[发明专利]一种自适应MIMO传输系统的数据传输方法

权利要求书

1.一种自适应MIMO传输系统的数据传输方法，其特征在于：

(a)下行链路中，基站端根据移动台反馈的传输信道质量，即接收信号信噪比和多普勒频移，自适应选择准正交空时分组编码的编码方式和发射天线的维数，而移动端则相应采用合适的接收天线维数以及解码方式；

(b)上述下行链路中，当反馈信号显示信号接收信噪比较低时，基站端将采用基于分圆格技术的准正交空时编码以降低系统解码错误率，并根据测量的多普勒频移自动选择发射天线或编码矩阵的维数：移动速度慢时采用多天线发送信号以获得较高编码增益和系统信道容量；而移动速度较快时则采用多天线拆分分组降维的方式以克服多普勒频移对解码性能的影响；

(c)上述下行链路中，当反馈信号显示信号接收信噪比较高时，基站和移动台将采用传统准正交编解码方式；

(d)上行链路中，鉴于基站端软硬件资源丰富的特点，系统将统一采用基于分圆格技术的准正交空时编解码方法，以获得最优的解码性能。

2.如权利要求1所述的自适应MIMO传输系统的数据传输方法，其特征在于，所述下行链路中，信号接收信噪比高低由系统根据具体的移动通信多径衰落及时延确定：对于常用的码片级多径指数衰落，高低信噪比的界限可设定为15dB；对于山区大回声等功率衰落信道，高低信噪比界限可设为18dB；对于大回声深衰落信道，高低信噪比界限可设定为28dB；

所述下行链路中，信号多普勒频移的高低由系统根据移动终端的移动速度、系统载频、和下行传输速率综合确定；一般而言，以现有3G系统为例，可设定移动速度5至10公里/小时为移动速度快慢的标志，其所对应的多普勒频移数值则为多普勒频移高低的界限。

3.如权利要求1所述的自适应MIMO传输系统的数据传输方法，其特征在于，包括：

构造一个最优的分圆格，设分圆格维数为4，定义为：

其中v和b是四维列向量，m＝6，是一个复数域中的环，代表整数环，ω是一个实变量，用于最后实现能量归一化，G为分圆格的生成矩阵，定义为：

G=λλ2λ3λ4λ7λ14λ21λ28λ13λ26λ39λ52λ19λ38λ57λ75,]]>λ＝e^jπ/15

所述分圆格中包含有16⁴＝65536个四维格点，根据填充密度理论，从65536个格点中，选择能量最小的256个格点组成所需的分圆格；

在MIMO多天线传输系统下行链路中，基站作为发射端向移动终端发送信号，移动终端中的信道估计单元，根据导频信号或盲检测算法计算出各无线通信信道的信道复增益，从而获得信道信噪比，同时估算各信道上的多普勒频移，以确定信道变化快慢；根据信噪比与多普勒频移确定基站端编码方式以及移动终端的解码方式；具体有4种情形：

情形1、当下行链路具有低信噪比、低多普勒频移特性时，采用8个发射天线、8个时隙的编码方式，以获得较大分集增益与信道容量；准正交空时分组码编码方式如下：

C=x1x2x3x4x5x6x7x8x2*-x1*x4*-x3*x6*-x5*x8*-x7*x3-x4-x1x2x7-x8-x5x6x4*x3*-x2*-x1*x8*x7*-x6*-x5*x5-x6x7-x8-x1x2-x3x4x6*x5*x8*x7*-x2*-x1*-x4*-x3*x7x8-x5-x6-x3-x4x1x2x8*-x7*-x6*x5*-x4*x3*x2*-x1*]]>

接收端的一个接收天线接收到的信号表示为：

Y=ρ/NTCH+N]]>

其中H为信道矩阵，N中每个元素为复高斯白噪声，ρ为信噪比，N_T为发射天线数，展开后写成：

y1y2y3y4y5y6y7y8=ρ/NTx1x2x3x4x5x6x7x8x2*-x1*x4*-x3*x6*-x5*x8*-x7*x3x4-x1x2x7-x8-x5x6x4*x3*-x2*-x1*x8*x7*-x6*-x5*x5-x6x7-x8-x1x2-x3x4x6*x5*x8*x7*-x2*-x1*-x4*-x3*x7x8-x5-x6-x3-x4x1x2x8*-x7*-x6*x5*-x4*x3*x2*-x1*·h1h2h3h4h5h6h7h8+n1n2n3n4n5n6n7n8]]>

对偶数行取共轭：

y1y2*y3y4*y5y6*y7y8*=ρ/NTh1h2h3h4h5h6h7h8-h2*h1*-h4*h3*-x6*h5*-x8*h7*-h3h4h1-h2-h7h8h5-h6-h4*-h3*h2*h1*-h8*-h7*h6*h5*-h5h6-h7h8h1-h2h3-h4-h6*-h5*-h8*-h7*h2*h1*h4*h3*-h7-h8h5h6h3h4-h1-h2-h8*h7*h6*-h5*h4*-h3*-h2*h1*·x1x2x3x4x5x6x7x8+n1n2*n3n4*n5n6*n7n8*]]>

记作这一过程，将编码特性转移到了信道矩阵当中；

然后进行匹配滤波：即将等式两端同时左乘矩阵(H')^H，得到：(H′)HY′=ρ/NT(H′)HH′x+(H′)HN′,]]>并将该式记作Y′′=ρ/NTH′′x+N′′,]]>很明显奇数行与偶数行不一样，因此分为奇偶两部分：

yodd=ρ/NTH~oddxodd+n~oddyeven=ρ/NTH~evenxeven+n~even---(1)]]>

式中下标odd和even分别表示奇数和偶数，对两部分的信道矩阵分别作奇异值分解：

H~odd=VoddSoddVoddH=VoddDoddDoddVoddHH~even=VevenSevenVevenH=VevenDevenDevenVevenH]]>

式中V_odd和V_even是酉矩阵，D_odd和D_even是对角矩阵；由于和的协方差矩阵不是对角矩阵，因此和都是色噪声；需要对这两部分噪声分别做白化处理，设计的白化滤波器为：

Fodd=Dodd-1VoddHFeven=Deven-1VevenH]]>

左乘到式(1)两端，得到：

(Dodd-1VoddH)yodd=ρ/NT(Dodd-1VoddH)H~oddxodd+(Dodd-1VoddH)n~odd(Deven-1VevenH)yeven=ρ/NT(Deven-1VevenH)H~evenxeven+(Deven-1VevenH)n~even]]>

y^odd=ρ/NTDoddVoddHxodd+(Dodd-1VoddH)n~oddy^even=ρ/NTDevenVevenHxeven+(Deven-1VevenH)n~even---(2)]]>

在发射端，数据比特流分为奇偶两组，分别进行格映射，并根据接收端反馈的信息分别进行预编码：

xodd=Voddsoddxeven=Vevenseven]]>

在接收端进行信号处理时，将上式代入式(2)后，就得到：

y^odd=ρ/NTDoddsodd+n^oddy^even=ρ/NTDevenseven+n^even]]>

合并后记作

y′′=ρ/NTDs+w]]>

其中D是对角矩阵，w为复高斯白噪声，由上式可见，预编码保证了s中各元素之间不存在相关性，提高了解码的准确性；

在已知信道增益的情况下，对多个接收天线中接收到的信号进行判优，选择性能最好的进行译码，从而获得原始发送符号；

情形2、当下行链路仍具有低信噪比、但处于高速移动环境亦即具有高多普勒频移特性时，整个8×4的MIMO传输系统分为2个4×2的子系统，采用的编码方式如下：

C=x1x2x3x4x2*-x1*x4*-x3*x3-x4-x1x2x4*x3*-x2*-x1*]]>

对于一个接收天线，接收信号同样的，先转移编码特性：

y1y2*y3y4*=ρ/NTh1h2h3h4-h2*h1*-h4*h3*-h3h4h1-h2-h4*-h3*h2*h1*·x1x2x3x4+n1n2*n3n4*]]>

记作进行匹配滤波，即左乘(H')^H，得到：

(H′)HY′=ρ/NT(H′)HH′x+(H′)HN′,]]>记作Y′′=ρ/NTH′′x+N′′.]]>

此处H″为4×4的矩阵，与之前“情形1”不同，可以直接进行奇异值分解，从而得到预编码所需的V；

对H″进行奇异值分解得到：H″=VSV^H=VDDV^H，得到预编码所需要的V，噪声白化滤波器：F=D^-1V^H，最终得到

移动终端中，每2个接收天线分为一组，将上述计算推广到2个接收天线之后，对2个接收天线上的接收信号进行联合检测；

情形3、当下行链路信噪比比较高时，发射端采用准正交编码方式，接收端则采用最大似然译码；

情形4、在MIMO多天线传输系统上行信道中，移动终端作为发射端向基站发送信号；在上行链路中，全部选择基于分圆格的准正交分组码编解码方式以获得最优解码性能；此时发射天线数目为4，采用4×4的准正交空时分组码编码方式：

C=x1x2x3x4x2*-x1*x4*-x3*x3-x4-x1x2x4*x3*-x2*-x1*]]>

在上行链路中，收发两端编解码过程同下行链路中的情形2，最终的接收信号有8组，基站端有条件可以先进行最优判决，选择性能最好的一组信号进行译码。