多输入输出系统的功率分配方法、发射接收方法和系统

摘要

本发明提供了一种多输入输出系统的功率分配方法及应用该方法的接收发射方法和系统，该功率分配方法包括以下步骤：(a)发射机接收到上一子帧的接收机反馈的预编码矩阵和奇异值矩阵，其中的每一个奇异值代表的是独立空间子信道的增益；(b)根据奇异值矩阵判断每个子信道的传输性能的优劣；(c)根据子信道的传输性能的优劣采用非等功率分配技术，在保证数据流一的传输性能要求的前提下，将多余的功率分配到数据流二，达到提高系统容量的要求。本发明方法和系统达到了提高系统容量的要求，并且没有损失传输子信道，提高数据传输速率。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信系统，更具体的说，是一种基于预编码MIMO系统的功率分配方法及应用该方法的发射接收方法和系统。

背景技术

无线通信系统中，MIMO(多输入多输出)最大的特点就是大大提高了系统的容量，基于信息论可以推导出，如果各发射天线的发射功率都相同，MIMO通信系统的容量随min(M，N)线性增长，其中M、N分别为发射和接收天线数。如果MIMO系统的接收机根据估计的部分或者全部信道信息得到预编码矩阵并反馈到发射机，发射机利用反馈来的预编码矩阵对发射信号进行预编码，则可以进一步的提高系统容量，增加传输速率。虽然采用预编码方案可以改善接收机的解码性能，但是由于没有进行功率调整，预编码MIMO系统的容量并没有增加太多。如果发射机进一步利用接收到的信道矩阵信息来调整预编码MIMO系统各发射天线的功率，则可以进一步提高预编码MIMO通信系统的容量。

专利申请号为CN200510033643的中国专利申请“用于多入多出通信系统的发射方法、装置和系统”，该专利申请根据发射机接收到接收机反馈的全部或部分信道信息，其中包含每个子信号流的信噪比，获得预编码矩阵，并根据每个子信号流的信噪比非平均的分配每个子信号流的功率增益，其采用的是注水原理，即：哪个子信道信噪比高，哪个天线的发射功率就大。这种机制虽说增大了系统容量，但在一些子信道信噪比很低的情况下分配的发射功率很低，相当于损失了子信道，传输速率并没有增加。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种MIMO系统的功率分配技术，以在保证性能的前提下，既增大了系统容量，又增加了传输速率。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种多输入输出系统的功率分配方法，该方法包括以下步骤：

(a)发射机接收到上一子帧的接收机反馈的预编码矩阵和奇异值矩阵，其中的每一个奇异值代表的是独立空间子信道的增益；

(b)根据奇异值矩阵判断每个子信道的传输性能的优劣；

(c)根据子信道的传输性能的优劣采用非等功率分配技术，在保证数据流一的传输性能要求的前提下，将多余的功率分配到数据流二，达到提高系统容量的要求。

进一步地，步骤(c)中功率分配后的数据流Y1，Y2分别为$Y_1=\frac{{\lambda }_1-\Delta }{{\lambda }_1+{\lambda }_2}{S}_1,$$Y_2=\frac{{\lambda }_2+\Delta }{{\lambda }_1+{\lambda }_2}{S}_2,$其中S1、S2分别为分配前的数据流，λ₁、λ₂分别为上一子帧的奇异值，Δ为变量，依据信道的质量而定。

为解决上述技术问题，本发明提供一种多输入输出系统的发射接收方法，该方法包括以下步骤：

(1)发射机接收到接收机反馈的预编码矩阵和奇异值矩阵，其中的每一个奇异值代表的是独立空间子信道的增益；

(2)发射机根据步骤(1)得到的每个子信道的增益，非平均的分配每个子信号流的功率增益，在保证数据流一的传输性能要求的前提下，将多余的功率分配到数据流二，达到提高系统容量的要求；

(3)发射机根据步骤(1)得到的预编码矩阵对每个子信号流进行预编码，并将预编码后的数据送到发射天线发射；

(4)接收机接收到经过信道传输过来的数据，对训练序列部分进行信道估计得到信道矩阵，对数据部分进行译码；

(5)接收机对步骤(4)得到的信道矩阵进行奇异值分解得到预编码矩阵、译码矩阵和奇异值矩阵，其中的每一个奇异值代表的是独立空间子信道的增益；

(6)接收机对步骤(4)得到的信道矩阵进行编解码处理，将处理后得到的信道矩阵和步骤(4)得到的译码数据一起进行信号检测。

进一步地，所述多输入输出系统是时分双工无线通信系统。

进一步地，所述步骤(4)中，接收机检测到小区系统信息，同时得到本小区的训练序列、扩频码和扰码信息，根据训练序列信息对接收的训练序列信号进行信道冲激响应估计，得到所对应的信道冲激响应组成信道矩阵。

进一步地，所述步骤(4)中，接收机接收的是下行普通语音或者数据业务信息。

为解决上述技术问题，本发明提供一种多输入输出系统，该系统包括待发送数据前期处理及功率分配模块、预编码及数据发射模块、信道矩阵获取及数据译码模块、信道矩阵处理模块及信号检测模块，其中，

待发送数据前期处理及功率分配模块用于对待发送数据经过编码、调制、扩频加扰，根据每个子信道的增益非平均的分配每个子信号流的功率增益，非平均分配的原则是，在保证数据流一传输性能的前提下，将多余的功率分配到数据流二；

预编码及数据发射模块用于根据接收机反馈来的预编码矩阵对每个调制编码后的子信号流数据进行预编码；

信道矩阵获取及数据译码模块用于根据小区的信息进行信道冲激响应估计获得信道矩阵及对数据进行译码；

信道矩阵处理模块用于对信道矩阵进行奇异值分解得到预编码矩阵和译码矩阵以及奇异值矩阵并根据预编码矩阵和译码矩阵对信道矩阵进行编解码处理；

信号检测模块用于对编解码处理后的信道矩阵和译码数据进行信号检测，得到目标用户设备的期望数据。

相较于现有技术，本发明基于预编码MIMO系统，采用非等功率分配技术，在调制方式一定的情况下，在保证数据流一的传输性能要求的前提下，将多余的功率分配到数据流二，达到提高系统容量的要求，并且没有损失传输子信道，提高了数据传输速率。

附图说明

图1是本发明基于预编码多输入输出系统的发射和接收流程图。

图2是本发明基于预编码多输入输出系统的功率分配流程图。

图3是本发明基于预编码多输入输出系统的示意图。

具体实施方式

本发明基于预编码MIMO系统的发射接收流程如图1所示，该流程包括以下步骤：

步骤101，发射机接收到接收机反馈的预编码矩阵和奇异值矩阵，并获得每个子信道的增益，对各个子信号流进行编码复用、调制、扩频加扰；

步骤102，根据步骤101得到的每个子信道的增益非平均的分配每个子信号流的功率增益，采用非等功率分配技术，在调制方式一定的情况下，在保证数据流一的传输性能要求的前提下，将多余的功率分配到数据流二，达到提高系统容量的要求；

步骤103，根据步骤101得到的预编码矩阵对每个子信号流进行预编码，并把预编码后的数据送到发射天线，对各个天线上的数据流加midamble形成待发射的基带数据；

步骤104，接收机接收到经过信道传输过来的数据，分为数据部分和训练序列部分，根据训练序列信息对接收训练序列信号进行信道冲激响应估计，得到所对应的信道冲激响应组成信道矩阵，对数据部分进行译码；

步骤105，接收机对步骤104得到的信道矩阵进行奇异值分解得到预编码矩阵，译码矩阵和奇异值矩阵，其中的每一个奇异值代表的是独立空间子信道的增益；

步骤106，接收机对步骤104得到的信道矩阵进行编解码处理，将处理后的矩阵和步骤104得到的译码数据一起进行信号检测，得到目标用户设备UE的期望数据。

下面结合附图2对本发明基于预编码MIMO系统的功率分配方法进行说明，本发明方法包括以下步骤：

步骤201，发射机接收到上一子帧的接收机反馈的预编码矩阵和奇异值矩阵，其中的每一个奇异值代表的是独立空间子信道的增益。

对于MIMO天线系统来说，如果信道的秩为M，则通过预编码矩阵和接收解码矩阵，可以形成M个正交的子信道，可以在这M个信道中分别传输独立的数据流。信道响应矩阵H的元素由独立的高斯随机变量组成，如下：

x代表天线发射的数据，y代表接收天线所接收的数据，那么H表示在发射天线与接收天线之间的的信道冲激响应矩阵，比如h₁₃代表第3根发射天线与第1根接收天线间的信道冲激响应。

y＝Hx+n    (2)

信道矩阵H可以奇异值分解为：

H＝D∑P^H    (3)

给等式(2)两端同时左乘矩阵D^H，将x分解为x＝PS，那么可以得到：

$r=D^H\mathrm{HPS}+D^{H}n=\mathrm{\Sigma S}+\hat{n}---\left(4\right)$

S代表空间子信道的发射信号，r代表空间子信道的接收信号，所对应的关系为：x＝Ps；r＝D^Hy，其中P为预编码矩阵，译码矩阵为G＝D^H。奇异值分解得到的奇异值矩阵$\Sigma =\left(\begin{array}{cc}{\lambda }_1& \\ & {\lambda }_2\end{array}\right),$对角线上的每一个奇异值代表这个独立空间子信道的增益。

步骤202：根据奇异值矩阵判断每个子信道的传输性能的优劣。

由于奇异值矩阵是个对角矩阵，对角线上每一个的奇异值代表这个独立空间子信道的增益，即：有M个奇异值就表明信道的秩为M，形成M个正交的子信道，可以在这M个信道中分别传输独立的数据流，每个奇异值的大小代表的就是这M个正交子信道的增益。由于各个不同的数据流在彼此正交的信道上传输，所以，便于接收机检测。预编码MIMO系统是在调制映射之后对M个不同的数据流进行预编码，通过多天线发射，而对应的在接收机首先进行相应的解码处理分离出不同的独立数据流，然后解调译码得到恢复的信息数据。

因此，奇异值大，代表的是这个子信道的增益大，这个子信道的传输性能优；反之奇异值小，代表的是这个子信道的增益小，这个子信道传输性能劣。

步骤203，根据子信道的传输性能的优劣采用非等功率分配技术，在调制方式一定的情况下，在保证数据流一的传输性能要求的前提下，将多余的功率分配到数据流二，达到提高系统容量的要求。

根据奇异值分解得到的奇异值矩阵$\Sigma =\left(\begin{array}{cc}{\lambda }_1& \\ & {\lambda }_2\end{array}\right),$如果λ₁、λ₂都不为零，即有两个奇异值代表信道的秩为2，形成2个正交的子信道，可以在这2个信道中分别传输独立的数据流。λ₁、λ₂分别代表的是子信道的增益，根据它们的大小判断出信道的传输性能的优劣，进行非等功率分配：发射端两个数据流经过编码复用、调制、扩频加扰得到的数据流为S1，S2，S＝[S₁  S₂]^T，经过功率分配后的数据流为Y1，Y2，Y＝[Y₁ Y₂]^T，其中S_i、Y_i中的i表示预编码输入数据流编号，则

$\left(\begin{array}{cc}{Y}_1=\frac{{\lambda }_1-\Delta }{{\lambda }_1+{\lambda }_2}{S}_1,& Y_2=\frac{{\lambda }_2+\Delta }{{\lambda }_1+{\lambda }_2}{S}_2\end{array}\right)---\left(5\right)$

Δ在这里是个不定的变量，依据信道的质量而定，即秩的大小。

如果λ₂很小，表明第二个子信道增益很低，此时给这个子信道功率分配大点，确保不损失子信道，在保证数据流一传输性能的前提下，将多余的功率分配到数据流二，达到提高系统容量和传输速率的要求。

本发明还提供了一种预编码MIMO系统，如图3所示，该系统包括：待发送数据前期处理及功率分配模块301、预编码及数据发射模块302、信道矩阵获取及数据译码模块303、信道矩阵处理模块304、信号检测模块305，以下对各模块进行详细说明。

待发送数据前期处理及功率分配模块301，用于对待发送数据经过编码、调制、扩频加扰，并根据每个子信道的增益非平均的分配每个子信号流的功率增益，非平均分配的原则是：在保证数据流一传输性能的前提下，将多余的功率分配到数据流二；

预编码及数据发射模块302：用于根据接收机反馈来的预编码矩阵对每个调制编码后的子信号流数据进行预编码；

信道矩阵获取及数据译码模块303：用于根据小区的信息进行信道冲激响应估计获得信道矩阵及对数据进行译码；

信道矩阵处理模块304：用于对信道矩阵进行奇异值分解得到预编码矩阵和译码矩阵以及奇异值矩阵并根据预编码矩阵和译码矩阵对信道矩阵进行编解码处理；

信号检测模块305：用于对编解码处理后的信道矩阵和译码数据进行信号检测，得到目标用户设备的期望数据。

综上所述，本发明基于预编码MIMO系统，采用非等功率分配技术，在调制方式一定的情况下，在一些子信道增益很低、环境很差的情况下分配的发射功率大点，不损失子信道，从而在保证数据流一的传输性能要求的前提下，将多余的功率分配到数据流二，达到提高系统容量的要求，并且没有损失子信道，既增大了系统容量，又提高了数据传输速率。

本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。