專利名稱：低復(fù)雜度的預(yù)編碼調(diào)制矩陣生成方法及其預(yù)編碼調(diào)制方法
低復(fù)雜度的預(yù)編碼調(diào)制矩陣生成方法及其預(yù)編碼調(diào)制方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，可以應(yīng)用于具有電磁環(huán)境認知能力的寬帶無線通信系統(tǒng)，特別涉及一種低復(fù)雜度的預(yù)編碼調(diào)制矩陣生成方法及其預(yù)編碼調(diào)制方法。
背景技術(shù)：
信息論的巨大貢獻，在于其建立了通信信道中以任意低差錯概率進行信息傳輸?shù)乃俾蕵O限，該極限被稱為信道容量。對于一般的多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)而言，其信道容量是在發(fā)射信號為高斯分布的條件下獲得的。受到信息理論研究成果的影響，假設(shè)發(fā)射信號為高斯分布，研究如何利用預(yù)編碼技術(shù)提升通信系統(tǒng)的傳輸速率成為一直以來的熱點問題。
盡管如此，實際系統(tǒng)中卻難以實現(xiàn)基于高斯分布的發(fā)射信號，而更多的采用由各種形狀的星座點組成的發(fā)射信號，例如，脈沖幅度調(diào)制(PAM)、相移鍵控調(diào)制(PSK)以及正交幅度調(diào)制(QAM)等。這些實際系統(tǒng)中用到的發(fā)射信號與高斯發(fā)射信號有很大的區(qū)別。首先，受限于通信系統(tǒng)的器件約束，實際發(fā)射信號都是幅度受限的，而高斯信號的幅度卻可以從負無窮取到正無窮。其次，實際發(fā)射信號是取自于離散的星座點，而高斯信號是連續(xù)變化的。采用連續(xù)信號作為發(fā)射信號，受到噪聲的影響后，在接收端恢復(fù)該發(fā)射信號的難度非常大。
由于實際發(fā)射信號與高斯信號的顯著差異，將已有研究中基于高斯發(fā)射信號的預(yù)編碼技術(shù)應(yīng)用到實際系統(tǒng)中，會導(dǎo)致性能的急劇惡化。沿用信息論中的概念，我們稱實際調(diào)制約束下，系統(tǒng)最大的傳輸速率為調(diào)制約束的互信息。設(shè)計能夠提升調(diào)制約束下互信息的預(yù)編碼調(diào)制方法對實際系統(tǒng)意義重大。
然而，以預(yù)編碼矩陣為變量優(yōu)化調(diào)制約束的互信息難度很大。首先，優(yōu)化過程需要多個迭代步驟，而每一個迭代步驟需要多次計算目標函數(shù)及其梯度(最小均方誤差MMSE) 矩陣。調(diào)制約束的互信息及其相對于預(yù)編碼的梯度矩陣包含多重積分且沒有閉合表達式， 計算復(fù)雜。到目前為止，沒有較好的方法能提供低復(fù)雜度，可供實用的最大化調(diào)制約束互信息的預(yù)編碼調(diào)制方法。
本發(fā)明給出一種低復(fù)雜度的預(yù)編碼調(diào)制矩陣生成方法。它利用一個新的度量標準調(diào)制約束互信息的下界。這個下界可以用來替代原度量標準，成為預(yù)編碼設(shè)計的準則。 它具有以下優(yōu)點1)新的設(shè)計準則不包含多重積分，計算復(fù)雜度低；2)新的準則在高信噪比和低信噪比下具有漸進最優(yōu)性，即采用新的準則與原準則(調(diào)制約束下互信息)在高信噪比和低信噪比下設(shè)計出來的預(yù)編碼是一樣的；3)新的準則加上一個確定的常數(shù)后，能夠在不同信道條件和調(diào)制信號下近似原準則，即在任意信噪比下，新準則都能夠保證性能。經(jīng)過大量實驗驗證，采用本發(fā)明生成的預(yù)編碼調(diào)制矩陣在不降低系統(tǒng)性能的前提下，極大的降低了設(shè)計的計算復(fù)雜度。發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題
本發(fā)明的目的是提出一種低復(fù)雜度的預(yù)編碼調(diào)制矩陣生成方法及其預(yù)編碼調(diào)制方法，為具有電磁環(huán)境認知能力的寬帶無線通信系統(tǒng)提供高數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Γ瑫r滿足低計算復(fù)雜度的需求。
( 二)技術(shù)方案
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種低復(fù)雜度的預(yù)編碼調(diào)制矩陣生成方法， 包括步驟a.將調(diào)制約束互信息的下界IJP)替代難以計算的調(diào)制約束互信息I (P) ；b.生成基于最大化IJP)的最優(yōu)預(yù)編碼調(diào)制矩陣P5。
優(yōu)選地，所述基于最大化IJP)的最優(yōu)預(yù)編碼調(diào)制矩陣Pa的生成方法包括步驟
SO :將預(yù)編碼調(diào)制矩陣P用奇異值分解表示，P = UpEpVpff，其中Up和Vp為酉矩陣，分別稱為P的左奇異矩陣和右奇異矩陣，Pff為矩陣共軛轉(zhuǎn)置，E p為對角矩陣，其平方稱為功率分配矩陣；X = Diag(I^)為列向量，由的對角元素組成，稱為功率分配向量； 同理，對隊X Nt信道矩陣H亦進行奇異值分解H = UhEhV^ ；
SI :初始化；給定初始功率分配向量\ (c0，滿足1TX w = Nt，其中I為全I的列向量，(qT為轉(zhuǎn)置運算；給定初始右奇異矩陣vf,滿足(vff Vf = I,其中I為單位矩陣， (0^為矩陣共軛轉(zhuǎn)置；并令迭代次數(shù)n = I，給定最大迭代次數(shù)nM ;
S2 :確定預(yù)編碼調(diào)制矩陣P的左奇異矩陣Up ;令Up等于信道H的右奇異矩陣Vh ；
S3 :更新功率分配向量；即求解如下以\為變量，Vp等于常量V廣的優(yōu)化問題
權(quán)利要求
1.一種低復(fù)雜度的預(yù)編碼調(diào)制矩陣生成方法，其特征在于，包括步驟a.將調(diào)制約束互信息的下界IJP)替代難以計算的調(diào)制約束互信息I(P);b.生成基于最大化IJP)的最優(yōu)預(yù)編碼調(diào)制矩陣P5。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述基于最大化IJP)的最優(yōu)預(yù)編碼調(diào)制矩陣Pa的生成方法包括步驟50:將預(yù)編碼調(diào)制矩陣P用奇異值分解表示，P = UpEpVpff，其中Up和Vp為酉矩陣，分別稱為P的左奇異矩陣和右奇異矩陣，Pff為矩陣共軛轉(zhuǎn)置，E p為對角矩陣，其平方稱為功率分配矩陣；X = Diag(I^)為列向量，由的對角元素組成，稱為功率分配向量；同理，對 NrXNt信道矩陣H亦進行奇異值分解H = UhEh< ；51:初始化；給定初始功率分配向量入((1)，滿足It入(c0 =Nt，其中I為全I的列向量，(Qr為轉(zhuǎn)置運算；給定初始右奇異矩陣Vf ,滿足CVf f Vf =I ,其中I為單位矩陣，Pff為矩陣共軛轉(zhuǎn)置；并令迭代次數(shù)n : = I，給定最大迭代次數(shù)nM ;52:確定預(yù)編碼調(diào)制矩陣P的左奇異矩陣Up ;令Up等于信道H的右奇異矩陣Vh ；S3:更新功率分配向量；即求解如下以\為變量，Vp等于常量V廣的優(yōu)化問題
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟S3進一步包括步驟531:初始化；令
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟S4進一步包括步驟541:初始化；令
5.一種預(yù)編碼調(diào)制方法，其特征在于，包括在發(fā)送端利用權(quán)利要求1-4中任意一項所述的低復(fù)雜度的預(yù)編碼調(diào)制矩陣生成方法來生成預(yù)編碼調(diào)制矩陣，然后用該矩陣對發(fā)送信號做預(yù)處理。
全文摘要
本發(fā)明是一種低復(fù)雜度的預(yù)編碼調(diào)制矩陣生成方法及其預(yù)編碼調(diào)制方法，該預(yù)編碼調(diào)制矩陣生成方法包括步驟a.將調(diào)制約束互信息的下界替代難以計算的調(diào)制約束互信息；b.生成基于最大化下界的最優(yōu)預(yù)編碼調(diào)制矩陣。本發(fā)明能夠為具有電磁環(huán)境認知能力的寬帶無線通信系統(tǒng)提供高數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，同時滿足了低計算復(fù)雜度的需求。
文檔編號H04L1/06GK102546125SQ201110418759
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者曾維亮, 肖承山, 陸建華, 陶曉明 申請人:清華大學(xué)