分层空时系统中有限反馈预编码非线性译码方法

摘要

本发明涉及分层空时系统中有限反馈预编码非线性译码方法，属于多输入多输出系统空间复用分层空时发射技术领域，该方法首先建立垂直分层空时码VBLAST有限反馈预编码系统，然后构建Grassmannian码本，接收端通过信道估计得到信道信息状态，根据此信道信息状态从Grassmannian码本搜索最优码字，再将最优码字索引反馈到发送端搜索相对应的码字，从而形成等效信道，接收端从整个星座空间中循环选取其中任意星座点作为最先检测底层信号，再对余下接收信号采用传统接收准则，最后根据最大似然准则确定最优一组检测信号作为译码结果；本方法在保证反馈链路开销的情况下，一定程度上提高了系统吞吐量，改善了系统误码性能。

说明书

技术领域

本发明涉及分层空时系统中有限反馈预编码非线性译码方法，属于多输入多输出系统空间复用分层空时发射技术领域。

背景技术

广义的MIMO（多输入多输出）技术涉及广泛，主要包括发射分集技术和空间复用技术。其中空间复用技术是在不同的天线上发射不同的信息，贝尔实验室的垂直分层空时码（VBLAST）是空间复用技术的典型应用；而发射分集技术是在不同的天线上发射包含同样信息的信号，从而达到空间分集的效果。基于发射分集的空时编码技术由于将空间域上的发射分集和时间域上的编码相结合，能够很大程度地克服信道衰落、提高系统性能，因而备受关注。

由信息论知识，MIMO（多输入多输出）技术可以大大增加无线通信系统的容量，改善无线通信系统的性能。MIMO技术是无线移动通信领域的重大突破，它利用空间中增加的传输信道，在发送端和接收端采用多根天线，由于各发射天线同时发送的信号占用同一个频带，所以并未增加带宽，因而能够大大的提高系统的容量和频谱利用率。预编码技术就是在发射端利用完全信道状态信息或部分信道状态信息对发送符号进行相应预处理，以提高系统容量或降低系统误码率等为目的的现代信号处理技术，近年来成为无线通信领域研究的热点。当接收端已知信道状态信息(CSI)时，利用预编码技术可进一步提高系统性能。在时分双工(TDD)系统中，由于上下行链路信道状态信息的互惠性，可以实现完全信道信息预编码；而在频分双工(FDD)系统中，反馈完全信道状态信息需要很大的反馈链路开销，同时信道估计本身也存在一定误差，在实际通信系统中难以实现。由Bell实验室提出的基于空间复用有限反馈垂直分层空时方案，能够在未增加带宽的情况下成倍的提高系统的容量和频谱利用率。而有限反馈垂直分层空时方案在保证系统吞吐量的同时，有效降低了反馈链路开销，一定程度上降低了系统误码性能。

目前，针对由贝尔实验室提出的垂直分层空时码检测的研究主要集中在进一步提高检测器性能和降低复杂度上，传统的检测方法主要有线性检测、非线性检测、最优排序检测等。最大似然检测方法虽然在系统检测性能上是最优的，但ML检测方法的复杂度随着调制阶数或者发射天线数目增加，其复杂度呈指数增加，故此方法在实际的通信系统中不实用。ZF方法引入信道特性矩阵的广义逆作为接收天线权向量，有效抑制了其他天线发送信号的干扰，但同时也丢失了一部分可以利用的信息，对系统性能有一定影响。但MMSE方法均衡考虑了信道特性矩阵和接收信号中的噪声对系统性能的影响，可在一定程度上缓解错误传播的影响，改善系统的性能。另一方面，由于LST解码是逐层进行的，检测出的每一层信号的准确性在很大程度上依赖于上一层信号，即越先检测的信号，所获得的分集增益越小，准确性越差，对下一层信号的检测产生较大影响。因此，ZF方法和MMSE方法都不可避免地存在错误传播问题。传统基于完全信道预编码技术，需反馈完全信道状态，由于信道估计本身也存在误差，同时反馈链路开销也较大，在实际的通信系统中很难实现。采用Grassmannian有限反馈分层空时预编码，基于有限反馈分层空时预编码，仅反馈码本索引，大大减少了反馈链路开销，但由于反馈量的减少引起的性能缺失问题；提出酉矩阵预编码线性译码，虽然一定程度上提高系统性能，但由于线性接收带来了不可避免的性能缺失，改善性能有限；本发明针对有限反馈垂直分层空时预编码存在反馈链路开销的减少导致性能的缺失问题，提出了一种新型基于有限反馈预编码的分层空时非线性循环迭代检测方法，该方法首先在接收端根据信道信息状态采用相应的码字选取准则从Grassmannian码本搜索最优的码字，再将码字索引反馈到发送端从而形成等效信道，在接收端从整个星座空间中连续并循环映射作为最先检测底层信号，以最大限度地提高最先检测层的差错性能，再对余下接收信号采用传统接收准则，最后根据最大似然准则确定最优一组检测信号作为译码结果。对该方法的性能进行了分析并仿真，仿真结果表明本发明所提出的方法在保证系统吞吐量的情况下，有效降低了反馈链路开销，一定程度上降低了系统误码性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种分层空时系统中有限反馈预编码非线性译码方法，以解决MIMO系统中采用传统分层空时预编码发射方案存在反馈链路开销的减少导致性能缺失的问题。

为实现上述目的，本发明的分层空时系统中有限反馈预编码非线性译码方法技术方案如下，该方法首先建立垂直分层空时码VBLAST有限反馈预编码系统，然后构建Grassmannian码本，所述垂直分层空时码VBLAST有限反馈预编码系统的接收端通过信道估计得到信道信息状态，根据此信道信息状态从Grassmannian码本搜索最优码字，再将最优码字索引反馈到发送端搜索相对应的码字，从而形成等效信道，接收端从整个星座空间中循环选取其中任意星座点作为最先检测底层信号，再对余下接收信号采用传统接收准则，最后根据最大似然准则确定最优一组检测信号作为译码结果。

进一步的，所述垂直分层空时码VBLAST有限反馈预编码系统模型，设发射天线为N，接收天线为M，信源空间复用操作后，形成N层并行数据，再对其进行相应的预编码操作及并串变换送入N个发射天线，各个天线数据信号经平坦衰落瑞利信道到达M个接收天线，在接收端各接收天线进行串并变换、信道估计、码本选择、空时译码等操作，则接收机收到的信号矢量表示为，其中，和分别为发送符号矢量、接收符号矢量与高斯白噪声；是复数域上NN预编码矩阵，是复数域上NN扰动预编码矩阵，是复数域上MM功率调整接收矩阵，是复数域上MN矩阵，其元素（n=1…N,m=1…M）表示从发射天线n到接收天线m间的信道频响系数。

所述Grassmannian码本即为求得任意两个子空间间最小距离最大化，定义为其中，为任意两个子空间的距离。

所述从Grassmannian码本搜索最优码字是根据最小均方误差选取准则、奇异值准则或最大信道容量选取准则搜索得到的。

进一步的，采用最小均方误差选取准则获得最优码字：，其中。

采用最大信道容量选取准则获得最优码字：，

其中，，为码字，C为码本中包含码字的个数。

对于M发N收的MIMO系统，接收端的译码方法具体步骤如下：

(1)选择L(L=1，2，…,M)，根据L从整个发射映射星座空间中连续L次星座映射，假设L=3，对于M层QPSK星座映射结构，具体星座映射步骤：首先从QPSK映射空间{(1,0),(0,1),(-1,0),(0,-1)}选取任意一个星座点作为第M层星座映射，然后相应从从QPSK映射空间{(1,0),(0,1),(-1,0),(0,-1)}选取任意一个星座点作为第M-1层星座映射，相同的方法得到M-2层星座映射，选取其中L层星座点作为最先检测出的L底层信号记为；

(2)再从接收信号中减去确定的L个星座映射点，，系统相应将退化为(N-L)发M收MIMO系统；

(3)再对余下接收信号采用传统接收准则进行检测；

(4)再循环选取发射映射星座空间中不同前一个星座点集作为最先检测出VBLAST最底层信号，重复上述步骤(2)，从而得到个x的估计值；

(5)然后从该子集中依次选取估计信号矢量与实际接收信号比较，根据最大似然准则确定最优一组检测信号作为译码结果，=arg式中，为代价函数估计值，即使得代价函数最小的即为最终检测信号。

所述传统接收准则是迫零接收准则ZF、最小均方误差接收准则MMSE。

线性ZF接收准则：，

将上式代人,可得：，

其中，噪声方差，为每个发送符号的平均功率，第k个发送数据流的信噪比为：，

设，则K个数据流的平均误码率为：。

  线性MMSE接收准则：，则MMSE均衡后的信噪比为：，则K个数据流的平均误码率为：。

本发明的分层空时系统中有限反馈预编码非线性译码方法，仿真结果表明本方法在保证反馈链路开销的情况下，一定程度上提高了系统吞吐量，改善了系统误码性能。

附图说明

图1是VBLAST有限反馈预编码系统模型；

图2是有限反馈预编码非线性接收框图；

图3是4发2收Grassmannian码本系统误码率性能仿真图；

图4是4发2收Grassmannian码本系统容量仿真图；

图5是6发3收Grassmannian码本系统误码率仿真图；

图6是6发3收Grassmannian码本系统容量仿真图。

 1、系统模型

VBLAST有限反馈预编码系统模型如图1所示，假设发射天线数为N，接收天线数为M。信源空间复用操作后，形成N层并行数据，再对其进行相应的预编码操作及并串变换送入N个发射天线，各个天线数据信号经平坦衰落瑞利信道到达M个接收天线，在接收端各接收天线对接收信号进行信道估计、码本选择、反馈码本索引、空时译码等操作，则接收机收到的信号矢量可以表示为：

                                      

其中，和分别为发送符号矢量、接收符号矢量与高斯白噪声；是复数域上NN预编码矩阵，是复数域上NN扰动预编码矩阵，是复数域上MM功率调整接收矩阵，是复数域上MN矩阵，其元素（n=1…N,m=1…M）表示从发射天线n到接收天线m间的信道频响系数。

由有限反馈预编码系统模型，接收端通过信道估计准确知道信道信息状态，根据相应的准则(最小均方误差选取准则、最大信道容量选取准则等)，从预先设置的码本中搜索最优码字，通过信道质量信息进行反馈，再将此码本矩阵的索引号通过信道反馈链路反馈给发射端，从而形成等效信道，接收端采用传统的译码方法，可有效降低反馈链路的开销，一定程度上提高了系统的性能。

2、码本构建及选取：

2.1Grassmannian码本构建及选取

码本设计的主要思想对信道矩阵进行相应矩阵量化处理。基于Grassmannian空间装箱的码本设计中，是典型的数学最优化问题，即求得任意两个子空间间最小距离最大化来构造码本矩阵集。可定义为：

其中，为任意两个子空间的距离。

典型的码本选择准则如容量准则，奇异值准则，最小均方误差准则等从码本集中选出最优码本。

若按照系统平均误码率最小角度，则采用最小均方误差选取准则获得最优码字：

若按照系统容量的最大化的角度，则采用最大信道容量选取准则获得最优码字：

其中，，为码字，C为码本中包含码字的个数。

3、接收机译码方法：

3.1线性ZF接收机

线性ZF接收机接收矩阵：

将上式代人,可得：

其中，噪声方差，为每个发送符号的平均功率，第k个发送数据流的信噪比为：

这里定义,。

则K个数据流的平均误码率为：。

3.2线性MMSE接收机

考虑线性MMSE接收准则：

则MMSE均衡后的信噪比为：

则K个数据流的平均误码率为：。

MMSE准则考虑了均衡考虑了对噪声的抑制与平行数据流之间的干扰。在高信噪比，当时，主要考虑来自其他信号干扰的影响，则MMSE接收机退化为ZF接收机。另一方面，在地信噪比，当时，主要考虑噪声的影响，MMSE准则类似于匹配滤波。MMSE准则依赖SNR的特征，当反馈信道完美信息时，可达到最优预编码矩阵。当给定任何一个码本，BER准则要优于其它选取准则。

3.3非线性循环迭代译码方法

由于线性接收直接将干扰信号置零，导致失去了一些可利用的信息，一定程度上影响系统的性能。本发明提出一种有限反馈预编码非线性循环迭代译码方法，有限反馈预编码非线性接收框图如图2所示，该方法假设接收端可以准确信道估计，根据相应准则从码本中选取最优码字，再将相应码本索引号反馈到发送端，从而与信道形成等效信道，具体地，在接收端首先进行信道估计，采用码本选择准则得到最后码字，并反馈发射端，采用改进的非线性循环迭代译码，并进行判决反馈，可以有效降低系统误码性能。对于N发M收的MIMO系统，改进的非线性译码方法的基本思想：首先接收端在整个发射映射星座空间集合中循环选取其中任意星座点作为最先检测底L(L=1-M)层信号以最大限度地提高最先检测层的差错性能，则系统将相应退化为(N-L)发M收MIMO系统，再对余下接收信号再采用传统接收检测，最后根据最大似然准则确定最优一组检测信号作为译码结果。

方法具体步骤如下：

(1)选择L(L=1，2，…,M)，根据L从整个发射映射星座空间中连续L次星座映射，假设L=3，对于M层QPSK星座映射结构，具体星座映射步骤：首先从QPSK映射空间{(1,0),(0,1),(-1,0),(0,-1)}选取任意一个星座点作为第M层星座映射，然后相应从从QPSK映射空间{(1,0),(0,1),(-1,0),(0,-1)}选取任意一个星座点作为第M-1层星座映射，相同的方法得到M-2层星座映射，选取其中L层星座点作为最先检测出的L底层信号记为；

(2)再从接收信号中减去确定的L个星座映射点，，系统相应将退化为(N-L)发M收MIMO系统；

(3)再对余下接收信号采用传统的ZF检测方法；

(4)再循环选取发射映射星座空间中不同前一个星座点集作为最先检测出VBLAST最底层信号，重复上述步骤(2)，从而得到个x的估计值；

(5)然后从该子集中依次选取估计信号矢量与实际接收信号比较，根据最大似然准则确定最优一组检测信号作为译码结果。

=arg式中，为代价函数估计值，即使得代价函数最小的即为最终检测信号。

仿真比较

系统仿真参数设置如下：天线数目(4发2收，6发3收)，采用Grassmannian码本((6bit,3bit,2bit), (6bit,4bit)),在平坦瑞利衰落信道下对垂直分层空时方案采用有限反馈预编码码本的各种接收方法进行仿真，本发明考虑采用MMSE接收准则对各个方法进行仿真并分析。

图3，图4给出了4发2收分层空时系统基于Grassmannian码本的有限反馈预编的误码率性能与信道容量比较。从仿真结果可以看出，6bit反馈的误码性能明显优于4bit,3bit,2bit反馈，但是以子码本反馈量加倍为代价的。本发明提出的改进的非线性有限反馈预编码优于传统检测方法，一定程度上提高了系统接收性能。系统容量随着反馈码本比特数的增加而增加。

图5，图6给出了6发3收多天线系统基于Grassmannian码本的有限反馈预编的误码率性能与信道容量比较。从仿真结果可以看出，6bit反馈的误码性能明显优于4bit反馈，但是以子码本反馈量加倍为代价的。本发明提出的改进的非线性有限反馈预编码优于传统检测方法，一定程度上提高了系统接收性能。同样系统吞吐量也是随着反馈码本比特数的增加而增加。

具体实施步骤：

一、发射端

1、假设有4根发射天线，首先对输入信息进行分层映射，每组含有2个符号为

2、发送端根据反馈信道信息索引好从预设码本中选择最优码字为

3、将分层映射信号与选择的最优码字相乘，然后从相应的天线发射出去为

二、接收端（接收天线数为2）

1、对于4发2收系统，MIMO系统信道为：

其中表示第m根发射天线到第n根接收天线间的信道参数，则接收机收到的信号矢量可以表示为：

其中，和分别为发送符号矢量、接收符号矢量与高斯白噪声；是复数域上NN预编码矩阵，是复数域上MM功率调整接收矩阵，是复数域上MN矩阵，其元素（n=1…N,m=1…M）表示从发射天线n到接收天线m间的信道频响系数。

2、非线性循环迭代译码方法

该方法假设接收端可以准确信道估计，根据相应准则从码本中选取最优码字，再将相应码本索引号反馈到发送端，从而与信道形成等效信道，在接收端采用改进的非线性译码可以有效降低系统误码性能。对于N发M收的MIMO系统，改进的非线性译码方法的基本思想：首先接收端在整个发射映射星座空间集合中循环选取其中任意星座点作为最先检测底L(L=1-M)层信号以最大限度地提高最先检测层的差错性能，则系统将相应退化为(N-L)发M收MIMO系统，再对余下接收信号再采用传统接收检测，最后根据最大似然准则确定最优一组检测信号作为译码结果。

 (1)选择L(L=1,2,…,M)，根据L从整个发射映射星座空间中连续L次星座映射，假设L=3，具体循环迭代星座映射步骤：首先从QPSK映射空间{(1,0),(0,1),(-1,0),(0,-1)}选取任意一个星座点作为第M层星座映射，然后相应从从QPSK映射空间{(1,0),(0,1),(-1,0),(0,-1)}选取任意一个星座点作为第M-1层星座映射，相同的方法得到M-2层星座映射，选取其中L层星座点作为最先检测出的L底层信号记为；

(2)再从接收信号中减去确定的L个星座映射点，，系统相应将退化为(N-L)发M收MIMO系统；

(3)再对余下接收信号采用传统的ZF检测方法；

(4)再循环选取发射映射星座空间中不同前一个星座点集作为最先检测出VBLAST最底层信号，重复上述步骤(2)，从而得到个x的估计值；

(5)然后从该子集中依次选取估计信号矢量与实际接收信号比较，根据最大似然准则确定最优一组检测信号作为译码结果。

=arg式中，为代价函数估计值，即使得代价函数最小的即为最终检测信号。