若干个平行的 子信道，可W提升系统的链路性能，然而其硬件实现方法极其复杂，尤其是在天线数增加到 多于2根时，无论是Golub-Kahan-Reinsch方法还是雅可比（Jacobi)类算法，都需要大量的 迭代，且每次迭代都设及到许多坐标旋转数字计算（下文简称C0RDIC)模块W及开方运算， 运使得资源的消耗呈指数级增长。
[0004] 无线通信系统原型机设计验证的方案之一是基于FPGA(现场可编程口阵列）平台 进行开发。FPGA是专用集成电路中集成度最高的一种，具有静态可重复编程和动态在系统 重构的特性，灵活性高，处理速度快。但是FPGA资源是有限的，现有的方法计算复杂度高，需 要很大的硬件开销。
【发明内容】
[0005] 发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种计算复杂度低，有效提高 预编码性能的MIMO系统的预编码方法。
[0006] 技术方案:本发明提供了一种MIMO系统的预编码方法，包括W下步骤：
[0007] 步骤1:信道探测，显式反馈信道状态信息，获取信道矩阵H;
[000引步骤2:对信道矩阵H进行分块零化，得到准对角矩阵X和分块初等列变换矩阵Q;
[0009] 步骤3:对准对角矩阵X进行分块奇异值分解，得到酉矩阵V;
[0010] 步骤4:根据矩阵Q和矩阵V，得到预编码矩阵W，进行预编码。
[0011] 进一步，所述步骤1中获取信道矩阵哺勺方法为：
[0012] 步骤Il=MIMO系统发射端通过4根天线发送一个空数据分组(下文简称NDP)帖；
[0013] 步骤12:接收端将接收信号同步后进行信道估计，得到并反馈信道矩阵H，包括如 下步骤：
[0014] 步骤121:采用差分延时相关符号同步方法获取NDP帖开始位置信息，延时后得到 VHT-LTF起始位置；
[001引步骤122:经过离散傅里叶变换（下文简称FFT)将分组转换到频域后，根据VHT-LTF 字段通过最小方差算法计算出信道矩阵H，并反馈给发射端，信道矩阵H为4阶复矩阵，同时， 信道矩阵H为n阶方阵。
[0016] 进一步，所述步骤2中得到准对角矩阵X和分块初等列变换矩阵Q的方法为：
[0017] 步骤21:对信道矩阵HW2X2分块方式进行分块，得到四个2X2子块矩阵A、B、C、D， 表示为： r 1 " Ta Bl [001 引 H=CD;
[0019]步骤22:对分块后的信道矩阵H进行分块初等行变换和分块初等列变换，使得信道 矩阵H变为准对角矩阵形式，准对角矩阵记为X，表示为： K 「X, O - 目 X」;：
[0021] 其中，Xi、X2均为2X2矩阵;相应的分块初等行变换矩阵和分块初等列变换矩阵分 另Ij记为巧PQ，其中H、X、P、Q都W子块矩阵A、B、C、D为元素表示，且四者之间满足关系H=PXQd
[0022] 进一步，所述步骤3中得到酉矩阵V的方法为：
[0023] 步骤31:采用基于厄米特矩阵的双边雅可比方法，对准对角矩阵X的子块矩阵Xi、X2 分别进行2X2的SVD分解，得到矩阵Ul、Sl、Vl和U2、S2、V2，矩阵Ul、Sl、Vl和U2、S2、V2均为2X2矩 阵，且与Xi、拉满足Xi =化SiViH和拉=化S2V2H的关系；
[0024] 步骤32:根据矩阵化、化、51、52、￥1、￥2和分块原理得到四阶矩阵11、5、￥，使得它们满 足X的SVD分解关系式x=usyH。
[0025] 进一步，所述步骤4进行预编码的方法为：
[0026] 步骤41:利用步骤2中获得的分块初等列变换矩阵Q和步骤3中获得的酉矩阵V结合 公式W=QV得到系统的预编码矩阵W;
[0027] 步骤42:根据4路发送信号的数据字段组成的向量a=[ai曰2曰3 a4]T和步骤41中得 到的W，结合公式X=Wa完成预编码过程;其中，X为预编码后的结果，由4根天线发射出去。
[0028] 有益效果:与现有技术相比，本发明能够在不明显影响预编码性能的前提下，将高 阶复数矩阵的运算降低为低阶运算，有效减低了运算的复杂度，有效提高了运算的效率，同 时大大减少了直接对矩阵SVD分解所需的迭代次数，从而减少了硬件资源的开销，再者有效 提高了预编码性能。
【附图说明】
[0029] 图1为针对4 X 4信道矩阵求解预编码矩阵的流程图。
[0030] 图2为IE邸802. Ilac协议物理层规定的4个流的NDP帖结构图。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[00创实施例；
[0033]如图1所示，根据本发明的较优实施例，一种适用于硬件实现的基于准对角矩阵和 分块SVD分解的预编码矩阵求解方法，该方法可应用于IE邸802.1 Iac协议下MIMO无线系统 的预编码模块。主要包括W下步骤：
[0034] 步骤1:信道探测，显式反馈信道状态信息（下文简称CSI )，获取信道矩阵H;具体步 骤为：
[0035] 步骤11:发射端通过4根天线发射一个NDP帖，其中，NDP帖的结构如图2所示，VHT-SIG A字段的非探测位设为0,天线发送信号频率为20MHz。
[0036] 步骤12:接收端将接收信号同步后进行信道估计得到并反馈4阶复数信道矩阵H; 具体步骤如下：
[0037] 步骤121:采用差分延时相关符号同步方法获取NDP帖开始位置信息，延时后得到 第一个VHT-LTF字段的起始位置；
[0038] 步骤122:经过FFT变换到频域并去除保护间隔后，根据接收到的VHT-LTF字段计算 出四阶信道估计矩阵H，之后采用显式CSI反馈机制向发射端反馈信道矩阵H。
[0039] 步骤2:对信道矩阵H进行分块零化，得到准对角矩阵X和分块初等列变换矩阵Q;其 具体步骤为：
[0040] 步骤21:信道矩阵H为四阶复矩阵，对信道矩阵HW2X2分块方式进行分块，得到四 个2X2子块矩阵A、B、C、D，表示为：
[0042]步骤22:对分块后的矩阵依次进行多次分块初等行变换和多次分块初等列变换， 使得H变为准对角矩阵形式，准对角矩阵即对角线上为矩阵块的对角阵，该准对角矩阵记为 X，变换公式为：
[0044] 其中，在实际的信道矩阵中，A-般为可逆矩阵。Xi、X2均为2X2矩阵，P和Q为对应的 分块初等行变换矩阵和分块初等列变换矩阵，I为2阶单位矩阵。式中运算只设及到2 X 2复 数矩阵的求逆和乘法加法运算。
[0045] 步骤3:对准对角矩阵X进行分块奇异值分解(下文简称SVD)，得到酉矩阵V;
[0046] 步骤31:采用基于厄密特化ermitian)矩阵的双边雅可比（Jacobi)方法，对X的子 块矩阵Xi、恥分别进行2 X 2的SVD分解，得到矩阵Ui、Si、Vi和化、S2、V2，运些矩阵均为2 X 2矩 阵，且与XI、拉满足Xi = UiSiVi哺X2 =化S2V2H的关系，其中，ViH是Vi的共辆转置矩阵。运里WXi 的2 X 2的SVD分解介绍具体步骤：
[0047] 步骤311:用Xi的共辆转置与本身相乘得到矩阵M
[0049] 其中，M为厄密特矩阵，其对角线两个元素为实数，非对角上元素共辆对称，mi~m4 分别为厄密特矩阵M的四个复数元素的模，0为厄密特矩阵M的右上角元素的相位。
[0050] 步骤312:对矩阵M进行双边酉变换化为实数矩阵
[0化2]其中，ViW为酉变换矩阵。
[0053]步骤313:对步骤312中结果进行双边雅可比变换将其对角化，
[0055]其中，
[0化7]式中，Al~A2为最终结果的对角线元素。
[005引步骤314:根据步骤312、步骤313得到的矩阵ViW.ViW求得矩阵Vi,由于在求解预 编码矩阵时可W不使用化，因此只给出符号表示并不专口求出：
[0060]步骤32:根据Ul、U2、Sl、S2、Vl、V2和分块原理得到四阶矩阵U、S、V，使得它们满足X的 SVD分解关系式x=usyH。
[0062 ]步骤4:根据矩阵Q和矩