CN101262309B - 一种4×2mimo系统基于码本的预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种4×2MIMO系统基于码本的预编码方法，包括：接收端估计出信道矩阵H1和H2，分别对H1和H2做SVD分解；将从H1分解得到的U1矩阵的第一个列向量用做第一个数据流在接收端的预编码矩阵；将从H2分解得到的U2矩阵的第一个列向量用做第二个数据流在接收端的预编码矩阵；从H1分解得到V1，从H2分解得到V2；在前面任一步骤进行构建码本；将与V1、V2对应的码本序号反馈至发射端；在发射端重建出预编码V1和V2矩阵的码本，并分别使用这两个码本矩阵的第一个列向量进行预编码。本发明的方法用简单的2×2的V矩阵码本代替4×4的V矩阵码本进行预编码，码本构建相对简单，并且能减小反馈开销。

Description

一种4×2MIMO系统基于码本的预编码方法

技术领域

本发明涉及一种多输入多输出(MIMO)无线移动通信系统，具体涉及一种预编码方法。

背景技术

多输入多输出(MIMO：Multiple Input and Multiple Output)系统由于其有效提高信道容量而成为LTE的研究中一项倍受人们关注的技术。使用预编码技术进行多数据流与天线之间的复用能够更加有效的利用现有信道资源，通过对数据流的功率分配能够提高系统容量，并能够减小数据流之间的干扰，提高系统的整体性能。因此预编码技术也成为新的研究热点。

在本部分将介绍预编码的基本理论方法及实现方式，这种方法的基本思想是接收端通过信道估计得到信道矩阵，对信道矩阵进行奇异值分解得到发送端和接收端所使用的预编码矩阵V和U。当发射天线使用V的第i个列向量作为其权值，接收天线使用U的第i个列向量作为其权值时(i＝1，2，…s)，数据流就在且仅在第i个空间子信道中传输。当发送端能够得到V矩阵的具体元素值的情况，称其为理想预编码方法。即基于非码本方式的预编码方法。基于码本的方式的引出是由于V阵的元素需要反馈给发射端，但反馈所需要的空间不足以传输V矩阵信息，所以需要通过构建码本来简化反馈信息，反馈与V阵近似的码本来进行预编码。

对于基于码本预编码方案的系统实现方式，接收端通过SVD(sigularvalue decomposition奇异值分解)分解计算，在预编码权值码本中寻找到最接近的一个码本，将此码本的序号通过CQI(信道质量测量指示)反馈给发射端，在发射端进行码本的重建，进行加权。

由于发射端有4个发射天线，所以需要对于4×4的V矩阵构建码本，4×4的V矩阵构建码本比较复杂，而且反馈开销比较大。

发明内容

针对以上不足，本发明提供了一种适用于下行4×2MIMO系统基于码本的预编码方法，该方法针对四个发射天线、两个接收天线的MIMO系统，其预编码方法相对简单。

本发明采用的技术方案是：

一种4×2MIMO系统基于码本的预编码方法，其特征在于，包括：

a、接收端分别估计出两个2×2MIMO系统的信道矩阵H1和H2，分别对H1和H2做SVD分解；

b、将从H1分解得到的U1矩阵的第一个列向量用做第一个数据流在接收端的预编码矩阵；将从H2分解得到的U2矩阵的第一个列向量用做第二个数据流在接收端的预编码矩阵；

c、从H1分解得到V1，从H2分解得到V2；

在步骤d前的任一步骤进行步骤一：构建码本；

d、将与V1、V2对应的码本序号反馈至发射端；

e、在发射端分别根据反馈的码本序号重建出预编码V1和V2矩阵的码本，并分别使用这两个码本矩阵的第一个列向量进行发射端的预编码。

进一步地，所述步骤c还包括：对V1和V2矩阵进行分解，分别求出用于表达V1矩阵的相位值φ1和幅度值A1，及用于表达V2矩阵的相位值φ2和幅度值A2；

所述步骤d具体为：将V1和V2的第一个列向量的相位值φ1、φ2和幅度值A1、A2分别对应于与其最接近的量化值的码本序号，将序号通过信道质量测量指示反馈至发射端；

所述步骤e具体为：根据所反馈的两个数据流的相位值和幅度值的序号重建码本。

进一步地，所述步骤一中，构建码本时，根据反馈空间大小划分相位值和幅度值，具体步骤为：

当提供2bit反馈空间给φ时，φ以π/2为等级进行划分：

$\mathrm{\φ}\∈\{\frac{\mathrm{\πn}}{2},n=\mathrm{0,1,2,3}\};$ 当提供3bit反馈空间给φ时，φ以π/4为等级进行划分：

$\mathrm{\φ}\∈\{\frac{\mathrm{\πn}}{4},n=\mathrm{0,1},\·\·\·,7\};$ 当提供4bit反馈空间给φ时，φ以π/8为等级进行划分：

$\mathrm{\φ}\∈\{\frac{\mathrm{\πn}}{8},n=\mathrm{0,1},\·\·\·,15\};$

当提供1bit反馈空间给A时，A∈{-sin(π/4)，sin(π/4)}；当提供2bit反馈空间给A时，A∈{-sin(2π/6)，-sin(π/6)，sin(π/6)，sin(2π/6)}；当提供3bit反馈空间给A时， $A\∈\left\{\begin{array}{c}-\sin (4\mathrm{\π}/10),-\sin (3\mathrm{\π}/10),-\sin (2\mathrm{\π}/10),-\sin (\mathrm{\π}/10),\\ \sin (\mathrm{\π}/10),\sin (2\mathrm{\π}/10),\sin (3\mathrm{\π}/10),\sin (4\mathrm{\π}/10)\end{array}\right\};$

各量化值对应一个序号。

进一步地，所述步骤a前还包括：将4×2的MIMO系统划分为两个2×2的MIMO系统。

进一步地，所述步骤c中，按照下式对V1、V2进行分解：

$V=\left[\begin{array}{c}A\\ \sqrt{1-A^2}\exp \left(\mathrm{j\φ}\right)\end{array}\right].$

本发明的方法用简单的2×2的V矩阵码本代替4×4的V矩阵码本进行预编码，码本构建相对简单，并且能减小反馈开销。

附图说明

图1是本发明的4×2MIMO系统基于码本的预编码方法的示意图；

图2是本发明的4×2MIMO系统基于码本的预编码方法中具体加权的示意图。

图3是本发明的4×2MIMO系统基于码本的预编码方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明。

本发明的核心内容是将4发射天线2接收天线的MIMO系统等效为两个2发射天线2接收天线的MIMO系统来进行处理。如图1所示，第1、2根发射天线与两根接收天线组成第一个MIMO系统，其2×2的信道矩阵为H1；第3、4根发射天线与两根接收天线组成第二个MIMO系统，其2×2的信道矩阵为H2。实际操作中，可以任意组合2×2MIMO系统，比如第1、3根或第1、4根发射天线与两根接收天线组成第一个MIMO系统，另外两根发射天线与两根接收天线组成第二个MIMO系统。

数据流1从第一个2×2MIMO的第一个(较好的)空间子信道通过，其幅度增益为H1的第一个(较大的)奇异值的大小；数据流2从第二个2×2MIMO的第一个(较好的)空间子信道通过，其幅度增益为H2的第一个(较大的)奇异值的大小。两个MIMO系统都分别只使用各自较好的空间子信道，从整体来看两个数据流的性能是相同的。

如图2所示，接收端需要分别估计出两个MIMO系统的信道矩阵H1和H2，分别对H1和H2做SVD分解。将从H1分解得到的U1矩阵的第一个列向量用做第一个数据流在接收端的预编码矩阵；将从H2分解得到的U2矩阵的第一个列向量用做第二个数据流在接收端的预编码矩阵。

H1分解得到的V1与H2分解得到的V2需要反馈至发射端，将V1和V2的第一个列向量分别对应与其相近的码本序号，将序号反馈至发射端，在发射端进行码本重建，在发射端对于两个数据流分别使用码本量化后的V1和V2矩阵第一个列向量进行预编码。可以但不限于通过CQI反馈序号。

码本构建方法如下：

由于两个2×2MIMO系统分别都只传输一个数据流，只需要反馈两个V矩阵的第一个列向量。所以在下面构建码本时只考虑第一个列向量的码本构建。

V矩阵可以表示为： $V=\left[\begin{array}{c}A\\ \sqrt{1-A^2}\exp \left(\mathrm{j\φ}\right)\end{array}\right]$

对于相位值φ进行量化，其取值范围为0～2π，对其的量化等级的选取可以根据反馈空间大小来决定：

当φ以π/2为等级进行划分时，需要2bit空间资源； $\mathrm{\φ}\∈\{\frac{\mathrm{\πn}}{2},n=\mathrm{0,1,2,3}\}$

当φ以π/4为等级进行划分时，需要3bit空间资源； $\mathrm{\φ}\∈\{\frac{\mathrm{\πn}}{4},n=\mathrm{0,1},\·\·\·,7\}$

当φ以π/8为等级进行划分时，需要4bit空间资源； $\mathrm{\φ}\∈\{\frac{\mathrm{\πn}}{8},n=\mathrm{0,1},\·\·\·,15\}$

对于幅度值A进行量化，其不同的量化等级大小根据反馈空间大小来决定：

A∈{-sin(π/4)，sin(π/4)}时，需要1bit空间资源；

A∈{-sin(2π/6)，-sin(π/6)，sin(π/6)，sin(2π/6)}时，需要2bit空间资源； $A\∈\left\{\begin{array}{c}-\sin (4\mathrm{\π}/10),-\sin (3\mathrm{\π}/10),-\sin (2\mathrm{\π}/10),-\sin (\mathrm{\π}/10),\\ \sin (\mathrm{\π}/10),\sin (2\mathrm{\π}/10),\sin (3\mathrm{\π}/10),\sin (4\mathrm{\π}/10)\end{array}\right\}$ 时，需要3bit空间资源；

各量化值对应一个序号。

两个流所需要的总空间资源为：(相位值φ所需bit数+幅度值A所需bit数)*2

如图3所示，本发明具体操作方法如下：

开始前，首先将4发射天线2接收天线的MIMO系统等效为两个2发射天线2接收天线的MIMO系统；

第一步：接收端需要分别估计出两个2×2MIMO系统的信道矩阵H1和H2，分别对H1和H2做SVD分解。

第二步：将从H1分解得到的U1矩阵的第一个列向量用做第一个数据流在接收端的预编码矩阵；将从H2分解得到的U2矩阵的第一个列向量用做第二个数据流在接收端的预编码矩阵；

第三步：从H1分解得到V1，从H2分解得到V2；V1、V2需要反馈至发射端；按照前文V矩阵的表达式对V1和V2矩阵进行分解，分别求出用于表达V1矩阵的相位值φ1和幅度值A1，及用于表达V2矩阵的相位值φ2和幅度值A2；

根据反馈空间大小将相位值和幅度值分别划分为若干个等级的量化值，构建码本；根据前文可知，即：

当提供2bit的反馈空间给φ时，φ以π/2为等级进行划分：

$\mathrm{\φ}\∈\{\frac{\mathrm{\πn}}{2},n=\mathrm{0,1,2,3}\};$ 提供3bit的反馈空间给φ时，φ以π/4为等级进行划分：

$\mathrm{\φ}\∈\{\frac{\mathrm{\πn}}{4},n=\mathrm{0,1},\·\·\·,7\};$ 提供4bit的反馈空间给φ时，φ以π/8为等级进行划分：

$\mathrm{\φ}\∈\{\frac{\mathrm{\πn}}{8},n=\mathrm{0,1},\·\·\·,15\};$

当提供1bit的反馈空间给A时，A∈{-sin(π/4)，sin(π/4)}；提供2bit空间给A时，A∈{-sin(2π/6)，-sin(π/6)，sin(π/6)，sin(2π/6)}；当提供3bit空间给A时，

$A\∈\left\{\begin{array}{c}-\sin (4\mathrm{\π}/10),-\sin (3\mathrm{\π}/10),-\sin (2\mathrm{\π}/10),-\sin (\mathrm{\π}/10),\\ \sin (\mathrm{\π}/10),\sin (2\mathrm{\π}/10),\sin (3\mathrm{\π}/10),\sin (4\mathrm{\π}/10)\end{array}\right\};$

也可以在第一步或第二步中完成构建码本的工作，只要保证是在进行下面相位值、幅度值与码本序号的对应前完成即可。

将V1和V2的第一个列向量的相位值φ1、φ2和幅度值A1、A2分别对应于与其最接近的量化值的码本序号，将序号通过反馈至发射端；

第四步：在发射端分别根据反馈的两个数据流的相位值和幅度值的序号重建出预编码V1和V2矩阵的码本，并分别使用这两个码本矩阵的第一个列向量进行发射端的预编码。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种4×2MIMO系统基于码本的预编码方法，其特征在于，包括：

a、接收端分别估计出两个2×2MIMO系统的信道矩阵H1和H2，分别对H1和H2做SVD分解；

b、将从H1分解得到的U1矩阵的第一个列向量用做接收端接收第一个数据流的预编码矩阵；将从H2分解得到的U2矩阵的第一个列向量用做接收端接收第二个数据流的预编码矩阵；

c、从H1分解得到V1，从H2分解得到V2；

在步骤d前的任一步骤进行步骤一：构建码本；

d、将与V1、V2对应的码本序号反馈至发射端；

e、在发射端分别根据反馈的码本序号重建出预编码V1和V2矩阵的码本，并分别使用这两个码本矩阵的第一个列向量进行发射端的预编码。

2.如权利要求1所述的预编码方法，其特征在于：

所述步骤c还包括：对V1和V2矩阵进行分解，分别求出用于表达V1矩阵的相位值φ1和幅度值A1，及用于表达V2矩阵的相位值φ2和幅度值A2；

所述步骤d具体为：将V1和V2的第一个列向量的相位值φ1、φ2和幅度值A1、A2分别对应于与其最接近的量化值的码本序号，将序号通过信道质量测量指示反馈至发射端；

所述步骤e具体为：根据所反馈的两个数据流的相位值和幅度值的序号重建码本。

3.如权利要求1所述的预编码方法，其特征在于，所述步骤一中，构建码本时，根据反馈空间大小划分相位值和幅度值，具体步骤为：

当提供2bit反馈空间给相位值φ时，φ以π/2为等级进行划分：

当提供3bit反馈空间给φ时，φ以π/4为等级进行划分：

当提供4bit反馈空间给φ时，φ以π/8为等级进行划分：

当提供1bit反馈空间给幅度值A时，A∈{-sin(π/4)，sin(π/4)}；当提供2bit反馈空间给A时，A∈{-sin(2π/6)，-sin(π/6)，sin(π/6)，sin(2π/6)}；当提供3bit反馈空间给A时，

各量化值对应一个序号。

4.如权利要求1所述的预编码方法，其特征在于，所述步骤a前还包括：将4×2的MIMO系统划分为两个2×2的MIMO系统。

5.如权利要求2所述的预编码方法，其特征在于，所述步骤c中，按照下式对V1、V2进行分解：

其中V表示V1或V2矩阵中的任意一个，A表示该V矩阵的幅度值，φ表示该V矩阵的相位值。

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