專利名稱：基于多輸入多輸出系統(tǒng)的通信方法及設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線通信領域，特別涉及基于多輸入多輸出的通信技術。

背景技術：
多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，簡稱“MIMO”)技術是在第三代移動通信(The Third Generation，簡稱“3G”)和未來移動通信系統(tǒng)中實現高數據速率、高系統(tǒng)容量、高傳輸質量的重要途徑。目前空時發(fā)送分集技術已經成為后3G(Beyond 3G，簡稱“B3G”)/4G的關鍵技術之一，發(fā)送分集可以提高系統(tǒng)容量，并將編碼調制分集技術有機地結合起來。
為了提高MIMO系統(tǒng)的性能，目前有兩種技術方案。
一種方案使用了正交空時編碼，正交空時編碼作為MIMO系統(tǒng)中的一種開環(huán)發(fā)射分集技術，因其能夠有效對抗衰落并具有極低的解碼復雜度，獲得了廣泛關注，是目前最為實用的空時發(fā)送分集技術之一。不過作為一種開環(huán)發(fā)射分集技術，在低速情況下因缺少信道狀態(tài)信息使得其性能變差。
另一種方案使用了閉環(huán)分集技術。在頻分雙工(Frequency DivisionDuplex，簡稱“FDD”)模式下，如果所有用戶反饋瞬時信道狀態(tài)信息(ChannelState Information，簡稱“CSI”)給基站，在用戶數較多時這種機制開銷太大，在無線通信中也不太現實。正交空時編碼系統(tǒng)常采用線性預編碼來獲取反饋增益。在實際的點對點MIMO系統(tǒng)預編碼設計時，為了減少反饋信息量，經常采用碼本方式?；谡豢諘r編碼系統(tǒng)的碼本設計方案，以較少的反饋信息量獲得了較大的陣列增益，該方案在發(fā)送端和接收端都維護一個相同的預編碼碼本(Codebook)，基于瞬時信道狀態(tài)接收端從有限碼本集中選取最優(yōu)的一個碼字矩陣，并將該碼字序號發(fā)送給發(fā)送端，發(fā)送端將此序號的碼字矩陣作為發(fā)射預編碼矩陣，與正交空時編碼的碼字矩陣相乘后發(fā)送出去。
閉環(huán)分集技術的問題在于在高速情況性能較差。一方面反饋信息本身無法保證被正確地傳到發(fā)送端，另一方面信道變化太快易使反饋的信息失效，從而使得高速性能下降。
閉環(huán)分集技術的另一個問題在于如何設計預編碼碼本和如何從碼本中選擇最優(yōu)的碼字矩陣，在目前的公開文獻中，沒有較好的方法。


發(fā)明內容
本發(fā)明各實施方式要解決的主要技術問題是提供一種基于多輸入多輸出系統(tǒng)的通信方法及設備，使得在高速和低速情況下MIMO系統(tǒng)都可以有較令人滿意的性能。
本發(fā)明的實施方式公開了一種基于多輸入多輸出系統(tǒng)的通信方法，包含以下步驟 接收端根據當前信道狀態(tài)選擇最優(yōu)預編碼矩陣，并將代表該預編碼矩陣的信息反饋給發(fā)送端； 所述發(fā)送端對需要傳輸的信息進行正交空時編碼，再乘以所述接收端反饋的信息所代表的預編碼矩陣后發(fā)送； 所述接收端將收到的信號乘以所述發(fā)送端所用預編碼矩陣的共扼轉置，再進行正交空時解碼后得到所述發(fā)送端需要傳輸的信息。
本發(fā)明的實施方式還公開了一種基于多輸入多輸出系統(tǒng)的接收設備，包含， 根據當前信道狀態(tài)選擇最優(yōu)預編碼矩陣的單元； 將代表該預編碼矩陣的信息反饋給發(fā)送端的單元； 將收到的信號乘以所述發(fā)送端所用預編碼矩陣的共扼轉置的單元； 對乘以所述預編碼矩陣的共扼轉置后的信號進行正交空時解碼的單元。
本發(fā)明的實施方式還公開了一種基于多輸入多輸出系統(tǒng)的發(fā)送設備，包含， 從接收端獲得反饋信息的單元； 對需要傳輸的信息進行正交空時編碼的單元； 將經所述正交空時編碼的信號乘以所述接收端反饋的信息所代表的預編碼矩陣后發(fā)送的單元。
本發(fā)明各實施方式與現有技術相比，主要區(qū)別及其效果在于 提出了閉環(huán)正交空時編碼方案，即，接收端根據當前信道狀態(tài)選擇預編碼矩陣并將相關信息反饋到發(fā)送端，發(fā)送端將經正交空時編碼的信號乘以接收端所選的預編碼矩陣后發(fā)送。對信道衰落條件具有魯棒(Robust)性，在低速時，因為使用了閉環(huán)的CSI反饋，以較少的反饋信息量，在獲得發(fā)射分集增益的同時，提高了系統(tǒng)陣列增益，所以MIMO系統(tǒng)有較好的傳輸性能；在高速時，盡管反饋信息的正確性無法保證，因為使用了正交空時編碼，使系統(tǒng)保持了開環(huán)正交空時編碼發(fā)射分集增益，所以在高速時MIMO系統(tǒng)依然有較好的性能。
可以在發(fā)送端和接收端設置相同的碼本，接收端從碼本中選擇最優(yōu)預編碼矩陣，僅向發(fā)送端反饋該最優(yōu)預編碼矩陣在碼本中的序號，從而減少了在反饋上的資源消耗。
接收端所選的最優(yōu)預編碼矩陣是碼本中使‖HF‖F2最大的預編碼矩陣，其中H為信道矩陣，F為碼本中的預編碼矩陣，‖‖F2代表2范數。從而解決了目前公開文獻中沒有較好的預編碼矩陣選擇方法的問題。
本發(fā)明的實施方式還提出了一種用于碼本生成的優(yōu)化搜索方法，可以使得到的碼本中的碼字在Grassmanian空間中的最小距離最大化，使碼本在給定的空間內各態(tài)歷經分布。



圖1是根據本發(fā)明較佳實施方式的基于MIMO系統(tǒng)的通信方法流程圖； 圖2是根據本發(fā)明較佳實施方式的一個MIMO系統(tǒng)模型示意圖； 圖3是碼本長度和移動速度不同的情況下本發(fā)明實施方式的仿真結果； 圖4是碼本長度不同的情況下本發(fā)明實施方式的仿真結果。

具體實施例方式 為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明作進一步地詳細描述。
本發(fā)明的較佳實施方式中，基于MIMO系統(tǒng)的通信方法流程如圖1所示。
在步驟110中，接收端根據當前信道狀態(tài)選擇最優(yōu)預編碼矩陣。接收端在收到信號時，可以根據信號的接收情況估計當前的信道狀態(tài)。
可以在接收端和發(fā)送端都保存相同的碼本，其中包含多個預編碼矩陣，接收端從碼本中選擇最匹配當前信道狀態(tài)的預編碼矩陣作為最優(yōu)預編碼矩陣。
最優(yōu)預編碼矩陣是碼本中使‖HF‖F2最大的預編碼矩陣，其中H為信道矩陣，F為所述碼本中的預編碼矩陣，‖‖F2代表2范數。最優(yōu)預編碼矩陣的具體選擇方法和碼本的生成方法將在后文中詳細描述。
此后進入步驟120，接收端將代表最優(yōu)預編碼矩陣的信息反饋給發(fā)送端。本實施方式中，代表預編碼矩陣的信息是該預編碼矩陣在碼本中的序號。通過使用碼本，可以大大減少需要反饋的信息量。
當然本發(fā)明也可以不使用碼本，而是采用其它方式選擇最優(yōu)預編碼矩陣并反饋相關信息，只要接收端可以唯一地確定與發(fā)送端一致的預編碼矩陣即可。例如，可以反饋經壓縮的最優(yōu)預編碼矩陣的全部信息，或者先在碼本中找到與最優(yōu)預編碼矩陣最接近的碼字，將該碼字的序號和最優(yōu)預編碼矩陣與該碼字的差值以壓縮形式反饋。
此后進入步驟130，發(fā)送端對需要傳輸的信息進行正交空時編碼。
此后進入步驟140，發(fā)送端將經正交空時編碼的信號乘以接收端反饋的信息所代表的預編碼矩陣后發(fā)送。發(fā)送設備保存有與接收端相同的碼本，發(fā)送端根據接收端反饋的序號，在碼本中找到相應的預編碼矩陣。
此后進入步驟150，接收端將收到的信號乘以發(fā)送端所用預編碼矩陣的共扼轉置。這里所稱的發(fā)送端所用預編碼矩陣就是步驟120中接收端向發(fā)送端反饋那個最優(yōu)預編碼矩陣。
此后進入步驟160，接收端進行進行正交空時解碼。
需要說明的是，步驟110、120與步驟150、160可以是由同一個信號觸發(fā)的。接收端收到信號后，一方面通過步驟150和160解出這個信號，另一方面通過步驟110和120向發(fā)送端反饋，反饋的信息被發(fā)送端用于之后的信息發(fā)送。
在圖2中，以基站向移動臺發(fā)送信息為例，圖示了上述流程的一個系統(tǒng)模型。
考慮采用正交空時編碼的MIMO系統(tǒng)下行鏈路，基站配置了Nt根發(fā)射天線，用戶端分配置了Nr根天線。假設在發(fā)射天線和接收天線周圍存在豐富的散射體，且信道系數hnm(為從第m根發(fā)射天線到第n根接收天線之間信道的響應)服從高斯分布CN(0，1)。假設信道在T個時隙間隔內保持準靜態(tài)。因此在這T個時隙內用戶的等效基帶接收信號模型可以表示為 其中Y為Nr×T維的接收信號矩陣，Es為用戶發(fā)射天線總功率，Nr×Nt維的信道矩陣H由復的高斯隨機變量組成，W為Nr×T維的高斯白噪聲矩陣，其元素為獨立同分布的

分布隨機變量，F為Nt×M維的預編碼矩陣；C為用戶的發(fā)送符號經正交空時編碼后的M×T維發(fā)送碼字矩陣，由星座圖s中q個相互獨立的調制符號Sc＝{s1，……，sq}組成，每符號服從功率約束E[sisi]＝1，并有其中E[·]為期望運算符，[·]H為共軛轉置操作。M為數據流的個數。
在基站已經知用戶信道狀態(tài)信息的條件下，式(1)中預編碼矩陣F可通過適當優(yōu)化準則來設計獲得，但是當系統(tǒng)采用頻分雙工(Frequency DivisionDuplex，簡稱“FDD”)模式時，用戶需要反饋全部CSI給基站，當系統(tǒng)用戶數比較大時，這種機制開銷太大，并且在無線通信系統(tǒng)中，基站獲取所有用戶全部CSI也不太現實。針對上述情況，為了減少反饋信息量，在對實際的點對點MIMO系統(tǒng)，經常采用碼本進行預編碼設計。
下面詳細地說明如何選擇最優(yōu)預編碼碼字。
假設基于正交空時編碼的MIMO無線通信系統(tǒng)用戶接收的M×T維的含錯碼字矩陣為E，在信道矩陣為H，預編碼矩陣為F，發(fā)送的碼字矩陣為C的條件下，正交空時編碼系統(tǒng)最大似然估計序列碼字的條件錯誤概率上界可表示為 其中，‖‖F2代表2范數，γ為與數據流大小M、每用戶接收天線的平均信噪比ρ以及星座圖s有關的函數，在一次發(fā)送過程中γ保持不變，因此正交空時編碼的碼字的條件錯誤概率與發(fā)射分集增益‖HF‖F2有關，碼字的條件錯誤概率隨著‖HF‖F2的增加成指數下降。在一次發(fā)送過程中，為使碼字的條件錯誤概率最小，應設計編碼矩陣F使‖HF‖F2最大，因此最優(yōu)預編碼矩陣由以下約束確定 在基站已知用戶信道狀態(tài)信息的條件下，假設H＝UΛVH，V為V的前M列，則矩陣最優(yōu)預編碼矩陣為Fopt＝V。在實際系統(tǒng)中常采用碼本來設計預編碼矩矩陣，最優(yōu)預編碼矩陣F將從給定碼本Ω中選擇使?jié)M足條件(3)的碼字作為其預編碼矩陣，并將選擇的碼字在碼本中的序號反饋給基站，基站將此序號的碼字矩陣作為發(fā)射預編碼矩陣，與正交空時編碼的碼字矩陣相乘后發(fā)送出去，其中F∈Ω＝{P1，……，PN}滿足N為碼本長度。
下面舉例說明如何構建正交空時編碼的預編碼碼本 定義碼本空間Ω元素Fi，Fj間弦距離dc(Fi，Fj)為 基于聚類分析的正交空時編碼的預編碼酉碼本的設計方法如下 1)設k＝0，給定初始化碼本i∈{1，…，N}，其中


為0到2π之間均勻分布的隨機變量，FDFT為Nr×M的離散傅立葉變換(Discrete Fourier Transformation，簡稱“DFT”)矩陣。定義Ωk＝{F1，…，FN}，并計算碼本最小弦距離Fi，Fj∈Ωk 2)隨機生成Ns個Nr×M維態(tài)各態(tài)歷經列正交的酉矩陣U，為了使U具有遍歷性應使Ns足夠大。
3)設k＝k+1，采用聚類分析方法把U分成N類，使Uj，j＝1，…，Ns都成各類中的一個成員 這里簡單舉例介紹一下聚類分析的含義 初始化一個碼本，可稱為舊碼本，此碼本由16個碼字構成。隨機產生10000個樣品樣本碼字，每個樣品樣本碼字分別和16個碼字計算距離，得到最小距離對應的碼字，那么這個樣品樣本碼字就和最小距離對應得碼字分為一類，這樣就可以歸為16類，這就是聚類分析的方法。
4)對每個類求最優(yōu)碼字矩陣 5)定義對ψi進行特征值分解ψi＝VΛVH，因此最優(yōu)碼字矩陣Fiopt應為特征矢量V的前M個最大特征對應的特征矢量，定義并計算碼本Ωopt的最小弦距離其中，Ni為類Ri中的成員總數，i＝1，2，...N 6)如果min_d(k)≥min_d(k-1)則Ωk＝Ωopt，否則Ωk＝Ωk-1。繼續(xù)回到步驟(2)，直到Fi，Fj∈Ωk經過多次迭代后不再增加為止。
從上面的說明可以看出，基于聚類分析的碼本空間最小距離可通過迭代方式達到最大，使碼本在給定的空間內各態(tài)歷經分布。基于正交空時編碼的最優(yōu)預編碼矩陣為信道矩陣前M個奇異值對應的右特征矢量組成，因此針對特定的信道條件，比如相關信道、Rice信道等，可以通過對信道進行Monte-Carlo仿真，并對信道對進行最優(yōu)預編碼生成Nr×M維態(tài)各態(tài)歷經矩陣U，再聚類分析生成碼本。該方法生成碼本更符合實際的預編碼的統(tǒng)計屬性，可用于自適應碼本設計。
該碼本設計方可用于任意的天線配置和任意的碼本長度，下面例舉幾個仿真結果。
本發(fā)明實施方式的仿真試驗考慮一個采用有限反饋預編碼的正交空時編碼的多用戶MIMO系統(tǒng)。假設基站配置了4根天線，每用戶各自配置了1根天線，基站向每個用戶發(fā)送2數據流，并對發(fā)送符號采用2根發(fā)射天線的Alamouti編碼。
圖3給出了碼本長度和移動速度不同的情況下，所提出的閉環(huán)正交空時編碼方案、基站配置的根天線的IEEE802.20 Rate-One方案以及開環(huán)Alamouti編碼方案的系統(tǒng)誤符號率性能隨基站天線發(fā)射總功率變化曲線?？梢钥闯鲈谙嗤拇a本大小和移動速率下，本發(fā)明實施方式的符號錯誤率均低于IEEE802.20中的方案。
圖4給出了速率為3km/h、碼本長度不同的情況下，所提出的碼本與IEEE802.20中碼本(Codebook index＝2)的系統(tǒng)誤符號率性能隨基站天線發(fā)射總功率變化曲線?？梢钥闯?，在相同的碼本大小下，本發(fā)明實施方式的符號錯誤率均低于IEEE802.20中的方案。
圖3、圖4的仿真結果均使用了正交轉換相鍵(Quadrature PhasesshiftKeying，簡稱“QPSK”)。
下面說明本發(fā)明較實施方式中的接收設備和發(fā)送設備。
接收設備包含 根據當前信道狀態(tài)選擇最優(yōu)預編碼矩陣的單元； 將代表該預編碼矩陣的信息反饋給發(fā)送端的單元； 將收到的信號乘以發(fā)送端所用預編碼矩陣的共扼轉置的單元； 對乘以預編碼矩陣的共扼轉置后的信號進行正交空時解碼的單元。
接收設備中保存有與發(fā)送端相同的碼本，該碼本中包含至少一個預編碼矩陣；接收設備從碼本中選擇最匹配當前信道狀態(tài)的預編碼矩陣作為最優(yōu)預編碼矩陣；代表預編碼矩陣的信息是該預編碼矩陣在碼本中的序號。
發(fā)送設備包含 從接收端獲得反饋信息的單元； 對需要傳輸的信息進行正交空時編碼的單元； 將經正交空時編碼的信號乘以接收端反饋的信息所代表的預編碼矩陣后發(fā)送的單元。
所述發(fā)送設備保存有與所述接收端相同的碼本，該碼本中包含至少一個預編碼矩陣； 接收端反饋的代表預編碼矩陣的信息是該預編碼矩陣在碼本中的序號。
需要說明的是，本發(fā)明的實施方式中所說的各種單元都是邏輯概念，物理上可以在不同裝置中實現，也可以在同一裝置中實現。這些單元可以有各種各樣的名稱，但只要具有上述功能就可以實現本發(fā)明的效果，就屬于本發(fā)明的保護范圍。
綜上所述，在本發(fā)明的各實施方式中，對信道衰落條件具有魯棒(Robust)性，在低速時，因為使用了閉環(huán)反饋，所以MIMO系統(tǒng)有較好的傳輸性能；在高速時，因為使用了正交空時編碼，所以MIMO系統(tǒng)依然有較好的性能。總體來說，使用本發(fā)明的技術方案后，MIMO系統(tǒng)的性能比較均衡，不會因為終端移動速度的變化使系統(tǒng)性能發(fā)生較大的波動。
雖然通過參照本發(fā)明的某些優(yōu)選實施例，已經對本發(fā)明進行了圖示和描述，但本領域的普通技術人員應該明白，可以在形式上和細節(jié)上對其作各種改變，而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
權利要求
1.一種基于多輸入多輸出系統(tǒng)的通信方法，其特征在于，包含以下步驟
接收端根據當前信道狀態(tài)選擇最優(yōu)預編碼矩陣，并將代表該預編碼矩陣的信息反饋給發(fā)送端；
所述發(fā)送端對需要傳輸的信息進行正交空時編碼，再乘以所述接收端反饋的信息所代表的預編碼矩陣后發(fā)送；
所述接收端將收到的信號乘以所述發(fā)送端所用預編碼矩陣的共扼轉置，再進行正交空時解碼后得到所述發(fā)送端需要傳輸的信息。
2.根據權利要求1所述的基于多輸入多輸出系統(tǒng)的通信方法，其特征在于，
在所述接收端和發(fā)送端都保存相同的碼本，其中包含至少一個預編碼矩陣；
所述接收端從所述碼本中選擇最匹配當前信道狀態(tài)的預編碼矩陣作為所述最優(yōu)預編碼矩陣；代表所述預編碼矩陣的信息是該預編碼矩陣在所述碼本中的序號。
3.根據權利要求2所述的基于多輸入多輸出系統(tǒng)的通信方法，其特征在于，
所述最優(yōu)預編碼矩陣是所述碼本中使||HF||F2最大的預編碼矩陣，其中H為信道矩陣，F為所述碼本中的預編碼矩陣，|| ||F2；代表2范數。
4.根據權利要求2所述的基于多輸入多輸出系統(tǒng)的通信方法，其特征在于，
通過以下步驟得到所述碼本
通過優(yōu)化搜索找到N個Nr×M維各態(tài)歷經列正交的酉矩陣U作為所述碼本的碼字，該優(yōu)化搜索的目標函數是這些碼字在Grassmanian空間中最小距離，使該目標函數值最大的的N個U即所述碼本的碼字；
其中Nr是接收天線個數，M為數據流個數，N為碼本長度。
5.根據權利要求4所述的基于多輸入多輸出系統(tǒng)的通信方法，其特征在于，
通過以下步驟實現所述優(yōu)化搜索
A生成初始碼本；
B生成Ns個U；
C將Ns個U分為N類，每個類中成員
D對每個類求最優(yōu)碼字矩陣i＝1，…，N
E以每個類的最優(yōu)碼字矩陣構成候選碼本Ωopt，并計算該候選碼本的最小弦距離Fiopt，
F如果候選碼本的最小弦距離大于或等于當前碼本的最小弦距離，則將候選碼本Ωopt作為新的當前碼本Ωk；
重復以上步驟B至F，直到候選碼本的最小弦距離小于或等于當前碼本的最小弦距離的連續(xù)次數達到預定門限；
其中，Ns為正整數且Ns＞N，dc表示兩個矩陣的弦距離。
6.根據權利要求5所述的基于多輸入多輸出系統(tǒng)的通信方法，其特征在于，
所述初始碼本i∈{1，…，N}，其中
為0到2π之間均勻分布的隨機變量，FDFT為Nr×M的離散傅立葉變換DFT矩陣。
7.一種基于多輸入多輸出系統(tǒng)的接收設備，其特征在于，包含，
根據當前信道狀態(tài)選擇最優(yōu)預編碼矩陣的單元；
將代表該預編碼矩陣的信息反饋給發(fā)送端的單元；
將收到的信號乘以所述發(fā)送端所用預編碼矩陣的共扼轉置的單元；
對乘以所述預編碼矩陣的共扼轉置后的信號進行正交空時解碼的單元。
8.根據權利要求7所述的基于多輸入多輸出系統(tǒng)的接收設備，其特征在于，
所述接收設備中保存有與發(fā)送端相同的碼本，該碼本中包含至少一個預編碼矩陣；
所述接收設備從所述碼本中選擇最匹配當前信道狀態(tài)的預編碼矩陣作為所述最優(yōu)預編碼矩陣；代表所述預編碼矩陣的信息是該預編碼矩陣在所述碼本中的序號。
9.根據權利要求8所述的基于多輸入多輸出系統(tǒng)的接收設備，其特征在于，
所述最優(yōu)預編碼矩陣是所述碼本中使||HF||F2最大的預編碼矩陣，其中H為信道矩陣，F為所述碼本中的預編碼矩陣，|| ||F2代表2范數。
10.一種基于多輸入多輸出系統(tǒng)的發(fā)送設備，其特征在于，包含，
從接收端獲得反饋信息的單元；
對需要傳輸的信息進行正交空時編碼的單元；
將經所述正交空時編碼的信號乘以所述接收端反饋的信息所代表的預編碼矩陣后發(fā)送的單元。
11.根據權利要求10所述的基于多輸入多輸出系統(tǒng)的發(fā)送設備，其特征在于，所述發(fā)送設備保存有與所述接收端相同的碼本，該碼本中包含至少一個預編碼矩陣；
所述接收端反饋的代表所述預編碼矩陣的信息是該預編碼矩陣在所述碼本中的序號。
全文摘要
本發(fā)明涉及無線通信領域，公開了一種基于多輸入多輸出系統(tǒng)的通信方法及設備，對信道衰落條件具有魯棒性，使得在高速和低速情況下MIMO系統(tǒng)都可以有較令人滿意的性能。本發(fā)明中，接收端根據當前信道狀態(tài)選擇最優(yōu)預編碼矩陣，并將代表該預編碼矩陣的信息反饋給發(fā)送端；發(fā)送端對需要傳輸的信息進行正交空時編碼，再乘以接收端反饋的信息所代表的預編碼矩陣后發(fā)送；接收端將收到的信號乘以發(fā)送端所用預編碼矩陣的共扼轉置，再進行正交空時解碼后得到發(fā)送端需要傳輸的信息。此外本發(fā)明還提出了設計預編碼碼本和從碼本中選擇最優(yōu)的碼字矩陣的實用方法。
文檔編號H04L1/06GK101212281SQ200610063878
公開日2008年7月2日 申請日期2006年12月31日 優(yōu)先權日2006年12月31日
發(fā)明者劉建國, 楊綠溪, 薛麗霞, 斌 李 申請人:華為技術有限公司