CN100388645C - 一种改善v-blast检测性能的预编码方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在基于V-BLAST技术的多天线***中的预编码方法，包括以下步骤：接收反向信道反馈的信道矩阵H，并根据H＝U·D·V⁺进行矩阵奇异值分解，得到酉矩阵V和对角阵D，·D为包含H奇异值的对角阵，+表示Hermitian转置；计算矩阵V和D的Hermitian转置矩阵，得到矩阵V⁺和D⁺；进行矩阵乘法操作，产生码生成矩阵X＝V·D⁺·V⁺；使用码生成矩阵X对输入的调制符号向量a进行编码，得到编码符号向量b＝X·a＝V·D⁺·V⁺·a，并输出。采用上述预编码后，等价空间子信道具有相同的接收功率，有效地提高了空间相关信道的容量。与已有的基于信道奇异值分解的预处理和后处理方案相比，本发明明显改善传统的V-BLAST***的性能，并消除了给接收机带来的硬件开销。

Description

一种改善V-BLAST检测性能的预编码方法和装置

技术领域

本发明设计一种改善V-BLAST(Vertical-Bell LaboratoriesLayered Space-Time，垂直-贝尔实验室分层空时结构)检测性能的预编码方法和装置。这种改善V-BLAST检测性能的预编码方法和装置可以应用于基于V-BLAST技术的多天线***中。

背景技术

基于V-BLAST技术的多天线***容量与发送天线数成线性关系，在不牺牲额外的带宽和发送功率的条件下能够获得很高的频谱效率，因而受到广泛关注。传统的V-BLAST技术采用相同的调制方式和发送功率，在各发送天线单元发送独立的数据，接收端采用基于最优排序的连续干扰抵消的检测算法([1]G.D.Golden，C.J.Foschini，R.A.Valenzuela and P.W.Wolniansky.Detectionalgorithm and initial laboratory results using V-BLASTspace-time communication architecture.Electronics Letters，Vol.35，No.1，7th January 1999.)。在空间独立的多径衰落信道下，传统的V-BLAST技术获得了很好的性能。然而，在空间相关的多径衰落信道下，较强的空间相关性降低了空间相关信道的若干个等价空间子信道的信噪比，因而降低了信道容量([5]Da-Shan Shiu，Gerard J.Foschini，Michael J.Gans，etc.Fading correlationand its effect on the capacity of multi-element antenna systems.IEEE Trans on Commu.，Vol.48，No.3，March 2000，pp.502-513.).如果发送端仍然以较高速率复用各个空间信道发送数据，接收端将难以恢复在低信噪比的等价子空间信道传输的数据而出现误码。这些误码在V-BLAST的层于层之间不断传播，导致误码率性能严重下降([2]Cong Shen，Ha iruo Zhang，Lin Dai and Shidong Zhou.Detection algorithm improving V-BLAST performance over errorpropagation.Electronics Letters，Vol.39，No.13，26th June2003.)。因此，改善V-BLAST在空间相关信道的性能是利用多天线***提高***容量需要面临的重要课题。

在已公开的文献中，信道奇异值分解方法已被应用于多天线***的速率和功率控制之中。文献[3]通过在发送端的预处理单元和接收端的后处理单元对角化空间相关衰落信道矩阵，从而使速率和功率分配的设计更为方便。然而，这种方法并未改变空间信道的等价空间子信道的信噪比，因此不能改善调制方式和发送功率恒定时V-BLAST的性能。信道奇异值分解的方法也被广泛用于多天线***的自适应调制中([4]Young-Doo Kim Inhyoung Kim，Jihoon Choi，etc.Adaptive modulation for MIMO systems with V-BLAST detection.Vehicular Technology Conference，2003，VTC 2003-Spring，The57th IEEE Semiannual，Vol.2，22-25，April 2003.)。

本文所述的技术采用信道奇异值分解的方法，按照等价空间子信道的等接收功率原则设计了一种新的预编码方法和装置，很好地改善了空间相关衰落信道下固定调制方式和发送功率的V-BLAST的性能。

在空间相关衰落信道下，发送速率和功率恒定的V-BLAST数据传输方案有两种。一种是发送端和接收端不采用任何针对空间信道相关性处理的传统的V-BLAST[1]，另一种是基于信道矩阵奇异值分解的空时处理V-BLAST方案([3]Jeongseok Ha，Apurva N.Mody，JoonHyun Sung，etc.LDPC-coded OFDM with Alamouti/SVD diversitytechnique.Wireless Personal Communications，vol.23，No.1，October 2002，pp.183-194(12))。

基于传统V-BLAST技术的多天线***的框图如图1所示，图中以4发4收的***为例。

假设一般的V-BLAST***有M个发射天线Tx和N个接收天线Rx，其中，N≥M。信源比特流1经过数字调制器2，产生串行的调制符号流。然后经过向量编码器3转换为并行的发送符号向量a＝(α₁，α₂，…，α_M)^T。在一个符号时间间隔内，发送天线以单天线相同的功率发送符号向量到空间衰落信道H。基于最优排序的连续符号干扰抵消的V-BLAST检测器4检测接收的符号向量，产生发送符号向量的估计值。然后，送数字解调器5解调。

基于信道矩阵奇异值分解的空时处理V-BLAST***框图如图2所示。信道矩阵H的奇异值分解为

H＝U·D·V⁺                     (式-1)

其中，U和V为酉矩阵，D为包含H奇异值的对角阵，+表示Hermitian转置。在图2中，发送符号向量经过V酉变换后发送到空间相关信道。接收端经过后处理单元U⁺后，送V-BLAST检测器4检测和数字解调器5解调。

按照文献[5]所述，假设信道是平坦的，准静态的空间相关瑞利衰落信道，发送天线采用等功率发送，总发送功率为ρ，则多天线***的容量为所有M个等价单天线***的容量之和，即

$C=\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+\frac{\mathrm{\ρ}}{N_{\mathrm{\α}}}\·{\mathrm{\ϵ}}_k^2)$ (式-2)

其中，ε_k是H的奇异值。相应地，ε_k ²是等价空间子信道的信道增益。

典型的空间相关信道H的统计模型可以用下式描述[5]：

H＝Ψ_R·H_w·Ψ_T    (式-3)

其中，Ψ_R和Ψ_T分别是接收天线和发送天线的半相关矩阵，H_w是空间独立瑞利衰落信道矩阵。

受天线阵元之间的距离和散射环境的影响，空间衰落信道具有一定的空间相关性。这种空间相关性将影响ε_k，k＝1，...，M的数值分布，从而影响等价空间子信道的容量。在信道具有较强的相关性时，ε_k，k＝1，...，M的数值分布严重失衡，最大的奇异值和最小的奇异值差别高达数十分贝。

对于[1]中的传统的调制方式和发送功率恒定的V-BLAST***，极小的信道增益将会严重降低接收信噪比，从而引起高速率传输的符号出现大量误检符号，并且在V-BLAST的连续干扰抵消过程中引起差错传播，严重恶化性能。

对于[3]中的基于信道矩阵奇异值分解的空时处理V-BLAST方案，发送符号向量和经过后处理的接收符号向量之间的信道矩阵等价为

H_*＝U⁺·H·V    (式-4)

其中，H_*是V-BLAST的等价信道矩阵，它将直接影响V-BLAST的检测性能。将式-1带入式-4，整理得

H_*＝D    (式-5)

显然，发送端的预处理和接收端的后处理将信道对角化，方便了进一步的速率和功率控制的设计。然而，经过预处理和后处理的多天线信道矩阵的奇异值分布并未改变，因此这种方法不能改善调制方式和发送功率恒定的V-BLAST的性能。

发明内容

未经过预处理的空间信道矩阵的奇异值分解为(式-1)所示。

其中，

$D=\left[\begin{array}{cccc}{d}_{11}& 0& ...& 0\\ 0& d_{22}& ...& ...\\ ...& ...& ...& 0\\ 0& ...& 0& d_{\mathrm{MN}}\end{array}\right]$ (式-6)

为了使得等价空间相关子信道经过发送端预处理单元x后，各子信道具有相同的接收功率，即H_*＝H·X经奇异值分解后，对角阵为单位阵I，使得

H·X＝U·I·V⁺                      (式-7)

可以解得：

X＝V·D⁺·V⁺                        (式-8)

以(式-2)为码生成矩阵对发送码符号a进行编码，可以得到编码向量b，然后并行发送到空间衰落信道。图3给出了本文提出的基于空间预编码的V-BLAST***框图。

信源比特流1经过数字调制器2，产生串行的调制符号流。然后经过向量编码器3转换为并行的发送符号向量a＝(α₁，α₂，…，α_M)^T，并送空间预编码器9，按照(式-8)的编码生成矩阵进行编码，输出编码向量b＝X·a＝V·D⁺·V⁺·a。在一个符号间隔内，发送天线以单天线相同的功率发送编码向量b到空间衰落信道H。基于最优排序的连续符号干扰抵消的V-BLAST检测器4检测接收的符号向量，产生发送的编码符号向量的估计值。然后，送数字解调器5解调。

经过上述预编码后，发送符号向量a和V-BLAST接收向量之间的信道矩阵等价为

H_*＝H·V·D⁺·V⁺                (式-9)

将(式-1)带入上式，整理得

H_*＝U·I·V⁺                    (式-10)

显然，经过上述空间预编码后，等价空间子信道具有相同的接收功率，有效地提高了空间相关信道的容量。与已有的基于信道奇异值分解的预处理和后处理方案相比，本方案设计的预编码装置能够明显改善传统的速率和功率恒定的V-BLAST***的性能，并消除了给接收机带来的硬件开销。

附图说明

在此引用并组成说明书一部分的附图示出了本发明的实施方式，并结合以下说明示例性地解释本发明。

图1表示基于V-BLAST的多天线***框图；

图2表示基于信道矩阵奇异值分解的空时处理V-BLAST***框图；

图3表示本发明中的空间预编码V-BLAST的***框图；

图4表示根据本发明的空间预编码***框图；

图5(a)表示4发4收V-BLAST在空间弱相关信道的性能比较；

图5(b)表示4发4收V-BLAST在空间强相关信道的性能比较；

图5(c)表示2发2收V-BLAST在空间弱相关信道的性能比较；

图5(d)表示2发2收V-BLAST在空间强相关信道的性能比较。

具体实施方式

以下结合附图具体描述本发明的实施。

图4给出了空间预编码V-BLAST完整的***框图。在发射端，信源编码器41输出的信息比特码流经过数字调制器2和串并转换42后，形成调制符号向量a，并送预编码器9编码。预编码器9根据反向信道反馈的信道矩阵对调制符号向量a编码，输出编码向量b，并形成数据帧，与导频信道复用相同的发送天线。各发送天线单元以相同的发送功率在前向信道53发送数据和导频。在接收端，导频信道的接收数据用于估计信道矩阵，辅助V-BLAST检测器4进行下一数据帧的检测，并通过反向信道反馈信道矩阵给发射端用于下一数据帧的预编码。

同时，数据信道的接收数据送V-BLAST检测器4*V-BLAST检测器4根据预先估计的信道矩阵对发送符号检测，产生估计的发送符号向量，并经过并串转换，送数字调制器5解调和信源译码器44译码。

本文所述的发明装置的工作过程如下：

步骤1：接收反向信道反馈的信道矩阵H，并进行矩阵奇异值分解，得到(式-1)所示的酉矩阵V和对角阵D；

步骤2：计算矩阵V和D的Hermitian转置矩阵，得到矩阵V⁺和D⁺；

步骤3：进行矩阵乘法操作，产生码生成矩阵X＝V·D⁺·V⁺；

步骤4：使用码生成矩阵对输入的调制符号向量a进行编码，得到编码符号向量b＝X·a＝V·D⁺·V⁺·a，并输出。

本文提出的预编码器9能够在空间相关衰落信道下，保证多天线***等价空间子信道具有相同的接收功率，有效地提高空间相关信道的容量。与V-BLAST技术结合使用，能够使V-BLAST以固定的速率和发送功率传输数据，在获得较高频谱效率的同时，得到很好的性能改善。

本文通过计算机仿真验证上述的性能改善。

仿真条件：

调制器/解调器：16QAM

反向信道：无误差、无时延反馈信道

前向信道：平坦衰落、准静态的空间相关信道。空间相关矩阵按照文献[5]产生，其中，发射机接收信号的角度扩展为5度，平均到达角为0度，弱相关时的天线单元间距离为4倍波长，强相关时的天线单元间距离为半波长，无交叉相关。

信道估计：理想的信道估计

收发天线数：2发2收和4发4收

V-BLAST检测器：MMSE检测

信噪比：每个接收天线的总接收功率与噪声功率比。

对比方案：本文提出的空间预编码V-BLAST方案，传统的V-BLAST检测方案，基于信道SVD分解的空间预处理方法与V-BLAST结合的方案。

图5(a)表示4发4收V-BLAST在空间弱相关信道的性能比较。图5(b)表示4发4收V-BLAST在空间强相关信道的性能比较。图5(c)表示2发2收V-BLAST在空间弱相关信道的性能比较。图5(d)表示2发2收V-BLAST在空间强相关信道的性能比较。

图中，实线为本文提出的空间预编码V-BLAST的性能，带“+”号的虚线为[1]中的V-BLAST的性能，带“^*”号的虚线为[3]中的基于信道矩阵奇异值分解的空时处理V-BLAST方案的性能。从图5的性能比较可以明显看出，无论是在弱相关信道或强相关信道下，本文提出的预编码V-BLAST在相同频谱效率下，均获得了明显的性能改善。进一步，如果使用实际的信道编码，性能改善将更为明显。

本文提出的技术方案比较适合时分复用***和慢衰落信道使用。目前，在HSDPA(High-Speed Downlink Packet Access，高速下行链路分组接入)关于闭环MIMO(Multiple Input Multiple Output，多输入多输出)的提案中，增加反向信道资源的开销几乎是所有提案均需付出的代价。因此，本文提出的技术方案在增加可以容忍的反向信道开销和发射机实现复杂度的情况下，获得了明显的性能改善，具有很好的应用前景。

Claims (12)

1.一种在基于V-BLAST技术的多天线***中的预编码方法，其特征在于包括以下步骤：

接收反向信道反馈的信道矩阵H，并根据H＝U·D·V⁺进行矩阵奇异值分解，得到酉矩阵V、U和对角阵D，D为包含H奇异值的对角阵，+表示厄密共轭转置，

计算矩阵V和D的厄密共轭转置矩阵，得到矩阵V⁺和D⁺；

进行矩阵乘法操作，产生码生成矩阵X＝V·D⁺·V⁺；

使用码生成矩阵X对输入的调制符号向量a进行编码，得到编码符号向量b＝X·a＝V·D⁺·V⁺·a，并输出。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于

在根据码生成矩阵编码调制符号向量a之前，调制符号向量a由信源比特流经过数字调制和串并转换后形成。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于由编码符号向量b形成数据帧，数据信道与导频信道复用相同的发送天线。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于各发送天线单元以相同的发送功率在前向信道发送数据和导频。

5.根据权利要求1的方法，其特征在于导频信道的接收数据用于估计信道矩阵，以辅助进行下一数据帧的V-BLAST检测，并通过反向信道将估计的信道矩阵反馈给发射机，以用于下一数据帧的预编码。

6.根据权利要求5的方法，其特征在于根据预先估计的信道矩阵对数据信道的接收数据进行V-BLAST检测，产生估计的发送符号向量，并对所述发送符号向量进行并串转换，数字解调和译码。

7.一种用于V-BLAST技术多天线***的预编码***，其特征在于

该***在发射端包括信源编码器、数字调制器、串并转换装置、预编码装置、以及发送天线，在接收端包括接收天线、信道估计器、V-BLAST检测器、并串转换装置、数字解调器、以及信源译码器，

该预编码装置对来自串并转换装置的调制符号向量进行预编码，该预编码装置接收反向信道反馈的信道矩阵H，并根据H＝U·D·V⁺进行矩阵奇异值分解，得到酉矩阵V、U和对角阵D，D为包含H奇异值的对角阵，+表示厄密共轭转置；计算矩阵V和D的厄密共轭转置矩阵，得到矩阵V⁺和D⁺；进行矩阵乘法操作，产生码生成矩阵X＝V·D⁺·V⁺；使用码生成矩阵X对输入的调制符号向量a进行编码，得到编码符号向量b＝X·a＝V·D⁺·V⁺·a，并用发送天线输出。

8.根据权利要求7的预编码***，其特征在于

在发射端，信源编码器输出的信息比特流经过数字调制器和串并转换装置后，形成调制符号向量a。

9.根据权利要求7的预编码***，其特征在于预编码装置输出的编码符号向量b形成数据帧，数据信道与导频信道复用相同的发送天线。

10.根据权利要求7的预编码***，其特征在于各发送天线单元以相同的发送功率在前向信道发送数据和导频。

11.根据权利要求9的预编码***，其特征在于在接收端，信道估计器利用导频信道的接收数据估计信道矩阵，以辅助V-BLAST检测器进行下一数据帧的检测，并通过反向信道将估计的信道矩阵反馈给预编码装置用于下一数据帧的预编码。

12.根据权利要求10的预编码***，其特征在于对于数据信道的接收数据，V-BLAST检测器根据预先估计的信道矩阵对接收数据进行V-BLAST检测，产生估计的发送符号向量，该发送符号向量经过并串转换装置转换，数字解调器解调和信源译码器译码。

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