CN102088340A

CN102088340A - 一种多天线系统发送、接收信息的方法及装置

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Publication number: CN102088340A
Application number: CN2010100338753A
Authority: CN
Inventors: 张然然; 高秋彬; 缪德山; 荆梅芳; 拉盖施
Original assignee: Datang Mobile Communications Equipment Co Ltd
Current assignee: China Academy of Telecommunications Technology CATT; Datang Mobile Communications Equipment Co Ltd
Priority date: 2010-01-11
Filing date: 2010-01-11
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2030-01-11
Also published as: JP5465339B2; CN102088340B; KR101363969B1; JP2013516933A; EP2525508B1; US8477872B2; KR20120114350A; WO2011082698A1; US20130034179A1; EP2525508A4; EP2525508A1

Abstract

本发明的实施例提出了一种多天线系统发送信息的方法，包括以下步骤：发送端接收接收端发送的信息，所述信息包括码字的标号信息；所述发送端根据所述码字的标号信息从基于双层结构的码本中选出相应的码字，所述发送端根据所述码字对待发送的数据进行预编码；所述发送端将预编码后的数据发送给所述接收端。本发明提出的上述方案中，所使用的基于双层结构的码本可以尽可能地匹配于双极化天线信道的分布特性、最小化码本量化带来的性能损失，从而有效提高预编码系统的性能。

Description

一种多天线系统发送、接收信息的方法及装置

技术领域

本发明涉及数字通信领域，具体而言，本发明涉及一种多天线系统发送、接收信息的方法及装置。

背景技术

物理层的多天线技术已经成为下一代无线通信系统的关键技术之一。多天线技术具有很多优点，比如利用多天线的复用增益来提高系统的吞吐量，利用多天线的分集增益来提高系统性能，利用天线的方向性增益来区分接收终端而消除接收终端间的干扰等等。

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多入多出)系统使用多个发射、接收天线，利用信号的空、时、频域联合处理获得速率、分集与阵列增益。MIMO系统中，如果发射机能够以某种方式获知信道信息，就可以根据信道特性对发送信号进行优化，以提高接收质量并降低对接收机复杂度的要求。在实际系统中一般采用量化信道信息的反馈方式，以降低反馈开销与反馈时延。信道信息的量化可以针对信道矩阵及其统计量，也可以是接收机推荐使用的预处理参数。信道信息经过量化之后，被映射到有限个元素构成的集合中，这一集合称为码本。

在基于码本的闭环MIMO系统中，接收端接收发送端发来的信号并且利用FFT(Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换)将其转化为频域信号。这些信号又经过MIMO检测模块来后被区分为区分若干层的信号。经过解层映射以后，信号进一步被解调、解交织和解码。接收到的导频信号被输入信道估计模块器以实现信道估计。接收端利用信道估计信息从码本中选择码字以优化性能。其优化准则可以是FER(Frame Error Rate，误帧率)、BER(Bit Error Rate，误比特率)、SINR(Signal to Interference plus NoiseRatio，信干噪比)、互信息、瞬时吞吐量、或其他合适的准则。接收端产生所选码字的索引以便用于后续的发送机发送。接收端产生CQI(ChannelQuality Indicator，信道质量指示)以告知发送机信道质量。接收端还用于确定Rank数和相应的数据层数，以用于后续的数据传输。以上获得的所有参数，码字标号、CQI和Rank数都反馈给发送端。发送端将待发送的多个数据流，应用选好的MCS(Modulation Coding Scheme，调制编码方案)进行相应的数据流处理。根据码字选择信息，在码本中选择码字。每个数据流将被映射到若干层以实现所需要的传输速率。然后，基于所选择的预编码码字，对层映射后的数据进行预编码。最后，每个预编码后的数据流经过OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)调制，经过多根发射天线发射出去。

在基于码本的闭环MIMO系统中，码本是影响系统性能的关键。在Rel-8(Release 8，版本8)LTE(Long Term Evolution，长期演进)的传输模式4、5、6中，都采用了PMI(Precode Matrix Index，预编码矩阵索引)反馈机制，即UE(User Equipment，用户设备)根据公共导频测量信道，并向基站eNB上报其推荐使用的码字的标号信息。公共导频端口为4时，采用基于Householder变换的码本，对于闭环空间复用模式即传输模式4的每种Rank，都存在着16个可选的预编码矩阵。

Rel-8LTE4天线码本的主要特性包括：1)Rank 1码本在考虑非相关信道和相关信道折中的条件下通过搜索获得；2)其他Rank的码本保持与Rank1码本的嵌套关系；3)码本元素均采用8PSK(Phase Shift Keying，相移键控)元素，以降低计算复杂度；4)具备恒模和酉特性；5)可以利用Householder变换的特性降低码字选择的复杂度。

在采用MIMO技术的无线通信系统中，例如Rel-10(Release 10，版本10)LTE-A(Long Term Evolution-Advanced，长期演进高级)系统中，可能会沿用PMI反馈的机制，但是由于发射天线数的增加，例如可能为8根，Rank与发射天线端口数目的配置组合数远多于Rel-8 LTE下的情况。一方面，针对很多Rank与发射天线端口数目配置组合的码本尚未定义。另一方面，相比Rel-8 LTE系统，针对双极化多天线系统设计码本的必要性变得更加突出，其原因在于，天线数目不断增加，而基站尺寸是有限的，不可避免地需要缩小天线间距或/和采用极化天线。基于以上考虑，针对双极化多天线系统的线性码本及其设计方法是未来无线通信系统研究和标准化中必不可缺的技术点。此外，鉴于Rel-8 LTE4天线码本的良好性能和优越特性，在码本设计过程中研究者都尽可能地考虑保留Rel-8 LTE码本的特性。

研究表明，Householder变换的方法不能直接应用于8天线码本的设计。目前，能继承Rel-8LTE码本的特性或部分特性的码本主要包括以下几种：

码本1：在Rel-8LTE码本的基础上进行变换，得到8天线码本；

码本2：利用复Hadamard变换构造出4⁷个以8PSK元素为元素的8×8复矩阵，然后通过非相关信道和相关信道折中优化的方法搜索得到各Rank码本；

码本3：用16个不同的对角阵乘以8-DFT(Discrete Fourier Transform，离散傅里叶变换)矩阵得到Rank8的码本，而Rank-n的码本由这16个8×8复矩阵的前n列组成；

码本4：Rank1码本由1个8-DFT矩阵和1个8×8酉矩阵的各行(或列)构成，Rank2码本是在Rel-8LTE码本的基础上进行变换得到的，Rank2线阵码本与Rank1码本保持嵌套特性。

在上述方案中，均存在一定的缺陷：

码本1继承了Rel-8LTE4天线码本的部分特性：恒模特性和采用8PSK元素，但不满足嵌套关系，尽管码本1在设计过程中考虑了双极化多天线系统信道分布特性，但是其码本没有充分考虑两组极化天线之间的关系，导致该码本在双极化多天线系统中会产生性能损失；

码本2继承了Rel-8LTE4天线码本的大部分特性：恒模、酉、嵌套特性，只采用8PSK元素，由于码本2在4⁷个以8PSK元素为元素的8×8复矩阵构成的空间内搜索码本，而且搜索过程中没有针对双极化多天线系统的信道特性进行特殊的优化，导致该码本在双极化多天线系统中的性能损失；

码本3继承了Rel-8LTE8天线码本的部分特性：恒模、酉、嵌套特性，但采用了16PSK元素，因此会增加预编码计算的复杂度，如果较其他码本不能获得显著的性能增益，则所增加的预编码计算的复杂度将成为额外的负担；

码本4继承了Rel-8LTE4天线码本的部分特性：恒模、酉、嵌套特性，只采用8PSK元素，由于DFT矩阵符合阵列响应的结构，但不完全切合双极化多天线系统的信道分布特性，码本3和码本4都更适合于线阵多天线预编码MIMO系统，而在双极化多天线系统中会有性能损失。

因此，有必要提出一种有效的码本设计方案，使得得到的码本尽可能地匹配于双极化天线信道的分布特性、最小化码本量化带来的性能损失，从而有效提高预编码系统的性能。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别通过设计一种基于双层结构的码本，并提供利用基于双层结构的码本实现多天线系统信息发送、接收的方法。

为了达到上述目的，本发明的实施例一方面提出了一种多天线系统发送信息的方法，包括以下步骤：

发送端接收接收端发送的信息，所述信息包括码字的标号信息；所述发送端根据所述码字的标号信息从基于双层结构的码本中选出相应的码字，所述发送端根据所述码字对待发送的数据进行预编码；所述发送端将预编码后的数据发送给所述接收端。

本发明的实施例另一方面还提出了一种多天线系统接收信息的方法，包括以下步骤：

接收端接收发送端发送的信息，并根据所述信息测量信道；所述接收端根据信道信息，从基于双层结构的码本中选出相应的码字；所述接收端将所述码字的标号信息发送给所述发送端。

本发明的实施例另一方面还提出了一种发送端，包括接收模块、预编码模块以及发送模块，

所述接收模块，用于接收接收端发送的信息，所述信息包括码字的标号信息；所述预编码模块，用于根据所述码字的标号信息从基于双层结构的码本中选出相应的码字，以及根据所述码字对待发送的数据进行预编码；所述发送模块，用于将预编码后的数据发送给所述接收端。

本发明的实施例另一方面还提出了一种接收端，包括接收模块、选择模块以及发送模块，

所述接收模块，用于接收发送端发送的信息，并根据所述信息测量信道；所述选择模块，用于根据信道信息，从基于双层结构的码本中选出相应的码字；所述发送模块，用于将所述码字的标号信息发送给所述发送端。

本发明提出的上述方案，使得到的码本尽可能地匹配于双极化天线信道的分布特性、最小化码本量化带来的性能损失，从而有效提高预编码系统的性能。此外，本发明提出的生成的码本的方案继承Rel-8LTE4天线码本的大部分特性，性能良好，在Rank-N码本合理设计的条件下，可以满足码本的嵌套特性，对现有系统的改动很小，不会影响系统的兼容性，而且实现简单、高效。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例一种多天线系统发送方法的流程图；

图2为本发明实施例一种多天线系统接收方法的流程图；

图3为本发明实施例发送端的结构示意图；

图4为本发明实施例接收端的结构示意图；

图5为本发明实施例双极化天线的天线标号的示意图；

图6为本发明实施例基于基码本和变化码本构造Rank1基于双层结构的码本的流程图；

图7为本发明实施例基于基码本和变化码本构造RankN基于双层结构的码本的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

为了实现本发明之目的，本发明公开了一种多天线系统发送信息的方法，包括以下步骤：发送端接收接收端发送的信息，所述信息包括码字的标号信息；所述发送端根据所述码字的标号信息从基于双层结构的码本中选出相应的码字，所述发送端根据所述码字对待发送的数据进行预编码；所述发送端将预编码后的数据发送给所述接收端。

如图1所示，为本发明实施例一种多天线系统发送方法的流程图，包括以下步骤：

S101：发送端接收接收端发送的信息。

在步骤S101中，发送端接收接收端发送的信息，信息中包括码字的标号信息。具体而言，为了了解信道信息，发送端接收到了接收机反馈来的CQI、Rank选择和码字选择等信息。这些CQI、Rank选择和码字选择信息将用于后续的传输处理过程。

S102：发送端基于码字的标号信息，从基于双层结构的码本中选出相应的码字，对待发送的数据进行预编码。

在步骤S 102中，发送端根据所述码字的标号信息从基于双层结构的码本中选出相应的码字，所述发送端根据所述码字对待发送的数据进行预编码，或，根据所述码字进一步处理得到预编码矩阵后对待发送数据进行预编码处理，如对所述码字进行迫零处理等。

具体而言，发送端将待发送的多个数据流，应用选好的MCS进行相应的数据流处理。MCS是基于发送端和接收端的信道质量进行选择的，而这个信道质量由接收端以CQI的方式进行指示。根据码字选择信息，在基于双层结构的码本中选择码字。码本将在后面给出详细说明。每个数据流将被映射到若干层以实现所需要的传输速率。然后，基于所选择的预编码码字，对层映射后的数据进行预编码，或，根据所述码字进一步处理得到预编码矩阵后对待发送数据进行预编码处理，如对所述码字进行迫零处理等。最后，每个预编码后的数据流经过OFDM调制，经过多根发射天线发射出去。数据层数也被称为Rank数。

具体而言，双层结构的码本包括基码本和变换码本两个层次：

所述基码本包括的基码字为N_T/2×N维矩阵；所述变换码本规定了由所述基码字变换到N_T×N维码字的映射关系，其中N_T为MIMO系统的发射天线数目，N为Rank数，即MIMO系统的所发送的信号层数。

更进一步而言，基于双层结构的码本中的码字c满足以下关系：

其中，w表示N_T/2×N维基码字，

表示2×N维变换码字，

表示复数，

表示矩阵的直积，w(：，n)表示矩阵的第n列，n＝1，…，N。此外，基于双层结构的码本还包括部分码字具备双层结构的码本。进一步而言，当码本中包含码字c，存在一个N_T/2×N维矩阵w和2×N维矩阵使得码字满足如下关系：

则可以认为此码本为基于双层结构的码本。

S103：发送端将预编码后的数据发送给接收端。

在步骤S103中，将预编码后的数据发送给接收端。通过上述方式，完成了本发明提出的多天线系统发送信息的方法。

如图2所示，为本发明实施例一种多天线系统接收方法的流程图，包括以下步骤：

S201：接收端接收发送端发送的信息。

在步骤S201中，接收端接收发送端发送的信息，并根据所述信息测量信道，例如根据公共导频测量信道。

S202：接收端根据信道信息，从基于双层结构的码本中选出相应的码字。

在步骤S202中，接收端根据信道信息，从基于双层结构的码本中选出相应的码字。

具体而言，以OFDM调制的MIMO系统为例，在接收过程中，接收端接收发送端发来的信号并且利用FFT将其转化为频域信号。这些信号经过MIMO检测后被区分为若干层的信号。经过解层映射以后，信号进一步被解调、解交织和解码。接收到的导频信号被输入信道估计模块器以实现信道估计。接收端利用信道估计信息从基于双层结构的码本中选择码字以优化性能。其优化准则可以是FER、BER、SINR、互信息、瞬时吞吐量、或其他合适的准则。接收端产生所选码字的索引以便用于后续的发送机发送。接收端产生信道质量指示CQI以告知发送机信道质量。接收端还用于确定Rank数和相应的数据层数，以用于后续的数据传输。以上获得的所有参数，码字标号、CQI和Rank数都反馈给发送端。

其中，w表示N_T/2×N维基码字，

表示2×N维变换码字，

表示复数，

表示矩阵的直积，w(：，n)表示矩阵的第n列，n＝1，…，N。此外，基于双层结构的码本还包括其基于双层结构的码本还包括码本中部分码字具备双层结构的码本。进一步而言，当码本中包含码字c，存在一个N_T/2×N维矩阵w和2×N维矩阵

使得码字满足如下关系：

则可以认为此码本为基于双层结构的码本。

S203：接收端将相应码字的标号信息发送给发送端

在步骤S203中，接收端将上述码字的标号信息发送给发送端。通过上述方式，完成了本发明提出的多天线系统接收信息的方法。

如图3所示，为本发明实施例发送端100的结构示意图，包括接收模块110、预编码模块120以及发送模块130。

其中，接收模块110用于接收接收端发送的信息，信息包括码字的标号信息。

预编码模块120用于根据码字的标号信息从基于双层结构的码本中选出相应的码字，以及根据码字对待发送的数据进行预编码，或，根据所述码字进一步处理得到预编码矩阵后对待发送数据进行预编码处理，如对所述码字进行迫零处理等。

发送模块130用于将预编码后的数据发送给接收端。

其中，w表示N_T/2×N维基码字，

表示2×N维变换码字，

表示复数，

表示矩阵的直积，w(：，n)表示矩阵的第n列，n＝1，…，N。此外，基于双层结构的码本还包括部分码字具备双层结构的码本。进一步而言，当码本中包含码字c，存在一个N_T/2×N维矩阵w和2×N维矩阵

使得码字满足如下关系：

则可以认为此码本为基于双层结构的码本。

如图4所示，为本发明实施例接收端200的结构示意图，包括接收模块210、选择模块220以及发送模块230。

其中，接收模块210用于接收发送端发送的信息，并根据信息测量信道。

选择模块220用于根据信道信息，从基于双层结构的码本中选出相应的码字。

发送模块230用于将码字的标号信息发送给发送端。

其中，w表示N_T/2×N维基码字，

表示2×N维变换码字，表示复数，

使得码字满足如下关系：

则可以认为此码本为基于双层结构的码本。

基于双层结构的码本具体的产生方法如下：

假设MIMO系统包含N_T根发射天线，N_R根接收天线，Rank数为N，其中，N_T为偶数，N_R，N≥1。为了便于说明，首先对双极化天线的天线标号方法加以约定，如图5所示，天线标号的方法是先顺序标定同一个极化方向的天线，然后再顺序标定同一个极化方向的天线。值得注意的是，双极化多天线系统的码本及其设计方法与双极化天线的天线标号方法无关，如果所约定的天线标号方法发生变化，只需对码本生成方法中天线的标号做相应调整即可。

本发明所提供的码本设计和生成方法包括以下3个步骤：

(1)基于空间相关信道的分布特性构造一组包含N₁个N_T/2×N维码字的码本，称此码本为基码本，其中，N₁为正整数；

具体而言，空间相关信道的分布特性主要取决于采用的天线阵配置。以均匀线阵为例，MIMO信道矩阵的主特征向量可以用阵列响应的形式来表示。如包含N_T/2个天线的均匀线阵，天线间距为d，所使用电磁频段的波长约为λ，阵列响应所对应的角度为α，则信道矩阵的主特征向量可以近似地表示为下式：

a = {[\begin{matrix} 1 & \cdot \cdot \cdot & \exp (j 2 π \frac{kd}{λ} \sin α) & \cdot \cdot \cdot & \exp (j 2 π \frac{(N_{T} / 2 - 1) d}{λ} \sin α) \end{matrix}]}^{T}

MIMO信道矩阵的其他特征向量也可以用阵列响应的形式近似地表示。

基于空间相关信道的分布特性，可以构造出包含N₁个N_T/2×N维码字的基码本。例如，DFT矩阵的列向量可以很好地拟合均匀线阵的阵列响应，可以作为Rank1基码本中的码字。

(2)基于双极化信道两组极化天线信道之间的关系，构造一组包含N₂个2×N维码字的码本，称此码本为变换码本，其中，N₂为正整数；

具体而言，双极化信道两组极化天线信道之间具有同分布、低相关的特性。可以用一组模值为1的复数来量化两组极化信道之间的相位关系，从而构造出变换码本。

(3)基于基码本和变换码本得到包含N₁·N₂个码字的基于双层结构的码本。

可以基于步骤(3)中所得到的码本，根据某种优化原则进行搜索，以缩减码本大小或降低码本的Rank数。当然，也可以直接将步骤(3)中获得的码本作为最终的码本。

基于基码本和变化码本构造Rank1码本的流程图如图6所示：

取1个基码字，分别与变换码本中的各变换码字组合得到相应的码字，其组合方式如图6中所示。如此重复N₁次，一共可以得到N₁×N₂个码字，从而构成基于双层结构的Rank1码本。其中N_T/2维向量v_k，k＝1，…，N₁为基码本中的码字，称为基码字；2×1维向量

为变换码本中的码字，称为变换码字；N_T×1维向量c_k，k＝1，…，N₁·N₂为基于双层结构的码本中的码字；

表示矩阵间的直积。

基于基码本和变化码本构造Rank-N码本的流程图如图7所示：取1个基码字，分别与变换码本中的各变换码字组合得到相应的码字，其组合方式如图7中所示。如此重复N₁次，一共可以得到N₁·N₂个码字，从而构成基于双层结构的Rank2码本。其中，w_k，k＝1，…，N₁为基码字；2×N维矩阵为变换码字；C_k，k＝1，…，N₁·N₂为基于双层结构的码本中的码字；运算符ο的定义为：

w(：，n)表示矩阵w的第n列。

下面给出基于双层结构码本的一些具体例子：

第1类码本：

表1Rank 1基码本：

表2Rank 1变换码本：

基于双层结构的Rank1码本：

其中，n＝0，…，7，m＝0，1，k＝2n+m，或m＝0，…，3，k＝4n+m。

表3Rank2基码本：

编号	w_n
		0	w₀＝[v₀ v₄]
1	w₁＝[v₁ v₅]

2	w₂＝[v₂ v₆]
		3	w₃＝[v₃ v₇]
4	w₄＝[v₄ v₁]
		5	w₅＝[v₅ v₂]
6	w₆＝[v₆ v₃]
		7	w₇＝[v₇ v₀]

表4Rank2变换码本：

基于双层结构的Rank2码本：

n＝0，…，7，m＝0，1，k＝2n+m，或m＝0，…，3，k＝4n+m。

其中，运算符号ο的定义如下：

A(：，n)表示矩阵A的第n列。

第2类码本：

表5Rank1基码本：

表6Rank1变换码本：

基于双层结构的Rank1码本：

n＝0，…，7m＝0，1，k＝2n+m，或m＝0，…，3，k＝4n+m。

表7Rank 2基码本：

编号	w_n
		0	w₀＝[v₀ v₁]
1	w₁＝[v₁ v₂]
		2	w₂＝[v₂ v₃]

3	w₃＝[v₃ v₄]
		4	w₄＝[v₄ v₅]
5	w₅＝[v₅ v₆]
		6	w₆＝[v₆ v₇]
7	w₇＝[v₇ v₀]

表8Rank2变换码本：

基于双层结构的Rank2码本：

n＝0，…，7m＝0，1，k＝2n+m，或m＝0，…，3，k＝4n+m。

其中，运算符号ο的定义如下：

A(：，n)表示矩阵A的第n列。

值得注意的是，基于相同的基码本和变换码本，通过不同的数学变换可能获得相同的基于双层结构的码本，因此基于基码本和变换码本得到码本的方法并不局限于其所采用的具体数学变换方式。另外，尽管本发明所提供的码本是针对双极化天线配置进行设计的，但同样可以应用于其他天线配置场景。

本发明提出的上述实施例，接收端包括基站或终端，同理，发送端包括基站或终端。

本发明提出的上述方案，使得得到的码本尽可能地匹配于双极化天线信道的分布特性、最小化码本量化带来的性能损失，从而有效提高预编码系统的性能。此外，本发明提出的生成的码本的方案继承Rel-8LTE4天线码本的大部分特性，性能良好，在Rank-N码本合理设计的条件下，可以满足码本的嵌套特性，对现有系统的改动很小，不会影响系统的兼容性，而且实现简单、高效。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。