CN101340219A - 信道状态信息反馈方法及无线收发装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信领域，公开了一种信道状态信息反馈方法及无线收发装置。本发明中，使用至少两个以不同准则生成的码本，接收端从各码本中选出最适应当前信道状态的预编码矩阵的组合，并将该预编码矩阵的组合以有限比特反馈给发送端，可以在不增加反馈信息量的条件下提高预编码处理的性能，并能够节省存储码本所需的存储空间。可以使用一个主码本和一个辅助码本，辅助码本可以看作在主码本的基础上增加一个扰动，其中主码本可以按现有技术的方案生成和选择，辅助码本可以基于Fourier矩阵生成或扩展旋转矩阵生成。

Description

信道状态信息反馈方法及无线收发装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及信道状态信息反馈技术。

背景技术

目前，多输入多输出(Multi-Input Multi-Output，简称“MIMO”)技术在无线通信系统中的应用越来越受到重视，无论是从增加系统容量的角度还是改善系统性能的角度，MIMO都有其不可替代的优越性。MIMO主要分为两大类，一类是以最大化分集增益为目的的空间分集技术，另一类则是以最大化数据速率为目的的空分复用技术。

基于MIMO的空分复用技术的系统能通过同时发送多路独立的数据流，以显著地提高系统的频谱利用率，但空分复用系统对于恶劣的信道条件非常敏感。对于该问题，比较有效的方式是首先自适应调整需要发送的独立数据流的数目，使其不大于接收的天线数和发送天线数中的较小值，根据当前信道矩阵的秩进行动态变化，同时对发送的数据流进行预编码或波束形成，预编码矩阵或发送波束的设计或选取需要利用信道信息。

预编码系统的基本思想是通过分析发送端已知的某种形式的信道信息来设计信号的发送方式，使发送的信号能适应信道矩阵的特征结构，使独立数据流之间的相互干扰尽可能小。预编码系统设计可以利用不同形式的信道信息，根据不同的准则来设计。当发送端已精确地获知当前信道状态信息(Channel StateInformation，简称“CSI”)时，预编码系统能获得最大的增益。在采用时分双工(Time Division Duplex，简称“TDD”)的无线通信系统中，当数据发送和接收保证在合适的乒乓时间内，信道在接收模式下的估计值能用来估计发送信道，即此时发送端有可能获得比较精确的信道状态信息，但在频分双工(FrequencyDivision Duplex，简称“FDD”)的无线通信系统中，信道状态信息只能通过反馈信道由接收端传送到发送端。但由于MIMO信道矩阵包含多个参数，传送这些信道参数超出了有限反馈信道的可负荷程度，因此，通过反馈信道由接收端将信道状态信息传送到发送端的方式在有限反馈系统中并不可行。

因此，为了减少反馈信息量，比较有效的方法之一是采用基于预编码矩阵或波束码本的方案，称为有限反馈预编码，其思想是先根据信道的统计特性设计一组可用的预编码矩阵或波束矢量，构成一个码本，该码本在发送端和接收端均已知，接收端根据估计的信道矩阵和一定的性能准则选择码本中的一个码字用作发送端使用的预编码矩阵或波束矢量，将其在码本中的序号反馈给发送端。码本的设计是预编码系统设计中非常关键的一个环节，可以采用Hochwald等提出的酉空时星座设计方法。需要指出的是，为了实现简单，预编码码本中各元素，即码字F，

满足F^HF＝I_K，即预编码矩阵F为各列正交归一的矩阵，每一列作为一个独立数据流的承载波束。

具体地说，假设系统可以反馈B个比特进行预编码设计，若采用预编码码本的方式，此时码本由N＝2^B个预编码矩阵组成。如果把码本中每个预编码矩阵(若M＝1，则矩阵退化成波束)看成一个由列张成的子空间(若码字退化成波束，则每个波束可以看作是一根线)，这样码本的设计就等效成一个子空间(或线)堆积的过程，它的目标是使不同子空间之间的最小距离最大化，这种方法被称为Grassmannian子空间堆积方法。

Grassmannian子空间堆积方法的关键之处在于如何定义两个不同子空间的距离，经理论分析表明，根据系统所采用的不同的码字选取准则以及具体的接收机模型，在设计码本时应该采用不同的子空间距离定义。下面简单介绍一下已有的各种码字选取标准以及相应的距离定义。

(1)假设接收端使用最大似然接收机，系统从码本中选择一个预编码矩阵，使接收符号矢量的最小距离达到最大(MD Selection)，或者使瞬时容量达到最大(Capacity Selection)。

(2)假设接收端使用迫零ZF线性接收机，系统从码本中选择一个预编码矩阵，使等效信道矩阵HF的最小奇异值达到最大(SV Selection)。

(3)假设接收端使用最小均方差估计(Minimum mean-square error，简称“MMSE”)接收机，系统从码本中选择一个预编码矩阵，使均方误差矩阵的迹(MMSE-trace Selection)或行列式(MMSE-det Selection)达到最小。

上述各种码字选取准则的具体定义如表1所示。

表1

根据上述不同的码字选取准则，可以得到如下的码本设计准则：

(1)当B＝∞，等效于发送端已知全部的信道状态信息，此时最优的预编码矩阵是由矩阵H^HH的M个最大特征值对应的特征向量组成的。若对H^HH进行特征值分解，得到如下形式：

$H^{H}H=V_H{D}_H{V}_H^H---\left(1\right)$

其中 $D_H=\mathrm{diag}({\mathrm{\λ}}_1,...,{\mathrm{\λ}}_{M_t}),$ 不失一般性，假设 ${\mathrm{\λ}}_1\≥{\mathrm{\λ}}_2\≥...\≥{\mathrm{\λ}}_{M_t},$ 则最优预编码矩阵为：

F_opt＝V_H(2)

其中V_H表示由V_H的前M列组成的矩阵。

(2)有限反馈系统中，假设B＝log₂(N)。如果使用行列式达到最小或者容量选取准则，则码本设计目标是使如下距离：min_{1≤i＜j≤N}d_FS(F_i，F_j)最大化，其中d_FS(F_i，F_j)表示由矩阵F_i和F_j张成的两个子空间之间的Fubini-Study距离，具体定义如下：

$d_{\mathrm{FS}}(F_i,F_j)=\arccos \left|\det \left(F_i^H{F}_j\right)\right|---\left(3\right)$

(3)有限反馈系统如果使用MMSE-trace、SV或MD码字选取准则，则码本设计目标是使如下距离：min_{1≤i＜j≤N}d_p2(F_i，F_j)最大化，其中d_p2(F_i，F_j)表示由矩阵F_i和F_j张成的两个子空间之间的投影二范数距离，具体定义如下：

$d_{p2}(F_i,F_j)={\left|\right|F_i{F}_i^H-F_j{F}_j^H\left|\right|}_2=\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_{\min }^2\left(F_i^H{F}_j\right)}---\left(4\right)$

其中λ_min(F_i ^HF_j)表示矩阵F_i ^HF_j的最小奇异值。

(4)对于联合使用正交空时分组码的有限反馈预编码系统，码本设计目标是使如下距离：min_{1≤i＜j≤N}d_c(F_i，F_j)最大化，其中d_c(F_i，F_j)表示由矩阵F_i和F_j张成的两个子空间之间的chordal距离，具体定义如下：

$d_c(F_i,F_j)=\frac{1}{\sqrt{2}}{\left|\right|F_i{F}_i^H-F_j{F}_j^H\left|\right|}_F=\sqrt{M-\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_k^2\left(F_i^H{F}_j\right)}---\left(5\right)$

在目前的现有技术中，接收端是通过将选取的码字(即预编码矩阵)在其码本中的序号反馈给发送端，通知发送端对发送的信号采用的预编码矩阵，以此来减少反馈信息量。然而，本发明的发明人发现，由于实际中往往采用复杂度较低的线性接收机，实际可获得的吞吐量相对于信息论的容量有一定的损失，也就是说，接收端根据估计的信道矩阵和一定的性能准则选取的码字对最优码字进似不够准确，从而导致了一定的性能损失。此外，目前码本中每个码字都是一个较大预编码矩阵，所以占用的存储空间较大。

发明内容

本发明实施方式要解决的主要技术问题是提供一种信道状态信息反馈方法及无线收发装置，使得可以在相同反馈信息量的条件下提高预编码处理的性能。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种信道状态信息反馈方法，包括以下步骤：

接收端根据当前信道状态，从至少两个码本中分别选择一个预编码矩阵，使所选的各预编码矩阵的组合最适应当前信道状态，并将代表所选的各预编码矩阵的信息传递到发送端，通知该发送端根据该接收端所选的各预编码矩阵的组合对需要发送的信号进行预编码处理；其中，接收端中各码本分别以不同的准则生成，每个码本中包含至少两个预编码矩阵。

本发明的实施方式还提供了一种无线接收装置，包括：

存贮单元，用于保存至少两个码本，每个码本分别以不同的准则生成，每个码本中包含至少两个预编码矩阵；

选择单元，用于根据当前信道状态，从存贮单元保存的各码本中分别选择一个预编码矩阵，使所选的各预编码矩阵的组合最适应当前信道状态；

反馈单元，用于将代表选择单元所选的各预编码矩阵的信息传递到发送端。

本发明的实施方式还提供了一种无线发送装置，包含：

存贮单元，用于保存与发送端相同的至少两个码本，每个码本分别以不同的准则生成，每个码本中包含至少两个预编码矩阵；

接收单元，接收发送端所选的至少两个预编码矩阵在各自码本中的序号；

查找单元，用于根据接收单元收到的各序号分别从存贮单元中各码本内找到对应的各预编码矩阵；

预编码单元，用于以查找单元找到的各预编码矩阵的组合对需要发送的信号进行预编码处理。

本发明实施方式与现有技术相比，主要其效果在于：可以在不增加反馈信息量的条件下提高预编码处理的性能。在不增加反馈信息量的条件下，使用多个码本时，虽然每个码本都变小了，但由于码本是以不同的准则生成的，所以相当于引入了一些非线性的因素，经仿真证明(仿真结果见相应实施方式)，多个以不同准则生成的码本可以比一个码本更适应当前信道状态。而且，多个小码本比一个大码本占用的存储空间更少，能够节省收发两端的存储码本的存储空间。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的信道状态信息反馈方法流程图；

图2是根据本发明第一实施方式的双码本方案，与使用单码本方案的性能仿真示意图；

图3是根据本发明第二实施方式的双码本方案，与使用单码本方案的性能仿真示意图；

图4是根据本发明第三实施方式的双码本方案，与使用单码本方案的性能仿真示意图；

图5是根据本发明第四实施方式的双码本方案，与使用单码本方案的性能仿真示意图；

图6是根据本发明第五实施方式的无线接收装置结构示意图；

图7是根据本发明第六实施方式的无线发送装置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明的第一实施方式涉及一种信道状态信息反馈方法，在本实施方式中，接收端根据当前信道状态，从两个码本(即主码本和辅助码本)中分别选择一个预编码矩阵，使所选的各预编码矩阵的组合最适应当前信道状态，并将所选的各预编码矩阵在各自码本中的序号传递到发送端，通知该发送端根据该接收端所选的各预编码矩阵的组合对需要发送的信号进行预编码处理。其中主码本按现有技术的方案生成和选择，辅助码本可以看作在主码本的基础上增加一个扰动，具体流程如图1所示。

在步骤110中，接收端根据当前信道状态，在主码本中选择一个预编码矩阵。具体地说，假设主码本表示为 $F=\{F_1,F_2,...,F_N\},$ F_i是M_t×M维的复数矩阵。接收端在获得当前的信道状态信息后，根据当前的信道状态，按照第一准则从码本F中选择一个预编码矩阵F_p。该第一准则可以是表1中的一种准则类型，如Capacity Selection或MMSE-trace Selection等。

接着，进入步骤120，接收端根据当前信道状态，在辅助码本中选择一个预编码矩阵。具体地说，假设辅助码本表示为 $g=\{U_1,U_2,...,U_G\},$ U_i是M维的酉阵。接收端在获得当前的信道状态信息后，根据当前的信道状态，从码本G中选择一个预编码矩阵U_q，使在步骤110中选取的预编码矩阵与在本步骤中选取的预编码矩阵的组合满足第二准则。

本实施方式中的辅助码本为基于Fourier(傅立叶)矩阵生成的辅助码本，其形式为：U_g＝Λ_g·D_M，g＝0，...，G-1

其中，D_M＝{d_kl，k，l＝0，...，M-1}， $d_{\mathrm{kl}}=\frac{1}{\sqrt{M}}\exp (j2\mathrm{\πkl}/M),$ M是预编码矩阵的维数， ${\mathrm{\Λ}}_g=\mathrm{diag}(1,\exp \left(\frac{j2\mathrm{\πg}}{\mathrm{MG}}\right),...,\exp \left(\frac{j2\mathrm{\π}(M-1)g}{\mathrm{MG}}\right)).$

接收端在辅助码本G中选择的预编码矩阵U_q与在步骤110中选取的预编码矩阵F_p的组合满足第二准则，从吞吐量最大化角度出发，该第二准则为：

其中，M是预编码矩阵的维数，U_q为所选的辅助码本中的预编码矩阵，I_M是M维单位矩阵，F_p是所选的主码本中的预编码矩阵，U是辅助码本中的预编码矩阵，H是信道矩阵。

接着，进入步骤130，接收端将所选的各预编码矩阵在各自码本中的序号，传递到发送端，通知该发送端根据该接收端所选的各预编码矩阵的组合对需要发送的信号进行预编码处理。

相比传统的单独采用一个码本的方式(如采用Grassmannian码本的方式)，本实施方式中的采用主码本+辅助码本的方式，将需要额外反馈辅助码本中选择的预编码矩阵的序号，也就是说，接收端需要反馈的总比特数为log₂(N)+log₂(G)。由于在实际系统中，用于表示选择的预编码矩阵的反馈比特数B往往是预先固定的，因此，接收端需要反馈的总比特数log₂(N)+log₂(G)，需要与预先固定反馈比特数B相等。其中，N为主码本中包含的预编码矩阵的个数，G为辅助码本中包含的预编码矩阵的个数。

由于需要反馈的总比特数是预先固定的，如6比特，因此，如果单独使用一个码本(如Grassmannian码本)，则该Grassmannian码本的长度为64(即包含64个预编码矩阵)；如果使用2个码本，则可以将第一个码本的长度置为16(即包含16个预编码矩阵)，将第二个码本的长度置为4(即包含4个预编码矩阵)，由此可见，相较单独使用一个码本的情况而言，收发两端的存储码本的存储空间得以减少。而且，由于使用双码本后接收端可以使用逐次搜索的方式选择首选预编码矩阵，相比传统的基于Grassmannian码本的预编码方式，可以显著降低搜索的计算复杂度。

发送端在收到来自接收端的表示各序号的反馈比特后，分别从与该接收端相同的各码本中找到对应的各预编码矩阵，以找到的各预编码矩阵的组合对需要发送的信号进行预编码处理。当然，在本实施方式中，发送端需要保存与接收端相同的主码本和辅助码本的具体信息。由于只需传各预编码矩阵在各自码本中的序号，即可通知发送端对发送的信号使用的各预编码矩阵的组合，因此可以有效地减少传输的信息量。

需要说明的是，接收端前后两次从主码本与辅助码本中选取预编码矩阵的准则需要相匹配，如在本实施方式中，在主码本中选取预编码矩阵的第一准则，与在辅助码本中选取预编码矩阵时需要满足的第二准则都需要从容量角度出发。

假设通信系统发送端(基站)配置4根天线，接收端(终端)配置2根天线，天线都排成均匀线阵，基站处天线距离d_T＝10λ，终端处天线距离为d_T＝0.5λ；基站处的角度扩展AS＝2，终端处的角度扩展AS＝60；并假设基站处的出射角(AoD)均匀分布在-60°和60°之间，终端处的入射角(AoA)固定在0°，取10000次信道实现。采用本实施方式的使用主码本和基于Fourier矩阵的辅助码本的双码本方案，与传统的采用一种码本(如Grassmannian码本)方案的性能仿真如图2所示。

在图2中，横坐标均表示平均信噪比(SignalNoise ratio，简称“SNR”)，纵坐标均表示系统吞吐量大小，在发送端发送两个数据流，接收端使用MMSE接收机。当使用双码本方案(辅助码本的长度为4)时，系统吞吐量有0.3比特/Hz左右的增益，表明辅助码本能有效补偿线性接收机的容量损失。另外需要注意的是，当主码本(即Grassmannian码本)的长度取为16，辅助码本的长度取为4，此时需要反馈6个比特的信息，这与单独使用64长度的Grassmannian码本的单码本方案具有相同的反馈信息量。由图所示，两者具有几乎完全相同的平均吞吐量性能，但在使用双码本方案的情况下，具有更低的计算复杂度以及更小的码本存储空间。

本发明的第二实施方式涉及一种信道状态信息反馈方法，本实施方式与第一实施方式大致相同，其区别在于，在第一实施方式中，接收端使用的辅助码本为基于Fourier矩阵生成的辅助码本；而在本实施方式中，接收端使用的辅助码本的形式为： $U_2=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& \text{-sin}{\mathrm{\θ}}_1\\ \sin {\mathrm{\θ}}_1& \cos {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right],...$

$U_M=\left[\begin{array}{cc}{U}_{M/2}\·\cos {\mathrm{\θ}}_k& -U_{M/2}\·\sin {\mathrm{\θ}}_k\\ U_{M/2}\·\sin {\mathrm{\θ}}_k& U_{M/2}\·\cos {\mathrm{\θ}}_k\end{array}\right],M=2^k,k=\mathrm{2,3},...,K$

其中，M是预编码矩阵的维数，K是大于1的整数，θ₁＝θ₂＝…＝θ_K。

具体地说，从补偿容量损失角度出发，最优的扰动矩阵U_opt为矩阵F_p ^HH^HHF_p的特征向量组成的酉阵，即U_opt ^HF_p ^HH^HHF_pU_opt为对角矩阵，U_opt的作用相当于通过相似变换对F_p ^HH^HHF_p进行对角化。工程矩阵理论已表明，对于两维的实对称矩阵A，存在一个旋转矩阵U，使得

U^HAU＝diag(λ₁，λ₂)(6)

其中

$U=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]---\left(7\right)$

旋转角度θ的取值范围为[-π/4，π/4]。如果采用式(7)的形式构造辅助码本，由于只有旋转角度一个自由度，可以通过量化θ的形式很容易生成辅助码本，即令

$U_g=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_g& -\sin {\mathrm{\θ}}_g\\ \sin {\mathrm{\θ}}_g& \cos {\mathrm{\θ}}_g\end{array}\right]---\left(8\right)$

其中 ${\mathrm{\θ}}_g=-\frac{\mathrm{\π}}{4}+\frac{\mathrm{\π}}{2(G-1)}.$ 由于这里需要对角化的矩阵F_p ^HH^HHF_p属于复数空间，下面将分析用式(7)所示形式的扰动矩阵对Hermitian矩阵F_p ^HH^HHF_p进行相似变化所得到新矩阵的对角化程度。为表述方便，令

$A=F_p^H{H}^{H}H{F}_p=\left[\begin{array}{cc}{a}_{11}& a_{12}\\ a_{12}^{*}& a_{22}\end{array}\right]=A_R+j\·A_I$

其中A_R和A_I分别表示矩阵A的实部和虚部，需要指出的是，由于A为Hermitian矩阵，其对角元素都为实数，因此A_I的对角元素都为零。另外，在从码本F种选取预编码矩阵时，当N＝2^B→∞时，有f_P→F_opt＝V_H，因此A在高概率意义上是对角占优的矩阵，也意味着‖A_I‖_F＜＜‖A_R‖_F。很容易证明：当 $\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}\arctan \frac{\mathrm{Re}\left(a_{12}\right)}{a_{11}-a_{22}}\∈[-\frac{\mathrm{\π}}{4},\frac{\mathrm{\π}}{4}]$ 时(Re(a₁₂)表示复述a₁₂的实部)，有

U^HAU＝U^HA_RU+j·U^HA_IU＝Λ_R+j·U^HA_IU

其中Λ_R表示对角矩阵，且有

‖U^HA_IU‖_F＝‖A_I‖_F＜＜‖Λ_R‖_F＝‖A_R‖_F

因此通过上述相似变换可以把复数矩阵A转换成准对角矩阵，即意味着通过式(8)构造的辅助码本中必存在一个码字(即预编码矩阵)，它能逼近使系统可获容量最优的U_opt，码本尺度G越大，则逼近的程度越高。

上面从补偿容量的角度分析了码本构造方式，如果从误码率性能来看，一个最优扰动的作用是平衡各路信号流的信噪比，这样可以使信道条件最差一路信号的信噪比最大化。由于各路信号流的信噪比是由矩阵 $X_u={(U_q^H{F}_p^H{H}^{H}H{F}_p{U}_q+\mathrm{\α}{N}_0{I}_M)}^{-1}$ 对角元素的值决定的，其中α在使用MMSE(最小均方差估计)接收机时值为1，α在使用ZF(迫零)接收机时值为0。与从容量角度考察不同的是，此时的最优扰动矩阵U_opt是使U_opt ^HH^HHF_pU_opt所有的对角元素都相等，若仍然用式(7)限定的模式来表示扰动矩阵，很容易证明，当 $\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}\arctan \frac{a_{22}-a_{11}}{2\mathrm{Re}\left(a_{12}\right)}\∈[-\frac{\mathrm{\π}}{4},\frac{\mathrm{\π}}{4}]$ 时，有

$U^H\mathrm{AU}=\left[\begin{array}{cc}x& *\\ *& x\end{array}\right]$

其中x＝a₁₁cos²θ+2Re(a₁₂)sinθcosθ+a₂₂sin²θ，上式表明：当辅助码本采用式(8)的构造方式，必存在一个码字逼近使系统误码率最优的扰动矩阵，码本尺度G越大，则逼近的程度越高。

上述分析表明，无论从容量最大或者误码率最小的角度考虑，均可以采用旋转矩阵的形式构造辅助码本，由于该形式只有单维的自由度，可以采用对旋转角度等间隔量化的方式生成码本。当M＞2时，可通过下面的方式扩展旋转矩阵的形式：

$U_2=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& -\sin {\mathrm{\θ}}_1\\ \sin {\mathrm{\θ}}_1& \cos {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right],...$

$U_M=\left[\begin{array}{cc}{U}_{M/2}\·\cos {\mathrm{\θ}}_k& -U_{M/2}\·\sin {\mathrm{\θ}}_k\\ U_{M/2}\·\sin {\mathrm{\θ}}_k& U_{M/2}\·\cos {\mathrm{\θ}}_k\end{array}\right],M=2^k,k=\mathrm{2,3},...,K$

其中，M是预编码矩阵的维数，K是大于1的整数，为了减少需要量化的自由度，可以令θ₁＝θ₂＝…＝θ_K。

由此可见，本实施方式与第一实施方式的区别在于辅助码本的生成方式不同，因此也可以达到第一实施方式的效果，如可以节省收发两端的存储码本的存储空间等。采用本实施方式的使用主码本和通过扩展旋转矩阵得到的辅助码本的双码本方案，与传统的采用一种码本(如Grassmannian码本)方案的性能仿真如图3所示，该仿真结果与图2所示的仿真结果类似，在此不再赘述。

本发明的第三实施方式涉及一种信道状态信息反馈方法，本实施方式与第一实施方式大致相同，其区别在于，在第一实施方式中，接收端从吞吐量最大化角度出发，在主码本中与辅助码本中选择的预编码矩阵的组合，满足的第二准则为：

而在本实施方式中，接收端从优化误码率角度出发，也就是说，使信道条件最差的一路信号流信噪比最大，因此，满足的第二准则为：

其中，M是预编码矩阵的维数，U_q为所选的辅助码本中的预编码矩阵，I_M是M维单位矩阵，F_p是所选的主码本中的预编码矩阵，U是辅助码本中的预编码矩阵，H是信道矩阵。

需要说明的是，由于接收端前后两次从主码本与辅助码本中选取预编码矩阵的准则需要相匹配，而在本实施方式中，在主码本中选取预编码矩阵的第一准则是从优化误码率角度出发的，因此，在辅助码本中选取预编码矩阵时需要满足的第二准则也需要从优化误码率角度出发。

不难发现，本实施方式与第一实施方式的区别在于辅助码本中选取预编码矩阵时需要满足的第二准则不同，本实施方式中需要满足的第二准则从优化误比特率出发，可以在不增加反馈信息量的条件下提高预编码处理的性能。在不增加反馈信息量的条件下，使用多个码本时，虽然每个码本都变小了，但由于码本是以不同的准则生成的，所以相当于引入了一些非线性的因素，经仿真证明，多个以不同准则生成的码本可以比一个码本更适应当前信道状态。当然，与第一实施方式相同，也能够达到节省收发两端的码本存储空间的目的。

假设通信系统发送端(基站)配置4根天线，接收端(终端)配置2根天线，天线都排成均匀线阵，基站处天线距离d_T＝10λ，终端处天线距离为d_T＝0.5λ；基站处的角度扩展AS＝2，终端处的角度扩展AS＝60；并假设基站处的出射角(AoD)均匀分布在-60°和60°之间，终端处的入射角(AoA)固定在0°，取10000次信道实现。采用本实施方式的使用主码本和基于Fourier矩阵的辅助码本的双码本方案，与传统的采用一种码本(如Grassmannian码本)方案的性能仿真如图4所示。

在图4中，横坐标表示每比特的接收能量与噪声功率谱密度的比值(Eb/No)，纵坐标表示误比特率(Bit Error Rate，简称“BER”)，不难发现，在低BER区域时，在Eb/No取值相同的情况下，相比使用单码本的方案，使用双码本的方案具有更低的误比特率，系统有1dB左右的增益。也就是说，使用双码本的方案在误比特率上具有更高的性能。

本发明的第四实施方式涉及一种信道状态信息反馈方法，本实施方式与第三实施方式大致相同，其区别在于，在第三实施方式中，接收端使用的辅助码本与第一实施方式中的辅助码本相同，为基于Fourier矩阵生成的辅助码本；而在本实施方式中，接收端使用的辅助码本的形式为：

$U_2=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& -\sin {\mathrm{\θ}}_1\\ \sin {\mathrm{\θ}}_1& \cos {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right],...$

$U_M=\left[\begin{array}{cc}{U}_{M/2}\·\cos {\mathrm{\θ}}_k& -U_{M/2}\·\sin {\mathrm{\θ}}_k\\ U_{M/2}\·\sin {\mathrm{\θ}}_k& U_{M/2}\·\cos {\mathrm{\θ}}_k\end{array}\right],M=2^k,k=\mathrm{2,3},...,K$

其中，M是预编码矩阵的维数，K是大于1的整数，θ₁＝θ₂＝…＝θ_K。

不难发现，本实施方式与第三实施方式的区别在于辅助码本的生成方式不同，因此也可以达到第三实施方式的效果，如可以比一个码本更适应当前信道状态，能够节省收发两端的存储码本的存储空间等。采用本实施方式的使用主码本和通过扩展旋转矩阵得到的辅助码本的双码本方案，与传统的采用一种码本(如Grassmannian码本)方案的性能仿真如图5所示，该仿真结果与图4所示的仿真结果类似，在此不再赘述。

本发明的第五实施方式涉及一种无线接收装置，如图6所示，包括：存贮单元，用于保存至少两个码本，每个码本分别以不同的准则生成，每个码本中包含至少两个预编码矩阵；选择单元，用于根据当前信道状态，从该存贮单元保存的各码本中分别选择一个预编码矩阵，使所选的各预编码矩阵的组合最适应当前信道状态；反馈单元，用于将代表该选择单元所选的各预编码矩阵的信息传递到发送端。其中，存贮单元保存的码本包括主码本和辅助码本，代表该选择单元所选的各预编码矩阵的信息是所选的各预编码矩阵在各自码本中的序号。

该辅助码本的形式为以下之一：

(1)U_g＝Λ_g·D_M，g＝0，...，G-1

其中，D_M＝{d_kl，k，l＝0，...，M-1}， $d_{\mathrm{kl}}=\frac{1}{\sqrt{M}}\exp (j2\mathrm{\πkl}/M),$ M是预编码矩阵的维数， ${\mathrm{\Λ}}_g=\mathrm{diag}(1,\exp \left(\frac{j2\mathrm{\πg}}{\mathrm{MG}}\right),...,\exp \left(\frac{j2\mathrm{\π}(M-1)g}{\mathrm{MG}}\right)).$

(2) $U_2=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& -\sin {\mathrm{\θ}}_1\\ \sin {\mathrm{\θ}}_1& \cos {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right],...$

$U_M=\left[\begin{array}{cc}{U}_{M/2}\·\cos {\mathrm{\θ}}_k& -U_{M/2}\·\sin {\mathrm{\θ}}_k\\ U_{M/2}\·\sin {\mathrm{\θ}}_k& U_{M/2}\·\cos {\mathrm{\θ}}_k\end{array}\right],M=2^k,k=\mathrm{2,3},...,K$

其中，M是预编码矩阵的维数，K是大于1的整数，θ₁＝θ₂＝…＝θ_K。

本实施方式中的选择单元中进一步包括：主码本选择子单元，用于以第一准则从主码本选择一个预编码矩阵；辅助码本选择子单元，用于从辅助码本中选择一个预编码矩阵，使该预编码矩阵与该主码本选择子单元所选的预编码矩阵的组合满足第二准则。该第二准则为：

或者，该第二准则为

其中，M是预编码矩阵的维数，U_q为所选的辅助码本中的预编码矩阵，I_M是M维单位矩阵，F_p是所选的主码本中的预编码矩阵，U是辅助码本中的预编码矩阵，H是信道矩阵。

在本实施方式中，使用了至少两个以不同准则生成的码本，接收端从各码本中选出最适应当前信道状态的预编码矩阵的组合，并将该预编码矩阵的组合以有限比特反馈给发送端，可以在不增加反馈信息量的条件下提高预编码处理的性能。由于码本是以不同的准则生成的，所以相当于引入了一些非线性的因素，经仿真证明，多个以不同准则生成的码本可以比一个码本更适应当前信道状态。而且，能够节省收发两端的存储码本的存储空间。

本发明的第六实施方式涉及一种无线发送装置，如图7所示，包括：存贮单元，用于保存与发送端相同的至少两个码本，每个码本分别以不同的准则生成，每个码本中包含至少两个预编码矩阵；接收单元，接收发送端所选的至少两个预编码矩阵在各自码本中的序号；查找单元，用于根据该接收单元收到的各序号分别从该存贮单元中各码本内找到对应的各预编码矩阵；预编码单元，用于以该查找单元找到的各预编码矩阵的组合对需要发送的信号进行预编码处理。

综上所述，在本发明的实施方式中，使用至少两个以不同准则生成的码本，接收端从各码本中选出最适应当前信道状态的预编码矩阵的组合，并将该预编码矩阵的组合以有限比特反馈给发送端，可以在不增加反馈信息量的条件下提高预编码处理的性能。在不增加反馈信息量的条件下，使用多个码本时，虽然每个码本都变小了，但由于码本是以不同的准则生成的，所以相当于引入了一些非线性的因素，经仿真证明(仿真结果见相应实施方式)，多个以不同准则生成的码本可以比一个码本更适应当前信道状态。而且，能够节省收发两端的存储码本的存储空间。

在发送端和接收端预置相同的码本，只传各预编码矩阵在各自码本中的序号，可以有效地减少传输的信息量。

本发明实施方式提出了一种典型的情况，即使用两个码本，一个可称为主码本，另一个可称为辅助码本，其中主码本按现有技术的方案生成和选择，辅助码本可以看作在主码本的基础上增加一个扰动。本发明实施方式提出了两种实用的辅助码本形式，一种是基于Fourier矩阵生成的，另一种是扩展旋转矩阵生成的。本发明实施方式还提出了两种在辅助码本中选择预编码矩阵的准则。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (13)

1.一种信道状态信息反馈方法，其特征在于，包括以下步骤：

接收端根据当前信道状态，从至少两个码本中分别选择一个预编码矩阵，使所选的各预编码矩阵的组合最适应当前信道状态，并将代表所选的各预编码矩阵的信息传递到发送端，通知该发送端根据该接收端所选的各预编码矩阵的组合对需要发送的信号进行预编码处理；其中，接收端中各所述码本分别以不同的准则生成，每个码本中包含至少两个预编码矩阵。

2.根据权利要求1所述的信道状态信息反馈方法，其特征在于，所述代表所选的各预编码矩阵的信息是所选的各预编码矩阵在各自码本中的序号；

还包括以下步骤：

所述发送端根据所述序号分别从与所述接收端相同的各码本中找到对应的各预编码矩阵，以找到的各预编码矩阵的组合对需要发送的信号进行预编码处理。

3.根据权利要求1所述的信道状态信息反馈方法，其特征在于，所述码本包括主码本和辅助码本；

所述从至少两个码本中分别选择一个预编码矩阵，使所选的各预编码矩阵的组合最适应当前信道状态的步骤包括以下子步骤：

以第一准则从所述主码本选择一个预编码矩阵，再从所述辅助码本中选择一个预编码矩阵，使两个预编码矩阵的组合满足第二准则。

4.根据权利要求3所述的信道状态信息反馈方法，其特征在于，所述辅助码本的形式如下：

U_g＝Λ_g·D_M，g＝0，...，G-1

其中，D_M＝{d_kl，k，l＝0，...，M-1}， $d_{\mathrm{kl}}=\frac{1}{\sqrt{M}}\exp (j2\mathrm{\πkl}/M),$ M是预编码矩阵的维数， ${\mathrm{\Λ}}_g=\mathrm{diag}(1,\exp \left(\frac{j2\mathrm{\πg}}{\mathrm{MG}}\right),...,\exp \left(\frac{j2\mathrm{\π}(M-1)g}{\mathrm{MG}}\right)).$

5.根据权利要求3所述的信道状态信息反馈方法，其特征在于，所述辅助码本的形式如下：

$U_2=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& -\sin {\mathrm{\θ}}_1\\ \sin {\mathrm{\θ}}_1& \cos {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right],\·\·\·$

$U_M=\left[\begin{array}{cc}{U}_{M/2}\·\cos {\mathrm{\θ}}_k& -U_{M/2}\·\sin {\mathrm{\θ}}_k\\ U_{M/2}\·\sin {\mathrm{\θ}}_k& U_{M/2}\·\cos {\mathrm{\θ}}_k\end{array}\right],$ M＝2^k，k＝2，3，...，K

其中，M是预编码矩阵的维数，K是大于1的整数，θ₁＝θ₂＝…＝θ_K。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的信道状态信息反馈方法，其特征在于，所述第二准则为：

其中，M是预编码矩阵的维数，U_q为所选的辅助码本中的预编码矩阵，I_M是M维单位矩阵，F_p是所选的主码本中的预编码矩阵，U是辅助码本中的预编码矩阵，H是信道矩阵。

7.根据权利要求3至5中任一项所述的信道状态信息反馈方法，其特征在于，所述第二准则为：

其中，M是预编码矩阵的维数，U_q为所选的辅助码本中的预编码矩阵，I_M是M维单位矩阵，F_p是所选的主码本中的预编码矩阵，U是辅助码本中的预编码矩阵，H是信道矩阵。

8.一种无线接收装置，其特征在于，包括：

存贮单元，用于保存至少两个码本，每个码本分别以不同的准则生成，每个码本中包含至少两个预编码矩阵；

选择单元，用于根据当前信道状态，从所述存贮单元保存的各码本中分别选择一个预编码矩阵，使所选的各预编码矩阵的组合最适应当前信道状态；

反馈单元，用于将代表所述选择单元所选的各预编码矩阵的信息传递到发送端。

9.根据权利要求8所述的无线接收装置，其特征在于，所述代表所述选择单元所选的各预编码矩阵的信息是所选的各预编码矩阵在各自码本中的序号。

10.根据权利要求8所述的无线接收装置，其特征在于，所述码本包括主码本和辅助码本；

所述选择单元进一步包括：

主码本选择子单元，用于以第一准则从所述主码本选择一个预编码矩阵；

辅助码本选择子单元，用于从所述辅助码本中选择一个预编码矩阵，使该预编码矩阵与所述主码本选择子单元所选的预编码矩阵的组合满足第二准则。

11.根据权利要求10所述的无线接收装置，其特征在于，所述辅助码本的形式为以下之一：

U_g＝Λ_g·D_M，g＝0，...，G-1

其中，D_M＝{d_kl，k，l＝0，...，M-1}， $d_{\mathrm{kl}}=\frac{1}{\sqrt{M}}\exp (j2\mathrm{\πkl}/M),$ M是预编码矩阵的维数， ${\mathrm{\Λ}}_g=\mathrm{diag}(1,\exp \left(\frac{j2\mathrm{\πg}}{\mathrm{MG}}\right),...,\exp \left(\frac{j2\mathrm{\π}(M-1)g}{\mathrm{MG}}\right)),$

或者，

$U_2=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& -\sin {\mathrm{\θ}}_1\\ \sin {\mathrm{\θ}}_1& \cos {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right],\·\·\·$

$U_M=\left[\begin{array}{cc}{U}_{M/2}\·\cos {\mathrm{\θ}}_k& -U_{M/2}\·\sin {\mathrm{\θ}}_k\\ U_{M/2}\·\sin {\mathrm{\θ}}_k& U_{M/2}\·\cos {\mathrm{\θ}}_k\end{array}\right],$ M＝2^k，k＝2，3，...，K

其中，M是预编码矩阵的维数，K是大于1的整数，θ₁＝θ₂＝…＝θ_K。

12.根据权利要求10或11所述的无线接收装置，其特征在于，所述第二准则为以下之一：

或者，

其中，M是预编码矩阵的维数，U_q为所选的辅助码本中的预编码矩阵，I_M是M维单位矩阵，F_p是所选的主码本中的预编码矩阵，U是辅助码本中的预编码矩阵，H是信道矩阵。

13.一种无线发送装置，其特征在于，包含：

存贮单元，用于保存与发送端相同的至少两个码本，每个码本分别以不同的准则生成，每个码本中包含至少两个预编码矩阵；

接收单元，接收所述发送端所选的至少两个预编码矩阵在各自码本中的序号；

查找单元，用于根据所述接收单元收到的各序号分别从所述存贮单元中各码本内找到对应的各预编码矩阵；

预编码单元，用于以所述查找单元找到的各预编码矩阵的组合对需要发送的信号进行预编码处理。

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