專利名稱：Mimo-stc無線通信傳輸系統的通信方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線通信技術領域，特別涉及一種MIMO-STC無線通信傳輸系統的通
信方法。
背景技術：
在現有的無線通信傳輸系統中，進行通信的主要方式通常都是在對需要進行發(fā)送 的原始數據進行調制、編碼后，再將編碼后的信息發(fā)送出去，在現有的各種編碼方式中，空 時編碼(STC，Space-Time Coding)技術作為一種用于高速無線通信的有效的編碼技術，被 無線城域網(WMAN，Wireless MetropolitanArea Network)采用，例如IEEE組織制定的無 線城域網標準，包括IEEE802. 16-2004和IEEE802. 16-2005標準等等?？諘r編碼的基本思想 是將串行的數據在時間和空間上建立一定的代數結構，形成時空二維上的編碼保護，一方 面可以有效地利用無線多天線信道所提供的空間分集增益，另一方面還具有傳統編碼(如 信道編碼)所能提供的編碼增益，從而可以有效地提高系統的抗衰落和抗噪聲的能力。同 時，由于每一個空時碼字的代數結構可以由一組已知的線形矩陣調制產生，因此在接收端 完全可以將他們解碼出來?，F行的空時編碼技術中，包括有正交空時分組碼(OSTBC)、準正交空時分組編碼 (QoSTBC, Quasi-Orthogonal STBC)、全速率全分集的最優(yōu)空時編碼(包括B2(KTAST、 Wornel 1, Dayal, Golden、Perfect Code等)等多種方式，其中，OSTBC由于其碼字結構具 有正交性(其碼字的每一列之間的內積為0)，在接收機端可以利用逐符號的最大似然算法 進行譯碼，譯碼復雜度隨星座調制點數僅成線性增長，可以有效地降低譯碼復雜度，從而在 現行各無線標準中占據主流的空時編碼位置；QoSTBC(Quasi-Orthogonal STBC)則通過犧 牲一定的碼字正交性來獲取較高的傳輸碼率，取而代之以部分正交結構實現了 4根以上天 線碼率為1的結構；而最優(yōu)空時編碼可以大大提高頻譜利用率，獲得與空間復用(BLAST系 統)相媲美的速率，可以有效地解決傳輸效率的問題，非常適合衰落信道場合中的高速數 據傳輸。參見圖1所示，是現有技術中所采用的幾種編碼方式時的系統容量與信噪比關系 的對比示意圖，由圖可見，全速率全分集的最優(yōu)空時編碼(包括圖示中的Golden Code和 Perfect Code)所能達到的信道容量遠遠超過了傳統的0STBC、QoSTBC編碼方式。然而，在現有技術中的各種采用最優(yōu)空時編碼進行通信的方式中，都沒有考慮信 道環(huán)境的相關性對系統性能的影響，都是基于獨立信道來進行，而實際上，空時編碼對信道 環(huán)境的要求很苛刻，如果信道環(huán)境具有較強的相關性或者是具有直射分量，系統性能將會 受到嚴重影響，使得最優(yōu)空時編碼的誤碼率性能嚴重下降。圖2示出了現有技術中采用 Golden Code編碼方式時分別在獨立信道、相關瑞利衰落信道下的誤碼率_信噪比關系示 意圖，圖3示出了現有技術中采用Perfect Code編碼方式時分別在獨立信道、相關瑞利衰 落信道下的誤碼率-信噪比關系示意圖，由圖可見，信道環(huán)境的相關性使得空時編碼的誤 碼率性能嚴重下降，從而給MIMO (Multiple Input and Multiple Output，多發(fā)多收)系統 中的高速數據傳輸帶來了瓶頸。

發(fā)明內容
針對上述現有技術中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種MIMO-STC無線通 信傳輸系統的通信方法，其可以改善在信道相關環(huán)境下的誤碼率性能。為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案一種MIMO-STC無線通信傳輸系統的通信方法，包括步驟發(fā)射機根據所述信道統計特性、所使用的空時編碼的最小碼字差矩陣，進行優(yōu)化 處理獲得最優(yōu)波束成形矩陣，所述信道統計特性包括發(fā)送天線相關矩陣、接收天線相關矩 陣；發(fā)射機對需要發(fā)送的原始數據進行調制、空時編碼，使用所述最優(yōu)波束成形矩陣 對空時編碼碼字進行功率分配和波束方向調整，并將成形后的碼字從天線發(fā)送出去；接收機接收所述成形后的碼字，并對接收的所述成形后的碼字進行譯碼和解調， 獲得所述原始數據。根據上述本發(fā)明的方法，發(fā)射機根據信道統計特性以及所采用的空時編碼的最小 碼字差矩陣來獲得最優(yōu)波束成形矩陣，在需要發(fā)送數據時，在對需要發(fā)送的原始數據進行 調制和編碼后，使用該最優(yōu)波束成形矩陣對空時編碼后的空時編碼碼字進行功率分配和波 束方向調整，然后再將成形后的信號發(fā)送出去，接收機接收后進行譯碼解調來獲得原始數 據，在本發(fā)明的方案中，是采用最優(yōu)波束成形矩陣對空時編碼碼字進行功率分配和波束方 向調整，而該最優(yōu)波束成形矩陣跟信道統計特性相關，由于信道統計特性反映了信道的相 關性，因此采用該最優(yōu)波束成形矩陣進行功率分配和波束方向調整，充分考慮到信道環(huán)境 的相關性對系統性能的影響，從而可以有效地改善空時編碼在相關信道下的性能。


圖1是現有技術中所采用的幾種編碼方式時的系統容量與信噪比關系的對比示 意圖；圖2是現有技術中采用Golden Code編碼方式時分別在獨立信道、相關瑞利衰落 信道下的誤碼率-信噪比關系示意圖；圖3是現有技術中采用Perfect Code編碼方式時分別在獨立信道、相關瑞利衰落 信道下的誤碼率-信噪比關系示意圖；圖4是本發(fā)明MIMO-STC無線通信傳輸系統的通信方法的流程示意圖；圖5是本發(fā)明方法相對于現有技術中未進行波束賦形的方式的誤碼率-信噪比關 系的對比示意圖；圖6是采用Golden Code空時編碼方式在相關信道下，利用不同的最小碼字差矩 陣進行優(yōu)化后的功率分配圖；圖7是采用Golden Code空時編碼方式并進行優(yōu)化之后對于不同的最小碼字差矩 陣所獲得的最差情況下的Chernoff上界曲線示意圖；圖8是對采用Golden Code空時編碼方式時進行了波束成形和未進行波束成形的 誤碼率仿真示意圖；圖9是在4發(fā)4收的MIMO信道下采用Perfect Code編碼方式時進行了波束成形
5情況下的最優(yōu)的最小碼子差矩陣對應的功率分配示意圖；圖10是在4發(fā)4收的MIMO信道下采用PerfectCode編碼方式時進行優(yōu)化處理 后的Chernoff上界的示意圖；圖11是在4發(fā)4收的MIMO信道下采用PerfectCode編碼方式時針對各最小碼 字差矩陣的誤碼率仿真示意圖。
具體實施例方式以下以其中一個具體實施方式
為例，對本發(fā)明的方案進行詳細闡述。參見圖4所示，是本發(fā)明的MIMO-STC無線通信傳輸系統的通信方法的流程示意 圖，本發(fā)明的方法包括步驟步驟SlOl 發(fā)射機根據信道統計特性、以及所采用的空時編碼的最小碼字差矩陣 進行優(yōu)化處理獲得最優(yōu)波束成形矩陣，進入步驟S102 ；步驟S102 發(fā)射機對需要發(fā)送的原始數據進行調制、空時編碼后，使用所述最優(yōu) 波束成形矩陣對空時編碼后的空時編碼碼字進行功率分配和波束方向調整，并將成形后的 碼字從天線發(fā)送出去，進入步驟S103 ；步驟S103 接收機接收所述成形后的碼字，并對所述成形后的碼字進行譯碼、解 調，獲得所述原始數據。根據上述本發(fā)明的方法，發(fā)射機根據信道統計特性以及所采用的空時編碼的最小 碼字差矩陣來獲得最優(yōu)波束成形矩陣，在需要發(fā)送數據時，在對需要發(fā)送的原始數據進行 調制和空時編碼后，使用該最優(yōu)波束成形矩陣對空時編碼后的空時編碼碼字進行功率分配 和波束方向調整，然后再將成形后的信號發(fā)送出去，接收機接收后進行譯碼解調來獲得原 始數據，在本發(fā)明的方案中，是采用最優(yōu)波束成形矩陣對空時編碼碼字進行功率分配和波 束方向調整，而該最優(yōu)波束成形矩陣跟信道統計特性相關，信道統計特性反映了信道的相 關性，因此采用該最優(yōu)波束成形矩陣進行功率分配和波束方向調整，充分考慮到了信道環(huán) 境的相關性對系統性能的影響，從而可以有效地改善空時編碼在相關信道下的性能。其中，考慮到信道環(huán)境的信道統計特性的變化緩慢，是慢變信息，因此，上述信道 統計特性可以是事先已測量好并存儲在發(fā)射機的信道統計信息，從而在通信時，無需總是 需要對信道統計信息進行統計，有益于提高通信效率。此外，為了能夠使當前所使用的信道統計特性盡量與當前的信道環(huán)境更為接近， 以提高所得的最優(yōu)波束成形矩陣與當前信道環(huán)境的關聯性，因此，也可以是實時獲取并更 新信道環(huán)境的信道統計特性。出于對成本的考慮，也可以是每隔一個時間段來定期獲取并 更新信道環(huán)境的信道統計特性，或者是在接收到系統操作維護人員的指令之后來獲取和更 新信道環(huán)境的信道統計特性，基于此，在上述步驟SlOl之前，還可以包括步驟步驟S1001 發(fā)射機向接收機發(fā)送訓練序列以對信道進行訓練，進入步驟S1002 ；步驟S1002 接收機接收所述訓練序列，并根據所述訓練序列獲得信道統計特性， 并將該信道統計特性反饋給發(fā)射機。其中，在本發(fā)明的方法中，發(fā)射機發(fā)送訓練序列、接收機根據訓練序列獲得信道統 計特性的方式可以是采用現有技術中已有的方式，例如接收機可以采用經典的最小二乘方 式、或者最小均方誤差方式等等來根據訓練序列對無線信道環(huán)境進行估計來得到信道統計特性，例如，所反饋的信息可以是信道均值、或者是信道的協方差矩陣，或者是同時具有信 道均值與協方差的信息等等，在本發(fā)明的方案中，可以是以基于所反饋的信道的協方差矩 陣來進行后續(xù)的進行優(yōu)化處理來獲得最優(yōu)波束成形矩陣的過程。此外，如上所述，考慮到信道統計特性的變化相當緩慢，因此，在傳輸過程中可以 認為信道統計特性是恒定的，所以，在接收機估計出信道統計特性后、以及發(fā)射機接收到接 收機反饋的信道統計特性后，都可以將信道統計特性予以儲存，從而可以避免每次進行信 息通信時都需要發(fā)送訓練序列來對信道統計特性進行估計，以提高信息傳輸效率和節(jié)省信 道資源。當然，根據具體應用的需要，在不考慮傳輸效率和信道資源的情況下，也可以是在 每次需要發(fā)送信息時都進行此過程，以使估計出的信道統計特性與當前實際的信道環(huán)境更 相接近。其中，在下述的說明中，是以將信道環(huán)境視為恒定，在獲得信道統計特性后，即將該 信道統計特性視為信道環(huán)境的恒定的信道統計特性進行說明。在獲得信道統計特性后，發(fā)射機需要根據該信道統計特性來進行優(yōu)化處理來獲得 最優(yōu)波束成形矩陣，以便于后續(xù)傳輸信息時可以采用該最優(yōu)波束成形矩陣對空時編碼后的 空時編碼碼字進行功率分配和波束方向調整，提高相關信道環(huán)境下的誤碼率性能。以下針對根據信道統計特性進行優(yōu)化處理獲得最優(yōu)波束成形矩陣的過程進行詳 細闡述。在獲得信道統計特性，并根據該信道統計特性來進行優(yōu)化處理以獲得最優(yōu)波束成 形矩陣時，為了最大化提高信息傳輸的性能，可以是以最大化信噪比、最小化比特差錯率、 最小化均方誤差等等為基本優(yōu)化目標來進行優(yōu)化處理，在下述說明中，以使進行空時編碼 時的最差成對差錯概率上界最小為優(yōu)化目標來進行說明。以下首先以空時編碼的其中一個最小碼字差矩陣(MCDM，MinimumCodeword Different Matrix)對本發(fā)明的進行優(yōu)化處理來獲得最優(yōu)波束成形矩陣的過程進行說明。記當前所采用的空時編碼的最小碼字差矩陣為A，發(fā)送天線相關矩陣為Rt，接收 天線相關矩陣為Rr，F為要優(yōu)化的波束成形矩陣，那么，在同時考慮發(fā)送接收相關的情況 下，空時編碼的最差成對差錯概率可以通過下式給出 在上式中，&[斤^ 、表示^—“們對η求期望，c指通過相關編碼的生成
矩陣所生成的編碼碼字。將信道的概率分布函數(Rayleigh分布函數)代入上式并進行積分后，最小化上 述最差成對差錯概率上界的問題可與下述優(yōu)化問題等價 其中，在上述式⑴中，P表示系統的信噪比，In表示N階的單位矩陣，N表示接 收天線的數目， 表示矩陣的Kronecker乘積，根據該式(1)可以得知，發(fā)送天線相關矩陣 Rt與接收天線相關矩陣Rr均會對所要優(yōu)化的波束成形矩陣產生影響，即會對產生波束成 形矩陣的波束成形器產生影響。這種優(yōu)化問題可以通過經典的迭代算法(例如牛頓-拉普
7生算法等等)來進行快速求解，當然，根據實際應用需要的不同，也可以選擇采用其他的方 式來進行求解。作為示例，由于牛頓_拉普生算法可以針對具體問題進行求解，因此，在下 述說明中，僅以根據牛頓_拉普生算法進行求解的方式進行舉例說明。將最小碼字差矩陣A、發(fā)送天線相關矩陣Rt、接收天線相關矩陣Rr的特征值進行 分解，記作A = UaAaU/Rt = Ut A TUTHRr = UkAkU/從而，對上述式(1)中的W進行變換，有W = <8> FAFh ) + Rr-1 Rr1FAFH ) + (URAR-1UR" Θ UTNTAU1")= FAFh ) + {Ur Ut){K-x Θ Λ/1 )(f// UTH )
={UR Θ UT)[^{URH Θ Uth、(In <8. FAFh ){Ur Ut) + (Λ, Λ,1))("/ <8> U/)從而有 = 由于在上述式(1)中的求解目標是使-NlogdetW最小化，由于N為接收天線的數 目，因此，要使-NlogdetW最小化，意味著要使detW最大化，為了使上述detW最大化，式
必須為對角陣，從而，波束成形矩陣F的最終形式可以寫
成F = UtA fUah從而使得
/Λ 由此可見，波束成形矩陣F的結構同時與無線信道環(huán)境和所使用的空時編碼碼字 有關，其左奇異向量對應于發(fā)送天線相關矩陣的特征向量，右奇異向量為所使用的最小碼 字差矩陣的特征向量，據此可以說明，波束成形矩陣在信道環(huán)境和空時編碼之間扮演了一 個接口的角色，一方面，其通過匹配空時編碼的碼字結構，將空時編碼碼字內的能量集中起 來，另一方面，其通過匹配空間MIMO信道的相關矩陣，將所收集到的碼字能量注入到信道 質量好的特征波束上，從而可以有效地將優(yōu)先的能量集中到好的信道方向上，獲得低信噪 比環(huán)境下的性能上的提高。根據上述F的結構，我們還可以對目標函數進一步進行轉化為 其中，Xi(F)表示F的第i個特征向量。根據此進化后的目標函數，下一個目標是要根據此目標函數確定波束成形矩陣F 的奇異值矩陣Af，這將最終影響根據波束成形矩陣所進行的功率分配。針對上述式(2)中的優(yōu)化問題，可以采用經典的拉格朗日乘子算法進行求解，從 而得到如下的一組方程組 其中，κ為拉格朗日乘子。對于上述式(3)中的方程組，可以采用牛頓-拉普生算法來快速求解出Af，具體 的求解過程在此不予多加贅述。其中，對于2發(fā)2收的系統的方案，根據上述式(3)，還可以得到一組封閉的計算表 達式，從而可以進一步加快算法的收斂速度 Ξ η = 4/ ( P X1 (Rr) λ i (Rt) \ 糊Ξ i2 = 4/ ( P λ 2 (Rr) λ 士 (Rt) X1(A)) 其中，記
X]+表示當X小于0時，則
取0，當χ大于0時，則取χ本身的值；F表示波束成形矩陣，λ i (F)表示矩陣F的第i個特 征值，κ表示拉格朗日乘子，Xi(A)表示最小碼字差矩陣A的第i個特征值，Xi(Rt)表示 發(fā)送天線相關矩陣的第i個特征值，P表示信噪比，Ξη、Ξ 2僅僅是中間變量，用以簡化表 達式。在上述針對根據最小碼字差矩陣進行優(yōu)化處理來獲得最優(yōu)波束成形矩陣的說明 中，是具體針對某一個具體的最小碼字差矩陣進行優(yōu)化的過程來進行闡述，這種方式對于 僅具有唯一的MCDM的空時編碼方式非常實用，例如OSTBC、QoSTBC等等，因此，對于傳統的 空時編碼方式而言，可以采用上述方式來求解出最優(yōu)波束成形矩陣。然而，考慮到全速率全分集的最優(yōu)空時編碼的空時編碼碼字的特殊結構，即每一 種空時編碼碼字都具有多重的最小碼字差矩陣，因此，對于這種空時編碼方式而言，需要在 上述方法的基礎上進行修正，以適用于這種具有多重最小碼字差矩陣的空時編碼方式。針對這種具有多重最小碼字差的全速率全分集的最優(yōu)空時編碼，以下首先以2發(fā)2收的情況進行說明。針對采用全速率全分集的空時編碼碼字的2發(fā)2收的系統，其目標函數可修改為 最小化最差的那一對MCDM所對應的成對差錯概率上界，即mm max{-iV log det Wx, -N log det W2}Si. W, =^(IN FAlFH) + Rr-i Rt-]( $ )W2=^ (IN <S) FA2Fh ) + Rr~l <S> Rt-1tr (FFh) = 1在上述式(5)中，A”A2代表兩個最小碼字差矩陣，根據上述式(5)，即可求解出對 應的最優(yōu)波束成形矩陣，其中的一種求解步驟可以是首先，根據上述式⑷所提供的封閉解，利用最小碼字差矩陣A1對目標函 數-NlogdetW1進行優(yōu)化求解，得到波束成形矩陣F1 ；將所得WF1分別帶回到原目標函數-NlogdetWi、-Nlogdetff2中，求出各目標函數 的值，并取所得值的最小者，記作OBJ1，其中，出于簡化表達式的考慮，也可以是在簡化了原 目標函數的表達式后，將F1分別代入目標函數IogdetWp IogdetW2中，求出各目標函數的 值，并取所得值的最大者，并將其記作OBJ1 ；同理，根據上述式⑷所提供的封閉解，利用最小碼字差矩陣A2對目標函 數-NlogdetW2進行優(yōu)化求解，得到波束成形矩陣F2 ；將所得的F2分別帶回到原目標函數-NlogdetWp -Nlogdetff2中，求出各目標函數 的值，并取所得值的最小者，記作OBJ2，其中，出于對簡化表達式的考慮，也可以是在簡化了 原目標函數的表達式后，將F2分別代入目標函數IogdetW1UogdetW2中，求出各目標函數的 值，并取所得值的最大者，并將其記作OBJ2 ；然后比較OBJ1與( ^的大小，將二者當中最小的那一個值所對應的波束成形矩陣 作為最優(yōu)波束成形矩陣，即如果OBJ1 < OBJ2,則選擇F1作為最優(yōu)波束成形矩陣，如果OBJ1 > OBJ2,則選擇F2作為最優(yōu)波束成形矩陣。同理，對于采用全速率全分集的空時編碼碼字的M發(fā)N收的信道系統，由于其空時 編碼碼字通常為方陣，即M*M的方陣，此時，其具有的最小碼字差矩陣有M個，因此，其目標 函數可以歸納為mjn max{-iV log det W1 \ι=ιχ Μ} 其中，在上述式(6)中，Ai表示空時編碼碼字的第i個最小碼字差矩陣。針對上述式(6)，可采用下述步驟予以求解首先，分別針對各最小碼字差矩陣Ai對目標函數-NlogdetWi進行優(yōu)化求解，具體 過程可以是通過牛頓-拉普生算法對式(3)中的方程組進行優(yōu)化求解，得到對應于Ai的波 束成形矩陣Fi ；將Fi 代入到各目標函數-NlogdetW1，-Nlogdetw2,. . . ,-Nlogdetffi,. . . ,-Nlogdetff
10 中，計算各目標函數的對應的值，取(-NlogdetWiIi = Uj中的最小值，記作OBJi,其中，出 于對簡化表達式的考慮，也可以是在簡化了原目標函數的表達式后，將Fi分別代入到各目 標函數Iogdetff1, Iogdetff2, · · ·，Iogdetffi, · · ·，logdetWM中，求出各目標函數對應的值，并 取(IogdetWiIi = ^J中的最大者，并將其記作OBJi ；比較OBJ1, OBJ2, ... , OBJm的大小，將其中的最小值所對應的波束成形矩陣作為最 終的最優(yōu)波束成形矩陣。以上對根據信道統計特性以及所采用的空時編碼碼字的最小碼字差矩陣來進行 優(yōu)化處理獲得最優(yōu)波束成形矩陣的過程進行了說明。在獲得最優(yōu)波束成形矩陣之后，可進行后續(xù)的通信過程，包括對需要發(fā)送的原始 數據進行調制、空時編碼，調制方式可以是現有技術中通用的QAM調制方式，包括4QAM、 16QAM、64QAM等等，空時編碼可以是采用各種空時編碼方式來進行，包括OSTBC、QoSTBC, Golden、TAST, Β2Φ0ο θ, PerfectCode等等，所有的碼字都可以用一個稱為生成矩陣Mg的
線性調制器產生，其中最優(yōu)空時編碼的碼字結構可由下式統一描述 其中，a、b、C、d代表四個調制后的星座圖符號，0是一個具體的數值，由于所采用 的空時編碼的不同，0的值也有所不同。在進行空時編碼之后，即可采用該最優(yōu)波束成形矩陣對空時編碼后的空時編碼碼 字進行功率分配和波束方向調整，然后將成形后的碼字從不同的天線上發(fā)送出去。其中根 據最優(yōu)波束成形矩陣對空時編碼碼字進行功率分配和波束方向調整的方式可以與現有技 術中的相同，在此不予多加贅述。根據上述闡述內容可知，本發(fā)明方案中的信號模型可以表示為y = HFMgs+Z(7)其中，在上述式(7)表示的模型中，y表示接收到的信號矢量，H表示MIMO信道矩 陣，F為所使用的波束成形矩陣，Mg為相應的空時編碼的生成矩陣，s為發(fā)送的調制符號，Z 為加性高斯白噪聲。將He記為等效的信道矩陣He = HFMg，從而上述式(6)可以表示為y = Hes+Z0在接收機接收到上述發(fā)射機發(fā)送的信息之后，需要對接收到的信息進行譯碼、解 調操作。在進行譯碼時，根據需要的不同，可以采用不同的譯碼方式，例如基于樹形搜索的 球形譯碼、廣義球形譯碼、最大似然譯碼等等，其中最大似然解碼算法在最小化差錯概率方 面是最優(yōu)的，但是其復雜度隨星座圖和天線數的增加成指數級增長，譯碼復雜度相對較高， 對硬件的成本也高，因此，為了考查本發(fā)明方案的系統誤碼性能，可采用新近提出的通用的 譯碼算法-球形譯碼，其可以達到與最大似然譯碼算法相同的性能，而在工程感興趣的信 噪比范圍內只有線性的復雜度。球形譯碼的關鍵思想是在于解決如下的整數點最小二乘問題，需要說明的是，為 了表示方便，在本發(fā)明中是將信號寫成復數形式，在實際操作中球形譯碼將對接收信號的 實部與虛部分別進行操作計算。
在上述式⑶中，He為等效的信道矩陣He = HFMg, C為所使用的調制方式的星座 點集合，M表示發(fā)送天線的數目。對接收矢量y先進行迫零均衡，得到初始的信號估計矢量0 =//^y ,其中，/C表示 He 的廣義逆，/C = [HetiHe)"' He"。對正定矩陣He11He進行Cholesky分解，有He11He = RRh,可得到上三角矩陣R，從而初 始的整數點最小二乘問題可歸結為如下問題的求解 對||R(e-s) Il2進行球中心為θ、半徑為!^的搜索可以快速地估計出發(fā)送信號矢 量^即llR(e-s) Il 2 <r2，其中，r為球形譯碼的球界范圍的半徑，在算法的迭代過程中會 被不斷的更新。從上述對現有方式中的球形譯碼過程的描述中可以看出，接收機首先需要對正定 矩陣He11He進行Cholesky分解，得到一個主對角元素嚴格非O的上三角矩陣R，但是，在本發(fā) 明所使用的方案中，低信噪比下采用最優(yōu)波束成形矩陣進行波束成形操作時會進行一維的 成形操作，即把所有的功率集中到信道增益最大的方向，這將使得球形譯碼面臨等效信道 秩缺的問題，具體表現為H/He不再為嚴格的正定矩陣，而是為半正定矩陣，從而R的主對角 元素出現O。因此，為了解決上述等效信道秩缺的問題，本發(fā)明對現有的球形譯碼進行了改進， 將其修正為 其中，δ為一不為O的常數，M為發(fā)送天線的數目，由于δ、Μ都是常數，所以上述 式(9)的問題與式(8)中的問題是等價的?？紤]恒包絡調制方式，例如MPSK、4QAM等，對于這些調制方式，我們有ssH = M
，帶 入上式可以得到rmn || 少-Hesf + 57ssH 其中， 從中我們可以看到，此時構造了一個新的等效矩陣民，注意到民= HeaHe+ δ 2Im, 由于原為半正定矩陣，因此球形譯碼算法不能使用，但是現在由于加上了 δ 2Im,而 δ 2Im是一個正定矩陣，因此最終民11Se也成為一個嚴格正定的矩陣，從而解決了 的非正 定所導致的球形譯碼不能工作的問題。而對于非恒定包絡的調制方式，如QAM，由于它們都可以寫成兩個QPSK星座符號的線性組合，因此基于QPSK的結果，經過適當的修改，本發(fā)明 修正后的球形譯碼方式對這些調制方式的信號也同樣適用。基于上述新構造的等效矩陣民，通過引入新的初始迫零估計點 并將搜索半徑擴大為從而最終可以得到如下的等效的修正后的球形譯碼判決準則 對于II R(T-s) Il 2 < 進行球形搜索可以快速估計出發(fā)送信號 ,注意到，此時的 矩陣R的主對角元素已經全部嚴格非0，因此根據本發(fā)明的修正后的球形譯碼算法可以順 利地運用到本發(fā)明的方案當中。如上所述，本發(fā)明聯合考慮了發(fā)送天線和接收天線同時相關時(雙相關MIMO信 道)的波束成形策略，這是目前研究中很少考慮到的問題，當前現有技術中已有的波束成 形方案重點考慮的是MISO信道，因此均是基于單邊的發(fā)送天線相關的，而這只是MIMO信道 的簡化形式，而本發(fā)明方案考慮的是適用于任何配置的MIMO信道容量的空時編碼，尤其適 用于全速率全分集的最優(yōu)空時編碼，一般要求具有多根接收天線，因此，全面考慮雙邊天線 的相關性，對這些最優(yōu)空時編碼的實際應用是非常重要的。此外，本發(fā)明方案還提出了以使用多重最小碼字差矩陣作為優(yōu)化目標函數來進行 聯合優(yōu)化的思想，這是目前還沒有人提出過的新觀點，由于全速率全分集的空時編碼的特 殊的碼字結構，使得傳統的波束成形方案不再使用，而對這種多重最小碼字差矩陣進行聯 合優(yōu)化可以有效地解決其特殊結構給波束成形所帶來的問題。另外，考慮到計算量的問題，無論根據本方案所采用的空時編碼方式是正交的或 者是非正交的，這些空時編碼都具有線性結構，在使用QAM調制的情況下，均可以利用先進 的球形譯碼技術來進行，球形譯碼方式可以達到與最大似然算法一樣的誤碼性能，但是復 雜度卻大大降低，在工程感興趣的信噪比范圍內僅具有線性的復雜度，此外，球形譯碼的最 大優(yōu)點是使用范圍廣泛，不拘泥于某種固定的編碼結構，因此，無論本發(fā)明的方案中所使用 的空時編碼方式無論是哪一種，都可以使用球形譯碼方式來進行譯碼，從而大大地簡化接 收機的結構，但是，現有技術中已有的球形譯碼方式需要進行相應的修正以運用到本發(fā)明 的方案中，從而，本發(fā)明還提供了一種等效的球形譯碼方式，使其在等效信道矩陣并非滿秩 的情況下仍然能夠正常譯碼。從背景技術的描述我們可以得知，空時編碼在現今熱門的無線通信標準中得到了 廣泛的應用，其中802. 16-2005最新版本的標準中所采用的全速率全分集的空時編碼方 案-Matrix C，就是最優(yōu)空時編碼Golden Code的變體。以下我們通過仿真的形式來看本
13發(fā)明方案運用到該系統中是如何有效地改善這種空時編碼在相關的信道環(huán)境下的誤碼率 性能的，在這種分析中，同時考慮到了 2發(fā)2收最優(yōu)空時編碼B2 Φ、TAST以及4發(fā)4收的 Perfect Code0根據本發(fā)明方法的思想，在確定最優(yōu)波束成形矩陣時需要考慮不同的最小碼字差 矩陣，對于各種2發(fā)2收的全速率全分集的最優(yōu)空時編碼而言，其碼字結構均可統一作如下 形式的描述 其中，a、b、c、d代表四個調制后的星座圖符號，例如4QAM、16QAM、64QAM的調制符 號等，0代表一個具體的數值，不同的編碼方式0值會有所不同。對于具體的不同編碼方式，碼字的生成矩陣Mg可通過下式給出，同時還給出了相 應的0值 Mg = Mg 二
α ,其中，《=去arctan(2)，"2 =Iarctan^)；
Sci = Y-,22λ
·其中，沒=丄arctan(2) 0 = -_/ , 2
3、對于Wornell Code 方式 Cos(^1) -Sin(^2) Sin(^2) Cos(^1)
4、對于Golden/Dayal Code 方式 cos(6>) -sin(0) sin(0) cos(0)據此，可以推導出他們的最小碼字差矩陣分別為B2 Φ-A = 0.5 Δ I2TAST2j2-A = 0. 5 Δ I2Wornell-A1 = diag (0. 9471,0. 0528) ΔWornell-A2 = diag(0. 0528,0. 9471) ΔGolden-A1 = diag (0. 691,0. 309) ΔGolden-A2 = diag (0. 309，0. 691) Δ其中Δ為所使用的調制星座圖點之間的最小距離。參見圖5所示，是本發(fā)明方法相對于現有技術中未進行波束賦形的方式的誤碼 率-信噪比關系的對比示意圖，從中可以看出采用本發(fā)明方法的求取最優(yōu)波束成形方式后 各種最優(yōu)空時編碼的誤碼率的改善情況，其中，發(fā)射/接收相關系數設為0. 8/0. 3, Pt = 0. 8，Pe = O. 3。
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從而，Ht=^ IPt 1對于后面的4發(fā)4收的Perfect Code方式，其發(fā)送/接收相關矩陣為 如圖5所示，圖中的實線部分所表示的是現有技術中的未采用本發(fā)明方法進行波 束賦形的原始碼字的誤碼率曲線，虛線部分表示的是應用了本發(fā)明方案后的誤碼率曲線。 由圖可見，對于TAST、B2(t這兩種編碼方式而言，本發(fā)明方案相對于現有技術中的方案的 改善非常巨大，在高信噪比下都能有4-5dB的增益，這是因為，TAST、Β2Φ這種基于復星座 旋轉產生的編碼對于相關信道的魯棒性較差，從而在整個信噪比區(qū)域性能惡化都相當嚴 重。而基于實星座旋轉產生的編碼-Golden Code在相關信道下的性能則比TAST、B2 Φ好 很多。但是通過采用本發(fā)明方案，可以進一步提高Golden Code在相關信道下的性能。由 圖5可以看出，在低信噪比下幾乎有將近4dB的性能改善，在高信噪比下，本發(fā)明方案有效 地利用了 Golden Code的分集和編碼增益，使得這種方式同時具有低信噪比時波束成形的 信噪比增益和高信噪比時的空時編碼和分集增益。以上對本發(fā)明方案對各種2發(fā)2收的空時編碼的改善進行了舉證說明，以下再對 本發(fā)明方案在整個傳輸過程中所具有的至關重要的作用進行說明。參見圖6所示，是采用Golden Code空時編碼方式在相關信道下，利用不同的最小 碼字差矩陣進行優(yōu)化后的功率分配圖。由圖可見，最優(yōu)的功率分配圖樣與Golden Code的 其中一個最小碼字差矩陣A-Goldenl的相一致，這說明對A-Goldenl進行優(yōu)化總能獲得最 優(yōu)的結果，這一點可以用圖7中所顯示的最差Chernoff界來解釋。如圖7所示，是采用Golden Code空時編碼方式并進行優(yōu)化之后對于不同的最小 碼字差矩陣所獲得的最差情況下的Chernoff上界曲線示意圖。在判斷具有最差成對差錯 概率上界的那一對MCDM時，正是可以基于此圖來進行判斷。在圖7中，有4條Chernoff上 界，其中Golden-Al Worst case I和Golden_A2 Worstcase I所對應的上界是4種情況中 最差的兩種，因此我們需要選擇這兩種最差的Chernoff上界中最好的一個，即Golden-Al Worst case I。從圖7中我們還可以看出，雖然對于其他的兩條非最差的Chernoff內界， Golden-A2fforst casell要優(yōu)于Golden-Al Worst case II，但是由于這兩條界不代表所有 碼字中最差的界，因此對它們進行的優(yōu)化沒有任何意義，而對系統性能產生決定性影響的 最差界才是我們優(yōu)化的主要對象。此外，我們還可以從另外一個角度來對本發(fā)明的方案進行分析觀察前述Golden Code的兩個最小碼字差矩陣，我們看到它們具有相同的特征值，但是排列的順序卻是相反 的。這意味著我們需要在這種內在的矛盾中取得一種平衡。也就是說，我們需要優(yōu)先考慮 這樣一種最小碼字差矩陣(Golden-Al)，對它的最優(yōu)功率分配需要提前達到平均功率分配 的狀態(tài)。否則，當這種功率分配要求無法滿足，而這樣的碼字差情況又經常出現的時候，大 量的差錯事件會使得整體的誤碼性能劇烈惡化。圖8中所示的仿真結果論證了這一結論。如圖8所示，是對采用Golden Code空時編碼方式時的進行了波束成形和未進行
波束成形的誤碼率仿真示意圖，從圖8中我們可以看到，對于Golden-Al和G0lden-A2進行 優(yōu)化的結果在低信噪比的時候一樣，這是因為它們都在執(zhí)行一維波束成形。但是他們的性 能在SdB的地方開始分化，原因在于對于G0lden-A2的優(yōu)化功率分配策略將過多的能量放 在某個最強的波束上(相關矩陣的最大特征向量的方向)，而后者只是統計意義上最優(yōu)的 發(fā)送方向，而本發(fā)明中所應用到的信道反饋信息不是精確的瞬時信息，而由相關文獻可知， 只有精確的瞬時信息可以同時提供信噪比增益和高信噪比下的空間分集增益，因此，過分 的依賴統計信息會在高信噪比下喪失空時編碼本應有的分集性能。因此，選擇最優(yōu)功率分 配較早回歸平均功率分配的碼字差矩陣進行優(yōu)化(Golden-Al)將會獲得更高的分集增益。 我們看到，圖8中最優(yōu)的波束成形算法(使用Golden-Al)可以在低信噪比達到將近4dB的 信噪比增益，而在高信噪比時，又能有效地利用Golden Code本身所具有的強大分集能力。對本發(fā)明中4發(fā)4收MIMO信道下Perfect Code結合波束成形的方案，以下也給 出了相應的1)四重最小碼字差矩陣，其可以表示為Perfect-Al = diag(0. 16414,0. 074289,0. 11229,0. 64929) ΔPerfect-A2 = diag(0· 29393,0. 24807,0. 42968,0. 028388) ΔPerfect-A3 = diag(0· 42968,0. 028388，0· 29393,0. 24807) ΔPerfect-A4 = diag(0. 11229,0. 64929,0. 16414,0. 074289) Δ2)相應的功率分配圖樣相應的功率分配圖樣如圖9所示，限于篇幅，此處只給出了最優(yōu)的情況；
3)優(yōu)化后的 Chernoff 界優(yōu)化后的Chernoff界如圖10所示，從圖10中可以判斷出Perfect-A2為最優(yōu)的 碼字差陣，而perfect-A3為最差；4)誤碼率的仿真結果誤碼率仿真結果如圖11所示，從圖11中我們可以看出選擇正確的碼字差矩陣來 進行優(yōu)化的重要性，最優(yōu)的碼字差矩陣(Perfect-A2)可以在整個信噪比范圍內獲得最佳 的誤碼性能，而最差的碼字差矩陣(Perfect-A3)在信噪比為4dB的時候喪失了優(yōu)勢，并在 中等信噪比的情況下就遭受到了嚴重的分級增益損失。以上所述的本發(fā)明實施方式，僅是對本發(fā)明的較佳實施例的說明，并不構成對本 發(fā)明保護范圍的限定。任何在本發(fā)明的精神和原則之內所作的修改、等同替換和改進等，均 應包含在本發(fā)明的權利要求保護范圍之內。
1權利要求
一種MIMO STC無線通信傳輸系統的通信方法，其特征在于，包括步驟發(fā)射機根據信道統計特性、所使用的空時編碼的最小碼字差矩陣，進行優(yōu)化處理獲得最優(yōu)波束成形矩陣，所述信道統計特性包括發(fā)送天線相關矩陣、接收天線相關矩陣；發(fā)射機對需要發(fā)送的原始數據進行調制、空時編碼，使用所述最優(yōu)波束成形矩陣對空時編碼碼字進行功率分配和波束方向調整，并將成形后的碼字從天線發(fā)送出去；接收機接收所述成形后的碼字，進行譯碼和解調，獲得所述原始數據。
2.根據權利要求1所述的MIMO-STC無線通信傳輸系統的通信方法，其特征在于，根據 下述目標函數求取所述最優(yōu)波束成形矩陣min max{-iVlogdetR 丨,=12 M}Fsi. W=^{IN FA1Fh ) + Rr'1 Θ Rr1tr (FFh) = 1其中，F表示波束成形矩陣，In表示N階單位矩陣，M表示發(fā)送天線的數目，N表示接收 天線的數目，P表示信噪比，Ai表示空時編碼的第i個最小碼字差矩陣，Rt表示發(fā)送天線 相關矩陣，Rr表示接收天線相關矩陣。
3.根據權利要求2所述的MIMO-STC無線通信傳輸系統的通信方法，其特征在于，采用 牛頓拉普生算法對所述目標函數進行求解。
4.根據權利要求1所述的MIMO-STC無線通信傳輸系統的通信方法，其特征在于，當所 述MIMO-STC無線通信傳輸系統為2發(fā)2收系統時，可根據下式求取所述最優(yōu)波束成形矩 陣1Ξη = 4/(p X1(Rr) Xi(Rt) Ai(A)) 其中，Ξ 2 = 4/(p X2(Rr) Xi(Rt) Ai(A)) 其中，F表示波束成形矩陣，Xi(F)表示矩陣F的第i個特征值，κ表示拉格朗日乘子， Ai(A)表示最小碼字差矩陣A的第i個特征值，Xi(Rt)表示發(fā)送天線相關矩陣的第i個特 征值，P表示信噪比。
5.根據權利要求1所述的MIMO-STC無線通信傳輸系統的通信方法，其特征在于，接收 機根據下述修正的球形譯碼方式進行譯碼y-HeSminseCM其中，扎='He'—V,y =0'He = HFMg，H為信道矩陣，F為波束成形矩陣，Mg為空時編碼的生成矩陣，s為發(fā)送的調制符號，y為接收到的信號矢量，C為所使用星座點集合，M為發(fā) 送天線的數目。
6.根據權利要求1至5任意一項所述的MIMO-STC無線通信傳輸系統的通信方法，其特 征在于，采用下述方式獲取所述信道統計特性2發(fā)射機發(fā)送訓練序列對信道進行訓練；接收機接收所述訓練序列，根據所述訓練序列獲得所述信道統計特性，并將該信道統 計特性反饋給所述發(fā)射機。
7.根據權利要求6所述的MIMO-STC無線通信傳輸系統的通信方法，其特征在于 發(fā)送機接收到接收機反饋的所述信道統計特性后，還包括步驟將所述信道統計特性予以儲存； 和/或所述接收機采用最小二乘方式或者最小均方誤差方式獲得所述信道統計特性。
8.根據權利要求1至5任意一項所述的MIMO-STC無線通信傳輸系統的通信方法，其特 征在于，在獲得所述最優(yōu)波束成形矩陣之后，還包括步驟將所述最優(yōu)波束成形矩陣予以儲存。
9.根據權利要求1至5任意一項所述的MIMO-STC無線通信傳輸系統的通信方法，其特 征在于，所述空時編碼為全速率全分集的最優(yōu)空時編碼。
10.根據權利要求1至5任意一項所述的MIMO-STC無線通信傳輸系統的通信方法，其 特征在于，所述空時編碼包括0STBC、或QoSTBC、或B2 Φ、或TAST、或Wornell、或Dayal、或 Golden、或 Perfect。
全文摘要
一種MIMO-STC無線通信傳輸系統的通信方法，其根據該信道統計特性以及所采用的空時編碼的最小碼字差矩陣獲得最優(yōu)波束成形矩陣，在發(fā)送數據時，對需要發(fā)送的原始數據進行調制和編碼后，使用該最優(yōu)波束成形矩陣對空時編碼后的空時編碼碼字進行功率分配和波束方向調整，再將成形后的信號發(fā)送出去，接收機接收后進行譯碼解調來獲得原始數據，本發(fā)明方案是采用根據信道統計特性確定的最優(yōu)波束成形矩陣對空時編碼碼字進行功率分配和波束方向調整，由于信道統計特性反映了信道的相關性，因此本發(fā)明方案充分考慮到信道環(huán)境的相關性對系統性能的影響，從而可以有效地改善空時編碼在相關信道下的性能。
文檔編號H04B7/06GK101931504SQ20091004135
公開日2010年12月29日 申請日期2009年7月24日 優(yōu)先權日2009年7月24日
發(fā)明者伍沛然, 張永強 申請人:廣州杰賽科技股份有限公司