CN101527617B - 一种多输入多输出系统预编码的码本设计方法 - Google Patents

Abstract

一种多输入多输出系统预编码的码本设计方法，包括步骤：根据码本反馈开销设置均匀量化参考，并根据所述均匀量化参考构造第一层码本；计算所述第一层码本的量化误差

，并以所述量化误差

为输入进行进一步量化，得到第二层码本。通过本发明上述技术方案的处理，可以使得由于反馈开销的限制而造成的量化误差均匀化，从而获得码本的分集使用增益。另外，由于信道编码模块的冗余信息的存在，在低编码速率的情况下，其有益效果将更为明显。

Description

一种多输入多输出系统预编码的码本设计方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域内多输入多输出(MIMO，Multi-Input Multi-Output)系统编码方法，尤其涉及MIMO系统中预编码(Precoding)的码本(codebook)设计方法。

背景技术

在信道带宽受限的情况下，通过采用MIMO技术可以大大提高系统的容量。预编码技术是发送方通过接收方反馈的信道信息，对发送的数据用预编码矩阵进行处理，使各个数据流在空间信道传输过程中等效为相互独立的信道进行传输。但是如果接收方无法获知信道的特性(如FDD模式，或TDD模式下信道互易性失效的情况下)，需要通过反馈获得信道特性。如果反馈真实的信道特性，需要的系统开销是十分庞大的，因此，在当前的设计中，通常都是通过码本反馈的方式，进行信道反馈。亦即把所有可能的MIMO信道情况对应的系数预先设计成码本的格式。码本是预先定义的，由所有可能反映信道特征的系数矩阵构成。这样，接收方在估计MIMO信道系数后，只需要反馈对应的码本的标号，这种方法减轻了信令开销，但相应地降低了信道系数的估计精度。在当前的码本反馈方式中，都是根据当前的信道特性寻找一种最相近的码本，并将码本对应的索引反馈给发送方。

在LTE中，已经确定在两根天线时采用3个bit进行码本反馈，共8个码本；在4根天线的情况下，采用4个bit进行反馈，共16个码本。很显然，码本的反馈开销是直接和码本数量一一对应的。如何在不增加反馈开销的情况下提高多码流MIMO系统的性能，是系统当前要解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多输入多输出系统预编码的码本设计方法，在考虑到不增加码本反馈开销的同时，也要考虑到保证码本的精度。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多输入多输出系统预编码的码本设计方法，包括步骤：根据码本反馈开销设置均匀量化参考，并根据所述均匀量化参考构造第一层码本；计算所述第一层码本的量化误差

，并以所述量化误差为输入进行进一步量化，得到第二层码本。

此外，所述第一层码本用于所述多输入多输出MIMO系统的信号接收方作为反馈码本反馈给所述信号的发送方，所述第二层码本用于所述MIMO系统的收发双方对所述第一层码本进行处理。

此外，所述第二层码本在[-

/2，

/2]之间进行量化而获得。

此外，所述第二层码本在[0，

/2]之间进行量化而获得。

此外，所述反馈用1个bit指示所述码本的偏移方向是顺时针或逆时针方向。

此外，所述接收方接收信号并进行相应的信道估计，提取所述信道的特征参数，根据所述信道及其统计参数进行信道特性分解，获得准确的信道分量，并将所述信道分量与所述第一层码本相匹配，得到所述码本的索引反馈给发送方；所述发送方接收到反馈的所述码本索引后，获得对应的所述第一层码本，在不同的资源块和时隙用不同的所述第二层码本对所述第一层码本进行轮询或对称选择的处理获得新码本；并用所述新码本对数据进行加权及发射。

此外，在所述接收方再次接收信号后还用所述第二层码本对上一次反馈的所述第一层码本进行相同的所述轮询或对称选择的处理，以获得与所述发送方相同权值的新码本，并用所述新码本进行数据检测，亦即将所述数据进行恢复处理。

通过本发明上述技术方案的处理，可以使得由于反馈开销的限制而造成的量化误差均匀化，从而获得码本的分集使用增益。另外，由于信道编码模块的冗余信息的存在，在低编码速率的情况下，其有益效果将更为明显。

附图说明

图1为第一层面码本的设计示意图；

图2给出了本发明的第二层次码本的设计方法两种实施例的示意图；

图3给出了本发明的分层码本的设计步骤；

图4根据本发明描述的码本设计方法，MIMO系统在收发双方的实施步骤。

具体实施方式

本发明在现有的MIMO系统预编码的码本设计的基础上，综合考虑了码本反馈开销和码本精度的问题，提出了一种码本分层的MIMO设计方案，即设计两个或多个层面的码本，通过两个或多个层面的码本的组合和函数运算获得最终的预编码权值。具体地，以两个层面的码本情况为例，第一层面的码本为粗糙量化码本，由接收方通过反馈通知发送方。第二层面的码本为细量化码本，为第一层面量化码本间隔的进一步量化，该部分码本可以不进行反馈，且对收发双方透明，发送方在反馈的第一层面码本的基础上，通过轮询或对称选择的方式对第一层面的码本进行处理，并用处理后的新码本对数据进行加权发射；接收方对反馈的第一层码本进行相同的处理，并用处理后得到的新码本进行数据检测，即恢复数据。

以下通过具体实施例和附图对本发明上述技术方案进行详细阐述。

本发明的MIMO系统预编码的码本设计示意图如图2所示，设计方法步骤如图3所示，包括以下步骤：

步骤310：首先根据码本反馈开销设置均匀量化参考；

步骤320：根据均匀量化参考构造第一层码本，如图1中的实心点为第一层码本的均匀量化的示意；

步骤330：计算第一层码本的量化误差间隔；

步骤340：以第一层码本的量化误差间隔为输入，对其进一步量化，得到第二层码本。

其中，第二层码本的设计思路可以通过图2所示的两种情况示例。设第一层码本的量化误差间隔为

，

(a)第一层码本设计同现有技术中码本设计方法，第二层码本按照图2(a)中所示的模式在[-

/2，

/2]之间进行量化而获得；

(b)第一层码本设计同现有技术中码本的码本设计方法，为了不增加开销，可以将数量设置为现有的一半。同时反馈由接收方用1个bit通知发送方实际码本的偏移方向(即是顺时针方向偏移还是逆时针方向偏移)，第二层码本按照图2(b)中所示的模式在[0，/2]之间进行量化而获得。

第一层码本作为反馈码本由接收方反馈给发送方，第二层码本用于收发双方对第一层码本进行处理。亦即收发双方可以通过轮询或对称选择的方式对第一层面的码本进行处理，并用处理后的新码本分别对数据加权发射或对数据检测。

利用本发明的分层码本设计方法，收发双方收发数据的实施步骤如图4所示。

第一步：如图4中步骤401至步骤404

接收方接收信号并进行相应的信道估计，提取信道的特征参数，根据接收信号的信道H或其统计参数(譬如信道的相关性系数、信道的相干时间，或者信道的变化特性等等)进行信道特性分解，得到准确的信道分量；并将分解获得的信道分量与第一层码本相匹配，得到传输码本的索引反馈给发送方(该步骤与现有技术相同)；

第二步：如图4中步骤501至步骤504

发送方接收到反馈的码本索引后，获得对应的第一层码本，在不同的资源块(RB，Resource Block)和时隙用不同的第二层码本对反馈的第一层码本进行轮询或对称选择的处理，获得新的码本；并用新码本对数据进行加权和发射；

第三步：如图4中步骤401至步骤409

接收方接收到数据后，除了进行上述步骤401至步骤404外，用第二层的码本对上次反馈给发送方的第一层码本进行相同的处理，这样可以获得与发送方使用的码本相同的权值，并用处理后的码本进行数据检测，亦即将接收的数据进行恢复处理，然后再进行其它后续处理。

为了便于理解，对照长期演进(LTE，Long Term Evolvement)系统中现有的基于HouseHolder的码本设计技术，来说明本发明中所涉及的MIMO系统预编码的码本设计方法。

HouseHolder变换的公式为：

$H^{\′}=I-\frac{{2\mathrm{uu}}^H}{{\left|\right|u\left|\right|}^2}---\left(1\right)$

式中：

H’：表示HouseHolder变换矩阵；

I：表示单位矩阵；

u：表示单位向量；

u^H：表示单位向量u的转秩向量。

在LTE系统中的基于HouseHolder变换的码本设计过程可以简单描述为(以4-bit码本反馈开销为例)：

首先根据单位园进行均匀量化，如量化为正交移相键控(QPSK，Quaternary Phase Shift Modulation)星座集({±1，±j})或8值相移键控(8PSK，8-phase shift keying)星座集合({±1，±j，±1±j})，如图1所示；

其次，对量化星座集进行组合，形成HouseHolder变换中的单位向量u；

然后，根据公式(1)计算各种预编码矩阵H’；

最后，根据H’矩阵的rank(即层或秩)数目完成所有预编码矩阵到传输码本的映射过程。

现有技术的码本使用过程可以简单描述为：

接收方根据信道估计的信道H，进行奇异值分解(SVD，Singular ValueDecomposition)，并用分解的V矩阵与及信道H的rank数目，选择传输码本，并反馈给发送方；

发送方用反馈的码本索引选择对应的码本，并用对应的码本对不同数据流或不同用户的数据进行加权处理并发射。

从上述过程可以看出，码本的设计都是采用的均匀量化方式，码本的量化误差仅仅从码本相位的量化误差来看，已经为π/2或π/4。因此其量化误差较大。而如果要减小量化误差，则码本的数量会成指数地增加。

基于现有的码本设计方案，本发明的分层码本设计方法为：

首先，设计第一层的码本，如基于HouseHolder方法或基于离散的傅立叶变换(DFT，Discrete Fourier Transform)的方法等；由于码本的设计方法同现有技术，故在此不再对设计过程进行详细描述；

其次，根据第一层码本的量化误差，对量化误差间隔进一步量化，并设计第二层码本，如图2所示，其中黑点为第一层码本设计的参考，白点为第二层设计的参考，白点为对两个黑点的间隔内的量化。在此，第二层码本的设计过程亦同现有技术，其区别仅在于，量化参数为第一层码本量化的量化误差间隔。

本发明中论述的码本使用过程为：

接收方根据信道H或H的等效值(如相关矩阵等)进行分解，并与第一层传输码本匹配，获得待反馈码本的索引。该过程同现有过程相同。

本发明中发送方不是简单的利用反馈的码本直接进行加权，而是利用第二层的码本采用轮询或对称选择或其他方式分别用不同的第二层码本对反馈的码本进行处理，且处理方式收发双方已知(例如用反馈的码本在不同的RB用不同的第二层码本点乘等)，并用处理后的码本进行加权发送。因此，在不增加反馈开销的前提下，使得多层组合的码本反映的信道特性的精度大大增加。

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)

1.一种多输入多输出系统预编码的码本设计方法，其特征在于，所述方法步骤为：根据码本反馈开销设置均匀量化参考，并根据所述均匀量化参考构造第一层码本；计算所述第一层码本的量化误差间隔

并以所述量化误差间隔

为输入进行进一步量化，得到第二层码本。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一层码本用于所述多输入多输出MIMO系统的信号接收方作为反馈码本反馈给所述信号的发送方，所述第二层码本用于所述MIMO系统的收发双方对所述第一层码本进行处理。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第二层码本在

之间进行量化而获得。

4.按照权利要求2所述的方法，所述第二层码本在之间进行量化而获得。

5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，所述反馈用1个bit指示所述码本的偏移方向是顺时针或逆时针方向。

6.按照权利要求2或5所述的方法，其特征在于，所述接收方接收信号并进行相应的信道估计，提取所述信道的特征参数，根据所述信道及其统计参数进行信道特性分解，获得准确的信道分量，并将所述信道分量与所述第一层码本相匹配，得到所述码本的索引反馈给发送方；所述发送方接收到反馈的所述码本索引后，获得对应的所述第一层码本，在不同的资源块和时隙用不同的所述第二层码本对所述第一层码本进行轮询或对称选择的处理获得新码本；并用所述新码本对数据进行加权及发射。

7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述接收方再次接收信号后还用所述第二层码本对上一次反馈的所述第一层码本进行相同的所述轮询或对称选择的处理，以获得与所述发送方相同权值的新码本，并用所述新码本进行数据检测，亦即将所述数据进行恢复处理。

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