Mimo-ofdm系統(tǒng)的信道均衡硬件實(shí)現(xiàn)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于MIMO-OFDM通信系統(tǒng)信道均衡的硬件實(shí)現(xiàn)方法。發(fā)明中提出一種基于吉文斯旋轉(zhuǎn)的QR分解方法，該方法可應(yīng)用于IEEE802.11ac協(xié)議下MIMO無(wú)線系統(tǒng)的信道均衡模塊。傳統(tǒng)的基于分塊求逆思想的矩陣求逆硬件實(shí)現(xiàn)方法涉及大量二階矩陣以及復(fù)數(shù)乘法的計(jì)算模塊，并且該方法只能針對(duì)非奇異矩陣使用；使用傳統(tǒng)QR分解方法實(shí)現(xiàn)矩陣求逆時(shí)，涉及坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算(CORDIC)以及開(kāi)方運(yùn)算(SQUAREROOT)，消耗的硬件資源非常多。本發(fā)明提出一種改進(jìn)算法，使用改進(jìn)的吉文斯旋轉(zhuǎn)方法實(shí)現(xiàn)矩陣的QR分解從而得到矩陣求逆的結(jié)果，該方法能夠以流水線的工作方式進(jìn)行矩陣求逆，同時(shí)避免使用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算以及開(kāi)方運(yùn)算，降低硬件資源的開(kāi)銷(xiāo)，并高效地實(shí)現(xiàn)了MIMO信道均衡過(guò)程。
【專利說(shuō)明】MIMO-OFDM系統(tǒng)的信道均衡硬件實(shí)現(xiàn)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明應(yīng)用于MMO無(wú)線通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于QR分解的矩陣求逆硬件實(shí)現(xiàn)方法，為M頂O接收機(jī)的信道均衡提供基礎(chǔ)。

【背景技術(shù)】
[0002]MIMO (Multiple-1nputMultiple-Output)系統(tǒng)在第四代移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中被采用，同時(shí)也已廣泛應(yīng)用于高速無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中，例如IEEE802.lln/ac協(xié)議等。附圖1展示的是IEEE802.1lac協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)，其中L-STF和L-LTF字段分別用于接收信號(hào)的幀同步過(guò)程和符號(hào)同步過(guò)程；同步之后，將信號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)FFT變換到頻域中；VHT-LTF字段包含η個(gè)OFDM符號(hào)的長(zhǎng)度(η表示空間流數(shù)，η幸3)，用于信道估計(jì)過(guò)程；在MMO系統(tǒng)的接收端，信道估計(jì)和信道均衡是非常重要的模塊。MIMO接收機(jī)性能的優(yōu)劣主要體現(xiàn)信道矩陣運(yùn)算的精確度上。特別的，對(duì)于一個(gè)4Χ4ΜΜ0的OFDM無(wú)線通信系統(tǒng)，MIMO接收機(jī)的信道均衡過(guò)程有很多理論方法可以實(shí)現(xiàn)，MMSE均衡就是一種比較優(yōu)良且典型的檢測(cè)過(guò)程，這其中需要實(shí)現(xiàn)四階復(fù)矩陣求逆的過(guò)程。
[0003]FPGA(Filed-ProgrammableGateArray)是最常用的硬件開(kāi)發(fā)半定制電路。眾多與之相關(guān)的輔助開(kāi)發(fā)產(chǎn)品也加速了 FPGA的更新發(fā)展的腳步，其開(kāi)發(fā)范圍也更加廣泛。利用Nat1nalInstruments (NI)的PXI平臺(tái)進(jìn)行WLAN-0FDM系統(tǒng)的FPGA開(kāi)發(fā)，打破了硬件編程語(yǔ)言進(jìn)行FPGA開(kāi)發(fā)的傳統(tǒng)，NI的LabVIEW基于圖形語(yǔ)言的編程思想使得硬件開(kāi)發(fā)更加便捷，開(kāi)發(fā)周期大大縮短，使得硬件開(kāi)發(fā)人員可以將更多精力放在算法實(shí)現(xiàn)上。這也是LabVIEff圖形語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)所在。
[0004]在MMO信道均衡過(guò)程中，硬件系統(tǒng)往往很難達(dá)到浮點(diǎn)仿真的精確度要求，因此過(guò)去的一些算法通常會(huì)避開(kāi)矩陣求逆過(guò)程，這使得信道均衡模塊的設(shè)計(jì)變得非常復(fù)雜，不僅均衡信號(hào)的表達(dá)式十分繁瑣，而且十分消耗硬件資源，更重要的是信道均衡性能不高。也可以根據(jù)相關(guān)的矩陣知識(shí)對(duì)信道矩陣進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆謮K操作，例如四階矩陣可以拆分成4個(gè)二階矩陣，根據(jù)矩陣初等行變換等性質(zhì)將四階矩陣的求逆過(guò)程變成分塊后各塊自身的求逆過(guò)程，這種方式大大降低了信道均衡模塊的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，并且可以有效地實(shí)現(xiàn)流水線操作方式。但是該方法只能實(shí)現(xiàn)可逆矩陣的求逆過(guò)程，當(dāng)遇到奇異矩陣或近似奇異矩陣時(shí)，無(wú)法得到正確的結(jié)果。在實(shí)際通信環(huán)境中，信道矩陣會(huì)隨著環(huán)境的變化而變化，系統(tǒng)無(wú)法保證信道矩陣的可逆性，因此，高階矩陣分塊求逆的方法對(duì)于實(shí)際的無(wú)線通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。傳統(tǒng)的QR分解方法打破了矩陣分塊求逆方法對(duì)矩陣可逆性的要求，但對(duì)于MIMO接收機(jī)而言，傳輸速率是衡量無(wú)線通信系統(tǒng)性能的一個(gè)重要參數(shù)，傳統(tǒng)QR分解方法實(shí)現(xiàn)矩陣求逆的過(guò)程在這方面性能并不出眾，從而限制了 MMO系統(tǒng)的高吞吐率傳輸性能。
[0005]因此，MIMO接收機(jī)的信道均衡過(guò)程需要考慮矩陣求逆的精確性、完整性以及系統(tǒng)的傳輸速率等性能，同時(shí)也需要考慮硬件資源利用率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服上述矩陣求逆方法在信道均衡的硬件實(shí)現(xiàn)中遇到的技術(shù)問(wèn)題，針對(duì)4X4MIM0-0FDM系統(tǒng)，本發(fā)明提供了一種復(fù)雜度較低的四階復(fù)矩陣求逆方法，實(shí)現(xiàn)MIM0-0FDM系統(tǒng)的信道均衡過(guò)程，包括以下步驟:
[0007]步驟一、獲取信號(hào)，并進(jìn)行同步；
[0008]步驟二、對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行信道估計(jì)，獲取信道估計(jì)矩陣A ；
[0009]步驟三、對(duì)信道估計(jì)矩陣A進(jìn)行吉文斯旋轉(zhuǎn)(GivensRotat1n)矩陣分解；
[0010]步驟四、根據(jù)矩陣A的逆矩陣，進(jìn)行信道均衡。
[0011]其中,所述步驟一具體為:
[0012]步驟(1.1)、發(fā)射機(jī)將已產(chǎn)生的基帶信號(hào)數(shù)據(jù)按附圖1的方式進(jìn)行封裝，通過(guò)4根發(fā)射天線將4路信號(hào)發(fā)送出去，信號(hào)采樣頻率為130MHz ;在接收機(jī)端，4根接收天線接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換，使得連續(xù)信號(hào)離散化，并降采樣至20MHz ；
[0013]步驟(1.2)、將接收到的4路信號(hào)進(jìn)行同步，具體步驟如下:
[0014]步驟(1.2a)、采用延時(shí)相關(guān)的幀同步方法獲取幀頭信息；
[0015]步驟(1.2b)、采用差分延時(shí)相關(guān)的符號(hào)同步方法獲取準(zhǔn)確的信號(hào)起始位置，并通過(guò)適當(dāng)?shù)难訒r(shí)獲取VHT-LTF字段的起始位置；
[0016]步驟(1.2c)、將同步后的4路接收信號(hào)去循環(huán)前綴，并使用離散傅里葉變換(FFT)將信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域中。
[0017]其中，所述步驟二具體為:
[0018]根據(jù)接收信號(hào)的VHT-LTF字段計(jì)算出信道估計(jì)矩陣A，矩陣A為四階復(fù)矩陣，定義為

【權(quán)利要求】
1.一種MMO-OFDM系統(tǒng)的信道均衡方法，在此以4X4MM0-0FDM系統(tǒng)為例。其包括以下步驟: 步驟一、獲取信號(hào)，并進(jìn)行同步； 步驟二、對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行信道估計(jì)，獲取信道估計(jì)矩陣A ； 步驟三、對(duì)信道估計(jì)矩陣A進(jìn)行吉文斯旋轉(zhuǎn)(GivensRotat1n)矩陣分解； 步驟四、根據(jù)矩陣A的逆矩陣，進(jìn)行信道均衡。
2.如權(quán)利要求1所述MIMO系統(tǒng)的信道均衡方法，其中所述步驟一具體為: 步驟(1.D、發(fā)射機(jī)將已產(chǎn)生的基帶信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，通過(guò)4根發(fā)射天線將4路信號(hào)發(fā)送出去，信號(hào)采樣頻率為130MHz ;在接收機(jī)端，4根接收天線接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換，使得連續(xù)信號(hào)離散化，并降采樣至20MHz ； 步驟(1.2)、將接收到的4路信號(hào)進(jìn)行同步，具體步驟如下: 步驟(1.2a)、采用延時(shí)相關(guān)的幀同步方法獲取幀頭信息； 步驟(1.2b)、采用差分延時(shí)相關(guān)的符號(hào)同步方法獲取準(zhǔn)確的信號(hào)起始位置，并通過(guò)適當(dāng)?shù)难訒r(shí)獲取VHT-LTF字段的起始位置； 步驟(1.2c)、將同步后的4路接收信號(hào)去循環(huán)前綴，并使用離散傅里葉變換(FFT)將信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域中。
3.如權(quán)利要求1所述MIMO系統(tǒng)的信道均衡方法，其中所述步驟二具體為: 根據(jù)接收信號(hào)的VHT-LTF字段計(jì)算出信道估計(jì)矩陣A，矩陣A為四階復(fù)矩陣，定義為
其中，aij e C，行向量ri代表矩陣A的第i行，ru代表ri的第j個(gè)元素，i，j = 1，2，3，4。
4.如權(quán)利要求1所述MMO系統(tǒng)的信道均衡方法，其中所述步驟三具體為: 通過(guò)一系列初等行變換將原始矩陣A轉(zhuǎn)化為上三角矩陣的形式，該上三角矩陣記為U，則等效的變換矩陣T與矩陣A、U滿足關(guān)系U = TA，其中變換的效果因子即為矩陣T，如果將上述得到的因子作用在四階單位矩陣E上，則可將E變換成T，因此將變換的效果因子作用在四階單位矩陣E上即可從而得到變換矩陣T的結(jié)果。
5.如權(quán)利要求1所述MMO系統(tǒng)的信道均衡方法，其中所述步驟四具體為: 步驟(4.1)、矩陣U的逆的求解:
根據(jù)公式(I)，利用步驟三中的結(jié)果U，從而得到U的逆矩陣W ； 步驟(4.2)、矩陣A的逆的求解: 原始矩陣A的逆矩陣可表示為A—1 = CTur1 = U-1T0根據(jù)步驟三和步驟(4.1)中得到的T和W，矩陣A的逆可表示為W和T的乘積，即A—1 = WT，其中的矩陣乘法，底層計(jì)算結(jié)構(gòu)采用含有25 X 18的二進(jìn)制補(bǔ)碼乘法器實(shí)現(xiàn)； 步驟(4.3)、MIMO-OFDM系統(tǒng)下信道均衡過(guò)程: 假設(shè)在t時(shí)刻，4路接收信號(hào)的數(shù)據(jù)字段組成的接收向量為y= [ylt ；y2t ；y3t ;y4t]，根據(jù)步驟(4.2)中得到的^1，信道均衡過(guò)程可以用以下公式(2)表示，z = A_1y(2) 其中，z為均衡過(guò)程后的結(jié)果。
【文檔編號(hào)】H04L25/03GK104202280SQ201410480290
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】俞菲, 王孜, 呂川, 張皓月, 楊綠溪 申請(qǐng)人:東南大學(xué)