CN101212438A - 预编码器选择方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种于编码器选择方法及装置，用于在MIMO－OFDM系统中采用形式为式1的码书时，选择最优预编码矩阵，该方法包括以下步骤：步骤S102，在所有需要使用同一预编码器的至少一个子载波中，选择在频域上居中的子载波，并获得子载波的信道矩阵；步骤S104，根据信道矩阵计算第一角度参数和第二角度参数；以及步骤S106，根据用户预编码情况，从码书中选择其对应的第一参数和第二参数分别与所计算出的第一角度参数和第二角度参数最接近的矩阵或矢量，作为最优预编码矩阵或最优预编码矢量，其中，信道矩阵表示为式2。因此，可以在保证吞吐量损失极小的前提下大大降低UE的操作复杂度。

Description

预编码器选择方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，更具体地，涉及一种在MIMO-OFDM通信系统中最优预编码器的编码器选择方法及装置。

背景技术

在MIMO系统中，发射端掌握信道状况时，预编码技术可以根据需要等效的改变信道转移矩阵。在频分双工(FDD)方式下，接收端将当前信道状态信息或其函数反馈(一般是部分的)回发射端，发射端在下一次传输时使用相应的预编码矩阵(矢量)在信号发射之前对其进行空间域上的线性变换，达到等效的改变信道的作用。在实际系统中，为了减小反馈开销，通常采用基于码书的预编码方式，而选择最优预编码矩阵(矢量)的准则是使吞吐量最大化。

在正交频分复用技术(OFDM)中，由于频率选择性衰落，各子载波信道不尽相同。若要获得最优的预编码矩阵(矢量)通常是使用穷举的方法根据所有预编码矩阵(矢量)计算出所有子载波相应的输出信号干扰噪声比(SINR)，然后根据不同的仿真(MCS)选择方式将所有子载波的SINR合并为一个等效的SINR，最后根据MCS方式和SINR以及吞吐量之间的映射规则，选择具有最大吞吐量的预编码矩阵(矢量)和MCS组合，通过这种方式选择出的预编码矩阵(矢量)即为最佳预编码矩阵(矢量)。

一般来说上述选择最佳预编码矩阵(矢量)的方法其复杂度是与MCS方式及码书大小成正比的，尤其当码书较大时需要穷举所有的预编码矩阵(矢量)，复杂度会很高。因此，对于基于预编码技术的MIMO-OFDM通信系统来说，采用一种低复杂度的最佳预编码矩阵(矢量)的选择方法是非常必要的。

因此，需要一种预编码器选择方法及装置，以解决上述问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种于编码器选择方法及装置，降低了当码书较大而需要穷举所有的预编码矩阵(矢量)时，复杂度会随着MCS方式及码书大小增加的问题。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种预编码器选择方法，用于在MIMO-OFDM系统中采用形式为 $\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& \sin {\mathrm{\θ}}_1\\ \sin {\mathrm{\θ}}_1\·e^{j{\mathrm{\θ}}_2}& \cos {\mathrm{\θ}}_1\·e^{j({\mathrm{\θ}}_2+\mathrm{\π})}\end{array}\right]$ 的码书时，选择最优预编码矩阵，其包括以下步骤：步骤S102，在所有需要使用同一预编码器的至少一个子载波中，选择在频域上居中的子载波，并获得子载波的信道矩阵；步骤S104，根据信道矩阵计算第一角度参数和第二角度参数；以及步骤S106，根据用户预编码情况，从码书中选择其对应的第一参数和第二参数分别与所计算出的第一角度参数和第二角度参数最接近的矩阵或矢量，作为最优预编码矩阵或最优预编码矢量，其中，信道矩阵表示为

$H=\left[\begin{array}{cc}{H}_{\mathrm{1,1}}& H_{\mathrm{1,2}}\\ H_{\mathrm{2,1}}& H_{\mathrm{2,2}}\end{array}\right].$

根据本发明的一个方面，在步骤S106中，当用户预编码为单用户预编码时，从码书中选择矩阵。

另外，根据本发明的一个方面，在步骤S106中，当用户预编码为多用户预编码时，从码书中选择矢量。

根据本发明的一个方面，第二角度参数通过以下公式计算： ${\widetilde{\mathrm{\θ}}}_2=-\mathrm{angle}(H_{\mathrm{1,1}}^H\·H_{\mathrm{1,2}}+H_{\mathrm{2,1}}^H\·H_{\mathrm{2,2}}).$

此外，根据本发明的一个方面，第一角度参数通过以下公式计算：

本发明的另一方面提供了一种预编码器选择装置，用于在MIMO-OFDM系统中采用形式为 $\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& \sin {\mathrm{\θ}}_1\\ \sin {\mathrm{\θ}}_1\·e^{j{\mathrm{\θ}}_2}& \cos {\mathrm{\θ}}_1\·e^{j({\mathrm{\θ}}_2+\mathrm{\π})}\end{array}\right]$ 的码书时，选择最优预编码矩阵，其包括：获取单元，用于在所有需要使用同一预编码器的至少一个子载波中，选择在频域上居中的子载波，并获得子载波的信道矩阵；计算单元，用于根据信道矩阵来计算第一角度参数和第二角度参数；以及选择单元，用于根据用户预编码情况，从码书中选择其对应的第一参数和第二参数分别与所计算出的第一角度参数和第二角度参数最接近的矩阵或矢量，作为最优预编码矩阵或最优预编码矢量，其中，信道矩阵表示为 $H=\left[\begin{array}{cc}{H}_{\mathrm{1,1}}& H_{\mathrm{1,2}}\\ H_{\mathrm{2,1}}& H_{\mathrm{2,2}}\end{array}\right].$

根据本发明的另一方面，在选择单元中，当用户预编码为单用户预编码时，从码书中选择矩阵。

此外，根据本发明的另一方面，在选择单元中，当用户预编码为多用户预编码时，从码书中选择矢量。

根据本发明的另一方面，第二角度参数通过以下公式计算： ${\widetilde{\mathrm{\θ}}}_2=-\mathrm{angle}(H_{\mathrm{1,1}}^H\·H_{\mathrm{1,2}}+H_{\mathrm{2,1}}^H\·H_{\mathrm{2,2}}).$

另外，根据本发明的另一方面，第一角度参数通过以下公式计算：

因此，本发明实现了以下技术效果：解决了预编码矩阵(矢量)的复杂度与MCS方式及码书大小成正比，预编码矩阵(矢量)的复杂度随着码书增大而增高的问题。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明的预编码器选择方法；

图2是根据本发明的实施例的单用户预编码技术使用场景的系统模型示意图；

图3是根据本发明的实施例的多用户预编码技术使用场景的系统模型示意图；

图4是配合预编码技术使用的AMC技术所使用的10种MCS方式在AWGN信道下的误帧率的曲线图；

图5是当在PB信道(3GPP 25.996)下单用户预编码技术使用时，本发明的方法与其他方法进行比较的曲线图；

图6在PB信道(3GPP 25.996)下多用户预编码技术使用时(5个可调度用户)，本发明的方法与其他方法进行比较的曲线图；以及

图7是根据本发明的预编码器选择装置的框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

在2×2天线配置的MIMO-OFDM系统中，采用码书形如： $\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& \sin {\mathrm{\θ}}_1\\ \sin {\mathrm{\θ}}_1\·e^{j{\mathrm{\θ}}_2}& \cos {\mathrm{\θ}}_1\·e^{j({\mathrm{\θ}}_2+\mathrm{\π})}\end{array}\right]$ 的预编码方式时，选择最优预编码矩阵(矢量)的简化方法。其中不同大小的码书可以通过对两个参数θ₁和θ₂进行不同阶的量化来获得。相比于穷举的最大吞吐量选择方法，可以在保证吞吐量损失极小时大大降低UE的操作复杂度。

以下将结合图1-6详细描述本发明的预编码器选择方法，图1是根据本发明的预编码器选择方法。

如图1所示，预编码器选择方法包括以下步骤：步骤S102，在所有需要使用同一预编码器的至少一个子载波中，选择在频域上居中的子载波，并获得子载波的信道矩阵；

步骤S104，根据信道矩阵计算第一角度参数和第二角度参数；

以及步骤S106，根据用户预编码情况，从码书中选择其对应的第一参数和第二参数分别与所计算出的第一角度参数和第二角度参数最接近的矩阵或矢量，作为最优预编码矩阵或最优预编码矢量，其中，信道矩阵表示为 $H=\left[\begin{array}{cc}{H}_{\mathrm{1,1}}& H_{\mathrm{1,2}}\\ H_{\mathrm{2,1}}& H_{\mathrm{2,2}}\end{array}\right].$

更具体地，将结合图2-4详细描述如图1所示的为实现本发明所进行的基本步骤S102-S106。

在本发明的实施例中，将以2×2天线配置的MIMO-OFDM系统为例，单用户和多用户情况下的系统框图分别如图2和图3所示，图2是根据本发明的实施例的单用户预编码技术使用场景的系统模型示意图；图3是根据本发明的实施例的多用户预编码技术使用场景的系统模型示意图。

本发明适用于任何大小的码书，更具体地，以下将以码书大小是4和16为例。采用 $\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& \sin {\mathrm{\θ}}_1\\ \sin {\mathrm{\θ}}_1\·e^{j{\mathrm{\θ}}_2}& \cos {\mathrm{\θ}}_1\·e^{j({\mathrm{\θ}}_2+\mathrm{\π})}\end{array}\right]$ 码本形式，码本大小为4时，只对一个角度参数进行4阶量化，在仿真结果中用U4标记。码本大小为16时，对两个角度参数都进行4阶量化，在仿真结果中用U16标记。

在接收机使用线性最小均方误差(MMSE)接收机时，使用预编码矩阵V_k时的输出SINR表达式为：

${\mathrm{SINR}}_i=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_n^2{\left[{({\mathrm{\σ}}_n^{2}I+{\left({\mathrm{HV}}_k\right)}^H\left({\mathrm{HV}}_k\right))}^{-1}\right]}_{i,i}}-1.$

定义矩阵 $\mathrm{PH}={[{\left(\mathrm{HV}\right)}^H\left(\mathrm{HV}\right)+{\mathrm{\σ}}_n^{2}I]}^{-1},$ 可以看出矩阵PH的主对角线元素的最小化等价于SINR的最大化。预编码矩阵形式可以表示为：

$V=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& \sin {\mathrm{\θ}}_1\\ \sin {\mathrm{\θ}}_1\·e^{j{\mathrm{\θ}}_2}& \cos {\mathrm{\θ}}_1\·e^{j({\mathrm{\θ}}_2+\mathrm{\π})}\end{array}\right].$

PH矩阵的对角线元素满足：

${\mathrm{PH}}_{\mathrm{1,1}}\·\det (H^{H}H+{\mathrm{\σ}}_n^{2}I)=$

$\frac{1}{2}({\left|H_{\mathrm{1,2}}\right|}^2+{\left|H_{\mathrm{2,2}}\right|}^2+{\left|H_{\mathrm{1,1}}\right|}^2+{\left|H_{\mathrm{2,1}}\right|}^2)+\frac{\cos \left(2{\mathrm{\θ}}_1\right)}{2}\·({\left|H_{\mathrm{1,2}}\right|}^2+{\left|H_{\mathrm{2,2}}\right|}^2-{\left|H_{\mathrm{1,1}}\right|}^2-{\left|H_{\mathrm{2,1}}\right|}^2)$

$-\frac{\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_1\right)}{2}\·e^{j{\mathrm{\θ}}_2}(H_{\mathrm{1,1}}^H\·H_{\mathrm{1,2}}+H_{\mathrm{2,1}}^H\·H_{\mathrm{2,2}})-\frac{\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_1\right)}{2}\·e^{-j{\mathrm{\θ}}_2}(H_{\mathrm{1,2}}^H\·H_{\mathrm{1,1}}+H_{\mathrm{2,2}}^H\·H_{\mathrm{2,1}})+{\mathrm{\σ}}_n^2.$

定义： $F=(H_{\mathrm{1,1}}^H\·H_{\mathrm{1,2}}+H_{\mathrm{2,1}}^H\·H_{\mathrm{2,2}}),$ G＝|H_1，2|²+|H_2，2|²-|H_1，1|²-|H_2，1|²，

在上式中可以看出由于系数sin(2θ₁)在取值范围内都是大于0的，所以使输出SINR最大的条件之一是：θ₂＝-angle(F)。

在θ₂确定之后，需要确定另一个参数θ₁的取值，此时可以构造函数： $f\left({\mathrm{\θ}}_1\right)=\frac{\cos \left(2{\mathrm{\θ}}_1\right)}{2}\·G-\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_1\right)\·\left|F\right|.$

将上式对θ₁求导： $\frac{\∂f\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}{\∂{\mathrm{\θ}}_1}=-\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_1\right)\·G-2\cos \left(2{\mathrm{\θ}}_1\right)\·\left|F\right|.$

函数f(θ₁)在 ${\mathrm{\θ}}_1=\frac{1}{2}\arctan (-\frac{2\left|F\right|}{G})$ 时存在一个极小值点。针对PH_2，2的表达式进行推导可以得出类似的结论。

在OFDM系统中，由于各子载波上信道不尽相同，预编码矩阵使用的粒度会影响性能的获得。一般预编码矩阵的使用范围确定在一个RB上，这样其上所有子载波的信道差距不会太大，且编码块不是太小。首先计算当前RB上居中子载波的信道矩阵H，然后根据如图1所示的步骤S104，计算得出角度参数

和

根据

和

找到最优的预编码矩阵(矢量)，使其对应的两个参数θ₁和θ₂最接近

和

(在下文中，定义

为第一角度参数，为第二角度参数)。

第一角度参数通过以下公式计算：

第二角度参数通过以下公式计算： ${\widetilde{\mathrm{\θ}}}_2=-\mathrm{angle}(H_{\mathrm{1,1}}^H\·H_{\mathrm{1,2}}+H_{\mathrm{2,1}}^H\·H_{\mathrm{2,2}}).$

接着，参照如图1所示的步骤S106，根据

和

找到最优的预编码矩阵(矢量)，使其对应的两个参数θ₁和θ₂最接近

和

以下将继续结合图4-6说明本发明的于编码器选择方法的可行性。其中，图4是配合预编码技术使用的AMC技术所使用的10种MCS方式在加性白噪声(AWGN)信道下误帧率曲线视图，图5是在PB信道(3GPP 25.996)下单用户预编码技术使用情况曲线示意图，以及图6在PB信道(3GPP 25.996)下多用户(5个可调度用户)预编码技术使用情况曲线示意图。

如图4所示，根据LTE的帧结构在OFDM系统中使用一个RB进行仿真，系统带宽为10MHz，采用PA和PB信道，帧长为0.5ms，接收机为线性MMSE接收机，MCS方式有10种。

本发明中提出的方法在仿真中标记为“angleF”，用于参考的其他两种预编码器选择方法分别为穷举预编码矩阵(矢量)的最大吞吐量选择方法(标记为“maxTP”)和SVD最优法(仿真中用“V”标记)。

单用户情况时的仿真结果如图5所示。在PB信道时，使用码书U4和U16，angleF方法相比于maxTP方法的最大吞吐量损失分别约为2.4％和3.2％。在PA信道时，使用码书U4和U16，angleF方法相比于maxTP方法的最大吞吐量损失分别约为2.2％和3.2％。

多用户情况时的仿真结果如图6所示。由于存在多用户调度，使用angleF方法与使用maxTP方法的差距更小。在PB信道时，使用码书U4，angleF方法相比于maxTP方法的最大吞吐量损失约为1.5％，在PA信道时的损失约为1.3％。

以下将结合图7描述本发明的预编码器选择装置700，用于在MIMO-OFDM系统中采用形式为 $\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& \sin {\mathrm{\θ}}_1\\ \sin {\mathrm{\θ}}_1\·e^{j{\mathrm{\θ}}_2}& \cos {\mathrm{\θ}}_1\·e^{j({\mathrm{\θ}}_2+\mathrm{\π})}\end{array}\right]$ 的码书时，选择最优预编码矩阵，预编码器选择装置700包括：获取单元702，用于在所有需要使用同一预编码器的至少一个子载波中，选择在频域上居中的子载波，并获得子载波的信道矩阵；计算单元704，用于根据信道矩阵来计算第一角度参数和第二角度参数；以及选择单元706，用于根据用户预编码情况，从码书中选择其对应的第一参数和第二参数分别与所计算出的第一角度参数和第二角度参数最接近的矩阵或矢量，作为最优预编码矩阵或最优预编码矢量，其中，信道矩阵表示为 $H=\left[\begin{array}{cc}{H}_{\mathrm{1,1}}& H_{\mathrm{1,2}}\\ H_{\mathrm{2,1}}& H_{\mathrm{2,2}}\end{array}\right].$

在选择单元706中，当用户预编码为单用户预编码时，从码书中选择矩阵；当用户预编码为多用户预编码时，从码书中选择矢量。

在本实施例中，第二角度参数通过以下公式计算： ${\widetilde{\mathrm{\θ}}}_2=-\mathrm{angle}(H_{\mathrm{1,1}}^H\·H_{\mathrm{1,2}}+H_{\mathrm{2,1}}^H\·H_{\mathrm{2,2}});$ 以及第一角度参数通过以下公式计算：

因此，可以看出，本发明提出的简化的预编码器选择方法及装置，可以在保证吞吐量损失极小的前提下大大降低UE的操作复杂度。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种预编码器选择方法，用于在MIMO-OFDM系统中采用形式为 $\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& \sin {\mathrm{\θ}}_1\\ \sin {\mathrm{\θ}}_1\·e^{{\mathrm{j\θ}}_2}& \cos {\mathrm{\θ}}_1\·e^{j({\mathrm{\θ}}_2+\mathrm{\π})}\end{array}\right]$ 的码书时，选择最优预编码矩阵，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S102，在所有需要使用同一预编码器的至少一个子载波中，选择在频域上居中的子载波，并获得所述子载波的信道矩阵；

步骤S104，根据所述信道矩阵计算第一角度参数和第二角度参数；以及

步骤S106，根据用户预编码情况，从所述码书中选择其对应的第一参数和第二参数分别与所计算出的所述第一角度参数和所述第二角度参数最接近的矩阵或矢量，作为最优预编码矩阵或最优预编码矢量，

其中，所述信道矩阵表示为 $H=\left[\begin{array}{cc}{H}_{\mathrm{1,1}}& H_{\mathrm{1,2}}\\ H_{\mathrm{2,1}}& H_{\mathrm{2,2}}\end{array}\right].$

2.根据权利要求1所述的预编码器选择方法，其特征在于，在所述步骤S106中，当所述用户预编码为单用户预编码时，从所述码书中选择矩阵。

3.根据权利要求1所述的预编码器选择方法，其特征在于，在所述步骤S106中，当所述用户预编码为多用户预编码时，从所述码书中选择矢量。

4.根据权利要求1所述的预编码器选择方法，其特征在于，所述第二角度参数通过以下公式计算：

${\widetilde{\mathrm{\θ}}}_2=-\mathrm{angle}(H_{\mathrm{1,1}}^H\·H_{\mathrm{1,2}}+H_{\mathrm{2,1}}^H\·H_{\mathrm{2,2}}).$

5.根据权利要求1所述的预编码器选择方法，其特征在于，所述第一角度参数通过以下公式计算：

6.一种预编码器选择装置，用于在MIMO-OFDM系统中采用形式为 $\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& \sin {\mathrm{\θ}}_1\\ \sin {\mathrm{\θ}}_1\·e^{{\mathrm{j\θ}}_2}& \cos {\mathrm{\θ}}_1\·e^{j({\mathrm{\θ}}_2+\mathrm{\π})}\end{array}\right]$ 的码书时，选择最优预编码矩阵，其特征在于，包括：

获取单元，用于在所有需要使用同一预编码器的至少一个子载波中，选择在频域上居中的子载波，并获得所述子载波的信道矩阵；

计算单元，用于根据所述信道矩阵来计算第一角度参数和第二角度参数；以及

选择单元，用于根据用户预编码情况，从所述码书中选择其对应的第一参数和第二参数分别与所计算出的所述第一角度参数和所述第二角度参数最接近的矩阵或矢量，作为最优预编码矩阵或最优预编码矢量，

其中，所述信道矩阵表示为 $H=\left[\begin{array}{cc}{H}_{\mathrm{1,1}}& H_{\mathrm{1,2}}\\ H_{\mathrm{2,1}}& H_{\mathrm{2,2}}\end{array}\right].$

7.根据权利要求6所述的预编码器选择装置，其特征在于，在所述选择单元中，当所述用户预编码为单用户预编码时，从所述码书中选择矩阵。

8.根据权利要求6所述的预编码器选择装置，其特征在于，在所述选择单元中，当所述用户预编码为多用户预编码时，从所述码书中选择矢量。

9.根据权利要求6所述的预编码器选择装置，其特征在于，所述第二角度参数通过以下公式计算：

${\widetilde{\mathrm{\θ}}}_2=-\mathrm{angle}(H_{\mathrm{1,1}}^H\·H_{\mathrm{1,2}}+H_{\mathrm{2,1}}^H\·H_{\mathrm{2,2}}).$

10.根据权利要求6所述的预编码器选择装置，其特征在于，所述第一角度参数通过以下公式计算：

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