一種mimo系統(tǒng)的預編碼方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術領域，特別設及一種MIMO系統(tǒng)的預編碼方法。
【背景技術】
[0002] 多輸入多輸出（下文簡稱，MIMO)技術是新一代無線通信的主流技術，在很多超高 速無線局域網(WLAN)的標準中都有應用，例如IE邸802. Ilac協(xié)議等?；贛IMO的預編碼技 術能夠消除發(fā)送數(shù)據流之間的干擾，提高MIMO信道的容量，從而提高整個系統(tǒng)的吞吐率和 數(shù)據可靠性，因此成為超高速無線局域網中的關鍵技術之一。
[0003] 常見的用于硬件實現(xiàn)的預編碼算法中，基于迫零(下文簡稱，ZF)的方法最為簡單， 然而系統(tǒng)在低信噪比時對噪聲十分敏感，會放大噪聲的影響，使得預編碼性能并不理想;且 在系統(tǒng)天線數(shù)增多時，會設及到高階復矩陣的求逆，對硬件資源消耗較多。奇異值分解 (Singular化Iue Decomposition,下文簡稱SVD)的方法將MIMO信道分解成若干個平行的 子信道，可W提升系統(tǒng)的鏈路性能，然而其硬件實現(xiàn)方法極其復雜，尤其是在天線數(shù)增加到 多于2根時，無論是Golub-Kahan-Reinsch方法還是雅可比（Jacobi)類算法，都需要大量的 迭代，且每次迭代都設及到許多坐標旋轉數(shù)字計算（下文簡稱C0RDIC)模塊W及開方運算， 運使得資源的消耗呈指數(shù)級增長。
[0004] 無線通信系統(tǒng)原型機設計驗證的方案之一是基于FPGA(現(xiàn)場可編程口陣列）平臺 進行開發(fā)。FPGA是專用集成電路中集成度最高的一種，具有靜態(tài)可重復編程和動態(tài)在系統(tǒng) 重構的特性，靈活性高，處理速度快。但是FPGA資源是有限的，現(xiàn)有的方法計算復雜度高，需 要很大的硬件開銷。

【發(fā)明內容】

[0005] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種計算復雜度低，有效提高 預編碼性能的MIMO系統(tǒng)的預編碼方法。
[0006] 技術方案:本發(fā)明提供了一種MIMO系統(tǒng)的預編碼方法，包括W下步驟：
[0007] 步驟1:信道探測，顯式反饋信道狀態(tài)信息，獲取信道矩陣H;
[000引步驟2:對信道矩陣H進行分塊零化，得到準對角矩陣X和分塊初等列變換矩陣Q;
[0009] 步驟3:對準對角矩陣X進行分塊奇異值分解，得到酉矩陣V;
[0010] 步驟4:根據矩陣Q和矩陣V，得到預編碼矩陣W，進行預編碼。
[0011] 進一步，所述步驟1中獲取信道矩陣哺勺方法為：
[0012] 步驟Il=MIMO系統(tǒng)發(fā)射端通過4根天線發(fā)送一個空數(shù)據分組(下文簡稱NDP)帖；
[0013] 步驟12:接收端將接收信號同步后進行信道估計，得到并反饋信道矩陣H，包括如 下步驟：
[0014] 步驟121:采用差分延時相關符號同步方法獲取NDP帖開始位置信息，延時后得到 VHT-LTF起始位置；
[001引步驟122:經過離散傅里葉變換（下文簡稱FFT)將分組轉換到頻域后，根據VHT-LTF 字段通過最小方差算法計算出信道矩陣H，并反饋給發(fā)射端，信道矩陣H為4階復矩陣，同時， 信道矩陣H為n階方陣。
[0016] 進一步，所述步驟2中得到準對角矩陣X和分塊初等列變換矩陣Q的方法為：
[0017] 步驟21:對信道矩陣HW2X2分塊方式進行分塊，得到四個2X2子塊矩陣A、B、C、D， 表示為： r 1 " Ta Bl [001 引 H=CD;
[0019]步驟22:對分塊后的信道矩陣H進行分塊初等行變換和分塊初等列變換，使得信道 矩陣H變?yōu)闇蕦蔷仃囆问剑瑴蕦蔷仃囉洖閄，表示為： K 「X, O - 目 X」;：
[0021] 其中，Xi、X2均為2X2矩陣;相應的分塊初等行變換矩陣和分塊初等列變換矩陣分 另Ij記為巧PQ，其中H、X、P、Q都W子塊矩陣A、B、C、D為元素表示，且四者之間滿足關系H=PXQd
[0022] 進一步，所述步驟3中得到酉矩陣V的方法為：
[0023] 步驟31:采用基于厄米特矩陣的雙邊雅可比方法，對準對角矩陣X的子塊矩陣Xi、X2 分別進行2X2的SVD分解，得到矩陣Ul、Sl、Vl和U2、S2、V2，矩陣Ul、Sl、Vl和U2、S2、V2均為2X2矩 陣，且與Xi、拉滿足Xi =化SiViH和拉=化S2V2H的關系；
[0024] 步驟32:根據矩陣化、化、51、52、￥1、￥2和分塊原理得到四階矩陣11、5、￥，使得它們滿 足X的SVD分解關系式x=usyH。
[0025] 進一步，所述步驟4進行預編碼的方法為：
[0026] 步驟41:利用步驟2中獲得的分塊初等列變換矩陣Q和步驟3中獲得的酉矩陣V結合 公式W=QV得到系統(tǒng)的預編碼矩陣W;
[0027] 步驟42:根據4路發(fā)送信號的數(shù)據字段組成的向量a=[ai曰2曰3 a4]T和步驟41中得 到的W，結合公式X=Wa完成預編碼過程;其中，X為預編碼后的結果，由4根天線發(fā)射出去。
[0028] 有益效果:與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明能夠在不明顯影響預編碼性能的前提下，將高 階復數(shù)矩陣的運算降低為低階運算，有效減低了運算的復雜度，有效提高了運算的效率，同 時大大減少了直接對矩陣SVD分解所需的迭代次數(shù)，從而減少了硬件資源的開銷，再者有效 提高了預編碼性能。
【附圖說明】
[0029] 圖1為針對4 X 4信道矩陣求解預編碼矩陣的流程圖。
[0030] 圖2為IE邸802. Ilac協(xié)議物理層規(guī)定的4個流的NDP帖結構圖。
【具體實施方式】
[0031] 下面結合附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。
[00創(chuàng)實施例；
[0033]如圖1所示，根據本發(fā)明的較優(yōu)實施例，一種適用于硬件實現(xiàn)的基于準對角矩陣和 分塊SVD分解的預編碼矩陣求解方法，該方法可應用于IE邸802.1 Iac協(xié)議下MIMO無線系統(tǒng) 的預編碼模塊。主要包括W下步驟：
[0034] 步驟1:信道探測，顯式反饋信道狀態(tài)信息（下文簡稱CSI )，獲取信道矩陣H;具體步 驟為：
[0035] 步驟11:發(fā)射端通過4根天線發(fā)射一個NDP帖，其中，NDP帖的結構如圖2所示，VHT-SIG A字段的非探測位設為0,天線發(fā)送信號頻率為20MHz。
[0036] 步驟12:接收端將接收信號同步后進行信道估計得到并反饋4階復數(shù)信道矩陣H; 具體步驟如下：
[0037] 步驟121:采用差分延時相關符號同步方法獲取NDP帖開始位置信息，延時后得到 第一個VHT-LTF字段的起始位置；
[0038] 步驟122:經過FFT變換到頻域并去除保護間隔后，根據接收到的VHT-LTF字段計算 出四階信道估計矩陣H，之后采用顯式CSI反饋機制向發(fā)射端反饋信道矩陣H。
[0039] 步驟2:對信道矩陣H進行分塊零化，得到準對角矩陣X和分塊初等列變換矩陣Q;其 具體步驟為：
[0040] 步驟21:信道矩陣H為四階復矩陣，對信道矩陣HW2X2分塊方式進行分塊，得到四 個2X2子塊矩陣A、B、C、D，表示為：
[0042]步驟22:對分塊后的矩陣依次進行多次分塊初等行變換和多次分塊初等列變換， 使得H變?yōu)闇蕦蔷仃囆问剑瑴蕦蔷仃嚰磳蔷€上為矩陣塊的對角陣，該準對角矩陣記為 X，變換公式為：
[0044] 其中，在實際的信道矩陣中，A-般為可逆矩陣。Xi、X2均為2X2矩陣，P和Q為對應的 分塊初等行變換矩陣和分塊初等列變換矩陣，I為2階單位矩陣。式中運算只設及到2 X 2復 數(shù)矩陣的求逆和乘法加法運算。
[0045] 步驟3:對準對角矩陣X進行分塊奇異值分解(下文簡稱SVD)，得到酉矩陣V;
[0046] 步驟31:采用基于厄密特化ermitian)矩陣的雙邊雅可比（Jacobi)方法，對X的子 塊矩陣Xi、恥分別進行2 X 2的SVD分解，得到矩陣Ui、Si、Vi和化、S2、V2，運些矩陣均為2 X 2矩 陣，且與XI、拉滿足Xi = UiSiVi哺X2 =化S2V2H的關系，其中，ViH是Vi的共輛轉置矩陣。運里WXi 的2 X 2的SVD分解介紹具體步驟：
[0047] 步驟311:用Xi的共輛轉置與本身相乘得到矩陣M
[0049] 其中，M為厄密特矩陣，其對角線兩個元素為實數(shù)，非對角上元素共輛對稱，mi~m4 分別為厄密特矩陣M的四個復數(shù)元素的模，0為厄密特矩陣M的右上角元素的相位。
[0050] 步驟312:對矩陣M進行雙邊酉變換化為實數(shù)矩陣
[0化2]其中，ViW為酉變換矩陣。
[0053]步驟313:對步驟312中結果進行雙邊雅可比變換將其對角化，
[0055]其中，
[0化7]式中，Al~A2為最終結果的對角線元素。
[005引步驟314:根據步驟312、步驟313得到的矩陣ViW.ViW求得矩陣Vi,由于在求解預 編碼矩陣時可W不使用化，因此只給出符號表示并不?？谇蟪觯?br>[0060]步驟32:根據Ul、U2、Sl、S2、Vl、V2和分塊原理得到四階矩陣U、S、V，使得它們滿足X的 SVD分解關系式x=usyH。
[0062 ]步驟4:根據矩陣Q和矩