CN101621306B - 多输入多输出系统预编码矩阵的映射方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多输入多输出系统预编码矩阵的映射方法和装置，该方法包括：根据接收机的信道矩阵进行奇异值分解得到预编码矩阵；确定预编码矩阵与预知的预编码矩阵的各个码本矩阵之间的相关矩阵；确定各个相关矩阵绝对值的迹；将所述各个相关矩阵绝对值的迹中最大值对应的码本矩阵作为所映射的预编码矩阵，将该码本矩阵的索引反馈给发射机。所述装置包括设置在接收机的奇异值分解模块、相关矩阵确定模块、迹确定模块以及映射反馈模块，用于执行上述方法。利用本发明，可以降低多输入多输出系统接收机的运算处理的复杂度，提高处理速度，增强实时性。

Description

多输入多输出系统预编码矩阵的映射方法和装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种多输入多输出(MIMO，Multiple Input Multiple Output)系统预编码矩阵映射方法和装置。 

背景技术

多输入多输出系统的发射机和接收机分别包含多个通道(通道包括基带处理、中频处理、以及射频天线等单元)，其技术核心在于将调制后的用户数据分解为多个并行数据流，发射机同时发射多个并行数据流，接收机接收各个并行数据流后，基于发射机与接收机之间各通道之间的空间特性(SS，Spatial Signature)，对接收数据进行检测和解调，从而得到对应的原数据流。若发射机或接收机仅包含单个通道，则对应的系统称为单输入多输出(SIMO，Single Input Multiple Output)系统或多输入单输出(MISO，MultipleInput Single Output)系统。SIMO系统和MISO系统可认为是MIMO系统的特殊形式。利用MIMO技术，不仅能够显著提高信道容量，而且可以明显增强系统可靠性，降低误码率。 

预编码(Precoding)是MIMO的重要实现技术之一，其目的在于尽可能保证各个并行数据流之间的正交性，从而降低接收机检测和解调的复杂度。在实现上，接收机首先对信道矩阵进行奇异值分解(SVD，Singular ValueDecomposition)，得到预编码矩阵，然后利用码本实现预编码矩阵的映射，获得对应的预编码矩阵索引(PMI，Precoding Matrix Index)，同时将PMI索引通过无线链路反馈至发射机，发射机基于PMI索引得到对应的预编码矩阵，并对发射数据进行预编码处理。预编码矩阵码本用于对预编码矩阵进行量化，在接收机和发射机均有存储，因此接收机只需反馈对应的PMI索 引给发射机即可，从而明显降低通信系统空口传输的数据反馈量。 

显然，在预编码矩阵码本一定的情况下，预编码矩阵的映射方法将直接影响通信系统的性能。中国专利申请公开号CN101136718、公开日2008年3月5日、发明名称为《无线通信系统中多输入多输出的空间复用的预编码方法》的专利申请的公开文本中公开了一种多输入多输出的预编码矩阵的映射方法。在该现有技术中，采用有限反馈的预编码的空间复用的方法，即预先定义一组发射机和接收机都已知的预编码矩阵的集合(也就是预编码码本)；接收机通过信道估计算法获得当前的信道状态信息，按照均方误差矩阵的迹最小化的原则从预编码的码本中选择一个最优的预编码矩阵，也就是说映射到一个最优的预编码矩阵，得到该与编码矩阵的PMI，然后通过反馈信道在信道的相干时间内将此映射得到的预编码矩阵的PMI反馈到发射机，发射机根据此预编码矩阵的PMI来获得预编码矩阵，然后根据此预编码矩阵对发射信号向量进行预编码操作。 

但是，上述现有技术的预编码矩阵映射方法仅适用于理论分析预编码矩阵的码本映射，在接收机获取选择最优预编码矩阵的PMI的过程中，需要按照均方误差矩阵的迹最小化的原则进行运算，并在该过程中涉及矩阵求逆等运算，这些运算处理的复杂性较高，工程实现难度较高，导致处理速度低，实时性较差。 

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种多输入多输出系统预编码矩阵的映射方法，降低处理的复杂度，增强实时性。 

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种多输入多输出系统预编码矩阵的映射装置，以降低预编码映射处理的复杂度，增强实时性。 

为了实现上述发明目的，本发明的主要技术方案为： 

一种多输入多输出系统预编码矩阵的映射方法，包括： 

A、根据接收机的信道矩阵进行奇异值分解得到预编码矩阵； 

B、确定步骤A所述预编码矩阵与预知的预编码矩阵的各个码本矩阵之间的相关矩阵； 

C、确定各个相关矩阵绝对值的迹； 

D、将所述各个相关矩阵绝对值的迹中最大值对应的码本矩阵作为所映射的预编码矩阵，将该码本矩阵的索引反馈给发射机。 

优选的，步骤A具体包括： 

A1、根据接收机接收的数据进行信道估计，得到信道矩阵； 

A2、根据式H＝U·D·V^H对所述信道矩阵进行奇异值分解，得到预编码矩阵；其中：H为所述信道矩阵；U为译码矩阵，为M_R×Λ阶酉矩阵；D为Λ阶奇异值对角矩阵；V为所要求解的预编码矩阵，是M_T×Λ阶酉矩阵；M_R为接收的通道端口数，M_T为发射的通道端口数；Λ为所述信道矩阵的秩或传输数据流数。 

优选的，步骤B中，所述预编码矩阵与所述各个码本矩阵之间的相关矩阵通过式R(k)＝V^H·W(k)或通过式R(k)＝W^H(k)·V得到；其中：V为步骤A所得到的预编码矩阵；R(k)为所述预编码矩阵V与第k个码本矩阵的相关矩阵；W(k)为第k个码本矩阵，k＝1，...，K，K为码本数。 

优选的，步骤C中，所述相关矩阵绝对值的迹为该相关矩阵主对角线元素的绝对值之和。 

优选的，所述预知的预编码矩阵的各个码本矩阵预先存储在接收机和发射机中。 

优选的，该方法进一步包括：所述发射机接收到所述码本矩阵的索引后，从所述预知的预编码矩阵的码本矩阵中得到对应的码本矩阵，然后根据该码本矩阵对经过空时编码的发射信号向量进行预编码操作。 

一种多输入多输出系统预编码矩阵的映射装置，包括设置在接收机的奇异值分解模块、相关矩阵确定模块、迹确定模块以及映射反馈模块，其中： 

奇异值分解模块用于对接收机的信道矩阵进行奇异值分解，得到预编码 矩阵； 

相关矩阵确定模块用于确定奇异值分解模块得到的预编码矩阵与预知的预编码矩阵的各个码本矩阵之间的相关矩阵； 

迹确定模块用于确定各个相关矩阵绝对值的迹； 

映射反馈模块用于将所述各个相关矩阵绝对值的迹中最大值对应的码本矩阵作为所映射的预编码矩阵，将该码本矩阵的索引反馈给发射机。 

优选的，所述相关矩阵绝对值的迹为该相关矩阵主对角线元素的绝对值之和。 

优选的，所述预知的预编码矩阵的各个码本矩阵预先存储在接收机和发射机中。 

优选的，该装置进一步包括预编码模块，设置在发射机，用于在发射机接收到所述码本矩阵的索引后，从所述预知的预编码矩阵的码本矩阵中得到对应的码本矩阵，然后根据该码本矩阵对经过空时编码的发射信号向量进行预编码操作。 

相对于现有技术，由于本发明通过计算预编码矩阵与各个码本矩阵之间的相关矩阵，再计算各个相关矩阵绝对值的迹，最后基于迹值最大对应的预编码矩阵码本即为所求，并据此反馈PMI；在上述计算处理的过程中，所述相关性运算主要是计算内积，所述迹的运算主要是计算主对角线元素之和，这些运算处理在工程实现上比较简单，不需要涉及到矩阵求逆等复杂运算，因此本发明可以降低处理过程的复杂度，既易于工程实现，又加快了处理速度，增强了预编码的实时性。 

附图说明

图1是本发明所述MIMO系统预编码矩阵映射方法的一种实施例的流程图； 

图2是本发明所述MIMO系统预编码矩阵映射装置的一种实施例的组成结构示意图。 

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图对本发明做进一步详细说明。 

本发明的核心思想是：对接收机的信道矩阵进行奇异值分解，得到预编码矩阵；然后确定预编码矩阵与预知的预编码矩阵的各个码本矩阵之间的相关矩阵；接着确定所述各个相关矩阵绝对值的迹；最后，将所述各个相关矩阵绝对值的迹中最大值对应的码本矩阵作为所映射的预编码矩阵，将该码本矩阵的索引反馈给发射机。 

图1是本发明所述MIMO系统预编码矩阵映射方法的一种实施例流程图。如图1所示，该实施例包括以下步骤： 

步骤10，接收机对信道矩阵进行奇异值分解(SVD)，得到预编码矩阵。 

本步骤中，首先接收机根据接收的数据进行信道估计，得到信道矩阵。 

接收机的接收数据表示为： 

y＝H·x+n    (1) 

式(1)中x为发射机的发射数据；n为加性高斯白噪声；H为信道矩阵，表示为： 

$H=\left[\begin{array}{cccc}{h}_{\mathrm{1,1}}& h_{\mathrm{1,2}}& \·\·\·& h_{1,M_T}\\ h_{\mathrm{2,1}}& h_{\mathrm{2,2}}& \·\·\·& h_{2,M_T}\\ \·\·\·& \·\·\·& h_{m_R,m_T}& \·\·\·\\ h_{M_R,1}& h_{M_R,2}& \·\·\·& h_{M_R,M_T}\end{array}\right]---\left(2\right)$

式(2)中 

为第m_R接收通道端口、第m_T发射通道端口对应的信道估计；m_R＝1，2，......，M_R；m_T＝1，2，......，M_R和M_T分别表示接收与发射的通道端口数。所述 可以由接收机根据目前常用的信道估计方法得到。 

其次，对信道矩阵H进行奇异值分解(SVD)，即根据式(3)进行处理得到预编码矩阵： 

H＝U·D·V^H    (3) 

式(3)中，U为M_R×Λ阶酉矩阵，称为译码矩阵，Λ为所述信道矩阵H的秩或传输数据流数；D为Λ阶奇异值对角矩阵；V^H表示对V进行共轭转置运算，上标^H表示共轭转置；V为M_T×Λ阶酉矩阵，即所要求解的预编码矩阵，表示为V＝{v_i，j|i＝1，...，M_T；j＝1，...，Λ}，即 

$V=\left[\begin{array}{cccc}{v}_{\mathrm{1,1}}& v_{\mathrm{1,2}}& \·\·\·& v_{1,\mathrm{\Λ}}\\ v_{\mathrm{2,1}}& v_{\mathrm{2,2}}& \·\·\·& v_{2,\mathrm{\Λ}}\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ v_{M_T,1}& v_{M_T,2}& \·\·\·& v_{M_T,\mathrm{\Λ}}\end{array}\right]---\left(4\right)$

步骤20，计算所述预编码矩阵V与预编码矩阵的各个码本矩阵之间的相关矩阵。 

此处，预编码矩阵的码本矩阵为预先定义的一组发射机和接收机都已知的预编码矩阵的集合，预先存储在发射机和接收机中，预编码矩阵的各个码本矩阵表示为W(k)＝{w_i，j(k)|i＝1，...，M_T；j＝1，..，Λ}，即： 

$W\left(k\right)=\left[\begin{array}{cccc}{w}_{\mathrm{1,1}}\left(k\right)& w_{\mathrm{1,2}}\left(k\right)& \·\·\·& w_{1,\mathrm{\Λ}}\left(k\right)\\ w_{\mathrm{2,1}}\left(k\right)& w_{\mathrm{2,2}}\left(k\right)& \·\·\·& w_{2,\mathrm{\Λ}}\left(k\right)\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ w_{M_T,1}\left(k\right)& w_{M_T,2}\left(k\right)& \·\·\·& w_{M_T,\mathrm{\Λ}}\left(k\right)\end{array}\right]---\left(5\right)$

式中k＝1，...，K为码本索引，K为码本数。 

所述预编码矩阵V与第k个码本矩阵之间的相关矩阵根据式(6)或式(7)得到： 

R(k)＝V^H·W(k)    (6) 

R(k)＝W^H(k)·V    (7) 

步骤30，计算所述各个相关矩阵绝对值的迹。 

预编码矩阵V与第k个码本矩阵的相关矩阵为R(k)＝{r_i，j(k)|i，j＝1，...，Λ}，则R(k)绝对值的迹即为主对角线元素的绝对值之和(即模值之和)，也就是R(k)对应的绝对值矩阵 $\stackrel{\·}{R}\left(k\right)=\left\{\right|r_{i,j}\left(k\right)\left|\right|i,j=1,...,\mathrm{\Λ}\}$ 的迹。 

所述各个相关矩阵绝对值的迹β(k)表示为 

$\mathrm{\β}\left(k\right)=\underset{l=1}{\overset{\mathrm{\Λ}}{\mathrm{\Σ}}}\left|r_{l,l}\left(k\right)\right|=\mathrm{trace}\left\{\stackrel{\·}{R}\left(k\right)\right\}---\left(8\right)$

步骤40，基于最大迹值准则，将所述各个相关矩阵绝对值的迹的最大值对应的码本矩阵作为所求的预编码矩阵码本矩阵，该码本矩阵对应的索引即为反馈至发射机的预编码矩阵索引(PMI)。 

基于迹值最大准则，所求的预编码矩阵索引以及码本矩阵W_Precoding表示为： 

$\mathrm{PMI}=I_{\mathrm{PMI}}=\underset{k}{\arg }\left\{\max \right[\mathrm{\β}\left(k\right)\left]\right\}---\left(9\right)$

W_Precoding＝W(I_PMI)    (10) 

通过上述映射方法，可以从已知的预编码矩阵码本中映射选择得到一个最优的矩阵码本，将该码本矩阵的PMI通过反馈信道在信道的相干时间内反馈到发射机。发射机根据接收到的所述PMI从已知的预编码矩阵的码本矩阵中得到对应的码本矩阵，然后根据该码本矩阵对经过空时编码的发射信号向量进行预编码操作。 

图2为本发明所述MIMO系统预编码矩阵映射装置的一种实施例的组成结构示意图。参见图2，该装置包括设置在接收机200的奇异值分解模块201、相关矩阵确定模块202、迹确定模块203以及映射反馈模块204，其中： 

奇异值分解模块201用于对接收机的信道矩阵进行奇异值分解，得到预编码矩阵. 

相关矩阵确定模块202用于确定奇异值分解模块得到的预编码矩阵与预知的预编码矩阵的各个码本矩阵之间的相关矩阵；所述预知的预编码矩阵的各个码本矩阵预先存储在接收机200和发射机100中。 

迹确定模块203用于确定所述各个相关矩阵绝对值的迹。 

映射反馈模块204用于将所述各个相关矩阵绝对值的迹中最大值对应的码本矩阵作为所映射的预编码矩阵，将该码本矩阵的索引反馈给发射机。 

所述相关矩阵绝对值的迹为该相关矩阵主对角线元素的绝对值之和。并且，上述各个模块的具体计算处理过程请参见上述的MIMO系统预编码矩 阵映射方法。 

另外，本发明的所述装置还可以进一步包括预编码模块205，设置在发射机100，用于在发射机100接收到所述码本矩阵的索引后，从所述预知的预编码矩阵的码本矩阵中得到对应的码本矩阵，然后根据该码本矩阵对经过空时编码的发射信号向量进行预编码操作。 

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种多输入多输出系统预编码矩阵的映射方法，其特征在于，包括：

A、根据接收机的信道矩阵进行奇异值分解得到预编码矩阵；

B、确定步骤A所述预编码矩阵与预知的预编码矩阵的各个码本矩阵之间的相关矩阵；

C、确定各个相关矩阵绝对值的迹；

D、将所述各个相关矩阵绝对值的迹中最大值对应的码本矩阵作为所映射的预编码矩阵，将该码本矩阵的索引反馈给发射机。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A具体包括：

A1、根据接收机接收的数据进行信道估计，得到信道矩阵；

A2、根据式H＝U·D·V^H对所述信道矩阵进行奇异值分解，得到预编码矩阵；其中：H为所述信道矩阵；U为译码矩阵，为M_R×Λ阶酉矩阵；D为Λ阶奇异值对角矩阵；V为所要求解的预编码矩阵，是M_T×Λ阶酉矩阵；M_R为接收的通道端口数，M_T为发射的通道端口数；Λ为所述信道矩阵的秩或传输数据流数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B中，所述预编码矩阵与所述各个码本矩阵之间的相关矩阵通过式R(k)＝V^H·W(k)或通过式R(k)＝W^H(k)·V得到；其中：V为步骤A所得到的预编码矩阵；R(k)为所述预编码矩阵V与第k个码本矩阵的相关矩阵；W(k)为第k个码本矩阵，k＝1，...，K，K为码本数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C中，所述相关矩阵绝对值的迹为该相关矩阵主对角线元素的绝对值之和。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预知的预编码矩阵的各个码本矩阵预先存储在接收机和发射机中。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：所述发射机接收到所述码本矩阵的索引后，从所述预知的预编码矩阵的码本矩阵中得到对应的码本矩阵，然后根据该码本矩阵对经过空时编码的发射信号向量进行预编码操作。

7.一种多输入多输出系统预编码矩阵的映射装置，其特征在于，包括设置在接收机的奇异值分解模块、相关矩阵确定模块、迹确定模块以及映射反馈模块，其中：

奇异值分解模块用于对接收机的信道矩阵进行奇异值分解，得到预编码矩阵；

相关矩阵确定模块用于确定奇异值分解模块得到的预编码矩阵与预知的预编码矩阵的各个码本矩阵之间的相关矩阵；

迹确定模块用于确定各个相关矩阵绝对值的迹；

映射反馈模块用于将所述各个相关矩阵绝对值的迹中最大值对应的码本矩阵作为所映射的预编码矩阵，将该码本矩阵的索引反馈给发射机。

8.根据权利要求7所述的映射装置，其特征在于，所述相关矩阵绝对值的迹为该相关矩阵主对角线元素的绝对值之和。

9.根据权利要求7所述的映射装置，其特征在于，所述预知的预编码矩阵的各个码本矩阵预先存储在接收机和发射机中。

10.根据权利要求9所述的映射装置，其特征在于，该装置进一步包括预编码模块，设置在发射机，用于在发射机接收到所述码本矩阵的索引后，从所述预知的预编码矩阵的码本矩阵中得到对应的码本矩阵，然后根据该码本矩阵对经过空时编码的发射信号向量进行预编码操作。

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