一种用于MIMO-OFDM的相位旋转UCD预编码算法制造技术

本发明专利技术属于MIMO

【技术实现步骤摘要】
一种用于MIMO
‑
OFDM的相位旋转UCD预编码算法


[0001]本专利技术属于MIMO通信
，具体涉及用于MIMO
‑
OFDM的相位旋转UCD(PR
‑
UCD)预编码算法。

技术介绍

[0002]在MIMO通信系统中，使用UCD预编码[1]，可以将信道分解成多个独立且完全相同的子信道，可以达到信道容量的严格无损，但在5G无线系统中，面向频率选择性衰落信道，通常将MIMO或大规模MIMO和正交频分复用技术(OFDM)结合在一起。每个子载波对应着各自独立的衰落系数，但在每个子载波上使用不同的UCD预编码，会破坏信道的平滑性，给信道估计带来困难。
[0003]针对MIMO
‑
OFDM，设计一种改进的UCD预编码算法提高等效信道在频域的平滑性，是一个非常具有实际意义的问题。本专利技术方法直接面向等效信道矩阵，对UCD进行相位旋转的优化，改进原有的UCD预编码算法，提高等效信道的平滑性,为信道估计带来方便。
[0004]奇异值分解(SVD)的预编码也存在同样的破坏信道平滑性的问题，专利[2]提出了针对SVD预编码进行相位旋转来提高等效信道的平滑性,为信道估计带来方便。本专利技术的创新在于将信道平滑运用到UCD方案中。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种对UCD分解进行优化的相位旋转UCD(PR
‑
UCD)预编码算法，既可以将信道分解成L个独立且完全相同的子信道，又能避免传统的UCD预编码破坏信道在频域的平滑性。
[0006]本专利技术提供的相位旋转UCD(PR
‑
UCD)预编码算法，首先提出了一种改进的UCD，来保证相邻的一簇子载波使用相同的配对方式和相同的Givens旋转，并且这种改进的UCD的误码性能与理想UCD相近，从而避免传统UCD固有的奇异值配对和旋转操作所带来的相邻信道跳变；其次，在改进的UCD基础上，利用两个对角矩阵提供的自由度，在不同子载波上对这些等效信道的相位进行优化，将所有子载波上对应的每个正交子信道通过离散反傅里叶变换，将其变换到时域。利用时域频域对偶的性质，通过优化不同子载波上的相位使各个子信道在时域的能量集中在时域的头部，以此来提高其在频域的平滑性。
[0007]本专利技术提供的相位旋转UCD(PR
‑
UCD)预编码算法，具体步骤如下：
[0008](1)问题的归结
[0009](1.1)对于有N
f
个子载波的MIMO
‑
OFDM系统，发射天线数为M
t
，接收天线数为M
r
，在第i个子载波上，接收信号表示为：
[0010]y
(i)
＝H
(i)
s
(i)
+z
(i)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0011]其中，是秩为K的频域信道系数矩阵，表示发送信号，是接收信号；是零均值循环对称复高斯噪声；当信道状态
在发送端已知，可计算奇异值分解(SVD)并利用V
i
作为第i个子载波上的编码矩阵来正交化信道，如此获得等效信道PR
‑
UCD预编码矩阵的算法如下：
[0012]首先，注意到SVD分解是不唯一的。事实上，对H进行SVD分解：
[0013]H＝UΛV
H
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0014]令对角矩阵：
[0015][0016]利用对角矩阵的互易性，H＝UDΛD
‑1V
H
；把D吸收进U和V之后得到：
[0017]于是有：
[0018][0019]注意，对于任何相位式(4)都是SVD。
[0020]传统的UCD预编码矩阵F的形式如下
[0021][0022]其中，Φ＝diag(φ1，...，φ
L
)是对角矩阵，其第l个对角元素决定了第l个子信道的能量分配，具体通过注水功率分配法求解，是通过UCD分解获得的酉矩阵[1]；
[0023]经过预编码后等效信道H
eff
可以表示为：
[0024][0025]其中，为对角矩阵。
[0026]用G
a
表示增广矩阵：
[0027][0028]其中，α定义为即噪声功率与信号功率之比。
[0029]对G
a
做QR分解：
[0030]G
a
＝QR
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0031]由于G
a
与Ω有关，R也与Ω有关。
[0032]通过UCD分解获得的Ω，使得R矩阵满足对角元素都相等。根据UCD中证明的定理，有：
[0033][0034]其中，ρ
l
表示第l流的信噪比，r
ll
表示R的第l个对角元素；R的对角元素都相等，可以使L流中每一流的信噪比都相等，这一性质保证可以利用均一的调制与编码方式无损达
到信道容量。
[0035]但是由于UCD算法对于Ω的计算涉及到对G
a
矩阵的奇异值进行两两配对和Givens旋转操作，这意味这在不同子载波上如果采用不同的配对和旋转方式会严重破坏等效信道在相邻子载波之间的平滑性，因此，本专利技术对传统的UCD进行如下改进，使其更好地应对OFDM的场景。
[0036]即在OFDM中，对于相邻的一簇M个子载波，使用同一个来尽可能保持等效信道在相邻子载波之间的平滑，即预编码矩阵的形式修正如下：
[0037]即在OFDM中，对于相邻的一簇M个子载波，使用同一个来尽可能保持个子载波等效信道的基本平滑，即预编码矩阵的形式(5)修正为：
[0038][0039]其中，为向下取整操作。计算的具体方法在后面进行阐述。
[0040]继续对右乘一个对角矩阵
[0041][0042]那么新的增广矩阵：
[0043][0044]则的QR分解：
[0045][0046]由于不会改变上三角矩阵的对角元素的绝对值，因此从(9)可知其不会影响任何流的信噪比。
[0047]预编码P
(i)
的最终形式如下：
[0048][0049]那么第i个子载波(i＝1，...，N
f
)上的等效信道为：
[0050][0051]因此，可以通过调整D
(i)
和的对角元素的相位来提高等效信道
在频域的光滑性，从而为后续的信道估计带来方便，同时这种相位调整不会影响各个数据流的信噪比；
[0052](1.2)对于有L个正交子信道可以用来传输L个数据流。把所有N
f
个子载波上第l个子信道排列在一起，得到一个M
r
×
N
f
的矩阵
[0053]根据傅里叶变换性质：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于MIMO
‑
OFDM的相位旋转UCD预编码矩阵算法，其特征在于，具体步骤如下：(1)问题的归结(1.1)对于有N
f
个子载波的MIMO
‑
OFDM系统，发射天线数为M
t
，接收天线数为M
r
,在第i个子载波上，接收信号被表示为：y
(i)
＝H
(i)
s
(i)
+z
(i)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，是秩为L的频域信道系数矩阵，表示发送信号，是接收信号；是零均值循环对称复高斯噪声；当信道状态在发送端已知，可计算并利用V
i
作为第i个子载波上的编码矩阵来正交化信道，如此获得等效信道PR
‑
UCD预编码矩阵的算法如下；首先，由于SVD分解是不唯一的；对H进行SVD分解：H＝UΛV
H
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)令对角矩阵：利用对角矩阵的互易性，H＝UDΛD
‑1V
H
；把D吸收进U和V之后得到：于是有：对于任何相位式(4)都是SVD；传统的UCD预编码矩阵F的形式如下：其中，Φ＝diag(φ1,
…
,φ
L
)是对角矩阵，其第l个对角元素决定了第l个子信道的能量分配，具体通过注水功率分配法求解，是通过UCD分解获得的酉矩阵；经过预编码后等效信道H
eff
表示为：其中，为对角矩阵；用G
a
表示增广矩阵：其中，α定义为即噪声功率与信号功率之比；对G
a
做QR分解：G
a
＝QR
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)由于G
a
与Ω有关，R也与Ω有关；
通过UCD分解获得的Ω，使得R矩阵满足对角元素都相等；根据UCD中的定理，有：其中，ρ
l
表示第l流的信噪比，r
ll
表示R的第l个对角元素；R的对角元素都相等，使L流中每一流的信噪比都相等；由于UCD算法对于Ω的计算涉及到对G
a
矩阵的奇异值进行两两配对和Givens旋转操作，这表示在不同子载波上如果采用不同的配对和旋转方式会严重破坏等效信道在相邻子载波之间的平滑性，于是，对传统的UCD进行如下改进，使其更好地应对OFDM的场景；具体是在OFDM中，对于相邻的一簇M个子载波，使用同一个来尽可能保持等效信道在相邻子载波之间的平滑,即预编码矩阵的形式修正如下：其中，为向下取整操作；对右乘一个对角矩阵右乘一个对角矩阵新的增广矩阵为：则的QR分解：由于不会改变上三角矩阵的对角元素的绝对值，从(9)可知其不会影响任何流的信噪比；预编码P
(i)
的最终形式如下：那么第i个子载波上的等效信道为：通过调整D
(i)
和的对角元素的相位来提高等效信道在频域的光滑性，从而为后
续的信道估计带来方便，而该相位调整不会影响各个数据流的信噪比；(1.2)对于有L个正交子信道可以用来传输L个数据流；把所有N
f
个子载波上第l个子信道排列在一起，得到一个M
r
×
N
f
的矩阵根据傅里叶变换性质：其中，F为反傅里叶变换(IDFT)矩阵：其中，F为反傅里叶变换(IDFT)矩阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋轶，胡婉辰，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：