利用预编码解相关进行开环空间复用的方法与流程

本发明涉及MIMO领域，具体地，涉及一种利用预编码解相关进行开环空间复用的方法。

背景技术：
单频网络(SFN)操作可以用于从多个小区使用OFDM传输的广播/多播通信，在周期性的前缀长度内具有定时误差。在存在SFN操作时，广播SINR对于较小的小区配置可以非常高。所期待的是LTE系统将采用某种形式的MIMO技术用于单播通信。当多发射和接收天线以及多发射和接收链是可用的时，对于E-MBMS也采用MIMO的好处是合乎逻辑的。然而，单播和广播之间的关键差别在于只有“开环”MIMO技术能用于E-MBMS。这包括某种形式的发射分集或者多个流的“开环”空间复用。但是对于开环空间复用，它对于相关信道中的多播具有严格的限制。当UE非常靠近一个eNB时，从该基站接收到的功率比从其他基站接收到的功率强得多。另外，该eNB两个发射天线都具有到达UE接收机天线的直接路径，所述信道是典型的Rician或是说视线(LOS)信道。在这种情况下，信道响应矢量是强相关性的。因为是开环空间复用，不可以基于反馈信息获得来自发射机的正交补偿。结果是UE不再能对这两个符号进行解复用。存在几种可以改善LOS用户性能的方案。第一种方案并且是最简单的方案在不同的极化下发射不同的流。因此，双极化(crosspolarized)的UE接收天线将能够容易地分离这两个流，并且对所发射的数据进行解码。另一方面，利用先进的接收机(MMSE-SIC或MLD)也可以改善LOS用户的性能。但是因为双极化不能提供分集增益，不能将双极化天线应用于单播中的发射分集，例如STBC或SFBC。当其处于单播和MBMS混合载波模式、或者UE同时接收单播和MBMS业务时，eNB和UE天线配置将是随时间频繁变化的，所述配置导致复杂度的增加。另一方面，先进的接收机仍在研究之中，其性能和复杂度也正在检验。

技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种用于开环空间复用系统的预编码方法，用于减弱信道之间的相关性，以改善LOS用户性能。根据本发明的实施例，提出了一种信道预编码方法，应用于MIMO系统的开环空间复用系统，其中H是MIMO系统的信道传输矩阵，所述信道预编码方法对输入信道的信号进行预编码，使得所述信道传输矩阵的det(H′H)最大，从而允许开环空间复用系统实现最大容量。优选地，所述预编码使得MIMO系统的各层信号强度相等且彼此正交，即使得MIMO的信道传输矩阵H是正交对角矩阵。优选地，在预编码MIMO中，与特定的预编码矩阵E相对应的等效MIMO信道可以通过应用HE＝HE来重构。优选地，对于M*MMIMO系统，使用循环延迟分集CDD预编码方式对信道传输矩阵进行预编码。优选地，对于秩＝2的MIMO信道传输矩阵，与特定的预编码矩阵相对应的等效MIMO信道是所述预编码矩阵优选地，对于2*2MIMO系统，等效的MIMO信道是所述预编码矩阵E＝C，其中φk＝π。优选地，M*MMIMO系统，与特定预编码矩阵E相对应的等效MIMO信道传输矩阵是对角阵。优选地，对于2*2MIMO系统，与特定预编码矩阵E相对应的等效MIMO信道是优选地，其中λ＝0.333。优选地，对于M*MMIMO系统，与特定预编码矩阵E相对应的等效MIMO信道传输矩阵是下三角矩阵。优选地，对于2*2MIMO系统，与特定预编码矩阵E相对应的等效MIMO信道是优选地，所述预编码矩阵D具有以下形式：优选地，λ＝0.627并且根据本发明的另一个实施例，提出了一种信道预编码装置，应用于MIMO系统的开环空间复用系统，其中H是MIMO系统的信道传输矩阵，所述信道预编码装置对输入信道的信号进行预编码，使得所述信道传输矩阵的det(H′H)最大，从而允许开环空间复用系统实现最大容量。优选地，所述预编码装置使得MIMO系统的各层信号强度相等且彼此正交，即使得MIMO的信道传输矩阵H是正交对角矩阵。优选地，在预编码MIMO系统中，与特定的预编码矩阵E相对应的等效MIMO信道可以通过应用HE＝HE来重构。优选地，对于M*MMIMO系统，使用CDD预编码方式对信道传输矩阵进行预编码。优选地，对于秩＝2的MIMO信道传输矩阵，与特定的预编码矩阵相对应的等效MIMO信道是所述预编码矩阵优选地，对于2*2MIMO系统，等效的MIMO信道是所述预编码矩阵E＝C，其中φk＝π。优选地，对于M*MMIMO系统，与特定预编码矩阵E相对应的等效MIMO信道传输矩阵是对角阵。优选地，对于2*2MIMO系统，与特定预编码矩阵E相对应的等效MIMO信道是优选地，其中λ＝0.333。优选地，对于M*MMIMO系统，与特定预编码矩阵E相对应的等效MIMO信道传输矩阵是下三角矩阵。优选地，对于2*2MIMO系统，与特定预编码矩阵E相对应的等效MIMO信道是优选地，其中所述预编码矩阵D具有以下形式：优选地，λ＝0.627并且根据本发明实施例的技术方案具有如下有益效果：预编码可以最大程度地减弱空间复用系统中信道相关性的影响，UE可以非常好地使用解复用并且检测信号，这大大地改善了E-MBMS服务传输质量，另外没有引入任何附加的复杂性；适用于MBSFN中的开环MIMO。附图说明根据结合附图的以下描述，本发明的优点将变得易于理解，其中：图1示出了预编码MIMO信道；图2a示出了利用预编码矩阵的解相关效果，即方法1中的ρ，φk＝0；图2b示出了两层信号强度的相应比率，即方法1中的p，φk＝0；图3a示出了利用预编码矩阵的解相关效果，即方法1中的ρ，φk＝π/6；图3b示出了两层信号强度的相应比率，即方法1中的p，φk＝π/6；图4a示出了利用预编码矩阵的解相关效果，即方法2中的ρ，λ＝0.627；图4b示出了两层信号强度的相应比率，即方法2中的p，λ＝0.627；图5a示出了利用预编码矩阵的解相关效果，即方法2中的ρ，λ＝0.333；图5b示出了两层信号强度的相应比率，即方法2中的p，λ＝0.333；图6a示出了利用预编码矩阵的解相关效果，即方法3中的ρ，λ＝0.627；图6b示出了两层信号强度的相应比率，即方法3中的p，λ＝0.627；图7a示出了利用预编码矩阵的解相关效果，即方法3中的ρ，g1＝1.414；图7b示出了两层信号强度的相应比率，即方法3中的p，g1＝1.414；图8示出了在链路级仿真时方法2的性能，其中λ＝0.333；图9示出了UE接收的BLER曲线；图10示出了相关性的相应CDF；图11示出了UE接收的BLER曲线，其中图11a示出了UE在小区内300m半径区域内移动的结果，而图11b使出了UE在小区内100m半径区域内移动的结果；图12再次示出了相关性的相应CDF具体实施方式现在对本发明的实施例提供详细参考。为解释本发明将参考附图描述下述实施例。公知的是E-MBMS性能通常由小区边缘用户的“中断(outage)”概率要求来确定的。然而，小区边缘用户可以从多个小区接收E-MBMS信号。单频网络(SFN)操作时，对于小区边缘用户的SINR可能相对较高，例如对于大多数常用小区规模10.0dB或以上。对于小区边缘用户这些较高的SINR可以通过MIMO空间复用转换为对于E-MBMS的较高数据率和容量。注意：如果没有空间复用，多播/广播容量将随着高SINR区域中的SINR对数性地增加。已经指出了开环发射分集对于利用SFN操作的广播几乎没有分集增益。但是对于开环空间复用，对于相干信道的多播也具有严格的限制，例如LOS。在本发明的实施例中，提出了一种开环预编码方法，用于当UE在用于广播空间复用的eNB附近时抵抗信道相关性。下面以2*2传输信道矩阵为例概括地说明根据本发明实施例的预编码方法。对于由信道矩阵定义的两个发射机、两个接收机的[2Tx，2Rx]系统，有允许开环空间复用系统实现其最大容量的这种类型的信道矩阵是使det(H′H)最大化的信道矩阵。如果给出所接收到的信号强度是常数，即|h11|2+|h12|2+|h21|2+|h22|2＝c，该条件可以转化为以下关系：|h11|2+|h21|2＝|h12|2+|h22|2(1)等式(1)表示这两层具有相等的信号强度，等式(2)表示这两层的信道矢量彼此正交。在测量所述信道的鲁棒性时，需要利用某些性质对其进行归一化。在本发明的研究期间，使用来表示两层的信号强度的比率，并且使用来表示两层的信道系数的相关性。应该理解的是，2*2MIMO传输信道是最简单的MIMO系统。为了简单起见，本发明的以下部分只以2*2MIMO传输系统为例进行描述。但是本领域普通技术人员应该理解，本发明以下实施例所述的方法也可应用于多于2个单元的MIMO系统，只需要根据本发明的原理应用于所述MIMO系统的单元个数相对应的预编码矩阵。根据本发明第一实施例的方法1如图1所示，在预编码MIMO中，输入符号是由E唯一变换得到的。与特定的预编码矩阵E相对应的等效MIMO信道可以通过应用HE＝HE来重构。每一个UE知道所述预编码方法，并且基于HE来解调制预编码的流。通常，对于秩＝2，2*2SU-MIMO中预编码的代码簿是[3GPP36.211]。不失一般性，首先使用E0进行分析。通过使用具有由发射和接收参数ρt和ρr参数化的相关性的KroneckerMIMO模型，可以简化分析。所述信道矩阵由以下等式给出：其中在假设矩阵RR和RT分别与发射和接收元件无关、保持不变的条件下，RR是接收相关性矩阵，RT是发射相关性矩阵。对于[2Tx，2Rx]系统，RR、RT矩阵具有以下形式：Hw为空间白矩阵。Hw的元素可以模拟为零均值圆对称复高斯随机变量。也就是说，Hw与天线的相关性无关。为了简化分析，在本发明中所应用的信道模型是来自给定节点B的两个发射天线是完全相关的，并且UE在两个不相关的接收天线上接收(如在SCM中典型的)。那么，信道矩阵是与特定的预编码矩阵相对应的等效MIMO信道是令ρ＝ρt是预编码之前两层的信道系数，并且在预编码之后可以推导出信道系数和这两层的信号强度比率的相关性如下：ρpre-coded＝0，因为尽管这两层的信道矢量彼此正交，这两层具有完全不同的信号强度，因此结果并不太好。例如，如果ρ＝0.86，ppre-coded＝11dB，这表示两层的不平衡最高可达11dB。因此，可以尝试其他预编码方案，循环延迟分集(CDD：CyclicDelayDiversity)预编码。假设采用的是频域CDD。在这种情况下，复合预编码器是组合了基于傅立叶预编码和基于相移的CDD延迟，如下所述。等效的MIMO信道是那么，可以推导出信道系数与这两层的信号强度比率的相关性如下：可以发现：代码簿预编码是CDD预编码中φk＝0或φk＝π/2的特定情况。Ppre-coded＝P(8)ρpre-coded和ppre-coded进行了折衷，并且理想的φk允许系统实现其最大解复用性能。下面参考附图描述根据本发明第一实施例的方法1的数值仿真结果。图2a示出了利用预编码矩阵的解相关效果，即方法1中的ρ，φk＝0。图2b示出了两层信号强度的相应比率，即方法1中的p，φk＝0。尽管在这种情况下的解相关效果非常明显，这两层的信号强度差也非常大。图3a示出了利用预编码矩阵的解相关效果，即方法1中的ρ，φk＝π/6。图3b示出了两层信号强度的相应比率，即方法1中的p，φk＝π/6。增加CDD预编码的φk可以降低两层的信号强度差，但是因此将减弱解相关效果。由于MBSFN环境中非常高的SNR，15dB的不均衡是可接受的。应该理解的是，对于M*MMIMO系统，可以使用CDD预编码方式对信道传输矩阵进行预编码。根据本发明第二实施例的方法2可以尝试另一种预编码方法。为了实现正交信道矩阵的直接方法是：与特定预编码矩阵E相对应的等效MIMO信道是因此，预编码矩阵E具有以下形式：g是归一化系数。例如，当ρ＝0.99时λ＝0.867；ρ＝0.9时λ＝0.627；以及ρ＝0.8时λ＝0.5。在该方法中，如下设置预编码矩阵：等效的MIMO信道是那么可以推导出信道系数与这两层的信号强度比率的相关性如下：ppre-coded＝P(10)图4a示出了利用预编码矩阵的解相关效果，即方法2中的ρ，λ＝0.627。图4b示出了两层信号强度的相应比率，即方法2中的p，λ＝0.627。尽管在这种情况下的解相关效果非常明显，当处于NLOS环境中时，也可以破坏这两层的解相关。在前一个部分中，当λ＝0.627时，那么预编码后这两层的相关性如下表所示：ρ0.10.20.30.40.50.60.70.80.9ρpre-coded0.880.850.820.780.730.650.540.360.001当λ＝0.333时，那么预编码后这两层的相关性如下表所示：ρ0.10.20.30.40.50.60.70.80.9ρpre-coded0.530.450.370.260.140.00060.170.380.65图5a示出了利用预编码矩阵的解相关效果，即方法2中的ρ，λ＝0.333。图5b示出了两层信号强度的相应比率，即方法2中的p，λ＝0.333。降低预编码矩阵的λ可以使得NLOS和LOS环境中预编码之后的两层的相关性平衡。基于前述分析和图5中的数值仿真，λ＝0.333是合适的。本领域的普通技术人员应该理解，对于M*MMIMO系统，与特定预编码矩阵E相对应的等效MIMO信道传输矩阵是对角阵。根据本发明第三实施例的方法3可以尝试第三种预编码方法。为了实现正交信道矩阵的直接方法是：与特定预编码矩阵E相对应的等效MIMO信道是因此，预编码矩阵具有以下形式：g是归一化系数。例如，当ρ＝0.997时λ＝0.86；ρ＝0.9时λ＝0.627；以及ρ＝0.8时λ＝0.5。在该方法中，如下设置预编码矩阵：等效MIMO信道是那么可以推导出信道系数以及两层的信号强度比率的相关性如下：方法3的数值仿真如下所述。图6a示出了利用预编码矩阵的解相关效果，即方法3中的ρ，λ＝0.627。图6b示出了两层信号强度的相应比率，即方法3中的p，λ＝0.627。尽管在这种情况下的解相关效果是足够的，相反地，当其处于NLOS环境中时，两层的信号强度差变得非常大。在4.2.3部分中，如果λ＝0.627，那么如图6b所示，当ρ→0时，预编码之后的两层信号强度的比率推导出为7dB。可以向第一层添加额外的增益以使NLOS和LOS环境中预编码之后的两层信号强度平衡。图7a示出了利用预编码矩阵的解相关效果，即方法3中的ρ，g1＝1.414。图7b示出了两层信号强度的相应比率，即方法3中的p，g1＝1.414。图中示出了预编码之后偏移了3dB的曲线。本领域普通技术人员应该理解，对于M*MMIMO系统，与特定预编码矩阵E相对应的等效MIMO信道传输矩阵是下三角矩阵。通过预编码方法在开环SM中的LOS环境进行信号解相关必须在其他方面做出牺牲。例如，方法1和方法3中两层信号强度的均衡、以及方法2中NLOS环境中两层的相关。基于所述分析和数值仿真，这些预编码是SF中开环SM的可行解决方案。方法1：φk＝π；(13)方法2：λ＝0.333；(14)方法3：λ＝0.627，并且这里认为SFN操作中的SNR高得足以抵抗两层信号强度之间的差(最高10dB)。还应该理解的是，本发明以上实施例所述的步骤也可以提供一种信道预编码装置来实现，所述信道预编码装置执行如上所述的信道预编码方法。这里对方法1所推荐的CDD预编码和方法2所推荐的对角线预编码进行仿真以观察性能。下面示出了系统的链路级别仿真结果。主要的链路级仿真参数列在表1中。表1链路仿真假设图8示出了在链路级仿真时方法2的性能。这里λ＝0.333。从图8中可以发现在高信道相关性的情况下，预编码至少可以提2dB的增益。但是更重要的事情是：预编码可以改变相关性的CDF。因此从统计的角度考虑，系统级仿真结果可以说明更多好处。下面描述了系统级仿真结果。主要的系统级仿真参数在表2中列出。表2系统级仿真假设图9示出了UE接收的BLER(BlockErrorRate)曲线，物理链路是16QAM，2/3turbo编码以及2*2开环空间复用系统，因此发射效率约是3.84bit/s/Hz，不考虑开销。图9a是UE在小区内300m半径区域移动的结果，以及图9b是UE在小区内100米半径区域内移动的结果。使用预编码方法的方法2，其中λ＝0.333。在图10中再次示出了相关性的相应CDF。通常在空间信道模型中，将LOS的可能性定义为在0距离处为1，并且线性降低直到d＝300m处的截止点，在所述截止点LOS可能性为0。对于LOS的情况，RiceanK因子是基于K＝13-0.03*d(dB)的简化版本，其中d是MS和BS之间以米为单位的距离。所以当UE在eNB附近时，不管是固定的还是在有限区域内移动，由于LOS导致的信道相关性将非常大。如图10a所示，在这种情况下，有59％的可能性相关性＞0.9，并且看来有42％的可能性相关性＞0.95。这将引起接收性能下降地更多。如图10b所示，平均BLER最高可达11％。预编码可以减弱空间复用系统中信道相关性的影响。最终效果是平均BLER降低至3％，这与NLOS的效果类似。但是当UE远离eNB、或者在较大区域内移动时，相关性与NLOS的相关性重叠，如同图9a和图9b所示，不能提供更多增益。图11示出了UE接收的BLER曲线，物理链路是16QAM、2/3Turbo编码、和2*2SM，因此不考虑开销的传输效率是约3.84bit/s/Hz。图为10a使出了UE在小区内300m半径区域内移动的结果，而图11b使出了UE在小区内100m半径区域内移动的结果。使用了方法1的预编码方法，其中φk＝π。图12再次示出了相关性的相应CDF。预编码可以减弱空间复用系统中信道相关性的影响。如图12b所示，在预编码之后，有17％的可能性相关0.9，并且可以看出有9％的可能性相关性＞0.95。最终效果是平均BLER降低至2％，甚至低于如图11b所示的NLOS的平均BLER。当UE远离eNB或者在较大区域内移动时，增益没有那么多，如图11a那样。甚至平均BLER从5％降低至2.5％。本发明解决方案的优点在于：1)预编码可以最大程度地减弱空间复用系统中信道相关性的影响。在预编码之后在LOS信道中有9％的可能性相关性＞0.95。然而如果没有预编码，该数字是42％；2)UE可以非常好地使用解复用并且检测信号，这大大地改善了E-MBMS服务传输质量，参见仿真结果，另外没有引入任何附加的复杂性；3)适用于MBSFN中的开环MIMO。本发明具有良好的检测能力：首先，本发明定位于3GPPLTE+和中国4G的潜在标准化；其次，在空中接口上要求许多特定的控制信令，例如由eNB表示的代码簿，eNB和UE两者必须都知道所应用的预编码方案，并且确保所述预编码方案是可检测的。本领域普通技术人员可以理解：实施上述实施例方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，执行该程序时执行根据本发明实施例的以上方法的步骤，所述存储介质可以是ROM/RAM、磁盘、光盘等存储介质。尽管已经示出和描述了本发明的一些实施例，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求及其等价物所限定的本发明的原理和范围的情况下，可以在对以上实施例中做出变化。