CN101924611B - 基于LTE-Advanced系统的八天线码本设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于LTE-Advanced系统的八天线码本设计方法，包括确定码本的码字数量，码本在每个秩的情况下都包含16个码字；重用LTER8的四天线HH码本，通过将该码本中的码字与酉矩阵做kcronecker乘积的方式获得预编码矩阵，由所述预编码矩阵的发射功率计算出偶数秩的LTE-Advanced八天线码本；删除偶数秩码字中的一列列向量，生成预编码矩阵，对所述预编码矩阵进行发射能量归一化后，得到奇数秩的LTE-Advanced八天线码本。本发明通过重用LTE R8的四天线HH码本，不仅保持LTE-Advanced的后向兼容性，而且自然地继承了LTE R8码本的很多优良特性，从而有效降低终端侧CQI计算和码字选择的复杂度，并避免发射功率失衡。

Description

基于LTE-Advanced系统的八天线码本设计方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及基于LTE-Advanced系统的八天线码本设计方法。

背景技术

众所周知，无线通信系统包括终端和基站，其中，从基站到终端的通信链路被称为下行链路，从终端到基站的通信链路被称为上行链路。一般来说，在无线通信系统的下行链路中，基站能够知道信道信息(CSI，Channel State Information)，但若终端也能够获取信道信息，将有助于整个无线通信系统性能的提升。

在TDD系统中，可以利用上下行信道对称性来获得CSI。但是在FDD系统中，由于上下行信道的差异，必须通过终端反馈的方式来传递下行信道信息，也就是基站在上行信道中为终端分配一块用于反馈信道信息的传输区域，终端通过信道估计获得下行信道状态信息，并在反馈信道中将该信息反馈给基站。但是，精确的信道状态信息需要产生大量的上行反馈开销，从而降低系统吞吐率。因此在实际系统中，通常采用有限反馈机制来反馈一个尽量精确的信道状态信息，从而平衡反馈精度和反馈开销的矛盾。

在目前和未来的无线通信系统中广泛应用的是基于码本的有限反馈机制，例如以IEEE 802.16标准为代表的3G技术和以3GPP LTE标准为代表的B3G技术，甚至以LTE-Advanced标准为代表的4G技术中都采用了码本反馈机制。基于有限反馈的MIMO技术在学术界和产业界都备受关注，不仅成为诸多通信标准(如3GPP LTE)的基础组成部分，并且是满足LTE-Advanced系统需求的关键技术。参考文献1《TR 36.814v1.0.0，Further Advancements for E-UTRA Physical Layer Aspects》指出：LTE-Advanced系统下行峰值速率应达到1Gbps，频谱利用率应达到30bps/Hz。通过载波聚合技术使传输带宽增加到100MHz，并联合使用4层MIMO空间复用技术可以达到1Gbps的峰值速率需求。然而，30bps/Hz的频谱利用率则要求LTE-Advanced下行发射系统必须扩展到八根天线，因此有必要为LTE-Advanced八天线系统重新设计码本和相应的反馈机制。

目前，大多数学术领域码本设计方案都基于独立同分布瑞利信道，如Grassmanian line/subspace packing(GLP/GSP)就是一种设计高性能码本的有效工具。然而，实际系统中的MIMO信道和瑞利信道有巨大差别，例如，实际的MIMO信道可能存在严重的空间相关性和视距成分。此外，由于双极化的天线配置可以有效减小天线间距，降低系统对物理空间的需求，从而在实际中有重要应用。因此，参考文献2《Clerckx B，YongXing Z，SungjinK.Practical Codebook Design for Limited Feedback Spatial Multiplexing.ICC，2008》指出：在真实无线通信系统中，码本设计的一个基本要求是能够适应非相关信道、相关信道以及双极化信道。

更重要的是，GLP/GSP算法独立优化不同秩的码本，码字中的每一项都从中选出。这种方式不仅占用大量存储空间，并且在码字选择时导致大量复数运算，从而提高了计算复杂度，这在使用秩自适应(rankadaptation)机制后更加明显。此外，实际系统要求尽量避免发射天线间的功率失衡(power amplifier imbalance)，然而GLP/GSP算法并不能保证功率平衡。

在参考文献3《TS 36.211 V8.6.0，Evolved Universal Terrestrial RadioAccess(E-UTRA)：Physical Channels and Modulation(Release 8)》中所提出的3GPP LTE R8标准中采用了基于Householder(HH)变换的四天线码本，由于具备嵌套(nesting)和有限字符表(finite alphabet)等优良特性，该HH码本有效降低了UE侧硬件设备的设计复杂度，同时恒模(constantmodulus)特性也保证了天线间的功率平衡。但是基于HH变换的四天线码本设计思路并不适用于LTE-Advanced系统的八天线码本设计，这是因为八维向量经过HH变化后难以保证恒模特性，无法避免功率失衡。因此需要新的方式来产生LTE-Advanced八天线码本。在参考文献4《R1-090388，“Precoding options for 8-Tx antennas in LTE-A DL”，Marvell》中对这一点有明确的说明。

参考文献5《R1-091246，“Codebook Design for 8-Tx Transmission inLTE-A”，Samsung》提出一种基于Complex Hadamard Transformation(CHT)的码本，该码本继承了大部分LTE R8四天线码本的优秀特性。参考文献6《R1-091281，“DL MIMO codebook”，Huawei》利用旋转的DFT码本改善了CHT码本在低秩时的性能，但由于不遵循嵌套和8-PSK字符表特性，导致终端计算复杂度较高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术在实现基于LTE-Advanced系统的八天线码本设计时UE计算复杂度较高等缺陷，从而提供一种精确、高效的码本设计方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于LTE-Advanced系统的八天线码本设计方法，包括：

步骤1)、确定码本的码字数量，所述码本在每个秩的情况下都包含16个码字；

步骤2)、重用LTE R8的四天线HH码本，通过将该码本中的码字与酉矩阵做kcronecker乘积的方式获得预编码矩阵，由所述预编码矩阵的发射功率计算出偶数秩的LTE-Advanced八天线码本；

步骤3)、删除偶数秩码字中的一列列向量，生成预编码矩阵，对所述预编码矩阵进行发射能量归一化后，得到奇数秩的LTE-Advanced八天线码本。

上述技术方案中，在所述的步骤2)中，所述的酉矩阵为四个大小为2×2的矩阵，分别用U₀、U₁、U₂和U₃表示，其中：

$U_0=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]U_1=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ -1& 1\end{array}\right]U_2=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ j& -j\end{array}\right]U_3=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ -j& j\end{array}\right].$

上述技术方案中，所述的步骤2)包括：

步骤2-1)、令表示LTE R8四天线HH码本中的一个码字，其中A表示码字；r表示码字的秩，取值为1、2、3或4，i表示码字的序号，取值从0到15；

表示复数集合；

步骤2-2)、通过所述酉矩阵U_j和码字

的kcronecker乘积获得秩为n的预编码矩阵

其中：

$X_i^n=U_j\⊗A_i^{n/2},$ i＝0～15，

n＝2，4，6，8；

步骤2-3)、根据下列公式计算预编码矩阵

的发射功率p，其中()^H表示矩阵的共轭转置，tr()表示矩阵的迹；

$p_i^n=\mathrm{tr}\left({\left(X_i^n\right)}^H{X}_i^n\right)=4,$ i＝0～15，n＝2，4，6，8；

步骤2-4)、将预编码矩阵

的发射功率归一化，获得最终偶数秩码字

${\mathrm{CW}}_i^n=X_i^n/\sqrt{p_i^n}=X_i^n/2,$ i＝0～15，n＝2，4，6，8；

步骤2-5)、令i＝0～15，重复上述步骤2-2)至步骤2-4)，直到产生秩为n的所有16个码字；

步骤2-6)、令n的取值分别为2、4、6、8，重复步骤2-2)至步骤2-5)直到产生所有偶数秩的码本。

上述技术方案中，所述的步骤3)包括：

步骤3-1)、对于秩n的值分别为2、4、6、8，序号为i＝0～15的偶数秩码字

在n个列向量中选择需要删除的列向量；

步骤3-2)、删除步骤3-1)中选择的列向量，得到秩为n-1的预编码矩阵

步骤3-3)、将所述预编码矩阵

的发射功率归一化，获得最终奇数秩码字

所述奇数秩码字的计算如下面的公式所示：

$p_i^{n-1}=(n-1)/n,$ i＝0～15，n＝2，4，6，8；

${\mathrm{CW}}_i^{n-1}=X_i^{n-1}/\sqrt{p_i^{n-1}}=\sqrt{\frac{n}{n-1}}{X}_i^{n-1},$ i＝0～15，n＝2，4，6，8；

步骤3-4)、令i＝0～15，重复步骤3-1)至步骤3-3)，直到产生秩为n-1的所有16个码字；

步骤3-5)、令n的取值分别为2、4、6、8，重复步骤3-1)至步骤3-4)直到产生所有奇数秩n-1的码本。

上述技术方案中，在所述的步骤1)中，所述的在n个列向量中选择需要删除的列向量包括：选择包含在

中、但不包含于

中，且靠右侧的列向量作为需要被删除的列向量。

本发明的优点在于：

通过重用LTE R8的四天线HH码本，不仅保持LTE-Advanced的后向兼容性，而且自然地继承了LTE R8码本的很多优良特性，包括嵌套、8-PSK有限字符表和恒模等，从而有效降低终端侧CQI计算和码字选择的复杂度，并避免发射功率失衡。此外，仿真结果表明，本发明设计的码本在非相关信道、相关信道和双极化信道场景中都能够有效降低误块率，是一种高效的码本设计方案。

附图说明

图1为本发明的基于LTE-Advanced系统的八天线码本设计方法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行说明。

考虑到LTE R8的四天线HH码本嵌套、8-PSK有限字符表和恒模等优良特性，本发明在该码本的基础上利用kcronecker乘积的方式重用LTE R8四天线码本，从而构造LTE-Advanced八天线码本，具体说明如下。

参考图1，本发明的基于LTE-Advanced系统的八天线码本设计方法包括以下实现步骤：

步骤1：在PMI的反馈量和系统性能之间做出折中，确定码本在每个秩的情况下都包含16个码字，即将4比特反馈作为设计的基准，从而控制了反馈开销，并能够重用LTE R8标准中的反馈机制。

步骤2：重用LTE R8的四天线HH码本，通过将该码本中的码字与酉矩阵做kcronecker乘积的方式获得预编码矩阵，然后由所得到的预编码矩阵的发射功率计算出偶数秩(2、4、6和8)的LTE-Advanced八天线码本。

步骤3：在得到偶数秩(2、4、6和8)的LTE-Advanced八天线码本后，通过删除偶数秩码字中的一列，然后对新生成的码字进行发射能量归一化，从而得到奇数秩(1、3、5和7)的LTE-Advanced八天线码本。

在本发明的一个实施例中，前述步骤2具体可包括以下步骤：

步骤2.1、令

表示LTE R8四天线HH码本的一个码字，其中A表示码字；r表示码字的秩，取值为1、2、3或4；i表示码字的序号，取值从0到15；

表示复数集合。定义四个2×2的酉矩阵U₀、U₁、U₂和U₃为：

$U_0=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]U_1=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ -1& 1\end{array}\right]U_2=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ j& -j\end{array}\right]U_3=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ -j& j\end{array}\right]---\left(1\right)$

步骤2.2、通过所述酉矩阵U_j和

的kcronecker乘积获得秩为n的预编码矩阵

$X_i^n=U_j\⊗A_i^{n/2},$ i＝0～15，

n＝2，4，6，8(2)

步骤2.3、计算预编码矩阵

的发射功率p，计算方法如下面的公式(3)所示，其中()^H表示矩阵的共轭转置，tr()表示矩阵的迹。

$p_i^n=\mathrm{tr}\left({\left(X_i^n\right)}^H{X}_i^n\right)=4,$ i＝0～15，n＝2，4，6，8(3)

步骤2.4、将

的发射功率归一化，获得最终偶数秩码字

其计算公式如下：

${\mathrm{CW}}_i^n=X_i^n/\sqrt{p_i^n}=X_i^n/2,$ i＝0～15，n＝2，4，6，8(4)

步骤2.5、令i＝0～15，重复上述步骤2.2至步骤2.4，直到产生秩为n的所有16个码字。

步骤2.6、令n的取值分别为2、4、6、8，重复步骤2.2至步骤2.5直到产生所有偶数秩n的码本。

在本发明的一个实施例中，前述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1、对于秩n的值分别为2、4、6、8，序号为i＝0～15的偶数秩码字

在n个列向量中选择需要删除的列向量。根据嵌套原则，

应该是

的子矩阵，被删除的列向量应该出现在

中，但是在

中不出现。因此，在删除列向量时会有两个列向量可供选择，本发明选择靠右侧的列向量作为待删除的对象。

步骤3.2、删除步骤3.1中选择的列向量，得到秩为n-1的预编码矩阵

步骤3.3、将

的发射功率归一化，获得最终奇数秩码字

奇数秩码字

的计算如下面的公式(5)和公式(6)。

$p_i^{n-1}=(n-1)/n,$ i＝0～15，n＝2，4，6，8(5)

${\mathrm{CW}}_i^{n-1}=X_i^{n-1}/\sqrt{p_i^{n-1}}=\sqrt{\frac{n}{n-1}}{X}_i^{n-1},$ i＝0～15，n＝2，4，6，8(6)

步骤3.4、令i＝0～15，重复步骤3.1至步骤3.3，直到产生秩为n-1的所有16个码字。

步骤3.5、令n的取值分别为2、4、6、8，重复步骤3.1至步骤3.4直到产生所有奇数秩n-1的码本。

通过以上操作可得到LTE-Advanced八天线码本，在下面的表1中给出了秩从1-8的码本的示意图。但在实际系统中，为了在终端节省存储空间，通常在终端中只保存满秩(即秩为8)情况下的码本。对于其他秩的码本可参考前述公式(2)通过利用码本本身的嵌套特性计算得出。

表1

本发明所得到的八天线码本是基于LTE-Advanced系统的，因此保持了LTE-Advanced的后向兼容性，而且由于在生成过程中重用了LTE R8四天线HH码本，所以还自然地继承了LTE R8码本的很多优良特性，具体包括：

1、恒模特性，即预编码矩阵中的每一个复数都具有相同的模值，从而保证每个发射天线上的发射功率平衡。恒模特性通常作为码本设计的一个基本特性。

2、嵌套特性，即秩为n-1的码字应该是秩为n对应序号码字的子矩阵。一方面，嵌套特性能够节约码本存储空间，终端或者eNB只需要存储满秩的预编码矩阵就能通过简单的换算得到其他相关秩的预编码矩阵；另一方面，低秩码本时的CQI计算结果能够对于高秩码本的CQI计算有帮助，因此对于秩自适应机制有更重要的意义。

3、8-PSK有限字符表特性，即预编码矩阵中的所有复数都选自8-PSK星座图上的点，也就是仅仅包括

由于终端侧CQI计算和码字选择都涉及到大量复数乘法运算，有限字符表特性能够有效降低终端侧的硬件设计复杂度。

此外，对本发明所设计的码本所做的仿真结果表明，该码本在非相关信道、相关信道和双极化信道场景中都能够有效降低误块率，是一种高效的码本设计方案。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种基于LTE-Advanced系统的八天线码本设计方法，包括：

步骤1）、确定码本的码字数量，所述码本在每个秩的情况下都包含16个码字；

步骤2）、重用LTE Release 8的四天线HH码本，通过将该码本中的码字与酉矩阵做kronecker乘积的方式获得预编码矩阵，由所述预编码矩阵的发射功率计算出偶数秩的LTE-Advanced八天线码本；

在所述的步骤2）中，所述的酉矩阵为四个大小为2×2的矩阵，分别用U₀、U₁、U₂和U₃表示，其中：

$U_0=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]$ $U_1=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ -1& 1\end{array}\right]$ $U_2=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ j& -j\end{array}\right]$ $U_3=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ -j& j\end{array}\right];$

所述的步骤2）包括：

步骤2-1）、令

表示LTE Release 8四天线HH码本中的一个码字，其中A表示码字；r表示码字的秩，取值为1、2、3或4，i表示码字的序号，取值从0到15;

表示复数集合；

步骤2-2）、通过相应的酉矩阵U_j和码字的kronecker乘积获得秩为n的预编码矩阵其中：

步骤2-3）、根据下列公式计算预编码矩阵

的发射功率p，其中（）^H表示矩阵的共轭转置，tr（）表示矩阵的迹；

$p_i^n=\mathrm{tr}\left({\left(X_i^n\right)}^H{X}_i^n\right)=4,i=0~15,n=\mathrm{2,4,6,8};$

步骤2-4）、将预编码矩阵的发射功率归一化，获得最终偶数秩码字

${\mathrm{CW}}_i^n=X_i^n/\sqrt{p_i^n}=X_i^n/2,i=0~15,n=\mathrm{2,4,6,8};$

步骤2-5）、令i＝0～15，重复上述步骤2-2）至步骤2-4），直到产生秩为n的所有16个码字；

步骤2-6）、令n的取值分别为2、4、6、8，重复步骤2-2）至步骤2-5）直到产生所有偶数秩的码本；

步骤3）、删除偶数秩码字中的一列列向量，生成新的预编码矩阵，对所述新的预编码矩阵进行发射能量归一化后，得到奇数秩的LTE-Advanced八天线码本；

所述的步骤3）包括：

步骤3-1）、对于秩n的值分别为2、4、6、8，序号为i＝0～15的偶数秩码字在n个列向量中选择需要删除的列向量；

步骤3-2）、删除步骤3-1）中选择的列向量，得到秩为n-1的预编码矩阵

步骤3-3）、将所述秩为n-1预编码矩阵

的发射功率归一化，获得最终奇数秩码字

所述奇数秩码字的计算如下面的公式所示：

$p_i^{n-1}=(n-1)/n,i=0~15,n=\mathrm{2,4,6,8};$

${\mathrm{CW}}_i^{n-1}=X_i^{n-1}/\sqrt{p_i^{n-1}}=\sqrt{\frac{n}{n-1}}{X}_i^{n-1},i=0~15,n=\mathrm{2,4,6,8};$

步骤3-4）、令i＝0～15，重复步骤3-1）至步骤3-3），直到产生秩为n-1的所有16个码字；

步骤3-5）、令n的取值分别为2、4、6、8，重复步骤3-1）至步骤3-4）直到产生所有奇数秩n-1的码本。

2.根据权利要求1所述的基于LTE-Advanced系统的八天线码本设计方法，其特征在于，在所述的步骤3-1）中，所述的在n个列向量中选择需要删除的列向量包括：选择包含在中、但不包含于

中，且靠右侧的列向量作为需要被删除的列向量。

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