一種無線通信系統中實現開環預編碼的方法

2023-05-04 02:37:56 1

專利名稱：一種無線通信系統中實現開環預編碼的方法
技術領域：
本發明涉及通信領域，具體涉及一種在TDD (Time Division Duplex, 時分雙工)LTE ( Long Term Evolution,長期演進)中實現開環預編碼的 方法。
背景技術：
在LTE系統中，通常使用線性空域預編碼(Precoding)技術來提高系 統的性能；線性空域預編碼方法是指當發射端存在多根發射天線時，可 以通過一個線性的預編碼操作將多個數據流映射到多根天線上。假設天線 數目為N,數據流個數為L,當數據流數目為1時，即將1個數據流映射到 N根天線上時，這種空域的線性預編碼又可以看作是傳統的波束賦形方法。 其原理主要在於通過預編碼使得發射信號處於信道矩陣的相應正交基上， 也就是使得多個數據流分別在正交的空間子信道中傳輸，降低數據流間的 相互幹擾，提高了系統性能，與傳統的波束賦形算法相比，預編碼矩陣一 般不是根據終端的方向進行賦形，而是根據降低波束間幹擾的需求生成。LTE FDD ( Frequency Division Duplex,頻分雙工)系統下4亍多輸入多 輸出MIMO ( Multiple Input Multiple Output)方案中，用戶終端(UE， User Equipment)根據對下行空間信道特性的估計生成預編碼向量，並利用上行 控制信道反饋給基站eNodeB ( Enhanced NodeB, LTE協議中表示基站端) 側，只是由於考慮到反饋信息量化的問題，LTE協議中規定了 2埠和4 埠模式下的反饋權值列表，用戶終端UE端實際反饋的PMI (Precoding matrix indicator,預編碼矩陣指示)是權值的索引。LTEFDD系統下行Precoding方案具體過程描述如下用x代表發射端 天線發射的數據，y代表接收天線所接收的數據，在第t時刻有formula see original document page 5通過對矩陣i/(,)進行奇異值分解(SVD),可得formula see original document page 5其中C/(/)與r(f)為酉陣。eNodeB，則在第,+ l時刻eNodeB將PMI對應的p做為預編碼矩陣，即;c-戸， 假設PMI映射過程以及上行傳輸過程完全理想，則x-r( 。UE端利用t + 1時刻奇異值分解得到的t/(f + l)做為解碼矩陣，即對接收數據y左乘矩陣 t/(f + l)"，並且假設前後兩個時刻信道基本保持不變，利用酉陣的特性可以 得到formula see original document page 5其中，s代表空間子信道的發射信號，r代表空間子信道的接收信號，奇 異值分解得到的D是由奇異值組成的矩陣，每一個奇異值代表這個獨立空間 子信道的增益。具體過程可參照圖l所示(以兩發兩收LTE系統為例)，其中數據流l 和數據流2即表示上文中所述的發射信號s,而其中的vu，&等參數即為上文 中所述的V矩陣中的參數，所述的數據流與V矩陣中的各參數相乘的過程即 就是預編碼Precoding過程；經過預編碼後的數據在空間信道中相當於經過2 個獨立的空間子信道，A，^即表示該空間子信道的增益，為上文所述矩陣D 中的對角線元素；之後在接收端利用U矩陣進行解碼，其中的"u，^等參數 即為上文中所述的U矩陣中的參數，相乘後即分別得到發射數據流l和發射 數據流2的接收端估計值。在LTETDD系統中可以沿用FDD模式下的方法，即由UE產生並反饋波束賦形權值索引。但是考慮到TDD系統的上下行之間是按騰時間劃分 的，因此下行反饋時延必然會大於FDD系統，造成UE側計算權值量化後 再反饋造成的系統時延、開銷損失以及量化誤差大對性能所帶來的影響， 使系統的性能降低，並且由於LTE系統現有協議只給出了最多4個埠的 參考信號位置，對於埠數目大於4的情況下如何獲得預編碼權值以及保 證UE正確解調都是需要解決的問題，所以對現有技術的預編碼方法所採取 的措施需加以改進。發明內容本發明的目的是，針對上述現有技術存在的缺陷提出了一種無線通信 系統中實現開環預編碼的方法，即在LTETDD系統中利用上下行信道對稱 性，在開環情況下獲得下行預編碼矩陣，並保證埠數目大於4時完成下 行UE正確的解調。本發明的技術方案如下一種無線通信系統中實現開環預編碼的方法，其中，包括如下步驟A、 上行UE端多個發射天線連續N個上行時刻依次向基站輪流發 射，N為發射天線數目；B、 合併所述N個上行時刻的信道估計，獲得與下行對稱的上行信 道估計矩陣，在開環情況下獲得下行預編碼矩陣；C、 根據下行發射埠數目，對下行數據預編碼後發射，所述UE 完成下行發射數據的解調。所述的方法，其中，所述步驟A進一步包括Al、所述上行接收端基站通過天線接收信號，4艮據已知參考信號估算 當前時刻信道估計/^。所述的方法，其中，所述步驟B進一步包括Bl 、所述信道估計矩陣是將之前接收到的N-l個上行時刻的信道估計v...，v,與所述當前信道估計~合併得到信道估計矩陣=…&r,其中矩陣/Z的大小為iVxM, M為基站端天線數目，N為發射天線數目；B2、對所述信道估計矩陣Z/進行奇異值分解，得到所述下行預編碼矩 陣r。所述的方法，其中，所述下行預編碼矩陣F的表達式為其中，U、 V分別為奇異值分解得到的預編碼解碼和編碼酉矩陣，D是特徵值組成的矩陣，K的大小為Mxv, v表示下行發射數據的層數。 所述的方法，其中，所述步驟C進一步包括 Cl、當埠數目不大於4時，對所述下行待發射的數據預編碼； C2、當埠數目大於4時，對所述下行待發射的數據和小區參考信號共同進行預編碼，其中小區參考信號按照發射數據層數進行映射，即不同埠的小區參考信號分別映射在各個發射數據層上。所述的方法，其中，所述步驟C1還包括Cll、所述UE對接收信號進行OFDM解調後，對下行信道估計進行奇異值分解，利用解碼矩陣完成預編碼解碼，得到對下行發射數據的估計，完成接收解調下行發射數據。 所述的方法，其中，所述步驟C2還包括C21、所述UE對接收信號進行OFDM解調後，利用下行信道估計進行下行解調，完成接收解調下行發射數據。本發明所提供的一種無線通信系統中實現開環預編碼的方法，在LTE TDD系統中利用上下4亍信道對稱性，在開環情況下通過#<複雜度的算法實 現下行預編碼矩陣，根據不同的埠數目對發射數據進行預編碼後調製並發 射完成下行UE正確的解調，由於本發明不採用用戶終端UE閉環反饋，通 過低複雜度算法實現下行預編碼，充分利用了 TDD系統本身的上下行信道 對稱特性，避免了碼本映射帶來的系統性能的損失，降低了系統反饋負荷， 並實現了多埠預編碼，有效提高下行接收功率，提高系統性能，非常利於工程實現。


圖1為現有技術在LTEFDD無線通信系統中預編碼方法的原理圖； 圖2為本發明在TDD LTE無線通信系統中實現開環預編碼的具體實 施流程圖。
具體實施方式
本發明提供了 一種無線通信系統中實現開環預編碼的方法和系統，為 使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚、明確，以下參照附圖並舉實 施例對本發明進一步詳細說明。為了解決在LTE無線通信系統中進行預編碼時所出現的系統負荷高 和不支持多埠等問題，本發明採用了 一種應用在TDD LTE無線通信系 統中實現開環預編碼的方法，即提供一種在TDD LTE通信系統中包括UE 上行發射方法、基站eNodeB預編碼權值計算以及UE下行接收的方案， 從而使得TDD LTE無線通信系統能夠利用上下行信道對稱性，即不採取 UE閉環反饋的情況下通過該低複雜度算法實現開環預編碼，它包括如下 方法UE端上行採用輪流發射，在上行接收下行發射eNodeB基站獲得 當前時刻信道估計，構造包括所有發射天線的信道估計矩陣，利用奇異值 分解獲得下行預編碼Precoding權值，根據埠數目對發射數據進行預編 碼後進行正交頻分復用OFDM調製並發射，所述UE下行接收端OFDM 解調後根據埠數目利用信道估計採用不同算法完成對發射數據的下行 解調；所述的方法應用在TDDLTE無線通信系統中，提供了一種在LTE TDD幀結構下實現預編碼的收發機系統，該系統通過在UE上行發射端上 行發射時採用N個發射天線連續N個時刻依次向基站eNodeB輪流發射， 在基站eNodeB上行接收端獲得當前時刻信道估計、構造包括所有發射天線的信道估計矩陣、利用奇異值分解獲得下行預編碼權值矩陣、根據基站eNodeB埠數目分別採用對下行數據預編碼以及對參考信號和下行數據 同時進行預編碼的Precoding方案後進行OFDM調製後，通過基站eNodeB 的發射天線發送給所述的UE端進行下行解調，來達到在開環情況下通過 低複雜度的算法實現多埠的開環預編碼。根據上述所描述，本發明採用了如圖2所示的用於無線通信系統中實 現開環預編碼的方法，下面參見附圖2對此進行詳細的描述，主要包括以 下步驟步驟1) 、 UE上行輪流發射在UE上行發射端，假設l正的天線數目為N，則在上行傳輸數據時連 續N個上行時刻對於發射天線採用輪流發射的方法，在TDD系統中保證了 實現上下行信道的對稱性；解決了現有技術中，LTE系統中UE端在上行 單天線發射，多天線同時接收所存在的上下行信道的對稱性的問題。 步驟2)、上行信道估計上行接收端基站eNodeB由接收天線接收信號，根據已知參考信號估算 當前時刻信道估計&;有多種信道估計方法可供選擇，本發明選擇以LS算 法為例，假設已知參考信號為&，接收到的參考信號為&,則此時信道估 計/^可由下式得到步驟3 )、合併信道矩陣將之前接收到的N-l個時刻的信道估計^...，/^—,與當前時刻的信道估計合併得到與所有天線有關的信道估計矩陣-[/^2…,其中矩陣H的大 小為iVxM， M為基站eNodeB端天線數目，N為發射天線數目。 步驟4)、計算預編碼Precoding權值矩陣 對所述的Z/進行奇異值分解，如下式所示= C/D" ( 5 )其中U、 V分別為奇異值分解得到的預編碼Precoding解碼和編碼酉矩陣，D是由特徵值組成的矩陣，其中的非零特徵值代表信道中各個獨立空間子信道的增益，則所求預編碼Precoding編碼矩陣為V，其大小為Mxv，v表示下行發射數據的層數。步驟5)、下行數據預編碼各個子載波的數據根據其所對應的下行Precoding矩陣進行預編碼，然後映射在各自的物理資源上，之後進行OFDM調製後發射，其中根據埠數目的情況分為如下步驟a、 當埠數目不大於4時，只對待發射數據預編碼； 具體過程如下式所示j艮i殳某時刻PDSCH發射數才居為《，大小為vxl ， v 為發射數據層數； 其所對應Precoding矩陣為J^，大小為Mxv，其中A:-l,2,…，尺表示UE帶寬 內不同的子載波序號，則預編碼後教:據為A = ^《 (6)&的大小為Mxl ，分別對應下行M根天線的發射數據。 則其中某一發射埠下行發射數據為&"'=解([、x2... ^r) (7)b、 當埠數目大於4時，將小區參考信號與待發射數據共同進行預編碼；具體過程如下所示其中待發射數據的解調保持與埠數目小於4時相同；而小區參考信號:J姿照發射數據層數進行映射，即不同埠的小區參考信號分別映射在各個發射數據層上，並且對其進行預編碼，其預編碼方 法與數據部分相同。步驟6)、下行數據接收解調UE端對來自於基站eNodeB下行數據發射的接收信號進行OFDM解調後，利用下行信道估計對各個子載波上的數據進行下行解調，得到對下行發射數據的估計；其中，接收端需要判斷下行發射埠數目情況 >當埠數目不大於4時假設UE端下行得到的信道估計為& ，其中&為第k子載波經歷的實際 信道，按照式(5)對&進行奇異值分解(SVD)，得到下行解碼矩陣"， 則得到對發射lt據的估計如下式所示=C//i^ + c//"4 (8)A是第k個子載波對應MIMO信道中由特徵值組成的矩陣。 >當埠數目大於4時假設1正端下行得到的信道估計為4=&%,其中4為第k子載波經歷 的實際信道。而有多種下行接收解調方法可供選擇，本發明選擇以ZF算法 為例，則得到對發射數據的估計如下式所示(9)其中r = i^T(&a + ")為下行UE端進行OFDM解調後接收lt據， * = 1,2，...,尤表示不同的子載波序號。綜上所述，本發明所^>開的一種應用在TDD LTE無線通信系統中實 現開環預編碼的方法，由於本發明在未增加UE設備複雜度的基礎上利用 輪流發射的方案保證了上下行信道對稱性，在保證預編碼性能的同時，避 免了利用下行反饋從而降低了系統負載，實現了多天線情況下的下行預編 碼方案，所以有效提高下行接收功率，提高了系統性能。應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡 管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當 理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明 技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1、一種無線通信系統中實現開環預編碼的方法，其特徵在於，包括如下步驟A、上行UE端多個發射天線連續N個上行時刻依次向基站輪流發射，N為發射天線數目；B、合併所述N個上行時刻的信道估計，獲得與下行對稱的上行信道估計矩陣，在開環情況下獲得下行預編碼矩陣；C、根據下行埠數目，對下行數據預編碼後發射，所述UE完成下行發射數據的解調。
2、 根據權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述步驟A進一步包括 Al、上行接收端通過天線接收信號，根據已知上行參考信號估算當前時刻信道估計&。
3、 根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述步驟B進一步包括 Bl、所述信道估計矩陣是將之前接收到的N-l個上行時刻的信道估計 一 與所述當前信道估計~合併得到信道估計矩P車= [/^…~f ,其中矩陣/f的大小為WxM, M為基站端天線數目；B2、對所述信道估計矩陣/Z進行奇異值分解，得到所述下行預編碼矩 陣r。
4、 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述下行預編碼矩陣r 的表達式為= t/D^其中，U、 V分別為奇異值分解得到的預編碼解碼和編碼酉矩陣，D 是特徵值組成的矩陣，r的大小為Mxv， v表示下行發射數據的層數。
5、 根據權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述步驟C進一步包括: Cl、當埠數目不大於4時，對所述下行待發射的數據預編碼；C2、當埠數目大於4時，對所述下行待發射的數據和小區參考信號 共同進行預編碼，其中小區參考信號按照發射數據層數進行映射，即不同 埠的小區參考信號分別映射在各個發射數據層上。
6、 根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述步驟Cl還包括 Cll、所述UE對接收信號進行OFDM解調後，對下行信道估計進行奇異值 分解，利用解碼矩陣完成預編碼解碼，得到對下行發射數據的估計，完成 接收解調下行發射數據。
7、 根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述步驟C2還包括 C21、所述UE對接收信號進行OFDM解調後，利用下行信道估計進行下行 解調，完成接收解調下行發射數據。
全文摘要
本發明所提供的一種無線通信系統中實現開環預編碼的方法，利用上下行信道對稱性，在開環情況下通過低複雜度的算法實現下行預編碼矩陣，根據不同的埠數目對發射數據進行預編碼後調製並發射完成UE下行正確的解調，由於本發明不採用用戶終端UE閉環反饋，通過低複雜度算法實現下行預編碼，充分利用了TDD系統本身的上下行信道對稱特性，實現了多埠情況下的下行預編碼方案，避免了碼本映射帶來的系統性能的損失，降低了系統反饋負荷，所以有效地提高了下行接收功率和系統性能，非常利於工程實現。
文檔編號H04B7/04GK101626264SQ200810068400
公開日2010年1月13日 申請日期2008年7月9日 優先權日2008年7月9日
發明者斌 李 申請人:中興通訊股份有限公司