CN101795181B - 用于无线通信系统中的码书的选择方法 - Google Patents

Abstract

一种用于无线通信系统中的码书的选择方法，是在发送端和接收端存储有同样的码书集合，并在设定时间内收发两端约定使用其中同一码书时，接收端根据每N个连续时隙中的信道矩阵信息，周期性地计算发送端天线的空间信道相关系数，再根据发送端天线的空间信道相关系数在码书集合中选择一个与该空间信道相关系数的幅角最接近的码书，并将所选择码书的序号返回给发送端，用于后续N个时隙中发送端和接收端的预编码处理。本发明有效提取空间相关特征，根据估计出的发送端天线的空间信道相关系数，选择与当前信道相适应的码书。与使用固定构造的码书相比较，本发明的系统性能更优，因其跟踪特征较好，在信道相关系数变化时，仍能保证通信系统的传输性能。

Description

用于无线通信系统中的码书的选择方法

技术领域

本发明涉及一种用于MIMO无线通信系统中的码书的选择方法，该方法能够跟踪空间信道的相关特性，并根据发送端天线的空间信道相关系数的变化而自适应地选择预编码技术中使用的码书，属于MIMO无线通信的技术领域。

背景技术

多入多出(MIMO，multi-input-multi-output)技术已经成为下一代移动通信系统的关键技术之一。预编码技术是其中一种重要的闭环技术，需要在发送端获得全部或部分信道状态信息。在工程应用中，尤其是在频分双工系统中，要在发送端获得完整的信道状态信息，必须付出极大代价。基于码书的预编码技术能够大大降低预编码系统的反馈量，在付出极小的反向链路信令开销代价时，就能够极大地提升系统的频谱效率。所谓码书是预编码矩阵集合。采用基于码书的预编码技术时，接收端根据当前信道状况在码书中选择一个元素(即矩阵)，将选中的元素(即矩阵)的序号反馈给发送端。发送端使用接收端选择的预编码矩阵将信号发送出去。

下面具体说明基于码书的预编码技术的基本概念：

假设发送端和接收端分别设置有N_T和N_R根天线，发送信号x表示为：x＝Fs，式中，F是预编码矩阵。在基于码书的预编码技术中，预编码矩阵F只能从有1个有限集(即码书)中进行选择：

式中，M_c表示集合ψ的势，即码书的大小。接收端根据当前信道状况在ψ中选择1个矩阵后，将其预编码矩阵的序号(PMI，precoding matrix index)反馈给发送端。

理论上，最优的预编码矩阵是信道矩阵的右奇异矩阵V(V是一个酉阵)：H＝USV^H。当信道矩阵各元素相互独立时，即空间非相关时，右奇异矩阵V在酉空间中各向同性分布。因此，此时码书的设计思想通常是使矩阵均匀分布于酉空间中，且相距较远，这样可以保证无论当前信道矩阵的右奇异矩阵处于酉空间的哪个位置，其附近都有一个码书中的元素可以近似代替其使用。以结构为2×2的酉阵为例做具体说明：

2×2酉阵的通式如下： $V_{22}=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& \sin {\mathrm{\θ}}_1\\ \sin {\mathrm{\θ}}_1\·e^{j{\mathrm{\θ}}_2}& \cos {\mathrm{\θ}}_1\·e^{j({\mathrm{\θ}}_2+\mathrm{\π})}\end{array}\right],{\mathrm{\θ}}_1\∈[0,\frac{\mathrm{\π}}{2}),{\mathrm{\θ}}_2\∈\left[\mathrm{0,2}\mathrm{\π}\right);$

根据该通式，每个2×2酉阵都能够用两个参数θ₁和θ₂作唯一的表征。固定均匀码书为以下3个矩阵：

$\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \frac{\mathrm{\π}}{4}& \sin \frac{\mathrm{\π}}{4}\\ \sin \frac{\mathrm{\π}}{4}\·e^{j0}& \cos \frac{\mathrm{\π}}{4}\·e^{j(0+\mathrm{\π})}\end{array}\right],\frac{1}{\sqrt{2}}\×\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ j& -j\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \frac{\mathrm{\π}}{4}& \sin \frac{\mathrm{\π}}{4}\\ \sin \frac{\mathrm{\π}}{4}\·e^{j\frac{\mathrm{\π}}{2}}& \cos \frac{\mathrm{\π}}{4}\·e^{j(\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{\π})}\end{array}\right],\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right];$

忽略其中的单位阵 $\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right],$ 上述另外两个矩阵对应的角度参数分别为和

该码书对参数θ₁进行了1阶量化

对θ₂进行均匀的2阶量化(0和)，因此，可称之为固定均匀的码书。

在空间相关信道下，即信道矩阵的各元素间非独立的情况下，信道右奇异矩阵的分布变得不均匀，且其集中程度会随着空间相关性的增强而增强。此时若使用均匀分布的码书，其中的矩阵元素被选中的概率就变得不均匀。当信道转移矩阵中的各元素之间强相关时，预编码矩阵甚至固定选择码书中的某一个矩阵，此时使用固定均匀码书，系统的频谱效率就会迅速下降。自适应码书的提出就是为了解决这个问题。目前，已成为无线通信系统信号预处理领域中广泛关注的热点。

当预编码技术应用于空间相关信道时，才能体现出自适应码书与固定均匀码书相比较的优势。接收端天线的空间信道相关性和发送端天线的空间信道相关性都会影响空间相关信道的特性。然而，在下行传输时，发送端采用预编码技术，接收端天线的空间信道相关性并不影响右奇异矩阵的分布，仅有发送端天线的空间信道相关性才会影响右奇异矩阵的分布。

当发送端和接收端分别设置2根天线，定义基站端天线的空间信道相关系数β是用于表征基站端天线的空间信道相关性，则基站端天线的空间信道相关阵为： $R_T=\frac{1}{N_R}E(H^T\·H^{*})=\left[\begin{array}{cc}1& \mathrm{\β}\\ {\mathrm{\β}}^{*}& 1\end{array}\right];$ 式中，E(·)表示数学期望函数，H^T和H^*分别表示矩阵H的转置矩阵和共轭矩阵。

基站端天线的空间信道相关系数β对右奇异矩阵的分布影响主要有三点：

1、θ₁(cosθ₁)的分布是轴对称的，其对称轴恒为

angle(β)不影响θ₁(cosθ₁)的分布，其中，angle(β)∈(-π，π]表示对天线相关系数β取幅角的操作。

2、θ₁的分布也是轴对称的，其对称轴为θ₂＝angle(β)。

3、|β|越大，cos²θ₁和θ₂的分布越集中分别在其对称轴附近。

由于在空间相关信道下，信道矩阵的右奇异矩阵的分布受发送端天线间相关系数的影响，因此，文献《Precoding Vector Distribution under Spatial CorrelatedChannel and Nonuniform Codebook Design》(刊于2008.(ICC′08).Beijing China：IEEE Press，2008)提出了自适应码书的思想，就是根据多天线信道中发送端天线间的相关系数的大小和幅角，自适应地改变预编码技术中使用的码书。

在2×2天线配置时，所述的自适应码书为：

$\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{\sqrt{2}}\&times;\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right],\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ \frac{1+i}{\sqrt{2}}& \frac{-1-i}{\sqrt{2}}\end{array}\right],\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right],& \mathrm{agl}\&Element;[0,\frac{\mathrm{\&pi;}}{4})\\ \frac{1}{\sqrt{2}}\&times;\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ \frac{1+i}{\sqrt{2}}& \frac{-1-i}{\sqrt{2}}\end{array}\right],\frac{1}{\sqrt{2}}\&times;\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ i& -i\end{array}\right],\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]& \mathrm{agl}\&Element;[\frac{\mathrm{\&pi;}}{4},\frac{\mathrm{\&pi;}}{2})\\ \frac{1}{\sqrt{2}}\&times;\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ i& -i\end{array}\right],\frac{1}{\sqrt{2}}\&times;\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ \frac{-1+i}{\sqrt{2}}& \frac{1-i}{\sqrt{2}}\end{array}\right],\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]& \mathrm{agl}\&Element;[\frac{\mathrm{\&pi;}}{2},\frac{3\mathrm{\&pi;}}{4})\\ \frac{1}{\sqrt{2}}\&times;\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right],\frac{1}{\sqrt{2}}\&times;\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ \frac{-1+i}{\sqrt{2}}& \frac{1-i}{\sqrt{2}}\end{array}\right],\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]& \mathrm{agl}\&Element;[\frac{3\mathrm{\&pi;}}{4},\mathrm{\&pi;})\end{array}\right.;$ 其中， $\mathrm{agl}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{angle}\left(\mathrm{\&beta;}\right),& \mathrm{angle}\left(\mathrm{\&beta;}\right)\&GreaterEqual;0\\ \mathrm{angle}\left(\mathrm{\&beta;}\right)+\mathrm{\&pi;},& \mathrm{angle}\left(\mathrm{\&beta;}\right)<0\end{array}\right.$

式中，angle(β)∈(-π，π]表示对天线相关系数β取幅角操作。

3GPP长期演进LTE(long term evolution)系统要求码书必须能够同时保证在空间非相关和相关信道下的性能(参见《Physical layer aspects for evolvedUniversal Terrestrial Radio Access(UTRA)(Release 7)v7.1.0》和《LTE MIMO AHSummary，3GPP TSG RAN WG1Meeting#48，St.Louis，USA，Feb.2007》。在空间相关信道下，信道右奇异矩阵的分布变得不均匀，且其集中程度会随相关性的增强而增强。此时如果使用固定均匀码书系统，频谱效率就会下降很快，不能保证系统的传输性能。

针对空间相关信道，文献《Precoding Vector Distribution under SpatialCorrelated Channel and Nonuniform Codebook Design》提出了自适应的非均匀码书，将码书也纳入链路自适应技术的范畴；但是，该文献提出的非均匀码书的前提是信道的空间相关特征是理想和已知的。

然而，在工程应用中，信道是时变的，虽然信道的空间相关特征(即相关阵)相对于瞬时信道的变化更为缓慢，但是，在更长的时间范围内，它也是时变的。因此需要对非均匀码书作进一步的研究和推广，相关技术也就自然成为业内许多科技人员关注的焦点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于无线通信系统中的码书的选择方法，该方法在空间相关信道下能够有效地提取空间相关特征，并根据发送端天线的空间信道相关系数，时变地选择与当前信道相适应的码书。在使用基于码书的预编码技术时，与使用固定构造的码书的情况相比较，使用本发明的通信系统的传输性能更优良，因为该码书具有较好的跟踪特征，在空间信道相关系数变化时，仍能保证通信系统的传输性能。

为了达到上述目的，本发明提供了一种用于无线通信系统中的码书的选择方法，其特征在于：发送端和接收端存储有同样的码书集合，该码书集合中的元素、即码书的个数为正整数，并在设定时间内收发两端约定使用其中同一套码书时，接收端根据每N个连续时隙中的信道矩阵信息，周期性地计算发送端天线的空间信道相关系数：先估计出该多个连续时隙内信道的空间相关矩阵，然后进行归一化操作，估计出代表该信道空间相关特性的发送端天线的空间信道相关系数；再根据该空间信道相关系数在码书集合中选择一个与估计出的发送端天线的空间信道相关系数的幅角最接近的码书，并将所选择码书的序号返回给发送端，用于后续N个时隙中发送端和接收端的预编码处理；所述方法包括下列操作步骤：

(1)接收端根据其设置的、位于任意位置的第k个时隙起始的连续N个时隙的信道矩阵信息，估计出发送端天线的空间信道相关系数β；式中，自然数k为时隙序号；该步骤进一步包括下列操作内容：

(11)接收端先在任意位置设置开始时隙k，自然数k为时隙序号；

(12)接收端采集从第k个时隙开始的连续N个时隙的信道矩阵信息H(k+i)，式中，自然数i为时隙序号，其最小值为1，最大值为N，H(k+i)是N_R×N_T矩阵，N_R和N_T分别是信道矩阵的行数和列数；

(13)接收端根据公式估计出该连续N个时隙的信道的空间相关矩阵：式中，N是所选择的连续时隙的数量，H(k+i)^T和H(k+i)^*分别表示第i个时隙的信道矩阵H(k+i)的转置矩阵和共轭矩阵；

(14)接收端根据公式

估计发送端天线的空间信道相关系数β；式中，R_[1，2]表示矩阵R第1行第2列的元素，R_[1，1]表示矩阵R第1行第1列的元素，R_[2，2]表示矩阵R第2行第2列的元素；

(2)接收端根据β的幅角

在码书集合Ω中选择一个码书，angle(·)表示取幅角操作；该步骤进一步包括下列操作内容：

(21)根据码书中元素的不同形式，接收端分别按照下述公式进行计算：

当码书中的元素为预编码矩阵时，计算公式为：

当码书中的元素为预编码矢量时，计算公式为：

码书集合Ω中的第s个码书ψ^s为：ψ^s∈Ω＝{ψ¹，ψ²，…，ψ^D}，式中，自然数s为码书集合Ω中的码书序号，其最大值D是该码书集合Ω中的码书总数量；

是所述第s个码书ψ^s中的第j个元素，即第j个预编码矩阵或预编码矢量：

式中，自然数j是元素序号，其最大值M是该码书ψ^s中的元素数量；根据每个码书的每个预编码矢量或预编码矩阵

计算其量化角度 式中，

和

分别表示

的第1行第1列和第2行第1列的元素，angle(·)表示取幅角操作；自然数s为码书集合Ω中的码书序号，其最大值是D；自然数j是第s个码书中的元素序号，其最大值M。

(22)计算码书集合Ω的每个码书中每个元素的量化角度

与角度α的距离d_sj：

式中，m是一个整数变量，且是

与α之间的周期数，其周期长度为2π；min(·)表示取最小值；

(23)分别把码书集合Ω中的每个码书ψ^s中所有元素的量化角度

与角度α的对应距离{d_s1，d_s2，…，d_sM}，按照从小到大升序排列，并将其分别定义为ψ^s的第1距离、第2距离，直至第M距离；

(24)选择码书集合Ω中第1距离最小的码书为当前的码书；

若具有最小的第1距离的码书不止一个，则选择其中第2距离最小的码书作为当前的码书；

若具有最小的第2距离的码书不止一个，则选择其中第3距离最小的码书作为当前的码书，以此类推；

(3)接收端将所选择的码书的序号返回发送端，用于后续N个时隙的收发操作。

所述码书为多个预编码矢量或预编码矩阵的集合。

本发明的优点是：能够在空间相关的信道下有效地提取空间相关特征，并根据发送端天线之间的相关系数，时变地选择与当前信道相适应的码书。在使用本发明方法选择的基于码书的预编码技术时，与使用固定构造的码书的情况相比较，使用本发明方法的通信系统的传输性能更优良，因为所选择的码书具有较好的跟踪特征，在发送端天线的空间信道相关系数发生变化时，仍能保证通信系统的传输性能。

附图说明

图1是采用本发明用于无线通信系统中的码书的选择方法的应用场景-预编码通信系统的架构组成示意图。

图2是本发明用于无线通信系统中的码书的选择方法的操作步骤流程图。

图3(A)、(B)分别是固定发送端天线的空间信道相关系数，使用本发明方法选择的码书的通信系统的传输性能的两个示意图。

图4是使用本发明的通信系统的跟踪性能示意图

图5是使用本发明的通信系统与使用固定均匀码书的通信系统信道容量比较图。

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，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

假设基于码书的预编码系统的发送端和接收端分别设置N_T和N_R根天线。第i个时隙的信道矩阵H(i)是N_R×N_T矩阵，其中，自然数i为时隙序号，其最大值为N；该信道矩阵的行数和列数分别是N_R和N_T。假设时隙长度为T，同时也为预编码矩阵序号的反馈周期。再定义统计空间相关系数的周期为NT，同时也为码书的周期。

参见图1，介绍本发明用于无线通信系统中的码书的选择方法在空间时变信道下的应用场景的实施例(参见图中虚线所示的通信流程)，与采用固定码书的预编码技术的系统相比，本发明方法要求发送端和接收端存储有同样的多套码书，即码书集合Ω(该码书集合中的元素、即码书的个数为正整数)，并在设定时间内收发两端约定使用其中同一套码书时，接收端根据每N个连续时隙中的信道矩阵信息，周期性地计算发送端的天线相关系数β：先估计出该多个连续时隙内空间相关矩阵，然后进行归一化操作，提取出代表信道空间相关特性的发送端天线的空间信道相关系数β；再根据该空间信道相关系数β在码书集合Ω中选择一个与β的幅角最接近的码书，并将所选择的该码书的序号返回给发送端(即基站)，用于后续N个时隙中发送端和接收端的预编码处理。图中的实线所示的通信流程是接收端将其选择出的预编码矩阵的序号(PMI)及信干噪比反馈回发送端，以供发送端进行编码调制方式的选择。然后，发送端根据PMI进行预编码发送，接收端使用线性最小均方误差均衡器接收。本发明只涉及虚线所示的通信过程。

因此，本发明中，当前使用的码书是发送端天线的空间信道相关系数的幅角的函数，发送端天线的空间信道相关系数的幅角发生变化，当前的码书也会自适应的改变。该实施例采用2×2天线配置，还对本发明的实施例与固定码书的性能进行比较和验证。

码书集合Ω中的第s个码书ψ^s为：ψ^s∈Ω＝{ψ¹，ψ²，…，ψ^D}，式中，自然数s为码书集合Ω中的码书序号，其最大值D是该码书集合Ω中的码书总数量；

是所述第s个码书ψ^s中的第j个元素，即第j个预编码矩阵或预编码矢量：

式中，自然数j是元素序号，其最大值M是该码书ψ^s中的元素数量；根据每个码书的每个预编码矢量或预编码矩阵计算其量化角度

自然数s为码书集合Ω中的码书序号，其最大值是D；自然数j是第s个码书中的元素序号，其最大值M。选择量化角度与发送端天线相关系数β的幅角最接近的

所在的码书ψ^s为当前的码书。

参见图2，介绍本发明方法的具体操作步骤如下：

步骤1、接收端根据每N个连续时隙中的信道矩阵信息，估计出发送端天线的空间信道相关系数β；该步骤的操作内容如下：

(11)接收端先在任意位置设置开始时隙k(自然数k为时隙序号)；

(12)接收端采集从第k个时隙开始的连续N个时隙的信道矩阵信息H(k+i)，式中，自然数i为时隙序号，其最小值为1，最大值为N，H(k+i)是N_R×N_T矩阵，N_R和N_T分别是该信道矩阵的行数和列数；

(13)根据下述公式，接收端估计出该连续N个时隙的信道的空间相关矩阵：式中，N是所选择的连续时隙的数量，H(k+i)^T和H(k+i)^*分别表示第i个时隙的信道矩阵H(k+i)的转置矩阵和共轭矩阵；

(14)根据下述公式，接收端对发送端天线的空间信道相关系数β进行估计：式中，R_[1，2]表示矩阵R第1行第2列的元素，R_[1，1]表示矩阵R第1行第1列的元素，R_[2，2]表示矩阵R第2行第2列的元素。

步骤2、接收端根据β的幅角在码书集合Ω中选择一个码书，angle(·)表示取幅角操作。该步骤的具体操作内容如下：

(21)根据码书中元素的不同形式，接收端分别按照下述公式进行计算：

当码书中的元素为预编码矩阵时，计算公式为：

当码书中的元素为预编码矢量时，计算公式为：

码书集合Ω中的第s个码书ψ^s为：ψ^s∈Ω＝{ψ¹，ψ²，…，ψ^D}，式中，自然数s为码书集合Ω中的码书序号，其最大值D是该码书集合Ω中的码书总数量；

是所述第s个码书ψ^s中的第j个元素，即第j个预编码矩阵或预编码矢量：

式中，自然数j是元素序号，其最大值M是该码书ψ^s中的元素数量；

(22)根据每个码书的每个预编码矢量或预编码矩阵

计算其量化角度

式中，

和

分别表示

的第1行第1列和第2行第1列的元素，angle(·)表示取幅角操作；自然数s为码书集合Ω中的码书序号，其最大值是D；自然数j是第s个码书中的元素序号，其最大值M。

(23)计算码书集合Ω的每个码书中每个元素的量化角度

与角度α的距离dsj：

式中，m是一个整数变量，且是

与α之间的周期数，其周期长度为2π；min(·)表示取最小值；

(24)分别把码书集合Ω中的每个码书ψ^s中所有元素的量化角度

与角度α的对应距离{d_s1，d_s2，…，d_sM}，按照从小到大升序排列，并将其分别定义为ψ^s的第1距离、第2距离，直至第M距离；

(25)选择码书集合Ω中第1距离最小的码书为当前的码书，若具有最小的第1距离的码书不止一个，则选择其中第2距离最小的码书作为当前的码书；若具有最小的第2距离的码书不止一个，则选择其中第3距离最小的码书作为当前的码书，以此类推。

步骤3、接收端将所选择的码书的序号返回发送端，用于后续N个时隙的收发操作。

图1中的本发明实施例采用2×2天线配置，申请人还对本发明的实施例与采用固定码书的系统的传输性能进行对比和验证。其中，采用的固定均匀码书为下述3个矩阵：

$\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \frac{\mathrm{\&pi;}}{4}& \sin \frac{\mathrm{\&pi;}}{4}\\ \sin \frac{\mathrm{\&pi;}}{4}\&CenterDot;e^{j0}& \cos \frac{\mathrm{\&pi;}}{4}\&CenterDot;e^{j(0+\mathrm{\&pi;})}\end{array}\right],\frac{1}{\sqrt{2}}\&times;\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ j& -j\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \frac{\mathrm{\&pi;}}{4}& \sin \frac{\mathrm{\&pi;}}{4}\\ \sin \frac{\mathrm{\&pi;}}{4}\&CenterDot;e^{j\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}}& \cos \frac{\mathrm{\&pi;}}{4}\&CenterDot;e^{j(\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}+\mathrm{\&pi;})}\end{array}\right],\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right];$

本发明实施例中采用的码书为： $\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{\sqrt{2}}\&CenterDot;\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right],\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ \frac{1+i}{\sqrt{2}}& \frac{-1-i}{\sqrt{2}}\end{array}\right],\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right],& \mathrm{\&alpha;}\&Element;\&Element;[0,\frac{\mathrm{\&pi;}}{4})\\ \frac{1}{\sqrt{2}}\&CenterDot;\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ \frac{1+i}{\sqrt{2}}& \frac{-1-i}{\sqrt{2}}\end{array}\right],\frac{1}{\sqrt{2}}\&CenterDot;\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ i& -i\end{array}\right],\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]& \mathrm{\&alpha;}\&Element;[\frac{\mathrm{\&pi;}}{4},\frac{\mathrm{\&pi;}}{2})\\ \frac{1}{\sqrt{2}}\&CenterDot;\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ i& -i\end{array}\right],\frac{1}{\sqrt{2}}\&CenterDot;\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ \frac{-1+i}{\sqrt{2}}& \frac{1-i}{\sqrt{2}}\end{array}\right],\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]& \mathrm{\&alpha;}\&Element;[\frac{\mathrm{\&pi;}}{2},\frac{3\mathrm{\&pi;}}{4})\\ \frac{1}{\sqrt{2}}\&CenterDot;\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right],\frac{1}{\sqrt{2}}\&CenterDot;\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ \frac{-1+i}{\sqrt{2}}& \frac{1-i}{\sqrt{2}}\end{array}\right],\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]& \mathrm{\&alpha;}\&Element;[\frac{3\mathrm{\&pi;}}{4},\mathrm{\&pi;})\end{array}\right.;$ 其中，

并根据天线相关系数β的幅角选择合适的码书。

实施例的T＝1ms，移动台的运动速度为30km/h，其接收信噪比(SNR，signal-to-noise ratio)的平均值为8dB。图3(A)、(B)两个图中的发送天线间相关系数分别固定为β＝0.8e^jπ/4和β＝0.8e^jπ/8时，比较采用固定均匀码书与本发明选择的码书的通信系统性能比较如图3所示。

显然当N＝1时，忽略2个时隙之间的时延，时变码书相当于1个大小为4的均匀码书的传输性能最优(在图中用点线表示)，其中采用上述大小为2的固定均匀码书的传输性能(如图中底部实线所示)，只能作为传输性能的最低限。图中虚线所示是β理想且已知时的自适应非均匀码书的传输性能。当β＝0.8e^jπ/4时，可选择第1个或第2个码书；当β＝0.8e^jπ/8时，选择第1个码书。当码书周期N从1开始逐渐增大时，等效码书的大小逐渐减小，因此本发明选择的码书的传输性能急剧下降。当N趋于无穷大时，因此本发明选择的码书的传输性能趋近于β理想且已知时的自适应非均匀码书。

假设β的幅角随时间匀速变化，

其中，n表示第n个时隙，

是初始相位，ω是角速度。

参见图4，介绍使用本发明选择的码书的通信系统的跟踪性能的跟踪特性。真实相关系数β的幅角以虚线标出，由于角速度恒定，angle(β)是n的线性函数。码书周期设定为N＝600，图中实线表示前一周期估计的

的幅角

(单位：π)，因此，其范围是从第2个周期开始，是n的阶梯状函数，约等于前一周期内angle(β)的均值。每个码书周期都是使用上一周期估计的

选择的码书，对应的2个矩阵的角度参数θ₂在图中用点线表示。在第1～3个周期中，

因此第2～4个周期中使用的是具体说明哪个公式中的第1个码书，相应的角度参数{θ₂}＝{0，π/4}。{θ₂}同样也是n的阶梯状函数，且变化相对更慢。在图4所示的条件下，本发明选择的码书基本能够跟上信道相关特征的变化。

参见图5，介绍两者的相应的信道容量性能对比，图中的实线和虚线分别表示采用固定均匀码书和本发明选择的码书的信道容量。图中可以看出，当信道的空间相关系数变化较慢时，本发明码书在每个码书周期都优于固定均匀码书。

Claims (2)

1.一种用于无线通信系统中的码书的选择方法，其特征在于：发送端和接收端存储有同样的码书集合，该码书集合中的元素、即码书的个数为正整数，并在设定时间内收发两端约定使用其中同一套码书时，接收端根据每N个连续时隙中的信道矩阵信息，周期性地计算发送端天线的空间信道相关系数：先估计出该多个连续时隙内信道的空间相关矩阵，然后进行归一化操作，估计出发送端天线的空间信道相关系数；再根据该空间信道相关系数在码书集合中选择一个与估计出的该发送端天线的空间信道相关系数的幅角最接近的码书，并将所选择码书的序号返回给发送端，用于后续N个时隙中发送端和接收端的预编码处理；所述方法包括下列操作步骤：

(1)接收端根据其设置的、位于任意位置的第k个时隙起始的连续N个时隙的信道矩阵信息，估计出发送端天线的空间信道相关系数β；式中，自然数k为时隙序号；该步骤进一步包括下列操作内容：

(11)接收端先在任意位置设置开始时隙k，自然数k为时隙序号；

(12)接收端采集从第k个时隙开始的连续N个时隙的信道矩阵信息H(k+i)，式中，自然数i为时隙序号，其最小值为1，最大值为N，H(k+i)是N_R×N_T矩阵，N_R和N_T分别是信道矩阵的行数和列数；

(13)接收端根据公式 

估计出该连续N个时隙的信道的空间相关矩阵：式中，N是所选择的连续时隙的数量，H(k+i)^T和H(k+i)^*分别表示第i个时隙的信道矩阵H(k+i)的转置矩阵和共轭矩阵；

(14)接收端根据公式 

估计发送端天线的空间信道相关系数β；式中，R_[1，2]表示矩阵R第1行第2列的元素，R_[1，1]表示矩阵R第1行第1列的元素，R_[2，2]表示矩阵R第2行第2列的元素；

(2)接收端根据β的幅角 

在码书集合Ω中选择一个码书， angle(·)表示取幅角操作；该步骤进一步包括下列操作内容：

(21)根据码书中元素的不同形式，接收端分别按照下述公式进行计算：

当码书中的元素为预编码矩阵时，计算公式为： 

当码书中的元素为预编码矢量时，计算公式为： 

码书集合Ω中的第s个码书ψ^s为：ψ^s∈Ω＝{ψ¹，ψ²，…，ψ^D}，式中，自然数s为码书集合Ω中的码书序号，其最大值D是该码书集合Ω中的码书总数量； 

是所述第s个码书ψ^s中的第j个元素，即第j个预编码矩阵或预编码矢量： 

式中，自然数j是元素序号，其最大值M是该码书ψ^s中的元素数量；根据每个码书的每个预编码矢量或预编码矩阵 计算其量化角度 

式中， 

和 分别表示 

的第1行第1列和第2行第1列的元素，angle(·)表示取幅角操作；自然数s为码书集合Ω中的码书序号，其最大值是D；自然数j是第s个码书中的元素序号，其最大值M。

(22)计算码书集合Ω的每个码书中每个元素的量化角度 

与角度α的距离 

式中，m是一个整数变量，且是 

与α之间的周期数，其周期长度为2π；min(·)表示取最小值；

(23)分别把码书集合Ω中的每个码书ψ^s中所有元素的量化角度 

与角度α的对应距离{d_s1，d_s2，…，d_sM}，按照从小到大升序排列，并将其分别定义为ψ^s的第1距离、第2距离，直至第M距离；

(24)选择码书集合Ω中第1距离最小的码书为当前的码书；

若具有最小的第1距离的码书不止一个，则选择其中第2距离最小的码书作为当前的码书；

若具有最小的第2距离的码书不止一个，则选择其中第3距离最小的码书 作为当前的码书，以此类推；

(3)接收端将所选择的码书的序号返回发送端，用于后续N个时隙的收发操作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述码书为多个预编码矢量或预编码矩阵的集合。

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