CN101515906B - 一种用于数据流与波束之间映射的预编码方法 - Google Patents

Abstract

一种用于数据流与波束之间映射的预编码方法，应用于多输入多输出系统中，发射端有4波束，且每次只发送一个数据流。包括：先构建16组与数据流和波束的映射关系对应的码本，分别为每一码本编号后，将其保存在发射端和接收端，然后执行：接收端根据信道估计得到信道矩阵H后，对其进行奇异值分解，分别得到发射端和接收端的预编码矩阵V和U；接收端在16组码本中求得最合适的码本后，将码本的序号反馈给发送端；发送端接收到序号后，根据其上保存的码本与序号的对应关系找出相应的码本，并使用该码本对要发送的数据流进行预编码。使用本发明后可进行波束选择，选择对准用户的波束来提高增益，也可以通过对波束进行预编码，起到预编码的作用。

Description

一种用于数据流与波束之间映射的预编码方法

技术领域

本发明涉及多输入多输出(MIMO)无线移动通信系统，具体涉及一种用于数据流与波束之间映射的预编码方法。

背景技术

多输入多输出(Multiple Input and Multiple Output，MIMO)系统由于可以有效提高信道容量而成为LTE(3GPP长期演进)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地利用现有信道资源。通过对数据流进行功率分配能够提高系统容量，并能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。

预编码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(SVD)得到发送端和接收端所分别使用的预编码矩阵V和U。当发射天线使用预编码矩阵V的第i个列向量作为其权值，接收天线使用预编码矩阵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。当发送端能够得到预编码矩阵V中每一元素的值时，称为理想预编码方法，即基于非码本方式的预编码方法。基于码本方式的预编码方式的引出是由于接收端需要将预编码矩阵V中每一个元素反馈给发射端，但反馈所需要的空间不足以传输预编码矩阵V的信息，所以需要通过构建码本来简化反馈信息，发射端根据其上保存的与接收到预编码矩阵V近似的码本来进行预编码。

在实现基于码本方式的预编码方法的系统中，接收端通过SVD分解计算，在预编码权值码本中寻找到与预编码矩阵V最接近的一个码本后，将此码本的序号反馈给发射端，在发射端进行码本的重建后，对数据流进行加权。

发明内容

本发明的要解决的技术问题是提供一种用于数据流与波束之间映射的预编码方法，以完成数据流到波束的预编码。

本发明采用的技术方案是：

一种用于数据流与波束之间映射的预编码方法，应用于多输入多输出无线移动通信系统中，发射端具有4波束，且每次只发送一个数据流。步骤包括：先构建16组与数据流和波束的映射关系对应的码本，分别为每一码本编号后，将其保存在所述发射端和接收端，然后执行以下步骤：

a、所述接收端根据信道估计得到信道矩阵H后，对其进行奇异值分解，得到所述发射端的预编码矩阵V和所述接收端的预编码矩阵U；

b、所述接收端在所述16组码本中求得最合适的码本后，将所述码本的序号反馈给所述发送端；

c、所述发送端接收到所述序号后，根据其上保存的码本与序号的对应关系找出相应的码本，并使用所述码本对要发送的数据流进行预编码。

进一步地，上述预编码方法还可具有以下特征：

所述16组码本分别为以下四个矩阵中的每一个列向量：

$0.5*\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& j& -1& -j\\ 1& -1& 1& -1\\ 1& -j& -1& j\end{array}\right];$ $0.5*\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& j& -1& -j\\ 1& -1& 1& -1\\ -1& j& 1& -j\end{array}\right];$

$0.5*\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& j& -1& -j\\ j& -j& j& -j\\ j& 1& -j& -1\end{array}\right];$ $\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right].$

进一步地，上述预编码方法还可具有以下特征：

在所述步骤a、b或c之前或之后的任意一步还包括以下步骤A：确定所述波束与发射天线之间的映射关系。

进一步地，上述预编码方法还可具有以下特征：

还包括一步骤B，此步骤在步骤c和A均执行完成后再执行，其具体为：根据确定好的波束和发射天线的映射关系，将相应波束映射到对应的发射天线上去。

进一步地，上述预编码方法还可具有以下特征：

步骤A中，当发射天线数目为4时，利用下述4组固定的码本确定所述波束与发射天线之间的映射关系：

第一组码本，对应1号波束： $0.5*\left[\begin{array}{cccc}1& \frac{1+j}{\sqrt{2}}& j& \frac{-1+j}{\sqrt{2}}\end{array}\right];$

第二组码本，对应2号波束： $0.5*\left[\begin{array}{cccc}1& \frac{-1+j}{\sqrt{2}}& -j& \frac{1+j}{\sqrt{2}}\end{array}\right];$

第三组码本，对应3号波束： $0.5*\left[\begin{array}{cccc}1& \frac{-1-j}{\sqrt{2}}& j& \frac{1-j}{\sqrt{2}}\end{array}\right];$

第四组码本，对应4号波束： $0.5*\left[\begin{array}{cccc}1& \frac{1-j}{\sqrt{2}}& -j& \frac{-1-j}{\sqrt{2}}\end{array}\right].$

进一步地，上述预编码方法还可具有以下特征：

步骤A中，根据波束角度确定所述波束与发射天线之间的映射关系，具体包括：在一扇区范围内，固定4个波束增益最大值的指向后，根据波束成形技术计算得到每一个方向角所对应的一组权值向量，将得到的四组权值向量作为4组码本。

进一步地，上述预编码方法还可具有以下特征：

所述扇区范围为2π/3。

进一步地，上述预编码方法还可具有以下特征：

步骤b中，所述最合适的码本为与所述预编码矩阵V最接近的码本。

进一步地，上述预编码方法还可具有以下特征：

步骤b中，所述最合适的码本为利用所述信道矩阵H和预编码矩阵U计算得出的信噪比达到最大值的码本。

使用本发明后可以进行波束选择，选择对准用户的波束来提高增益，也可以通过对波束进行预编码，起到预编码的作用，增加一层映射能够起到将两类方法相结合的作用。

附图说明

图1为本发明实施例中波束与天线映射方法1的示意图；

图2为本发明实施例中用于数据流与波束之间映射的预编码方法的流程图；

图3为本发明实施例中数据流与波束映射的预编码方案发射机框图。

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。

现有技术中预编码的作用是进行数据流与发射天线之间的映射，而本发明中利用波束来代替发射天线，多了一重映射关系，预编码的作用是进行数据流到波束之间的映射，而波束与发射天线之间存在着固定的映射关系。现有技术中所有的发射天线都用波束进行代替，也就是说在使用中发射天线的概念被淡化，数据发送过程中所能控制的最后的步骤为波束，由于波束与发射天线之间有固定的映射关系，从而不再对发射天线进行操作。插入的导频符号不再与发射天线有关，而只与波束相关，那么信道估计所得到的信道矩阵H代表发射波束与接收天线之间的映射关系。需要说明的是，接收端是否采用波束与接收天线的映射没有限制，一般接收端直接使用接收天线，不做映射。

本发明的核心为码本构建，所采用的码本如下：

首先定义四个矩阵，包括：

Matrix 1： $W_1=1/\sqrt{4}*M_{\mathrm{DFT}}=0.5*\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& j& -1& -j\\ 1& -1& 1& -1\\ 1& -j& -1& j\end{array}\right]$

Matrix 2： $W_2=\mathrm{diag}(\mathrm{1,1,1},-1)*W_1=0.5*\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& j& -1& -j\\ 1& -1& 1& -1\\ -1& j& 1& -j\end{array}\right]$

Matrix 3： $W_2=\mathrm{diag}(\mathrm{1,1},j,j)*W_1=0.5*\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& j& -1& -j\\ j& -j& j& -j\\ j& 1& -j& -1\end{array}\right]$

Matrix 4： $W_4=I=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

其中，M_DFT矩阵是构建码本时最常使用的基础矩阵，其特性是能最优的做到空间的离散化，使得空间分布的粒度更均匀。

上述4个矩阵共有16组列向量。当发射端每次利用一个或多个波束发射1个数据流时(简称为Rank1方式)，这16组列向量即可作为预编码所使用的码本，如表1所示。其它发送方式下采用的码本暂不做限制。需要说明的是，表1中16个码本与每一序号的对应关系只是一个示例，还可采用其它的编号方式，只要保证每一码本有一个与之对应的序号即可。

表1Rank1方式下所采用的码本及序号的对应关系

码本序号	对应码本	码本序号	对应码本
				1	Matrix1的第1列	9	Matrix3的第1列
2	Matrix1的第2列	10	Matrix3的第2列
				3	Matrix1的第3列	11	Matrix3的第3列
4	Matrix1的第4列	12	Matrix3的第4列
				5	Matrix2的第1列	13	Matrix4的第1列
6	Matrix2的第2列	14	Matrix4的第2列
				7	Matrix2的第3列	15	Matrix4的第3列
8	Matrix2的第4列	16	Matrix4的第4列

其中Matrix4所对应的4组码本的含义为：对于4个波束进行选择，即准确地得到接收天线所在的DOA(入射方向)角度，就可以选择对应角度上的波束进行预编码。例如：反馈的码本号为13，那么预编码的映射向量为[1000]^T，就选择第一个波束。其它码本的含义是对于多个波束进行预编码映射操作，以获得多径分集增益。

生成完毕后，将上述16个码本及其各自的序号分别保存在接收端和发送端。

本发明所采用的应用于数据流与波束之间映射关系的预编码方法，不仅适用于OFDMA系统，同样也适用于其它系统。先将上述16个码本及其各自的序号分别保存在接收端和发送端后，如图2所示，包括以下步骤：

第一步：通过定义码本来确定波束与发射天线之间的映射关系，从而在后续操作中系统不再直接对发射天线进行操作，而是通过控制波束间接控制发射天线。该步骤也可在下述第二步至第四步中任意一步之后执行。

波束与发射天线之间的映射关系是固定的。所固定的波束是由固定的波束成形权值矢量定义的。本发明使用4个波束，发射天线个数不定。这里定义两种映射方式：

方法1：利用4组固定的码本定义4个固定波束。这4组码本代表了发射天线和波束之间的映射关系，分别为：

第一组码本，对应1号波束： $0.5*\left[\begin{array}{cccc}1& \frac{1+j}{\sqrt{2}}& j& \frac{-1+j}{\sqrt{2}}\end{array}\right]$

第二组码本，对应2号波束： $0.5*\left[\begin{array}{cccc}1& \frac{-1+j}{\sqrt{2}}& -j& \frac{1+j}{\sqrt{2}}\end{array}\right]$

第三组码本，对应3号波束： $0.5*\left[\begin{array}{cccc}1& \frac{-1-j}{\sqrt{2}}& j& \frac{1-j}{\sqrt{2}}\end{array}\right]$

第四组码本，对应4号波束： $0.5*\left[\begin{array}{cccc}1& \frac{1-j}{\sqrt{2}}& -j& \frac{-1-j}{\sqrt{2}}\end{array}\right]$

这种波束与天线的映射码本适用于4天线4波束方式。利用上述码本所形成的固定波束如图1所示。

方法2：根据波束角度求出所固定的码本，这种方式可以适用于任意个数的天线。

在一个扇区范围内(如2π/3扇区)，固定4个波束增益最大值的指向(即波束中心指向)，如四个方向角分别为：-π/4、-π/12、π/12、π/4，可以根据现有技术中的波束成形技术计算得到每一个方向角所对应的一组权值向量，将四组权值向量作为4组码本。

第二步：接收端根据信道估计得到反映了发射波束与接收天线之间的映射关系的信道矩阵H后，对其进行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；

第三步：接收端根据特定算法在其上保存的16组码本中求得最合适的码本，并根据被选择的码本与序号的对应关系，找到相应的序号后，将该序号反馈给发送端。由于本发明中定义了16个码本，因此反馈开销为4bit；

选择最合适码本的方法有以下两种：

第一种：选择与预编码矩阵V最接近的码本为最合适的码本；

第二种：用信道矩阵H和接收端的预编码U计算出使得信噪比达到最大值的码本；

第四步：发送端接收到该序号后，在其上保存的码本与序号的对应关系中找出相应的码本，并使用这个码本对经过信道编码、交织、调制后的数据进行发射端的预编码，即完成数据流到相应波束的映射，如图3所示；

第五步：根据确定好的波束和发射天线的映射关系，将相应波束映射到对应的发射天线上去。如果第一步在第四步之后执行，则该步骤在执行完第一步后再执行。

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 (9)

1.一种用于数据流与波束之间映射的预编码方法，应用于多输入多输出无线移动通信系统中，发射端具有4波束，且每次只发送一个数据流，其特征在于，先构建16组与数据流和波束的映射关系对应的码本，分别为每一码本编号后，将其保存在所述发射端和接收端，然后执行以下步骤：

a、所述接收端根据信道估计得到反映发射波束与接收天线之间的映射关系的信道矩阵H后，对其进行奇异值分解，得到所述发射端的预编码矩阵V和所述接收端的预编码矩阵U；

b、所述接收端在所述16组码本中求得最合适的码本后，将所述码本的序号反馈给所述发射端；

c、所述发射端接收到所述序号后，根据其上保存的码本与序号的对应关系找出相应的码本，并使用所述码本对要发送的数据流进行预编码。

2.如权利要求1所述的预编码方法，其特征在于，

所述16组码本分别为以下四个矩阵中的每一个列向量：

$0.5*\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& j& -1& -j\\ 1& -1& 1& -1\\ 1& -j& -1& j\end{array}\right];$ $0.5*\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& j& -1& -j\\ 1& -1& 1& -1\\ -1& j& 1& -j\end{array}\right];$

$0.5*\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& j& -j& -j\\ j& -j& j& -j\\ j& 1& -j& -1\end{array}\right];$ $\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right].$

3.如权利要求1所述的预编码方法，其特征在于，

在所述步骤a、b或c之前或之后的任意一步还包括以下步骤A：确定所述波束与发射天线之间的映射关系。

4.如权利要求3所述的预编码方法，其特征在于，

还包括一步骤B，此步骤在步骤c和A均执行完成后再执行，其具体为：根据确定好的波束和发射天线的映射关系，将相应波束映射到对应的发射天线上去。

5.如权利要求3所述的预编码方法，其特征在于，

步骤A中，当发射天线数目为4时，利用下述4组固定的码本确定所述波束与发射天线之间的映射关系：

第一组码本，对应1号波束： $0.5*\left[\begin{array}{cccc}1& \frac{1+j}{\sqrt{2}}& j& \frac{-1+j}{\sqrt{2}}\end{array}\right];$

第二组码本，对应2号波束： $0.5*\left[\begin{array}{cccc}1& \frac{1-+j}{\sqrt{2}}& -j& \frac{1+j}{\sqrt{2}}\end{array}\right];$

第三组码本，对应3号波束： $0.5*\left[\begin{array}{cccc}1& \frac{-1-j}{\sqrt{2}}& j& \frac{1-j}{\sqrt{2}}\end{array}\right];$

第四组码本，对应4号波束： $0.5*\left[\begin{array}{cccc}1& \frac{1-j}{\sqrt{2}}& -j& \frac{-1-j}{\sqrt{2}}\end{array}\right].$

6.如权利要求3所述的预编码方法，其特征在于，

步骤A中，根据波束角度确定所述波束与发射天线之间的映射关系，具体包括：在一扇区范围内，固定4个波束增益最大值的指向后，根据波束成形技术计算得到每一个方向角所对应的一组权值向量，将得到的四组权值向量作为4组码本。

7.如权利要求6所述的预编码方法，其特征在于，

所述扇区范围为2π/3。

8.如权利要求1所述的预编码方法，其特征在于，

步骤b中，所述最合适的码本为与所述预编码矩阵V最接近的码本。

9.如权利要求1所述的预编码方法，其特征在于，

步骤b中，所述最合适的码本为利用所述信道矩阵H和预编码矩阵U计算得出的信噪比达到最大值的码本。

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