專利名稱：Svd預(yù)編碼方法、預(yù)解碼方法及使用所述方法的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信系統(tǒng)中的編碼方法，更具體地，涉及一種基 于Uplink Sounding的奇異值分解預(yù)編碼方法、預(yù)解碼方法及使用所述 方法的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
由于現(xiàn)在無線業(yè)務(wù)變得越來越重要，對更高網(wǎng)絡(luò)容量和更高性能 的需求不斷增長。幾種選擇方式如更高帶寬、優(yōu)化的調(diào)制方式甚至代 碼復(fù)用系統(tǒng)實(shí)際上提高頻譜效率的潛力有限。多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)系統(tǒng)通過采用天線陣列，利用空間復(fù)用 技術(shù)來提高所使用帶寬的效率。在很多實(shí)際應(yīng)用中，信道參數(shù)能夠通 過接收端至發(fā)送端的反饋信道獲得(假設(shè)反饋延時(shí)遠(yuǎn)小于信道相干時(shí) 間)。另外，在時(shí)分雙工(TDD)系統(tǒng)中，當(dāng)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送間隔在 乒乓時(shí)間內(nèi)完成，信道在接收模式下的估計(jì)值能夠被用于發(fā)送模式中 (假設(shè)乒乓時(shí)間遠(yuǎn)小于信道相干時(shí)間)。
因此，存在的問題在于如何利用這些信道估計(jì)值來優(yōu)化發(fā)射機(jī) 的發(fā)送方案以及設(shè)計(jì)相應(yīng)的最優(yōu)接收機(jī)。目前的研究中主要分為線性 和非線性優(yōu)化預(yù)編碼(Pre-coding)技術(shù)。其中，非線性預(yù)編碼方案 雖然具有較優(yōu)的性能但其復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于線性方案，因此線性預(yù)編碼 技術(shù)是研究的主流。線性預(yù)編碼技術(shù)充分利用全部或部分信道狀態(tài)信 息(Channel State Information, CSI)獲得盡可能多的波束成形增益。在 線性預(yù)編碼技術(shù)中最常用的方法為奇異值分解(Singular Value Decomposition, SVD)，基于SVD分解的線性預(yù)編碼技術(shù)在理論上的 傳輸速率可以達(dá)到信道容量?；赟VD分解的線性預(yù)編碼技術(shù)需要 發(fā)射端盡可能的知道信道的狀態(tài)信息(CSI)?；赟VD分解的線性預(yù)編碼技術(shù)的基本原理如下 考慮在平坦衰落信道下， 一個(gè)帶有Nt個(gè)發(fā)射天線和K個(gè)接收天 線的MIMO系統(tǒng)。設(shè)x表示為一個(gè)數(shù)據(jù)碼元的復(fù)向量，H表示為一個(gè) KXNt的服從瑞利(Rayleigh)分布的信道矩陣，n表示為附加高斯白 噪聲向量(Additive White Gaussian Noise, AWGN)，則在接收端的
接收碼元的矢量表示為
y =Hx+n (1)
利用SVD分解將信道矩陣H分解成為3個(gè)矩陣，即SVD{H} ={U,
2，V}，在該公式中，u和v表示為酉矩陣；s表示為信道矩陣H的
奇異值對角矩陣并且該矩陣按照降序排列。信道矩陣H的SVD分解 表達(dá)式為
H=UZV* (2)
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的基于SVD分解的MIMO系統(tǒng)框圖如圖1所示。 從圖1可以著出，發(fā)送端的數(shù)據(jù)碼元向量x與預(yù)編碼矩陣V相乘以后 通過Nt個(gè)天線發(fā)送出去，數(shù)據(jù)信號經(jīng)過MIMO信道到達(dá)接收端；接 收端利用Nr個(gè)天線接收信號，并且利用預(yù)解碼矩陣LT來去除信道影 響。接收向量y可以表示為
y=U*HVx+U*n =U*UZV*Vx+U*n (3) =Zx+U*n
在MIMO系統(tǒng)中，如果要進(jìn)行基于SVD分解的預(yù)編碼處理，需 要發(fā)射端通過兩種方式來獲得預(yù)編碼矩陣V。 一種方式是發(fā)射端在獲 得信道矩陣H后，利用SVD分解來獲得預(yù)編碼矩陣V。另一種方式 是發(fā)射端通過接收端反饋來獲得預(yù)編碼矩陣V的信息。通信系統(tǒng)在 FDD模式下，由于上下行通信鏈路占用不同的頻帶，所以只能用第二 種方式通過接收端反饋來獲得預(yù)編碼矩陣V的信息。在TDD模式下， 則兩種方式都可以運(yùn)用。如果在TDD模式下，發(fā)射端能夠準(zhǔn)確的獲 得預(yù)編碼矩陣V就可以提高系統(tǒng)的性能，并降低接收端的復(fù)雜度。因此，在TDD模式下，發(fā)射端如何準(zhǔn)確獲得預(yù)編碼矩陣V是本發(fā)明研 究的重點(diǎn)。
對于通過接收端反饋的碼本來獲得預(yù)編碼矩陣V的方法，這種方 法在FDD模式下是非常適用的。這是因?yàn)樵贔DD模式下的移動(dòng)通信 系統(tǒng)上下行信道采用不同的頻率，因而上下行信道不具備互惠性。因 此只能通過接收端反饋來獲得預(yù)編碼矩陣V的信息。
但是在TDD模式下，通過接收端反饋的碼本來獲得預(yù)編碼矩陣V 的方法，就會(huì)有浪費(fèi)帶寬資源、能量和遲延等缺點(diǎn)。這是因?yàn)門DD 模式下，移動(dòng)通信系統(tǒng)的上下行鏈路信道沖激響應(yīng)具有互惠性，這導(dǎo) 致可以通過估計(jì)上行鏈路的信道沖激響應(yīng)來得到下行鏈路的信道沖激 響應(yīng)。目前，在TDD模式下，對于MIMO — OFDM系統(tǒng)主要是通過 在數(shù)據(jù)幀中插入離散導(dǎo)頻信道(Pilot)來估計(jì)信道響應(yīng)。但是由于要 估計(jì)信道沖激矩陣H，就必須通過對估計(jì)的離散信道響應(yīng)進(jìn)行插值， 但通常不能得到比較準(zhǔn)確的信道沖激響應(yīng)H。
因此，本發(fā)明的目的在于，在TDD的模式下，利用UL Sounding 信號來支持基于SVD分解的線性預(yù)編碼從而獲得比較準(zhǔn)確的信道沖 激矩陣H。這樣可以提高系統(tǒng)的性能并且降低了接收端的復(fù)雜度，同 時(shí)其性能也好于利用碼本這種方式來進(jìn)行預(yù)編碼。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提出了一種在發(fā)射端使用的預(yù)編碼方法，
包括步驟
a) 對接收到的信息比特進(jìn)行信道編碼；
b) 對已編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行基帶調(diào)制，根據(jù)UL Sounding信號估計(jì)信道 矩陣(HT)，并利用所述信道矩陣(HT)，基于奇異值分解得到發(fā)射矩 陣(V)，利用所述發(fā)射矩陣(V)對調(diào)制數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)編碼；
c) 將結(jié)果分配到OFDM子載波上，并發(fā)射得到的數(shù)據(jù)碼元。 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種在接收端使用的預(yù)解碼方法，
包括步驟
對接收到的數(shù)據(jù)碼元進(jìn)行解調(diào)；利用導(dǎo)頻序列估計(jì)信道矩陣；
利用估計(jì)的信道矩陣(H)，基于奇異值分解得到預(yù)解碼矩陣(u*)， 并利用所述預(yù)解碼矩陣(ir)對解調(diào)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)解碼。 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種包括接收端和發(fā)射端的通信系
統(tǒng)，所述通信系統(tǒng)包括
發(fā)射端處的信道編碼模塊，用于對接收到的信息比特進(jìn)行信道編
碼；
發(fā)射端處的調(diào)制模塊，用于對已編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行基帶調(diào)制；
發(fā)射端處的預(yù)編碼模塊，用于向接收端發(fā)送請求UL Sounding信號 的指令，根據(jù)接收到的UL Sounding信號估計(jì)信道矩陣(HT)，并利用 所述信道矩陣，基于奇異值分解得到發(fā)射矩陣(V)，利用所述發(fā)射矩 陣(V)對調(diào)制數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)編碼；
發(fā)射端處的發(fā)射模塊，用于將結(jié)果分配到OFDM子載波上，并發(fā)射 得到的數(shù)據(jù)碼元；
接收端處的解調(diào)模塊，用于對接收到的數(shù)據(jù)碼元進(jìn)行解調(diào)；
接收端處的信道估計(jì)模塊，用于利用導(dǎo)頻序列估計(jì)信道矩陣(H);
預(yù)解碼模塊，用于響應(yīng)發(fā)射端的指令向發(fā)射端發(fā)送UL Sounding, 并利用估計(jì)的信道矩陣(H)，基于奇異值分解得到預(yù)解碼矩陣(IT), 并利用所述預(yù)解碼矩陣(IT)對解調(diào)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)解碼。
由于本發(fā)明利用SVD分解技術(shù)，其對信道的抑制作用要優(yōu)于采用 Codebook的方法。在方法簡單的同時(shí)還可以簡化接收機(jī)的復(fù)雜度。
此外，本發(fā)明采用的UL Sounding信號可以很好地解決TDD系統(tǒng) 中反饋式閉環(huán)中反饋信道占用較多空口資源的缺點(diǎn)。
此外，本發(fā)明采用占據(jù)分配子帶的所有子載波的UL Sounding信 號來估計(jì)信道要比采用導(dǎo)頻信號(pilot)來估計(jì)信道要更加準(zhǔn)確，從而 提高了預(yù)編碼的性能。
同時(shí)，本發(fā)明采用的是第j幀的UL Sounding和第j + 1幀中的導(dǎo) 頻序列(Preamble)來估計(jì)信道矩陣同時(shí)得到預(yù)編碼矩陣V和U*。由 于兩個(gè)信號發(fā)送的時(shí)間間隔比較小，所以估計(jì)出的信道響應(yīng)的準(zhǔn)確度 比較高。


圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的基于SVD分解的MIMO系統(tǒng)框圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)編碼和預(yù)解碼的方 框圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的預(yù)編碼方法使用的幀結(jié)構(gòu)；以及 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的預(yù)編碼方法的信令圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明針對在TDD模式下，如何在MIMO-OFDM系統(tǒng)中獲得準(zhǔn)確的 信道沖激響應(yīng)H。下文的實(shí)施例中詳細(xì)描述了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)框圖 及說明、系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、UL Sounding信號說明以及基于UL Sounding的調(diào)度算法流程。
系統(tǒng)框圖
在TDD模式下，基于Uplink Sounding的SVD預(yù)編碼的系統(tǒng)框圖如 圖2所示。從圖2中可以看出，該系統(tǒng)包括發(fā)射端、接收端及MIMO 信道模塊。發(fā)射端主要包括信道編碼模塊、調(diào)制模塊、預(yù)編碼SVD 分解模塊、快速傅立葉逆變換模塊、多天線發(fā)射模塊及信道估計(jì)模塊。 接收端主要包括多天線接收模塊、快速傅立葉變換模塊、預(yù)解碼SVD 分解模塊、信道解碼模塊及信道估計(jì)模塊。
在發(fā)射端，首先通過信道編碼模塊對信息比特進(jìn)行信道編碼。編碼 后的數(shù)據(jù)通過調(diào)制模塊進(jìn)行基帶調(diào)制。這里，可以采用的基帶調(diào)制方 法包括但不局限于QAM (正交幅度調(diào)制)、QPSK (正交相移鍵控)等 本領(lǐng)域公知的調(diào)制方法。
然后，預(yù)編碼SVD分解模塊基于SVD分解，將調(diào)制信號與發(fā)射矩陣 V進(jìn)行相乘，最后分配到OFDM子載波上并發(fā)射出去。其中，對于基于 SVD分解的矩陣V，首先，利用從接收端接收到的UL Sounding信號 估計(jì)信道矩陣H，然后，根據(jù)TDD系統(tǒng)的信道互惠理論，計(jì)算出SVD 中的發(fā)射矩陣V，用于發(fā)射數(shù)據(jù)碼元。在接收端，數(shù)據(jù)碼元通過信道到達(dá)接收端。首先，接收端通過快速 傅立葉變換模塊對接收到的數(shù)據(jù)碼元進(jìn)行變換，從而對數(shù)據(jù)碼元進(jìn)行
解調(diào)。然后，信道估計(jì)模塊利用導(dǎo)頻序列(Preamble)估計(jì)出信道矩陣 H，再基于SVD分解，得到預(yù)解碼矩陣ir。接收端利用基于SVD分解 得到的IT進(jìn)行預(yù)解碼，然后通過解調(diào)模塊將數(shù)據(jù)碼元映射成比特流。 然后，接收端利用信道解碼模塊對比特?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)，最后輸出信息 比特。
幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)本發(fā)明的幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。從圖3中可以看出，系統(tǒng)的幀結(jié) 構(gòu)可以分為五部分控制信道子幀、導(dǎo)頻信號序列、下行負(fù)載、上行 負(fù)載、UL Sounding信號。系統(tǒng)通過控制信道要求接收端發(fā)射一個(gè)UL Sounding來估計(jì)信道響應(yīng)矩陣H，從而得到SVD分解中的發(fā)射矩陣V， 并且通知接收端準(zhǔn)備進(jìn)行預(yù)編碼接收。然后，發(fā)射端開始發(fā)射導(dǎo)頻信 號序列、下行負(fù)載。接收端接收到控制信道子幀后，會(huì)在上行鏈路中 會(huì)發(fā)射UL Sounding信號。
UL Sounding信號
在IEEE802.16e系統(tǒng)中，系統(tǒng)采用TDD模式進(jìn)行工作。當(dāng)用戶 (MS)在很長時(shí)間需要在同一個(gè)信道上發(fā)射數(shù)據(jù)的時(shí)候，同時(shí)需要實(shí) 時(shí)知道下行鏈路(BS—MS)的信道響應(yīng)，但是又不希望采用反饋方式 得到信道狀態(tài)信息，因?yàn)檫@種方式會(huì)占用太多資源，開銷很大。同時(shí) 希望得到比較準(zhǔn)確的信道就矩陣；這是就會(huì)選擇MS發(fā)射UL Sounding 信號來估計(jì)信道響應(yīng)H的方式。因?yàn)檫@種方式較釆用Pilot這種方式 更能準(zhǔn)確的估計(jì)出信道響應(yīng)矩陣H這樣可以提高系統(tǒng)的性能，降低系 統(tǒng)的復(fù)雜度，較小開銷。
UL Sounding信號的主要作用在于在TDD系統(tǒng)中，接收端發(fā)射一 些己知碼元給發(fā)射端，用于發(fā)射端估計(jì)上行信道的信道矩陣H，從而 利用TDD模式中上下行信道具有互惠性的特性，來確定發(fā)射端到接收 端的下行信道的響應(yīng)。傳統(tǒng)的方式是接收端根據(jù)發(fā)射端在數(shù)據(jù)碼元中插入的已知導(dǎo)頻信
號(pilot)通過插值算法來獲得信道矩陣H。這一方法估計(jì)的信道不
夠準(zhǔn)確，降低了預(yù)編碼方法的性能。
在IEEE 802. 16e協(xié)議中，UL Sounding信號發(fā)射方式有兩種第一 種方式為離散型，即在所分配的頻帶上離散地插入U(xiǎn)L Sounding信號。 該方式主要是根據(jù)接收端發(fā)射的UL sounding信號來判斷信道質(zhì)量， 選擇最好的子載波來發(fā)射數(shù)據(jù)碼元。第二種方式為接收端在所分配的 頻帶上連續(xù)地插入U(xiǎn)L Sounding信號，用于估計(jì)信道狀態(tài)信息。
本發(fā)明主要是利用UL Sounding信號來估計(jì)信道，從而支持基于SVD 分解的預(yù)編碼技術(shù)。這種方法主要是發(fā)射端發(fā)射信令通知接收端要進(jìn) 行預(yù)編碼處理，同時(shí)要求接收端發(fā)射UL Sounding信號并且該信號要 占據(jù)分配子帶的所有子載波，這樣可以抑制采用導(dǎo)頻信號(pilot)來 估計(jì)信道所帶來的誤差，從而提高預(yù)編碼方法的性能。
基于UL Sounding的調(diào)度算法
接下來將參考圖4來詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的基于UL Sounding的 調(diào)度算法。從圖4中可以看出，首先，發(fā)射端發(fā)送控制信令給接收端， 要求接收端在第j幀(Frame (j))在分配子帶的所有子載波上發(fā)送UL Sounding信號。接收端接收到信令后，第j幀(Frame(j))在分配子 帶的所有子載波上發(fā)送UL Sounding信號。發(fā)射端接收到UL Sounding 后，估計(jì)出信道矩陣HT，根據(jù)TDD系統(tǒng)上下行信道具有互惠特性，推 導(dǎo)出下行信道矩陣H，再根據(jù)信道矩陣H計(jì)算出預(yù)編碼SVD分解中的 發(fā)射矩陣V，然后對第j + l幀的數(shù)據(jù)部分進(jìn)行預(yù)編碼，最后匹配到OFDM 子載波上并發(fā)射出去。
接收端接收到第j+l幀后，通過FFT進(jìn)行OFDM解調(diào)，利用第j + l 幀(Frame (j +1))中的導(dǎo)頻序列估計(jì)信道矩陣H，計(jì)算SVD分解中的矩 陣IT (即接收端的預(yù)解碼矩陣)。同時(shí)接收端利用計(jì)算出的矩陣IT來 預(yù)解碼第j + 1幀(Frame (j + l))中的數(shù)據(jù)。本發(fā)明采用第j幀的UL Sounding和第j + 1幀中的導(dǎo)頻序列 (Preamble)來估計(jì)信道矩陣，同時(shí)得到預(yù)編碼矩陣V和lT。由于兩 個(gè)通信時(shí)間間隔比較小，所以估計(jì)出的信道響應(yīng)的準(zhǔn)確度比較高。
權(quán)利要求
1. 一種在發(fā)射端使用的預(yù)編碼方法，包括步驟a)對接收到的信息比特進(jìn)行信道編碼；b)對已編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行基帶調(diào)制，根據(jù)UL Sounding信號估計(jì)信道矩陣(HT)，并利用所述信道矩陣(HT)，基于奇異值分解得到發(fā)射矩陣(V)，利用所述發(fā)射矩陣(V)對調(diào)制數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)編碼；c)將結(jié)果分配到OFDM子載波上，并發(fā)射得到的數(shù)據(jù)碼元。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中，接收端響應(yīng)來自發(fā)射端的 請求，向發(fā)射端發(fā)送所述UL Sounding信號。'
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，接收端在分配子帶的所有 子載波上發(fā)送UL Sounding信號。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在步驟b)中，利用UL Sounding信號估計(jì)信道矩陣，并根據(jù)TDD系統(tǒng)的信號互惠理論來計(jì)算 所述奇異值分解矩陣。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，發(fā)射端利用第j幀的UL Sounding信號來得到第j+l幀信號的奇異值分解矩陣。
6. —種在接收端使用的預(yù)解碼方法，包括步驟 對接收到的數(shù)據(jù)碼元進(jìn)行解調(diào)； 利用導(dǎo)頻序列估計(jì)信道矩陣；利用估計(jì)的信道矩陣(H)，基于奇異值分解得到預(yù)解碼矩陣(IT), 并利用所述預(yù)解碼矩陣(IT)對解調(diào)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)解碼。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，接收端利用第j+l幀的導(dǎo) 頻序列來估計(jì)第j+l幀數(shù)據(jù)的信道矩陣(H)。
8. —種包括接收端和發(fā)射端的通信系統(tǒng)，所述通信系統(tǒng)包括 發(fā)射端處的信道編碼模塊，用于對接收到的信息比特進(jìn)行信道編碼；發(fā)射端處的調(diào)制模塊，用于對已編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行基帶調(diào)制；發(fā)射端處的預(yù)編碼模塊，用于向接收端發(fā)送請求UL Sounding信號 的指令，根據(jù)接收到的UL Sounding信號估計(jì)信道矩陣(HT)，并利用 所述信道矩陣，基于奇異值分解得到發(fā)射矩陣(V),利用所述發(fā)射矩 陣(V)對調(diào)制數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)編碼；發(fā)射端處的發(fā)射模塊，用于將結(jié)果分配到OFDM子載波上，并發(fā)射 得到的數(shù)據(jù)碼元；接收端處的解調(diào)模塊，用于對接收到的數(shù)據(jù)碼元進(jìn)行解調(diào)；接收端處的信道估計(jì)模塊，用于利用導(dǎo)頻序列估計(jì)信道矩陣(H);預(yù)解碼模塊，用于響應(yīng)發(fā)射端的指令向發(fā)射端發(fā)送UL Sounding, 并利用估計(jì)的信道矩陣(H)，基于奇異值分解得到預(yù)解碼矩陣(IT)， 并利用所述預(yù)解碼矩陣(IT)對解調(diào)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)解碼。
全文摘要
一種在發(fā)射端使用的預(yù)編碼方法，包括步驟對接收到的信息比特進(jìn)行信道編碼；對已編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行基帶調(diào)制，根據(jù)UL Sounding信號估計(jì)信道矩陣(H^T)，并利用所述信道矩陣(H^T)，基于奇異值分解得到發(fā)射矩陣(V)，利用所述發(fā)射矩陣(V)對調(diào)制數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)編碼；將結(jié)果分配到OFDM子載波上，并發(fā)射得到的數(shù)據(jù)碼元。利用本發(fā)明的方法，可以很好地解決TDD系統(tǒng)中反饋式閉環(huán)中反饋信道占用較多空口資源的缺點(diǎn)。此外，與采用導(dǎo)頻信號來估計(jì)信道相比較，本發(fā)明采用占據(jù)分配子帶的所有子載波的UL Sounding信號來估計(jì)信道要更加準(zhǔn)確，從而提高了預(yù)編碼的性能。
文檔編號H04B7/04GK101453258SQ20071019289
公開日2009年6月10日 申請日期2007年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月28日
發(fā)明者川 仲, 宏 何, 起 吳, 雷 周, 梁宗闖, 海 王, 程錦霞, 鄭旭峰 申請人:三星電子株式會(huì)社;北京三星通信技術(shù)研究有限公司