CN101166052B - 一种多输入多输出系统的预编码方法及使用该方法的设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多输入多输出系统的预编码方法及使用该方法的设备，其中该方法包括：步骤A，用户接收机根据资源块的位置从包括多个码本的多码本中确定对应的码本，并从确定的码本中选择对应的码字索引发送给基站发射机；步骤B，基站发射机根据待发送数据所在的资源块的位置从包括多个码本的多码本中确定对应的码本，并根据码字索引从确定的码本中选择码字后，利用选择的码字对待发送数据进行预编码。本发明采用多码本进行预编码，增加了预编码矩阵的多样性，从而提高了等效信道的动态范围，因此有效地提升了多用户调度的性能。

Description

一种多输入多输出系统的预编码方法及使用该方法的设备

技术领域

本发明涉及一种多天线无线通信系统中的预编码和多用户调度技术，更具体地，涉及一种多输入多输出系统的预编码方法及使用该方法的设备。

背景技术

未来无线通信系统要求能提供越来越高的信息传输速率和通信质量。为了在有限的频谱资源上实现这一目标，MIMO(Multi Input Multi Output，多输入多输出)技术已成为未来无线通信中所采用的必不可少的手段之一。

在MIMO系统中，发送端利用多根天线进行信号的发送，接收端利用多根天线进行信号的接收。研究表明，相比于传统的单天线传输方法，MIMO技术可以显著的提高信道容量，从而提高信息传输速率。

同时，在MIMO系统中采用预编码(pre-coding)的发送方法可以有效提高MIMO系统的性能。预编码的基本思想是根据当前的信道信息，对待发送数据在发送之前进行预处理，包括线性处理和非线性处理等。

MIMO预编码是一种闭环的传输技术，根据其所需反馈信息形式的不同，可以分为两种，基于码本(Codebook)的预编码和基于非码本(Non-Codebook)的预编码。

在基于码本的MIMO预编码中，发送端和接收端在通信前事先设定某一个码本，其中包含若干预编码码字(Codeword)。在每个资源块(ResourceBlock，RB)发送之前，接收端都会根据当前的信道特性，从该码本中选取一个认为最好的预编码码字(此时，如果发送端采用该码字进行预编码后发送，接收端会有最好的性能)，并将该码字在码本中所对应的索引(Index)反馈给发送端。发送端再根据反馈信息，从码本中选取与该索引相对的码字对发送信号进行预编码。也就是说，基于码本的预编码中，反馈信息的形式为码字所对应的索引。

与基于非码本的预编码相比，基于码本的预编码可以有效的降低信道的反馈开销，是一种更为实用的预编码技术。

现有的解决方案中，基于码本的预编码技术对于所有的时频空间上的所有资源块采用单个固定的码本。

对于考虑用户公平性的多用户调度来说，用户的信道特性波动越大，调度的增益(多用户分集增益)越大。然而，对于信道波动本来不大的情况，如Rician信道、慢衰落信道或相关信道，当采用单个固定码本时，由于码本的大小有限(受反馈开销限制)，采用该码本中码字预编码后的等效信道的波动仍然不够充分，从而带来多用户调度性能的损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多输入多输出系统的预编码方法及使用该方法的设备，提高多用户调度性能。

为了实现上述目的，本发明提供了一种多输入多输出系统的预编码方法，包括：

步骤A，用户接收机根据资源块的位置从包括多个码本的多码本中确定对应的码本，并从确定的码本中选择对应的码字索引发送给基站发射机；

步骤B，基站发射机根据待发送数据所在的资源块的位置从包括多个码本的多码本中确定对应的码本，并根据码字索引从确定的码本中选择码字后，利用选择的码字对待发送数据进行预编码。

上述的方法，其中，所述用户接收机和基站发射机根据资源块所在的子帧和/或子带从包括多个码本的多码本中确定对应的码本。

上述的方法，其中，时间上不同的子帧的资源块以一个或多个子帧为间隔依次循环使用多码本中的多个码本；和/或频率上不同的子带的资源块以一个或多个子带为间隔按顺序循环使用多码本中的多个码本。

上述的方法，其中，所述多码本为单码本左乘酉矩阵。

上述的方法，其中，所述单码本为非酉码本或酉码本。

为了更好的实现上述目的，本发明还提供了一种基站发射机，包括反快速傅立叶变换模块、并串变换及循环前缀插入模块及第一天线，还包括：

调度器，用于接收用户返回的包括码字索引和信道质量标识的信道反馈信息，并根据信道反馈信息和调度准则进行调度和控制；

用户数据映射模块，用于将调度上的待发送到用户的数据映射资源块；

多码本保存及码字选择模块，用于根据资源块的位置从包括多个码本的多码本中确定对应的码本，并根据码字索引从多码本中选择对应的码字；

预编码模块，用于利用选择的码字对对应的资源块数据进行预编码。

上述的基站发射机，其中，所述多码本保存及码字选择模块具体用于根据资源块所在的子帧和/或子带从包括多个码本的多码本中确定对应的码本。

上述的基站发射机，其中，所述多码本为单码本左乘酉矩阵。

上述的基站发射机，其中，所述单码本为非酉码本或酉码本。

为了更好的实现上述目的，本发明还提供了一种用户接收机，包括第二天线、去除循环前缀及串并变换模块、快速傅立叶变换模块，其中，还包括：

接收数据获取及反馈模块，用于进行信道估计，并获取其中发送给该接收机的信号后输出，同时还用于根据资源块的位置从包括多个码本的多码本中确定对应的码本，并从确定的码本中选择对应的码字索引后反馈给基站发射机。

上述的用户接收机，其中，所述接收数据获取及反馈模块具体包括：

信道估计模块，用于进行信道估计，估计出当前的信道特性矩阵；

多码本保存及码字索引选择模块，用于根据估计得到的信道特性和资源块的位置从多码本的码本中确定对应的码本，并从确定的码本中选择对应的码字索引，并将码字索引和信道质量标识发送给向基站发射机；

MIMO检测模块，用于根据信道估计的结果对接收到的信号进行MIMO检测，得到原始的发送数据。

上述的用户接收机，其中，所述多码本保存及码字索引选择模块具体根据资源块所在的子帧和/或子带从包括多个码本的多码本中确定对应的码本。

上述的用户接收机，其中，所述多码本为单码本左乘酉矩阵。

上述的用户接收机，其中，所述单码本为非酉码本或酉码本。本发明利用多码本中的码本对资源块进行预编码，而选择的码本与资源块的位置相关，多用户信息论的研究结果表明，调度增益，即多用户分集增益与信道的波动的动态范围有关。信道波动的动态范围越大，调度增益越大。对于预编码MIMO系统，其等效信道为H_equ＝HF，其中H为实际信道，F为预编码矩阵。发明方法中，采用多码本的预编码方法，增加了F的多样性，从而提高了等效信道的动态范围，因此有效地提升了多用户调度的性能。

附图说明

图1为本发明中在时间域进行切换的多码本使用方式示意图；

图2为本发明中在频率域进行切换的多码本使用方式示意图；

图3为本发明中在时间域和频率域同时切换的多码本使用方式示意图；

图4为基站发射机的结构示意图；

图5为用户接收机的结构示意图；

图6为本发明的方法的流程示意图；

图7为发明方法与现有方法的信道波动性比较示意图；

图8为Rician信道下本发明方法与现有方法的性能比较示意图；

图9为慢衰落信道下发明方法与现有方法的性能比较示意图；

图10为发明方法中码本数目对性能影响的示意图。

具体实施方式

本发明的方法及装置中，在发送端进行MIMO预编码时采用多码本进行处理，即通信过程中，对不同的资源块(RB)采用不同的码本进行预编码，以提高用户调度性能。

在此，为方便描述，将现有的预编码中的一个码本命名为单码本，而本发明预编码的多个码本命名为多码本。

上述提到的不同的资源块可以是时域不同的资源块，也可以是频域不同的资源块，当然也可以是时域和频域均不相同的资源块。

由于本发明的方法、装置及系统中，在进行MIMO预编码时采用多码本，因此首先对多码本的设计进行说明，本发明中多码本的获取如下所述：

首先获取单码本F＝{F₁，F₂，...，F_C}；现有方法中已经给出了多种设计单码本F＝{F₁，F₂，...，F_C}的方法，下述的文献均公开了单码本的设计方法：

D.J.Love，R.W.heath and T.Strohmer，“Grassmannian beamforming formultiple-input multiple-output wireless systems，”IEEE Trans.Inf.Th.，vol.49，no.10，pp.2735-2747，Oct 2003.

B.M.Hochwald，T.L.Marzetta，T.J.Richardson，W.Sweldens，and R.Urbanke，“System design of unitary space-time constellations，”IEEE Trans.Info.Th..，vol.46，pp.1962-1973，Sept.2000

然后利用该单码本F得到多码本 $\tilde{F}=\{F^{\left(1\right)},F^{\left(2\right)},...,F^{\left(L\right)}\},$ 在此，该多码本可以是通过单码本F左乘酉矩阵得到，即：F^(l)＝Q^(l)F，l＝1，...，L，其中，Q^(l)为酉矩阵，其可以采取随机产生的方法得到，也可以通过Givens旋转产生的方法得到，或者简单的采用酉对角矩阵。

在此，本发明采用左乘酉矩阵的方式来产生多码本，是因为将单码本左乘酉矩阵可以保证码本内码字间的距离不变，也就是说，保证了多码本中的每个码本与原单码本等效最优。

前面已经提到，本发明采用多码本进行处理MIMO的预编码处理，因此在得到了多码本之后，在进行MIMO预编码时即采用该多码本

进行预编码，下面对如何使用该多码本(即多码本的使用规则)进行说明。

在进行MIMO预编码处理时，多码本的使用规则(即时间频率空间上的不同资源块如何使用事先给定的多个码本)可以为以下几种方式：

1、在时间域进行切换，即时间上不同的子帧的资源块按顺序使用多码本中的码本；

2、在频率域进行切换，即频率上不同的子带的资源块按顺序使用多码本中的码本；

3、同时在时间域和频率域进行切换，即上述两种方式的综合。

当多码本中码本的数量小于子帧数目或子带数目，则将码本循环利用，下面结合具体的情况对上述各种方式进行说明。

假设多码本中存在3个码本，分别命名为第一码本、第二码本和第三码本，则上述3种情况的多码本的使用分别如图1、图2和图3所示，图1、图2和图3中均以6个子帧和6个子带的情况进行说明。

如图1所示，为方便说明，假设图中列出的6个子帧的名称分别为第一子帧、第二子帧、...、第六子帧，按照在时间域进行切换的多码本使用方式，第一子帧中的RB使用第一码本，第二子帧中的RB使用第二码本，第三子帧中的RB使用第三码本，然后由于码本数量不够，需要循环使用，因此第四子帧中的RB使用第一码本，第五子帧中的RB使用第二码本，第六子帧中的RB使用第三码本，依此类推。

图2和图3所示的多码本使用方式与图1中只不过切换的条件不同(图2中，在子带方向均切换码本，图3中，在子带和子帧方向均切换码本)，在此不再赘述。

上述的图1、图2和图3为多码本使用的几种特例，即轮流切换的间隔限定为一个子帧(图1和图3)或一个子带(图2和图3)，但也可以是多个子帧或多个子带，如可以是第一子帧和第二子帧中的RB使用第一码本，第三子帧和第四子帧中的RB使用第二码本，第五子帧和第六子帧中的RB使用第三码本，然后照此顺序循环，当然还可以是第一子帧中的RB使用第一码本，第二子帧、第三子帧和第四子帧中的RB使用第二码本，第五子帧和第六子帧中的RB使用第三码本，然后照此顺序循环。这些都可以由系统预先设定。

在对多码本的设计、使用规则进行了说明之后，下面将结合基站发射机、用户接收机及MIMO通信过程对多码本的使用进行详细说明。

本发明的基站发射机如图4所示，包括调度器41、用户数据映射模块42、多码本保存及码字选择模块43、预编码模块44、反快速傅立叶变换模块45、并串变换及循环前缀插入模块46及第一天线47，其中：

调度器41，用于接收用户返回的包括码字索引code_idx和信道质量标识CQI的信道反馈信息，并根据信道反馈信息和调度准则进行调度和控制；

用户数据映射模块42，用于将调度上的待发送到用户的数据映射到时间、频率和空间的三维资源空间，其表现为资源块(RB)形式；

多码本保存及码字选择模块43，用于保存本发明中的多码本及其使用方式，根据资源块的位置从包括多个码本的多码本中确定对应的码本，并根据码字索引code_idx从多码本中选择对应的码字后通知预编码模块44；

预编码模块44，用于利用码本保存及码字选择模块43选择的码字对对应的资源块进行预编码；

反快速傅立叶变换模块45，用于将预编码后的信号进行反快速傅立叶变换；

并串变换及循环前缀插入模块46，用于对反快速傅立叶变换模块45输出的信号进行并串转换，并插入循环前缀后输出；

第一天线47，用于发射经过并串转换及插入循环前缀处理的信号。

在上述提到的码字索引code_idx与资源块的数目一致，且该码字索引code_idx是从哪个码本中选择出来的与资源块的位置(或者说是多码本的使用规则)相关，下面以一种实际情况进行说明。

以图1所示的多码本使用规则为例进行说明，为方便说明，在此设定RB_ij表示位于第i子帧、第j子带的资源块，假设待发送数据被调度资源块RB₁₁、RB₂₁和RB₂₃，则信道反馈信息中的code_idx为3个，且由于多码本使用规则为在时间域进行切换，因此RB₁₁对应的code_idx所指示的码字是在第一码本中，而RB₂₁和RB₂₃对应的code_idx所指示的码字是在第二码本中。

如果使用图2所示的多码本使用规则，则RB₂₃对应的code_idx所指示的码字是在第三码本中，而RB₁₁和RB₂₁对应的code_idx所指示的码字是在第一码本中。

而预编码模块则利用选择出的码字对对应的资源块进行预编码。

本发明的用户接收机如图5所示，包括第二天线51、去除循环前缀及串并变换模块52、快速傅立叶变换模块53和接收数据获取及反馈模块54，其中：

第二天线51，用于接收空间所有信号；

去除循环前缀及串并变换模块52，用于将天线接收的信号去除循环前缀，并执行串并变换后输出；

快速傅立叶变换模块53，用于将去除循环前缀，并执行串并变换后的信号进行快速傅立叶变换；

接收数据获取及反馈模块54，用于进行信道估计，并获取其中发送给该接收机的信号后输出，同时向基站发射机反馈包括码字索引code_idx和信道质量标识CQI的信道反馈信息。

其中该接收数据获取及反馈模块54具体包括：

信道估计模块，用于根据接收信号中的导频信号或采用其他方法进行信道估计，估计出当前的信道特性矩阵；

多码本保存及码字索引选择模块，用于根据估计得到的信道特性和多码本使用规则从多码本的码本中选择该RB期望的码字，并将包括RB期望的码字对应的码字索引code_idx和信道质量标识CQI的信道反馈信息向基站发射机反馈；

MIMO检测模块，用于根据信道估计的结果对接收到的信号进行MIMO检测，从而最终得到原始的发送数据。

其中码字索引code_idx的选择首先需确定RB的位置及多码本的使用规则(按时间域切换、按频率域切换等)，然后根据RB的位置及多码本的使用规则确定RB对应的码本，并从码本中选择对应于该RB最期望的码字，从而确定该码字对应的码字索引code_idx。

本发明的MIMO调度及预编码方法如图6所示，包括如下步骤：

步骤A1，在基站发射机和用户接收机保存该多码本及多码本的使用方式；

步骤A2，基站发射机和用户接收机根据多码本、多码本的使用方式和待处理资源块的位置确定资源块对应的码本；

步骤A3，用户接收机从资源块对应的码本中选择码字索引code_idx，并将发送端采用该码字进行预编码时的相应CQI值通过反馈信道发送回基站发射机；

步骤A4，基站发送机根据信道反馈信息(即码字索引code_idx和对应的CQI值)进行调度；其中采用的调度算法可以是任何可用的调度算法，如MaxC/I准则，比例公平(PF)调度准则等；

步骤A5，基站发送机根据码字索引从资源块对应的码本中选择码字，并利用该码字对调度到的资源块进行预编码。

假设资源块对应的码本为非酉码本 $F=\{\left[\begin{array}{c}{w}_1^{\left(1\right)}\\ w_2^{\left(1\right)}\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}{w}_1^{\left(2\right)}\\ w_2^{\left(2\right)}\end{array}\right],...,\left[\begin{array}{c}{w}_1^{\left(C\right)}\\ w_2^{\left(C\right)}\end{array}\right]\},$ 其中包含C个码字，第c个码字为[w₁ ^(c)，w₂ ^(c)]^T。另外，所有接收机都包含1个接收天线，用户k的信道特性矩阵为 $H^{\left(k\right)}=[h_1^{\left(k\right)},k_2^{\left(k\right)}].$

此时，步骤A3中，根据信道特性计算采用码本中每个码字预编码发送时的接收信噪比(SNR)，并选取接收SNR最大的码字作为自己的期望码字，其码字索引code_idx为 $\mathrm{code}\_\mathrm{idx}=\underset{c}{\arg }\{\max \left(H^{\left(k\right)}{[w_1^{\left(c\right)},w_2^{\left(c\right)}]}^T\right)/{\mathrm{\σ}}^2\},$ 并根据与code_idx相对应的接收SNR确定CQI，即在该SNR下最大的AMC参数，其中：

SNR＝(H^(k)[W₁ ^(code_idx)，W₂ ^(code_idx)]^T)/σ²

其中，上述的装置、系统和方法可以应用于波束成形(BF：Beamforming)发送、空分复用(SDM：Spatial Division Multiplexing)发送和空分多址(SDMA：Spatial Division Multiple Access)发送等MIMO发送方式，而其中的单码本可以是非酉(Non-unitary)码本(码本中包含的码字为单位向量)和酉(Unitary)码本(码本中包含的码字为酉矩阵)。

图7～图10为应用本发明的仿真结果图，其中仿真条件为：

基站发射机天线个数为4，用户接收机天线个数为1，信道为TU六径信道，带宽为10MHz，子载波总数为1024，子带总数为32，调度算法采用比例公平(PF)调度。

由图7可见，发明方法下信道的波动性要高于现有方法。由图8和9可见，在Rician和慢衰落信道下，本发明都能获得更好的性能。另外，由图10可见，在发明方法中，所采用的码本数目越大，系统性能越好。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种多输入多输出系统的预编码方法，其特征在于，包括：

步骤A，用户接收机根据资源块的位置从包括多个码本的多码本中确定对应的码本，并从确定的码本中选择对应的码字索引发送给基站发射机；

步骤B，基站发射机根据待发送数据所在的资源块的位置从包括多个码本的多码本中确定对应的码本，并根据码字索引从确定的码本中选择码字后，利用选择的码字对待发送数据进行预编码。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述用户接收机和基站发射机根据资源块所在的子帧和/或子带从包括多个码本的多码本中确定对应的码本。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

时间上不同的子帧的资源块以一个或多个子帧为间隔依次循环使用多码本中的多个码本；和/或

频率上不同的子带的资源块以一个或多个子带为间隔按顺序循环使用多码本中的多个码本。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述多码本为单码本左乘酉矩阵。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述单码本为非酉码本或酉码本。

6.一种基站发射机，包括反快速傅立叶变换模块、并串变换及循环前缀插入模块及第一天线，其特征在于，还包括：

调度器，用于接收用户返回的包括码字索引和信道质量标识的信道反馈信息，并根据信道反馈信息和调度准则进行调度和控制；

用户数据映射模块，用于将调度上的待发送到用户的数据映射资源块；

多码本保存及码字选择模块，用于根据资源块的位置从包括多个码本的多码本中确定对应的码本，并根据码字索引从多码本中选择对应的码字；

预编码模块，用于利用选择的码字对对应的资源块数据进行预编码。

7.根据权利要求6所述的基站发射机，其特征在于，所述多码本保存及码字选择模块具体用于根据资源块所在的子帧和/或子带从包括多个码本的多码本中确定对应的码本。

8.根据权利要求6或7所述的基站发射机，其特征在于，所述多码本为单码本左乘酉矩阵。

9.根据权利要求8所述的基站发射机，其特征在于，所述单码本为非酉码本或酉码本。

10.一种用户接收机，包括第二天线、去除循环前缀及串并变换模块、快速傅立叶变换模块，其特征在于，还包括：

接收数据获取及反馈模块，用于进行信道估计，并获取其中发送给该接收机的信号后输出，同时还用于根据资源块的位置从包括多个码本的多码本中确定对应的码本，并从确定的码本中选择对应的码字索引后反馈给基站发射机。

11.根据权利要求10所述的用户接收机，其特征在于，所述接收数据获取及反馈模块具体包括：

信道估计模块，用于进行信道估计，估计出当前的信道特性矩阵；

多码本保存及码字索引选择模块，用于根据估计得到的信道特性和资源块的位置从多码本的码本中确定对应的码本，并从确定的码本中选择对应的码字索引，并将码字索引和信道质量标识发送给向基站发射机；

MIMO检测模块，用于根据信道估计的结果对接收到的信号进行MIMO检测，得到原始的发送数据。

12.根据权利要求11所述的用户接收机，其特征在于，所述多码本保存及码字索引选择模块具体根据资源块所在的子帧和/或子带从包括多个码本的多码本中确定对应的码本。

13.根据权利要求10、11或12所述的用户接收机，其特征在于，所述多码本为单码本左乘酉矩阵。

14.根据权利要求13所述的用户接收机，其特征在于，所述单码本为非酉码本或酉码本。

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