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)反饋延時遠小于信道相干時 間)。另外，在時分雙工(TDD)系統(tǒng)中，當數(shù)據(jù)接收和發(fā)送間隔在 乒乓時間內(nèi)完成，信道在接收模式下的估計值能夠被用于發(fā)送模式中 (假設(shè)乒乓時間遠小于信道相干時間)。
因此，存在的問題在于如何利用這些信道估計值來優(yōu)化發(fā)射機 的發(fā)送方案以及設(shè)計相應(yīng)的最優(yōu)接收機。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)雜度遠遠高于線性方案，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 傳輸速率可以達到信道容量。基于SVD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， 一個帶有Nt個發(fā)射天線和K個接收天 線的MIMO系統(tǒng)。設(shè)x表示為一個數(shù)據(jù)碼元的復(fù)向量，H表示為一個 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個天線發(fā)送出去，數(shù)據(jù)信號經(jīng)過MIMO信道到達接收端；接 收端利用Nr個天線接收信號，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用。如果在TDD模式下，發(fā)射端能夠準確的獲 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)射端如何準確獲得預(yù)編碼矩陣V是本發(fā)明研 究的重點。
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。這是因為在FDD模式下的移動通信 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，就會有浪費帶寬資源、能量和遲延等缺點。這是因為TDD 模式下，移動通信系統(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)來估計信道響應(yīng)。但是由于要 估計信道沖激矩陣H，就必須通過對估計的離散信道響應(yīng)進行插值， 但通常不能得到比較準確的信道沖激響應(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 時其性能也好于利用碼本這種方式來進行預(yù)編碼。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，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行信道編碼；
b) 對已編碼數(shù)據(jù)進行基帶調(diào)制，根據(jù)UL Sounding信號估計信道 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)碼元進行解調(diào)；利用導(dǎo)頻序列估計信道矩陣；
利用估計的信道矩陣(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)碼元進行解調(diào)；
接收端處的信道估計模塊，用于利用導(dǎo)頻序列估計信道矩陣(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。在方法簡單的同時還可以簡化接收機的復(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。
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 號來估計信道要比采用導(dǎo)頻信號(pilot)來估計信道要更加準確，從而 提高了預(yù)編碼的性能。
同時，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)來估計信道矩陣同時得到預(yù)編碼矩陣V和U*。由 于兩個信號發(fā)送的時間間隔比較小，所以估計出的信道響應(yīng)的準確度 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)中獲得準確的 信道沖激響應(yīng)H。下文的實施例中詳細描述了根據(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、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模塊。
在發(fā)射端，首先通過信道編碼模塊對信息比特進行信道編碼。編碼 后的數(shù)據(jù)通過調(diào)制模塊進行基帶調(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 估計信道矩陣H，然后，根據(jù)TDD系統(tǒng)的信道互惠理論，計算出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)碼元進行變換，從而對數(shù)據(jù)碼元進行
解調(diào)。然后，信道估計模塊利用導(dǎo)頻序列(Preamble)估計出信道矩陣 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數(shù)據(jù)進行糾錯，最后輸出信息 比特。
幀結(jié)構(gòu)設(shè)計
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、下行負載、上行 負載、UL Sounding信號。系統(tǒng)通過控制信道要求接收端發(fā)射一個UL Sounding來估計信道響應(yīng)矩陣H，從而得到SVD分解中的發(fā)射矩陣V， 并且通知接收端準備進行預(yù)編碼接收。然后，發(fā)射端開始發(fā)射導(dǎo)頻信 號序列、下行負載。接收端接收到控制信道子幀后，會在上行鏈路中 會發(fā)射UL Sounding信號。
UL Sounding信號
在IEEE802.16e系統(tǒng)中，系統(tǒng)采用TDD模式進行工作。當用戶 (MS)在很長時間需要在同一個信道上發(fā)射數(shù)據(jù)的時候，同時需要實 時知道下行鏈路(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，因為這種方式會占用太多資源，開銷很大。同時 希望得到比較準確的信道就矩陣；這是就會選擇MS發(fā)射UL Sounding 信號來估計信道響應(yīng)H的方式。因為這種方式較釆用Pilot這種方式 更能準確的估計出信道響應(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。這一方法估計的信道不
夠準確，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UL 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UL Sounding信號，用于估計信道狀態(tài)信息。
本發(fā)明主要是利用UL Sounding信號來估計信道，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 行預(yù)編碼處理，同時要求接收端發(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進行OFDM解調(diào)，利用第j + l 幀(Frame (j +1))中的導(dǎo)頻序列估計信道矩陣H，計算SVD分解中的矩 陣IT (即接收端的預(yù)解碼矩陣)。同時接收端利用計算出的矩陣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)來估計信道矩陣，同時得到預(yù)編碼矩陣V和lT。由于兩 個通信時間間隔比較小，所以估計出的信道響應(yīng)的準確度比較高。
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行信道編碼；b)對已編碼數(shù)據(jù)進行基帶調(diào)制，根據(jù)UL Sounding信號估計信道矩陣(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信號估計信道矩陣，并根據(jù)TDD系統(tǒng)的信號互惠理論來計算 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)碼元進行解調(diào)； 利用導(dǎo)頻序列估計信道矩陣；利用估計的信道矩陣(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)碼元進行解調(diào)；接收端處的信道估計模塊，用于利用導(dǎo)頻序列估計信道矩陣(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行信道編碼；對已編碼數(shù)據(jù)進行基帶調(diào)制，根據(jù)UL Sounding信號估計信道矩陣(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。此外，與采用導(dǎo)頻信號來估計信道相比較，本發(fā)明采用占據(jù)分配子帶的所有子載波的UL Sounding信號來估計信道要更加準確，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:三星電子株式會社;北京三星通信技術(shù)研究有限公司