CN101964696B - 一种应用于空分复用的预编码矩阵选择方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种应用于空分复用的预编码矩阵选择方法，包括：获取信道矩阵H；分别根据预先定义的预编码码本中的预编码矩阵，以及信道矩阵H近似还原H^HH的特征值；根据所述还原的特征值选择最佳预编码矩阵。本发明还相应地公开一种应用于空分复用的预编码矩阵选择系统，包括：信道估计单元、预编码矩阵选择单元、预编码码本存储单元。由于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，所以，本发明可以有效的减少进行预编码矩阵选择的计算量和运算复杂度。

Description

一种应用于空分复用的预编码矩阵选择方法及系统

技术领域

本发明涉及无线网络传输技术，尤其涉及一种应用于空分复用的预编码矩阵选择方法及系统。

背景技术

多输入多输出(Multi-input Multi-output，MIMO)技术已经成为未来移动通信系统实现高数据速率、高传输质量的重要途径。MIMO技术的一个突出特点就是能显著提高无线系统的频谱利用率，进而提高数据的传输速率。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状态信息，就能够充分利用已知的信道状态信息对发射信号进行预编码处理，来调整MIMO系统各发射天线的功率，从而使得多个数据流分别在正交的空间子信道中传输，减小干扰，所以，对发射信号进行预编码处理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，发射端从接收到的反馈信息中获取信道状态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(Singular ValueDecomposition，SVD)来确定预编码矩阵V，并将其反馈给发射端。如果发射端能得到V矩阵的具体元素值，此时能够获得最佳的性能；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V矩阵的全部信息，此时需要通过构建预编码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，称其为预编码码本，接收端在给定的码本中找出与SVD分解得到的V矩阵最相似的一个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的原则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示意图，如图1所示，现有MIMO系统中，接收端进行预编码矩阵选择包括以下步骤：

步骤11：接收端首先对信道进行估计，得到信道矩阵。

步骤12：依次用预先定义的预编码码本中的每个预编码矩阵V_i和得到的信道矩阵计算均方误差矩阵的迹或行列式。

步骤13：对预先定义的预编码码本中的每个预编码矩阵V_i，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，即通过公式(1)或公式(2)选择预编码矩阵V_opt：

$V_{\mathrm{opt}}=\underset{V_i}{\arg \min \mathrm{tr}}\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s}{M}{(I_M+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s}{{\mathrm{MN}}_0}{V}^H{H}^H\mathrm{HV})}^{-1}\right)---\left(1\right)$

$V_{\mathrm{opt}}=\underset{V_i}{\arg \min \det }\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s}{M}{(I_M+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s}{{\mathrm{MN}}_0}{V}^H{H}^H\mathrm{HV})}^{-1}\right)---\left(2\right)$

其中，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，ε_s表示总的发射能量，M表示码流个数，N₀表示噪声功率，I_M表示M阶的单位矩阵，(·)^H表示共轭转置操作。

可以看出，现有的预编码矩阵选择方法存在矩阵求逆操作，计算量较大且运算复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种应用于空分复用的预编码矩阵选择方法及系统，能够减少计算量、且简化运算。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种应用于空分复用的预编码矩阵选择方法，包括：

获取信道矩阵H；

分别根据预先定义的预编码码本中的预编码矩阵，以及信道矩阵H近似还原H^HH的特征值；

根据所述还原的特征值选择最佳预编码矩阵，

所述根据预先定义的预编码码本中的预编码矩阵，以及信道矩阵H近似还原H^HH的特征值为：

根据公式A_i(R×L)H＝_(R×T)V_i(T×L)和n＝1，...，L近似还原H^HH的特征值λ_i(n)，其中，R表示接收天线的个数，T表示发射天线的个数，L表示信道的秩，V_i为预先定义的预编码码本中的预编码矩阵。

由接收端进行预编码矩阵选择，所述获取信道矩阵H为：接收端根据接收数据对当前信道进行估计，获取信道矩阵H。

所述接收端选择最佳预编码矩阵之后还包括步骤：将选择的最佳预编码矩阵对应的索引返回给发射端。

由发射端进行预编码矩阵选择，所述获取信道矩阵H为：发射端获取上次作为接收端得到的信道矩阵。

所述接收端获取信道矩阵H之前还包括步骤：发射端根据预编码矩阵索引选择相应的预编码矩阵，对发射数据进行预编码处理并发射。

所述发射端根据预编码矩阵索引选择相应的预编码矩阵为：发射端首次发射信号，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索引相对应的预编码矩阵；发射端不是首次发射信号，则根据接收端上次反馈的预编码矩阵索引，从预编码码本中选择与该索引相对应的预编码矩阵。

所述根据还原的特征值选择最佳预编码矩阵为：

单流传输时，选择使得还原的特征值最大的预编码矩阵作为最佳预编码矩阵；多流传输时，选择使得还原的与其对应的各特征值加权之和最大的预编码矩阵作为最佳预编码矩阵。

一种应用于空分复用的预编码矩阵选择系统，包括：信道估计单元、预编码矩阵选择单元、预编码码本存储单元，其中，

所述信道估计单元，用于获取信道矩阵H；

所述预编码矩阵选择单元，用于根据预编码码本存储单元中存储的预编码矩阵，以及信道估计单元获取的信道矩阵H，近似还原H^HH的特征值；以及根据所述还原的特征值选择最佳预编码矩阵；

所述预编码码本存储单元，用于存储预先定义的预编码矩阵，

所述预编码矩阵选择单元根据预先定义的预编码码本中的预编码矩阵，以及信道矩阵H近似还原H^HH的特征值为：

根据公式A_i(R×L)＝H_(R×T)V_i(T×L)和n＝1，...，L近似还原H^HH的特征值λ_i(n)，其中，R表示接收天线的个数，T表示发射天线的个数，L表示信道的秩，V_i为预先定义的预编码码本中的预编码矩阵。

所述预编码矩阵选择系统处于接收端时，该系统还包括索引发送单元，

所述预编码矩阵选择单元，还用于将所选择的最佳预编码矩阵对应的索引发送至索引发送单元；

所述索引发送单元，用于将来自预编码矩阵选择单元的最佳预编码矩阵对应的索引发送至发射端。

本发明应用于空分复用的预编码矩阵选择方法及系统，根据预先定义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。由于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，所以，本发明可以有效的减少进行预编码矩阵选择的计算量和运算复杂度。

附图说明

图1为现有MIMO系统中，接收端进行预编码矩阵选择的流程示意图；

图2为本发明应用于空分复用的预编码矩阵选择方法流程示意图；

图3为本发明应用于空分复用的预编码矩阵选择系统结构示意图；

图4为本发明实施例1应用于空分复用的预编码矩阵选择系统结构图；

图5为本发明实施例1应用于空分复用的预编码矩阵选择方法流程示意图。

具体实施方式

本发明的基本思想是：根据预先定义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。

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。

需要指出的是，本发明中，预编码矩阵可以由接收端进行选择，并将其索引反馈给发射端，供发射端进行发射数据预编码处理，如频分双工(FDD)系统；预编码矩阵也可以由发射端进行选择，如在时分双工(TDD)系统中，发射端可以根据估计得到的信道矩阵在发射端直接进行预编码矩阵的选择，并进行发射数据预编码处理，此时不需要接收端进行预编码矩阵的选择和反馈。

图2为本发明应用于空分复用的预编码矩阵选择方法流程示意图，如图2所示，本发明应用于空分复用的预编码矩阵选择方法一般包括以下步骤：

步骤21：获取信道矩阵H。

预编码矩阵由接收端进行选择的情况下，接收端根据接收数据对当前信道进行估计，获取信道矩阵H；预编码矩阵由发射端进行选择的情况下，发射端一般获取上次作为接收端得到的信道矩阵作为信道矩阵H。

对于预编码矩阵由接收端进行选择的情况，获取信道矩阵H之前还包括步骤：发射端根据预编码矩阵索引选择相应的预编码矩阵，对发射数据进行预编码处理并发射。如果发射端是首次发射信号，则需要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索引相对应的预编码矩阵；如果不是首次发射信号，则需根据接收端上次反馈的预编码矩阵索引，从预编码码本中选择与该索引相对应的预编码矩阵，对发射数据进行预编码处理，经由发射天线发射出去，从而接收端根据接收数据对当前信道进行估计，获取信道矩阵H。

步骤22：分别使用预先定义的预编码码本中的预编码矩阵Vi，以及信道矩阵H近似还原H^HH的特征值。

H^HH表示信道矩阵H的共轭转置矩阵乘以信道矩阵H所得到的矩阵，这里，具体根据公式(3)和公式(4)近似还原H^HH的特征值λ_i(n)：

A_i(R×L)＝H_(R×T)V_i(T×L)          (3)

${\mathrm{\λ}}_i\left(n\right)=\underset{m=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{\left|A_i(m,n)\right|}^2,n=1,...,L---\left(4\right)$

其中，R表示接收天线的个数，T表示发射天线的个数，L表示信道的秩，得到的λ_i(n)近似于H^HH的L个特征值。

需要说明的是，采用上述方法得到的是H^HH的特征值的近似值，并非H^HH的特征值。

步骤23：根据所述还原的特征值λ_i(n)选择最佳预编码矩阵V_opt。

如果进行单流传输，即码流个数M为1，则选择使得λ_i(1)最大的V_i作为最佳预编码矩阵V_opt，如公式(5)所示：

$V_{\mathrm{opt}}=\underset{V_i}{\arg \max }{\mathrm{\λ}}_i\left(1\right)---\left(5\right)$

如果进行多流传输，即码流个数M不为1，则需要对多个码流进行折衷考虑，选择使得还原的与其对应的各特征值加权之和、即

最大的V_i作为最佳预编码矩阵V_opt，如公式(6)所示：

$V_{\mathrm{opt}}=\underset{V_i}{\arg \max }\left(\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{k}_j{\mathrm{\λ}}_i\left(j\right)\right)---\left(6\right)$

其中，k_j是加权因子，一般通过仿真获得。

需要说明的是，本步骤所述的码流个数M与步骤22中信道的秩L取值相同。

对于预编码矩阵由接收端进行选择的情况，接收端选择最佳预编码矩阵V_opt之后，会将V_opt对应的索引返回给发射端，以供发射端对下一次的发射数据进行预编码处理。

实际应用中，可以通过多种方法选择最佳预编码矩阵，并不限于本文所述的方法。

图3为本发明应用于空分复用的预编码矩阵选择系统结构示意图，如图3所示，本发明应用于空分复用的预编码矩阵选择系统包括：信道估计单元31、预编码矩阵选择单元32、预编码码本存储单元33，其中，

信道估计单元31，用于获取信道矩阵H；

预编码矩阵选择单元32，用于根据预编码码本存储单元33中存储的预编码矩阵，以及信道估计单元31获取的信道矩阵H，近似还原H^HH的特征值；以及根据所述还原的特征值选择最佳预编码矩阵。

预编码码本存储单元33，用于存储预先定义的预编码矩阵。

预编码矩阵选择系统处于接收端时，还包括索引发送单元，其与预编码矩阵选择单元32相连，

预编码矩阵选择单元32，还用于将所选择的最佳预编码矩阵对应的索引发送至索引发送单元；

索引发送单元，用于将来自预编码矩阵选择单元32的最佳预编码矩阵对应的索引发送至发射端。

实施例1

图4为本发明实施例1应用于空分复用的预编码矩阵选择系统结构图，如图4所示，发射端和接收端天线数目均为4天线，本实施例中，预编码矩阵由接收端进行选择，码流数为2，接收端采用最小均方误差(MMSE)接收机进行译码，具体的，接收端包括信道估计单元、预编码码本存储单元、预编码矩阵选择单元和索引发送单元。

图5为本发明实施例1应用于空分复用的预编码矩阵选择方法流程示意图，如图5所示，本发明实施例1应用于空分复用的预编码矩阵选择方法包括以下步骤：

步骤51：发射端根据预编码矩阵索引选择相应的预编码矩阵，对待发送的经过调制后的2路数据流进行发送预编码处理，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，则需要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索引相对应的预编码矩阵；如果不是首次发射信号，则需根据接收端上次反馈的预编码矩阵索引，从预编码码本中选择与该索引相对应的预编码矩阵。

步骤52：接收端将4个接收天线上的数据送入信道估计单元对当前信道进行估计，得到信道矩阵。

步骤53：根据当前的信道矩阵在给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。

本步骤中，首先由预编码矩阵选择单元进行预编码矩阵选择，并将所选择的预编码矩阵对应的索引发送至索引发送单元，再由索引发送单元将收到的预编码矩阵对应的索引发送至发射端。

本实施例中，根据当前的信道矩阵在给定的预编码码本中进行预编码矩阵的选择具体为：

对预先定义的预编码码本中的每个预编码矩阵V_i，近似还原H^HH的特征值：

A_i(R×L)＝H_(R×T)V_i(T×L)

${\mathrm{\λ}}_i\left(n\right)=\underset{m=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{\left|A_i(m,n)\right|}^2,n=1,...,L$

然后，选择使得k₁λ_i(1)+k₂λ_i(2)最大的V_i做为最佳的预编码矩阵V_opt，如公式(7)所示：

$V_{\mathrm{opt}}=\underset{V_i}{\arg \max }({k_i\mathrm{\λ}}_i\left(1\right)+k_2{\mathrm{\λ}}_i\left(2\right))$

其中，加权因子k₁取1，k₂取1.5。

步骤54：接收端进行MMSE检测，译码得到2路原始数据流。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种应用于空分复用的预编码矩阵选择方法，其特征在于，该方法包括：

获取信道矩阵H；

分别根据预先定义的预编码码本中的预编码矩阵，以及信道矩阵H近似还原H^HH的特征值；

根据所述还原的特征值选择最佳预编码矩阵，

所述根据预先定义的预编码码本中的预编码矩阵，以及信道矩阵H近似还原H^HH的特征值为：

根据公式A_i(R×L)＝H_(R×T)V_i(T×L)和

n＝1，...，L近似还原H^HH的特征值λ_i(n)，其中，R表示接收天线的个数，T表示发射天线的个数，L表示信道的秩，V_i为预先定义的预编码码本中的预编码矩阵。

2.根据权利要求1所述的预编码矩阵选择方法，其特征在于，由接收端进行预编码矩阵选择，所述获取信道矩阵H为：接收端根据接收数据对当前信道进行估计，获取信道矩阵H。

3.根据权利要求2所述的预编码矩阵选择方法，其特征在于，所述接收端选择最佳预编码矩阵之后还包括步骤：将选择的最佳预编码矩阵对应的索引返回给发射端。

4.根据权利要求1所述的预编码矩阵选择方法，其特征在于，由发射端进行预编码矩阵选择，所述获取信道矩阵H为：发射端获取上次作为接收端得到的信道矩阵。

5.根据权利要求2所述的预编码矩阵选择方法，其特征在于，所述接收端获取信道矩阵H之前还包括步骤：发射端根据预编码矩阵索引选择相应的预编码矩阵，对发射数据进行预编码处理并发射。

6.根据权利要求5所述的预编码矩阵选择方法，其特征在于，所述发射端根据预编码矩阵索引选择相应的预编码矩阵为：发射端首次发射信号，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索引相对应的预编码矩阵；发射端不是首次发射信号，则根据接收端上次反馈的预编码矩阵索引，从预编码码本中选择与该索引相对应的预编码矩阵。

7.根据权利要求1所述的预编码矩阵选择方法，其特征在于，所述根据还原的特征值选择最佳预编码矩阵为：

单流传输时，选择使得还原的特征值最大的预编码矩阵作为最佳预编码矩阵；多流传输时，选择使得还原的与其对应的各特征值加权之和最大的预编码矩阵作为最佳预编码矩阵。

8.一种应用于空分复用的预编码矩阵选择系统，其特征在于，该系统包括：信道估计单元、预编码矩阵选择单元、预编码码本存储单元，其中，

所述信道估计单元，用于获取信道矩阵H；

所述预编码矩阵选择单元，用于根据预编码码本存储单元中存储的预编码矩阵，以及信道估计单元获取的信道矩阵H，近似还原H^HH的特征值；以及根据所述还原的特征值选择最佳预编码矩阵；

所述预编码码本存储单元，用于存储预先定义的预编码矩阵，

所述预编码矩阵选择单元根据预先定义的预编码码本中的预编码矩阵，以及信道矩阵H近似还原H^HH的特征值为：

根据公式A_i(R×L)＝H_(R×T)Vi(T×L)和

n＝1，...，L近似还原H^HH的特征值λ_i(n)，其中，R表示接收天线的个数，T表示发射天线的个数，L表示信道的秩，V_i为预先定义的预编码码本中的预编码矩阵。

9.根据权利要求8所述的预编码矩阵选择系统，其特征在于，所述预编码矩阵选择系统处于接收端时，该系统还包括索引发送单元，

所述预编码矩阵选择单元，还用于将所选择的最佳预编码矩阵对应的索引发送至索引发送单元；

所述索引发送单元，用于将来自预编码矩阵选择单元的最佳预编码矩阵对应的索引发送至发射端。

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