CN101645757A - 一种预编码矩阵选择方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预编码矩阵选择方法，包括：对信道进行估计，得到信道矩阵；根据信道矩阵和设定的预编码码本中的预编码矩阵，还原出信道矩阵与信道矩阵的共轭转置矩阵之积的特征值；根据特征值，选择使特征值最大的预编码矩阵为最佳的预编码矩阵。本发明还公开了一种预编码矩阵选择装置，不需要对估计得到的信道矩阵H进行奇异值分解和矩阵求逆操作，可以有效的减少接收端进行预编码矩阵选择的计算量和复杂度。

Description

一种预编码矩阵选择方法和装置

技术领域

本发明涉及利用多个空间信道进行传输的无线网络技术，尤其涉及一种预编码矩阵选择方法和装置。

背景技术

多输入多输出(MIMO，Multi-input Multi-output)技术以其能显著提高无线系统的频谱利用率和数据传输速率等特点，已经成为未来移动通信系统实现高效数据速率和高传输质量的重要途径。但是由于多天线空间信道间存在相关性，接收端很难将多路数据分开，因此，如果发射端完全已知或部分已知信道信息，并能够充分利用已知的信道矩阵信息对发射信号进行预编码处理，进而调整MIMO通信系统各发射天线的功率，这样就能使得多个数据流分别在正交的空间子信道中传输，从而减小了干扰。这种方法相对于发射端对信道没有先验信息，各发射天线总的发射功率相同的情况，能进一步提高MIMO通信系统的容量。

预编码技术的研究是基于发射端完全已知或部分已知信道状态信息的假设条件，因此如果MIMO通信系统的上下行信道不具有互易性，例如频分双工(FDD，Frequency Division Duplex)系统，那么就需要采用闭环预编码MIMO系统，即接收端将估计的全部或部分信道信息反馈给发射端，发射端从接收的反馈信息中获取信道状态信息，并依据此信息对发射信号进行预编码处理。

接收端对估计得到的信道矩阵H进行奇异值分解(SVD，Singular ValueDecomposition)，以此来确定预编码矩阵V，并将预编码矩阵V反馈给发射端。如果发射端能得到预编码矩阵V的具体元素值，此时能够获得信道最佳的性能参数；但通常上行链路中为预编码矩阵V反馈预留的空间不足以传输预编码矩阵V的全部信息，此时需要通过构建预编码的码本来反馈近似预编码矩阵V的信息，即预先定义一组发射端和接收端都已知的预编码矩阵的集合，称其为预编码的码本，接收端在给定的预编码码本中找出与SVD分解得到的预编码矩阵V最相似的一个矩阵作为最佳的预编码矩阵，并将其所对应的索引在相干时间内通过上行链路反馈给发射端，发射端根据索引值获得预编码矩阵，然后对发射信号进行预编码处理。

基于码本的预编码技术大大降低了预编码系统的反馈量，能够以较小的代价获得较好的性能。现有的预编码MIMO系统中，接收端通过信道估计算法得到信道矩阵H后，通常采用均方误差矩阵的迹最小化或行列式最小化的原则在给定的预编码码本中选出最佳的预编码矩阵。

图1所示为现有MIMO系统中接收端进行预编码矩阵选择的流程图，假设接收端的接收信号可以表示为：

$y=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s}{M}}\mathrm{HVs}+n---\left(1\right)$

其中，y表示接收信号，s表示发射信号，V表示预编码矩阵，H表示接收端对信道进行估计得到的信道矩阵，n表示噪声分量，ε_s表示总的发射能量，M表示码流个数。

在接收端使用最小均方差MMSE(Minimum Mean Square Error)接收机对接收信号y进行译码：

$G={[V^H{H}^H\mathrm{HV}+\left(\frac{{\mathrm{MN}}_0}{{\mathrm{\ϵ}}_s}\right)I_M]}^{-1}{V}^H{H}^H---\left(2\right)$

$\hat{s}=Q\left(\mathrm{Gy}\right)---\left(3\right)$

其中，G表示译码矩阵，N₀表示噪声功率，I_M表示M阶的单位矩阵，V^H表示V的共轭转置矩阵，H^H表示H的共轭转置矩阵，

表示接收端的检测信号，Q(Gy)表示对G和y的乘积进行判决。

现有技术中的预编码矩阵选择方法主要包括以下步骤：

步骤101，接收端对信道进行估计，得到信道矩阵H。

步骤102，接收端依次用设定的预编码码本中的预编码矩阵和得到的H计算均方误差矩阵的行列式或迹。

根据设定的预编码码本中的每个预编码矩阵和得到的H进行计算，得到的均方误差矩阵为：

$\mathrm{MSE}\left(V_i\right)=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s}{M}{(I_M+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s}{{\mathrm{MN}}_0}{V}_i^H{H}^{H}H{V}_i)}^{-1}---\left(4\right)$

其中，V_i表示预编码码本中的第i个预编码矩阵，MSE(V_i)表示与第i个预编码矩阵相对应的均方误差矩阵；

进一步计算得到均方误差矩阵的迹为：

$\mathrm{tr}\left(\mathrm{MSE}\left(V_i\right)\right)=\mathrm{tr}\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s}{M}{(I_M+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s}{{\mathrm{MN}}_0}{V}_i^H{H}^H{\mathrm{HV}}_i)}^{-1}\right)---\left(5\right)$

计算得到均方误差矩阵的行列式为：

$\det \left(\mathrm{MSE}\left(V_i\right)\right)=\det \left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s}{M}{(I_M+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s}{{\mathrm{MN}}_0}{V}_i^H{H}^H{\mathrm{HV}}_i)}^{-1}\right)---\left(6\right)$

步骤103，根据均方误差矩阵的迹或行列式选择最佳的预编码矩阵。

选择使得均方误差矩阵的迹或行列式最小的V_i作为最佳的预编码矩阵V_opt：

$V_{\mathrm{opt}}=\underset{V_i}{\arg \min \mathrm{tr}}\left(\mathrm{MSE}\left(V_i\right)\right)---\left(7\right)$

$V_{\mathrm{opt}}=\underset{V_i}{\arg \min \det }\left(\mathrm{MSE}\left(V_i\right)\right)---\left(8\right)$

从图1所示的方法中可以看出，现有的预编码矩阵选择方法由于存在矩阵求逆操作，从而使得计算量较大，操作比较复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种预编码矩阵选择方法和装置，以解决现有的预编码矩阵选择方法计算量大和操作复杂的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种预编码矩阵选择方法，该方法包括：

对信道进行估计，得到信道矩阵；

根据所述信道矩阵和设定的预编码码本中的预编码矩阵，还原出所述信道矩阵与所述信道矩阵的共轭转置矩阵之积的特征值；

根据所述特征值，选择使所述特征值最大的预编码矩阵为最佳的预编码矩阵。

所述特征值为： ${\mathrm{\λ}}_i=V_i^H{H}^H{\mathrm{HV}}_i;$

其中，H表示所述信道矩阵，V_i表示所述预编码码本中的第i个预编码矩阵，H^H表示H的共轭转置矩阵，V_i ^H表示Vi的共轭转置矩阵，λ_i表示与所述V_i相对应的特征值。

所述选择最佳的预编码矩阵具体包括：

如果码流个数为1，则选择使λ_i(1，1)最大的V_i为最佳的预编码矩阵，其中，λ_i(1，1)表示位于λ_i中第1行第1列的元素；

如果码流个数不为1，则选择使

最大的V_i为最佳的预编码矩阵，其中，λ_i(j，j)表示位于λ_i中第j行第j列的元素，k_j表示比例因子。

述比例因子通过仿真操作得到。

在所述选择最佳的预编码矩阵之后，该方法还包括：将所述最佳的预编码矩阵所对应的预编码矩阵索引反馈给发送端。

本发明还提供了一种预编码矩阵选择装置，该装置包括：

信道估计模块，用于对信道进行估计，得到信道矩阵；

特征值还原模块，用于根据所述信道矩阵和设定的预编码码本中的预编码矩阵，还原出所述信道矩阵与所述信道矩阵的共轭转置矩阵之积的特征值；

预编码矩阵选择模块，用于根据所述特征值，选择使所述特征值最大的预编码矩阵为最佳的预编码矩阵。

所述装置还包括：反馈模块，用于将选择的最佳的预编码矩阵所对应的预编码矩阵索引反馈给发送端。

本发明所提供的预编码矩阵选择方法和装置，根据设定的预编码码本中的预编码矩阵和对信道估计得到的信道矩阵H，近似还原出H^HH的特征值，进而根据还原出的特征值，选择使特征值最大的预编码矩阵为最佳的预编码矩阵。本发明相比现有技术，不需要对估计得到的信道矩阵H进行SVD分解和矩阵求逆操作，可以有效的减少接收端进行预编码矩阵选择的计算量和复杂度。

附图说明

图1所示为现有MIMO系统中接收端进行预编码矩阵选择的流程图；

图2所示为本发明一种预编码矩阵选择方法的流程示意图；

图3所示为本发明实施例中采用闭环预编码的MIMO系统框图；

图4为本发明一种预编码矩阵选择装置的组成结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。

本发明提供一种预编码矩阵选择方法，为实现较简便的预编码矩阵选择操作，本发明所提供的一种预编码矩阵选择方法，如图2所示，主要包括以下步骤：

步骤201，接收端对信道进行估计，得到信道矩阵H。

步骤202，接收端根据设定的预编码码本中的预编码矩阵和得到的信道矩阵H，还原出H^HH的特征值。

接收端依次使用设定的预编码码本中的每个预编码矩阵V_i以及信道矩阵H来近似还原H^HH的特征值为：

${\mathrm{\λ}}_i=V_i^H{H}^H{\mathrm{HV}}_i---\left(9\right)$

其中，λ_i表示与第i个预编码矩阵对应的特征值，并且得到的λ_i是类似于对角阵的矩阵。

步骤203，根据还原出的特征值，选择使特征值最大的预编码矩阵为最佳的预编码矩阵。

需要指出的是，如果发射端进行单流传输，即码流个数M为1，则选择使得λ_i(1，1)最大的V_i为最佳的预编码矩阵V_opt，即：

$V_{\mathrm{opt}}=\underset{V_i}{\arg \max {\mathrm{\λ}}_i}\left(\mathrm{1,1}\right)---\left(10\right)$

其中，λ_i(1，1)表示位于λ_i中第1行第1列的元素。

如果发端进行多流传输，即码流个数M不为1，则需要对多个码流进行折衷考虑，选择使得

最大的V_i为最佳的预编码矩阵V_opt，即：

$V_{\mathrm{opt}}=\underset{V_i}{\arg \max }({\mathrm{\λ}}_i\left(\mathrm{1,1}\right)+\underset{j=2}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{k}_j{\mathrm{\λ}}_i(j,j))---\left(11\right)$

其中，λ_i(j，j)表示位于λ_i中第j行第j列的元素，由于得到的λ_i是类似于对角阵的矩阵，因此，对λ_i中除了λ_i(1，1)和λ_i(j，j)之外的其他元素的影响，可以不予考虑；k_j表示比例因子，k_i的取值是通过大量的仿真操作得到的。

例如，M为2时：

$V_{\mathrm{opt}}=\underset{V_i}{\arg \max }({\mathrm{\λ}}_i\left(\mathrm{1,1}\right)+k{\mathrm{\λ}}_i\left(\mathrm{2,2}\right))---\left(12\right)$

即选择使得λ_i(1，1)+kλ_i(2，2)最大的V_i为最佳的预编码矩阵V_opt。

从图2所示的预编码矩阵选择方法中可以看出，本发明不需要对估计得到的信道矩阵H进行SVD分解和矩阵求逆操作，可以有效的减少接收端进行预编码矩阵选择的计算量和复杂度。

下面通过具体的实施例对本发明的预编码矩阵选择方法进一步详细阐述。

在图3所示的实施例中，发射端和接收端的天线数目均为4天线，码流数为2，接收端采用MMSE接收机进行译码，并设定一组发射端和接收端都已知的预编码码本，且预编码码本中的每个预编码矩阵都有其各自对应的预编码矩阵索引。具体的信号处理流程如下：

步骤301，发射端根据预编码矩阵索引，从预编码码本中选择与该预编码矩阵索引相对应的预编码矩阵，并对待发送的经过调制后的2路数据码流进行预编码处理，然后经由4个发射天线发射出去。

需要指出的是，如果发射端是首次发射信号，则需根据与接收端约定的首次发送的预编码矩阵索引，从预编码码本中选择与该预编码矩阵索引相对应的预编码矩阵；如果发射端不是首次发射信号，则需根据接收端反馈的预编码矩阵索引，从预编码码本中选择与该预编码矩阵索引相对应的预编码矩阵。

步骤302，接收端将4个接收天线上的数据送入信道估计模块对当前信道进行估计，得到信道矩阵H。

步骤303，接收端根据估计得到的信道矩阵H，在设定的预编码码本中进行预编码矩阵的选择，并将其索引反馈给发射端。

接收端进行预编码矩阵选择的操作具体为：

A、根据设定的预编码码本中的每个预编码矩阵和得到的信道矩阵H，近似还原出H^HH的特征值为： ${\mathrm{\λ}}_i=V_i^H{H}^H{\mathrm{HV}}_i.$

B、码流个数M为2，接收端选择使得λ_i(1，1)+kλ_i(2，2)最大的V_i为最佳的预编码矩阵V_opt，即 $V_{\mathrm{opt}}=\underset{V_i}{\arg \max }({\mathrm{\λ}}_i\left(\mathrm{1,1}\right)+1.5{\mathrm{\λ}}_i\left(\mathrm{2,2}\right));$ 其中，比例因子k的取值为1.5。

步骤304，接收端对接收信号进行MMSE检测。MMSE检测方法为现有技术，在此不再赘述。

为实现上述的预编码矩阵选择方法，本发明还提供了一种预编码矩阵选择装置，应用于接收端中，如图4所示，该预编码矩阵选择装置包括：信道估计模块10、特征值还原模块20和预编码矩阵选择模块30。其中，信道估计模块10，用于对信道进行估计，得到信道矩阵H。特征值还原模块20，与信道估计模块10相连，用于根据信道矩阵H和设定的预编码码本中的预编码矩阵，还原出H^HH的特征值。预编码矩阵选择模块30，与特征值还原模块20相连，用于根据得到的特征值，选择使该特征值最大的预编码矩阵为最佳的预编码矩阵。

本发明的一较佳实施例在上述模块的基础上，进一步包括反馈模块40，与预编码矩阵选择模块30相连，用于将选择的最佳的预编码矩阵所对应的预编码矩阵索引反馈给发送端。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (7)

1、一种预编码矩阵选择方法，其特征在于，该方法包括：

对信道进行估计，得到信道矩阵；

根据所述信道矩阵和设定的预编码码本中的预编码矩阵，还原出所述信道矩阵与所述信道矩阵的共轭转置矩阵之积的特征值；

根据所述特征值，选择使所述特征值最大的预编码矩阵为最佳的预编码矩阵。

2、根据权利要求1所述预编码矩阵选择方法，其特征在于，所述特征值为： ${\mathrm{\λ}}_i=V_i^H{H}^H{\mathrm{HV}}_i;$

其中，H表示所述信道矩阵，V_i表示所述预编码码本中的第i个预编码矩阵，H^H表示H的共轭转置矩阵，V_i ^H表示V_i的共轭转置矩阵，λ_i表示与所述V_i相对应的特征值。

3、根据权利要求1或2所述预编码矩阵选择方法，其特征在于，所述选择最佳的预编码矩阵具体包括：

如果码流个数为1，则选择使λ_i(1，1)最大的V_i为最佳的预编码矩阵，其中，λ_i(1，1)表示位于λ_i中第1行第1列的元素；

如果码流个数不为1，则选择使

最大的V_i为最佳的预编码矩阵，其中，λ_i(j，j)表示位于λ_i中第j行第j列的元素，k_j表示比例因子。

4、根据权利要求3所述预编码矩阵选择方法，其特征在于，所述比例因子通过仿真操作得到。

5、根据权利要求3所述预编码矩阵选择方法，其特征在于，在所述选择最佳的预编码矩阵之后，该方法还包括：将所述最佳的预编码矩阵所对应的预编码矩阵索引反馈给发送端。

6、一种预编码矩阵选择装置，其特征在于，该装置包括：

信道估计模块，用于对信道进行估计，得到信道矩阵；

特征值还原模块，用于根据所述信道矩阵和设定的预编码码本中的预编码矩阵，还原出所述信道矩阵与所述信道矩阵的共轭转置矩阵之积的特征值；

预编码矩阵选择模块，用于根据所述特征值，选择使所述特征值最大的预编码矩阵为最佳的预编码矩阵。

7、根据权利要求6所述预编码矩阵选择装置，其特征在于，所述装置还包括：反馈模块，用于将选择的最佳的预编码矩阵所对应的预编码矩阵索引反馈给发送端。

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