CN101262310A - 一种mimo系统基于码本的预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MIMO系统基于码本的预编码方法，适用于有两个发射天线，并且接收天线数目大于等于2的上行MIMO系统，包括：接收端对信道矩阵H进行SVD分解，得到发射端的预编码矩阵V；对V矩阵进行分解，求出用于表达V矩阵的θ_k和φ_k；构建码本；得到θ_k和φ_k对应的码本序号并反馈给发送端；发送端重建出V矩阵的码本，进行预编码。本发明还公开了构建码本的方法，包括：对V矩阵进行分解，求出用于表达V矩阵的θ_k和φ_k；将θ_k和φ_k划分为若干个等级的量化的角度值。本发明给出了一种高性能的预编码方法和构建码本方法，能够在开销不大的情况下得到较好的性能，配合开关数据流和功率分配的方法以后能够提高系统容量。

Description

一种MIMO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，具体涉及一种基于码本的预编码方法。

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(第三代移动通讯长期演进系统)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，如图1所示。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矩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。

目前码本构建以及如何反馈码本成为预编码的热点。

发明内容

本发明提供了一种MIMO系统基于码本的预编码方法，该方法针对具有两个发射天线，并且接收天线数目大于等于2的上行MIMO系统提出了一种码本构建及反馈的方法。

本发明采用的技术方案是：

一种MIMO系统基于码本的预编码方法，适用于有两个发射天线，并且接收天线数目大于等于2的上行MIMO系统，其特征在于，包括：

a、接收端根据信道估计得到的信道矩阵H，进行SVD分解，得到发射端的预编码矩阵V和接收端的预编码矩阵U；

b、根据公式 $V=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left(j{\mathrm{\φ}}_k\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left(j{\mathrm{\φ}}_k\right)\end{array}\right]$ 对V矩阵进行分解，求出用于表达V矩阵的θ_k和φ_k；

在步骤c前的任一步进行步骤(1)：将θ_k和φ_k划分为若干个等级的量化的角度值，构建码本；

c、将求得的θ_k和φ_k与最接近的量化的角度值相对应，得到θ_k和φ_k所分别对应的量化的角度值的码本序号，将所述序号反馈给发送端；

d、发送端根据反馈的θ_k和φ_k的序号重建出预编码V矩阵的码本，使用这个码本矩阵进行发射端的预编码。

进一步地，所述步骤(1)具体包括：根据反馈空间的大小决定对θ_k和φ_k进行划分所使用的量级；

当为φ_k提供4bit的空间时，对φ_k以π/8为量级进行划分，共分16个等级；当为φ_k提供3bit的空间时，对φ_k以π/4为量级进行划分，共分8个等级；

当为θ_k提供2bit的空间时，θ_k量化的取值为4个值：

{π/4 π/4+π/2 π/4+π π/4+3π/2}

当为θ_k提供3bit的空间时，θ_k量化的取值为8个值：

{π/6   π/3    π/6+π/2  π/3+π/2

π/6+π π/3+π π/6+3π/2 π/3+3π/2}

当为θ_k提供4bit的空间时，θ_k量化的取值为16个值：

{π/10      2π/10       3π/10       4π/10

π/10+π/2  2π/10+π/2  3π/10+π/2  4π/10+π/2

π/10+π    2π/10+π    3π/10+π    4π/10+π

π/10+3π/2 2π/10+3π/2 3π/10+3π/2 4π/10+3π/2}

上述各量化的角度值对应一个序号。

进一步地，所述步骤a中还包括：接收端得到信道矩阵的两个奇异值；

所述步骤(1)中还包括：根据反馈空间将奇异值进行量化，各量化值对应一个序号；

所述步骤c中还包括：将得到的奇异值与最接近的量化的奇异值相对应，得到两个奇异值所分别对应的量化的奇异值的序号，将该序号反馈给发送端；

所述步骤d中还包括：发送端根据反馈的奇异值的序号重建出量化的奇异值，并根据量化的奇异值之比得到量化的条件数；如果该量化的条件数大于条件数的门限值时，关闭第二个数据流。

进一步地，所述步骤a中还包括：接收端得到信道矩阵的两个奇异值，并根据其比值得到条件数的值；

所述步骤(1)中还包括：根据反馈空间将条件数的值进行量化，各量化值对应一个序号；

所述步骤c中还包括：将得到的条件数的值与最接近的量化值相对应，得到所述条件数的值所对应的量化值的序号，将该序号反馈给发送端；

所述步骤d中还包括：发送端根据反馈的条件数量化值的序号重建出量化的条件数，如果该量化的条件数大于条件数的门限值时，关闭第二个数据流。

进一步地，所述步骤d中：当关闭了第二个数据流时，将所有的功率分配给第一个数据流。

本发明还提供了一种MIMO系统中码本构建的方法，其特征在于，包括：

A、根据公式 $V=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left(j{\mathrm{\φ}}_k\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left(j{\mathrm{\φ}}_k\right)\end{array}\right]$ 对V矩阵进行分解，求出用于表达V矩阵的θ_k和φ_k；

B、将θ_k和φ_k划分为若干个等级的量化的角度值；

以上两步不分先后。

进一步地，所述步骤B具体包括：

根据反馈空间的大小决定对θ_k和φ_k进行划分所使用的量级；

当为φ_k提供4bit的空间时，对φ_k以π/8为量级进行划分，共分16个等级；当为φ_k提供3bit的空间时，对φ_k以π/4为量级进行划分，共分8个等级；

当为θ_k提供2bit的空间时，θ_k量化的取值为4个值：

{π/4 π/4+π/2 π/4+π π/4+3π/2}

当为θ_k提供3bit的空间时，θ_k量化的取值为8个值：

{π/6   π/3    π/6+π/2  π/3+π/2

π/6+π π/3+π π/6+3π/2 π/3+3π/2}

当为θ_k提供4bit的空间时，θ_k量化的取值为16个值：

{π/10        2π/10       3π/10        4π/10

π/10+π/2    2π/10+π/2  3π/10+π/2   4π/10+π/2

π/10+π      2π/10+π    3π/10+π     4π/10+π

π/10+3π/2   2π/10+3π/2 3π/10+3π/2  4π/10+3π/2}

各量化的角度值对应一个序号。

本发明给出了一种高性能的预编码方法和构建码本方法，能够在开销不大的情况下得到较好的性能，配合开关数据流和功率分配的方法以后能够提高系统容量。

附图说明

图1是现有技术中2×4MIMO系统中预编码的具体复用方法示意图；

图2是本发明中基于码本的预编码方法的具体实施示意图。

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。

本发明提供了一种针对具有两个发射天线，并且接收天线数目大于等于2的上行MIMO系统的基于码本的预编码方案。在该方案中提出了一种码本构建及反馈的方法。该方案中还提出了一种动态开关第二个数据流的准则方法。

首先介绍一下码本构建及反馈的方法。

基于码本的预编码是在使用非码本方式预编码的基础上，对于V矩阵选择最接近的码本进行对应，这部分仅说明码本的构建以及对应方法。

由于V矩阵是酉矩阵，2×2的V矩阵有着自身的特性，根据其性质可以将V表达为：

$V=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left(j{\mathrm{\φ}}_k\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left(j{\mathrm{\φ}}_k\right)\end{array}\right]$

所以对于一个已知的V矩阵，我们可以求出θ_k和φ_k，并用这两个变量来表达这个V矩阵。

可以在求θ_k和φ_k之前或之后对θ_k和φ_k进行量化，构建码本。

根据所提供的传输码本信息的反馈空间大小来决定码本划分的精度，提供的bit数越多，码本就能够划分的越精确。

对于表征矩阵中相位值的是角度φ_k，对于φ_k以π/8为量级进行划分，共分16个等级，需要4bit的资源。如果提供的空间不足的话φ_k也可以以π/4为量级进行划分，需要3bit的反馈空间资源。

对于表征幅度值量化的角度θ_k进行量化时有些不同，对于幅度值的量化应尽量避免0与1的值的出现，即避免θ_k等于π/2的倍数的出现。本发明提出对于θ_k的量化方法：

当为θ_k提供2bit的空间时，θ_k量化的取值为4个值：

{π/4 π/4+π/2 π/4+π π/4+3π/2}

当为θ_k提供3bit的空间时，θ_k量化的取值为8个值：

{π/6   π/3    π/6+π/2  π/3+π/2

π/6+π π/3+π π/6+3π/2 π/3+3π/2}

当为θ_k提供4bit的空间时，θ_k量化的取值为16个值：

{π/10        2π/10       3π/10       4π/10

π/10+π/2    2π/10+π/2  3π/10+π/2  4π/10+π/2

π/10+π      2π/10+π    3π/10+π    4π/10+π

π/10+3π/2   2π/10+3π/2 3π/10+3π/2 4π/10+3π/2}

上述每个量化值各对应一个序号。

需要反馈码本信息的总的bit数为分别量化θ_k和量化φ_k所需要的bit数之和。可以但不限于通过CQI反馈序号。

下面再介绍一下动态开关数据流准则方法及与功率分配结合的方法。

对于发射端或接收端中最小的天线数目为2的MIMO系统来说(如2×4MIMO系统)，最多只能发送两个独立的数据流，为了使实际系统的容量最大化，需要对两个数据流间进行功率分配以及动态打开关闭第二个(较差的)数据流。

判断是否关闭第二个数据流的准则为：

进行大量的仿真和测试，在不同信噪比的条件下，在信道矩阵不同大小等级的条件数(Condition number即两个奇异值之比)情况下，测试所接收到的数据块是否正确，记录仿真和测试的结果。根据仿真和测试的结果，得到在不同区段信噪比的条件下，能够使得误块率达到可接受程度的最大的条件数的值(条件数越大，第二个数据流性能越差)。将这个条件数的值记录下来作为这个信噪比区段情况下的开关第二个数据流的门限。当条件数的值大于所述门限值时关闭第二个数据流。

功率分配的方法为：

当两个数据流同时发送时，采用基于注水算法的功率分配方式，当关闭了第二个数据流的情况时，将所有的功率分配给第一个数据流。(需要明确的是：功率是直接分配给数据流从而间接分配给天线的。)

量化奇异值和条件数方法：

由于在动态关闭打开数据流以及功率分配时发射端需要用到信道矩阵的两个奇异值，所以接收端需要将奇异值信息反馈给发送端，所以可以反馈量化后的两个奇异值的值，或是反馈条件数的量化值。这里可以根据反馈空间的大小决定如何划分的等级，比如有2bit反馈空间的时候可以划分为4个固定的等级，以此类推。

本发明的核心为码本构建及反馈和动态开关数据流准则方法及与功率分配，其具体操作方法如下：

第一步：接收端根据信道估计得到的信道矩阵H，进行SVD分解，得到发射端的预编码矩阵V和接收端的预编码矩阵U，以及这个信道矩阵的两个奇异值，并可由此得到所述信道矩阵的条件数的值；

第二步：根据公式

$V=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left(j{\mathrm{\φ}}_k\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left({\mathrm{j\φ}}_k\right)\end{array}\right]$

对V矩阵进行分解，可以求出θ_k和φ_k，可以完全用这两个变量来表达这个V矩阵；

在进行第三步之前的任一步中进行下面的步骤：

步骤a、根据所提供的反馈空间的大小决定使用以多大的量级对θ_k和φ_k进行划分；具体码本构建方法如前文所述。

根据所提供的反馈空间的大小将信道矩阵的两个奇异值或条件数的值进行量化，具体方法如前文所述。

第三步：将求得的θ_k和φ_k分别与最接近的量化的角度值相对应，分别得到θ_k和φ_k各自对应的量化的角度值的序号，将序号反馈给发送端；

如果反馈两个奇异值，则将得到的奇异值与最接近的量化的奇异值相对应，得到两个奇异值所分别对应的量化的奇异值的序号，将该序号反馈给发送端；

如果反馈条件数的值，则将得到的条件数的值与最接近的量化值相对应，得到该条件数的值对应的量化值的序号，将该序号反馈给发送端。

这里可以根据反馈空间的大小决定量化的等级；

第四步：发送端根据反馈的奇异值的序号重建出量化的奇异值，进一步得到量化的条件数，或是根据反馈的条件数量化值的序号直接重建出量化的条件数，然后依据该条件数进行功率分配和动态开关第二个数据流的处理；具体方法如上文所述。

发送端根据反馈的θ_k和φ_k的序号重建出预编码V矩阵的码本，使用这个码本矩阵进行发射端的预编码。

本发明清楚的给出了V矩阵预编码码本的构建方法，给出了动态打开关闭数据流的准则方法，完整的给出了基于码本预编码及相关的动态开关第二个数据流的解决方案。

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 (7)

1. 一种MIMO系统基于码本的预编码方法，适用于有两个发射天线，并且接收天线数目大于等于2的上行MIMO系统，其特征在于，包括：

a、接收端根据信道估计得到的信道矩阵H，进行SVD分解，得到发射端的预编码矩阵V和接收端的预编码矩阵U；

b、根据公式 $V=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left({\mathrm{j\φ}}_k\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left({\mathrm{j\φ}}_k\right)\end{array}\right]$ 对V矩阵进行分解，求出用于表达V矩阵的θ_k和φ_k；

在步骤c前的任一步进行步骤(1)：将θ_k和φ_k划分为若干个等级的量化的角度值，构建码本；

c、将求得的θ_k和φ_k与最接近的量化的角度值相对应，得到θ_k和φ_k所分别对应的量化的角度值的码本序号，将所述序号反馈给发送端；

d、发送端根据反馈的θ_k和φ_k的序号重建出预编码V矩阵的码本，使用这个码本矩阵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(1)具体包括：根据反馈空间的大小决定对θ_k和φ_k进行划分所使用的量级；

当为φ_k提供4bit的空间时，对φ_k以π/8为量级进行划分，共分16个等级；当为φ_k提供3bit的空间时，对φ_k以π/4为量级进行划分，共分8个等级；

当为θ_k提供2bit的空间时，θ_k量化的取值为4个值：

{π/4 π/4+π/2 π/4+π π/4+3π/2}

当为θ_k提供3bit的空间时，θ_k量化的取值为8个值：

{π/6 π/3 π/6+π/2 π/3+π/2

π/6+π π/3+π π/6+3π/2 π/3+3π/2}

当为θ_k提供4bit的空间时，θ_k量化的取值为16个值：

{π/10 2π/10 3π/10 4π/10

π/10+π/2 2π/10+π/2 3π/10+π/2 4π/10+π/2

π/10+π 2π/10+π 3π/10+π 4π/10+π

π/10+3π/2 2π/10+3π/2 3π/10+3π/2 4π/10+3π/2}

上述各量化的角度值对应一个序号。

3. 如权利要求1所述的预编码方法，其特征在于：

所述步骤a中还包括：接收端得到信道矩阵的两个奇异值；

所述步骤(1)中还包括：根据反馈空间将奇异值进行量化，各量化值对应一个序号；

所述步骤c中还包括：将得到的奇异值与最接近的量化的奇异值相对应，得到两个奇异值所分别对应的量化的奇异值的序号，将该序号反馈给发送端；

所述步骤d中还包括：发送端根据反馈的奇异值的序号重建出量化的奇异值，并根据量化的奇异值之比得到量化的条件数；如果该量化的条件数大于条件数的门限值时，关闭第二个数据流。

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中还包括：接收端得到信道矩阵的两个奇异值，并根据其比值得到条件数的值；

所述步骤(1)中还包括：根据反馈空间将条件数的值进行量化，各量化值对应一个序号；

所述步骤c中还包括：将得到的条件数的值与最接近的量化值相对应，得到所述条件数的值所对应的量化值的序号，将该序号反馈给发送端；

所述步骤d中还包括：发送端根据反馈的条件数量化值的序号重建出量化的条件数，如果该量化的条件数大于条件数的门限值时，关闭第二个数据流。

5. 如权利要求3或4所述的预编码方法，其特征在于，所述步骤d中：当关闭了第二个数据流时，将所有的功率分配给第一个数据流。

6. 一种MIMO系统中码本构建的方法，其特征在于，包括：

A、根据公式 $V=\left[\begin{array}{cc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left({\mathrm{j\φ}}_k\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_k\right)\exp \left({\mathrm{j\φ}}_k\right)\end{array}\right]$ 对V矩阵进行分解，求出用于表达V矩阵的θ_k和φ_k；

B、将θ_k和φ_k划分为若干个等级的量化的角度值；

以上两步不分先后。

7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤B具体包括：

根据反馈空间的大小决定对θ_k和φ_k进行划分所使用的量级；

当为φ_k提供4bit的空间时，对φ_k以π/8为量级进行划分，共分16个等级；当为φ_k提供3bit的空间时，对φ_k以π/4为量级进行划分，共分8个等级；

当为θ_k提供2bit的空间时，θ_k量化的取值为4个值：

{π/4 π/4+π/2 π/4+π π/4+3π/2}

当为θ_k提供3bit的空间时，θ_k量化的取值为8个值：

{π/6 π/3 π/6+π/2 π/3+π/2

π/6+π π/3+π π/6+3π/2 π/3+3π/2}

当为θ_k提供4bit的空间时，θ_k量化的取值为16个值：

{π/10 2π/10 3π/10 4π/10

π/10+π/2 2π/10+π/2 3π/10+π/2 4π/10+π/2

π/10+π 2π/10+π 3π/10+π 4π/10+π

π/10+3π/2 2π/10+3π/2 3π/10+3π/2 4π/10+3π/2}

各量化的角度值对应一个序号。

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